DE10051671A1

DE10051671A1 - FDM-Demultiplexer-Filterbank sowie FDM-Multiplexer-Filterbank

Info

Publication number: DE10051671A1
Application number: DE2000151671
Authority: DE
Inventors: Heinz Goeckler; Alexandra Groth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-10-18
Filing date: 2000-10-18
Publication date: 2002-05-02

Abstract

Für eine FDM-Demultiplexer-Filterbank werden die Abtastraten der Filterbank als ganzzahlige Vielfache der Symbolrate gewählt, mit der die Einzelkanalsignale im FDM-Signal übertragen werden.

Description

Stand der Technik

Zur Übertragung von Daten, die voneinander unabhängig sind, über eine erforderliche Anzahl von Einzelkanälen im Frequenzmultiplex benötigt man digitale Filterbänke zur Zusammensetzung der FDM-Signale aus den Einzelkanalsignalen (FDM-Multiplexer mit nachfolgender D/A-Umsetzung) beziehungsweise digitale Filterbänke zur Trennung des FDM- Signals in Einzelkanalsignale (FDM-Demultiplexer mit vorgeschalteter A/D-Umsetzung) [1]. Häufig sind nicht nur die einzelnen Datensignale voneinander unabhängig, sondern auch die Daten- beziehungsweise Symbolraten. In diesen Fällen wird dann die Taktrate (Abtastfrequenz) der jeweiligen Filterbank unabhängig von der Vielzahl der relativ zueinander asynchronen Daten- beziehungsweise Symbolraten der Einzelkanalsignale gewählt. Deshalb ist z. B. in Empfängern für Datensignale im Frequenzmultiplex für jeden Einzelkanal eine Synchronisationseinrichtung vorzusehen, um die Symbolrate für die Weiterverarbeitung der Daten zurückzugewinnen [2].

In [1] sind drei verschiedene Prinzipien zur digitalen Realisierung von Filterbänken zum Demultiplexen von FDM- Signalen beschrieben, [3] gibt einen noch umfassenderen Überblick über Filterbankverfahren. Duale Filterbänke (Frequenzmultiplexer) zur Zusammenführung von Einzelkanalsignalen zu FDM-Signalen erhält man aus den Demultiplexer-Filterbänken durch Transponierung des jeweiligen Signalflußgraphen [4]. Charakteristisch für die angeführten FDM-Demultiplexer-Filterbänke ist, dass die Wahl der jeweiligen Abtastfrequenz ausschließlich unter dem Gesichtspunkt vorgenommen wird, dass die Filterbank für die Signalverarbeitung möglichst wenig Eigenaufwand benötigt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Abtastfrequenz

1. unabhängig von den jeweiligen Inhalten der Einzelkanäle gewählt wird, z. B. asynchrone Übertragung von Daten,
2. sich am Kanalraster orientiert und infolgedessen mindestens gleich dem zweifachen Wert (zur Einhaltung des Abtasttheorems für reelle Signale) der Summe der Einzelkanalbandbreiten ist, gegebenenfalls unter Einbeziehung unbenutzter Kanäle am Rande des Übertragungsbandes,
3. der jeweiligen Bandbreite der Teil-FDM- oder Einzelkanalsignale angepaßt wird und dass
4. effiziente Filterbankalgorithmen (Polyphasen-Methode, hierarchische Baumstrukturen) verwendet werden.

Vorteile der Erfindung

Die FDM-Demultiplexer-Filterbank gemäß Anspruch 1 sowie die FDM-Multiplexer-Filterbank nach Anspruch 18 gibt im Gegensatz zu den zuvor erwähnten Realisierungen von Filterbänken, Filterbänke an, die die Übertragung und Verarbeitung synchroner Einzelkanaldatensignale auf effiziente Weise ermöglichen. Das heißt, dass die Daten- beziehungsweise Symbolraten aller Einzelkanäle, auch wenn sie unterschiedliche Werte aufweisen, alle von einer zentralen Synchronisationseinrichtung abgeleitet sind. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass auch die hierbei zur Erzeugung beziehungsweise Trennung von FDM-Signalen eingesetzten digitalen Filterbänke mit einer Abtastfrequenz arbeiten, die in einem festen Verhältnis zu den Symbolraten der Einzelkanalsignale steht. Trotz der Einschränkung der vollkommenen Systemsynchronität ermöglicht die Erfindung, digitale Filterbänke zum (De-)Multiplexen von FDM-Signalen zu realisieren, die recheneffizient und damit kostengünstig sind, infolge dessen auch einen geringen Leistungsverbrauch aufweisen und somit für eine hochintegrierte Realisierung geeignet sind.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Wegen des Zusammenhangs zwischen den dualen Operationen FDM- Demultiplexen und FDM-Multiplexen über die Verfahren der Transponierung [4] kann auch eine entsprechende FDM- Multiplexer-Filterbank realisiert werden (Anspruch 18).

Durch die Maßnahmen der Patentansprüche lassen sich FDM-(De-)Multiplexer-Filterbänke realisieren

1. deren (Eingangs- und jegliche Zwischen-) Abtastraten im Gegensatz zu vorgenannten Lösungen in einem festen und eindeutigen Verhältnis zu den synchronen Symbolraten der Einzelkanäle stehen, wobei in einer Weiterbildung der Erfindung auch unterschiedliche, in einem ganzzahligen Verhältnis stehende Symbolraten zulässig sind,
2. wobei alle möglicherweise auftretenden Zwischenabtastraten (mit Ausnahme der Eingangsabtastrate) unterhalb einer technologieabhängigen Obergrenze liegen, z. B. CMOS-Technologie 100 MHz,
3. wobei die vorgenannten Möglichkeiten c1) und d1) unter den durch die Einschränkungen a2) und b2) gegebenen Randbedingungen optimal zur Realisierung der Filterbänke mit minimalem Rechenaufwand genutzt werden,
4. und wobei die Eingangsabtastrate angemessen über dem durch das Abtasttheorem vorgegebenen Minimalwert liegt, damit die vor der Abtastung erforderliche Bandbegrenzung des analogen FDM-Signals aufwandsgünstig und ausreichend unempfindich realisierbar ist, ohne dass die Verarbeitungsrate in der digitalen Filterbank über Gebühr erhöht wird.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine dreistufige Filterbank,

Fig. 2 bis Fig. 5 die zugehörigen Signalspektren an den Ein- und Ausgängen der Teil-Filterbänke.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Bei der erfindungsgemäßen Realisierung einer FDM- Demultiplexer-Filterbank sind alle Abtastraten ausschließlich an der Symbolrate orientiert: angefangen von der Eingangsabtastrate, gegebenenfalls über alle Zwischenabtastraten, sind alle in der Filterbank vorkommenden Abtastraten ganzzahlige Vielfache der Symbolrate der jeweiligen Einzelkanalsignale; das heißt, jedes Einzelkanalsignal wird an dem ihm zugeordneten Ausgang der Filterbank mit der Abtastrate mf_S abgegeben, wobei ∈ {2, 3, 4, . . .} eine möglichst kleine ganze Zahl ist und f_S die Symbolrate darstellt, mit der die Daten im FDM-Signal übertragen werden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahme ist dessen Eigenschaft, dass die jeweilige Ausgangsabtastfrequenz unmittelbar mf_S ist, so dass die Umsetzung auf 2 f_S (typischer Wert für nachfolgenden Synchrondemodulator [2]) mit effizienten Standardmethoden möglich ist [4]. Dies wird in der Regel durch eine etwas rechenaufwendigere Filterbank erkauft.

Die erfindungsgemäße Filterbank stützt sich auf folgende Einzelmaßnahmen, die einzeln oder in Kombination realisierbar sind, wenn sie nicht alternativ zueinander sind:

1. Einspeisung eines reellwertigen FDM-Signals mit einer Eingangsabtastfrequenz f_A = Mmf_S < 2 × die Summe aller Einzelkanalbandbreiten (M ∈ N, m ∈ N), f_S: Symbolrate
2. Zerlegung des FDM-Signals in Einzelkanalsignale mittels der Polyphasen-Methode [1, 3, 4]
- a) entweder in einem Schritt bei gleichzeitiger Verminderung von f_A = Mmf_S auf mf_S am Ausgang der Polyphasen-Filterbank
- b) oder mehrstufig mit I Stufen, wobei jeweils in Teil-FDM- Signale zerlegt wird, bei gleichzeitiger Verminderung der Abtastrate um einen entsprechenden Faktor M_i mit
und für die erste Stufe M₁ < M_min gilt derart, dass f_A/M₁ < max|A, wobei max|A eine technologiebedingt höchstmögliche Abtastrate ist,
3. die Polyphasen (Teil-)Filterbänke sind mit komplexen Koeffizienten realisiert, so dass die Ausgangssignale der (Teil-)Filterbänke komplexwertig sind
4. die Durchlaßbandbreiten der verschiedenen (Teil-) Filterfrequenzgänge der (Teil-)Filterbänke sind größer als die Einzelkanalbandbreiten beziehungsweise die Summe der Einzelkanalbandbreiten bei Teil-FDM-Signalen, und die Durchlaßbereiche unmittelbar benachbarter Teilfilterfrequenzgänge von mindestens einer (Teil-) Filterbank überlappen sich teilweise
5. die komplexen Ausgangsnutzsignale werden in einem Mischer mittels einer komplexen Trägerschwingung e^jk ^Ω ^µ frequenzverschoben um die (normierte) Frequenz Ω_µ
6. bei Bedarf wird mittels eines Dezimators die Abtastrate der Einzelkanalsignale von mf_S auf m'f_S, (m/m') ∈ N vermindert.

Fig. 1 zeigt hierfür ein Ausführungsbeispiel. Hier wurde eine dreistufige Filterbank mit den Teilfilterbänken TF1, TF2 und TF3 gewählt mit den Dezimationsfaktoren für die Abtastraten M₁ = 16, M₂ = 4 und M₃ = 8 entsprechend M = 512; Ausgangsabtastrate mf_S mit m = 4. Nimmt man eine technologiebedingte maximale Abtastfrequenz von max|A = 50 MHz an, z. B. CMOS-Technologie, so kann für die Eingangsabtastrate ein Wert bis zu 800 MHz gewählt werden. Die Zerlegung des FDM-Signals in drei Schritten gemäß Fig. 1 hat den weiteren Vorteil, dass am Ausgang der Teilfilterbank TF1 wahlweise Einzelkanalsignale mit der 32- fachen Bandbreite beziehungsweise Symbolrate bezogen auf den Ausgang der Filterbank auskoppelbar sind; 8-fache Symbolrate entsprechend an der Teilfilterbank TF2. Mit H sind die jeweiligen Übertragungsfunktionen der Teilfilter in Fig. 1 bezeichnet.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen die zugehörigen Spektren an den Ein- und Ausgängen der (Teil-)Filterbänke. In Fig. 2 ist das Eingangssignal der Teilfilterbank TF1 dargestellt. Es wurde eine Abtastfrequenz f_A = 2048 f_S und eine Ausgangssamplingrate 4 f_S verwendet. Unter der Bezugsachse für die Abtastfrequenz f_A sind jeweils zuerst die Filternummern, dann die Verschiebung des Prototypfilters um entsprechende Bruchteile und zuletzt die Nummern der jeweils gefilterten Spektren aufgeführt. Es sind 14 der 16 maximal möglichen Einzelkanäle der höchsten vorkommenden Bandbreite dargestellt. Fig. 3 zeigt die Signalspektren am Ausgang der Teilfilterbank TF1, also nach einer Dezimation um 16. Statt einem Einzelkanal der höchstmöglichen Bandbreite sind in Fig. 3 in diesem Frequenzband, den ein solcher Kanal erfordern würde, 4 Kanäle mit einem Viertel dieser Bandbreite dargestellt. Die dargestellten Kanäle der Fig. 3 sind daher nicht mit den Kanälen der Fig. 2 identisch. Fig. 4 zeigt die Signalspektren am Ausgang der Teilfiterbank TF2, die eine Dezimation um 4 durchführt und Fig. 5 die Signalspektren am Ausgang der um 8 dezimierenden Teilfilterbank TF3. Man erkennt die gegenüber dem Frequenzraster vergrößerte Durchlaßbreite der angegebenen Frequenzgänge der (Teil-)Filterbänke und die Überlappung benachbarter Durchlaßbereiche.

Für die erfindungsgemäße Filterbank lassen sich die folgenden Ausgestaltungen realisieren, die einzeln oder in Kombination angewendet werden können:

1. Alle Filterbänke zerlegen das jeweilige Teil-FDM-Signal in Verbindung mit einer Abtastratenhalbierung in zwei Signale halber Kanalzahl mit Ausnahme der ersten Stufe, die auf der Basis der Polyphasen-Filterbank-Methode das reellwertige Eingangssignal so weit in Teil-FDM-Signale zerlegt, dass die in dieser ersten Stufe erforderliche Abtastrate unter max|A liegt.
2. Als Prototyp-Filter für die Polyphasen-Filterbänke werden nicht rekursive (FIR) Filter eingesetzt mit
- - linearer Phase,
- - minimaler Phase,
- - geebneter Laufzeit, das heißt es wurde eine Laufzeitentzerrung vorgenommen
3. Prototypfilter: rekursiv
- - mit minimaler Phase,
- - laufzeitentzerrt (geebnet).
4. Bandpaßabtastung des Eingangssignals unter der Vorraussetzung, dass das reellwertige FDM-Signal am Systemeingang wenigstens näherungsweise bei der Frequenz f_c = (l ± ¼) f_A = (l ± ¼)Mmf_S(l ∈ N) zentriert ist.
5. Bei einer vorgegebenen Mittenfrequenz f_c, die für M_min nicht obige Bedingung (4.) erfüllt, führt eine Erhöhung von M₁ auf M₁ < M_min zu einem geeigneten Wert bezüglich f_c.
6. Bei M ≠ 2ⁱ mit i ∈ N wird M₁ zu = M₁ = M/2^j (j ∈ N, j ≦ i_max festgelegt unter Beachtung der Bedingung für max|A.
7. Wahl genau der Ausgänge der ersten Stufe TF1 der hierachischen Filterbank derart, dass alle Einzelkanalsignale in Kehrlage oder Regellage abgegeben werden.

Bisher wurde nur von FDM-Demultiplexer-Filterbänken ausgegangen.

Entsprechende FDM-Multiplexer-Filterbänke lassen sich wegen des Zusammenhangs zwischen den dualen Operationen FDM- Demultiplexen und FDM-Multiplexen über die Verfahren der Transponierung [4] realisieren, das heißt der Eingang des einen Systems wird zum Ausgang des anderen/neuen Systems und umgekehrt. Die Eingangsabtastrate wird zur Ausgangsabtastrate und umgekehrt. Anstelle der in Fig. 1 vorgesehenen Abwärtstaster (Dezimatoren) sind dann entsprechende Aufwärtstaster (Interpolatoren) vorgesehen.

Literaturverzeichnis

[1] Göckler, Eyssele: "Study of on-board digital FDM- demultiplexing for mobile SCPC satellite communications". Europ. Trans. Telecomm. ETT-3 (1992, Seiten 7 bis 30).
[2] Alberti, Hespelt, Göckler: "A digital multicarrier demodulator with fast synchronisation for mobile SCPS satellite communications". Int. Conf. Dig. Satellite Communications, Guadaloupe, April 89, Tagungsband Seiten 491 bis 498.
[3] Scheuermann, Göckler: "A comprehensive survey of digital transmultiplexing methods". Proceeding of the Inst. Eletrical and Eleetronics Engineers (IEEE), New York, USA, 69 (1981) 11, Seiten 1419 bis 1450.
[4] Crochiere, Rabiner: "Multirate Digital Signal Processing". Prentice-Hall, USA 1983.

Claims

1. FDM-Demultiplexer-Filterbank mit folgendem Merkmal:

- die Abtastraten der Filterbank, gegebenenfalls auch alle Zwischenabtastraten, sind als ganzzahlige Vielfache der Symbolrate gewählt, mit der die Einzelkanalsignale im FDM- Signal übertragen werden.

2. Filterbank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterbank derart ausgebildet, dass jedes Einzelkanalsignal des zerlegten FDM-Signals an dem ihm zugeordneten Ausgang der Filterbank mit der Abtastrate m × f_S abgebbar ist, wobei m ∈ {2, 3, 4, . . .} eine möglichst kleine ganze Zahl ist und f_S die Symbolrate ist.

3. Filterbank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsabtastfrequenz f_A für die Filterbank gewählt ist zu f_A= mMf_S < 2 × die Summe aller Einzelbandbreiten mit M ∈ N, m ∈ N und f_S = Symbolrate.

4. Filterbank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zerlegung des FDM-Signals in Einzelkanalsignale die Polyphasen-Methode vorgesehen ist.

5. Filterbank nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerlegung des FDM-Signals entweder in einem Schritt bei gleichzeitiger Verminderung f_A = M_mfS auf mf_S am Ausgang der Polyphasen-Filterbank vorgenommen wird oder mehrstufig mit I Stufen, wobei jeweils eine Zerlegung in Teil-FDM-Signale vorgesehen ist bei gleichzeitiger Verminderung der Abtastrate um einen entsprechenden Faktor M_i mit
und für die erste Stufe M₁ < M_min gilt derart, dass f_A/M₁ < max|A, wobei max|A eine vorgegebene, insbesondere technologiebedingte höchstmögliche Abtastrate ist.

6. Filterbank nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyphasen (Teil-)Filterbänke mit komplexen Koeffizienten realisiert sind, so dass die Ausgangssignale der (Teil-)Filterbänke komplexwertig sind.

7. Filterbank nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlaßbandbreiten der verschiedenen (Teil-)Filterfrequenzgänge der (Teil-) Filterbänke größer gewählt sind, als die Einzelkanalbandbreiten beziehungsweise die Summe der Einzelkanalbandbreiten bei Teil-FDM-Signalen und dass die (Teil-)Filterbank so ausgestaltet ist, dass sich die Durchlaßbereiche unmittelbar benachbarter Teil-Filter- Frequenzgänge von mindestens einer (Teil-)Filterbank teilweise überlappen.

8. Filterbank nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Mischer vorgesehen ist, mittels dessen die komplexen Ausgangsnutzsignale mittels einer komplexen Trägerschwingung e^jk ^Ω ^µum die (normierte) Frequenz Ω_µ frequenzverschiebbar ist.

9. Filterbank nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dezimator vorgesehen ist, mittels dessen die Abtastrate der Einzelkanalsignale verminderbar ist, und zwar insbesondere von mf_S auf m'f_S, (m/m') ∈ N.

10. Filterbank nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerlegung des FDM-Signals in drei Stufen erfolgt, derart, dass am Ausgang der ersten Stufe/Teil-Filterbank (TF1) wahlweise Einzelkanalsignale mit der 32-fachen Bandbreite beziehungsweise Symbolrate bezogen auf den Ausgang der Filterbank auskoppelbar sind und maximal 4 × 16 Einzelkanalsignale mit der 8-fachen Bandbreite entsprechend nach der zweiten Stufe/Teil-Filterbank (TF2).

11. Filterbank nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrstufigen Zerlegung des FDM-Signals die Teilfilterbänke (TF1, TF2, TF3) so ausgestaltet sind, dass alle Teilfilterbänke mit Ausnahme der ersten eingangsseitigen Teilfilterbank (TF1), das jeweilige Teil-FDM-Signal in Verbindung mit einer Abtastratenhalbierung in zwei Signale halber Kanalzahl zerlegen und dass die erste eingangsseitige Teilfilterbank (TF1) so ausgebildet ist, dass sie auf der Basis der Polyphasen-Filterbank-Methode das reellwertige Eingangssignal soweit in Teil-FDM-Signale zerlegt, dass die in dieser ersten Teilfilterbank (TF1) erforderliche Abtastrate unter einem vorgegebenen, insbesondere technologiebedingten höchstmöglichen Maximalwert max|A liegt.

12. Filterbank nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyphasen-Filterbänke als nicht rekursive (FIR-Filter) mit insbesondere linearer Phase, minimaler Phase und laufzeitentzerrt ausgebildet sind.

13. Filterbank nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Polyphasen-Filterbänke als rekursive Filter mit insbesondere minimaler Phase und laufzeitentzerrt ausgebildet sind.

14. Filterbank nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang der Filterbank eine Bandpassabtastung des zugeführten Signals vorgesehen ist, wobei ein reellwertiges zugeführtes FDM-Signal wenigstens näherungsweise bei der Frequenz f_c = (1 ± ¼) f_A = (1 ± ¼) Mmf_S zentriert ist mit 1 ∈ N, M ∈ N, m ∈ {2, 3, 4, . . .}, f_A= Eingangsabtastfrequenz und f_S = Symbolrate.

15. Filterbank nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vorgegebenen Mittenfrequenz f_c für das Filtereingangssignal, die die Bedingung f_c= (1 ± ¼) f_A = (1 ± ¼) Mmf_S für M_min nicht erfüllt, eine Erhöhung der Abtastrate M₁ auf M₁ < M_min erfolgt.

16. Filterbank nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Faktor M ≠ 2ⁱ für die Abtastrate der Faktor M₁ der eingangsseitigen Teilfilterbank (TF1) zu M₁ = M/2^j (i, j ∈ N, j ≦ i_max) gewählt wird unter Beachtung der Bedingung für die Abtastrate f_A/M₁ < max|A.

17. Filterbank nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrstufigen hierarchischen Aufbau der Filterbank, die Ausgänge der ersten Stufe (TF1) derart mit den Eingängen nachgeordneter Stufen verbunden sind, dass alle Einzelkanalsignale entweder in Regellage oder in Kehrlage am Ausgang der Filterbank abgreifbar sind.

18. FDM-Multiplexer-Filterbank nach einem der Ansprüche 1 bis 17, unter Beachtung der allgemeinen Regeln für die Transponierung von Multiraten-Systemen.