DE10209259A1 - Reduktion des DMT-Peaks, ohne das Übertragungssignal zu beeinflussen - Google Patents

Reduktion des DMT-Peaks, ohne das Übertragungssignal zu beeinflussen

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Bewirken der Verringerung des Peaks in einem DMT-Signal wird zunächst eine vorbestimmte Signatur-Wellenform erzeugt. Diese wird dann von dem DMT-Signal in dem Bereich eines Signalpeaks subtrahiert, wann immer das DMT-Signal oberhalb eines vorbestimmten maximalen Wertes liegt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das Feld der Datenkommunikation und insbesondere ein Verfahren zum Verringern der Signalpeaks in einem Diskret-Multiton(DMT)-Signal.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
DMT oder Diskret-Multiton ist eine Mehrträger-Übertragungstechnik, das eine schnelle Fou­ rier-Transformation (FFT) und eine inverse FFT benutzt, um übertragene Bits vielen engen Schmalband-QAM-modulierten Tönen zuzuweisen, abhängig von der Transportkapazität je­ des Tones. Dies natürlich kann sich mit den Übertragungsbedingungen ändern. Wie es in der Technik bekannt ist, ist QAM (Quadraturamplitudenmodulation) eine Passband- Modulationstechnik, bei der Information als Änderungen in der Trägerphase und -amplitude dargestellt wird.
DSL (Digital Subcriber Line) oder digitale Teilnehmerleitung ist ein System, bei dem eine nicht belastete lokale Schleife eine Kupferverbindung zwischen einem Netzwerk- Serviceprovider und dem Ort eines Kunden zur Verfügung stellt. DMT ist eine übliche Form der Modulation, die in DSL-Systemen benutzt wird. In einem auf DMT basierenden DSL- System beträgt das erforderliche Peak-zu-Mittel-Verhältnis (PAR, Peak-Average-Ratio) eines Signales 15 dB für die Wahrscheinlichkeit eines Abschneidens, das bei 10-8 auftreten soll (wobei eine Gaußverteilung angenommen wird).
Ein großer PAR-Wert wird den dynamischen Bereich des Signales ernsthaft verringern. Ei­ nerseits wird irgendein Peakwert die Signalsättigung hervorrufen, und der Fehler wird sich auf alle Frequenz-Unterträger ausbreiten. Im schlimmsten Fall kann der gesamte Rahmen eines Signales ausgewischt werden. Andererseits, wenn das PAR vergrößert wird, so daß das Signal mit weniger großer Wahrscheinlichkeit abgeschnitten wird, geht der dynamische Be­ reich verloren. Für den Fall, daß PAR = 15 dB, wird das Signal normalerweise 15 dB unter­ halb seines Peak-Wertes übertragen.
In einem DMT-System werden mehrere QAM-Konstellationen auf unterschiedlichen Träger­ frequenzen moduliert. Im Zeitbereich (time domain) hat das Signal variable Pegel. Normaler­ weise liegt das maximale Peak-zu-Mittel-Verhältnis im Bereich von 27 dB bis 39 dB, abhän­ gig von der Größe der FFT. Um den dynamischen Bereich des Signals zu vergrößern und das PAR zu verringern, sind mehrere Verfahren in auf DMT basierenden DSL-Systemen verwen­ det worden. Das effizienteste Verfahren ist es, eine spezielle Wellenform zu benutzen, die als eine Signatur-Wellenform bekannt ist. Dies ist ein Signal des Zeitbereiches, welches dort ei­ nen hohen Peak enthält und zu anderen Zeitpunkten klein ist. Wann immer das Signal größer ist als ein maximaler Wert, wird die Signatur-Wellenform von dem Signal subtrahiert, so daß das Signal nicht gesättigt wird. Das Hinzunehmen der Signatur-Wellenform wird jedoch im allgemeinen eine Verzerrung bei dem Übertragungssignal hervorrufen.
Systeme zum Herabsetzen des Peaks aus dem Stand der Technik sind beschrieben, zum Bei­ spiel in J. Tellado und J. Cioffi, "PAR Reduction in Multicarrier Transmission System (PAR-Reduktion in Mehrträger-Übertragungssystemen)", ANSI Contribution T1E1.4/97-367, Sacramento, CA, Dezember 1997; und A. Gatherer und M. Polley, "Controlling Clippin Pro­ bability in DMT Transmission (Steuern der Wahrscheinlichkeit des Abschneidens bei der DMT-Übertragung)", 1997 Asilomar Conference, November 1997, deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu mildern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt eine Signatur-Wellenform zur Verfügung, die keine oder nur minimale Signalverzerrung einführt. Die Signatur-Wellenform ist so gestaltet, daß, wann immer das Signal oberhalb eines maximalen Wertes liegt, die Signatur-Wellenform von der Position des Signalpeaks subtrahiert wird. Als ein Ergebnis wird das Signal nicht gesättigt werden. Die Vorteile einer solchen Gestaltung der Signatur-Wellenform liegen darin, daß das PAR um soviel wie 6 dB verringert werden kann, und keine Verzerrung wird in das Übertragungs­ signal eingeführt. Das Übertragungssignal hat nach der Deduktion des Peaks keine Verzer­ rung.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewirken der Reduktion des Peaks in einem DMT-Signal zur Verfügung, mit den Schritten des Erzeugens einer vorbe­ stimmten Signatur-Wellenform und des Subtrahierens der vorbestimmten Signatur- Wellenform von dem DMT-Signal in dem Bereich eines Signalpeaks, wann immer das DMT- Signal über einem vorbestimmten maximalen Wert liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Signatur-Wellenform durch einen iterativen Prozeß aus einer vorbestimmten Start-Wellenform erzeugt, und sie wird durch Beschrän­ kungseinheiten für Zeitbereich und Frequenzbereich geleitet.
Typischerweise wird die Signatur-Wellenform mit dem Ausgangssignal des Zeitbereiches der DMT ausgerichtet und mit einem Skalierfaktor multipliziert, der von dem maximalen Wert des Ausgangssignals des Zeitbereichs der DMT abgeleitet ist. Das Ergebnis wird durch einen Bitschieber geleitet, um die Anzahl Bits pro Prüfwert des Ergebnisses zu der Anzahl der Bits in den Prüfwerten des Signals des Zeitbereiches der DMT anzupassen.
Diese Erfindung stellt auch eine Anordnung zum Bewirken der Reduktion des Peaks in einem DMT-Signal zur Verfügung, mit einer ersten Schaltung zum Erzeugen einer vorbestimmten Signatur-Wellenform und einer zweiten Schaltung zum Subtrahieren der vorbestimmten Si­ gnatur-Wellenform von dem DMT-Signal in dem Bereich eines Signalpeaks, wann immer das DMT-Signal oberhalb eines vorbestimmten maximalen Wertes liegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaft beschrieben, mit Be­ zug auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer Schaltung zum Verringern des PAR eines Signals zeigt; und
Fig. 2 ein Blockschaubild ist, das die Berechnung einer Signatur-Wellenform veran­ schaulicht.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie oben angemerkt ist es die Aufgabe der Erfindung, das PAR (Peak-zu-Mittel-Verhältnis) eines Signales, das übertragen werden soll, zu verringern. Gemäß den Grundsätzen der Erfin­ dung wird dies erreicht, indem die Signatur-Wellenform von dem Signal subtrahiert wird, wann immer das Signal über einem vorbestimmten maximalen Wert liegt. Als ein Ergebnis wird das Signal nicht gesättigt werden.
Die Erfindung benutzt wenige Bits und einen kurzen Vektor für die Signatur-Wellenform, so daß sowohl die Anforderungen an Speicher und Rechenzeit minimiert werden. Auch, indem sorgfältig der Wert C gewählt wird, der unten definiert wird, ist es möglich, die maximale Verringerung des PAR um 6 dB zu erreichen und eine minimale Signalverzerrung zu halten. Die Signatur-Wellenform s(k) wird durch einen Vektor mit 256 Byte (256 × 8 Bits) mit ei­ nem maximalen Wert 0x 7f (0x zeigt die hexadezimale Notation an, daher würde beispiels­ weise 7f in binärer Notation 01111111 sein) dargestellt.
Mit Bezug nun auf Fig. 1 weist eine praktische Implementierung der Erfindung eine IFFT­ (Inverse Schnelle Fouriertransformation)-Einheit 100 auf, welche ein frequenzmoduliertes DMT-Eingangssignal X erhält und ein IFFT-Zeitbereichssignal x(k1) ausgibt, das als Zahl mit 16 Bit dargestellt wird. Das Ausgangssignal x(k1) wird an einen Subtrahierer 101 gegeben.
In der Zwischenzeit berechnet die IFFT-Einheit 100 den maximalen Wert der Amplitude (M) in einem DMT-Rahmen. Wenn der absolute maximale Wert (|M|) des Zeitbereichsignals (x(k1)) kleiner ist als 0x 08000, ist keine Aktion erforderlich, was die Verringerung des PAR betrifft, und die Ausgabe für den Vergleich C wird auf Null gesetzt. Sonst, wenn der maxi­ male Wert (|M|) gleich oder größer ist als 0x 08000, gibt der Schwellenwertrechner 102 den Adressort (I) des maximalen Wertes in der Serie der Prüfwerte aus und führt die folgenden Schritte durch:
Wenn |M| größer ist als 0x 0FFFF, wird |M| zunächst auf einen vorbestimmten maximalen Wert 0x 0FFFF gesättigt.
Wenn die Signatur-Wellenform von dem Signal (x(k1)) subtrahiert werden soll, muß sie erst mit dem Signalpeak ausgerichtet werden, wobei berücksichtigt werden muß, daß die Signatur- Wellenform nur 257 Byte lang ist. Es muß auch bedacht werden, daß die Signatur- Wellenform nur aus Prüfwerten mit 8 Bit besteht, wohingegen das Signal aus Prüfwerten mit 16 Bit besteht.
Die Ausrichtung der Signatur-Wellenform mit dem Peak wird erreicht, indem IFFT- Ausgabeprüfwerte an den Adressen k1 genommen werden, die im Bereich von [I - 128: I + 127] liegen (bevor Präfix, Suffix und Fenster addiert werden), und die Signatur-Wellenform, multipliziert mit einem geeigneten Skalierfaktor C multipliziert ist, subtrahiert wird, wobei C wie folgt festgelegt wird:
|M| - ((C × (0x 0080))<<7) = 0x 08000
C = (|M| - 0x 08000) × sgn(M)
Die Adresse k1 für die IFFT-Ausgabe x sollte zyklisch erweitert werden, d. h. falls k1 < O, sollte die wahre Adresse k1 + N sein, wobei N die Anzahl der FFT-Punkte ist (für ein norma­ les, auf DMT basierendes DSL-System ist N = 512, 1024, 2048, 4096 und 8192), und falls k1 < N - 1, sollte die wahre Adresse k1 - N sein.
Die Signatur-Wellenform s(k), die aus Prüfwerten mit 8 Bit besteht, wird dann in dem Multi­ plizierer (103) mit dem Skalierfaktor C multipliziert, der aus Prüfwerten mit 16 Bit besteht.
Das Ergebnis ist eine Zahl mit 23 Bit, die 7 Bit nach rechts in der Einheit 104 verschoben wird, um eine Zahl mit 16 Bit zu ergeben, die im Subtrahierer 101 von x(k1) subtrahiert wird.
Die Erzeugung der Signatur-Wellenform wird wie in Fig. 2 gezeigt durchgeführt. Die Be­ rechnung der Signatur-Wellenform ist in Fig. 2 gezeigt. Zunächst wird eine anfängliche Frequenz-Wellenform ausgewählt, und das Signal des Frequenzbereiches wird durch eine IFFT 201 geleitet, um eine Signatur-Wellenform s(n) des Zeitbereiches zu erzeugen. Dieses Signal wird dann mit einer erforderlichen Schwellwerteinheit 202 überprüft, und alle Prüf­ werte des Zeitbereiches, die oberhalb des Schwellenwertes liegen, werden korrigiert, um ein modifiziertes Signal s1(n) des Zeitbereiches zu erzeugen. Dieses Signal wird durch die FFT- Einheit 203 geleitet, um eine Wellenform S(k) des Frequenzbereiches zu erzeugen.
Dieses Signal S(k) wird dann in der Einheit 204 gegen eine erforderliche Frequenzmaske überprüft, und jegliche Signale, die oberhalb der Maske sind, werden korrigiert, um die Mas­ kenanforderungen zu erfüllen. Die Ausgabe von S1(k) der Einheit 204 wird zurück an die IFFT 201 gegeben, und der Prozeß wird auf einer iterativen Basis wiederholt, bis entweder die Wellenformänderung zwischen aufeinanderfolgenden Iterationen nicht mehr signifikant ist oder eine maximale Anzahl von Iterationen erreicht wird.
Ein Beispiel eines Schwellwerts des Zeitbereiches für die Einheit 202 ist:
In der obigen Gleichung wird angenommen, daß der Mittelpunkt der Signatur-Wellenform bei n = 128 zentriert ist und der Schwellenwert eine Konstante 0.5 ist.
Ein Beispiel einer Frequenzbereichmaske für die Einheit 204 ist:
Hier gehört der Bereich 1 zu einem Übertragungsfrequenzband, das nicht verwendet wird. Dieses Band kann ohne Einschränkungen für die Signatur-Wellenform benutzt werden. Der Bereich 2 gehört zu dem Empfangsfrequenzband, und der entsprechende Schwellenwert γ1 wird so eingestellt, daß er gleich der erforderlichen Übertragungsspektrummaske für das Empfangsband ist, oder in dem Fall, daß es keine Einschränkung für das Übertragungssignal auf dem Empfangsband gibt, wird γ1 so eingestellt, daß das erzeugte Echosignal zu dem Empfangsband kleiner ist als die Anforderung. Der Bereich 3 gehört zu dem Übertragungsband, auf dem Datenbits moduliert werden, und γ2(k) wird als 1/6 bis 1/4 der Konstellationsentfer­ nung eingestellt, die für unterschiedliche Frequenzunterträger (k) unterschiedlich ist.
Die obige getroffene Auswahl des Schwellenwertes wird sicherstellen, daß die Signatur- Wellenform alle möglichen Frequenzbänder benutzt, so daß sie am besten einer Impulsfunkti­ on angenähert werden kann. Gleichzeitig wird sie keinerlei Frequenzanforderungen verletzen, und sie wird keine Signalverzerrung verursachen, weder bei entfernten noch bei nahen Emp­ fängern.
Die Erfindung stellt eine effektive Implementierung für die Verringerung des PAR zur Verfü­ gung. Die Gestaltung der Signatur-Wellenform ist derart, daß sie am besten an die Impuls­ funktion angenähert ist und gleichzeitig keine oder nur geringe Verzerrung sowohl bei dem Übertragungs- als auch bei dem Empfangssignal hervorruft.
Das beschriebene Verfahren kann mit einer geringen Menge an Speicher und weniger Re­ chenschritten implementiert werden. Indem geeignete Parameter benutzt werden, kann die Verringerung des PAR maximiert werden.
Das iterative Verfahren für die Erzeugung der Signatur-Wellenform stellt eine optimale Wahl für die Signatur-Wellenform sicher. Alle möglichen Frequenzbänder werden benutzt, um die optimale Signatur-Wellenform zu erzeugen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbar­ ten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (16)

1. Verfahren zum Bewirken der Reduktion des Peaks in einem DMT-Signal, mit den Schritten des Erzeugens einer vorbestimmten Signatur-Wellenform und des Subtrahie­ rens der vorbestimmten Signatur-Wellenform von dem DMT-Signal in dem Bereich ei­ nes Signalpeaks, wann immer das DMT-Signal oberhalb eines vorbestimmten maxima­ len Wertes liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das DMT-Signal zunächst durch eine IFFT- Einheit geleitet wird, welche ein Signal x(k1) des Zeitbereiches erzeugt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die IFFT-Einheit eine erste Ausgabe M, welche einen maximalen Wert des Signals x(k1) darstellt, und eine zweite Ausgabe I, die den Adressort des maximalen Wertes I in dem Signal x(k1) darstellt, erzeugt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die vorbestimmte Signatur-Wellenform von dem DMT-Signal subtrahiert wird, wenn der absolute Wert |M| oberhalb eines vorbe­ stimmten Wertes liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Signatur-Wellenform weniger Prüfwerte hat als das DMT-Signal und die Signatur-Wellenform zunächst mit dem Signalpeak ausge­ richtet wird, bevor subtrahiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Signatur-Wellenform zunächst mit einem Ska­ lierfaktor multipliziert wird, um an das DMT-Signal angepaßt zu werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Skalierfaktor aus dem absoluten Wert |M| be­ stimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Skalierfaktor C entsprechend der Gleichung
C = (|M|) - 0xXXXXX) × sgn(M)
bestimmt wird, wobei 0xXXXXX eine vorbestimmte Zahl ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Ergebnis des Multiplizierens des Skalierfak­ tors mit der Signatur-Wellenform zunächst verschoben wird, um im Ergebnis die An­ zahl der Bits pro Prüfwert mit der Anzahl der Bits übereinstimmend zu machen, die das Signal x(k1) des Zeitbereiches darstellen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Signatur-Wellenform erzeugt wird, indem eine vorbestimmte Wellenform durch eine die Wellenform modifizierende Schaltung auf einer iterativen Basis geleitet wird, bis die Änderung der Wellenform zwischen Prüfwerten unbedeutend wird oder eine maximale Anzahl von Iterationen er­ reicht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die die Wellenform modifizierende Schaltung eine IFFT-Einheit, um die Signatur-Wellenform s(n) in dem Zeitbereich zu erzeugen, eine Beschränkungseinheit für die Wellenform, um ein modifiziertes Signal s1(n) der Signatur-Wellenform im Zeitbereich zu erzeugen, und eine FFT-Einheit, um ein modifi­ ziertes Wellenformsignal S(k) des Frequenzbereiches zu erzeugen, und eine Beschrän­ kungseinheit für das Spektrum, um ein bandbegrenztes Frequenzsignal S1(k) zu erzeu­ gen, das zurück zu der IFFT-Einheit als Teil des iterativen Prozesses gegeben wird, aufweist.
12. Anordnung zum Bewirken der Reduktion des Peaks in einem DMT-Signal, mit einer ersten Einheit zum Erzeugen einer vorbestimmten Signatur-Wellenform und einer zweiten Einheit zum Subtrahieren der vorbestimmten Signatur-Wellenform von dem DMT-Signal in dem Bereich eines Signalpeaks, wann immer das DMT-Signal oberhalb eines vorbestimmten maximalen Wertes liegt.
13. Anordnung nach Anspruch 12, bei der die zweite Einheit eine IFFT-Einheit (100) zum Erzeugen eines Signals des Zeitbereiches aus dem DMT-Signal aufweist, das an einen Subtrahierer (101) gegeben wird.
14. Anordnung nach Anspruch 13, bei der die IFFT-Einheit (100) zwei zusätzliche Ausga­ ben hat, die jeweils den maximalen Wert und den Ort des maximalen Werts in dem DMT-Signal darstellen.
15. Anordnung nach Anspruch 14, bei der die zusätzlichen Ausgaben zu jeweiligen Ein­ gängen einer Recheneinheit (102) für den Schwellenwert gegeben werden, die einen Skalierfaktor für die Signatur-Wellenform erzeugt, wenn der absolute Wert oberhalb ei­ nes vorbestimmten Wertes liegt.
16. Anordnung nach Anspruch 15, bei der die erste Einheit eine IFFT-Einheit zum Erzeu­ gen eines Signals des Zeitbereiches aus einer vorbestimmten Eingabewellenform, eine Beschränkungseinheit für die Wellenform des Zeitbereiches, eine IFFT-Einheit zum Er­ zeugen einer modifizierten Wellenform des Frequenzbereiches und eine Spektrum be­ grenzende Einheit für die modifizierte Wellenform des Frequenzbereiches aufweist, wobei eine Ausgabe der Spektrum begrenzenden Einheit an einen Eingang der IFFT- Einheit gegeben wird, um das Erzeugen der Signatur-Wellenform mittels eines iterati­ ven Prozesses zu erlauben.
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