DE19625054A1

DE19625054A1 - Multi carrier signal transmission method

Info

Publication number: DE19625054A1
Application number: DE19625054A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Henkel; Bjoern Wagner
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Media Broadcast GmbH
Priority date: 1996-06-22
Filing date: 1996-06-22
Publication date: 1998-01-02
Anticipated expiration: 2016-06-23
Also published as: DE19625054B4

Abstract

The method involves distributing carriers which are allocated to a multi carrier signal to several blocks of equal length (l). Each symbol of a one-dimensional or a two-dimensional symbol set which modulates each carrier of the multi carrier signal (QAM) is allocated to a m-digit number. The symbol numbers of each carrier are written in blocks in a m*l matrix. At least one blank space is generated in each matrix. Each row with a blank space is completed. A sequence of words of length l which are superimposed with the completed rows of each matrix are selected to minimise the peak power of the multi carrier signal in the time domain referred to the average signal power. The carriers are modulated with the coded symbols and transformed using the inverse discrete Fourier transformation. The modulated multi carrier signal is sent. The superimposed words are removed from the received multi carrier signal.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Mehrträgersignalen mit einem reduzierten Spitzen- /Mittelwert-Verhältnis nach Anspruch 1 sowie ein Mehrträger- Übertragungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7.The invention relates to a method for transmission of multi-carrier signals with a reduced peak / Average value ratio according to claim 1 and a multicarrier Transmission system for carrying out the method according to Claim 7.

Auf dem Gebiet der digitalen Signalverarbeitung sind Systeme bekannt, die eine hochratige digitale Nachrichten übertragung ermöglichen. Eine Technik, die in jüngster Zeit immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die Mehrträger übertragung, die auch als "Discrete Multitone" (DMT) oder "Orthogonal Frequency Division Multiplex" (OFDM) bekannt ist. Bei der Mehrträgerübertragung wird der zu übertragende Datenstrom in viele parallele Teilströme zerlegt, welche im Frequenzmultiplex unabhängig voneinander übertragen werden. Eine wichtige Kenngröße der Mehrträgerübertragung ist die Länge eines Rahmens, in dem ein Mehrträgersignal übermittelt wird. Die Rahmenlänge legt die Anzahl sowohl der modulierbaren Träger als auch der daraus entstehenden Abtastproben im Zeitbereich fest. Falls das Mehrträger- Signal aus einer Inversen Diskreten Fouriertransformation hervorgeht, wird der Rahmen eines Mehrträgersignals im Frequenzbereich auch DFT-(Diskrete Fourier-Transformation) -Rahmen genannt. Da bei der Mehrträger-Übertragung viele Träger (beispielsweise 256 Träger) überlagert werden, zeigt das Zeitsignal gemäß dem Gesetz der großen Zahlen eine nahezu Gauß-förmige Häufigkeitsverteilung der Amplituden. Mit anderen Worten können relativ zur mittleren Signalleistung sehr hohe Spitzenleistungen auftreten, für die analoge Schaltungskomponenten, Analog- Digital- und Digital/Analog-Wandler ausgelegt werden müssen (hohe Dynamik). Es wird daher angestrebt, die Spitzenleistungen des Zeitsignals zu begrenzen. Eine einfache Methode besteht darin, die Spitzenwerte abzuschneiden. Jede Amplitudenbegrenzung eines Zeitsignals führt jedoch zu einer Verschlechterung des Störabstandes.Are in the field of digital signal processing Systems known to deliver high-rate digital messages enable transmission. A technique that has been used recently The multi-carrier is becoming increasingly important transmission, also known as "Discrete Multitone" (DMT) or "Orthogonal Frequency Division Multiplex" (OFDM) known is. In the case of multi-carrier transmission, the one to be transmitted Data stream divided into many parallel sub-streams, which in the Frequency division multiplex can be transmitted independently. An important parameter of multi-carrier transmission is that Length of a frame in which a multicarrier signal is transmitted becomes. The frame length defines the number of both modulatable carriers as well as the resulting ones Samples in the time domain. If the multicarrier Signal from an Inverse Discrete Fourier Transform is the frame of a multi-carrier signal in Frequency range also DFT (Discrete Fourier Transform) Frame called. There are many in multi-carrier transmission Carriers (for example 256 carriers) are superimposed the time signal according to the law of large numbers one almost Gaussian frequency distribution of the amplitudes. In other words, relative to the middle one Signal power occur for very high peak power the analog circuit components, analog Digital and digital / analog converters must be designed (high dynamic). It is therefore sought to Limit peak performance of the time signal. A simple method is the peak values to cut off. Any amplitude limitation of a time signal however, leads to a deterioration in the signal-to-noise ratio.

S. Narahashi et al. beschreibt in einem Aufsatz "Minimizing Peak-to-Average Power Ratio of Multitone Signals Using Steepest Descent Method", erschienen in Electronics Letters, 31. August 1995, Band 31, Nr. 18, Seiten 1552-1553, ein Verfahren zur Reduktion von Spitzenwerten bei unmodulierten Trägern. Dies bedeutet, daß keine Nutzinformation übertragbar ist, was natürlich praktisch ohne Bedeutung ist.S. Narahashi et al. describes in an essay "Minimizing peak-to-average power ratio of multitone signals Using Steepest Descent Method ", published in Electronics Letters, August 31, 1995, Vol. 31, No. 18, pages 1552-1553, a method for reducing peak values unmodulated carriers. This means that none User information is transferable, which is of course practical is meaningless.

In dem Aufsatz "Block Coding Scheme for Reduction of Peak to Mean Envelope Power Ratio of Multicarrier Transmission Schemes", erschienen in Electronics Letters, 8. Dezember 1994, Band 30, Nr. 25, beschreibt A. E. Jones et al. eine Methode zur Verringerung von Spitzenleistungen basierend auf BPSK-modulierten Trägern. Diese Methode ist allerdings nur auf DFT-Rahmen mit sehr geringen Trägerzahlen (etwa 8 Träger) anwendbar, so daß sie aus praktischen Gesichtspunkten, d. h. für sinnvolle Trägerzahlen in der Größenordnung von 256, nicht einsetzbar ist.In the article "Block Coding Scheme for Reduction of Peak to Mean Envelope Power Ratio of Multicarrier Transmission Schemes ", published in Electronics Letters, 8. December 1994, Volume 30, No. 25, describes A. E. Jones et al. a method of reducing excellence based on BPSK-modulated carriers. This method is however only on DFT frames with very low number of carriers (about 8 carriers) applicable, making them practical Viewpoints, d. H. for meaningful number of carriers in the Order of 256, cannot be used.

In dem Aufsatz "Trellis Shaping", erschienen in IEEE Trans. on Information Theory, Band 38, Nr. 2, März 1992, Seiten 281-300, hat G. D. Forney eine Methode, das sogenannte Trellis Shaping, zur Verringerung von Spitzenleistungen in Zeitsignalen für Einträger- Übertragungssysteme beschrieben. Die von Forney beschriebene Methode basiert auf einer Verdopplung eines benutzten Modulationsalphabets (z. B. ein PAM- oder QAM-Alphabet) mit Hilfe eines inversen Syndromformers. Ein Viterbi-Decoder beeinflußt unter Benutzung einer bestimmten Trellisstruktur die Auftrittshäufigkeit der Symbole des Modulationsalphabets, derart, daß die mittlere Leistung des Einträgersignals im Zeitbereich verringert werden kann. Eine ausführliche Beschreibung des sogenannten "Trellis Shaping" bei Einträger-Übertragungen kann aus dem obengenannten Aufsatz entnommen werden.In the essay "Trellis Shaping", published in IEEE Trans. On Information Theory, Volume 38, No. 2, March 1992, Pages 281-300, G. D. Forney has a method that so called trellis shaping, to reduce Top performance in time signals for single-carrier Transmission systems described. The one described by Forney Method is based on doubling a used one Modulation alphabets (e.g. a PAM or QAM alphabet) with Using an inverse syndrome shaper. A Viterbi decoder affected using a particular trellis structure the frequency of occurrence of the symbols of the Modulation alphabet, such that the average power of the Carrier signal can be reduced in the time domain. A detailed description of the so-called "trellis shaping" for single-carrier transmissions can be from the above Essay can be removed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein System verfügbar zu machen, mit denen Spitzenleistungen in Mehrträgersignalen verringert werden können.The invention is therefore based on the object To expose procedures as well as a system with which Peak performance in multi-carrier signals can be reduced can.

Dieses technische Problem löst die Erfindung mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 sowie den Merkmalen des Anspruchs 7.The invention solves this technical problem with the Process steps of claim 1 and the features of Claim 7.

Der Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, die Symbole (dargestellt z. B. durch eine Bitfolge) eines Modulationsalphabets, auch Symbolmenge genannt, mit denen die einzelnen Träger eines Mehrträgersignals moduliert werden, auf der Grundlage der günstigsten Pfadsuche in einer vorbestimmten Trellis-Struktur derart zu modifizieren, daß die Spitzenleistung des resultierenden Zeitsignals minimiert wird.The basic idea of the invention is to be seen in the symbols (represented e.g. by a bit sequence) of a Modulation alphabets, also called set of symbols, with which modulates the individual carriers of a multi-carrier signal based on the cheapest path search in one Modify predetermined trellis structure such that minimizes the peak power of the resulting time signal becomes.

Dazu werden zunächst die einem Mehrträgersignal zugeordneten Träger (in der Praxis bilden beispielsweise 256 Träger einen DFT-Rahmen) auf mehrere Blöcke gleicher Länge l verteilt. Jedem Symbol einer ein- oder zweidimensionalen Symbolmenge (PAM, QAM), mit dem jeweils ein Träger des Mehrträgersignals moduliert wird, wird eine vorbestimmte m-stellige Nummer zugeordnet. Vorzugsweise entspricht die Anzahl m der Ziffern jeder Nummer der Anzahl Bits, durch die die Symbole dargestellt werden. Auf diese Weise wird jedem Träger die Symbolnummer zugewiesen, die der Bit folge entspricht, mit der der jeweilige Träger zu modulieren ist. Die den Trägern eines Mehrträgersignals zugeordneten Symbolnummern werden blockweise jeweils in eine m×l-Speicher-Matrix geschrieben, wobei wenigstens eine Leerstelle in jeder Matrix erzeugt wird. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß jeder 1 Träger enthaltende Block auf eine entsprechende Matrix abgebildet wird. Jede Leerstellen behaftete Zeile einer Matrix wird mit Hilfe eines inversen Syndromformers vervollständigt. Der inverse Syndromformer führt in die Leerstellen-behaftete Zeile einer Matrix eine Orthogonalität zu den zulässigen Sequenzen eines Trellis ein, mit der es möglich ist, empfängerseitig die vervollständigten Zeilen zu decodieren. Durch eine Pfadsuche in einer vorbestimmten Trellis-Struktur werden mehrere zulässige Folgen von Formungs- oder Codewörtern der Länge l erzeugt und anschließend in einem Pfadspeicher abgespeichert. Als Metrik für die Auswahl der zulässigen Folgen von Formungswörtern wird die Spitzenleistung des Mehrträgersignals im Zeitbereich oder eine vordefinierte Übergangsmetrik zwischen Blockpaaren im Frequenz- oder DFT-Bereich benutzt. Die günstigste Folge von Formungswörtern der Länge l, die den entsprechenden, vervollständigten Zeilen jeder Matrix additiv überlagert wird, wird auf der Grundlage der vorbestimmten Trellis-Struktur derart ausgewählt, daß die resultierende Spitzenleistung des Mehrträgersignals im Zeitbereich bezogen auf die mittlere Signalleistung minimiert wird. Die derart modifizierten Symbole werden den Trägern aufmoduliert. Die modulierten Träger werden einer inversen diskreten Fourier- Transformation (IDFT) unterworfen, und das resultierende IDFT-Mehrträgersignal wird ausgesendet. Das empfangene Mehrträgersignal wird einer diskreten Fourier-Transformation unterworfen. Empfangseitig wird ein Syndrom-Former eingesetzt, der infolge der Orthogonalität, die vom inversen Syndromformer sendeseitig in die Leerstellen-behaftete Zeile jeder Matrix eingeführt worden ist, lediglich die überlagerten Formungswörter entfernt. Unter dem Begriff "Formungswort" wird im weitesten Sinne ein Codewort als Bestandteil einer Sequenz verstanden, das beispielsweise in einem Viterbi-Decoder erzeugt wird. Bildlich gesprochen dienen die Formungswörter dazu, den zeitlichen Verlauf des Mehrträgersignals derart zu prägen, daß Spitzenwerte im wahrsten Sinne des Wortes abgeschnitten werden. Man spricht daher auch vom Mehrträger-Trellis-Shaping.To do this, first use a multi-carrier signal assigned carrier (in practice, for example, 256 Carrier a DFT frame) on several blocks of the same length l distributed. Each symbol is a one or two dimensional Symbol set (PAM, QAM) with which a carrier of the Multi-carrier signal is modulated, a predetermined Assigned m-digit number. Preferably, the Number m of digits of each number of the number of bits through which the symbols are displayed. This way everyone will Carrier assigned the symbol number that follows the bit corresponds with which the respective carrier is to be modulated. The assigned to the carriers of a multi-carrier signal Symbol numbers are stored block by block in an m × l memory matrix written, with at least one Blank space is created in each matrix. In this way ensures that each block containing 1 carrier is on a corresponding matrix is mapped. Any spaces Affected row of a matrix is inverse Syndrome Shaper completed. The inverse syndrome former introduces into the blank line of a matrix Orthogonality to the permitted sequences of a trellis one with which it is possible to receive the to decode completed lines. Through a path search in a predetermined trellis structure there will be several permissible sequences of shaping or code words of length l generated and then in a path memory saved. As a metric for the selection of the allowed The top performance of the Multi-carrier signal in the time domain or a predefined one Transition metric between block pairs in frequency or DFT area used. The cheapest sequence of shaping words of length l, which completed the corresponding one Rows of each matrix are additively superimposed on the Basis of the predetermined trellis structure in this way selected that the resulting peak power of the Multi-carrier signal in the time domain related to the middle one Signal power is minimized. The so modified Symbols are modulated onto the carriers. The modulated Bearers of an inverse discrete Fourier Subjected to transformation (IDFT), and the resulting IDFT multicarrier signal is transmitted. The received Multi-carrier signal is a discrete Fourier transform subject. A syndrome former is formed on the receiving side used because of the orthogonality, that of the inverse Syndrome shaper on the transmission side into the blank line every matrix has been introduced, only that overlaid shaping words removed. Under the term "Forming word" is a code word in the broadest sense Part of a sequence understood, for example in a Viterbi decoder is generated. Metaphorically speaking the shaping words serve the temporal course of the To emboss multi-carrier signal so that peak values in literally cut off. One speaks hence also from multi-carrier trellis shaping.

Zum Auffinden der günstigsten Folge von Formungswörtern (das ist die Folge, mit der die Spitzenleistung des Mehrträgersignals minimiert wird) kann eine Pfadentscheidung in der vorbestimmten Trellisstruktur unter Berücksichtigung der resultierenden Spitzenleistung im Zeitbereich getroffen werden. Auf der Grundlage zulässiger Zustandsübergänge in der vorbestimmten Trellisstruktur werden zunächst die zulässigen Formungswörter für jeden Block oder jede Matrix, die das Mehrträgersignal im Frequenzbereich darstellen, ausgewählt und der, mittels des inversen Syndromformers vervollständigten Matrixzeile der entsprechenden Matrix additiv überlagert. Die mit den jeweiligen Formungswörtern codierten Symbole jeder Matrix werden den jeweiligen Trägern aufmoduliert und blockweise einer inversen diskreten Fourier-Transformation unterworfen und im Zeitbereich abgespeichert. Alle Blöcke oder Matrizen werden im Zeitbereich unter Berücksichtigung der vorbestimmten Trellisstruktur iterativ berechnet. Mit anderen Worten wird die Spitzenleistung des Mehrträgersignals im Zeitbereich iterativ berechnet, indem der Einfluß der Träger eines neuen Blocks auf alle Zeitbereichswerte der vorher berechneten Blöcke ermittelt wird. Schließlich wird die günstigste Blockfolge und somit die günstigste Folge von Formungswörtern ausgewählt, für die das Mehrträgersignal das minimale Spitzen-Mittelwert-Verhältnis im Zeitbereich besitzt. Das oben beschriebene Verfahren bietet sich insbesondere für Rundfunksysteme, wie z. B. DAB-(Digital Audio Broadcasting)-Systeme, an, da der notwendige Schaltungsaufwand im Sender, d. h. nur einmal anfällt, wohingegen sich die Komplexität der Empfangsgeräte verringert.To find the cheapest sequence of Forming words (this is the sequence with which the Peak power of the multi-carrier signal is minimized) a path decision in the predetermined trellis structure taking into account the resulting peak performance in Time range. Based on permissible State transitions in the predetermined trellis structure first the permissible shaping words for everyone Block or any matrix that the multicarrier signal in Represent frequency range, selected and the, by means of inverse syndrome former completed the matrix line of the corresponding matrix overlaid additively. The one with the respective shaping words encoded symbols of each matrix are modulated onto the respective carriers and in blocks subjected to an inverse discrete Fourier transform and saved in the time domain. All blocks or matrices are taken into account in the time domain predetermined trellis structure is calculated iteratively. With In other words, the top performance of the Multi-carrier signal in the time domain calculated iteratively by the influence of the bearers of a new block on everyone Time domain values of the previously calculated blocks determined becomes. Finally, the cheapest block sequence and thus selected the most favorable sequence of shaping words for which the multicarrier signal shows the minimum peak-to-mean ratio owns in the time domain. The one described above The method is particularly suitable for radio systems such as e.g. B. DAB (Digital Audio Broadcasting) systems, because the necessary circuitry in the transmitter, d. H. once only arises, whereas the complexity of the receiving devices decreased.

Ein alternatives Verfahren, bei dem nicht jeder Block des Mehrträgersignals einzeln einer inversen diskreten Fourier-Transformation unterworfen werden muß, besteht darin, die Metrikbildung und Pfadentscheidung in der Trellisstruktur zum Auffinden der günstigsten Folge von Formungswörtern im Frequenzbereich selbst auszuführen. Wiederum werden auf der Grundlage zulässiger Pfade oder Zustandübergänge in der vorbestimmten Trellisstruktur zulässige Formungswörter für jede Matrix ausgewählt und der vervollständigten Zeile der entsprechenden Matrix additiv überlagert. Für jeden ursprünglichen Block (Matrix) gibt es daher mehrere mit den jeweiligen Formungswörtern modifizierte, d. h. geformte Blöcke (geformte Matrizen). Die eigentlich auf diese Weise modifizierten Symbole jedes geformten Blocks werden abgespeichert. Die zulässige Mehrträgersignale darstellenden, geformten Blöcke werden paarweise zusammengefaßt. Für jedes aufeinanderfolgende Blockpaar oder alternativ für alle möglichen Blockpaarbildungen innerhalb eines DFT-Rahmens müssen entsprechende Übergangsmetriken im Vorfeld ermittelt und abgespeichert werden. Eine solche Übergangsmetrik erlaubt eine recht gute Aussage über den Einfluß des zugehörigen Blockübergangs auf die resultierende Spitzenleistung im Zeitbereich. Bei der Ermittlung einer Übergangsmetrik zwischen zwei aufeinanderfolgenden Blöcken werden beispielsweise alle nicht berücksichtigten Blöcke des DFT-Rahmens auf Null gesetzt. Alternativ wäre es denkbar, allen nicht berücksichtigten Blöcken einen Zufallswert zuzuordnen. Auf der Grundlage zulässiger Pfade in der vorbestimmten Trellisstruktur werden nunmehr die Übergangsmetriken der einen möglichen DFT-Rahmen bildenden geformten Blöcke summiert. Es wird die Blockfolge und damit die Folge von Formungswörtern im Frequenzbereich ausgewählt, die die minimale Summenmetrik liefert. Die so ausgewählte Blockfolge, die einem Mehrträger-Signal mit verringertem Spitzen-/Mittelwert-Verhältnis im Zeitbereich entspricht, wird anschließend einer inversen diskreten Fourier- Transformation unterworfen.An alternative method where not every block of the multicarrier signal individually an inverse discrete Fourier transformation must be submitted in metric formation and path decision in the Trellis structure to find the cheapest sequence of Execute shaping words in the frequency domain itself. Again, based on allowed paths or State transitions in the predetermined trellis structure permissible shaping words selected for each matrix and the completed row of the corresponding matrix additive overlaid. For each original block (matrix) there is therefore several with the respective shaping words modified, d. H. molded blocks (molded dies). The symbols actually modified in this way each shaped blocks are saved. The allowable Shaped blocks representing multicarrier signals summarized in pairs. For each successive Block pair or alternatively for all possible Block pair formation within a DFT frame must corresponding transition metrics determined in advance and can be saved. Such a transition metric allows a pretty good statement about the influence of the related Block transition to the resulting peak power in the Time range. When determining a transition metric between two consecutive blocks for example, all blocks of the DFT frame set to zero. Alternatively, it would be conceivable for everyone assign a random value to blocks that are not taken into account. Based on allowed paths in the predetermined one The transition metrics of the molded blocks forming a possible DFT frame summed up. It becomes the block sequence and thus the sequence of Shaping words selected in the frequency domain that the provides minimal sum metric. The one so selected Block sequence that a multicarrier signal with reduced Corresponds to the peak / mean ratio in the time domain, is then an inverse discrete Fourier Subjected to transformation.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on the Exemplary embodiments in connection with the enclosed Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Mehrträger-Trellis-Shaping-Stufe eines Mehrträger-Senders, die eine Metrik im Zeitbereich benutzt, Fig. 1, the inventive multi-carrier trellis shaping stage of a multi-carrier transmitter that uses a metric in the time domain,

Fig. 2 eine alternative erfindungsgemäße Mehrträger- Trellis-Shaping-Stufe eines Mehrträger-Senders, die eine Metrik im Frequenzbereich benutzt, Fig. 2 shows an alternative multi-carrier according to the invention trellis shaping stage of a multi-carrier transmitter that uses a metric in the frequency domain,

Fig. 3a ein prinzipielles Blockschaltbild einer Einrichtung zur Erzeugung zulässiger Folgen von Formungswörtern der Länge 3, die in der Mehrträger-Trellis-Shaping- Stufe nach Fig. 1 oder 2 implementiert ist, Fig. 3a shows a basic block diagram of a device for generating allowable sequences of forming words of length 3 which is implemented in the multi-carrier trellis Shaping- stage of FIG. 1 or 2,

Fig. 3b ein prinzipielles Blockschaltbild eines Syndrom formers entsprechend einer Prüfmatrix, der Bestandteil eines Mehrträger-Empfängers ist, FIG. 3b is a basic block diagram of a syndrome formers in accordance with a parity check matrix, the component is a multi-carrier receiver,

Fig. 3c ein prinzipielles Blockschaltbild eines inversen Syndromformers entsprechend einer inversen Prüfmatrix, der Bestandteil der Mehrträger-Trellis- Shaping-Stufe nach Fig. 1 oder 2 ist, . 3c is a basic block diagram of an inverse Syndromformers corresponding to an inverse parity check matrix, the ingredient is in fig multicarrier trellis shaping stage of FIG. 1 or 2,

Fig. 4a einen DFT-Rahmen, bestehend aus fünf einzelnen Blöcken mit jeweils drei Trägern und einer Leerstelle, FIG. 4a is a DFT-frame consisting of five single blocks, each with three straps and a space,

Fig. 4b einen mit Hilfe des inversen Syndromformers nach Fig. 3c aufgefüllten DFT-Rahmen nach Fig. 4a, FIG. 4b shows a using the inverse Syndromformers of FIG. 3c padded DFT-frame according to Fig. 4a,

Fig. 5 ein Trellis-Diagramm, in das der "günstigste" Pfad für den DFT-Rahmen nach Fig. 4b eingetragen ist, Fig. 5 is a trellis diagram in which entered the "cheapest" path to the DFT-frame according to Fig. 4b,

Fig. 6a-6c ein binäres Partitionierungsschema für eine zweidimensionale 16-QAM-Symbolmenge, FIGS. 6a-6c a binary partitioning scheme for a two-dimensional 16-QAM symbol set,

Fig. 7 eine grafische Darstellung des Einflusses der in Fig. 1 gezeigten Mehrträger-Trellis-Shaping-Stufe mit einer Metrik im Zeitbereich auf Mehrträgersignale und FIG. 7 shows a graphical representation of the influence of the multicarrier trellis shaping stage shown in FIG. 1 with a metric in the time domain on multicarrier signals and

Fig. 8 eine grafische Darstellung des Einflusses der in Fig. 2 gezeigten Mehrträger-Trellis-Shaping-Stufe mit einer Übergangsmetrik im Frequenzbereich auf Mehrträgersignale. FIG. 8 is a graphic representation of the influence of the multicarrier trellis shaping stage shown in FIG. 2 with a transition metric in the frequency domain on multicarrier signals.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein Mehrträger-Übertragungssystem zur Übertragung von Mehrträgersignalen mit einem reduzierten Spitzen-/ Mittelwert-Verhältnis. Bei der Mehrträgerübertragung werden die innerhalb eines Datensignals zu übertragenden Bits mehreren Trägern aufmoduliert. Die dem Datensignal zugeordneten Träger werden zu einem Rahmen, nachfolgend DFT-(Diskrete Fourier-Transformation)Rahmen bezeichnet, zusammengefaßt. In der Praxis werden beispielsweise DFT-Rahmen mit 256 Trägern benutzt. Zum leichteren Verständnis und der besseren Anschaulichkeit halber wird ein DFT-Rahmen mit der Länge von 32 Trägern gewählt. Obwohl die einzelnen Träger mit den Symbolen beliebiger ein- oder zweidimensionaler Symbolmengen moduliert werden können, wird für die weitere Betrachtung eine 16-QAM-(Quadratur- Amplituden-Modulation)-Symbolmenge zugrunde gelegt. Ferner sei das hier behandelte Mehrträger-Übertragungssystem ein Basisbandsystem, in dem nur reelle Zeitsignale verarbeitet werden. Daher müssen die Trägersignale einer Konjugiertheitsbedingung genügen. Bei N Trägern mit den Spektren F_i muß geltenThe invention relates to a method and a multicarrier transmission system for transmitting multicarrier signals with a reduced peak / mean ratio. In multi-carrier transmission, the bits to be transmitted within a data signal are modulated onto several carriers. The carriers assigned to the data signal are combined into one frame, hereinafter referred to as DFT (Discrete Fourier Transform) frame. In practice, for example, DFT frames with 256 carriers are used. A DFT frame with a length of 32 beams is chosen for easier understanding and for better clarity. Although the individual carriers can be modulated with the symbols of any one- or two-dimensional symbol sets, a 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) symbol set is used for further consideration. Furthermore, the multicarrier transmission system dealt with here is a baseband system in which only real time signals are processed. Therefore, the carrier signals must satisfy a conjugation condition. For N carriers with the spectra F _i must apply

F_N-i = F*_i, i=0, . . . , [N/2].F _Ni = F * _i , i = 0,. . . , [N / 2].

Da darüber hinaus systemtechnisch bedingt der nullte und fünfzehnte Träger nicht belegt werden sollen, können bei dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel lediglich fünfzehn Träger mit Nutzsignalen moduliert werden. Die fünfzehn Nutzträger des DFT-Rahmens werden in fünf Blöcke mit jeweils drei Trägern unterteilt. Ein vollständiger DFT-Rahmen umfaßt somit fünf Blöcke, wie dies in den Fig. 4a und 4b dargestellt ist.In addition, since the zeroth and fifteenth carriers should not be occupied due to the system technology, only fifteen carriers can be modulated with useful signals in the exemplary embodiment considered here. The fifteen useful carriers of the DFT frame are divided into five blocks with three carriers each. A complete DFT frame thus comprises five blocks, as shown in FIGS. 4a and 4b.

Wir nehmen weiter an, daß die fünfzehn Träger des vollständigen DFT-Rahmens mit je einem vier Bit umfassenden Symbol einer 16-QAM-Symbolmenge belegt werden. Jedem Symbol der 16-QAM-Symbolmenge ist eine vierstellige Nummer zugeordnet. Die Anzahl der Ziffern einer Nummer entspricht dabei der Anzahl der Bits. Jede Ziffer nimmt den Wert 0 oder 1 an, der dem logischen Bitzustand entspricht. Wie in Fig. 6a dargestellt ist, können die Symbole in einer zweidimensionalen Struktur angeordnet sein. Jeder Punkt in der 16-QAM-Anordnung repräsentiert ein Symbol, mit dem ein Träger moduliert wird. Bei der Zuordnung von Nummern zu jedem Symbol, d. h. bei der Abbildung von jeweils vier Informationsbits auf die sechzehn Symbole des Alphabets, gibt es verschiedene Codierungsstrategien, die ganz unterschiedliche Zuordnungen bewirken. Beispielsweise kann man die Zuordnung nach der Entfernung der einzelnen Symbole zueinander optimieren, indem die 16-QAM-Symbolmenge nach Fig. 6a in vier Schritten in mehrere Untermengen aufgeteilt werden. Die Aufteilung der Symbole wird derart vorgenommen, daß in den Untermengen jeweils ein maximaler Abstand (Euklidische Distanz) erreicht wird. Dieses Verteilungsschema ist auch als "Set Partitioning" bekannt. Eine ausführliche Beschreibung dieser Zuordnungsvorschrift von binären Zahlen zu den einzelnen Symbolen einer Symbolmenge ist in dem Aufsatz "Channel Coding with Multilevel/Phase Signals" von G. Ungerböck in IEEE Trans. on Information Theory, Band IT28, Nr. 1, Januar 1982, Seiten 55 ff., beschrieben worden. Wie in Fig. 6b dargestellt ist, unterteilt man bei einer binären Partitionierung zunächst die 16-QAM-Untermenge in zwei 8-QAM-Untermengen, die sich nur durch eine Rotation unterscheiden. Jeder Untermenge wird eine binäre Ziffer 0 bzw. 1 zugeordnet. Jede 8-QAM-Untermenge wird wiederum in zwei 4-QAM-Untermengen zerlegt, die sich nur durch eine Translation/Drehung unterscheiden (s. Fig. 6c). Jeder 4-QAM-Untermenge wird eine binäre Ziffer zugeordnet. Jede 4-QAM-Untermenge kann man im dritten Schritt in je zwei 2-QAM-Untermengen und jede 2-QAM-Untermenge kann man im vierten und letzten Schritt in jeweils zwei 1-QAM-Untermengen unterteilen (nicht mehr dargestellt). Insgesamt sind vier Schritte notwendig, um eine 16-QAM-Symbolmenge zu unterteilen. Da in jedem Unterteilungsschritt den hinzukommenden Untermengen eine binäre Ziffer zugeordnet wird, ist es möglich, jedem Punkt der 16-QAM-Anordnung eine vierstellige Partitionsnummer zuzuordnen. Vereinbarungsgemäß werden die Partitionsnummern von rechts nach links gelesen. Es ist offensichtlich, daß je nach Systemanforderung die Symbole der 16-QAM-Symbolmenge in unterschiedlicher Weise codiert werden können.We further assume that the fifteen carriers of the complete DFT frame are each occupied with a four-bit symbol of a 16-QAM symbol set. A four-digit number is assigned to each symbol in the 16-QAM symbol set. The number of digits in a number corresponds to the number of bits. Each digit takes the value 0 or 1, which corresponds to the logical bit state. As shown in Fig. 6a, the symbols can be arranged in a two-dimensional structure. Each point in the 16-QAM arrangement represents a symbol with which a carrier is modulated. When assigning numbers to each symbol, ie when mapping four information bits onto the sixteen symbols of the alphabet, there are different coding strategies that result in very different assignments. For example, one can optimize the assignment after the distance of the individual symbols from one another by dividing the 16-QAM symbol set according to FIG. 6a into four subsets in four steps. The symbols are divided in such a way that a maximum distance (Euclidean distance) is achieved in the subsets. This distribution scheme is also known as "set partitioning". A detailed description of this assignment rule of binary numbers to the individual symbols of a symbol set is in the article "Channel Coding with Multilevel / Phase Signals" by G. Ungerböck in IEEE Trans. On Information Theory, Volume IT28, No. 1, January 1982, pages 55 ff. As shown in FIG. 6b, in the case of binary partitioning, the 16-QAM subset is first divided into two 8-QAM subsets, which differ only in one rotation. A binary number 0 or 1 is assigned to each subset. Each 8-QAM subset is in turn broken down into two 4-QAM subsets, which differ only by a translation / rotation (see FIG. 6c). A binary digit is assigned to each 4-QAM subset. Each 4-QAM subset can be divided into two 2-QAM subsets in the third step and each 2-QAM subset can be divided into two 1-QAM subsets in the fourth and last step (no longer shown). A total of four steps are required to subdivide a 16-QAM symbol set. Since a binary number is assigned to the additional subsets in each subdivision step, it is possible to assign a four-digit partition number to each point of the 16-QAM arrangement. By convention, the partition numbers are read from right to left. It is obvious that the symbols of the 16-QAM symbol set can be encoded in different ways depending on the system requirements.

Jeder Träger des DFT-Rahmens wird nunmehr mit einem QAM-Symbol belegt, das durch die entsprechende vierstellige Partitionsnummer gekennzeichnet ist. Würde man nunmehr die modulierten Träger sofort einer inversen diskreten Fourier- Transformation (IDFT) unterwerfen, enthielte das Zeitsignal eventuell große Spitzenwerte. Dies folgt daraus, daß nach dem Gesetz der großen Zahlen eine Überlagerung vieler Träger zu einer nahezu Gauß-förmigen Häufigkeitsverteilung des Zeitsignals führt. Anhand zweier Ausführungsbeispiele zeigt die Erfindung, wie das Spitzen-/Mittelwert-Verhältnis von Mehrträger-Signalen im Zeitbereich reduziert werden kann.Each carrier of the DFT frame is now with one QAM symbol occupied by the corresponding four-digit Partition number is marked. Would you now modulated carrier immediately an inverse discrete Fourier Submit transformation (IDFT) would contain the time signal possibly large peak values. This follows from the fact that after the law of large numbers overlays many carriers to an almost Gaussian frequency distribution of the Time signal leads. Using two embodiments shows the invention, such as the peak to mean ratio of Multi-carrier signals can be reduced in the time domain.

Der Grundgedanke besteht darin, die den Trägern des DFT-Rahmens aufzumodulierenden Symbole derart zu modifizieren und den Trägern aufzumodulieren, daß nach einer inversen diskreten Fourier-Transformation das Mehrträgersignal ein reduziertes Spitzen-/Mittelwert- Verhältnis besitzt.The basic idea is that the bearers of the Symbols to be modulated on the DFT frame modify and modulate the carriers that after a inverse discrete Fourier transform that Multicarrier signal a reduced peak / mean Relationship.

1. Reduction of the peak / mean ratio of a Multi-carrier signal in a multi-carrier trellis shaping stage with a metric in the time domain

In Fig. 1 ist ein Mehrträger-Sender dargestellt, der eine sogenannte Mehrträger-Trellis-Shaping-Stufe mit einer Metrik im Zeitbereich aufweist. Die Mehrträger-Trellis- Shaping-Stufe weist eine Speichereinrichtung 10 auf, die in fünf Speicherabschnitte zur Aufnahme der Symbole jeweils eines Blocks des DFT-Rahmens unterteilt sein kann. Jeder Speicherabschnitt der Speichereinrichtung 10 besitzt die Größe m×l, wobei m gleich vier ist und der Anzahl der Bits, die ein Symbol des 16-QAM-Symbolalphabets darstellen, entspricht und l gleich drei ist und der Anzahl der Träger pro Block entspricht. Auf diese Weise werden die Symbole jedes Blocks des DFT-Rahmens über ihre zugehörende Partitionsnummer auf eine 4×3-Matrix abgebildet. Die drei Träger des ersten Blocks des DFT-Rahmens stehen in dem ersten Speicherabschnitt der Speichereinrichtung 10, wobei die rechte Matrixstelle der letzten letzten Zeile leer bleibt, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Das Einschreiben des ersten Blocks in den ersten Speicherabschnitt erfolgt beispielsweise derart, daß die Partitionsnummer des entsprechenden Symbols in der 16-QAM-Anordnung nach Fig. 6 von rechts nach links ausgelesen und von oben nach unten in eine Spalte des ersten Speicherabschnitts eingelesen wird. Auf die gleiche Art und Weise werden die weiteren vier Blöcke des DFT-Rahmens in die entsprechenden Speicherabschnitte eingelesen. Die in der Speichereinrichtung 10 abgespeicherte Blockfolge des DFT-Rahmens ist in Fig. 4a gezeigt. Die letzte, Leerstellen behaftete Zeile jeder der fünf abgespeicherten Blöcke wird mit Hilfe eines inversen Syndromformers 20 vervollständigt. Wie noch gezeigt wird, genügt jede vervollständigte Zeile einer Orthogonalitätsbeziehung, die empfängerseitig eine Rückgewinnung des ursprünglichen Mehrträger-Signals ermöglicht. Jede vervollständigte Matrix kann in eine separate Speichereinrichtung 30 überschrieben werden. Zweckmäßigerweise kann auch dieselbe Speichereinrichtung 10 benutzt werden.In Fig. 1, a multi-carrier transmitter is shown, the shaping multicarrier trellis stage has a so-called with a metric in the time domain. The multicarrier trellis shaping stage has a memory device 10 which can be divided into five memory sections for receiving the symbols of a block of the DFT frame. Each memory section of the memory device 10 has the size m × l, where m is four and corresponds to the number of bits that represent a symbol of the 16-QAM symbol alphabet, and l is three and corresponds to the number of carriers per block. In this way, the symbols of each block of the DFT frame are mapped onto a 4 × 3 matrix via their associated partition number. The three carriers of the first block of the DFT frame are in the first memory section of the memory device 10 , the right matrix position of the last last line remaining empty, as shown in FIG. 1. The first block is written into the first memory section, for example, in such a way that the partition number of the corresponding symbol in the 16-QAM arrangement according to FIG. 6 is read from right to left and is read from top to bottom into a column of the first memory section. The other four blocks of the DFT frame are read into the corresponding memory sections in the same way. The block sequence of the DFT frame stored in the memory device 10 is shown in FIG. 4a. The last, blank line of each of the five stored blocks is completed using an inverse syndrome shaper 20 . As will be shown, each completed line satisfies an orthogonality relationship that enables the original multicarrier signal to be recovered on the receiver side. Each completed matrix can be overwritten in a separate storage device 30 . The same storage device 10 can expediently also be used.

Auf der Grundlage einer vorbestimmten, in einem Speicher 45 abgelegten Trellisstruktur, wie sie z. B. in Fig. 5 dargestellt ist, werden zulässige Folgen von Formungswörtern der Länge 3 beispielsweise in einem Viterbi- Decoder 40 erzeugt und in einem nicht dargestellten Speicher abgelegt. Eine beispielhafte Generatormatrix, mit der zulässige Folgen von Formungswörtern erzeugt werden können, lautet beispielsweise:On the basis of a predetermined trellis structure stored in a memory 45 , as z. As shown in Fig. 5, allowable sequences of forming words of length 3, for example, is generated and in a Viterbi decoder 40 stored in a memory not shown. An example of a generator matrix with which permissible sequences of shaping words can be generated is, for example:

G = (1 + D² 1 + D + D² 1 + D + D²)G = (1 + D² 1 + D + D² 1 + D + D²)

Der Faktor D bedeutet, daß ein Bit um einen Takt, und der Ausdruck D² zeigt an, daß ein Bit um zwei. Takte verzögert worden ist. Ein Generator zur Erzeugung der obigen Generatormatrix auf der Grundlage eines Faltungscodes der Rate 1/3 ist in Form eines Schieberegisters in Fig. 3a dargestellt.The factor D means that one bit is by one clock and the expression D² indicates that one bit is by two. Clocks has been delayed. A generator for generating the above generator matrix based on a rate 1/3 convolutional code is shown in the form of a shift register in Fig. 3a.

Für das vorliegende Beispiel wird ein Trellis- Diagramm mit vier Zuständen und fünf Übergängen entsprechend der Anzahl der Blöcke des in Fig. 4a oder 4b gezeigten DFT-Rahmens benutzt. Auf eine ausführliche Erläuterung von Trellis-Diagrammen wird verzichtet, da sie allgemein bekannt sind. Die in Fig. 5 gezeigte Trellisstruktur soll nur insoweit beschrieben werden, als es für die Erfindung wesentlich ist. In das Trellis-Diagramm sind der Übersichtlichkeit halber nur die gültigen Pfade für den Ausgangszustand 00 eingezeichnet. Als Metrik für die Pfadentscheidung sucht man den Spitzenwert (Amplitudenquadrat des Zeitsignals) aus den Zeitabtastewerten, die iterativ aus den fünf Blöcken des DFT-Rahmens berechnet werden. Diese Werte sind an den Knoten des Trellis-Diagramms angeschrieben. Außerdem sind für die beiden gültigen Pfade vom Ausgangszustand 00 zu den ersten beiden Übergangszuständen 00 und 10 die vom Viterbi-Decoder 40 erzeugten Formungswörter 000 bzw. 111 eingetragen. Für jeden zulässigen Pfad durch das Trellis-Diagramm wird eine entsprechende Folge von Formungswörtern generiert. Um empfangsseitig den Einfluß der durch die Generatormatrix erzeugten Formungswörter auf das Mehrträgersignal wieder beseitigen zu können, muß das Empfangssignal einer Prüfmatrix unterworfen werden, die mit der Generatormatrix über die Gleichung G×H^T = 0 verknüpft ist. Die transponierte Prüfmatrix H^T ergibt sich bei der oben gegebenen Generatormatrix beispielsweise zu:A trellis diagram with four states and five transitions corresponding to the number of blocks of the DFT frame shown in FIG. 4a or 4b is used for the present example. There is no detailed explanation of trellis diagrams since they are generally known. The trellis structure shown in FIG. 5 should only be described insofar as it is essential for the invention. For the sake of clarity, only the valid paths for the initial state 00 are shown in the trellis diagram. As a metric for the path decision, one looks for the peak value (amplitude square of the time signal) from the time sample values, which are calculated iteratively from the five blocks of the DFT frame. These values are written on the nodes of the trellis diagram. In addition, the shaping words 000 and 111 generated by the Viterbi decoder 40 are entered for the two valid paths from the initial state 00 to the first two transition states 00 and 10. A corresponding sequence of shaping words is generated for each permissible path through the trellis diagram. In order to be able to eliminate the influence of the shaping words generated by the generator matrix on the multicarrier signal at the receiving end, the received signal must be subjected to a test matrix which is linked to the generator matrix via the equation G × H ^T = 0. The transposed test matrix H ^T results, for example, in the generator matrix given above:

In Fig. 3b ist ein sogenannter Syndromformer als Schieberegisteranordnung verwirklicht, mit welcher die Prüfmatrix realisiert wird.In Fig. 3b a so-called syndrome former is realized as a shift register arrangement with which the check matrix is realized.

Wie bereits erwähnt, sorgt der inverse Syndromformer 20 für eine Orthogonalität zwischen vervollständigten Zeilen und zulässigen Trellissequenzen bzw. Folgen von Formungswörtern, wodurch es empfangsseitig möglich ist, die Folgen von Formungswörtern mit Hilfe des Syndromformers zu entfernen. Dazu kann der inverse Syndromformer 20 die inverse PrüfmatrixAs already mentioned, the inverse syndrome shaper 20 ensures an orthogonality between completed lines and permissible trellis sequences or sequences of shaping words, as a result of which it is possible on the receiving side to remove the sequences of shaping words with the aid of the syndrome shaper. For this purpose, the inverse syndrome former 20 can use the inverse test matrix

auf jede Leerstellen-behaftete Zeile einer Matrix anwenden.apply to every blank line in a matrix.

Wir kehren wieder zu Fig. 1 zurück. Es sei angenommen, daß die Leerstellen-behafteten Zeilen der fünf Blöcke des DFT-Rahmens nach Fig. 4a in dem inversen Syndromformer 20 vervollständigt worden sind. In den fünf Speicherabschnitten der Speichereinrichtung 10 sind die entsprechenden Blöcke des in Fig. 4b gezeigten DFT-Rahmens abgelegt. Mit Hilfe des Viterbi-Decoders 40 werden jetzt gültige Formungswörter erzeugt und in einem Speicher 45 abgelegt. Der Einfachheit wegen wird der Zustand 00 als Anfangszustand angenommen. Die beiden ersten Formungswörter 000 und 111 für die beiden zulässigen Pfade vom Anfangszustand 00 zum Übergangszustand 00 bzw. vom Anfangszustand 00 zum Übergangszustand 10 sind in das Trellis-Diagramm nach Fig. 5 eingetragen. In einem Addierer 50 wird zunächst die letzte Zeile des ersten Blocks des DFT-Rahmens nach Fig. 4b, die die Bitfolge 001 enthält, mit dem zulässigen Formungswort 000 und 111 Modulo 2 addiert. Man erhält auf diese Weise für den ersten Block des DFT-Rahmens auf der Grundlage des in Fig. 5 gezeigten Trellis-Diagramms zwei modifizierte Blöcke, die nachfolgend als geformte Blöcke bezeichnet werden. Genaugenommen werden die Partitionsnummern und somit die Symbole des entsprechenden geformten Blocks verändert. Mit den modifizierten Symbolen der beiden geformten Blöcke werden jeweils die ersten drei Träger des DFT-Rahmens moduliert. Danach werden jeweils die drei Träger in einer Einrichtung 60 einer inversen, diskreten Fouriertransformation (IDFT) unterworfen. Als Ergebnis erhält man für jeden geformten Block mehrere Zeitabtastwerte, die in einen Pfadspeicher 70 abgelegt werden. Als Metrik für die günstigste Pfadentscheidung ermittelt man anschließend mit Hilfe einer Pfadvergleichs- Einrichtung 80 die Spitzenleistung (das Amplitudenquadrat) aus den berechneten Zeitwerten jedes geformten Blocks. Für den Pfad von 00 nach 00 beträgt die Metrik 260,4 und für den Pfad von 00 nach 10 ergibt sich eine Metrik von 259,5 (s. Fig. 5). Die weiteren Blöcke 2, 3, 4 und 5 des DFT-Rahmens werden auf die gleiche Weise verarbeitet: Den mit Hilfe des inversen Syndromformers 20 vervollständigten Zeilen werden wiederum Formungswörter der erlaubten Pfade in dem Trellis- Diagramm überlagert. Der Einfluß im Zeitbereich der so gewonnenen geformten Blöcke auf die vorhergehenden geformten Blöcke wird iterativ nach der folgenden Gleichung ermittelt:We return to Fig. 1 again. It is assumed that the blank lines of the five blocks of the DFT frame according to FIG. 4a in the inverse syndrome former 20 have been completed. The corresponding blocks of the DFT frame shown in FIG. 4b are stored in the five memory sections of the memory device 10 . With the help of the Viterbi decoder 40 , valid shaping words are now generated and stored in a memory 45 . For the sake of simplicity, state 00 is assumed to be the initial state. The first two shaping words 000 and 111 for the two permissible paths from the initial state 00 to the transition state 00 and from the initial state 00 to the transition state 10 are entered in the trellis diagram according to FIG. 5. In an adder 50 , the last line of the first block of the DFT frame according to FIG. 4b, which contains the bit sequence 001, is first added with the permissible shaping word 000 and 111 modulo 2. In this way, two modified blocks are obtained for the first block of the DFT frame on the basis of the trellis diagram shown in FIG. 5, which are referred to below as shaped blocks. Strictly speaking, the partition numbers and thus the symbols of the corresponding shaped block are changed. The modified symbols of the two shaped blocks are used to modulate the first three supports of the DFT frame. The three carriers are then each subjected to an inverse, discrete Fourier transformation (IDFT) in a device 60 . As a result, several time samples are obtained for each shaped block, which are stored in a path memory 70 . As a metric for the most favorable path decision, the peak power (the amplitude square) is then determined with the aid of a path comparison device 80 from the calculated time values of each shaped block. For the path from 00 to 00 the metric is 260.4 and for the path from 00 to 10 there is a metric of 259.5 (see FIG. 5). The further blocks 2 , 3 , 4 and 5 of the DFT frame are processed in the same way: the lines completed with the aid of the inverse syndrome shaper 20 are in turn superimposed on shaping words of the permitted paths in the trellis diagram. The influence in the time domain of the shaped blocks thus obtained on the previous shaped blocks is determined iteratively according to the following equation:

wobei u die Anzahl der iterativ verwendeten Blöcke eines DFT-Rahmens,
f_k der k-te Zeitabtastwert des u-ten geformten Blocks,
F₁ die Sektralkomponente im DFT-Bereich,
F₁* die konjugierte komplexe Komponente zu F₁ und
n die Anzahl der Träger pro Block ist.where u is the number of iteratively used blocks of a DFT frame,
f _{k is} the kth time sample of the uth shaped block,
F₁ the spectral component in the DFT range,
F₁ * the conjugate complex component to F₁ and
n is the number of beams per block.

Nach jedem iterativen Schritt sucht man als Metrik für den günstigsten Pfad wiederum den Spitzenwert der Leistung aus den errechneten Zeitabtastwerten f_k der bis dahin betrachteten geformten Blöcke. Führen beispielsweise mehrere gültige Pfade in denselben Zustand, wird derjenige Pfad mit der kleinsten Metrik weiterverfolgt. Nach dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren werden also für jeden Block gemäß den zulässigen Pfaden in dem Trellis- Diagramm erlaubte, alternative geformte Blöcke gesucht und die dazugehörenden Zeitabtastwerte berechnet, um dann in jedem Trellis-Zustand den günstigsten Pfad auswählen zu können. Ist der letzte geformte Block des DFT-Rahmens berechnet, stehen alle zulässigen Pfade im Pfadspeicher 70 und es kann diejenige zulässige Folge von geformten Blöcken ausgewählt werden, die ein Mehrträgerzeitsignal mit ininimiertem Spitzen-/Mittelwert-Verhältnis im Zeitbereich hervorruft. Die dazugehörenden Zeitabtastwerte, die tatsächlich im Pfadspeicher 70 gespeichert sind, brauchen nur noch übertragen zu werden. Am Ende der Berechnung aller geformten Blöcke stehen somit so viele modifizierte zeitliche DFT-Rahmen im Pfadspeicher 70 wie Trellis-Zustände existieren. Es wird aber nur derjenige mit dem kleinsten Spitzen-/Mittelwert-Verhältnis übertragen. Im vorliegenden Beispiel ist dies der in dem Trellis-Diagramm nach Fig. 5 schwarz hervorgehobene Pfad, der im Zustand 01 endet.After each iterative step, the metric for the cheapest path is again the peak value of the power from the calculated time samples f _{k of} the shaped blocks considered up to that point. If, for example, several valid paths lead to the same state, the path with the smallest metric is followed up. According to the inventive method described above, alternative shaped blocks allowed for each block are searched for in accordance with the permissible paths in the trellis diagram and the associated time samples are calculated in order then to be able to select the most favorable path in each trellis state. When the last shaped block of the DFT frame has been calculated, all the permissible paths are in the path memory 70 and the permissible sequence of shaped blocks can be selected which produces a multicarrier time signal with the peak / mean ratio in the time domain minimized. The associated time samples, which are actually stored in the path memory 70 , only need to be transmitted. At the end of the calculation of all shaped blocks, there are as many modified temporal DFT frames in the path memory 70 as there are trellis states. However, only the one with the lowest peak / average ratio is transmitted. In the present example, this is the path highlighted in black in the trellis diagram according to FIG. 5, which ends in state 01.

Der Ausdruck "Mehrträger-Trellis-Shaping" ist im Lichte des oben beschriebenen Systems so zu verstehen, daß der zeitliche Verlauf eines Mehrträger-Signals derart vorgeformt wird, daß das Spitzen-/Mittelwert-Verhältnis verringert ist. Dazu bedient man sich der Hilfe einer Pfadsuche in einem Trellis, wobei als Metrik die Spitzenleistung des Mehrträgersignals im Zeitbereich gewählt worden ist.The expression "multicarrier trellis shaping" is used in To understand lights of the system described above so that the time course of a multicarrier signal in this way is preformed that the peak / mean ratio is reduced. To do this, you use the help of a Path search in a trellis, using the Peak power of the multi-carrier signal selected in the time domain has been.

2. Reduction of the peak / mean ratio of one Multi-carrier signal in a multi-carrier trellis shaping stage with a metric in the DFT (frequency) range

Die oben beschriebene Mehrträger-Trellis-Shaping- Stufe 5 benötigt eine relativ lange Verarbeitungszeit, da jeder einzelne Block bzw. die geformten Blöcke einer inversen diskreten Fourier-Transformation unterworfen werden müssen. Eine Verringerung der Verarbeitungszeit läßt sich dadurch erreichen, daß bei der Pfadsuche im Trellis die Metrikberechnung und Pfadauswahl im Frequenzbereich erfolgt. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Komponenten, die den in Fig. 1 gezeigten Komponenten entsprechen oder ähnlich sind erhalten die gleichen Bezugszeichen. Dies sind eine Speichereinrichtung 10 zur Aufnahme wenigstens eines Blocks eines DFT-Rahmens, ein inverser Syndromformer 20, gegebenenfalls eine zweite Speichereinrichtung 30, ein Addierer 50 und eine Einrichtung 40, die einen Viterbi-Decoder und einen Formungswörter- Speicher umfaßt. Es sei wiederum angenommen, daß die fünf Blöcke, d. h. die darin enthaltenen, mit Hilfe des inversen Syndromformers vorverarbeiteten Symbole des 16-QAM- Modulationsalphabets, in den jeweiligen Speicherabschnitten der Speichereinrichtung 10 abgelegt sind.The multicarrier trellis shaping stage 5 described above requires a relatively long processing time since each individual block or the shaped blocks have to be subjected to an inverse discrete Fourier transformation. The processing time can be reduced if the metric calculation and path selection in the frequency domain are carried out when searching for a path in the trellis. An embodiment is shown in Fig. 2. Components that correspond to or are similar to the components shown in FIG. 1 are given the same reference symbols. These are a memory device 10 for holding at least one block of a DFT frame, an inverse syndrome former 20 , possibly a second memory device 30 , an adder 50 and a device 40 which comprises a Viterbi decoder and a shaping word memory. It is again assumed that the five blocks, ie the symbols contained therein and preprocessed with the aid of the inverse syndrome former of the 16-QAM modulation alphabet, are stored in the respective memory sections of the memory device 10 .

Der Viterbi-Decoder 40 erzeugt zulässige Folgen von Formungswörtern der Länge 3, die gemäß einem gewählten Trellis jeder vervollständigten Zeilen des jeweiligen Blocks in dem Addierer überlagert werden. Für jeden, die Modulationssymbole enthaltenden Block werden somit zulässige geformte Blöcke ermittelt, deren modifizierte Modulationssymbole in einen Pfadspeicher 75 abgelegt werden. In einem weiteren Schritt muß eine Metrik gebildet werden, die aus den modulierten Trägern jedes geformten Blocks Rückschlüsse auf den höchsten Spitzenwert im Zeitbereich zuläßt. Dazu wird in einem Vorverarbeitungsschritt die auftretende Spitzenleistung für alle möglichen Übergänge zweier aufeinanderfolgender geformter Blöcke innerhalb eines DFT-Rahmens ermittelt und in einer Tabelle 90 abgelegt. Diese Übergangsmetrik wird für alle möglichen geformten Blockpaare innerhalb eines DFT-Rahmens berechnet und in der Tabelle 90 abgespeichert. Mit Hilfe der im Speicher 90 abgelegten Übergangsmetriken werden unter den zulässigen Folgen geformter Blöcke für den DFT-Rahmen diejenigen ermittelt, für die aus der gewählten Metrik geringe Spitzenwerte bzw. Spitzen-/Mittelwert-Verhältnisse resultieren. Dabei werden die Übergangsmetriken für jedes neu hinzukommende Formungsblockpaar addiert. Am Ende der Berechnung liegen Summenmetriken vor, die einen Rückschluß auf die tatsächliche Spitzenleistung des zu übertragenden Mehrträgersignals ermöglichen.The Viterbi decoder 40 generates permissible sequences of shaping words of length 3 , which are overlaid in the adder according to a selected trellis of each completed line of the respective block. Permitted shaped blocks are thus determined for each block containing the modulation symbols, the modified modulation symbols of which are stored in a path memory 75 . In a further step, a metric has to be formed which allows conclusions to be drawn from the modulated carriers of each shaped block about the highest peak value in the time domain. For this purpose, the peak power that occurs for all possible transitions of two successively shaped blocks within a DFT frame is determined in a preprocessing step and stored in a table 90 . This transition metric is calculated for all possible shaped block pairs within a DFT frame and stored in table 90 . With the aid of the transition metrics stored in the memory 90 , the permissible sequences of shaped blocks for the DFT frame are used to determine those for which low peak values or peak / mean ratios result from the selected metric. The transition metrics are added for each new pair of forming blocks. At the end of the calculation there are sum metrics which allow a conclusion to be drawn about the actual peak power of the multicarrier signal to be transmitted.

In Fig. 7 ist das Ergebnis einer Simulation gezeigt, bei der ein DFT-Rahmen 512 Träger umfaßt und jeder Block jeweils 3 Träger enthält. Die Kurve 1 zeigt ein Mehrträgersignal, das keine erfindungsgemäße Mehrträger- Trellis-Shaping-Stufe durchlaufen hat. Es zeigt daher eine Gauß-förmige Amplitudenverteilung und somit starke Spitzenwerte. Die Kurve 2 zeigt ein Mehrträgersignal, das in einer erfindungsgemäßen Mehrträger-Trellis-Shaping-Stufe mit einer Metrik im Zeitbereich verarbeitet worden ist. Hier ist die oben geschilderte Verringerung der Spitzenwerte deutlich zu erkennen. FIG. 7 shows the result of a simulation in which a DFT frame comprises 512 carriers and each block contains 3 carriers. Curve 1 shows a multicarrier signal that has not passed through a multicarrier trellis shaping stage according to the invention. It therefore shows a Gaussian-shaped amplitude distribution and thus strong peak values. Curve 2 shows a multicarrier signal which has been processed in a multicarrier trellis shaping stage according to the invention with a metric in the time domain. The reduction in peak values described above can be clearly seen here.

In Fig. 8 ist das Ergebnis einer Simulation gezeigt, die jeweils drei Träger pro Block und insgesamt 32 Träger pro DFT-Rahmen verwendet. Es sind drei verschiedene Kurvenläufe dargestellt. Die Kurve 1 entspricht einer nicht vorgeformten Kurve, die Kurve 2 einer Kurve, bei der Übergangsmetriken direkt benachbarter Blockübergänge berücksichtigt worden sind, und die Kurve 3 entspricht einer Kurve, bei der Übergangsmetriken zwischen allen möglichen Blockkombinationen einbezogen worden sind. Das dargestellte Diagramm zeigt, daß man beim "Shaping" mit der Übergangsmetrik im Frequenzbereich den Spitzenwert deutlich senken kann. Da der Mittelwert nahezu erhalten bleibt, verbessert sich, wie gefordert, auch das Spitzen- /Mittelwert-Verhältnis. Das in Fig. 8 dargestellte Diagramm wurde für eine 4-QAM-Symbolmenge simuliert.In FIG. 8, the result of simulation is shown, the three carriers per block and a total of 32 carriers per DFT frame used. Three different curves are shown. Curve 1 corresponds to a non-preformed curve, curve 2 to a curve in which transition metrics of directly adjacent block transitions have been taken into account, and curve 3 corresponds to a curve in which transition metrics between all possible block combinations have been included. The diagram shows that "shaping" can significantly reduce the peak value with the transition metric in the frequency domain. Since the mean is almost retained, the peak / mean ratio also improves as required. The diagram shown in Fig. 8 was simulated for a 4-QAM symbol set.

Dank der Erfindung ist es möglich, das Spitzen-/ Mittelwert -Verhältnis eines Mehrträgersignals im Zeitbereich dadurch zu verringern, daß die Symbole, mit denen die einzelnen Träger des Mehrträgersignals zu modulieren sind, auf geeignete Weise im Sender vorverarbeitet und anschließend modifiziert (das Modifizieren ist als Trellis- Shaping bekannt) werden. Durch eine Vorverarbeitung der Symbole wird eine Orthogonalität eingeführt, die es ermöglicht, daß die modifizierten Symbole empfangsseitig wieder in den ursprünglichen Zustand überführt werden können.Thanks to the invention, it is possible to Average value ratio of a multi-carrier signal in the time domain by reducing the symbols with which the individual carriers of the multi-carrier signal are to be modulated, appropriately preprocessed in the transmitter and then modified (the modification is called a trellis Shaping known). By preprocessing the An orthogonality is introduced that symbols it Allows the modified symbols to be received to be restored to its original state can.

Claims

1. Method for transmitting multicarrier (DMT) signals with a reduced peak / mean ratio, characterized by the following method steps:

a) the carriers assigned to a multicarrier signal are distributed over several blocks of the same length l,
b) a predetermined m-digit (binary) number is assigned to each symbol of a one- or two-dimensional symbol set (QAM) with which a carrier of the multicarrier signal is modulated,
c) the symbol numbers assigned to the carriers of the multicarrier signal are written block by block into an m × l matrix, at least one empty space being generated in each matrix,
e) each blank line in each matrix is completed using an inverse syndrome shaper,
f) a permissible sequence of shaping words of length l, which are additively superimposed on the corresponding lines of each matrix completed in step e), is selected on the basis of a predetermined trellis structure such that the peak power of the multicarrier signal in the time domain is minimized in relation to the mean signal power becomes,
g) the carriers of the multicarrier signal are modulated with the encoded symbols corresponding to the symbol numbers modified in step f) and subjected to an inverse discrete Fourier transform (IDFT) and the IDFT multicarrier signal is transmitted, and
i) from the received multicarrier signal, the superimposed shaping words are removed on the receiving side with the aid of a syndrome shaper.

2. The method according to claim 1, characterized in that step f) comprises the following steps:

- On the basis of the predetermined trellis structure, permissible code words are selected in blocks and are superimposed on the completed matrix line of the corresponding matrix,
the carriers modulated with the coded symbols are subjected to an inverse discrete Fourier transformation in blocks and stored in the time domain,
- All blocks are iteratively calculated in the time domain taking into account the predetermined trellis structure, and
- The permissible block sequence for the multi-carrier signal with the minimum peak / mean ratio is selected.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the permissible sequence of Shaping words according to the predetermined trellis structure is selected with the Viterbi algorithm.

4. The method according to claim 1, characterized in that step f) comprises the following steps:

- on the basis of the predetermined trellis structure, permissible shaping words are selected in blocks and are superimposed on the completed line of the corresponding matrix,
- every modified block is stored in the frequency domain,
the modified blocks are combined in pairs and a transition metric is stored for each block pair, which essentially corresponds to the peak power of the corresponding block pair in the time domain,
based on the predetermined trellis structure, the transition metrics of each allowable sequence of block pairs are summed,
the permissible block sequence of the multi-carrier signal is selected in the frequency domain, which delivers the minimum sum metric,
- The selected block sequence is subjected to an inverse discrete Fourier transformation.

5. The method according to claim 4, characterized in that when determining the metric for each block pair the remaining blocks are set to zero.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized characterized that transition metrics only for immediately adjacent blocks can be determined.

7. Multi-carrier transmission system for performing the method according to claims 1 to 5, wherein the carriers assigned to a multi-carrier signal are distributed over several blocks of the same length l, with the following features:

- at least one first memory ( 10 ) for the matrix-like recording of 1 symbols each of a one- or two-dimensional symbol set of bit length m,
an inverse syndrome former ( 20 ) for completing an empty line in the first memory ( 10 ),
a second memory ( 45 ) in which a permissible sequence of shaping words of length l is stored on the basis of a trellis structure,
an adder ( 50 ) which blocks the completed line with a corresponding part of the shaping word sequence,
- means ( 60 ; 65 ) for inverse discrete Fourier transform (IDFT) of each coded block,
a path memory ( 70 ; 75 ) which is connected to the IDFT device ( 60 ; 65 ),
- Means ( 80 ; 90 ) for selecting a permissible block sequence for the multi-carrier signal from the path memory ( 70 ; 75 ) on the basis of the predetermined trellis structure in such a way that the peak / mean ratio of the multi-carrier signal is minimized in the time domain.