DE60117235T2

DE60117235T2 - Mehrträgerempfänger mit einer Gleitfensterfouriertransformation und einer Fouriertransformation

Info

Publication number: DE60117235T2
Application number: DE60117235T
Authority: DE
Inventors: Cert Cuypers; Marc Moonen; Piet Vandaele; Geert Ysebaert
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-09-22
Also published as: EP1296492A1; EP1296492B1; US20030152156A1; DE60117235D1; US7126997B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrträgerempfänger, der geeignet ist, eine Sequenz von zyklisch erweiterten Mehrträgersymbolen zu empfangen.
Die digitale Teilnehmerleitung DSL (Digital Subscriber Line) ermöglicht die digitale Datenübertragung mit hoher Geschwindigkeit über Telefonleitungen. In einigen Anwendungen wie zum Beispiel ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) erfolgt dies in Überlagerung auf dem analogen traditionellen Fernsprechdienst POTS (Plain Old Telephone Service). Dank ADSL können Telefongesellschaften die meiste ihrer installierten Verkabelung für die Einführung von neuen Diensten wiederverwenden. Durch die Verwendung der diskreten Mehrtonmodulation DMT (Discrete Multi Tone) können Träger mit einem höheren Signal-Rausch-Abstand (SNR) mehr Bits als Träger mit einem niedrigen SNR übertragen.
Der Einfluß der Intersymbol- und Zwischenträgerstörung aufgrund der Übertragung der DMT-Symbole über einen Kanal zwischen dem Mehrträgersender und Mehrträgerempfänger kann durch Hinzufügen einer zyklischen Erweiterung (CE) zu jedem DMT-Symbol mit einer Länge, die größer als die Länge der Kanalimpulsantwort ist, beseitigt werden. Die Übertragungsgeschwindigkeit verringert sich jedoch proportional zu der Länge des zyklischen Präfixes, das zu den DMT-Symbolen hinzugefügt wird, so daß die Länge der zyklischen Erweiterung der DMT-Symbole auf eine annehmbare Anzahl zu begrenzen ist. Wenn die Kanalimpulsantwort größer als die zyklischen Erweiterung ist, wird die verbleibende Intersymbolstörung (ISI) von dem Teil der Impulsantwort abhängig sein, der die zyklische Erweiterungslänge übersteigt.
Um die Impulsantwort des Kanals zu verkürzen, ist die Verwendung eines Zeitbereichsentzerrers vorgeschlagen worden.
6 zeigt einen bekannten Mehrträgerempfänger RX', der fähig ist, Mehrträgersymbole MS, die zyklisch erweitert sind, zu empfangen und zu demodulieren. Es ist die Aufgabe des Zeitbereichsentzerrers TEQ, die Impulsantwortlänge des Kanals zu verkürzen, so daß sie die Länge der zyklischen Erweiterung CE nicht übersteigt. Der Zeitbereichsentzerrer TEQ enthält außerdem einen Satz von adaptiven Anzapfungen, deren Werte in Übereinstimmung mit einem Kriterium für den mittleren quadratischen Fehler (MSE) eingestellt werden. Wenn ein Mehrträgersymbol MS den entzerrten Kanal (Übertragungskanal + Zeitbereichsentzerrer TEQ) durchlaufen hat, werden dessen Abtastwerte durch den Serien-Parallel-Wandler S/P' seriellparallel umgewandelt und der zyklische Präfixextraktor CE EXTRACT subtrahiert die zyklische Erweiterung CE von dem Mehrträgersymbol MS, so daß ein nichterweitertes Mehrträgersymbol auf einen diskreten Fourier-Transformer (DFT) angewendet wird, der effizient als der schnelle Fourier-Transformer FFT' für die Umwandlung von Zeitbereich in Frequenzbereich implementiert ist. In der übrigen Beschreibung werden beide Begriffe 'DFT' und 'FFT' verwendet. Es ist wichtig zu beachten, daß der FFT-Algorithmus lediglich ein effizientes Verfahren ist, um einen DFT zu berechnen, aber beide haben die gleiche Wirkung. Logischerweise wird jede praktische Implementierung den FFT verwenden. Dem schnellen Fourier-Transformer FFT' kann ein Zeitbereichsfenster WIN' vorangehen, um den Spektralverlust zu verringern. Das Frequenzbereichs-Mehrträgersymbol am Ausgang des schnellen Fourier-Transformers FFT' wird auf den Frequenzbereichsentzerrer FEQ' gegeben, welcher in der Regel eine komplexe Anzapfung pro Träger enthält, um für jeden Träger die Phasendrehung und -dämpfung infolge der Übertragung über den Kanal zu kompensieren. Für die so erhaltenen Träger decodiert der Demapper DMAP' die exakte Menge von Bits aus jedem Träger unter Verwendung der entsprechenden Konstellationsschematas. Die Bits am Ausgang des Demappers DMAP' werden durch den Parallel-Serien-Wandler P/S' in die serielle Form gebracht.
Der Zeitbereichsentzerrer TEQ in einem Mehrträgerempfänger RX' mit der bekannten Architektur kann nicht verschiedene Träger des Mehrträgersymbols MS unterschiedlich behandeln, obwohl verschiedene Träger unterschiedlich durch das Rauschen auf dem Übertragungskanal beeinflußt sein können. Ein verbesserter Mehrträgerempfänger RX", der aus der Patentschrift EP 969 637 A1 bekannt ist, ist in 7 gezeigt. Die Abtastwerte des zyklisch erweiterten Mehrträgersymbols MS werden nach dem Empfang durch den Mehrträgerempfänger RX" durch den Serien-Parallel-Wandler S/P" in eine parallele Form gebracht, ohne einen Entzerrer durchlaufen zu haben. Das erweiterte Mehrträgersymbol MS wird anschließend auf den gleitenden schnellen Fourier-Transformer SLIDING FFT gegeben, welcher verschiedene Teile des erweiterten Mehrträgersymbols MS aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich durch Berechnen mehrerer aufeinanderfolgender Fourier-Transformationen umwandelt.
Eine vollständige Berechnung dieser FFTs würde rechentechnisch sehr aufwendig sein. Jedoch kann die gleitende DFT (sei sie durch den FFT-Algorithmus implementiert) aus einer DFT (FFT) und Differenztermen abgeleitet sein. Folglich werden in der Praxis die FFTs durch eine vollständige FFT und Differenzterme ersetzt, ohne auf Leistungsfähigkeit zu verzichten. Die Differenzterme werden als Differenzen zwischen ankommenden Abtastwerten gebildet, die ein Abstand sind, der gleich der FFT-Größe für sich ist.
Die Teile des erweiterten Mehrträgersymbols MS, die (durch die FFTs) transformiert werden, weisen alle die Länge eines nicht erweiterten Mehrträgersymbols auf, d.h. die Größe der schnellen Fourier-Transformation (FFT). Der gleitende schnelle Fourier-Transformer SLIDING FFT berechnet auf diese Weise meistens eine Menge von Fourier-Transformationen, die gleich den Nummernanzapfungen der angezapften Verzögerungsleitungen TD1', TD2', ..., TDN'/2 in dem trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ' ist, welcher oft auch als tonbezogener Entzerrer bezeichnet wird. Die resultierenden Frequenzbereich-Mehrträgersymbole werden auf den trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ' gegeben. In dem trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ' wird jeder Träger durch einen einzelnen Entzerrer oder angezapfte Verzögerungsleitung TD1', TD2', ..., TDN'/2 entzerrt. Die Anzahl der komplexen Anzapfungen pro angezapfte Verzögerungsleitung TD1', TD2', ..., TDN'/2 muß nicht notwendigerweise die gleiche für jede angezapfte Verzögerungsleitung TD1', TD2', ..., TDN'/2 sein, könnte aber maximal T Anzapfungen pro Leitung sein. Die entzerrten Träger am Ausgang des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers PC-FEQ' werden auf den Demapper DMAP" gegeben, welcher die exakte Menge der Bits von jedem Träger unter Verwendung der entsprechenden Konstellationsschematas decodiert und die Bits, die von diesem Demapper DMAP" erhalten wurden, werden durch den Parallel-Serien-Wandler P/S" in die serielle Form gebracht.
Es ist bekannt, daß ein Teil der zyklischen Erweiterung für das Windowing in dem Empfänger verwendet werden kann, zum Beispiel in einem VDSL-Modem (Very High Speed Digital Subscriber Line), aber nicht beschränkt darauf. Diese Arbeitsweise ist transparent für Töne, die absolut periodisch in dem DFT-Fenster sind, verringert aber den Einfluß von Übergängen, die sonst Intersymbol- und Zwischenträgerstörung verursachen würden. Sie trägt folglich dazu bei, die Spektralverlusteffekte infolge der schlechten spektralen Umhüllung der DFT-Operation zu verringern. Folglich werden die Funkstörung RFI (Radio Frequency Interference) und das Nebensprechen nur eine begrenzte Anzahl von Trägern beeinträchtigen. Um die Vorteile der tonbezogenen Entzerrung und des Windowing zu vereinen, ist eine Implementierung von beiden in einem Mehrträgerempfänger wünschenswert. Jedoch wäre die Implementierung des Windowing und der tonbezogenen Entzerrung rechentechnisch sehr schwierig. Eine einfache Implementierung würde erfordern, daß die gleitende DFT durch eine Anzahl von aufeinanderfolgenden Fenster- und DFT-Operationen ersetzt wird, die als FFTs implementiert sind, wie in 8 gezeigt ist. Jedoch würde die einfache Implementierung mit niedrigem Rechenaufwand (die Differenzterme verwendet, wie mit dem PC-FEQ'), um die tonbezogene Entzerrung zu vermeiden, verlorengehen.
Es ist folglich die Aufgabe der Erfindung, einen Mehrträgerempfänger zu entwickeln, welcher die Vorteile des Windowing und der tonbezogenen Entzerrung vereint, ohne den Rechenaufwand übermäßig zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Mehrträgerempfänger gelöst, umfassend das Koppeln eines Fensters für das Anwenden einer Fensterfunktion auf die Mehrträgersymbole, einen Fourier-Transformer, der mit dem Fenster gekoppelt ist und angepaßt ist, um eine Fenster-Fourier-Transformation für alle Träger in dem Fenstermehrträgersymbol durchzuführen, einen trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer, der mit dem Fenster-Fourier-Transformer gekoppelt ist, und umfassend eine angezapfte Verzögerungsleitung pro Träger in dem Mehrträgersymbol und Mittel zum Durchführen des Äquivalents zu einer Gleitfenster- Fourier-Transformation, einschließlich einer gleitenden Fourier-Transformation.
In dem Obengenannten bezieht sich "Fenster-Fourier-Transformation" auf das Ergebnis, das nach einer Fensteroperation und einer nachfolgenden Fourier-Transformation erhalten wurde.
Der erfinderische Mehrträgerempfänger erlaubt die Entzerrung von allen Frequenzen auf der Basis der Ausgänge von einer Gleitfenster-Fourier-Transformation bei diesen Frequenzen. Die Ausgänge dieser Gleitfenster-Fourier-Transformation sind mit einzelnen angezapften Verzögerungsleitungen pro Ton gekoppelt, die adaptive komplexe Entzerrer umfassen. In einer einfachen Implementierung des Standes der Technik gemäß 8 wird die Gleitfenster-DFT durch Berechnen einer Anzahl von Fenster-FFTs berechnet, die gleich der Anzahl der komplexen Anzapfungen der angezapften Verzögerungsleitungen ist. In dem erfinderischen Mehrträgerempfänger wird nur eine Fenster-DFT durchgeführt. Die anderen werden als eine lineare Kombination der ersten Fenster-DFT (FFT), einer zusätzlichen kleineren Nichtfenster-DFT (FFT) und einer Anzahl von Korrekturtermen abgeleitet.
Es ist zu erwähnen, daß der Begriff 'umfassend', der in den Ansprüchen verwendet wird, nicht als einschränkend auf die später aufgeführten Mittel ausgelegt werden sollte. Folglich sollte der Anwendungsbereich des Ausdruckes 'eine Vorrichtung, umfassend die Mittel A und B' nicht auf Vorrichtungen beschränkt sein, die nur aus den Komponenten A und B bestehen. Das bedeutet, daß bezüglich der vorliegenden Erfindung A und B die einzig relevanten Komponenten der Vorrichtung sind.
Entsprechend ist zu erwähnen, daß der Begriff 'gekoppelt', der ebenfalls in den Ansprüchen verwendet wird, nicht als einschränkend nur auf direkte Verbindungen ausgelegt werden sollte. Folglich sollte der Anwendungsbereich des Ausdruckes 'eine Vorrichtung A, die mit einer Vorrichtung B gekoppelt ist' nicht auf Vorrichtungen oder Systeme beschränkt sein, in welchen ein Ausgang der Vorrichtung A direkt mit einem Eingang der Vorrichtung B verbunden ist. Das bedeutet, daß ein Weg zwischen einem Ausgang von A und einem Eingang von B vorhanden ist, welcher ein Weg sein kann, der andere Vorrichtungen oder Mittel beinhaltet.
In einer Ausführungsform des Mehrträgerempfängers umfaßt das Fenster Mittel zum Anwenden einer Steigung der Länge μ.
Wie oben erwähnt, ist die Aufgabe der Erfindung, die Komplexität der Berechnung der Gleitfenster-DFT zu verringern, indem vermieden wird, daß eine große Anzahl von Fenster-DFTs berechnet werden muß. Tatsächlich muß in der Erfindung nur eine Fenster-DFT berechnet werden. Die anderen Fenster-DFTs können von dieser einen mittels einer sekundären Gleitfenster-DFT von Differenztermen abgeleitet werden. Jedoch können die Ausgänge einer sekundären Fenster-DFT von Differenztermen bei jeder Frequenz von den Ausgängen der entsprechenden Nichtfenster-DFT von Differenztermen bei einer oder mehr Frequenzen abgeleitet werden, so daß diese sekundäre Gleitfenster-DFT von Differenztermen durch eine sekundäre Gleit-Nichtfenster-DFT von Differenztermen ersetzt werden kann. Außerdem kann diese Gleit-Nichtfenster-DFT durch Berechnen einer Nichtfenster-DFT von Differenztermen berechnet werden, wohingegen die anderen unter Verwendung der (zweiten) Differenzterme abgeleitet werden können.
Auf diese Weise wird die ursprünglich erforderliche Gleitfenster-DFT durch eine Fenster-DFT (FFT), eine sekundäre Nichtfenster-DFT (FFT) von Differenztermen und eine Anzahl von (zweiten) Differenztermen ersetzt. Die anderen Fenster-DFTs, die nicht explizit berechnet werden, können als eine lineare Kombination der obenerwähnten Terme geschrieben werden.
In dem Obenerwähnten bezieht sich der Ausdruck "Differenzterme" auf die Differenzen zwischen zwei Eingangsabtastwerten, die in einem Abstand N voneinander sind, wo N die DFT-Größe ist. Der Ausdruck "(zweite) Differenzterme" bezieht sich auf lineare Kombinationen von Differenztermen, die durch komplexe Exponentialgrößen gewichtet sind.
In dem Fall von zufällig ausgewählten Fensterfunktionen müßte man die gesamte Fenstersteigung mit linearen Kombinationen kompensieren, die 2·μ Differenzterme aufweisen. Mit anderen Worten, wenn ein Fenster eine Steigung der Länge μ aufweist, würde man dann 2·μ zusätzliche Abtastwerte benötigen, um die Ausgänge von zwei aufeinanderfolgenden DFTs anzupassen, weil alle 'gewichteten' Zeitbereichs-Abtastwerte (mit Wichtung verschieden von 1) 'korrigiert' werden müssen. Das vorgeschlagene Verfahren ersetzt diese 2·μ Abtastwerte durch eine Anzahl von Differenztermen, die sich nur auf die ursprüngliche angezapfte Verzögerungsleitungslänge T und einen oder mehr Ausgänge einer sekundären Nichtfenster-DFT beziehen, deren Anzahl sich auf die Form der Steigung bezieht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese Steigungsfunktion linear geneigt (nachfolgend als 'Bartlett'-Implementierung bezeichnet). In diesem Fall ist die Anzahl der Ausgänge des sekundären DFT, die pro Ton benötigt wird, gleich 1, und die Anzahl der Differenzterme, die benötigt wird, ist 2·(T – 1), wobei T die ursprüngliche angezapfte Verzögerungsleitungslänge ist.
In einer alternativen Implementierung, die das erhöhte Kosinusfenster nutzt, ist die Anzahl der Ausgänge des sekundären DFT, die pro Ton benötigt werden, gleich 2, und die Anzahl der benötigten Differenzterme ist 2·(T – 1).
Die Auswahl von anderen Fensterfunktionen ist ebenfalls möglich und kann zu einer anderen Anzahl von Ausgängen des sekundären DFT führen, die pro Ton benötigt werden, wird aber niemals mehr als 2·(T – 1) Differenzterme erfordern.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der trägerbezogene Frequenzbereichsentzerrer Mittel zum Erzeugen tonabhängiger Differenzterme. Die Anzahl der Differenzterme kann auf (T – 1) verringert werden, wenn man die Differenzterme auf eine tonabhängige Art und Weise kombiniert.
In dem Fall der klassischen trägerbezogenen Entzerrung, siehe Patentschrift EP 969 637 A1 , weist der gleitende DFT N Elemente ungleich null auf, wobei N die Größe des DFT ist. Dies führt zu einem einfachen, rechentechnisch günstigen Berechnungsverfahren für den gleitenden DFT. In der vorliegenden Erfindung ist dies jedoch nicht mehr der Fall. Die obenerwähnten sekundären Nichtfenster-DFTs von Differenztermen, in welchen der ursprüngliche Fenster-DFT transformiert ist, weisen nur μ Elemente ungleich null auf. Die Elemente, in welchen sich zwei aufeinanderfolgende sekundäre DFTs von Differenztermen unterscheiden, werden folglich nicht den gleichen Exponenten für jeden Ton aufweisen, und die Erzeugung von tonunabhängigen Differenztermen ist nicht möglich. Im Fall, daß das ursprüngliche Fenster eine linear geneigte Steigung (Bartlett-Implementierung) aufwies, können tonabhängige Differenzterme vorteilhaft erzeugt werden. Folglich wird dies als die bevorzugte Ausführungsform angesehen.
Im Allgemeinen ist die Erfindung nicht auf eine spezielle Form der Fenstersteigung beschränkt. Jedoch weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Fourier-Transformation der Differenzen der Steigung der ursprünglichen Fensterfunktion nur wenige Elemente ungleich null auf. Dies bedeutet, daß, falls diese Differenzen (der Steigung) als ein Fenster für den sekundären Fenster-DFT von Differenztermen verwendet werden, der Ausgang dieses sekundären DFT als eine lineare Kombination von nur wenigen Ausgängen des entsprechenden Nichtfenster-DFT von Differenztermen geschrieben werden kann.
Die Eingänge der tonbezogenen Entzerrer werden durch den Ausgang des Fenster-DFT (in der Praxis als ein FFT implementiert) auf diesem speziellen Ton, eine Anzahl von Differenztermen und ein oder mehr Ausgänge von dem sekundären Nichtfenster-DFT von Differenztermen, die innerhalb des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers aufgenommen sind, gebildet. Die genaue Anzahl und die Position der Ausgänge dieses sekundären Nichtfenster-DFT von Differenztermen, die für die Entzerrung eines bestimmten Tons verwendet werden, ist von dem Index dieses Tons und dem Typ des verwendeten Fensters abhängig. Wenn in einer speziellen Ausführungsform ein Bartlett-Fenster verwendet wird, wird nur ein Ausgang dieses sekundären Nichtfenster-DFT von Differenztermen verwendet und der Index ist gleich dem Index des Tons, der entzerrt wird. Wenn in einer anderen Ausführungsform der Erfindung ein erhöhtes Kosinusfenster verwendet wird, werden zwei Ausgänge dieses sekundären Nichtfenster-DFT von Differenztermen verwendet und der Index dieser Ausgänge ist symmetrisch um den Ton herum, der entzerrt wird. Jedoch ist die aktuelle Erfindung nicht auf eine spezielle Form des Fensters beschränkt, das angewendet wird. Die Differenzterme, die zur Entzerrung verwendet werden, werden die Differenzterme der Nichtfenster-Eingangswerte, welche die gleichen für alle Töne sind. Diese Nichtfenster-Eingangswerte sind nicht von dem Tonindex des Tons abhängig, der entzerrt wird.
Die Implementierung des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers und des Gleitfenster-DFT (FFT) kann mit jedem adaptiven oder festen Entzerrerkoeffizient-Berechnungsalgorithmus kombiniert werden. Jedoch ist der Algorithmus besonders gut geeignet, aber nicht beschränkt, zum Kombinieren mit einer kostengünstigen Implementierung der rekursiven kleinsten Quadrate (RLS).
Die Aufgabe ist außerdem durch ein Verfahren des Entzerrens eines Mehrträgersymbols in einem Mehrträgerempfänger gelöst, das die Schritte umfaßt:

a) Windowing des Mehrträgersymbols;
b) Durchführen einer schnellen Fourier-Transformation für alle Träger des Fenstermehrträgersymbols;
c) Entzerren aller Frequenzen unter Verwendung des Äquivalents zu einer gleitenden schnellen Fourier-Transformation.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Entzerrung unter Verwendung eines trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers durchgeführt wird, der einen gleitenden DFT von Nichtfenster-Differenztermen enthält. Die Rechenkomplexität wird durch die spezielle Implementierung der gleitenden DFT gering gehalten. Sie wird unter Verwendung eines DFT (implementiert als FFT) von Nichtfenster-Differenztermen berechnet. Die anderen DFTs werden unter Verwendung dieses einen FFT und Addieren/Subtrahieren der entsprechenden Nichtfenster-Differenzterme berechnet.
Unter Verwendung dieses Verfahrens können das Windowing und die trägerbezogene Frequenzentzerrung kombiniert werden, ohne übermäßig die Rechenkomplexität in einem Mehrträgerempfänger zu erhöhen. Folglich können die Vorteile des Windowing und der Entzerrung in dem Frequenzbereich kombiniert werden.
Die Komplexität des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers kann gering gehalten werden, wenn in der Implementierung der Nichtfenster-Gleit-Fouriertransformation tonabhängige Differenzterme verwendet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn ein Bartlett-Fenster verwendet wird.
Eine Prozessoreinheit, eine Gate-Array-Einheit und möglicherweise ein digitaler Signalprozessor zum Unterstützen des obenerwähnten Verfahrens sowie ein Computerprogramm zum Durchführen des obenerwähnten Verfahrens sind ebenfalls anwendbar. Das Verfahren kann unter Verwendung von elektronischen Geräten, d.h. Hardware, sowie in der Form eines Computerprogrammes, d.h. Software, realisiert sein. Die Implementierung dieses Verfahrens wird für einen Fachmann einleuchtend sein.
Die vorliegende Erfindung ist für die Anwendung in einer Mehrträgerumgebung wie ADSL oder VDSL geeignet, in welcher die DMT-Mehrträgermodulation verwendet wird. Gleichwohl ist die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht auf eine spezielle Art des Übertragungsmediums (Twisted-Pair-Telefonleitung, Koaxialkabel, Satellitenverbindung, ...) oder auf ein spezielles Schichtenübertragungsprotokoll (ADSL, VDSL, ...) beschränkt.
Weitere Unterscheidungsmerkmale und Vorteile der Erfindung können aus der Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung, der Zeichnung, welche Details zeigt, die die Erfindung betreffen, und aus den Ansprüchen erhalten werden. Die einzelnen Charakteristika können jeweils einzeln oder gemeinsam in einer Kombination in einer Ausführungsform der Erfindung realisiert sein.
Die Erfindung ist schematisch in der Zeichnung gezeigt, so daß die wesentlichen Merkmale der Erfindung leicht erkannt werden können.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Mehrträgerempfängers gemäß der Erfindung;
2 zeigt eine Darstellung eines Bartlett-Fensters;
3 zeigt eine RLS-Implementierung des Algorithmus, der durch das Fenster, den schnellen Fourier-Transformer und den trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer in 1 gebildet ist, wenn ein Bartlett-Fenster verwendet wird;
4 zeigt eine Darstellung eines erhöhten Kosinusfensters;
5 zeigt eine RLS-Implementierung des Algorithmus, der durch das Fenster, den schnellen Fourier-Transformer und den trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer in 1 gebildet ist, wenn ein erhöhtes Kosinusfenster verwendet wird;
6 zeigt ein Blockdiagramm eines Mehrträgerempfängers des Standes der Technik mit einem Zeitbereichsentzerrer und optionalem Windowing;
7 zeigt ein Blockdiagramm eines Mehrträgerempfängers des Standes der Technik mit einem Frequenzbereichsentzerrer und einem gleitenden Fourier-Transformer; aber ohne Windowing
8 zeigt ein Blockdiagramm eines Mehrträgerempfängers des Standes der Technik, der das Windowing und die trägerbezogene Entzerrung kombiniert;
Der in 1 dargestellte Mehrträgerempfänger RX beinhaltet einen Serien-Parallel-Wandler S/P, ein Fensterfunktionsmittel WIN, einen schnellen Fourier-Transformer FFTRANS, einen trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ, einen Demapper DMAP und einen Parallel-Serien-Wandler P/S. Der trägerbezogene Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ enthält Nu angezapfte Verzögerungsleitungen, wo Nu die Anzahl der verwendeten Träger in einem Mehrträgersymbol ist, welche kleiner als oder gleich N/2 sein soll, wo N die FFT-Größe ist. Die angezapften Verzögerungsleitungen sind durch TD1, TD2, ..., TDN/2 in 1 angegeben.
Der Serien-Parallel-Wandler S/P, die Fensterfunktionsmittel WIN, der schnelle Fourier-Transformer FFTRANS, der trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ, der Demapper DMAP und der Parallel-Serien-Wandler P/S sind zwischen einem Eingangsport und Ausgangsport des Mehrträgerempfängers RX gekoppelt. Insbesondere sind die angezapften Verzögerungsleitungen TD1, TD2, ..., TDN/2 zwischen den entsprechenden Ausgängen des schnellen Fourier-Transformers FFTRANS und den entsprechenden Eingängen des Demappers DMAP gekoppelt.
Die Abtastwerte des zyklisch erweiterten Mehrträgersymbols MS, wenn sie durch den Mehrträgerempfänger RX empfangen wurden, werden von der seriellen in die parallele Form umgewandelt. Auf den letzten N + μ Abtastwerten dieser parallelen Daten wird ein Fenster angewendet. Das Windowing wird verwendet, um die spektralen Nebenzipfel eines nachfolgenden DFT (implementiert als FFT) zu verringern. Das Begrenzen der Fenstergröße auf die DFT-Größe N würde unweigerlich zum Verlust der Orthogonalität zwischen den Trägern führen. Folglich wird die Fenstergröße um eine Länge μ vergrößert. Die Windowing-Operation umfaßt ebenfalls das Zurückklappen des Anfanges und des Endes des Fenster-Mehrträgersymbols, so daß die Symbollänge gleich der DFT-Größe N ist. Das erweiterte Mehrträgersymbol MS wird anschließend auf den schnellen Fourier-Transformer FFTRANS gegeben, welcher eine FFT für alle Träger des Fenster-Mehrträgersymbols MS durchführt. Die resultierenden Frequenzbereich-Mehrträgersymbole werden auf den trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ angewendet. In dem trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ wird jeder Träger durch einen einzelnen Entzerrer oder angezapfte Verzögerungsleitung TD1, TD2, ..., TDN/2 entzerrt. In dem trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer PC-FEQ werden die FFTs, die für die Entzerrung für jeden Träger notwendig sind, als lineare Kombinationen der einen Fenster-FFT, die in dem schnellen Fourier-Transformer FFTTRANS durchgeführt wurde, der einen oder mehr Ausgänge einer sekundären Nichtfenster-FFT, die im FFT2 durchgeführt wurde, und einiger Differenzterme, die im DT erhalten wurden, die als lineare Kombinationen der Abtastwerte der parallelen Daten gebildet sind, abgeleitet. Die Anzapfungen einer angezapften Verzögerungsleitung TD1, TD2, ..., TDN/2 werden auf der Basis eines Kriteriums für den mittleren quadratischen Fehler (MSE) angepaßt, das den Signal-Rausch-Abstand (SNR) für die Übertragung dieses Trägers über den Übertragungskanal zwischen dem Mehrträgersender und dem Mehrträgerempfänger RX optimiert.
Die entzerrten Träger an dem Ausgang des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers PC-FEQ werden auf den Demapper DMAP angewendet, welcher die genaue Anzahl der Bits von jedem Träger unter Verwendung der entsprechenden Konstellationsschematas decodiert. Die Bits, die durch diesen Demapper DMAP erhalten wurden, werden durch den Parallel-Serien-Wandler P/S in die serielle Form gebracht.
2 zeigt ein Bartlett-Fenster mit N, das die DFT-Größe ist, und μ, das die Länge ist, um welche die Fenstergröße erweitert wird, um die Orthogonalität zwischen den Trägern aufrechtzuerhalten. Das Bartlett-Fenster kann durch [b₀ b₁ ... b_μ-1 1 ... 1 b_μ ... b_2μ-1] dargestellt sein, wo
für 0 ≤ x ≤ (μ – 1) und
für μ ≤ x ≤ (2μ – 1) ist.
Für jeden Ton i werden die T Anzapfungen pro Tonentzerrer W_i aus der folgenden Kostenfunktion ermittelt:
Die Matrix in dieser Gleichung, die außerdem mit F bezeichnet wird, hält die ursprünglichen T-Fenster-DFTs für einen Ton i, die in einem Mehrträgerempfänger des Standes der Technik (siehe 8) durchgeführt werden müßten. Die Matrix F enthält die Elemente Fwin(i, :) = [b0 b1αi ... bμ-1αi μ-1 αi μ ... αi N-1 bμαi N ... b2μ-1αi μ+N-1], mit
X_i ^(k) bezeichnet das übertragene Symbol auf dem Ton i zum Zeitpunkt k und folglich den gewünschten Ausgang des Entzerrers und y^(k) ist ein Spaltenvektor, der das Zeitbereichssymbol enthält, das den Eingang der Windowing-Funktion bildet. Wegen der speziellen Beziehung der nachfolgenden Zeilen in der Matrix F kann die obige Gleichung neu geschrieben werden als:
In dieser Gleichung ist w_i in v_i umgeformt worden, was zeigt, daß die ursprünglichen Gleitfenster-DFTs nun von einer vollständig berechneten Fenster-DFT und einer neuen Menge von gleitenden DFTs abgeleitet sind.
sind modulierte Differenzen für einen Ton i, wo d_x = b₀ für x = 0 und d_x = b_x – b_x-1 für 1 ≤ x ≤ μ – 1 ist. In dem Fall eines Bartlett-Fensters ist eine lineare Beziehung zwischen den b's vorhanden, alle d_x sind gleich. Sie sind gleich einer skalierten Version der ersten μ Elemente der iten Reihe der DFT-Matrix. Durch weiteres Einführen von Differenztermen Δ_x = (y (k) / x – y (k) / x+N) und Definieren von u _i = v _i(1:T – 1) erhält man:
Dies kann durch die vollständigen N Elemente erweitert werden:
mit DFT(i, :) – i-te Reihe in der DFT-Matrix. Dies ist die gleitende DFT, welche in dem trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer in 1 durchgeführt wird. Für jeden Ton ist es möglich, die DFT einer bestimmten Reihe der Matrix mit den Differenztermen als eine Funktion einer benachbarten Reihe und der Differenzterme abzuleiten. Folglich muß nur eine vollständige DFT zum Berechnen der gleitenden Fourier-Transformation innerhalb des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers durchgeführt werden. Außerdem weist der Eingang für diese DFT nur eine begrenzte Anzahl von Elementen ungleich null (gleich μ) auf, so daß sie auf eine effiziente Weise berechnet werden kann.
Ein Signalflußplan einer Implementierung der rekursiven kleinsten Quadrate (RLS) des oben beschriebenen Verfahrens ist in 3 dargestellt. Es ist jedoch zu erwähnen, daß das adaptive Verfahren nicht auf den RLS-Algorithmus beschränkt ist, aber genauso gut das Verfahren der kleinsten mittleren Quadrate (LMS) oder jedes andere geeignete Adaptationsschema sein könnte.
4 zeigt ein erhöhtes Kosinusfenster, wo N die DFT-Größe ist und μ die Länge ist, um welche die Fenstergröße erweitert wird, um die Orthogonalität zwischen den Trägern beizubehalten. Das erhöhte Kosinusfenster kann durch [b₀ b₁ ... b_μ-1 1 ... 1 b_μ ... b_2μ-1], where
dargestellt werden.
Wie es der Fall für das Bartlett-Fenster ist, ist b_μ-1 = 1 und b_2μ-1 = 0.
Die Ableitung ist identisch mit dem Bartlett-Fenster bis zu der folgenden Darstellung:
In diesem Fall sind die Differenzen D_win nicht mehr identisch, wobei D_win = [d_Q d_x ... d_μ-1]. Anstatt daß die Differenzen eine Kosinusfunktion sind, gleichen sie einer Halbperiode einer Sinuskurve. Das Obige kann neu geschrieben werden als:
An dieser Stelle ist nur der Vektor D_Wini von i abhängig. Indem man dies auf andere Töne ausdehnt, ergibt sich:
oder mit E = diag (D_win)
Durch Wiederholen der Matrix E mit wechselndem Vorzeichen und Auffüllen der Matrix von Differenztermen mit Nullen wird das Folgende erhalten:
Die Wiederholung der Differenzen des Anfanges/Endes des erhöhten Kosinusfensters ist sinusförmig. Das Produkt einer DFT-Matrix und einer Diagonalmatrix kann als das Produkt einer Zirkulante und einer DFT-Matrix geschrieben werden. Die erste Reihe der zyklischen Matrix enthält dann die DFT der Diagonale. Da die Diagonale sinusförmig ist, enthält die erste Reihe der zyklischen Matrix nur zwei (komplex-konjugierte) Elemente ungleich null. Die Position dieser Elemente wird durch die Anzahl der Wiederholungen der Diagonalmatrix E bestimmt. Folglich ist:
Jeder Ton i wird folglich unter Verwendung des i-ten Ausganges der Fenster-DFT, der Kombination einer DFT von Differenztermen, auf zwei Tönen, zyklisch symmetrisch um den Ton i herum und einer Anzahl von Differenztermen entzerrt. Folglich wird nur eine vollständige Nichtfenster-DFT zum Berechnen der gleitenden Nichtfenster-Fourier-Transformation innerhalb des trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers durchgeführt.
Ein Signalflußplan einer RLS-Implementierung dieses Verfahrens unter Verwendung des erhöhten Kosinusfensters ist in 5 gezeigt. Wiederum ist das Verfahren der Adaptation nicht auf den RLS-Algorithmus beschränkt, könnte aber genauso gut der LMS-Algorithmus oder jedes andere geeignete adaptive Verfahren sein.

Claims

Mehrträgerempfänger (RX), der geeignet ist, eine Sequenz von zyklisch erweiterten Mehrträgersymbolen (MS) zu empfangen, in welchem der Mehrträgerempfänger (RX) das Koppeln umfaßt: a) eines Fensterfunktionsmittels (WIN) zum Anwenden einer Fensterfunktion auf die Mehrträgersymbole (MS) b) eines Fenster-Fourier-Transformers (FFTRANS), der mit den Fensterfunktionsmitteln (WIN) gekoppelt ist und angepaßt ist, um eine Fenster-Fourier-Transformation für alle Träger in dem Fenstermehrträgersymbol (MS) durchzuführen, c) eines trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrers (PC-FEQ), der mit dem Fenster-Fourier-Transformer (FFTRANS) gekoppelt ist und eine angezapfte Verzögerungsleitung (TD1, TD2, ..., TDN/2) pro Träger in dem Mehrträgersymbol (MS) umfaßt, d) der Mittel zum Durchführen des Äquivalents zu einer Gleitfenster-Fourier-Transformation, die eine gleitende schnelle Fourier-Transformation beinhaltet.
Mehrträgerempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchführen des Äquivalents zu einer Gleitfenster-Fourier-Transformation Mittel zum Durchführen einer sekundären Fourier-Transformation von Differenztermen und eine Anzahl von zweiten Differenztermen umfassen.
Mehrträgerempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fensterfunktionsmittel (WIN) Mittel zum Anwenden einer Steigung der Länge μ umfassen.
Mehrträgerempfänger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenstersteigungsfunktion eine linear geneigte oder sinusförmige ist.
Mehrträgerempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der trägerbezogenen Frequenzbereichsentzerrer (PC-FEQ) Mittel zum Erzeugen tonabhängiger Differenzterme umfaßt.
Mehrträgerempfänger nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Durchführen des Äquivalents zu einer Gleitfenster-Fourier-Transformation Mittel zum Wichten und Umwandeln der sekundären Fourier-Transformation in eine ungewichtete Fourier-Transformation und eine Menge von ungewichteten Differenztermen umfassen.
Mehrträgerempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fenster-Fourier-Transformer (FFTRANS) und der trägerbezogene Frequenzbereichsentzerrer (PC_FEQ) in einem Funktionsblock integriert sind.
Verfahren des Entzerrens eines Mehrträgersymbols (MS) in einem Mehrträgerempfänger (RX), umfassend die Schritte: a) Anwenden einer Fensterfunktion auf das Mehrträgersymbol (MS); b) Durchführen einer schnellen Fourier-Transformation für alle Träger des Fenstermehrträgersymbols; c) Entzerren aller Frequenzen unter Verwendung des Äquivalents zu einer schnellen Gleitfenster-Fourier-Transformation.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der gleitenden Fourier-Transformation tonabhängige Differenzterme verwendet werden.
Computerprogrammprodukt, wenn es auf einem Computersystem ausgeführt wird, zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 8.