DE10325833B4

DE10325833B4 - Verfahren und Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung

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Publication number: DE10325833B4
Application number: DE2003125833
Authority: DE
Inventors: Werner Henkel; Dietmar Sträussnigg; Steffen Trautmann; Axel Clausen
Original assignee: Lantiq Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2012-08-30
Anticipated expiration: 2023-06-07
Also published as: DE10325833A1

Abstract

Verfahren zur Crestfaktor-Reduzierung eines zu sendenden Datensymbols (X) in einem Mehrträger-Datenübertragungssystem, bei dem das zu sendende Datensymbol (X) eine Funktion einer Vielzahl von innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls (20) vorgesehener Signale ist und jedes dieser Signale einem Träger zugeordnet ist, wobei jeder Träger jeweils mindestens eine Frequenz aus einem Sendedatenspektrum belegt und zumindest ein Träger reserviert ist, der nicht für die Datenübertragung vorgesehen ist, bei dem in einem Modellpfad (6) eine erste Korrekturfunktion (YCF) zur Crestfaktor-Reduzierung iterativ ermittelt wird und bei dem pro Iteration mehrere Maxima (23) innerhalb des Zeitinvervalls (20), die eine vorgegebene Schwelle (24) überschreiten, berücksichtigt werden, wobei im Falle einer Überabtastung des Datensymbols (X') für die Bestimmung eines Spitzenwertes (23), bei dem mehrere zeitlich zusammenhängende Abtastwerte (26, 27) betragsmäßig oberhalb der ersten Schwelle (24) liegen, derjenige Abtastwert (26) für die Erzeugung der jeweiligen Einzelkorrekturfunktion (Y1–YK) verwendet wird, der betragsmäßig am größten ist, wobei das...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung eines zu sendenden Datensymbols in einem Mehrträger-Datenubertragungssystem, bei dem das zu sendende Datensymbol eine Funktion einer Vielzahl von innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls vorgesehener Signale ist und jedes dieser Signale einem Trager zugeordnet ist, wobei jeder Träger jeweils mindestens eine Frequenz aus einem Sendedatenspektrum belegt und zumindest ein Trager reserviert ist, der nicht fur die Datenübertragung vorgesehen ist.
In der modernen Telekommunikation spielt die hochbitratige Datenubertragung auf einer Teilnehmerleitung eine zunehmend größere Rolle, insbesondere deshalb, da man sich von ihr eine großer nutzbare Bandbreite der zu übertragenden Daten kombiniert mit einer bidirektionalen Datenkommunikation verspricht.
Eine Technik, die in jungster Zeit immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die sogenannte Mehrträger-Datenubertragung, die auch als ”Multi-Carrier”-Ubertragung, als „Discrete Multitone (DMT)” Ubertragung oder als „Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)” Übertragung bekannt ist. Eine solche Datenübertragung wird beispielsweise bei leitergebundenen Systemen, aber auch im Funkbereich, fur Broadcast-Systeme und fur den Zugang zu Datennetzen verwendet. Solche Systeme zur Ubertragung von Daten mit Mehrträgerubertragung verwenden eine Vielzahl von Tragerfrequenzen, wobei für die Datenubertragung der zu ubertragende Datenstrom in viele parallele Teilströme zerlegt wird, welche im Frequenzmultiplex unabhängig voneinander ubertragen werden. Diese Teilstrome werden auch als Einzelträger bezeichnet.
Ein Vertreter der Mehrträger-Datenübertragung ist die ADSL-Technik, wobei ADSL fur „Asymmetric Digital Subscriber Line” steht. Mit ADSL ist eine Technik bezeichnet, die die Übertragung eines hochbitratigen Bitstromes von einer Zentrale zum Teilnehmer und eines niederbitratigen, vom Teilnehmer zu einer Zentrale fuhrenden Bitstromes erlaubt. Bei dieser Technik wird die Telekommunikationsleitung in zumindest einen Kanal fur herkommliche Telefondienste (also Sprachübertragung) und mindestens einen weiteren Kanal für die Datenübertragung unterteilt.
Wenngleich bereits sehr viele Probleme bei solchen Mehrtrager-Datenubertragungssystemen wie ADSL gelost sind, bleiben immer noch einige Probleme ungelöst.
Ein mit dieser Mehrträger-Datenübertragung einher gehendes Problem ergibt sich dadurch, dass infolge der Uberlagerung sehr vieler Einzeltrager sich diese kurzzeitig zu sehr hohen Spitzenwerten aufaddieren konnen. Das Verhaltnis von Spitzenwert zu Effektivwert wird als Crestfaktor, sein Quadrat als PAR (Peak to Average Ratio) bezeichnet. Speziell bei Mehrtragersystemen wie ADSL kann der Crestfaktor sehr groß – zum Beispiel größer als 6 – werden. Auch wenn diese Spitzenwerte in der sich daraus ergebenden Amplitude sehr selten und typischerweise nur für sehr kurze Zeitdauern vorhanden sind, stellen sie einen großen Nachteil der Mehrtrager-Datenübertragung dar.
Ein großer Crestfaktor verursacht verschiedene Probleme im Gesamtsystem der Datenübertragung:
Die maximal mögliche Aussteuerung der Digital/Analog-Wandler und der analogen Schaltungsteile, zum Beispiel Filter und Leitungstreiber, mussen in ihrem Aussteuerbereich und ihrer Dynamik bzw. Auflösung für die maximal vorkommenden Spitzenwerte ausgelegt sein. Das bedeutet, diese Schaltungsteile müssen wesentlich größer dimensioniert sein, als die effektive Aussteuerung. Dies geht mit einer entsprechend hohen Betriebsspannung einher, was unmittelbar auch zu einer hohen Verlustleistung fuhrt. Speziell bei Leitungstreibern, die im Allgemeinen eine nicht zu vernachlassigende Nichtlinearitat aufweisen, führt dies zu einer Verzerrung des zu sendenden Signals.
Ein weiteres Problem der Datenubertragung bei hohen Crestfaktoren besteht darin, dass ein sehr hoher Spitzenwert im Sendesignal die maximal mogliche Aussteuerung überschreiten kann. In diesem Falle setzt eine Begrenzung des Sendesignals ein – man spricht hier von einem Clipping. In diesen Fällen repräsentiert das Sendesignal aber nicht mehr die ursprüngliche Sendesignalfolge, so dass es zu Ubertragungsfehlern kommt.
Aus diesem Grunde besteht bei Mehrtrager-Datenübertragungssystemen der Bedarf, solche Spitzenwerte weitestgehend zu unterdrücken oder zu vermeiden. Dieses Problem ist in der Literatur unter dem Begriff Crestfaktor-Reduzierung oder auch PAR-Reduzierung bekannt. Es existieren hier mehrere Lösungsansätze zur Reduzierung des Crestfaktors:
Bei einem bekannten Verfahren werden einige Trager oder Trägerfrequenzen aus dem Mehrträger-Datenübertragungssystem reserviert (typischerweise etwa 5% des Spektrums). Aus diesen reservierten Trägern wird eine Funktion im Zeitbereich mit moglichst hohem, zeitlich schmalem Spitzenwert erzeugt, die das Korrektursignal bzw. den sogenannten Kernel bildet. Iterativ wird dieser Kernel, der lediglich die reservierten Träger belegt, mit einem Amplitudenfaktor gewichtet, der proportional der Differenz von maximalem Spitzenwert und gewünschtem Maximalwert ist, und im Zeitbereich vom Sendesignal subtrahiert. Dabei wird der Kernel an die Stelle des entsprechenden Spitzenwertes des Sendesignals, der für den überhöhten Crestfaktor verantwortlich ist, zyklisch verschoben. Der Verschiebungssatz der DFT-Transformation stellt sicher, dass auch nach der Verschiebung nur die reservierten Träger belegt werden. Ein solches Verfahren ist in dem US-Patent US 6,512,797 B1 beschrieben.
In der internationalen Patentanmeldung WO 03/026240 A2 , die auf der US 6,512,797 B1 aufbaut, ist ein auf dem vorstehend beschriebenen Verfahren aufbauendes Verfahren beschrieben, bei dem Spitzenwerte im zu sendenden Zeitsignal, die fur einen zu hohen Crestfaktor verantwortlich sind, durch iterative Berechnung des Korrektursignals reduziert werden. Dabei findet eine Uberabtastung des Eingangssignals sowie eine Modellierung der der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung nachgeschalteten Filter statt, um dadurch eine hohe Qualität der Datenübertragung und damit eine optimale Crestfaktor-Reduzierung zu gewährleisten.
Die eben beschriebenen Verfahren arbeiten lediglich im Zeitbereich und sind daher durch ihre Schnelligkeit und geringe Komplexitat gekennzeichnet.
Mit den oben beschriebenen Verfahren kann allerdings lediglich ein einziger Spitzenwert innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes des zu sendenden Datensymbols detektiert und wahrend einer Iteration reduziert werden. Dies war bislang in den meisten Fallen zwar ausreichend, jedoch besteht bei einer zunehmenden Miniaturisierung der integrierten Schaltung und einem allgemeinen Trend hin zu niedrigeren Versorgungsspannungen für zukünftige Anwendungen der Bedarf, nicht nur einen einzigen Spitzenwert, sondern mehrere Spitzenwerte pro vorgegebenen Zeitabschnitt und Iteration reduzieren zu können. Ursache dafür ist, dass bei zunehmender Absenkung der Versorgungsspannung auch die vorgegebene Schwelle, ab der ein Spitzenwert im zu sendenden Datensignal reduziert werden soll, ebenfalls abgesenkt wird. Damit steigt allerdings auch die Wahrscheinlichkeit, dass Spitzenwerte über diese Schwelle treten.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 198 38 295 A1 beschreibt ein Multiträgerübertragungsverfahren zum parallelen Übertragen von Informationen in Form eines Signal auf mehreren Subkanälen, bei der eine adaptive Subtragerselektion zur Verringerung der Spitzenwerte eines Mutitragersignals vorgenommen wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Crestfaktor-Reduzierung bereitzustellen, welches insbesondere auch mehr als einen Spitzenwert innerhalb eines Intervalls berücksichtigt. Ferner soll eine entsprechend modifizierte Schaltung angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, statt nur einem Spitzenwert pro Zeitintervall und pro Iteration mehrere Spitzenwerte zu reduzieren, was vorteilhafterweise Implementierungsvorteile mit sich bringt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich ein zu sendendes Datensymbol bereitstellen, welches trotz mehrfacher Spitzenwerte eine anforderungsgemäße Crestfaktor-Reduzierung aufweist und welches somit eine hohe Qualität bei der Datenübertragung gewährleistet.
Um mit hinreichender Sicherheit Spitzenwerte zwischen den Abtastwerten des zu sendenden Datensymbols zu detektieren, wird typischerweise eine Überabtastung – beispielsweise eine zweifache oder vierfache Überabtastung – des zu sendenden Datensymbols vorgenommen. Diese Überabtastung wird lediglich im Modellpfad vorgenommen, wohingegen im Sendepfad keine Überabtastung stattfindet. Ein mit dieser Uberabtastung im Modellpfad einher gehendes Problem ergibt sich dadurch, dass mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit in der unmittelbaren Nachbarschaft des detektierten Spitzenwertes zumindest ein weiterer Spitzenwert detektiert wird, da abhängig vom Grad der Überabtastung eine mehr oder weniger große Aufweitung der Spitzenwerte auf mehrere Abtastwerte erfolgt. Es handelt sich hier aber nach wie vor um einen einzigen Spitzenwert, wenngleich der Spitzenwert mehrere benachbarte Abtastwerte umfasst. Um nun eine unnötige Mehrfachreduktion ein und desselben Spitzenwertes in dem zu sendenden Datensignal zu vermeiden, wird erfindungsgemäß lediglich einer dieser benachbarten Spitzenwerte fur die Crestfaktor-Reduzierung herangezogen. Eventuell vorkommende Abtastwerte in der unmittelbaren Nachbarschaft eines so ermittelten Spitzenwertes werden fur das erfindungsgemäße Verfahren zur Crestfaktor-Reduzierung, insbesondere fur die Reduktion mehrerer Spitzenwerte pro Iteration, nicht herangezogen. Vorteilhafterweise wird dazu eine Anzahl von Abtastwerten links und rechts von diesem, einen Spitzenwert repräsentierenden Abtastwert, beispielsweise zwei bis drei Abtastwerte rechts- und linksseitig, für den Sortiervorgang zur Auswahl der in einer Iteration zu reduzierender Spitzenwerte ausgeblendet.
Ohne die Ausblendung der Abtastwerte in der unmittelbaren Nachbarschaft eines einen Spitzenwert repräsentierenden Abtastwertes wäre ein Verfahren zur Reduzierung von mehreren Spitzenwerten pro Iteration und Zeitintervall in Kombination mit einer Überabtastung im Modellpfad praktisch nicht implementierbar. Das Verfahren würde in diesem Falle zu Instabilitäten neigen und zusatzlich die erforderliche Leistungsfähigkeit verlieren.
Gemäß der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Spitzenwertsuche auch auf das zyklische Präfix des zu sendenden Datensymbols ausgedehnt. Damit ist es moglich, auch Spitzenwerte, die sich in diesem zyklischen Präfix befinden und bislang eben nicht fur eine Crestfaktor-Reduzierung berucksichtigt wurden, nun bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zur Crestfaktor-Reduzierung mit einbezogen. Damit lassen sich auch Spitzenwerte detektieren, die im Übergangsbereich von einem zu sendenden Datensymbol zum nächsten auftreten. Hierbei kann es auch passieren, dass ein sich zyklisch wiederholender Spitzenwert einmal im zyklischen Präfix eines zu sendenden Datensymbols und ein zweites Mal im korrespondierenden Abschnitt des eigentlichen, zu sendenden Datensymbols auftritt. Erfindungsgemaß wird auch dieser Fall bei der Spitzenwertsuche berücksichtigt, um eine Doppelreduktion mit den daraus abgeleiteten Korrektursignalen zu vermeiden.
Weiterhin zu berucksichtigen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass sich nach der Reduktion eines Spitzenwertes, das heißt nach der Addition eines dirac-ahnlichen Korrektursignals, die weiteren in dieser Iteration zu reduzierenden Spitzenwerte verändern konnen bzw. neue Spitzenwerte entstehen konnen, die aber bei der Spitzenwertreduktion unberücksichtigt bleiben. Dies führt ebenfalls zur Instabilität des Verfahrens zur Crestfaktor-Reduzierung. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemaß das im Modellpfad erzeugte Korrektursignal mit einem relativ geringen Skalierungsfaktor gewichtet, so dass pro Iteration die Amplitude der zu reduzierenden Spitzenwerte nicht vollständig auf den gewünschten Wert reduziert wird. Dies hat zur Folge, dass sich die Position der Spitzenwerte pro Iteration nicht bzw. nur unwesentlich verandert.
Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Verfahren, insbesondere zu dem in der WO 03/026240 A2 , unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt:

– Statt lediglich einer einzigen maximalen Amplitude werden die K > 1 Amplituden detektiert, die oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegen. Diese Schwelle wird so definiert, dass sämtliche Signalteile des zu sendenden Datensymbols, die betragsmäßig oberhalb dieser Schwelle liegen, als Spitzenwerte definiert werden, die es zum Zwecke der Crestfaktor-Reduzierung zu verringern gilt. Dabei ist zu beachten, dass nicht mehrmals quasi der gleiche Spitzenwert gefunden und bearbeitet wird. Eventuelle Nebenmaxima in der unmittelbaren Nähe eines gefundenen Spitzenwertes müssen deshalb für die nachfolgende Suche ausgeblendet werden. Dies geschieht erfindungsgemaß dadurch, dass mehrere Abtastwerte, die linksseitig und rechtsseitig des jeweiligen Spitzenwertes gefunden werden, für die nachfolgende Suche bzw. für nachfolgende Iterationen ausgeblendet werden. Es bleibt somit jeweils ein Maximum pro Spitzenwert.
– Auf eine Korrektur des uberabgetasteten, gefilterten Datensymbols im Modellzweig nach jeder einzelnen Spitzenwertreduktion wird verzichtet. Statt dessen wird das im Modellzweig erzeugte Korrektursignal aus einer Linearkombination verschobener und skalierter dirac-ähnlicher Korrekturfunktionen entsprechend der jeweiligen Positionen und Amplituden der gefundenen Spitzenwerte zusammengesetzt.
– Nach jeweils K Spitzenwertreduktionen während einer Iterationsstufe wird das aus den verschiedenen, verschobenen und skalierten dirac-ahnlichen Korrekturfunktionen sich zusammengesetzte Korrektursignal vom zu sendenden Datensymbol sowie dem Datensymbol im Modellpfad subtrahiert. Anschließend beginnt eine neue Iterationsstufe mit erneuter Bestimmung der K großten Spitzenwerte.

Der besondere Vorteile dieses eben beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass im Falle von K gleichzeitigen Spitzenwertreduktionen K-1 zusätzliche Maximalwertsuch- bzw. Sortiervorgänge im uberabgetasteten, gefilterten Datensymbol im Modellzweig eingespart werden können. Ein Nachteil dieser Variante besteht allerdings darin, dass eine eventuelle Verlagerung der Positionen der Spitzenwerte in Folge der Unzulänglichkeiten der dirac-ähnlichen Korrekturfunktionen unberucksichtigt bleibt. Für sehr große K-Werte schrankt dies die Leistungsfähigkeit der Datenübertragung mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ein. Aus diesem Grunde wird typischerweise die dirac-ahnliche Korrekturfunktion gedämpft, da dies die Wahrscheinlichkeit fur eine Verlagerung der jeweiligen Spitzenwerte auf ein Mindestmaß reduziert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele naher erlautert. Es zeigt dabei:
1 ein Signal-Zeit-Diagramm eines zu sendenden Datensymbols mit zwei Spitzenwerten innerhalb eines Rahmens eines Mehrträger-Datenübertragungssystems;
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung eines Mehrträger-Ubertragungssystems;
3 ein Ausschnitt aus dem überabgetasteten zu sendenden Datensymbol im Bereich eines Spitzenwertes;
4 ein Signal-Zeit-Diagramm eines zu sendenden Datensymbols mit zwei Spitzenwerten unter Einbeziehung eines zyklischen Präfixes in dem Rahmen des Mehrtrager-Ubertragungssystems.
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente, Signale und Funktionen – sofern nichts anderes angegeben ist – gleich bezeichnet worden.
1 zeigt ein Signal-Zeit-Diagramm eines zu sendenden Datensymbols.
Ein auf einer Vielzahl von Datenträgern basierendes Datenübertragungssystem wie ADSL erfolgt rahmengesteuert. In 1 ist mit Bezugszeichen 20 der entsprechende Rahmen für die Datenübertragung beginnend mit der Zeit t0 und endend mit der Zeit t1 bezeichnet. Der Rahmen 20 ist bei der Datenübertragung vorgegeben und konstant und betragt beispielsweise bei ADSL etwa 250 μsec. Dieser Rahmen 20 unterteilt somit das zu sendende Datensignal 21 in eine Vielzahl von Datensymbolen, wobei ein Datensymbol 22 einen Ausschnitt aus dem zu sendenden Datensignal 21 bezeichnet. Das in 1 in dem Rahmen 20 angeordnete Datensymbol 22 weist zwei Spitzenwerte 23 auf. Ein Spitzenwert 23 ist dabei so definiert, dass die Amplitude des Datensymbols 22 betragsmaßig eine vorgegebene Schwelle 24 ubersteigt.
Mit bekannten Verfahren konnte lediglich einer dieser Spitzenwerte 23 pro Iteration reduziert werden. Um nun im Falle der 1 beide Spitzenwerte 23 zu reduzieren bzw. ganz allgemein eine beliebige Anzahl von Spitzenwerten innerhalb eines Rahmens 20 zu reduzieren, wird erfindungsgemaß eine erweiterte Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung bereitgestellt, die ein erfindungsgemaßes Verfahren zur Reduzierung einer pro Iteration beliebigen Anzahl von Spitzenwerten innerhalb eines Rahmens einer rahmengesteuerten Datenübertragung realisiert.
Dabei wird zunächst die erfindungsgemäße Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung anhand von 2 beschrieben, anhand der das erfindungsgemäße Verfahren zur Crestfaktor-Reduzierung erläutert werden kann.
2 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung – nachfolgend als CF-Schaltung bezeichnet – eines Mehrträger-Übertragungssystems, welches dazu ausgelegt ist, mehrere Spitzenwerte 23 innerhalb eines zu sendenden Signals X pro Iteration gleichzeitig zu reduzieren. In 2 ist lediglich der senderseitige Ubertragungspfad 5 dargestellt, der zwischen einem nicht dargestellten Sender und einer ebenfalls nicht dargestellten Gabelschaltung, die mit der entsprechenden Telefonleitung verbunden ist, angeordnet ist.
Im Sendepfad 5 des Mehrträger-Datenübertragungssystems sind nacheinander ein IFFT-Modul 1, eine Präfix-Einheit 2, eine CF-Schaltung 3 und ein Ausgabefilter 4 angeordnet. Dem IFFT-Modul 1 wird von dem Sender ein Eingangssignal X0 zugeführt, welches von dem IFFT-Modul 1 mittels inverser Fourier-Transformation moduliert wird. Das so modulierte Eingangssignal X, welches im Falle einer ADSL-Datenübertragung eine Abtastfrequenz von 2,208 MHz und im Falle einer ADSL+ Datenübertragung eine Abtastfrequenz von 4,416 MHz aufweist, wird einer nachgeschalteten Präfix-Einheit 2 zugeführt. Die Präfix-Einheit 2 versieht jedes Datensymbol 22 aus dem zu sendenden Datensignal 21 mit einem zyklischen Präfix. Das so erzeugte modulierte und mit den zyklischen Präfixen versehene Eingangssignal X wird der nachgeschalteten CF-Schaltung 3 zugeführt. Die CF-Schaltung 3 erzeugt ein Crestfaktor reduziertes Ausgangssignal Z, welches dem nachgeschalteten Ausgabefilter 4 zugeführt wird. Nach der Filterung des Crestfaktor reduzierten Ausgangssignals Z gibt das Filter 4 ein Signal Z' aus, welches nach wie vor Crestfaktor reduziert ist.
Die CF-Schaltung 3 weist zu diesem Zwecke einen Modellpfad 6 auf, der parallel zu dem Sendepfad 5 angeordnet ist. Der Modellpfad 6 zweigt am Eingang der CF-Schaltung 3 von dem Sendepfad 5 ab, so dass dem Modellpfad 6 ebenfalls das modulierte Eingangssignal X zugeführt wird. Am Anfang des Modellpfads 6 ist ein Uberabtastblock 11 vorgesehen, der das ursprüngliche, von den Nutzerdaten gebildete Zeitsignal X L-fach, zum Beispiel 4-fach oder 2-fach, überabtastet.
Das L-fach überabgetastete Signal X' wird einem nachgeschalteten Modellfilter 12 zugeführt. Bei dem Modellfilter 12 handelt es sich um eine möglichst getreue Abbildung des der CF-Schaltung 3 nachgeschalteten Filters 4. Damit wird der Charakteristik des Filters 4 und dessen Einfluss auf das zu sendende Signal X Rechnung getragen. Es kann damit sichergestellt werden, dass, obwohl durch das Ausgabefilter 4 das Ausgangssignal Z verändert wurde und somit die Möglichkeit einer erneuten Erzeugung eines uberhohten Crestfaktors besteht, das gefilterte Ausgangssignal Z' dennoch keine uberhöhten Spitzenwerte aufweist.
Dem Modellfilter 12 ist eine Recheneinheit 13 nachgeschaltet, die aus dem überabgetasteten und gefilterten Signal die entsprechenden Spitzenwerte 23 sowie deren Positionen t3, t4 innerhalb des Rahmens 20 sucht. Vorteilhafterweise ist die Recheneinheit 13 als programmgesteuerte Einheit, insbesondere als Mikroprozessor oder Mikrocontroller, ausgebildet. Die Recheneinheit 13 erzeugt mehrere Korrektursignale Y1–YK, jeweils abhangig von der Anzahl K der detektierten bzw. der zu reduzierenden Spitzenwerte 23. Diese Korrektursignale Y1–YK werden zum Beispiel aus dirac-ahnlichen Musterfunktionen, die zum Beispiel in einem Speicher (in 2 nicht dargestellt) abgelegt sind, gebildet. Dieser Speicher kann beispielsweise in der Recheneinheit 13 implementiert sein oder auch gesondert ausgebildet sein.
Die Korrekturfunktionen Y1–YK werden einer Einheit 19 zugefuhrt, die aus der Mehrzahl der Korrektursignale Y1–YK ein einziges Korrektursignal Y_CF, Y*_CF jeweils fur den Sendepfad 5 und den Modellpfad 6 bildet. Dabei werden die einzelnen Korrektursignale Y1–YK, die jeweils einem der zu reduzierenden Spitzenwerte 23 zugeordnet sind, an die entsprechende Stellen innerhalb des Intervalls bzw. des Zeitrahmens 20 fur diesen Spitzenwert 23 verschoben. Das Verschieben der einzelnen Korrektursignale Y1–YK erfolgt unter Steuerung der Recheneinheit 13, die ein Steuersignal CTR hierfür in die Einheit 19 einkoppelt. Das so erzeugte Korrektursignal Y_CF umfasst also samtliche Korrekturbestandteile fur die K Spitzenwerte 23. Das Korrektursignal Y_CF wird der Addiereinrichtung 10 zugeführt. In der Addiereinrichtung 10 wird das Korrektursignal Y_CF im Sendepfad 5 mit dem zeitlich geeignet verzögerten Sendesignal X uberlagert. Die Überlagerung erfolgt zum Beispiel durch Subtraktion des Korrektursignals Y_CF von dem entsprechenden Teil des Zeitsignals X. Das uberabgetastete Korrektursignal Y*_CF wird in der Addiereinrichtung 16 im Modellpfad 6 mit dem zeitlich geeignet verzögerten Signal Y uberlagert.
Die Rückkopplungspfade 17, 18 im Sendepfad 5 und Modellpfad 6 sowie die entsprechenden Schalter 7, 8, 14 dienen der iterativen Behandlung der jeweiligen Signale. Dabei zeigt der Sendepfad 5 die iterative Veränderung der nicht überabgetasteten Zeitfunktion X, wahrend der Modellpfad 6 die zugehörige Modifikation im überabgetasteten Zeitraster des Signals Y durchfuhrt.
Fur die iterative Behandlung der Eingangssignale X enthält der Sendepfad 5 einen ersten Schalter 7 (Start), einen zweiten Schalter 8 (Stop), und einen zwischen diesen Schaltern 7, 8 angeordneten Puffer 9 und Additionseinrichtung 10. Die Puffereinrichtung 9 dient der Pufferung, d. h. der Verzogerung des eingangsseitig zugefuhrten Zeitsignals X, um einer Zeitverzogerung im Modellpfad 6 Rechnung zu tragen, sowie der Abspeicherung der jeweiligen Zwischenwerte pro Iteration.
Fur die iterative Behandlung der überabgetasteten Signale Y im Modellpfad 6 ist ein erster Schalter 14 (Start), eine Puffereinrichtung 15 sowie eine Addiereinrichtung 16 vorgesehen. Die Recheneinheit 13 und die Verschiebeeinheit 19 fuhrt eben das Korrektursignal auch der Addiereinrichtung 16 zu, in der das Korrektursignal Y*_CF von dem Zeitsignal Y im Modellpfad subtrahiert wird. Es ergibt sich somit eine zweite Iterationsschleife.
Hinsichtlich des allgemeinen Aufbaus und der Funktionsweise eines in 2 ausschnittsweise gezeigten Mehrträger-Datenubertragungssystems 1 und insbesondere einer CF-Schaltung 3 wird auf die bereits eingangs erwähnte WO 03/026240 A2 verwiesen, die bezüglich des Aufbaus eines Mehrtrager-Datenübertragungssystems und insbesondere einer Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung vollinhaltlich in die vorliegende Patentanmeldung miteinbezogen wird.
3 zeigt einen Ausschnitt aus dem überabgetasteten zu sendenden Datensymbols 22 im Bereich eines Spitzenwertes 23, wobei hier mehrere Abtastwerte 26, 27 fur diesen Spitzenwert 23 die Schwelle 24 übersteigen. Erfindungsgemaß wird allerdings nur der Abtastwert 26 fur die Bildung eines Korrektursignals verwendet, wohingegen die anderen Spitzenwerte 27, die ebenfalls die Schwelle 24 übersteigen, sowie ggf. auch weitere Abtastwerte 25 links und rechts des Spitzenwertes 23 ausgeblendet werden.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 2 zeigt 4 ein Signal-Zeit-Diagramm eines zu sendenden Datensymbols 22 mit zwei Spitzenwerten 23 unter Einbeziehung eines zyklischen Präfixes in dem vorgegebenen Rahmen 20 des Mehrträger-Ubertragungssystems.
Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die vorstehenden Datenübertragungssysteme und Verfahren beschrankt, sondern lasst sich zum Zwecke der Crestfaktor-Reduzierung auf sämtliche, auf Multitrager-Datenübertragung basierende Systeme und Verfahren erweitern. Insbesondere sei die Erfindung nicht auf eine ADSL-Datenübertragung beschränkt, sondern lässt sich auf sämtliche xDSL-Datenübertragungen erweitern. Denkbar sind auch mobile Anwendungen wie DAB (= Digital Audio Broadcasting) oder DVB-T (= Digital Video Broadcasting-Terrestrial) oder OFDM-basierte WLAN-Anwendungen (= Wireless Local Area Network).
In der 4 ist das zyklische Präfix am Anfang eines Rahmens angeordnet. Dieses Präfix kann jedoch zusätzlich oder alternativ auch am Ende innerhalb eines Rahmens angeordnet sein. Grundsätzlich kann statt eines zyklischen Prafixes auch eine beliebig andere Form der Redundanzeinfügung, die auch nicht notwendigerweise zyklisch sein muss, verwendet werden. Beispielsweise können hier die entsprechenden Abtastwerte auch mit Nullen belegt sein.
Auch sei die Erfindung nicht notwendigerweise auf eine 2-fache oder 4-fache Überabtastung des zu sendenden Datensignals beschrankt. Vielmehr kann auch vorgesehen sein, dass hier keine Uberabtastung, sogar eine Unterabtastung oder eine beliebig hohe Überabtastung stattfindet.
Es versteht sich, dass die Elemente der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung sowie die angegebenen IFFT-Module und Filter herkömmliche Hardware-Komponenten sind, die aber auch softwaremaßig realisiert werden können.
Statt einer IFFT-Transformation lassen sich auch beliebig andere, fur Mehrträgerübertragung geeignete Transformationen verwenden.
Bezugszeichenliste

1: IFFT-Modul
2: Präfix-Einheit
3: Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung, CF-Schaltung
4: Ausgabefilter, Filterkette
5: Sendepfad
6: Modellpfad
7: Schalter
8: Schalter
9: Puffereinrichtung, Speicher
10: Addiereinrichtung
11: Block zur Überabtastung
12: Modellfilter
13: Recheneinheit
14: Schalter
15: Puffereinrichtung, Speicher
16: Addiereinrichtung
17: Iterationspfad
18: Iterationspfad
19: Verschiebeeinheit
20: vorgegebener (ADSL-)Rahmen, Zeitintervall
21: zu sendendes Signal
22: Datensymbol
23: Spitzenwerte
24: vorgegebene Schwelle
25: Abtastwerte
26: Abtastwert für einen Spitzenwert
27: nicht berucksichtigte Abtastwerte in der Nachbarschaft des Spitzenwertes
CTR: Steuersignal
X0: Eingangssignal
X: (IFFT moduliertes) Eingangssignal
X': (uberabgetastetes, moduliertes) Eingangssignal
Y: gefiltertes Signal
Y_CF: Korrektursignal fur den Signalpfad
Y*_CF: überabgetastetes Korrektursignal fur den Modellpfad
Y1–YK: einzelne Korrektursignale
Z: Ausgangssignal
Z': gefiltertes Ausgangssignal
t0–t4: Zeitpunkte

Claims

Verfahren zur Crestfaktor-Reduzierung eines zu sendenden Datensymbols (X) in einem Mehrträger-Datenübertragungssystem, bei dem das zu sendende Datensymbol (X) eine Funktion einer Vielzahl von innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls (20) vorgesehener Signale ist und jedes dieser Signale einem Träger zugeordnet ist, wobei jeder Träger jeweils mindestens eine Frequenz aus einem Sendedatenspektrum belegt und zumindest ein Träger reserviert ist, der nicht für die Datenübertragung vorgesehen ist, bei dem in einem Modellpfad (6) eine erste Korrekturfunktion (Y_CF) zur Crestfaktor-Reduzierung iterativ ermittelt wird und bei dem pro Iteration mehrere Maxima (23) innerhalb des Zeitinvervalls (20), die eine vorgegebene Schwelle (24) überschreiten, berücksichtigt werden, wobei im Falle einer Überabtastung des Datensymbols (X') für die Bestimmung eines Spitzenwertes (23), bei dem mehrere zeitlich zusammenhängende Abtastwerte (26, 27) betragsmäßig oberhalb der ersten Schwelle (24) liegen, derjenige Abtastwert (26) für die Erzeugung der jeweiligen Einzelkorrekturfunktion (Y1–YK) verwendet wird, der betragsmäßig am größten ist, wobei das zu sendende Datensymbol (x) ein zyklisches Präfix aufweist oder mit einem zyklischen Präfix versehen wird und wobei, bedingt durch das zyklische Präfix, zyklisch auftretende Spitzenwerte (23) für die Crestfaktor-Reduzierung nur einmal berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: (a) Überprüfen, ob die Zeitfunktion des Datensymbols (Y) im Modellzweig innerhalb des Zeitintervalls (20) zumindest ein Maximum (23) aufweist, welches betragsmäßig die Schwelle (24) überschreitet; (b) Bestimmen der Amplitude des jeweiligen Maximums (23) und der zugehörigen Position (t3, t4), innerhalb des Zeitintervalls (20); (c) Erzeugen einer Einzelkorrekturfunktion (Y1–YK) durch Gewichten einer Musterkorrekturfunktion abhängig von der jeweils bestimmten Amplitude und durch Verschieben der Musterkorrekturfunktion an die Position des Maximums (23); (d) Wiederholen der Schritte (b)–(c) so lange, bis alle Maxima (23), welche die erste Schwelle (24) innerhalb des Zeitintervalls (20) überschreiten, detektiert wurden oder eine maximale Anzahl von Iterationsschritten erreicht wurde; (e) Bilden einer zweiten Korrekturfunktion (Y*_CF) durch Überlagerung und/oder durch Addition der Einzelkorrekturfunktionen (Y1–YK); (f) Modifizieren des Datensymbols (Y) durch Überlagern und/oder durch Subtrahieren der zweiten Korrekturfunktion (Y*_CF); (g) Wiederholen der Schritte (a)–(f) solange, bis das Datensymbol (Y) keine Maxima (24) mehr aufweist und/oder eine vorgegebene Anzahl von Iterationsschritten erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfahrensschritt (a) ein Überabtasten des zu sendenden Datensymbols (X) und ein Filtern des überabgetasteten Datensymbols (X') erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt (g) ein Modifizieren des zu sendenden Datensymbols (X) durch Überlagern und/oder durch Subtrahieren der ersten Korrekturfunktion (Y_CF) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Musterkorrekturfunktion eine dirac-ähnliche Funktion vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zu sendende Datensymbol (X) zumindest einen Träger aufweist, der nicht für die Datenübertragung zur Verfügung steht und der für die Erzeugung einer Musterkorrekturfunktion im Zeitbereich genutzt wird, welche nach der Filterung dirac-ähnliche Eigenschaften für die Crestfaktor-Reduzierung des zu sendenden Datensymbols (X) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Maximums (23) des abgetasteten zu sendenden Datensymbols (X') die Beträge der Abtastwerte dahingehend überprüft werden, ob diese oberhalb der ersten Schwelle (24) liegen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten (25), die zeitlich vor und zeitlich nach dem verwendeten Abtastwert (27) liegen, für die Spitzenwertbestimmung nicht berücksichtigt wird.
Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung (3) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, die sendeseitig in einem Mehrträger-Datenübertragungssystem angeordnet ist, (A) mit einem Sendepfad (5) mit einem zu sendenden Datensignal (X), in dem erste Iterationsmittel (7, 8, 9, 17) zur iterativen Behandlung des Datensignals (X) angeordnet sind; (B) mit einem parallel zu einem Teil des Sendepfades (5) angeordneten Modellpfad (6), – mit einer Abtasteinheit (11) zum Überabtasten des Datensignals (X); – mit einer ersten Einheit (13) zur Ermittlung einer Mehrzahl von Spitzenwerten (23) innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls (20) des überabgetasteten Datensignals (X') und zur Bestimmung der Amplitude und der Position (t3, t4) jedes Spitzenwertes (23), – mit einer zweiten Einheit (19) zur Bildung einer Korrekturfunktion (Y_CF) aus einer Musterkorrekturfunktion abhängig von den ermittelten Amplituden und Positionen der jeweiligen Spitzenwerte (23), – mit zweiten Iterationsmittel (14, 15, 16, 18) zur iterativen Modifikation des überabgetasteten Datensignals (Y), (C) mit einer Subtrahiereinrichtung (10), die ausgangsseitig mit Ausgängen des Modellpfads (6) und des Sendepfads (5) verbunden ist und die das Korrektursignal (Y_CF) von dem iterativ behandelten Datensymbol (X) im Sendepfad (5) abzieht.
Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, in der zumindest eine dirac-ähnliche Musterkorrekturfunktion abgespeichert ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einheit (19) eine Skalierungseinheit zur Gewichtung der Musterkorrekturfunktion aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einheit (19) eine Verschiebeeinheit zur Verschiebung der Musterkorrekturfunktion aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einheit (19) eine Verknüpfungseinheit aufweist, in der die einzelnen skalierten und verschobenen Musterkorrekturfunktionen zu einer einzigen Korrekturfunktion (Y_CF) zusammengefügt werden.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass im Modellpfad (6) ein Filter (12) vorgesehen ist, welches die Charakteristik eines der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung (3) nachgeschalteten Filters (4) oder Filterkette aufweist.
Schaltung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (12) als nicht-rekursives Modelfilter (12) und/oder als FIR-Filter (12) ausgebildet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–15, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Iterationsmittel (7, 8, 9) für die iterative Behandlung eines Eingangssignals (X) enthält der Sendepfad (5) einen ersten Schalter (7), einen zweiten Schalter (8) und eine zwischen diesen Schaltern (7, 8) angeordnete erste Puffereinrichtung (9) aufweist, wobei die erste Puffereinrichtung (9) der Pufferung des Eingangssignals (X), um einer Zeitverzögerung im Modellpfad (6) Rechnung zu tragen, sowie der Abspeicherung der pro Iteration jeweils ermittelten Zwischenwerte dient.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Iterationsmittel (14, 15, 16) für die iterative Behandlung eines überabgetasteten Signals (Y) im Modellpfad (6) einen dritten Schalter (14), eine zweite Puffereinrichtung (15) sowie eine Addiereinrichtung (16) enthält.