DE102004058908B4 - Method and device for demodulation for a multicarrier transmission system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem, folgende Schritte umfassend: Erfassen einer Information (35), ob ein Impulsrauschen vorliegt, Demodulieren eines über das Mehrträgerübertragungssystem übertragenen Signals, wobei die Information (35) über das Vorliegen des Impulsrauschens ausgewertet wird, wobei die Information (35) über das Vorliegen des Impulsrauschens erfasst wird, indem Informationen (11, 12) aus verschiedenen Frequenzbereichen miteinander korreliert werden und entschieden wird, dass das Impulsrauschen vorliegt, wenn ein Ergebnisder Korrelation über einem vorbestimmten Schwellenwert (r) liegt, wobei die Informationen (11, 12) aus den verschiedenen Frequenzbereichen miteinander korreliert werden, indem Ausgangswerte (11, 12) eines Verfahrens zur Fouriertransformation (2) für mindestens zwei Frequenzen miteinander korreliert werden, indem zwei Vektoren X, Y gebildet werden, indem für jede der zwei Frequenzen über eine vorbestimmte Anzahl von Zeitschritten (N) ein der jeweiligen Frequenz entsprechender Ausgangswert (11; 12) pro Zeitschritt eine Komponente des entsprechenden Vektors bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation...A method for demodulation for a multicarrier transmission system, comprising the following steps: detecting information (35) as to whether impulse noise is present, demodulating a signal transmitted via the multicarrier transmission system, the information (35) being evaluated on the presence of the impulse noise, the information (35 ) is detected about the presence of the impulse noise by correlating information (11, 12) from different frequency ranges with one another and deciding that the impulse noise is present if a result of the correlation is above a predetermined threshold value (r), the information (11, 12) from the different frequency ranges are correlated with each other by output values (11, 12) of a method for Fourier transformation (2) for at least two frequencies are correlated with each other by forming two vectors X, Y by for each of the two frequencies over a predetermined Number of time steps en (N) an output value (11; 12) forms a component of the corresponding vector per time step, characterized in that the correlation ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem, wobei die Demodulation insbesondere robust gegenüber Störungen ist.The present invention relates to a method and a device for demodulation for a multi-carrier transmission system, wherein the demodulation is particularly robust against interference.
Bei Mehrträgerübertragungssystemen werden mehrere Frequenzbereiche zur Übertragung von Nutzdaten verwendet. Dabei ist jedem übertragenen Frequenzbereich ein Träger bzw. ein Ton einer bestimmten Frequenz zugeordnet, was den Namen Mehrträgerübertragungssystem erklärt. Heutzutage wird von Mehrträgerübertragungssystemen, wie z. B. einem xDSL-System, verlangt, dass sie gegenüber Störungen sehr robust sind bzw. sehr robust implementiert werden. So sollen Störungen nicht zu einem Abbruch der Datenverbindung oder aber zu einer großen Anzahl von Bitfehlern führen. Dabei wird unter einer Störung beispielsweise verstanden, dass ein Motor (z. B. von einer Waschmaschine oder einem Kühlschrank) ein- oder ausgeschaltet wird oder dass ein analoges Telefon klingelt.In multi-carrier transmission systems, multiple frequency ranges are used to transmit payload data. Each transmitted frequency range is assigned a carrier or a tone of a specific frequency, which explains the name multicarrier transmission system. Today is of multi-carrier transmission systems, such as. As an xDSL system requires that they are very robust to interference or are implemented very robust. So disturbances should not lead to a termination of the data connection or to a large number of bit errors. In this case, a malfunction is understood, for example, as meaning that an engine (for example, from a washing machine or a refrigerator) is switched on or off or that an analog telephone rings.
Die
In dem Artikel „Erasure Decoding in Burst-Error Channels”, IEEE Transactions an Information Theory, Vol. 27, No. 2, März 1981, S. 160–167 von K.S. Leung und L.R. Welch wird ein Konzept zur Kodierung und Dekodierung für Übertragungskanäle vorgestellt, bei welchen Burstfehler auftreten. Dabei arbeitet dieses Konzept mit einer Auslöschungsdekodierung (”Erasure Decoding”).In the article "Erasure Decoding in Burst-Error Channels", IEEE Transactions an Information Theory, Vol. 2, March 1981, pp. 160-167 to K.S. Leung and L.R. What is presented is a concept for coding and decoding transmission channels in which burst errors occur. This concept works with an erasure decoding.
Die Mehrträgerübertragungssysteme nach dem Stand der Technik besitzen in der Regel Vorrichtungen, wie z. B. eine Fehlerkorrektur, um negative Effekte auftretender Störungen möglichst zu vermeiden, wobei eine Korrelation zur Bestimmung einer Information über ein Vorliegen von Impulsrauschen herangezogen wird. Die Bestimmung dieser Korrelation ist allerdings noch nicht optimal.The multi-carrier transmission systems according to the prior art usually have devices such. As an error correction to avoid negative effects occurring interference as possible, wherein a correlation is used to determine an information on the presence of impulse noise. However, the determination of this correlation is not yet optimal.
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem bereitzustellen, wobei eine Korrelation zur Bestimmung einer Information über ein Vorliegen von Impulsrauschen bessere Ergebnisse liefert, als es beim Stand der Technik der Fall ist.Therefore, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for demodulation for a multicarrier transmission system, wherein correlation for determining information about the presence of impulse noise provides better results than is the case in the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte und bevorzugte Ausführungen der Erfindung.This object is achieved by a method for demodulation for a multi-carrier transmission system according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem folgende Schritte: Erfassen einer Information, ob in einem über das Mehrträgerübertragungssystem übertragenen Signal ein Impulsrauschen vorliegt. Demodulieren des über das Mehrträgerübertragungssystem übertragenen Signals, wobei die Information über das Vorliegen des Impulsrauschens berücksichtigt wird.In the context of the present invention, a method for demodulation for a multicarrier transmission system comprises the following steps: detecting information as to whether impulse noise is present in a signal transmitted via the multicarrier transmission system. Demodulating the signal transmitted over the multicarrier transmission system taking into account the information about the presence of the impulsive noise.
Das Impulsrauschen ist ein nicht stationäres Rauschen, welches verschiedenste Ursachen haben kann. Zum Beispiel führt das Ein- und Ausschalten eines Motors eines Elektrogeräts oder das Klingeln eines analogen Telefons zu dem Impulsrauschen. Indem die Information über das Vorliegen des Impulsrauschens erfasst wird, indem also bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Rahmen der Demodulation jeder Zeit erfasst wird, ob ein die Demodulation störendes Impulsrauschen vorliegt, kann die Demodulation des über das Mehrträgerübertragungssystem übertragenen Signals unter Berücksichtigung dieser Information erfolgen.The impulse noise is a non-stationary noise, which can have a variety of causes. For example, turning on or off a motor of an electrical appliance or ringing an analog telephone results in impulse noise. By detecting the information about the presence of the impulsive noise, ie detecting in the demodulation process according to the invention in each case whether there is impulse noise disturbing the demodulation, the demodulation of the signal transmitted via the multicarrier transmission system can take place in consideration of this information.
Dabei wird die Information über das Vorliegen des Impulsrauschens erfasst, indem in dem über das Mehrträgerübertragungssystem übertragenen Signal verschiedene Frequenzbereiche bzw. die Informationen aus diesen verschiedenen Frequenzbereichen miteinander korreliert werden. Wenn ein Ergebnis dieser Korrelationen über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, gelangt das erfindungsgemäße Verfahren zu dem Schluss, dass das Impulsrauschen vorliegt.In this case, the information about the presence of the impulsive noise is detected by different frequency ranges or the information from these different frequency ranges being correlated with one another in the signal transmitted via the multicarrier transmission system. If a result of these correlations is above a predetermined threshold value, the method according to the invention concludes that the impulse noise is present.
Indem Informationen aus verschiedenen Frequenzbereichen miteinander korreliert werden, wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass ein zeitlich begrenzter Puls, welcher von einer Störung verursacht wurde, nicht Band begrenzt ist. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass das Impulsrauschen in verschiedenen Frequenzbereichen beobachtet wird, so dass beim Vorliegen des Impulsrauschens eine Korrelation von Informationen in verschiedenen Frequenzbereichen zu einem betragsmäßig größeren Ergebnis kommt, als wenn das Impulsrauschen nicht vorliegt. By correlating information from different frequency ranges, the property is exploited that a time-limited pulse caused by a disturbance is not band limited. In other words, this means that the impulse noise is observed in different frequency ranges, so that in the presence of the impulsive noise, a correlation of information in different frequency ranges results in a magnitude greater result than if the impulse noise is absent.
Um die Informationen aus den verschiedenen Frequenzbereichen miteinander zu korrelieren, werden mindestens zwei Frequenzen betreffende Ausgangswerte eines Verfahrens zur Fouriertransformation miteinander korreliert. Dabei ist das Verfahren zur Fouriertransformation Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem.In order to correlate the information from the different frequency ranges, output values of a method for Fourier transformation relating to at least two frequencies are correlated with one another. The method for Fourier transformation is part of the method according to the invention for demodulation for a multi-carrier transmission system.
Dies bietet den Vorteil, dass zur Ermittlung der Korrelation der Informationen aus den verschiedenen Frequenzbereichen ein Verfahren, nämlich das Verfahren zur Fouriertransformation, eingesetzt wird, welches auch ohne Berücksichtigung des Impulsrauschens zur Demodulation verwendet wird. Anders ausgedrückt dient das Verfahren zur Fouriertransformation sowohl der Ermittlung der Information über das Vorliegen des Impulsrauschens als auch der Demodulation.This offers the advantage that a method, namely the method for Fourier transformation, is used to determine the correlation of the information from the different frequency ranges, which method is also used without consideration of the impulsive noise for demodulation. In other words, the Fourier transform method serves both to detect the information about the presence of the impulsive noise and to demodulate it.
Dabei wird die Korrelation von Ausgangswerten des Verfahrens zur Fouriertransformation für zwei Frequenzen mit Hilfe des aus der Literatur bekannten Magnitude Squared Coherence (MSC) Estimate (G.C. Carter, C. Knapp und A.H. Nuttall, ”Estimate of the magnitude-squared coherence function via overlapped Fast Fourier transform processing”, IEEE Transactions an Audio-Electroacoustics, vol. AU-21, Seiten 337–344, August 1973) vorgenommen, wodurch die Korrelation gegen über dem Stand der Technik bessere Ergebnisse liefert. Zur Berechnung der Korrelation nach dem MSC Estimate werden über eine vorbestimmte Anzahl N von Zeitschritten bei jedem dieser Zeitschritte die Ausgangswerte des Verfahrens zur Fouriertransformation für zwei Frequenzen ermittelt, wodurch sich für jede der zwei Frequenzen jeweils ein Vektor der Ausgangswerte mit der Dimension N ergibt. Durch den MSC Estimate wird dann für diese beiden Vektoren die Korrelation berechnet. Dabei wird der Schwellenwert, mit welchem das Ergebnis der Korrelationen zur Ermittlung der Information über das Vorliegen des Impulsrauschens verglichen wird, insbesondere abhängig von einer Falsch-Alarm-Wahrscheinlichkeit und der Anzahl von Zeitschritten N bestimmt. Die Falsch-Alarm-Wahrscheinlichkeit gibt an, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Impulsrauschen erfasst wird, obwohl das Impulsrauschen nicht vorliegt.In this case, the correlation of output values of the method for Fourier transformation for two frequencies using the known from the literature Magnitude Squared Coherence (MSC) Estimate (GC Carter, C. Knapp and AH Nuttall, "Estimate of the magnitude-squared coherence function via overlapped Fast Fourier transform processing ", IEEE Transactions to Audio-Electroacoustics, vol. AU-21, pages 337-344, August 1973), whereby the correlation against the prior art provides better results. To calculate the correlation according to the MSC estimate, the output values of the method for Fourier transformation for two frequencies are determined over a predetermined number N of time steps at each of these time steps, whereby a vector of the output values of dimension N results for each of the two frequencies. The MSC estimate then calculates the correlation for these two vectors. In this case, the threshold value with which the result of the correlations for determining the information about the presence of the impulsive noise is determined, in particular depending on a false alarm probability and the number of time steps N determined. The false alarm probability indicates the probability with which impulse noise is detected, even though impulse noise is not present.
Die verschiedenen Frequenzbereiche, welche miteinander korreliert werden, können entweder zur Übertragung von Nutzdaten verwendet werden oder nicht. Falls einer der verschiedenen Frequenzbereiche zur Übertragung von Nutzdaten verwendet wird, sollte der entsprechende Ausgangswert um einen Wert bereinigt werden, welcher den übertragenen Nutzdaten entspricht. Mit dem derart bereinigten Ausgangswert kann dann die Berechnung der Korrelation erfolgen.The different frequency ranges that are correlated with each other can either be used to transmit payload data or not. If one of the different frequency ranges is used to transmit user data, the corresponding output value should be adjusted by a value which corresponds to the transmitted user data. With the thus adjusted output value, the correlation can then be calculated.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann also vorteilhafter Weise auch dann eingesetzt werden, wenn über alle von dem Mehrträgerübertragungssystem übertragenen Frequenzbereichen Nutzdaten übertragen werden. Das heißt, die zur Ermittlung des Impulsrauschens betrachteten Frequenzbereiche können auch zur Übertragung von Nutzdaten verwendet werden, so dass durch die Ermittlung des Impulsrauschens keine Bandbreite des Mehrträgerübertragungssystems im Vergleich zu einem Mehrträgerübertragungssystem, welches kein Impulsrauschen ermittelt, verschenkt werden muss.The method according to the invention can therefore also be advantageously used if user data is transmitted via all frequency ranges transmitted by the multicarrier transmission system. That is, the frequency ranges considered for determining the impulsive noise can also be used for the transmission of user data, so that no bandwidth of the multi-carrier transmission system in comparison to a multi-carrier transmission system, which determines no impulse noise, must be given away by the determination of the impulse noise.
Die Information über das Vorliegen des Impulsrauschens kann dann einem Frequenzbereichentzerrer und/oder einem Fehlerkorrekturverfahren zugeführt werden. Dabei werden insbesondere Einstellungen des Frequenzbereichentzerrers nicht verändert, wenn das Impulsrauschen vorliegt bzw. erfasst worden ist. Für das Fehlerkorrekturverfahren werden vorteilhafter Weise alle demodulierten Symbole als fehlerhaft markiert, wenn das Impulsrauschen vorliegt.The information about the presence of the impulse noise may then be supplied to a frequency domain equalizer and / or an error correction method. In particular, settings of the frequency range equalizer are not changed when the impulse noise is present or has been detected. For the error correction method, all demodulated symbols are advantageously marked as defective if the impulse noise is present.
Indem die Einstellungen des Frequenzbereichentzerrers nicht verändert werden, wenn das Impulsrauschen vorliegt, werden die Einstellungen des Frequenzbereichentzerrers quasi eingefroren, so dass sie nicht auf Grund der während des Impulsrauschens auftretenden fehlerhaften Werte verfälscht werden. Anders ausgedrückt unterbricht der Frequenzbereichentzerrer seine ständige Adaption, wenn das Impulsrauschen vorliegt.By not changing the settings of the frequency range equalizer when there is impulse noise, the frequency range equalizer settings are virtually frozen so that they will not be corrupted due to the erroneous values that occur during impulse noise. In other words, the frequency domain equalizer interrupts its constant adaptation when impulse noise is present.
Das Fehlerkorrekturverfahren kann die Anzahl von korrigierbaren Elementen erhöhen, wenn ihm vorab bekannt ist, welche Elemente falsch übertragen wurden bzw. welche Elemente keine Information enthalten.The error correction method can increase the number of correctable elements if it is known in advance which elements have been transmitted incorrectly or which elements contain no information.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem bereitgestellt, welche Detektormittel und Demodulationsmittel umfasst. Dabei erfassen die Detektormittel die Information über das Vorliegen des Impulsrauschens. Die Demodulationsmittel hingegen demodulieren das über das Mehrträgerübertragungssystem übertragene Signal, wobei sie die Information über das Vorliegen des Impulsrauschens bei der Demodulation berücksichtigen. Dabei umfassen die Demodulationsmittel eine Fouriertransformationseinrichtung. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass Ausgangswerte der Fouriertransformationseinrichtung, welche zwei verschiedenen Frequenzen entsprechen, pro Zeitschritt als erster und zweiter Eingangswert den Detektormitteln zugeführt werden. Dabei berechnen die Detektormittel eine erste, eine zweite und eine dritte Multiplikation pro Zeitschritt. Bei der ersten Multiplikation wird der erste Eingangswert mit sich selbst multipliziert, bei der zweiten Multiplikation wird der erste Eingangswert mit dem zweiten Eingangswert multipliziert und bei der dritten Multiplikation wird der zweite Eingangswert mit sich selbst multipliziert. Weiterhin addieren die Detektormittel über eine vorbestimmte Anzahl von Zeitschritten die Ergebnisse der ersten Multiplikation zu einer ersten Summe, die Ergebnisse der zweiten Multiplikation zu einer zweiten Summe und die Ergebnisse der dritten Multiplikation zu einer dritten Summe auf. Dann quadrieren die Detektormittel die zweite Summe und teilen das Quadrat durch das Produkt der ersten und der dritten Summe, woraus sich ein Endergebnis ergibt. Abschließend vergleichen die Detektormittel das Endergebnis mit einem vorbestimmten Schwellenwert und entscheiden, dass das Impulsrauschen dann vorliegt, wenn das Endergebnis kleiner als dieser Schwellenwert ist. The present invention also provides a demodulation apparatus for a multicarrier transmission system comprising detector means and demodulation means. In this case, the detection means detect the information about the presence of the impulsive noise. The demodulation means, on the other hand, demodulates the signal transmitted via the multicarrier transmission system, taking into account the information about the presence of impulse noise in the demodulation. In this case, the demodulation means comprise a Fourier transformation device. The device is designed in such a way that output values of the Fourier transformation device, which correspond to two different frequencies, are supplied to the detector means per time step as first and second input values. In this case, the detector means calculate a first, a second and a third multiplication per time step. In the first multiplication, the first input value is multiplied by itself, in the second multiplication the first input value is multiplied by the second input value and in the third multiplication the second input value is multiplied by itself. Furthermore, the detector means adds over a predetermined number of time steps the results of the first multiplication to a first sum, the results of the second multiplication to a second sum and the results of the third multiplication to a third sum. Then the detector means square the second sum and divide the square by the product of the first and the third sum, resulting in a final result. Finally, the detector means compares the final result with a predetermined threshold and decides that the impulse noise is present when the final result is less than this threshold.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des Verfahrens zur Demodulation für ein Mehrträgerübertragungssystem, welche vorab diskutiert wurden und deshalb hier nicht wiederholt werden.The advantages of the inventive device for demodulation for a multicarrier transmission system essentially correspond to the advantages of the method for demodulation for a multicarrier transmission system, which were discussed in advance and are therefore not repeated here.
Die vorliegende Erfindung eignet sich vorzugsweise zum Einsatz bei xDSL-Systemen, um diese xDSL-Systeme weniger anfällig gegenüber nicht stationärem Rauschen auszulegen. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, sondern kann auch bei anderen Arten von Mehrträgerübertragungssystemen eingesetzt werden, wobei diese Mehrträgerübertragungssysteme mit der Erfindung auch gegenüber Störungen robuster ausgelegt werden können, welche kein stationäres Rauschen verursachen.The present invention is preferably suitable for use with xDSL systems to render these xDSL systems less susceptible to non-stationary noise. Of course, the invention is not limited to this preferred application, but can be used in other types of multi-carrier transmission systems, these multi-carrier transmission systems with the invention can also be designed robustly against interference that cause no stationary noise.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.The present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments.
In
Wenn die über das Mehrträgerübertragungssystem zu übertragenden Symbole zum Beispiel mit einem Reed-Solomon-Code codiert werden, kann die Fehlerkorrektur
In
Damit ist die in
Bevor der Aufbau des Detektor
Dabei gelten folgende Beziehungen: mit:
i = Laufvariable
xi = i-te Komponente von X,
yi = i-te Komponente von Y,
N = Anzahl der Zeitschritte.The following relationships apply: With:
i = run variable
x i = ith component of X,
y i = ith component of Y,
N = number of time steps.
Da der MSC-Estimate zwischen 0 und 1 liegt, kann sein Ergebnis als eine normalisierte Korrelation zwischen den beiden Vektoren X, Y interpretiert werden.As the MSC estimate is between 0 and 1, its result can be interpreted as a normalized correlation between the two vectors X, Y.
In
Das erste
Von einer ersten Summe
Anschließend wird der MSC Estimate in einem Vergleicher
Damit die Erfassung des Impulsrauschens nicht durch ein vorab erfasstes Impulsrauschen gestört wird, wird der zuletzt in das jeweilige Schieberegister
In der weiter unten folgenden Gleichung (7) wird eine Formel angegeben, mit welcher abhängig von einer Falsch-Alarm-Wahrscheinlichkeit Pfa und der Länge der Schieberegister
Ausgehend von der Wahrscheinlichkeitlässt sich unter denselben Voraussetzungen (Gauß-Verteilung, statistische Unabhängigkeit) relativ leicht die Falsch-Alarm-Wahrscheinlichkeit Pfa angeben, mit welcher der MSC Estimate größer als der Schwellenwert r ist, obwohl kein Impulsrauschen vorliegt.Based on the probability under the same conditions (Gaussian distribution, statistical independence), it is relatively easy to specify the false-alarm probability P fa with which the MSC estimate is greater than the threshold r, even though there is no impulse noise.
Löst man die Gleichung (6) nach dem Schwellenwert r auf, so ergibt sich die folgende Gleichung (7): Solving equation (6) for the threshold r yields the following equation (7):
Mit der Gleichung (7) lässt sich nun ausgehend von einer vorgegebenen Falsch-Alarm-Wahrscheinlichkeit Pfa und einer vorgegebenen Länge N der Schieberegister
In
Auch in
Simulationen, wie solche, deren Ergebnisse in
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