DE3877279T2

DE3877279T2 - Digitale recheneinrichtung fuer eine anlage zur datenuebertragung im 2b1q-code oder aehnlichem.

Info

Publication number: DE3877279T2
Application number: DE8888401951T
Authority: DE
Inventors: Jean-Christophe Rault
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-07-30
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2008-07-28
Also published as: FR2618925B1; JPH01258502A; EP0304362A1; US4931980A; EP0304362B1; DE3877279D1; FR2618925A1; CA1314997C

Description

Die Erfindung betrifft digitale Recheneinrichtungen, die die Berechnung einer Summe von Ausdrücken der Form
Σ (iT) e((n-i)T)
in Echtzeit ermöglichen. Hierin bedeuten
T die Abtastperiode,
(iT) Koeffizienten und
e die geschätzten Werte von ausgesendeten Daten qe, die die Werte -3, -1, +3 und +1 annehmen können.
Die Aufgabe, eine solche Summe zu berechnen, stellt sich insbesondere beim Aufbau von linearen Filtern für Echokompensatoren (die im folgenden auch mit der üblichen Abkürzung ECC bezeichnet werden) in Anlagen zur Übertragung von digitalen Daten im 2B1Q-Kode. Es ist bekannt, daß dieser Kode, der möglicherweise im Verlauf der Standardisierung der U-Schnittstelle in den USA als Norm adaptiert wird, jeder Gruppe von zwei binären Elementen, die als "dibit" bezeichnet werden, gemäß nachstehender Tabelle einen von vier Pegeln zuordnet: dibit Sendepegel
Die auf der Leitung ausgegebenen Daten qe(t) können also die vier obigen Werte annehmen. In einer Übertragungsanlage, deren Übertragungskette die Impulsantwort h(t) liefert, ist das im Zeitpunkt nT empfangene Signal sr(nT)
Die Ermittlung der Schätzwerte e aus qe bedingt in der Empfangsanlage die Berechung von Summen der Form (1). So kann beispielsweise immer dann, wenn die Übertragungsleitungen heterogen sind, die Entscheidung über den Wert qe(nT) erst getroffen werden, nachdem von dem Empfangssignal sr(nT) ein Schätzwert der Intersymbol-Interferenz (kurz ISI) subtrahiert wurde, der exakt folgenden Wert hätte:
Die Schätzung erfolgt üblicherweise durch einen in der Schleife angeordneten (häufig mit der Abkürzung DFE bezeichneten) rekursiven adaptiven Entscheidungsentzerrer mit N Koeffizienten, der den Wert Tr(nT)
berechnet, worin (iT) der i-te Koeffizient ist, der in dem (in der Regel adaptiven) DFE gespeichert ist und einen Schätzwert der i-ten Abtastprobe der Impulsantwort h(t) darstellt.
Bei Anwendung von Formel (2) erfordert die digitale Berechnung von Tr(nT)
N Multiplikationen (iT)) * qe((n-i)T) und
N Additionen.
Da der Datenschätzwert e die Werte +3, +1, -3 und -1 annehmen kann, also mit 2 Bit kodiert ist, kann man jede Multiplikation in zwei Additionen und eine Verschiebung zerlegen: Die Operation 3 * (iT)) wird z.B.
(iT) + 2 * (iT)
Mit Hilfe dieser Transformation kann man zwar eine Recheneinrichtung ohne Multiplizierer einsetzen, man verdoppelt dann jedoch die Rechenzeit, die von N auf 2N Zyklen anwächst.
Der Verzicht auf Multiplizierer in digitalen Filtern, insbesondere für Transversal-Entzerrer, der bedingt, daß die Koeffizienten nur Werte annehmen, die Potenzen von 2 sind, wurde bereits vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang sei z.B. auf IEEE Transactions on Communications, vol. COM-32, Nr. 9, September 1984, Seiten 1025-1033, IEEE,New York, US; Pirani et a.: "Adaptive multiplication-free transversal equalizers with application to digital radio systems". Damit löst man allerdings nicht das Problem der Rechenzeitverlängerung. Es wurde auch ein digitales Filter vorgeschlagen (US-A-4 121 296), das die Bildung von Summen von elementaren Produkten ermöglicht, indem für einen der Faktoren des Produkts gefordert wird, daß er nur einige Werte annehmen soll. Dies löst indessen das oben genannte Problem nicht.
Ziel der Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, die einerseits keine Multiplizierer enthält und andererseits die Rechenzeit nicht wesentlich verlängert. Die Erfindung geht aus von einer vollständigen Analyse der Übertragungskette und der Komponenten, die es ermöglicht, die Gleichung (2) oder die im Falle einer Echokompensators gegebene äquivalente Gleichung in eine Form zu bringen, die Ausdrücke enthält, die ohne nachteilige Folgen vernachlässigt werden können.
Ein erster Schritt besteht darin, daß eine Variable e = 1 + e, die aufgrund der Tatsache, daß e die Werte +3, +1, -3 und -1 annimmt, nur die Werte +4, +2, -2 und -0 annehmen kann, die Potenzen von 2 sind. Gleichung (2), die Tr(nT) liefert, wird als Funktion der Werte e(((n-i)T) zu
Hierfür man auch schreiben:
Wenn man berücksichtigt, daß die Übertragungskette die Gleichstromkomponente des Signals nicht überträgt, läßt sich der zweite Ausdruck von Gleichung (4) umwandeln. Die Gesamtverstärkung
der Übertragungskette ist für diese Komponente gleich Null. Nun läßt sich diese Verstärkung folgendermaßen darstellen:
Der Ausdruck
kann vernachlässigt werden, da es für einen DFE mit N Koeffizienten zulässig ist, den Wert der Reihe jenseits von NT unberücksichtigt zu lassen. Gleichung (5) läßt also erkennen, daß man
in Gleichung (4) durch h(0) ersetzen kann. Gleichung (4) wird dann zu
Der erste Ausdruck von Gleichung (6) läßt sich durch N Additionen und je nach dem Wert von e durch eventuelle Verschiebungen berechnen, da e stets eine Potenz von 2 ist. Die Addition des zweiten Ausdrucks führt zu einer Zeitverlängerung um einen einzigen Rechenzyklus. Es genügen also insgesamt N+1 Zyklen anstelle von 2N Zyklen im Fall von Gleichung (2).
Die Erfindung schlägt infolgedessen eine Recheneinrichtung vor mit
Mitteln zur Umwandlung der Werte e in Werte e, die Potenzen von 2 sind, durch Addition (oder Subtraktion) derselben Zahl zu (bzw.) von allen Werten;
Mitteln zur Berechnung der gewonnenen elementaren Produkte durch eventuelles Verschieben von nach Maßgabe des Werts von e;
Mitteln zur Bildung der Summe der elementaren Produkte und
Mitteln, um gegebenenfalls der Summe eine Konstante hinzuzufügen, die eine Bewertung der auf die Änderung der Variablen zurückzuführenden Differenz der Ergebnisse darstellt.
Für den oben betrachteten Fall, in dem die Einrichtung ein nach Gleichung (6) arbeitender rekursiver adaptiver Entzerrer ist, stellt die genannte Konstante eine Bewertung (0) des ersten Ausdruck der Übertragungsfunktion dar. Die Werte können permanent durch ein Netzwerk bekannter Art adaptiert werden, indem man z.B. den Gradienten- oder Vorzeichenalgorithmus anwendet.
Für den Fall, daß die Einrichtung als Echokompensator eingesetzt werden soll, ist das synthetisierte Echo Ec(nT) durch eine der Gleichung (4) ähnliche Formel gegeben, durch die N bewertete Koeffizienten eingeführt werden, die mit (iT) bezeichnet werden.
mit qe = +3, +1, -1 oder -3.
Um Ec(nT) ohne Multiplikation mit dieser Formel zu berechnen, wären hier ebenfalls 2N Rechenzyklen erforderlich.
Eine Einrichtung gemäß der Erfindung führt eine Variablenänderung an den ausgesendeten Daten qe durch: Man setzt
e((n-i)T) = 1 + qe((n-i)T),
wobei e nur die Werte +4, +2, 0 und -2 annehmen kann. Für das Echo läßt sich setzen:
oder
Der zweite Ausdruck in dieser Gleichung läßt sich ersetzen durch
weil die Echoverstärkung der Übertragungskette bei der Frequenz Null
gleich Null ist bzw. in einem Echokompensator der Länge NT zulassen wird, daß die Energie des Echos jenseits von NT gleich Null ist, also
Das Echo Ec(nT) beschränkt sich also auf den ersten Ausdruck von Gleichung (4), d.h. auf
Man kann hier noch
q d(i) = 1/2 e(i)
setzen. In diesem Fall kann q d(i) nur die Werte -1, 0, 1 oder 2 annehmen. Wenn man Koeffizienten '(i) = 2 (i) verwendet, läßt sich Gleichung (6bis) folgendermaßen darstellen:
Man stellt also fest, daß die in die Summe eingehenden Produkte durch Speicherung der doppelten Koeffizienten des Echokompensators eingegeben werden können
- durch Erzeugung von Null, wenn e = 0,
- durch "Durchlässigkeit" (Gleichheit von Eingangs- und Ausgangssignal, gegebenenfalls mit Vorzeichenwechsel), wenn e = 2 oder -2,
- durch Verschieben um 1 Bit in Richtung auf größere Wertigkeit, wenn e = 4.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei im folgenden anhand der Zeichnungen ein spezielles Ausführungsbeispiel vorgestellt, das mit einer bekannten Einrichtung verglichen wird.
Fig. 1 zeigt das Prinzipschema einer in einem Echokompensator verwendbaren Recheneinrichtung bekannter Art,
Fig. 2 zeigt das Schema eines Echokompensators gemäß der Erfindung in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 1.
Die Einrichtung von Fig. 1, die aufeinanderfolgende Schätzwerte eines Echos Ec(nT) in Echtzeit berechnen soll, realisiert die oben angegebene Gleichung (2bis), d.h.
wobei
(iT) mit i = 0, ..., N-1 die N Koeffizienten des Echofilters und
qe ((n-i)T) mit i = 0, ..., N-1 die N letzten im 2B1Q-Kode ausgegebenen Daten sind.
Zur Vereinfachung wird im folgenden anstelle von qe((n-i)T) die Schreibweise qe(n-i) verwendet.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung besitzt einen Speicher 10 zur Speicherung der Koeffizienten (iT). Dieser Speicher ist in der Regel ein Arbeitsspeicher, der einem adaptiven Filter zur Berechnung der Koeffizienten durch einen Adaptierungsalgorithmus zugeordnet ist, bei dem es sich um ein bekanntes Filter handeln kann. Man findet Beispiele für solche Filter in zahlreichen Dokumenten, wie z.B. in US-A-4 564 934 (MACCHI).
Ein zweiter Arbeitsspeicher 12, der häufig ein Schieberegister aufweist, nimmt die letzten N geschätzten Daten qe(n-i) auf, die mit 2 Bit im 2B1Q-Kode kodiert sind.
Von den Eingängen eines Multiplizierers 14 ist einer mit dem Datenbus 16 des Koeffizientenspeichers 10 und der andere mit dem Ausgangsbus 18 des Datenspeichers 12 verbunden. Der Bus 20 des Multiplizierers ist mit einem der beiden Eingänge einer Addier/Subtrahierschaltung 22 verbunden. Am Ausgang der Addier/Subtrahierschaltung ist ein Register 24 zur Kodierung der von dieser gelieferten Ergebnisse angeordnet. Dieses Register enthält permanent das Ergebnis der letzten Operation und speist ein zweites Register 26 und den zweiten Eingang der Addier/Subtrahierschaltung. Das zweite Register 26 speichert den Inhalt des Registers 24, wenn dieses das Endresultat der Operation enthält: es enthält dann das Ergebnis Ec(nT), das entweder durch einen anderen Rechner oder durch einen (nicht dargestellten) Digital/Analogwandler ausgelesen werden kann. Eine Schaltung 28, die die Zeitbasis liefert und einen Programmspeicher enthält, ermöglicht die Folgesteuerung der Rechenoperationen durch Aktivierung der Schaltungen 10, 12, 22, 24 und 26. Nachdem die Register 24 und 26 von der Zeitbasis auf Null zurückgesetzt wurden, wird die Summe
in folgender Weise in N Rechenzyklen berechnet:
Zyklus 1: Auslesen von (0) und von qe(nT) in den Speichern 10 und 12;
Multiplikation von (0) mit qe(n) in dem Multiplizierer 14;
Einschreiben des Ergebnisses (0) qe(n) in das Register 24.
Zyklus 2: Auslesen von (1T) und von qe(n-1) in den Speichern;
Multiplikation von (1T) mit qe(n-1);
Addition des Ausgangssignals des Multiplizierers mit dem Inhalt des Registers 24, d.h. (0) qe(n);
Einschreiben des Ergebnisses in das Register 24.
.......
Zyklus N: Auslesen von ((N-1)T) und von qe(n-N+1) in den Speichern;
Multiplikation von (N-1) mit qe(n-N+1);
Addition des Ausgangssignals des Multiplizierers mit dem Inhalt des Registers 24
Einschreiben des Ergebnisses
in das Register 24.
Schließlich bewirkt die Zeitbasis bei der Ausgabe des N-ten Zyklus die Übertragung des Ergebnisses aus dem Register 14 in das Ausgangsregister 26.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Einrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht die Ausführung derselben Funktion wie die Einrichtung von Fig. 1 ohne Vergrößerung der für die Berechnung von Ec(nT) erforderlichen Speicherkapazität, mit der gleichen Anzahl N von Rechenzyklen für die einzelnen Werte und ohne den Einsatz von Multiplizierern.
In Fig. 2 sind die Zeitbasis und der Programmspeicher aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Die Organe, die denjenigen von Fig. 1 entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen wie dort. Außerdem zeigt Fig. 2 zur Erläuterung der Anordnung des Echokompensators in einer Station schematisch einen Sender 30, der aufeinanderfolgende Daten qe(nT) an eine Übertragungsleitung 32 liefert. Ein Abtaster 34 entnimmt aufeinanderfolgende Abtastproben, die in dem Speicher 12 gespeichert werden, der mit einem Addierer und einem 1:2-Teiler ausgestattet ist und die Gewinnung von qde erlaubt. Die von der Übertragungsleitung kommenden Signale werden dem Empfänger 36 über ein Rechenorgan 38 zugeführt, das einen Addierer bildet, der an seinem addierenden Eingang die mittels eines Abtasters 40 aus dem Empfangssignal gewonnenen Abtastproben und an seinem subtrahierenden Eingang das Ausgangssignal des Speichers 26 aufnimmt. Die Einrichtung enthält in der Regel eine Schaltung 42 zur Adaptierung der Koeffizienten (iT) des Echokompensators.
Diese Art der Anordnung des Echokompensators in einer Sende/Empfangsstation, die einer Duplex-Übertragungsleitung zugeordnet ist, ist bekannt. Erforderlichenfalls findet man eine vollständigere Beschreibung in dem Artikel von FALCONER et al. "Adaptive echo cancellation AGC structures for two wire duplex data transmission" in Bell Technical Journal, Band 58, Nr. 7, September 1979, Seite 1593 oder in der bereits erwähnten US-A-4 564 934.
Die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung berechnet das Echo Ec(nT) durch Anwendung von Gleichung (6ter). Der Multiplizierer 14 ist durch eine sehr einfache Schaltung 44 ersetzt da sie dem Koeffizienten (iT) eine von drei Funktionen zuordnet, die durch die beiden Bits der dem Wert q de entsprechenden Daten ausgewählt wird, die durch einfache Verschiebung der Werte von um eine Stelle nach rechts gewonnen werden. Die drei möglichen Operationen sind:
- einfaches Übertragen des Eingangssignals zum Ausgang (Transparenzfunktion), die einer Multiplikation mit dem Faktor 1 äquivalent ist, wenn q de(n-i) = 1 oder -1 ist;
- Verschieben der Daten um 1 Bit in Richtung auf höheren Stellenwert, die einer Multiplikation mit dem Faktor 2 äquivalent ist, wenn q de(n-i) = 2 ist;
- Erzeugen einer Null am Ausgang, d.h. Multiplikation mit dem Faktor Null oder Löschen, wenn q de(n-i) = 0 ist.
Wenn q de(n-i) = -1 ist, muß außerdem eine Vorzeichenänderung vorgenommen werden.
Man erkennt, daß jede dieser Operationen in einem einzigen Zyklus durchgeführt werden kann. Der Zyklus (i + 1) ist beispielsweise folgender:
- Auslesen von '(iT) und von q'de(n-i)T) in den Speichern,
- Verschieben von '(iT) um 1 Bit oder Erzeugen einer Null oder "Transparenz";
- Addieren des Ausgangssignals von 44 zu dem Inhalt des Registers 24;
- Einschreiben des Ergebnisses in das Register 24.
Diese Folge von Operationen für i=0 bis i=N-1 verkörpert die in Gleichung (6ter) wiedergegebene Berechnung.
Somit wird also die Berechnung in nur N Zyklen durchgeführt. Der Rechner arbeitet also mit derselben Geschwindigkeit wie bei einer klassischen Realisierungsform. Die erforderliche Programmspeicherkapazität ändert sich nicht.
Es läßt sich auch eine Entzerrereinrichtung realisieren, die den gleichen Aufbau hat wie der in Fig . 2 dargestellte Echokompensator. Die Funktion entspricht dann der obigen Gleichung (6), und die einzige zusätzlich erforderliche Operation besteht in der Addition des Schätzwerts (0), der in bestimmten Fällen ein für alle mal festgelegt werden könnte, häufiger jedoch permanent gleichzeitig mit den Koefizienten h(iT) auf der Basis eines herkömmlichen Algorithmus, z.B. des Gradienten- oder Vorzeichenalgorithmus, adaptiert wird.

Claims

1. Digitale Recheneinrichtung zur Berechnung einer Summe von Ausdrücken der Form

in Echtzeit, der

T die Abtastperiode,

(iT) Koeffizienten und

e die geschätzten Werte von ausgesendeten Daten qe, die nur die Werte -3, -1, +3 und +1 annehmen können.

bedeuten, gekennzeichnet durch

Mittel zur Umwandlung der Werte e in Werte e, die Potenzen von 2 sind, durch Addition oder Subtraktion derselben Zahl zu bzw. von allen Werten;

Mittel zur Berechnung der gewonnenen elementaren Produkte durch eventuelles Verschieben von nach Maßgabe des Werts von e;

Mittel zur Bildung der Summe der elementaren Produkte und

Mittel, um gegebenenfalls der Summe eine Konstante hinzuzufügen, die eine Bewertung der auf die Änderung der Variablen zurückzuführenden Differenz der Ergebnisse darstellt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Umwandlung der Werte e in Werte e aus einem den Wert 1 hinzufügenden Addierer (12) und einem auf diesen folgenden 1:2-Teiler bestehen, der den Wert q de = 2, 1, 0 oder -1 bildet.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung der elementaren Produkte aus einer Schaltung (44) bestehen, die in Abhängigkeit von dem Wert q de die Anwendung ein der drei folgenden Funktionen auf ermöglichen:

- Übertragen des Eingangssignals zum Ausgang,

- Verschieben um 1 Bit in Richtung auf höheren Stellenwert,

- Erzeugen von Null am Ausgang.

4. Echokompensator mit Mitteln (34) zum Abtasten der auf einer Leitung am Ausgang einer Sende/Empfangsstation abgegebenen Signale qe und Mitteln (40) zum Abtasten der über die Leitung an der Station empfangenen Signale gekennzeichnet durch

eine digitale Recheneinrichtung, die in Echtzeit die Berechnung einer Summe von Ausdrücken der Form

Σ (iT) q'de((n-i)T)

ermöglicht, in der

T die Abtastperiode,

(iT) Koeffizienten und

q'de aus den ausgesendeten Daten berechnete Werte bedeuten, die nur die Werte -3, -1, +3 und +1,gleich 1/2(qe + 1) annehmen können,

bedeuten,

wobei die Einrichtung aufweist

Mittel (12) zur Umwandlung der Werte der Abtastproben qe in Werte q'de = 1/2 (qe + 1), die Potenzen von 2 sind,

Mittel (44) zur Berechnung der elementaren Produkte, die in Abhängigkeit von dem Wert q'de durch eventuelle Verschiebungen von gewonnen werden,

einen Addierer (22), von dessen Eingängen einer mit dem Ausgang der Mittel (44) zur Berechnung der elementaren Produkte und der andere mit dem Ausgang eines Akkumulator-Registers (24) verbunden ist, dessen Eingang mit dem Ausgang des Addierers so verbunden ist, daß die Summe der elementaren Produkte gebildet wird,

sowie ein Rechenorgan (3), das einerseits die Abtastproben der Eingangssignale und andererseits das Ausgangssignal des Registers aufnimmt.

5. Echokompensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (44) zur Berechnung der elementaren Produkte eine Schaltung umfassen, die

- (iT) überträgt, wenn q'de((n-i)T) = + 1 oder -1 ist, wobei für den Wert -1 das Vorzeichen geändert wird,

- (iT) um 1 Bit in Richtung auf höheren Stellenwert verschiebt, wenn q'de((n-i)T) = +2 ist,

- am Ausgang eine Null erzeugt wenn q'de(n-i) = 0 ist.