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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Repeater werden zur Vergrößerung des Abdeckungsbereichs eines drahtlosen Kommunikationssystems eingesetzt. Ein Repeater besteht aus zwei Baugruppen: Donator und Dienst. Die Donatorbaugruppe empfängt Daten von der Donatorbasisstation, verstärkt und filtert das empfangene Signal sowie überträgt das verstärkte und gefilterte Signal von der Funkeinheit. Die Kommunikation mit der Basisstation erfolgt über die Donatorantenne. Die Dienstbaugruppe empfängt Daten von der Dienstfunkeinheit, verstärkt und filtert das empfangene Signal sowie überträgt das verstärkte und gefilterte Signal von der Basisstation. Die Kommunikation mit der Funkeinheit erfolgt über die Dienstantenne. Repeater verwenden Filter mit endlicher Impulsantwort (Finite Impulse Response filter, FIR-Filter) als Teil der Signalverarbeitung. Im Allgemeinen wird die FIR-Filtersynthese durch Durchlassbereichswelligkeit, Sperrbereichssperre, Dämpfung, Gruppenlaufzeit (Group Delay, GD) und Gruppenlaufzeitverzerrung (Group Delay Distortion, GDD) eingeschränkt. Die durch den Filter im Signal erzeugten Verzerrungen verursachen eine Erhöhung der Fehlervektor-Größenordnung (Error Vector Magnitude, EVM) des Signals. Die Durchlassbereichswelligkeit sowohl in der Amplitude als auch in der Phasendomäne trägt zu der erhöhten EVM des Digitalfilters bei, und die Phasenwelligkeit steht in engem Zusammenhang mit der GDD. Die Latenz oder GD steht in engem Zusammenhang mit der Filterlänge, die ebenfalls mit den Kosten der Implementierung in Bezug auf Ressourcen der programmierbaren Schaltung in Zusammenhang steht. Wunschgemäß sollen natürlich Kosten und Latenz verringert werden. Die Verbesserung des Filters bezüglich einiger Parameter führt zu einer Verschlechterung einiger anderer Parameter. So begrenzt beispielsweise das Anstreben besserer Gruppenlaufzeiten die Verbesserung anderer Parameter wie Durchlassbereichswelligkeit oder Sperrbereichssperre usw. Die Sperrbereichssperre muss andererseits aus mindestens zwei Gründen ausreichend sein. Zuerst begrenzt die Regulierungsstelle die Verstärkung außerhalb des Bandes und begrenzt somit die „Verstärkung” des Repeaters. Zweitens bedeutet eine höhere Verstärkung in einem angrenzenden Frequenzband, dass einige Signale in dem interessierenden Band die Filter angrenzender Bänder passieren und am gemeinsamen Ausgang stören können, wodurch EVM verursacht wird. Somit ist ein Filter auch gekennzeichnet durch die zulässige Verstärkungsdifferenz „Differenzverstärkung”, die dieses aufweisen kann, ohne den hauptsächlich durch ein benachbartes Teilband hindurchgehenden Verkehr zu zerstören. Die folgende Tabelle 1 veranschaulicht den oben erwähnten Kompromiss zwischen Signalleistungsparametern.
| # | Gruppenlaufzeit
(nS) | Filterlänge | Bandbreite
(MHz) | Verstärkung
(dB) | Differenzverstärkung
(dB) | Welligkeit/EVM |
| 1 | 9,0 | 35 | 0,2 | 100 | 25 | 0,2 |
| 2 | 8,0 | 31 | 0,2 | 100 | 20 | 0,3 |
| 3 | 6,0 | 27 | 0,2 | 90 | 20 | 0,3 |
Tabelle 1: Filterparameterspezifikationen
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Mit den aktuell verfügbaren Filtertechniken ist es nicht möglich, einen Filter zu erzeugen, bei dem alle Parameter beste Werte aufweisen. In 1 sind die Kompromisse in Bezug auf die Beschränkungen der FIR-Filtersynthese dargestellt. Die Anforderungen des Repeaters schwanken in Abhängigkeit von vielen Faktoren wie z. B. unterstützte Funkzugriffstechnologie (Radio Access Technology, RAT), verfügbare Bandbreite, Kanalabstand, Repeater-Verstärkung, Verzögerung des Repeaters. Unterschiedliche Repeater-Anforderungen bedeuten unterschiedliche Filterbedingungen. Die Repeater-Anforderungen begrenzen die Verbesserung einiger Filterparameter, während sie gleichzeitig auf andere Filterparameter abzielen. Deshalb berücksichtigt eine feste FIR-Filterstruktur nicht alle der unterschiedlichen Repeater-Anforderungen.
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Kompromisse bei der Filterstruktur sind in den 2 und 3 in Bezug auf die folgenden Beispiele dargestellt: a) für dieselbe Gruppenlaufzeit von 2,8 μs kann eine höhere Zurückweisung durch den Verzicht auf das äußerste Band oder dadurch erzielt werden, dass eine höhere Welligkeit in dem Durchlassbereich zugelassen wird, und b) Frequenzgangdiagramme in 2 stellen einen 5-MHz-Filter für eine gleiche Gruppenlaufzeit dar, der eine niedrigere Unterdrückung mit einem relativ flachen Durchlassbereich als derjenige hat, der eine höhere Unterdrückung aufweist, jedoch mit einer größeren Welligkeit im Durchlassbereich. Bekanntermaßen können bei einer höheren zulässigen Gruppenlaufzeit eine bessere Unterdrückung, ein flacher Durchlassbereich, usw. erreicht werden. Ein 5-MHz-Filter mit einer höheren Gruppenlaufzeit (4 μs) ist in 3 dargestellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Repeater mit einem rekonfigurierbaren FIR-Filter mit variabler Länge, der die oben erwähnten Begrenzungen vorhandener FIR-Filter von Repeaters beseitigt. Bei dem vorliegenden Ansatz wird der FIR-Filter nicht modifiziert, sondern durch die Steuerung/den Prozessor umprogrammiert, um beide in den 2 und 3 dargestellten Eigenschaften zu erreichen. Die Vorteile des Repeaters der vorliegenden Erfindung mit einem rekonfigurierbaren FIR-Filter mit variabler Länge umfassen Folgende:
- 1. Bei vielen Repeaters werden feste Filter verwendet, was bedeutet, dass obwohl sie für einige wenige unterschiedliche Bandbreiten programmierbar sind, in Bezug auf die Gruppenlaufzeit nicht flexibel sind, was bedeutet, dass ein Filter, der für beispielsweise 180 Koeffizienten konzipiert ist, für unterschiedliche Bandbreiten programmierbar ist.
- 2. Die offengelegte neue Architektur kann, abgesehen von der Bandbreiten-/Durchlassbereichswelligkeit, usw., auch die Anzahl der Koeffizienten ändern. Dies ist vorteilhaft in Bezug auf die Skalierung, ohne dass das gesamte FPGA(Field Programmable Gate Array – feldprogrammierbares Gate-Array)-Image geändert werden muss, wofür ansonsten ein größerer Speicher benötigt würde.
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Der rekonfigurierbare FIR-Filter mit variabler Länge hilft dabei, dauerhaft nachteilige Situationen zu vermeiden, wobei gleichzeitig versucht wird, Kompromisse zu verringern. Einige Repeater-Anforderungen ermöglichen evtl. eine längere Gruppenlaufzeit, während andere Anforderungen möglicherweise eine höhere Durchlassbereichswelligkeit, usw. zulassen. Dies kann durch den vorliegenden rekonfigurierbaren Filter mit variabler Länge erreicht werden. Durch die Rekonfiguration wird die Verwendung desselben Filters für unterschiedliche Repeater-Anforderungen im Betrieb ohne Änderungen der Konstruktion ermöglicht.
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Mit dem rekonfigurierbaren Filter wird das Problem der Parameteroptimierung für beste Filterleistung und insbesondere des Einflusses von Anforderungen an Funk oder Lichtwellenleitern zu Funk-Repeatern angegangen, bei denen solche Filter verwendet werden, was sich für einen FIR-Filter oftmals als konfliktträchtig erweist. Die FIR-Filter der Erfindung werden in einer programmierbaren Schaltung implementiert und sind daher nicht auf die Verwendung in Kommunikations-Repeatern begrenzt, obwohl durch diese spezielle Verwendung die Filterleistung am stärksten eingeschränkt werden könnte. Die Erfindung bietet einen Mittelweg bei gleichzeitiger Minimierung der Kompromisse. Der Vorteil der Erfindung ermöglicht die Auswahl eines geeigneten Filters, der zu einer besonderen Verkehrskonfiguration gehört, womit eine besondere Auswahl einzeln gefilterter Frequenzbänder gemeint ist, die auf unterschiedliche Verstärkung eingestellt werden und vorgesehen sind, um eine Vielfalt von Verkehrsformaten zu unterstützen. Die rekonfigurierbare FIR-Filterarchitektur mit variabler Länge bietet diese Funktionalität.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm, dass die Kompromissbeschränkungen des FIR-Filters darstellt.
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2 ist ein Satz von Diagrammen, die die allgemein beobachteten Reaktionen des FIR-Filters darstellen.
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3 ist ein Satz von Diagrammen, die die Reaktionen des FIR-Filters der vorliegenden Erfindung darstellen.
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4 ist ein vereinfachtes Diagramm der Architektur eines Digital-Repeaters.
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5 ist ein vereinfachtes Diagramm der Teilband-Architektur des Repeaters.
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6 ist eine Darstellung der Struktur des FIR-Filters der vorliegenden Erfindung.
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7 ist eine Darstellung der Struktur des Koeffizientensatz-Headers des FIR-Filters.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Bereitstellung eines Digital-Repeaters 10, der rekonfigurierbare FIR-Filter mit variabler Länge verwendet. Unter Bezugnahme auf 4 ist die Architektur des Repeaters 10 dargestellt. Der Repeater 10 umfasst zwei Primärblöcke, eine Donatorbaugruppe 12 und eine Dienstbaugruppe 14. Jede umfasst: a) einen Duplexer 16, der die Verwendung derselben Antenne für Empfang und Übertragung ermöglicht; b) einen rauscharmen Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA) 18; c) einen Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) 20; d) einen Funkfrequenz(Radio Frequency, RF)-Empfangsabschnitt 22; e) einen Funkfrequenz(Radio Frequency, RF)-Übertragungsabschnitt 24; f) einen Analog/Digital-Wandler (Analog-to-Digital Controller, ADC) 26, der ein Analogsignal in ein Digitalsignal umwandelt, damit eine weitere Signalverarbeitung in digitaler Form erfolgen kann; g) einen Digitalverarbeitungsabschnitt 28 für die Teilband-Filterung und Verstärkungsregelung; h) eine Master-Steuerungseinheit (Master Control Unit) MCU 30 oder primäre Verarbeitungssteuerung zum Empfangen und Übertragen von Anweisungen von und zu anderen Komponenten des Repeaters 10; und i) einen Digital/Analog-Wandler (Digital-to-Analog Controller, DAC) 32 zur Umwandlung eines Digitalsignals nach der Digitalsignalverarbeitung zurück in ein Analogsignal durch den Digitalverarbeitungsabschnitt 28. Der Repeater 10 unterstützt mehrere Teilbänder innerhalb des spezifizierten zugeordneten Bandes. Jedes Teilband wird anders verarbeitet. Je nach Repeater-Anforderungen bietet jedes Teilband eine andere Verstärkung und Filterung.
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Der Repeater 10 umfasst eine Teilband-Architektur 40 des Digitalverarbeitungsabschnitts 28, wie in 5 dargestellt. Die Teilband-Architektur 40 umfasst die folgenden Funktionsblöcke: a) einen NCO(Numerically Controlled Oscillator – numerisch gesteuerter Oszillator)/Mischer 42, der so konfiguriert ist, dass er Bänder zentriert auf eine ZF (Zwischenfrequenz) zum Basisband umsetzt; b) einen digitalen Abwärtswandler (Digital Down Converter, DDC) 44 mit einem Halbbandfilter 46 (gemeinsam für alle Teilbänder), einen Teilband-NCO/Mischer 48, der dafür sorgt, dass einzelne Teilbänder im mittigen Band positioniert werden, einen Decimator 50, der die je nach Kanalfilter für jedes Teilband unterschiedlichen Ausgangsabtastraten berücksichtigt; c) einen Kanalfilter 52, der einen rekonfigurierbaren FIR-Filter der vorliegenden Erfindung mit variabler Länge umfasst, wobei Repeater-Anforderungen dem Kanalfilter 52 derartige Beschränkungen auferlegen, dass die Filterung entsprechend der Repeater-Spezifikation durchgeführt wird (Verstärkung, Bandbreite, EVM, RAT usw.) und der von einem Benutzer über eine NEP/MCU-Steuerung 54 programmierbar ist, die dementsprechend spezifische Filterkoeffizienten erneut lädt; und d) einen digitalen Aufwärtswandler (Digital up Converter, DUC) 56, der einen Interpolator 58 umfasst, der Abtastraten zurückkonvertiert, einen Mischer 60, der Teilbänder im Band zurück auf den Versatz positioniert und einen Halbbandfilter 62 (gemeinsam für alle Teilbänder). Die Komponenten der Teilband-Architektur 40 sind in feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGA) 1 und 2 des Digitalabschnitts 28 des Repeaters 10 auf eine Art und Weise konfiguriert, die für Fachleute für den Bau von Repeatern offenkundig ist.
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In 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines rekonfigurierbaren FIR-Filters 100 mit variabler Länge des Repeaters 10 dargestellt. Der Filter 100 kann durch das Schreiben von Koeffizienten in den Koeffizientenspeicher 102 rekonfiguriert werden. Ebenfalls in Abhängigkeit von der Ordnung des Filters 100 wird eine bestimmte Filterausgabe aus verfügbaren unterschiedlichen Ausgaben ausgewählt. Die rekonfigurierbare variable Längenstruktur des Filters 100 ermöglicht den Austausch der Filterordnung durch die Auswahl von partiellen Produkten als Ausgabe. Diese Struktur ist skalierbar und kann auch für unterschiedliche Abtast- und Taktfrequenzen verallgemeinert werden.
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Für unterschiedliche Repeater-Anforderungen werden unterschiedliche Filterkoeffizentensätze erzeugt und im Flash-Speicher gespeichert. Jeder Filterkoeffizientensatz weist einen Header auf, der Filterspezifikationen zusammen mit den Koeffizienten beschreibt. Die Koeffizienten-Header des Filters 100 sind in 7 dargestellt. Je nach Repeater-Anforderung wird der Filter 100 mit einem jeweiligen Filterkoeffizientensatz programmiert. Die Ausgabe-Multiplexer(MUX)-Auswahlleitungen 104 werden entsprechend der Länge des Filters 100 eingestellt.
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Ein beispielhafter Filterdatenstrom für einen FIR-Filter der 4. Ordnung der vorliegenden Erfindung mit ungerader Symmetrie wird in Bezug auf Tabellen 2–4 wie folgt dargelegt.
Tabelle 2: FIR-Filterdatenstrom
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Der Filter 4. Ordnung verfügt über vier Verzögerungsblöcke. Somit ist für diesen erforderlich, dass vier vorherige Daten in dem Speicher gespeichert sind. In Tabelle 2 werden fünf Speicherstellen verwendet, wobei eine Stelle immer null ist. Dies erfolgt zwecks Annehmlichkeit bei der Implementierung.
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In einem besonderen Datenzyklus, der in den Tabellen 3 und 4 detaillierter dargelegt ist, werden Eingabedaten/aktuelle Daten mit alternativen Daten im Datenspeicher addiert. Beispielsweise werden für den Filter 4. Ordnung aktuelle Daten zu Daten in den 5., 3. und 1. Speicherstellen (5. entspricht den am meisten verzögerten Daten) addiert. Somit werden drei Additionen ausgeführt. Diese drei Ausgaben werden mit jeweiligen Koeffizienten multipliziert, die im Koeffizientenspeicher vorhanden sind. Da die Struktur symmetrisch ist, wird der erste Koeffizient mit den am längsten verzögerten Daten und den aktuellen Daten multipliziert. Hierbei ist CO der erste und letzte Koeffizient, C1 ist der zweite und vierte Koeffizient und C2 ist der mittlere. Somit werden drei Multiplikationen ausgeführt. Diese Multiplikatorausgaben werden dann zu den jeweiligen partiellen Produkten für den vorherigen Datenzyklus addiert, um neue partielle Produkte zu erzeugen. Um das n. partielle Produkt zu erhalten, wird die n. Multiplikatorausgabe zu dem (n + 1). vorherigen partiellen Produkt addiert. Somit werden diese drei Additionen ausgeführt, um drei partielle Produkte zu erzeugen.
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In diesem Beispiel werden Addierer – Multiplikator – Addierer-Vorgänge sequenziell ausgeführt. Somit beträgt die Anzahl der Vorgänge für den symmetrischen FIR-Filter 4. Ordnung drei. Ausgaben anderer Ordnungen werden von anderen partiellen Produktspeicherstellen abgegriffen, die dann mit dem MUX verbunden werden. In Abhängigkeit von den MUX-Auswahlleitungen wird die entsprechende Filterausgabe ausgewählt. Die Vorgänge können sequenziell oder parallel in Abhängigkeit von der Anzahl von Takten ausgeführt werden, die im Datenzyklus verfügbar sind. Wenn beispielsweise die Anzahl der in dem Datenzyklus verfügbaren Takten = n ist und die auszuführenden Vorgänge m·n beträgt, dann werden n sequenzielle Vorgänge und m parallele Vorgänge ausgeführt.
Tabelle 3: FIR-Filter-Implementierungsspezifikation
| Anzahl von DSPs | NDSP | NKOEFF/NZYKLUS |
| Koeffizientenspeicher | KoeffGröße | Anzahl der Bits, die den |
| KoeffSpeichBreite | KoeffGröße·NDSP |
| KoeffSpeichTiefe | NZYKLUS |
| Datenspeicher | DatenGröße | Anzahl der Bits, die Daten |
| DatenSpeichBreite | DatenGröße·NDSP·2 |
| DatenSpeichTiefe | NZYKLUS |
| Partieller Produktspeicher | PPDatenGröße | Anzahl der Bits, die das partielle |
| PPSpeichBreite | PPDatenGröße·NDSP |
| PPSpeichTiefe | NZYKLUS |
Tabelle 4: Nutzung von Ressourcen
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Mit dem offengelegten rekonfigurierbaren FIR-Filter 100 mit variabler Länge ist es möglich, unterschiedliche Repeater-Anforderungen zu erfüllen, wodurch eine weitere Konstruktionszykluszeit eliminiert wird. Der Filter 100 wird vorzugsweise mittels eines Xilinx FPGA implementiert, das über eine vernünftige Ressourcennutzung im Vergleich zum Xilinx IP-Kern verfügt. Dementsprechend wird außerdem ein verbesserter Digital-Repeater bereitgestellt.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf ein spezifisches Beispiel beschrieben. Nichtsdestotrotz ist es selbstverständlich, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzurücken. Dementsprechend befinden sich andere Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche.
Tabelle 2: FIR-Filterdatenstrom
