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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein OFDM(Orthogonal-Frequency-Division-Multiplex)-Übertragungs-/Empfangssystem
und ein Blockkodierverfahren dafür.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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OFDM,
das ein Mehrträgermodulationsverfahren
ist, setzt sich sehr gut gegen Mehrwegeschwund und Intersymbolinterferenz
ein und ergibt ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Beim OFDM können Daten
bei einer hohen Datenübertragungsrate
zuverlässig übertragen
werden, selbst bei einem Kanal, in dem starke zeitliche Dispergierung
auftritt. Insbesondere ist die OFDM-Technik für den Bereich der Funkkommunikation
geeignet und wurde bei drahtlosen LAN und digitaler Audio- oder
Videosendung angewendet.
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Die
OFDM-Technik weist jedoch einen Nachteil darin auf, dass der höchste Leistungsscheitelfaktor (nachfolgend
als PAR (Peak-to-Average Power Ratio) bezeichnet) bei Übertragung
eines OFDM-Signals erhalten wird. Wenn Daten unter Verwendung von
N Unterträgern übertragen
werden, kann eine Spitzenleistung, die N-mal so stark ist wie eine
Effektivleistung in dem Fall erreicht werden, dass N Phasensignale
summiert werden. Die Spitzenleistung, die höher ist als die Effektivleistung,
wird ein nichtlinearer Faktor und provoziert eine Intermodulation
zwischen Unterträgern,
was auf diese Weise das SNR bei einem Empfänger beeinträchtigt und
unerwünschte
Außerband-Strahlung
bewirkt. Wenn ein Leistungsverstärker
oder Mischer mit einem geringen Backoff arbeitet, ist es nicht möglich, Außerband-Leistung
zu halten, die durch Telekommunikationsstellen beschränkt ist,
und das SNR am Empfänger
ist be einträchtigt.
Deshalb ist es bevorzugt, dass der Leistungsverstärker mit
einem hohen Backoff arbeitet, um Spectral-Regrowth eines OFDM-Signals
aufgrund von Intermodulation zwischen Unterträgern und unerwünschte Außerband-Strahlung
zu verhindern. Dies bedeutet, dass der Verstärker ineffektiv arbeitet. Folglich
steigen die Kosten von Übertragungseinrichtungen.
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Um
dieses Problem zu lösen
ist es bevorzugt, den PAR durch Ausführen einer schnellen Fourier-Transformation
(FFT) oder eines Verfahrens zum Wechseln der Phase eines Signals
oder eines Verfahrens unter Verwendung eines Blockkodes zu reduzieren.
Beim Verfahren unter Verwendung der FFT wird ein Wert zum Reduzieren
des PAR durch Addieren eines Blocks gesucht, der einen Wert nur
an einem arbiträren Unterträger vor
einer schnellen Fourier-Transformationseinrichtung (FFT) und alternierender
FFT und inverser FFT aufweist. Bei diesem Verfahren wird jedoch
der selbe Vorgang bei allen Übertragungsdaten
wiederholt, um einen Wert zum Reduzieren des PAR zu finden. Dementsprechend
ist die Ausführung
dieses Verfahrens kompliziert und es tritt eine Zeitverzögerung auf,
so dass dieses Verfahren nicht für
Telekommunikationssysteme geeignet ist.
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Das
Verfahren mit Phasenwechsel ist dazu vorgesehen, die Phasen der
N Signale umzuwandeln, die übertragen
werden sollen, um zu verhindern, dass die N Signale die gleiche
Phase aufweisen. Dieses Phasenwechselverfahren beinhaltet komplementäre Kodes
unter Verwendung von Golay-Kodes und Reed-Muller-Kodes. Die komplementären Kodes
verwenden einen Phasenshifter, der als exponentielle Funktion dargestellt
ist, um die Phasen der N Signale in einen Satz von Phasenkodes umzuwandeln.
Der Phasenshifter zeigt jedoch ein Problem darin, dass er in Hardware
kompliziert auszuführen
ist.
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Das
Blockkodeverfahren weist einen Nachteil darin auf, dass eine Kodiereinrichtung
und eine Dekodiereinrichtung aufgrund eines Kodebuchs umfangreich
sind. Ebenso wird bei diesem Verfahren nur ein Blockkode für binäre Modulationsdaten
berücksichtigt,
so dass die Datenübertragungsrate
gering ist.
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WO 98/11698 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Kodieren und Dekodieren von Daten, bei
denen Kodewörter
unter Verwendung einer Generatormatrix erzeugt werden, um den typischen
Spitzenfaktor der Einhüllenden
PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio) zu reduzieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein OFDM(Orthogonal
Frequency Division Multiplex)-Übertragungssystem
wie in Anspruch 1 angegeben zur Verfügung gestellt.
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Die
Erfindung betrifft ein zugehöriges
Empfangssystem wie in Anspruch 2 angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein OFDM(Orthogonal Frequency Division
Multiplex)-Übertragungssystem
zum Kodieren binärer
Daten mit einer vorgegebenen Länge
in Q-näre
Daten, die in einem Paar von zwei Bits ausgedrückt sind, und Modulieren der
kodierten binären
Daten und ein OFDM-Empfangssystem zum Demodulieren und Dekodieren
eines empfangenen OFDM-Signals und ein Blockkodierverfahren zum
Kodieren der binären
Daten in Q-näre
Daten zur Verfügung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlich mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1A und 1B Blockdiagramme
eines OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)-Übertragungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung bzw. eines OFDM-Empfangssystems gemäß der vorliegenden Erfindung
sind;
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2A ein
Flussbild ist, das ein Verfahren zum Auslegen der Blockkodiereinrichtung
und der Blockdekodiereinrichtung, die in den 1A bzw. 1B gezeigt
sind, darstellt;
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2B ein
Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Auslegen einer Blockkodiereinrichtung
ist;
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3 ein
Beispiel eines Kodebuchs darstellt, das durch Ausführen der
in 2A gezeigten Schritte gebildet ist; und
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4 ein
Beispiel eines segmentierten Kodebuchs darstellt, das bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
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Ausführliche Beschreibung
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Mit
Bezug zu 1A beinhaltet ein OFDM(Orthogonal
Frequency Division Multiplex)-Übertragungssystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Blockkodiereinrichtung 100, einen Seriell-Parallel-Wandler (SPC) 101,
einen Q-nären
Modulator 102, einen schnellen inversen Fourier-Transformator (IFFT) 103,
einen Addierer 104 für
zyklische Präfixe,
einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 105 und einen Tiefpassfilter
(LPF) 106.
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Die
Blockkodiereinrichtung 100 führt Blockkodierung binärer Daten
mit einer vorgegebenen Länge
bei einer vorgegebenen Koderate durch. Im Falle eines Übertragungssystems
mit 8 Unterträgern,
werden 8 Bit binäre
Daten A0, A1, ...,
A7 mit einer Koderate von 1/2 blockkodiert
und in 16 Bit binäre
Daten C0, C1, ...,
C15 umgewandelt. Diese Umwandlung folgt
einer vorgegebenen Mappingregel. Der SPV 101 wandelt die
von der Blockkodiereinrichtung 100 umgewandelten Daten
in parallele Daten um.
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Der
Q-näre
Modulator 102 moduliert 16 Bit binäre Daten C0,
C1, ... C15 gemäß einem
Q-nären
Datenwert, der in einem Paar von zwei Bits ausgedrückt ist,
so um, dass 8 Untersymbole gebildet werden. Ein Quadraturamplitudenmodulator
oder eine Quadraturphasenumtast(QPSK)-Einrichtung ist für den Q-nären Modulator
geeignet. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Q-näre Modulator
als Beispiel für
eine einfache Erklärung
herangezogen, er kann aber entsprechend den Ergebnissen der Kodierung
durch die Blockkodiereinrichtung 100 auf einen V-nären Modulator
erweitert werden.
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Der
IFFT 103 führt
8-IFFT an vom Q-nären
Modulator 102 modulierten Daten durch, um ein OFDM-Symbol
zu bilden. Der Addierer 104 für zyklische Präfixe addiert
ein zyklisches Präfix
zum OFDM-Symbol. Die Länge
des addierten zyklischen Präfix
beträgt
ungefähr
10 % der Länge
des OFDM-Symbols. Der DAC 105 wandelt das OFDM-Symbol,
dem das zyklische Präfix
hinzuaddiert wurde, in ein analoges Signal um und der LPF 106 tiefpassfiltert
das analoge Signal.
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1B ist
ein Blockdiagramm eines OFDM-Empfangssystems zum Empfangen eines
Signals, das vom Übertragungssystem
von 1A übertragen
wurde. Das Empfangssystem von 1B beinhaltet
einen LPF 110, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 111,
eine Eliminierungseinrichtung 112 für zyklische Präfixe, einen
FFT 113, einen Q-nären
Demodulator 114, einen Parallel-Seriell-Wandler (PSC) 115 und
eine Blockdekodiereinrichtung 116.
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Der
LPF 110 im Empfangssystem filtert das übertragene OFDM-Signal im selben
Frequenzband wie der LFP 106 des Übertragungssystems. Der ADC 111 wandelt
ein gefiltertes Signal in ein digitales Signal um und die Eliminierungseinrichtung 112 für zyklische
Präfixe
eliminiert das im Übertragungssystem
hinzuaddierte zyklische Präfix.
Der FFT 113, der Q-näre
Demodulator 114, der PSC 115 und die Blockdekodiereinrichtung 116 führen umgekehrte
Prozesse der bei den Gegenstücken
im Übertragungssystem
durchgeführten
Prozesse durch, wodurch ein OFDM-Signal wiederhergestellt wird.
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Die
obige Beschreibung betrifft ein System zum Übertragen und Empfangen unter
Verwendung von 8 Unterträgern.
Im Falle, dass eine Übertragung
unter Verwendung von 16 Unterträgern
durchgeführt
wird, beinhaltet das Übertragungssystem
ferner einen Interleaver (nicht gezeigt) zwischen einer Blockkodiereinrichtung 100 und
einem SPC 101. Wenn 16 Bit binäre Daten A0,
..., A7, A8, ...,
A15 sequentiell empfangen werden, führt die
Blockkodiereinrichtung 100 Blockkodierung der 16 Bit binäre Daten
A0, ..., A7, A8, ..., A15 mit einer
Koderate von 1/2 durch und gibt C0C1, ..., C14C15 und C16C17, ..., C30C31 aus. Der Interleaver führt Interleaving von C0C1, ..., C14C15C16C17, ..., C30C31 in C0C1C16C17C2C3C18C19 ... C14C15C30C31 aus.
Hierbei ist die Ausgabe des Q-nären
Modulators 102 ein OFDM-Symbol mit 16 Untersymbolen.
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Im
Falle, dass die Übertragung
unter Verwendung von 16 Unterträgern
durchgeführt
wird, beinhaltet das Empfangssystem ferner einen Deinterleaver (nicht
gezeigt) zwischen dem PSC 115 und der Blockkodiereinrichtung 116.
Der Deinterleaver führt
Deinterleaving von C0C1C16C17C2C3C18C19 ...
C14C15C30C31 in C0C1, ..., C14C15C16C17,
..., C30C31 aus.
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2A ist
ein Flussbild, das ein Verfahren zum Auslegen der Blockkodiereinrichtung
und der Blockdekodiereinrichtung darstellt, die in den 1A bzw. 1B gezeigt
sind. Das Verfahren zum Auslegen der Blockkodiereinrichtung und
der Blockdekodiereinrichtung, die in den 1A bzw. 1B gezeigt
sind, beinhaltet ein Verfahren 200 zur Bildung von V-nären Daten,
einen Bildungsschritt 102 für OFDM-Symbole, einen Bestimmungsschritt
(204 und 206), einen Erzeugungsschritt (208 bis 214)
für eine
Mappingregel und einen Auslegungsschritt 216 für Hardware.
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2B ist
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Ausführen der in 2A gezeigten
Schritte. Die Vorrichtung von 2B beinhaltet
Generator 240 für
V-näre
Daten, einen OFDM-Symbolgenerator 242, eine Bestimmungseinrichtung 244,
einen Kodewortextraktor 246, eine Kodebuchspeichereinheit 248,
einen Mappingregelgenerator 250 und eine Hardware 252.
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Nun
wird das Verfahren zum Auslegen einer Blockkodiereinrichtung und
einer Blockdekodiereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit Bezug zu den 2A und 2B ausführlich beschrieben.
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Wenn
die erforderliche Anzahl an Untersymbolen, U, und ein Modulationsverfahren,
V-när,
von zu übertragenden
Daten in Untersymboleinheiten bestimmt ist, erzeugt der Generator 240 für V-näre Daten
in Schritt 200 V-näre
Daten mit einer Länge
von U. Der OFDM-Symbolgenerator 242 führt V-näre Modulation der V-nären Daten
durch und führt
IFFT an den V-nären
Daten durch, wodurch in Schritt 201 ein OFDM-Symbol erzeugt wird.
Die Bestimmungseinrichtung 244 bestimmt in Schritt 204,
ob das OFDM-Symbol eine vorgegebene Bedingung erfüllt, zum
Beispiel, ob der PAR des OFDM-Symbols kleiner oder gleich einem
gewünschten Wert
PARde ist. Wenn das OFDM-Symbol die vorgegebene
Bedingung erfüllt,
klassifiziert die Bestimmungseinrichtung 144 in Schritt 206 ein
OFDM-Symbol zu einem potentiellen Kodewort.
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Wenn
Q-näre
Daten mit 8 Untersymbolen moduliert und übertragen werden, werden 640
Daten, die die Bedingung PARu=8 ≤ 1,03 dB erfüllen, aus
einer Gesamtzahl von 48 (= 45536) Q-nären Daten
als potentielle Kodewörter
klassifiziert. Wenn Q-näre
Daten mit 16 Untersymbolen übertragen
werden, ist es bevorzugt, dass die Bedingung zum Bestimmen, ob Q-näre Daten
als ein potentielles Kodewort klassifiziert werden können, PARde ≈ 6
dB ist.
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PAR
kann nach Gleichung 1 berechnet werden:
wobei X(t) ein OFDM-Symbol
bezeichnet und T eine Dauer eines OFDM-Symbols bezeichnet.
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Der
Kodewortextraktor 246 extrahiert in Schritt 208 so
viele Kodewörter
aus den klassifizierten potentiellen Kodewörtern wie es der Gesamtanzahl
an empfangenen binären
Daten entspricht, was wegen einer geringen Bitveränderung
zwischen Daten den Umfang einer Kodiereinrichtung oder einer Dekodiereinrichtung
reduzieren kann, das heißt,
was die Anzahl an Gates reduzieren kann, die die Kodiereinrichtung
oder Dekodiereinrichtung bilden, und setzt die extrahierten Kodewörter als
endgültige
Kodewörter.
Wenn 8 lange binäre
Daten, das heißt,
8 Bit binäre
Daten empfangen werden, werden 28 (= 256)
Kodewörter
extrahiert. Die Kodebuchspeichereinheit 248 speichert in
Schritt 210 ein Kodebuch zum Mapping dieser Kodewörter in
binäre
Daten. 3, die ein Beispiel eines Kodebuchs darstellt,
das durch Ausführen
dieser Schritte gebildet ist, zeigt die Beziehung zwischen der Eingabe
und der Ausgabe einer Kodiereinrichtung oder einer Dekodiereinrichtung. Die
im Kodebuch gezeigten Zahlen sind in Hexadezimalform dargestellt,
MS bezeichnet vier signifikanteste Bits A0A1A2A3 einer
Kodiereinrichtung und LS bezeichnet vier am wenigsten signifikante
Bits A4A5A6A7 einer Kodiereinrichtung.
Der Rest von ihnen ist in Hexadezimalform von 16 Bit Ausgabedaten C0C1, ..., C14C15 dargestellt,
was jeder der Eingaben einer aus MS und LS gebildeten Kodiereinrichtung
entspricht.
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Die
Kodebuchspeichereinheit
248 kann als Blockkodiereinrichtung
betrachtet werden. Das heißt,
empfangene binäre
Daten dienen als Adresse und ein an einer Position gespeichertes
Kodewort, die durch die Adresse angegeben ist, kann gelesen und
ausgegeben werden. Um diesen Vorgang schneller durchzuführen, wird
eine vorgegebene Mappingregel aus dem Kodebuch extrahiert und eine
Bockkodiereinrichtung kann als Hardware so implementiert sein, dass
die extrahierte Mappingregel erfüllt
wird. Zu diesem Zweck segmentiert der Mappingregelgenerator
250 in
Schritt
212 das Kodebuch in bestimmte Bereiche.
4 stellt
ein Beispiel eines segmentierten Kodebuchs dar, wie es in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird. Wie in
4 gezeigt
ist, wird das Kodebuch in Bereiche G, H, J, K, L, M, N, P, Q und
R segmentiert. Zum Beispiel erfüllen
64 Kodewörter
den Bereich G. Der segmentierte Bereich G wird gemäß des bekannten
Karnaugh-Plans vereinfacht, wodurch die folgende Gleichung 2 in
Boolescher Logik aufgestellt wird:
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Gleichermaßen können die
Bereiche H, J, K, L, M, N, P, Q und R durch die folgende Gleichung
3 in Boolescher Logik dargestellt werden:
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In
Schritt
214 kann die Mappingregel zum Kodieren von A
0, ..., A
7 in C
0, ..., C
15 auf Basis
der Gleichungen 2 und 3 durch die folgende Gleichung 4 in Boolescher
Logik dargestellt werden:
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Die
Hardware 252 als Blockkodiereinrichtung ist aus einer Mehrzahl
von OR-Gates, einer Mehrzahl von AND-Gates und einer Mehrzahl von
NOT-Gates gebildet, so dass die oben genannte logische Gleichung erfüllt ist,
und in Schritt 216 ein Kodewort ausgegeben wird, das den
empfangenen binären
Daten zugeordnet ist.
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Danach
können
zum Ausbilden der Hardware
252 für eine Bockdekodiereinrichtung
aus den obigen Gleichungen die Werte G, ..., R in Bezug auf C
0, ..., C
15 wie in
der folgenden Gleichung 5 in Boolescher Logik ermittelt werden:
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Eine
Mappingregel zum Dekodieren von C
0, ...,
C
15 in A
0, ...,
A
7 auf Basis der Gleichung 5 kann durch die
folgende Gleichung 6 in Boolescher Dekodierlogik dargestellt werden:
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Die
Blockdekodiereinrichtung ist aus einer Mehrzahl von OR-Gates, einer
Mehrzahl von AND-Gates und einer Mehrzahl von NOT-Gates gemäß der Mappingregel
für Blockdekodierung
in Schritt 216 gebildet.
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In
einer Regel zum Mapping zwischen 8 Datenbits A0,
..., A7 und 16 Kodewortbits C0,
..., C15 auf Basis des in 3 gezeigten
Kodebuchs kann es mehrere verschiedene Regeln zum Reduzieren der
Anzahl an logischen Gleichungen geben, die erforderlich sind, um
den PAR zu reduzieren und eine Kodiereinrichtung und eine Dekodiereinrichtung
zu organisieren, die eine Koderate von 1/2 aufweisen. Das heißt, es kann
ein Verfahren zum Formulieren von logischen Gleichungen zum Eingangs-/Ausgangs-Mapping
geben, das sich von denen der vorliegenden Erfindung unterscheidet.
Ebenso kann es ein Verfahren zum optimalen Ausführen einer logischen Gate-Schaltung
auf Basis einer logischen Gleichung geben, die durch die vorliegende
Erfindung gegeben ist.
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Bei
der vorliegenden Erfindung werden Q-näre Daten blockkodiert und Q-när moduliert,
um das Verhältnis
von Spitzenleistung zu Effektivleistung eines OFDM-Signals zu reduzieren,
wenn es übertragen
wird, so dass das OFDM-Signal im Vergleich zum Stand der Technik,
bei dem binäre
Daten blockkodiert werden, mit einer hohen Datenübertragungsrate übertragen
werden kann. Ein gewünschter
Ausgabewert kann unter Verwendung eines Kodebuchs beim Kodieren
und Dekodieren leichter gefunden werden und eine Kodiereinrichtung
und eine Dekodiereinrichtung können
nur aus AND-Gates, OR-Gates und NOT-Gates durch Beziehungsgleichungen
von Eingabe und Ausgabe gemäß dem Kodebuch
gebildet werden. Deshalb kann eine einfachere und kleinere Hardwarekonfiguration
erreicht werden und durch eine Verringerung der Ansprechverzögerung eines
Systems ist Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung möglich.