DE102004045075B4

DE102004045075B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Aussparung einstellbarer schmaler Frequenzbänder in einem breitbandigen Sendesignal

Info

Publication number: DE102004045075B4
Application number: DE102004045075.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bumiller Gerd
Original assignee: IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Current assignee: IAD Gesellschaft fuer Informatik Automatisierung und Datenverarbeitung mbH
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2024-09-16
Also published as: WO2006029817A1; DE102004045075A1

Abstract

Verfahren zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanälen mit zeitlicher Dispersivität, bei dem • im Sender nach einer inversen diskreten Fourier Transformation (IFFT) Werte (S0, S1, ..., SD-2, SD-1) des Ausgangssignals in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt (..., SD-2, SD-1; S0, S1, ..., SD-2, SD-1; S0, S1, ...) und vor einer Parallel-Seriell Wandlung (PS) mit Gewichtsfaktoren (..., α–2, α–1; α0, α1, ..., αD-2, αD-1; αD, αD+1, ...) multipliziert (..., M–2, M–1; M0, M1, ..., MD-2, MD-1; MD, MD+1, .) werden und • im Empfänger Ausgangssignale (y0, y1, ..., yD-2, yD-1) eines Seriell-/Parallel-Wandlers (SP) vor einer diskreten Fourier Transformation (FFT) mit entsprechenden Ausgangssignalen einer periodischen Fortsetzung (yD, YD+1, ...; ..., y–2, y–1) addiert (A0, A1, ...; ..., AD-2, AD-1) werden, derart, dass im Sender als Sendesignal ohne Guardintervall ein Nyquist Fenster und im Empfänger ein äquivalentes Signal zu dem Ergebnis einer zyklischen Faltung des Ausgangs der inversen diskreten Fourier Transformation (IFFT) im Sender und einer Kanalimpulsantwort entsteht, wobei empfängerseitig der Fehler durch das fehlende Guardintervall im Sendesignal korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Verfahren zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation (Multi Carrier Modulation) von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanäle mit zeitlicher Dispersivität. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7.
Neue Dienste verlangen höhere Datenraten und somit mehr Bandbreite für ein Übertragungsverfahren. Durch bisherige Anwendungen wurden Frequenzbereiche (wie z. B. im Betriebsfunk) mit einem Kanalraster in viele kleine Frequenzbereiche zerteilt. Durch die vielfache Nutzung von neuen Technologien (z. B. GSM und DECT) werden diese Frequenzbereiche nur noch sehr spärlich benutzt. Eine komplette Abschaffung dieser Dienste ist nicht erwünscht.
Gesucht wird nun eine Technologie, die in einem breitbandigen Signal einzelne oder mehrere benutzte Frequenzbänder dynamisch ausspart und in denverbleibenden Frequenzbändern eine höherratige Datenübertragung ermöglicht. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Funkkanal durch Reflektionen eine Mehrwegeausbreitung besitzt und die Übertragungseigenschaften des Kanals somit verzerrend und zeitdispersiv sind.
Eine weitere Anwendung ergibt sich in der breitbandigen Powerline Kommunikation, welche den Frequenzbereich zwischen 1,5 und 30 MHz benutzt. Dieser Frequenzbereich entspricht in der Funktechnik der Kurzwelle, so dass Abstrahlungen des PLC Systems Störungen verursachen. Da eine Abstrahlung bei PLC Systemen nicht verhindert werden kann und zu niedrige Abstrahlungswerte Systeme unwirtschaftlich machen, werden einzelne kritische Frequenzbereiche definiert, in denen niedrige Abstrahlungswerte vorgeschrieben werden. In anderen Frequenzbereichen darf mehr abgestrahlt werden.
National und regional können diese Frequenzbereiche unterschiedlich liegen, weshalb es für ein Gerät günstig ist diese Bereiche über Software einstellbar zu haben und nicht mit festen Filtern realisieren zu müssen. Auch die Stromleitung als Übertragungsmedium hat Reflektionen und ist somit verzerrend und zeitdispersiv.
Die Konzeption von Multiträgersystemen zur digitalen Übertragung von Daten, hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Insbesondere das OFDM-Verfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) bzw. das COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) hat sich als zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren erwiesen, welches als Übertragungsverfahren zur Anwendung in dem digitalen Audio-Rundfunkstandard DAB (Digital Audio Broadcasting) und dem digitalen terrestrischen Fernsehrundfunkstandard DTTB (Digital Terrestrial Television Broadcasting) benutzt wird. Bei dem OFDM-Verfahren werden seriell eingegebene Symbolströme in einen vorgegebenen Einheitsblock aufgeteilt. Die aufgeteilten Symbolströme jedes Einheitsblocks werden in parallele Symbole umgewandelt. Die parallelen Symbole werden durch Multiplexbildung und Addition zusammengefasst, indem mehrere Unterträger nach Maßgabe eines inversen schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus IFFT (Inverse Fast Fourier Transformation) mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden, und die so addierten Signale werden als ein Einheitsblock definiert und über den Kanal übertragen. Dadurch wird erreicht, dass jedes der N Symbole auf einem Unterträger des Einheitsblocks liegt und eine Orthogonalität (sowohl für zeitlich aufeinander folgende als auch spektral benachbarte Symbole) bezüglich ISI (Intersymbol-Interferenz) und ACI (Nachbarkanalinterferenz) aufweist. Verglichen mit einem herkömmlichen Einzelträger-Übertragungsverfahren kann das OFDM-Verfahren eine durch Mehrwege-Schwund (multi-path fading) in einem Empfangssignal verursachte Zwischensymbolstörung bzw. -Interferenz ISI (Inter-Symbol Interference) vermindern, indem es dieselbe Symbolübertragungsrate aufrechterhält und die Symbolperiode um die Anzahl an Unterkanälen (N) erhöht. Insbesondere wird beim OFDM-Verfahren ein Schutzintervall (Guard-Interval) zwischen die übertragenen Symbole eingefügt.
Der besondere Vorteil des OFDM-Verfahrens liegt in der äußerst einfachen Realisierung; aufgrund der rechteckförmigen Sende- und Empfangsfilter-Impulsantworten reduzieren sich die Filterbänke auf einfache IDFT- und DFT-Operationen, die mit dem FFT-Algorithmus realisiert werden können. Weiterhin sind bei der Nutzung einer differenziellen Modulation keinerlei Kanalkorrekturmaßnahmen erforderlich, solange die Dauer der Kanalimpulsantwort unterhalb der Länge des Guard-Intervalls liegt. Das Sendeleistungsdichtespektrum ist bei OFDM relativ konstant im Frequenzband der Übertragung, was die optimale Ausnutzung von erlaubten Sendeleistungsdichten im Übertragungsband ermöglicht. Durch die hohe relative Bandbreite von OFDM und einer im Frequenzbereich guten selektiven Auflösung kann ein Einfluss durch schmalbandige Gleichkanalstörung verhindert werden. Das OFDM-Verfahren wird meist mit Modulationsarten wie Pulsamplitudenmodulation PAM, Phasenumtastung PSK (Phase Shift Keying) und/oder Quadraturamplitudenmodulalion (QAM) kombiniert.
Grundlagen der Übertragungstechnik für schnelle Datenübertragung in Mehrwege-Kanäle mit zeitlicher Dispersivität und ein Verfahren hierfür sind dem Fachbuch ”Digital Communications” von Proakis, John G, McGraw-Hill Book Co., Singapur, 3. Auflage, insbesondere Seiten 689 bis 692 zu entnehmen. Ergänzend hierzu kann auf die Dissertation Fischer, Robert : Mehrkanal- und Mehrträgerverfahren für die schnelle digitale Übertragung im Ortsanschlussleitungsnetz, Shaker Verlag 1997, insbesondere Seiten 30 bis 32 hingewiesen werden, welche die theoretischen Grundlagen für optimale Sende- und Empfangsfilter auf der Basis des Einfügens von Nullen (das so genannte zero stuffing) beschreibt. In der Dissertation von Fischer, Robert wird gezeigt, dass bei einem durch zyklische Faltung hervorgegangen Signal in der Berechnung der Fourier-Transformation im Empfänger es zu keinen Interferenzen zwischen Subträgern kommt, sondern nur zur Multiplikation der einzelnen Subträger mit einem Gewichtsfaktor. Eine Entzerrung kann nun einfach durch die Korrektur der Gewichtsfaktoren erfolgen. Die Entzerrung über die Gewichtsfaktoren ist optimal (siehe 2). Durch das Einfügen von Nullen erreicht man, dass sich aufeinanderfolgende Blöcke (= Vektoren) nicht beeinflussen, wodurch die Nutzübertragung robust gegenüber Störungen gemacht werden kann.
Weiterhin ist auf den Seiten 542 bis 547 des Fachbuchs ”Digital Communications” von Proakis, John G das Nyquist-Kriterium, welches die notwendigen Eigenschaften für ein Filter im Frequenzbereich zur Intersymbol/Interferenz-freien Abtastung von Signalen vorgibt und somit eine der wichtigsten Grundlagen der digitalen Signalverarbeitung ist, ausführlich beschrieben.
Aus der EP 0 441 732 / DE 691 09 323 T2 ist ein Empfänger für Zeit-Frequenzverschachtelte digitale Daten mit Nyquist-Zeitfenster bekannt. Um die Interferenz zwischen den Symbolen im Frequenzbereich im Falle eines ungenauen Frequenzabgleichs zu minimieren, enthält der Empfänger ein Transpositionsmodul mit einem örtlichen Schwingkreis für die Basisbandfilterung und für die Analog-Digital-Umwandlung, ein Fenster-Modul für die Auswahl der nützlichen Abtastproben sowie ein mathematisches Transformationsmodul, wobei das Fenster-Modul die Anwendung eines Zeitfensters vom Nyquist-Typ, dessen ”roll-off” nicht null ist, realisiert. Im Falle der Anwendung auf ein digitales Signal, welches zwischen den Symbolen jeweils ein Schutzintervall umfasst, ist die Breite der Endflanke des Nyquist-Zeitfensters geringer als die halbe Breite des Schutzintervalls zu wählen. Vorzugsweise ist jede Flanke des Nyquist-Zeitfensters ein Sinusbogen von einer halben Periode und das Fenstermodul bewirkt nach Anwendung des Nyquist-Zeitfensters ein Falten der ersten ausgewählten Abtastproben mit den letzten ausgewählten Abtastproben sowie die Summierung der ersten Abtastproben und der letzten Abtastproben. Schließlich umfasst der Empfänger Mittel zum Erfassen der Kanalverzerrungen sowie Mittel zur Unterordnung des ”roll-off” als Funktion dieser Verzerrungen, wobei es sich bei den Unterordnungsmitteln des ”roll-off”, um Mittel zur Wahl zwischen einem Fenster mit ”roll-off” null und mindestens einem Fenster mit ”roll-off”, dessen Wert nicht null ist, handelt. Die Anwendung eines Nyquist-Zeitfensters anstelle eines Rechteckfensters erfordert eine Zeiterweiterung dieses Fensters.
Ein ähnlicher Weg wird beim aus der Dissertation von Müller-Weinfurtner, Stefan: OFDM for Wireless Communications: Nyquist Windowing, Peak-Power reduction and Synchronization, Shaker Verlag 2000 bekannten Verfahren eingesetzt bei, dem ein Nyquist-Zeitfenster am Empfänger genutzt wird. Bei dem als MMSE-Optimum Nyquist Receiver bezeichneten Empfänger wird kein Filter im Frequenzbereich eingesetzt, sondern ein Fenster im Zeitbereich entsprechend der Nyquist Kriterien, um Effekte im Frequenzbereich nach der FFT zu erzielen.
Weiterhin ist aus der DE 199 54 088 C2 ein Verfahren zur Filterung einer digitalen Signalfolge bekannt, bei dem aus einer digitalen Eingangssignalfolge und einer Referenzfolge mittels adaptiver Filter eine Ausgangsignalfolge gebildet wird, wobei mit Hilfe der adaptiven Filter aus je einem Filtereingangssignal und je einem Filterreferenzsignal je ein Filterausgangssignal gebildet wird, welches möglichst optimal an des jeweilige Filterreferenzsignal angepasst wird. Im Einzelnen werden aus der digitalen Eingangssignalfolge und der digitalen Referenzfolge mittels einer Skalierungsfunktion Zeitfunktionen gebildet, dann werden daraus mittels Wavelets die Anteile der diskreten Parameter Wavelet Transformation ermittelt, welche paarweise jeweils als ein Filtereingangs- und als ein Filterreferenzsignal an L + 1 adaptive Filter angelegt werden und schließlich werden die Filterausgangssignale der adaptiven Filter mittels der zur ursprünglich angewandten diskreten Parameter Wavelet Transformation inversen Operation zu einer einzigen Ausgangssignalfolge zusammengesetzt. Bei einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens werden die Komponenten der diskreten Parameter Wavelet Transformation nach dem Mallat Algorithmus für die Multi Resolution Analysis ermittelt und die Ausgangssignalfolge wird mittels der dazu inversen Operation, dem Mallat Algorithmus für die Multi Stage Synthesis, rekonstruiert. Der Mallat Algorithmus für die Multi Resolution Analysis, der in ”Mallat, S. G; A theory for Multiresolution Signal Decomp.: The Wavelet Representation; IEEE Trans. Pattern Analysis, Machine Intelligence, Vol. 11, No 7, pp. 674–693, July 1989” beschrieben wird, bietet eine Methode, die diskrete Parameter Wavelet Transformation, kurz DPWT, der praktischen Anwendung mittels digitaler Signalprozessoren mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand zugänglich zu machen. Hierfür sind Module nötig, die aus einer Finite Impulse Response Tiefpassfilterung (FIR-Tiefpassfilterung) und direkt darauf folgender Unterabtastung um den Faktor zwei bestehen und Module, die aus einer Finite Impulse Response Hochpassfilterung (FIR-Hochpassfilterung) und direkt darauf folgender Unterabtastung um den Faktor zwei bestehen. Für den Mallat Algorithmus für die Multi Stage Synthesis, der in ”Chan, Y. T.; Wavelet Basics; Kluwer Academic Publ. Group 1995” beschrieben ist, sind Module nötig, die aus einer Überabtastung um den Faktor zwei und direkt darauf folgender FIR-Tiefpassfilterung bestehen. Weiterhin ist es günstig, wenn die Koeffizienten der im Rahmen des Mallat Algorithmus für die Multi Resolution Analysis und die Multi Stage Synthesis eingesetzten FIR-Filter mit den von L. Daubechies definierten Werten übereinstimmen, wobei p – 1 die Filterordnung angibt. Diese Klasse von Wavelets, die aus ”Daubechies, L; Orthonormal Basis of Compactly Supported Wavelets; Comm. in Pure and Applied Math., Vol. 41, No. 7, pp. 909–996, 1988” bekannt ist, bietet gute Auflösung sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. Die Wavelets sind überdies zeitlich exakt und im Frequenzbereich durch ein rasch abfallendes Spektrum bei tiefen und hohen Frequenzen beschränkt. Für die Arbeitsweise der adaptiven Filter kann der Least Mean Square Algorithmus vorgesehen werden, welcher den optimalen Koeffizientensatz für ein FIR-Filter liefert.
Schließlich sind aus der US 2002/0181388 A1 ein orthogonales Wavelet Verfahren OWDM bekannt, bei dem in einer Synthese-Filterbank das OWDM Signal aus einer Kombination von gewichteten OWDM-Impulsen, welche einem Symbol eines Supersymbols entsprechen, erzeugt wird.
Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, sind unterschiedlich ausgestaltete Verfahren zur Filterung einer digitalen Signalfolge bekannt. Die für die Datenübertragung betrachteten Kanäle unterliegen der Mehrwege-Ausbreitung mit zeitlicher Dispersivität. Die einfachsten Simulationsmodelle für ein derartiges Verhalten nutzen ein Gedächtnis-behaftetes lineares Filter mit einer Impulsantwort, die der des Übertragungskanals entspricht, und die Addition einer Störquelle. Durch das Gedächtnis im linearen Filter entsteht die zeitliche Dispersivität.
Weiterhin ist aus der US 2004/0125740 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, bei dem sendeseitig ein kontrolliertes Sendespektrum generiert wird, indem Nebenkeulen möglichst abgeschwächt werden, und empfangsseitig durch Filterung unerwünschte Signalkomponenten möglichst ausgeblendet werden. Hierzu werden in einer Ausführungsform am Sender die Zeitabtastwerte nach einer inversen diskreten Fouriertransformation IFFT durch einen Replikator mehrfach (vorzugsweise ganzzahlig) wiederholt und in einem Filterregister abgelegt, dessen Inhalt dann – Abtastwert für Abtastwert – mit Gewichtsfaktoren multipliziert wird, die die Übertragungsfunktion des digitalen Filters (z. B. root-raised-cosine) repräsentieren. Diese gewichteten Replikate werden dann mit dem Output-Register aufsummiert und vorzugsweise an einen digital-to-analog converter DAC weitergegeben (herausgeshiftet), wobei Nullen in das Output-Register nachgeschoben werden (overlap-add Struktur). Dabei werden pro Schritt jeweils die der Symboldauer entsprechende Anzahl Abtastwerte herausgeshiftet. Am Empfänger werden die der Symboldauer entsprechende Anzahl Abtastwerte in ein Filterfenster-Shift-Register hereingeshiftet, das ganze Register anschließend identisch zum Sender mit Gewichtsfaktoren multipliziert und durch eine nachfolgende Fragmentiereinheit in eine der Replikator-Anzahl am Sender entsprechende (ganzzahlige) Anzahl von Fragmenten zerlegt, die aufsummiert werden und danach der weiteren Bearbeitung durch eine diskrete Fouriertransformation FFT, etc. unterzogen. Die Verwendung gleicher Gewichtsfaktoren an Sender und Empfänger resultiert dabei in einem Matched-Filter-Design. Da vorzugsweise Root-raised-cosine Filter verwendet werden, bilden die beiden Filter an Sender und Empfänger zusammen einen Raised-Cosinus Filter, der das Nyquist-Kriterium erfüllt, so dass bei ganzzahligen Vielfachen der Symbolzeit keine Intersymbolinterferenz entsteht. Nachteilig ist, dass durch die Verwendung eines relativ langen Fenstershiftregister am Sender und Empfänger sowie den jeweils ebenso langen Registern für das gewichtete Signal und das Ausgangssignal ein hoher Speicheraufwand benötigt wird und dass bei jeweiliger Berechnung der Filterfunktion ein entsprechender zusätzlicher Rechenaufwand erforderlich ist. Weiterhin ist das Verfahren für die Übertragung von Streams (kontinuierliche digitale Datenströme) ausgelegt, d. h. durch die Abhängigkeiten der übertragenen Sendesymbole untereinander (verursacht durch die Aufsummierung im Output-Register) ist dieses nur für unidirektionale Übertragung geeignet bzw. lässt keine unabhängige Nutzung einzelner Zeitslots (z. B. entsprechend einem OFDM-Symbol) zu.
Schließlich ist aus der EP 1 416 689 A1 ein Verfahren zur Kanalschätzung bekannt, bei dem mit dem Hinzufügen eines konstanten Prefix am Sender gearbeitet wird (nur ein pro Symbol konstanter Faktor zur Skalierung des Prefix kann von Symbol zu Symbol variiert werden), um dann am Empfänger eine Kanalschätzung und eine darauf basierende Entzerrung durchführen zu können. Dabei wird auf das Hinzufügen eines „echten” Guard-Intervalls (d. h. Verwendung der periodischen Fortsetzung des Sendesignals) und damit auch auf die Orthogonalität am Empfänger verzichtet.
Bei den bisherigen Mehrträger-Verfahren wurde nun eine periodische Fortsetzung des Signals als Guardintervall vorangestellt. Die Länge des Guardintervalls wurde größer als die relevante Länge der Kanalimpulsantwort gewählt (siehe 2). Wird nun dieses Signal über den Kanal übertragen und am Empfänger nur das eigentliche Übertragungssignal ohne Guardintervall herausgeschnitten, so ist dieses Signal identisch zu einem Signal das durch eine zyklische Faltung des eigentliche Sendesignals ohne Guardintervall und der Kanalimpulsantwort entsteht. In der bisherigen Mehrträger Übertragung ist eine beschränkte spektrale Formung des Sendesignals durch das zu Null setzen einiger Subträger vor der Berechnung der inversen Fourier Transformation im Sender möglich. Der Pegelunterschied in dem daraus resultierenden Sendesignal beträgt zwischen den verwendeten und ausgesparten Frequenzbereichen in der Regel nur 15 bis 20 dB (siehe 5). Deshalb fehlen in der Praxis trotz dringendem Bedürfnis ein kostengünstiges Verfahren sowie eine Vorrichtung hierzu, mit welchem/welcher höhere Dämpfungswerte erreichbar sind. Besonders bedeutsam ist dies, weil die Telekommunikationsindustrie als äußerst fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die sehr schnell Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aussparung einstellbarer schmaler Frequenzbänder in einem breitbandigen Sendesignal derart auszugestalten, dass der Empfänger dieses Signal nach der Übertragung in einem Mehrwege-Kanal mit daraus resultierenden Verzerrungen und zeitlicher Dispersitivität effizient auswerten kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanäle mit zeitlicher Dispersivität nach Patentanspruch 1 gelöst, indem

• im Sender nach einer inversen diskreten Fourier Transformation Werte des Ausgangssignals in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt und vor einer Parallel-Seriell Wandlung mit Gewichtsfaktoren multipliziert werden und
• im Empfänger Ausgangssignale eines Seriell-/Parallel-Wandlers vor einer diskreten Fourier Transformation mit entsprechenden Ausgangssignalen einer periodischen Fortsetzung addiert werden,

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, dass deutlich größere Dämpfungen in den ausgesparten Frequenzbereichen erreicht werden. Dabei wird ein Nyquist Fenster im Sender eingesetzt, wodurch die Anforderungen an das Sendespektrum sehr einfach und effizient implementiert werden können. Durch dieses Nyquist Fenster braucht in vorteilhafter Weise das Sendesignal kein Guardintervall mehr enthalten, das die bisherigen Verfahren benötigen, um in den entsprechenden Kanälen die Orthogonalität der einzelnen Kanäle zu erhalten und somit eine Entzerrung zu ermöglichen. Empfängerseitig wird genau dieser Fehler durch das fehlende Guardintervall im Sendesignal korrigiert.
Weiterhin wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanäle mit zeitlicher Dispersivität nach Patentanspruch 6 gelöst, bei der

• im Sender einem Nyquist Fenster Generator eine inverse diskrete Fouriertransformation, ein Mapping- oder Modulationsmodul, ein Kanalcodierer oder ein Fehlercodierungs- oder ein Fehlercodierungs- und ein Verschachtelungsmodul vorgeschaltet und ein Parallel-/Seriell-Wandler und diesem ein Digital-/Analog-Umsetzer nachgeschaltet ist und der Nyquist Fenster Generator Multiplizierer mit Gewichtsfaktoren umfasst, wobei die Werte des Ausgangssignals in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt und vor der Parallel-zu-Seriell-Wandlung (PS) jeweils mit einem der Gewichtsfaktoren multipliziert werden,
• im Empfänger das empfangene Sendesignal einem Analog-/Digitalumsetzer mit nachfolgendem Seriell-/Parallel-Wandler, welcher einem zyklischen Faltungsemulator vorgeschaltet ist, zugeführt wird und dem zyklischen Faltungsemulator eine diskrete Fouriertransformation, ein Demodulator oder inverses Mappingmodul zur inversen Signalraumzuordnung, ein Kanaldecodierer oder ein Fehlerdecodierungs- oder ein Fehlerdecodierungs- und ein Entschachtelungsmodul nachgeschaltet ist, wobei die Ausgangssignale des Seriell-/Parallel-Wandlers im zyklischen Faltungsemulator jeweils in einem Addierer mit entsprechenden Ausgangssignalen einer periodischen Fortsetzung verknüpft werden,

derart, dass im Sender als Sendesignal ohne Guardintervall ein Nyquist Fenster und im Empfänger ein äquivalentes Signal zu dem Ergebnis einer zyklischen Faltung des Ausgangs der inversen diskreten Fourier Transformation im Sender und einer Kanalimpulsantwort entsteht, wobei empfängerseitig der Fehler durch das fehlende Guardintervall im Sendesignal korrigiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den Vorteil auf, dass der Kostenaufwand zur Realisierung relativ gering ist, da nur Addierer und Multiplizierer benötigt werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass eine Frequenzänderung keine Änderung in der Hardware erfordert, sondern dies softwaremäßig erfolgen kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
1 das Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem senderseitigen Nyquist Fenster,
2 eine bekannte Ausführungsform für ein Mehrträger-Verfahren mit einer periodischen Fortsetzung des Signals als Guardintervall,
3 eine Ausführungsform für ein Mehrträger-Verfahren mit einer empfängerseitigen periodischen Fortsetzung des Signals,
4 in Gegenüberstellung den zeitlichen Verlauf der Amplitude und
5 in Gegenüberstellung den Dämpfungsverlauf des resultierenden Sendesignals im Frequenzbereich.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient vorzugsweise zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanäle mit zeitlicher Dispersivität. In den 1 bis 3 ist die mathematische Herleitung bzw. die theoretische Beschreibung der Funktionen in Form von Matrizen bzw. Formeln angegeben, worauf hier in der Beschreibung ausdrücklich Bezug genommen wird. Im einzelnen ist im Sender einem Nyquist Fenster Generator NFG, eine inverse diskrete Fouriertransformation IFFT, ein Mapping- oder Modulationsmodul, ein Kanalcodierer oder ein Fehlercodierungs- und/oder ein Verschachtelungsmodul vorgeschaltet und ein Parallel/Seriell-Umsetzer PS und diesem ein Digital/Analog-Umsetzer nachgeschaltet. Der Nyquist Fenster Generator NFG umfasst Multiplizierer ..., M₀, M₁, ..., M_D-2, M_D-1, ... mit Gewichtsfaktoren ..., α₀, α₁, ..., α_D-2, α_D-1, ..., wobei die Ausgangssignale S₀, S₁, .., S_D-2, S_D-1 des Glieds IFFT in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt und jeweils mit einem der Gewichtsfaktoren verknüpft werden.
Im Empfänger ist das empfangene Sendesignal y[k] einem Analog/Digitalumsetzer mit nachfolgendem Seriell/Parallel-Wandler SP, welcher einem zyklischen Faltungsemulator ZF vorgeschaltet ist, zugeführt. Dem zyklischen Faltungsemulator ZF sind eine diskrete Fouriertransformation FFT, ein Demodulator D oder inverses Mappingmodul zur inversen Signalraumzuordnung, ein Kanaldecodierer und ein Fehlerdecodierungs- und/oder ein Entschachtelungsmodul nachgeschaltet. Die Ausgangssignale ..., y₀, y₁, ..., y_D-2, y_D-1, ... des Seriell/Parallel-Wandlers SP werden im zyklischen Faltungsemulator ZF jeweils in einem Addierer A₀, A₁, ..., A_D-2, A_D-1 mit dem entsprechenden Ausgangssignal der periodischen Fortsetzung verknüpft, wodurch am Eingang der FFT ein einer zyklischen Faltung äquivalentes Signal entsteht.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die zyklische Faltung des Signals am Eingang der Fourier-Transformation FFT vorliegen muss, dies aber nicht notwendigerweise identisch mit dem Eingang am Empfänger ist. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird also das Ausgangssignal S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1 der inversen Fourier Transformation IFFT in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt und vor der Parallel-zu-Seriell-Wandlung PS mit Gewichtsfaktoren ..., α₀, α₁, ... α_D-2, α_D-1, ... multipliziert, die folgende Eigenschaften erfüllen:
Die Summe aller Gewichtsfaktoren α mit denen ein Ausgangssignal S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1 der inversen Fourier Transformation IFFT und dessen periodischen Fortsetzungen multipliziert wird ist 1.
Somit entsteht ein Signal, in dem durch diese Operation keine Interferenzen zwischen den einzelnen Subträgern entstanden sind. Dies entspricht den Nyquist Kriterium nach dem Austausch von Zeit und Frequenz.
Vorzugsweise werden beim erfindungsgemäßen Verfahren nun die Gewichtsfaktoren ..., α₀, α₁, ..., α_D-2, α_D-1, ... in Form eines Cos-Roll-Off oder eines Trapezes gewählt, was einen günstigen Einfluss auf das Sendespektrum hat.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das Sendesignal ohne Guardintervall gesendet (siehe 3 links) und in dem gleichen Kanal übertragen. Dabei entsteht am Eingang des Empfängers ein Signal, das nicht identisch ist zu einem Signal mit zyklischer Faltung. Werden nun aber die nachfolgenden Empfangswerte periodisch fortgesetzt zu den Ersten addiert (siehe 3 rechts), dann entsteht am Eingang der Fourier-Transformation FFT ein Signal, das identisch zu dem mit der zyklischen Faltung ist. Somit sind auch ohne Guardintervall die Vorteile des bisherigen Mehrträger-Verfahrens erhalten geblieben.
Führt man nun erfindungsgemäß diese beiden Verarbeitungen zusammen (siehe 1), ist nun ein Verfahren/ein System entstanden, wo das Spektrum des Sendesignals x[k] die Anforderungen erfüllt und durch die Addition mittels A₀, A₁, ..., A_D-2, A_D-1 der periodisch fortgesetzten Werte am Eingang der Fourier-Transformation FFT ein Signal entsteht, das identisch ist zu einem Signal, das durch zyklische Faltung mit der Kanalimpulsantwort entstanden ist. Hierdurch bleiben alle Vorteile der Mehrträgerübertragung in Mehrwege-Kanäle mit zeitlicher Dispersivität vollständig erhalten.
Eine bevorzugte Erweiterung des Verfahrens ergibt sich aus der Kombination eines Fensters am Sender und einem Fenster am Empfänger. Die Multiplikation dieser beiden Fenster muss wieder das Nyquist-Kriterium erfüllen, weshalb die einzelnen Fenster dann Wurzel Nyquist-Fenster genannt werden.
Der Pegelunterschied in dem daraus resultierenden Sendesignal beträgt zwischen den verwendeten und den durch Null setzen der Subträger ausgesparten Frequenzbereichen für einen Cos-Roll-Off nun 40 bis 60 dB (siehe 5). Auch mit dem deutlich einfacher zu realisierenden Trapez-Fenster werden noch Pegelunterschiede von 40–50 dB realisiert. Durch diese deutlich größeren Dämpfungen in den ausgesparten Frequenzbereichen werden die Anforderungen, nämlich in einem breitbandigen Sendesignal einstellbar schmale Frequenzbänder für andere Dienste auszusparen und in einem Empfänger, der dieses Signal nach der Übertragung in einem Mehrwege Kanal mit daraus resultierenden Verzerrung und zeitlichen Dispersion effizient auswertet, in den meisten Fällen erfüllt.
Das erfindungsgemäße Verfahren/Vorrichtung findet überall dort Anwendung, wo hohe Ansprüche durch höhere Datenraten gestellt werden und ein Höchstmaß an Pegelunterschied in dem daraus resultierenden Sendesignal zwischen den verwendeten und ausgesparten Frequenzbereichen sichergestellt werden müssen.

Claims

Verfahren zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanälen mit zeitlicher Dispersivität, bei dem • im Sender nach einer inversen diskreten Fourier Transformation (IFFT) Werte (S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1) des Ausgangssignals in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt (..., S_D-2, S_D-1; S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1; S₀, S₁, ...) und vor einer Parallel-Seriell Wandlung (PS) mit Gewichtsfaktoren (..., α_–2, α_–1; α₀, α₁, ..., α_D-2, α_D-1; α_D, α_D+1, ...) multipliziert (..., M_–2, M_–1; M₀, M₁, ..., M_D-2, M_D-1; M_D, M_D+1, .) werden und • im Empfänger Ausgangssignale (y₀, y₁, ..., y_D-2, y_D-1) eines Seriell-/Parallel-Wandlers (SP) vor einer diskreten Fourier Transformation (FFT) mit entsprechenden Ausgangssignalen einer periodischen Fortsetzung (y_D, Y_D+1, ...; ..., y_–2, y_–1) addiert (A₀, A₁, ...; ..., A_D-2, A_D-1) werden, derart, dass im Sender als Sendesignal ohne Guardintervall ein Nyquist Fenster und im Empfänger ein äquivalentes Signal zu dem Ergebnis einer zyklischen Faltung des Ausgangs der inversen diskreten Fourier Transformation (IFFT) im Sender und einer Kanalimpulsantwort entsteht, wobei empfängerseitig der Fehler durch das fehlende Guardintervall im Sendesignal korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aller Gewichtsfaktoren (..., α_–2, α_–1; α₀, α₁, ..., α_D-2, α_D-1; α_D, α_D+1, ...), mit denen im Sender nach der inversen diskreten Fourier Transformation (IFFT) die Werte (S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1) des Ausgangssignals und dessen periodische Fortsetzungen (..., S_D-2, S_D-1; S₀, S₁, ...) multipliziert (..., M_–2,M_–1; M₀, M₁, ..., M_D-2, M_D-1; M_D, M_D+1, ...) werden, gemäß der Gleichung
1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nyquist-Fenster die Form eines Cos-Roll-Off oder eines Trapezes aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Nyquist-Fenster auf Sender und Empfänger derart verteilt sind, dass eine Überlagerung der Fenster das Nyquist-Kriterium erfüllt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlagerung der Fenster durch Multiplikation dieser beiden Fenster erfolgt.
Vorrichtung zur Mehrträger-Modulation und -Demodulation von Daten oder digitalen Signalen in einstellbaren Frequenzbereichen mit einer über Funk oder Kabel geführten Übertragung in Mehrwege-Kanälen mit zeitlicher Dispersivität, bei der • im Sender einem Nyquist Fenster Generator (NFG) eine inverse diskrete Fouriertransformation (IFFT), ein Mapping- oder Modulationsmodul, ein Kanalcodierer oder ein Fehlercodierungs- oder ein Fehlercodierungs- und ein Verschachtelungsmodul vorgeschaltet und ein Parallel-/Seriell-Wandler (PS) und diesem ein Digital-/Analog-Umsetzer nachgeschaltet ist und der Nyquist Fenster Generator (NFG) Multiplizierer (..., M_–2, M_–1; M₀, M₁, ... M_D-2, M_D-1; M_D, M_D+1, ...) mit Gewichtsfaktoren (..., α_–2, α_–1; α₀, α₁, ..., α_D-2, α_D-1; α_D, α_D+1, ...) umfasst, wobei die Werte (S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1) des Ausgangssignals in beiden Richtungen periodisch fortgesetzt (..., S_D-2, S_D-1; S₀, S₁, ..., S_D-2, S_D-1; S₀, S₁, ...) und vor der Parallel-zu-Seriell-Wandlung (PS) jeweils mit einem der Gewichtsfaktoren (..., α_–2, α_–1; α₀, α₁, ..., α_D-2, α_D-1; α_D, α_D+1, ...) multipliziert werden, • im Empfänger das empfangene Sendesignal (y[k]) einem Analog-/Digitalumsetzer mit nachfolgendem Seriell-/Parallel-Wandler (SP), welcher einem zyklischen Faltungsemulator (ZF) vorgeschaltet ist, zugeführt wird und dem zyklischen Faltungsemulator (ZF) eine diskrete Fouriertransformation (FFT), ein Demodulator oder inverses Mappingmodul zur inversen Signalraumzuordnung, ein Kanaldecodierer oder ein Fehlerdecodierungs- oder ein Fehlerdecodierungs- und ein Entschachtelungsmodul nachgeschaltet ist, wobei die Ausgangssignale (y₀, y₁, ... y_D-2, y_D-1) des Seriell-/Parallel-Wandlers (SP) im zyklischen Faltungsemulator (ZF) jeweils in einem Addierer (A₀, A₁, ... A_D-2, A_D-1) mit entsprechenden Ausgangssignalen einer periodischen Fortsetzung (y_D, y_D+1, ...; ..., y_–2, y_–1) verknüpft werden, derart, dass im Sender als Sendesignal ohne Guardintervall ein Nyquist Fenster und im Empfänger ein äquivalentes Signal zu dem Ergebnis einer zyklischen Faltung des Ausgangs der inversen diskreten Fourier Transformation (IFFT) im Sender und einer Kanalimpulsantwort entsteht, wobei empfängerseitig der Fehler durch das fehlende Guardintervall im Sendesignal korrigiert wird.