DE4404004A1 - Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung - Google Patents
Verfahren zur digitalen NachrichtenübertragungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen
Nachrichtenübertragung, bei welchem die Symbole eines zu
übertragenden Datenstroms und Sequenzen von Shaping-Bits einem
Puls-Amplituden-Modulator aufgegeben werden, in dem das zu
übertragende Signal bei der digital/analog Umsetzung einer
Signalformung für angenähert gaußverteilte Signalwerte
unterzogen wird, bei welchem das geformte analoge
Ausgangssignal des Puls-Amplituden-Modulators einem
Verzerrungen des Signals durch die Übertragungsstrecke
entgegenwirkenden Vorverzerrer zugeführt wird, dessen
Ausgangssignal über die angeschlossene Übertragungsstrecke
übertragen wird und bei welchem das übertragene Signal am Ende
der Übertragungsstrecke abgetastet und anschließend
weiterverarbeitet sowie einem Entscheider zugeführt wird (US-Z
"IEEE Transactions on Information Theory", VOL. 38, No. 2,
März 1992, Seiten 301 bis 314).
Ein Signal kann mit einem derartigen Verfahren
leitungsgebunden oder drahtlos übertragen werden. Für die
leitungsgebundene Übertragung werden Kabel mit elektrischen
oder optischen Übertragungswegen eingesetzt. Die drahtlose
Übertragung erfolgt beispielsweise über Richtfunk oder
Satellitenfunk. Bei der Übertragung werden Störungen
beispielsweise durch thermisches Rauschen, Übersprechen
anderer Signale und Rauschen elektronischer und
elektrooptischer Bauelemente hervorgerufen. Es können jedoch
auch Realisierungstoleranzen und Taktschwankungen zu Störungen
führen. Das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal
(störabstand) und damit die erreichbare Bitfehlerhäufigkeit
bzw. die überbrückbare Entfernung der Signalübertragung hängen
wesentlich von den geschilderten Einflußgrößen ab.
Gemäß dem Kanalcodierungstheorem der Informationstheorie kann
bei der digitalen Nachrichtenübertragung über derartige
Störungen aufweisende Übertragungskanäle eine hohe
Zuverlässigkeit für ein Sendesignal erreicht werden, wenn
anstelle weniger diskreter Signalwerte zur Repräsentation der
digitalen Symbole kontinuierlich gaußverteilte Signalwerte
verwendet werden. Bei einer vielstufigen Übertragung ist durch
eine entsprechend durchgeführte Signalformung gegenüber
gleichverteilten Signalwerten eine Verringerung der mittleren
Sendeleistung bei gleicher Zuverlässigkeit der Übertragung
möglich. Besondere Bedeutung hat eine solche Verringerung der
Sendeleistung durch Signalformung bei der digitalen
Nachrichtenübertragung über Medien, bei denen die Störung im
wesentlichen durch das Nebensprechen gleichartiger Signale
zustande kommt, z. B. bei der digitalen Nachrichtenübertragung
über Aderpaare in hochpaarigen Kabeln. In diesen Fällen
bewirkt eine Verringerung der Sendeleistung durch
Signalformung zugleich eine Verringerung der Störung bezüglich
paralleler Übertragungswege. Es bietet sich dadurch die
Möglichkeit, die Reichweite der Übertragung zu vergrößern.
Aus der US-Z "IEEE Transactions on Information Theory", VOL.
38, No. 2, März 1992, Seiten 281 bis 300, ist ein Verfahren
zur Signalformung bekannt, bei dem ein zu übertragendes
digitales Symbol in jedem Übertragungsschritt durch mehrere
unterschiedliche Signalwerte repräsentiert werden kann. Dieses
Verfahren wird als "Trellis-Shaping" bezeichnet. Durch die
Wahl von sogenannten Shaping-Bits wird festgelegt, welcher der
möglichen Signalwerte beim aktuellen Übertragungsschritt
verwendet wird. Es wird dabei mittels eines Decoders eine
Sequenz von Shaping-Bits ermittelt, für welche die zu
übertragende Nachricht durch ein Signal mit minimaler
Sendeleistung repräsentiert wird. Eine solche Minimierung der
Sendeleistung ist nur möglich, wenn einzelne Shaping-Bits auf
die Signalwerte in vielen Übertragungsschritten wirken. Hierzu
wird bei diesem bekannten Verfahren unter Einsatz eines
Scramblers eine Verwürfelung der Sequenz von Shaping-Bits
zusammen mit der digitalen Nachricht durchgeführt.
Empfangsseitig ist eine Umkehrung des Verwürfelungsvorgangs
erforderlich. Es muß also auf der Empfangsseite ein
Descrambler eingesetzt werden, durch welchen eine
Fehlervervielfachung nicht zu vermeiden ist. Es muß daher ein
deutlicher Störabstandsverlust hingenommen werden. Dadurch
geht der durch die Verringerung der Sendeleistung erzielte
Gewinn zum Teil wieder verloren.
Die US-Z "IEEE Communications Magazinell, Dezember 1991, Seiten
25 bis 34, beschreibt ein Verfahren zur digitalen Übertragung
über Übertragungskanäle, die lineare Verzerrungen erzeugen.
Solche Übertragungskanäle liegen beispielsweise in Kabeln mit
metallischen Aderpaaren vor. Die linearen Verzerrungen werden
bei diesem Verfahren durch eine Vorverzerrung der Signale
ausgeglichen. Es wird dazu im Sender ein nichtlineares
Vorverzerrungsfilter, die sogenannte "Tomlinson-Harashima-
Vorcodierung", eingesetzt.
Eine Verknüpfung von Trellis-Shaping und Vorverzerrung geht
aus der eingangs erwähnten US-Z "IEEE Transactions on
Information Theory" hervor. Ein solches Verfahren wird als
"Trellis-Precoding" bezeichnet. Die Sequenz von Shaping-Bits
wird hierbei so gewählt, daß das Signal am Ausgang des
Vorverzerrungsfilters insbesondere eine minimale Sendeleistung
aufweist. Auch bei diesem Verfahren werden die Shaping-Bits
und die digitale Nachricht in einem Scrambler gemeinsam
verwürfelt, so daß im Empfänger wieder ein Descrambler
benötigt wird. Bei diesem Verfahren wird die Fehlerrate durch
Fehlervervielfachung beim Descrambling im Empfänger noch
erhöht. Auch hier geht daher der durch die Verringerung der
Sendeleistung erzielte Gewinn zum Teil wieder verloren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs
beschriebene Verfahren so weiterzubilden, daß die erzielte
Verringerung der Sendeleistung erhalten bleibt, so daß die
Reichweite der Übertragung erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die
Symbole des zu übertragenden Datenstroms und die Shaping-Bits
dem Puls-Amplituden-Modulator direkt und getrennt voneinander
über unterschiedliche Eingänge zugeführt werden.
Die Mischung der Shaping-Bits mit den Symbolen des zu
übertragenden Datenstroms - im folgenden kurz "Symbole"
genannt - und deren gemeinsame Verwürfelung erfolgen allein
durch das Vorverzerrungsfilter. Somit ist hier eine
Verwürfelung der Shaping-Bits zusammen mit den Symbolen
mittels eines separaten Scramblers nicht erforderlich. Ohne
eine solche Verwürfelung entfallen auch das Descrambling im
Empfänger und somit die Fehlervervielfachung. Der durch die
Signalformung erzielte Gewinn - der Signalformungsgewinn - in
Form einer Verringerung der Sendeleistung bleibt also voll
erhalten. Die Reichweite der Übertragung kann dementsprechend
erhöht werden.
Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht auch darin,
daß im Sender die bisher notwendige Prüfung auf erlaubte
Codesymbolsequenzen nicht mehr zwingend erforderlich ist. Es
ist auch zur Einhaltung des jeweils optimalen Pfades ein
Wechsel des Pfades durch den Decoder möglich, da
empfangsseitig wegen des fehlenden Descramblers keine Fehler
entstehen und weil am Ende der Übertragungsstrecke keine
Vermischung der Shaping-Bit-Sequenzen mit den Symbolen
vorliegt. Für die Auswahl der Shaping-Bits kann beispielsweise
ein gewöhnlicher Viterbi-Decoder mit Parallelverarbeitung für
alle Zustände eingesetzt werden. Dadurch wird eine wesentliche
Steigerung der Übertragungsraten möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnungen
als Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 und 2 zwei unterschiedliche Schaltungen zur
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
Fig. 3 den Signalformungsgewinn über der Pfadregisterlänge des
Decoders.
Einem Puls-Amplituden-Modulator PAM werden Shaping-Bits
einerseits und die Symbole andererseits zugeführt. Dabei
werden vorzugsweise die Shaping-Bits den höherwertigen und die
Symbole den niederwertigen Eingängen des PAM zugeführt. Am
Ausgang des PAM steht ein mehrstufiges, beispielsweise ein
achtstufiges analoges Signal zur Verfügung, das einem
Vorverzerrungsfilter VVF zugeleitet wird. Das Signal könnte
beispielsweise auch vierstufig oder sechzehnstufig sein. Die
Anzahl der Stufen des Signals ist grundsätzlich aber beliebig.
Der VVF berücksichtigt die von der Übertragungsstrecke
hervorgerufenen Verzerrungen des Sendesignals mit der
zeitdiskreten Ersatz-Übertragungsfunktion b(z). Am Ausgang des
VVF steht das Sendesignal an. Es wird von einem Decoder DEC
bewertet, und zwar bezüglich seiner mittleren Leistung, die
minimiert werden soll. Das wird vom DEC durch Beeinflussung
der Shaping-Bits erreicht. Aus der Vielzahl von möglichen
Shaping-Bit-Sequenzen wird durch den DEC eine bestimmte
Sequenz von damit bekannten Shaping-Bits herausgesucht.
Dadurch wird das Sendesignal in der gewünschten Weise geformt.
Die Leistung des Sendesignals kann damit minimiert werden.
Wegen des unendlichen Zustandsraums des VVF werden bei diesem
Verfahren mit Vorteil sequentielle Decodierverfahren für
Trelliscodes eingesetzt. Als geeignet hat sich beispielsweise
das sogenannte Selektionsverfahren erwiesen, das vielfach auch
als "M-Algorithmus" bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren
werden in jedem Signalformungsschritt die B bisher günstigsten
Sequenzen von Shaping-Bits jeweils um einen Schritt für alle 2b
möglichen Kombinationen von b Shaping-Bits verlängert. Dabei
bezeichnet b die Anzahl der frei wählbaren Shaping-Bits je
Signalformungsschritt. Von den auf diese Weise entstandenen
B × 2b Sequenzen von Shaping-Bits werden mittels eines
Selektionsverfahrens die B günstigsten ausgewählt. In der im
DEC verwendeten Metrik können neben der mittleren
Sendeleistung auch andere Kriterien, z. B. die Begrenzung der
maximalen Sendeleistung oder eine spektrale Formung des
Sendesignals, im Signalformungsprozeß berücksichtigt werden.
Die Abgabe eines Ausgangssignals durch den PAM ist ein
Übertragungsschritt. Mindestens ein Übertragungsschritt kann
einen Signalformungsschritt bilden. Es liegt dann eine
mehrdimensionale (D-dimensionale) Signalformung ohne
Verwürfelung vor. Sie bietet den Vorteil, daß die Abbildung
der Symbole und Shaping-Bits auf das Signal am Ausgang des PAM
auf eine vielfältigere Weise gestaltet und somit eventuell ein
günstigeres Optimum für diese Zuordnung gefunden werden kann.
In Fig. 3 sind Signalformungsgewinne (brutto) für eine
gleichstromfreie Impulsantwort mit der Länge 12 über der
Pfadregisterlänge des Trellisdecodierverfahrens dargestellt.
Bereits bei B = 4 aktiver Sequenzen von Shaping-Bits wird ein
nennenswerter Signalformungsgewinn erzielt, der größer ist als
beim bekannten Verfahren mit einem Scrambler mit 8 Zuständen
und einem Viterbi-Decoder mit auf 16 Zustände reduzierter
Zustandszahl, da hier bei einer Fehlerquote von etwa 10-6 durch
Fehlervervielfachung ein Verlust von ca. 0,25 dB gegeben ist.
Bei hohen Übertragungsraten ist die Realisierung eines
sequentiellen Decodierverfahrens aufgrund der geringen
Regularität und Parallelisierbarkeit schwieriger als die des
Viterbi-Algorithmus. Deshalb können die Shaping-Bits gemäß
Fig. 2 durch einen imaginären, d. h. nur dem
Decodieralgorithmus zugrunde gelegten, Scrambler SCR
verwürfelt werden, der zu dem hier als Trellisdecoder
ausgebildeten DEC gehört. Die Bestimmung der günstigsten
Sequenz von Shaping-Bits wird mittels des Trellisdecoders im
Trellisdiagramm bezüglich des SCR vorgenommen. Die Mischung
des verwürfelten Stroms von Shaping-Bits mit den Symbolen
sowie deren gemeinsame Verwürfelung erfolgt wieder allein
durch das VVF. Zur Ermittlung der günstigsten Sequenz von
Shaping-Bits kann mit Vorteil ein Viterbi-Algorithmus mit
Zustandsreduktion (Reduced-State Sequence Estimation, RSSE)
hinsichtlich des SCR eingesetzt werden. Die Zustände des VVF
werden im RSSE-Decodierprozeß durch parallele
Entscheidungsrückkopplungen berücksichtigt. Da jedoch die
Symbole nicht durch den SCR geführt werden, ist empfangsseitig
keine Inversion der Verwürfelung notwendig. Die Sequenz von
Shaping-Bits ist für den Empfänger ohne Belang. Damit wird
auch hier die Fehlervervielfachung vermieden. Eine Prüfung auf
Pfadwechsel ist ebenfalls nicht zwingend erforderlich. Auch
hier können mehrere Übertragungsschritte zu einem
Signalformungsschritt zusammengefaßt werden (mehrdimensionale
Signalformung).
Claims (5)
1. Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung, bei
welchem die Symbole eines zu übertragenden Datenstroms
und Sequenzen von Shaping-Bits einem Puls-Amplituden
Modulator aufgegeben werden, in dem das zu übertragende
Signal bei der digital/analog Umsetzung einer
Signalformung für angenähert gaußverteilte Signalwerte
unterzogen wird, bei welchem das geformte analoge
Ausgangssignal des Puls-Amplituden-Modulators einem
Verzerrungen der Signale durch die Übertragungsstrecke
entgegenwirkenden Vorverzerrer zugeführt wird, dessen
Ausgangssignal über die angeschlossene
Übertragungsstrecke übertragen wird und bei welchem das
übertragene Signal am Ende der Übertragungsstrecke
abgetastet und anschließend weiterverarbeitet sowie einem
Entscheider zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Symbole des zu übertragenden Datenstroms und die
Shaping-Bits dem Puls-Amplituden-Modulator (PAM) direkt
und getrennt voneinander über unterschiedliche Eingänge
zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Shaping-Bits den höherwertigen und die Symbole des zu
übertragenden Datenstroms den niederwertigen Eingängen
des Puls-Amplituden-Modulators (PAH) zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Bestimmung einer günstigen Sequenz von
Shaping-Bits ein sequentielles Decodierverfahren
verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bestimmung einer günstigen Sequenz von Shaping-
Bits mittels eines Trellisdecoders im Trellisdiagramm
bezüglich eines imaginären Scramblers (SCR) für die
Sequenz der Shaping-Bits vorgenommen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im
Trellisdecoder der Viterbi-Algorithmus mit einer
Zustandszahlreduktion hinsichtlich der Zustände des
Vorverzerrungsfilters (VVF) eingesetzt wird.
Priority Applications (1)
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DE4404004A DE4404004A1 (de) | 1993-05-18 | 1994-02-09 | Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung |
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Family Applications (1)
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Country | Link |
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DE (1) | DE4404004A1 (de) |
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1994
- 1994-02-09 DE DE4404004A patent/DE4404004A1/de not_active Withdrawn
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