DE602004006537T2

DE602004006537T2 - Modulation und demodulation von ofdm-signalen

Info

Publication number: DE602004006537T2
Application number: DE602004006537T
Authority: DE
Inventors: Simeon Furrer; Jens Jelitto; Wolfgang Schott; Beat Weiss
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2024-11-20
Also published as: JP4410801B2; WO2005076557A1; ATE362683T1; EP1702445A1; CN1902876A; US20090323510A1; CN1902876B; DE602004006537D1; EP1702445B1; JP2007518302A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation und Demodulation von OFDM-Signalen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) hat sich zu einem interessanten Signalübertragungssystem für breitbandige Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssysteme entwickelt. In OFDM-Systemen wird der Benutzerdatenstrom in parallele Datenströme mit verringerter Übertragungsrate aufgeteilt. Jeder so erhaltene untergeordnete Datenstrom moduliert dann einen separaten Subträger. Durch die geeignete Wahl des Frequenzabstands zwischen den Subträgern werden die Träger orthogonalisiert und es wird eine gewisse spektrale Überlappung zwischen den Subträgern zugelassen, sodass eine hohe spektrale Effizienz erreicht wird. Moderne Mobilfunkstandards wie IEEE 802.11 a/g, ETSI Hiperlan/2 und ETSI DAB/DVB-T nutzen das OFDM, um bei moderater Komplexität des Empfängers den Mehrwegeschwund auszugleichen, während Festnetzstandards wie ANSI xDSL die Möglichkeiten des OFDM zur dynamischen Bitzuweisung und Leistungssteuerung auf einzelnen Subträgern ausnutzen.
Eine typische Implementierung des OFDM-bezogenen Teils eines IEEE 802.11a-fähigen Senders umfasst eine Modulationszuordnungseinheit, eine IFFT-Einheit (Inverse Fast Fourier Transform, inverse schnelle Fouriertransformation) und eine Parallel-Seriell-Umsetzereinheit. Ankommende Datenbits werden codiert und, unter Verwendung entweder der Phasenumtastung (Phase-Shift Keying; BPSK, QPSK) oder der Quadraturamplitudenmodulation (16-QAM, 64-QAM), 48 Daten-Subträgern aus N = 64 Subträgern zugeordnet. Das komplexe OFDM-Basisbandsignal (BB) umfasst eine gleichphasige (I) und eine Quadraturkomponente (Q) und wird durch eine inverse diskrete 64-Punkt-Fouriertransformation (IDFT) erzeugt, die als inverse schnelle Fouriertransformation (IFFT) mit nachfolgender zyklischer Präfixerweiterung und Parallel-Seriell-Umsetzung in der Parallel-Seriell-Umsetzereinheit implementiert wird. Ein üblicher OFDM-Modulator ist zum Beispiel aus der US-Patentschrift 6,304,611 B1 bekannt.
Nach der Digital-Analog-Umsetzung (DAC) des erhaltenen komplexen OFDM-BB-Signals und der Tiefpassfilterung erzeugt ein analoger I/Q-Modulator, der durch ein von einem Oszillator geliefertes Trägersignal angesteuert wird, das OFDM-Bandpasssignal. Nach der Analogfilterung und der Verstärkung wird das Signal im Funkfrequenzband (Hochfrequenz, HF) über Antenne übertragen. Wahlweise wird in die Vorstufe von heterodynen Funkempfängern eine zusätzliche Mischstufe, die ein Zwischenfrequenzband (ZF-Band) in das Funkfrequenzband (HF-Band) umsetzt, eingebaut.
In alternativen Implementierungen wird die DAC zu einem ZF-Band verlagert und es wird ein digitaler I/Q-Modulator verwendet. Bei diesem Ansatz werden Amplituden-, Phasen- und Verzögerungsungleichgewichte infolge von Filter- und Taktphasenfehlern in den analogen I/Q-Modulationszweigen vermieden, die erforderliche Abtastfrequenz jedoch erhöht. Die zusätzlichen digitalen Interpolationsfilter können entweder als nichtrekursive Filter (FIR-Filter) realisiert werden oder durch Erhöhung der Anzahl (ungenutzter) Subträger in eine größere IFFT-Einheit einbezogen werden.
Ein OFDM-Empfänger führt die umgekehrte Funktion wie der Sender aus. Auch hier ist entweder eine analoge oder eine digitale I/Q-Demodulation möglich. Darüber hinaus werden auf der Empfängerseite vor der schnellen Fouriertransformation (FFT) Synchronisierungsalgorithmen verwendet, um die richtige Einstellung des Verstärkungsfaktors bei einem Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor (Variable Gain Amplifier, VGA) in der Vorstufe des Funkempfängers, die Frequenzverschiebung zwischen Sender- und Empfängertakt und den zeitlichen Verlauf der OFDM-Symbole abzuschätzen und zu korrigieren.
In dem Dokument EP-A2-0 668 678 (ITALTEL SOCIETA ITALIANA TELECOMUNICAZIONI S.P.A) vom 23. August 1995 (1995-08-23) wird ein Verfahren zum Modulieren von Subträgersymbolen in ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal beschrieben, wobei das Verfahren die Schritte der Vorverarbeitung (Datenstaffelung und Vormodulation, siehe Spalte 6, Zeilen 1 bis 32), des Ausführens einer komplexen N-Punkt-IDFT und der Weiterverarbeitung unter Verwendung von Hermiteschen Symmetrieextraktoren, Filterung und Parallel-Seriell-Umsetzung umfasst. Dieses Verfahren beinhaltet hochkomplexe Transformationen gemäß der IDFT.
Ein Nachteil der analogen I/Q-Modulation und -Demodulation besteht darin, dass zur Verarbeitung der analogen komplexen Basisbandsignale zwei analoge Übertragungszweige erforderlich sind. Hierfür werden analoge Komponenten benötigt, die zu einem Ungleichgewicht zwischen den gleichphasigen Komponenten und den Quadraturkomponenten führen können. Die Abschätzung und der Ausgleich des I/Q-Ungleichgewichts sind aufwändig und führen zu einer Diskrepanz zwischen praktischer und theoretischer Leistung.
Die Nachteile der digitalen I/Q-Modulation bestehen darin, dass die Abtastrate höher ist als bei einer analogen I/Q-Modulation und dass die Komplexität der digitalen Teile der Mischstufe größer ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren zum Modulieren und Demodulieren von OFDM-Signalen bereitzustellen und dadurch die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Vorrichtungen zur Modulation und Demodulation von OFDM-Signalen bereitzustellen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die Nachteile werden durch die Verfahren zum Modulieren und Demodulieren sowie durch die Vorrichtungen zur Modulation und Demodulation von OFDM-Signalen beseitigt. Bevorzugte Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Modulieren von Subträgersymbolen in ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal mit geraden und ungeraden Bestandteilen bereitgestellt. Zuerst wird eine Anzahl N von Subträgersymbolen in vorverarbeitete Subträgersymbole transformiert. Dann wird eine komplexe inverse diskrete Fouriertransformation (IDFT) auf die vorverarbeiteten Subträgersymbole zur Erzeugung komplexer Ausgabesymbole angewendet. Die komplexen Ausgabesymbole werden dann in das OFDM-Zwischenfrequenzsignal transformiert. Die Subträgersymbole werden so transformiert, dass die geraden und ungeraden Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals durch den Real- bzw. Imaginärteil der komplexen Ausgabesignale dargestellt werden.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht auf der Vorverarbeitung der Subträgersymbole in der Weise, dass durch die inverse diskrete Fouriertransformation, die auch einfach als Transformation bezeichnet wird, Ausgabesymbole erzeugt werden, bei denen sowohl der Realteil als auch der Imaginärteil als eine Abfolge realer Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals interpretiert werden können. Die Nachteile, die durch das Ungleichgewicht zwischen der gleichphasigen Komponente und der Quadraturkomponente des komplexen Ausgabesymbols während deren Transformation in das OFDM-Zwischenfrequenzsignal verursacht werden, können dadurch vermieden werden. Die Vorverarbeitung der Subträgersymbole erfolgt in der Weise, dass durch die nach dem Stand der Technik bekannte IDFT komplexe Ausgabesymbole erzeugt werden, wobei jedoch der Real- und der Imaginärteil der komplexen Ausgabesymbole in reale Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals multiplext werden.
Vorzugsweise erfolgt die Transformation der Subträgersymbole in vorverarbeitete Subträgersymbole gemäß der folgenden Funktion: Z(k) = 12 ·[F(k) + F(N – k)*] + 12 ·j·[F(k) – F(N – k)*]·e+jπk/N,wobei F(k) Subträgersymbole und Z(k) vorverarbeitete Subträgersymbole für k = 0...N – 1 sind. Diese Funktion stellt die bevorzugte Funktion zur Vorverarbeitung der Subträgersymbole dar und ermöglicht die Erzeugung des gemäß der vorliegenden Erfindung erwünschten OFDM-Zwischenfrequenzsignals.
Es kann vorausgesetzt werden, dass die komplexe inverse diskrete Fouriertransformation üblicherweise als inverse schnelle Fouriertransformation durchgeführt wird, die allgemein bekannt ist und bevorzugt werden sollte, da die Bearbeitung effizient durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise beinhaltet die Modulation der Subträgersymbole in das OFDM-Zwischenfrequenzsignal, dass die Subträgersymbole einem Spektrum F(i) mit i = 0...2N – 1 des reellwertigen OFDM-Zwischenfrequenzsignals f(n) mit n = 0...2N – 1 zugeordnet werden, wobei die negativen Frequenzgehalte aus der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen F(i) = F(2N – i)* abgeleitet werden können. Außerdem wird das Spektrum F(k) mit k = 0...N – 1 unter Verwendung der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen in vorverarbeitete komplexe Subträgersymbole Z(k) umgewandelt, wobei Z(k) = X(k) + j·Y(k) ist und X(k) und Y(k) die Spektren realer Sequenzen x(n) und y(n) definieren. Die inverse diskrete Fouriertransformation transformiert die vorverarbeiteten komplexen Subträgersymbole Z(k) in die komplexen Ausgabesymbole z(n) = x(n) + j·y(n). Vorzugsweise erfolgt die Transformation der komplexen Ausgabesymbole durch Multiplexen der Real- und Imaginärteile der komplexen Ausgabesymbole zu einem Strom gerader und ungerader Bestandteile der OFDM-Zwischenfrequenzsignale.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Demodulieren eines OFDM-Zwischenfrequenzsignals mit geraden und ungeraden Bestandteilen in Subträgersymbole. Das OFDM-Zwischenfrequenzsignal wird in komplexe Eingabesymbole transformiert, wobei die geraden und ungeraden Bestandteile den Real- und Imaginärteilen der komplexen Eingabesymbole zugeordnet werden. Es wird eine komplexe diskrete Fouriertransformation auf die komplexen Eingabesymbole zur Erzeugung komplexer DFT-Ausgabesymbole angewendet. Die komplexen DFT-Ausgabesymbole werden anschließend in nachverarbeitete Subträgersymbole transformiert.
Das Verfahren zum Demodulieren des OFDM-Zwischenfrequenzsignals führt die in Bezug auf das oben beschriebene Modulationsverfahren inverse Operation aus. Die geraden und ungeraden Bestandteile eines ankommenden OFDM-Zwischenfrequenzsignals werden für eine diskrete Fouriertransformation dem Real- und Imaginärteil der komplexen Eingabesignale zugeordnet. Die Ergebnisse der diskreten Fouriertransformation werden dann zu Subträgersymbolen nachverarbeitet.
Die Nachverarbeitung wird vorzugsweise gemäß der folgenden Funktion durchgeführt: F(k) = 12 ·[Z(k) + Z(N – k)*] –12 ·j·[Z(k) – Z(N – k)*]·e–jπk/N
Die diskrete Fouriertransformation kann als schnelle Fouriertransformation durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird die Demodulation des realen Zwischenfrequenzsignals in Subträgersymbole durch die folgenden Schritte durchgeführt. Zuerst werden die geraden und ungeraden Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals f(n) in die Real- und Imaginärteile der komplexen DFT-Eingabesymbole z(n) = x(n) + j x y(n) mit x(n) = f(2n), y(n) = f(2n + 1) und n = 0...N – 1 demultiplext. Die komplexe diskrete Fouriertransformation wird auf die komplexen Eingabesymbole z(n) zur Erzeugung komplexer Ausgabesymbole Z(k) = X(k) + j·Y(k) mit k = 0...N – 1 angewendet, wobei X(k) und Y(k) die Spektren der realen Sequenzen x(n) und y(n) darstellen. Die komplexen Ausgabesymbole Z(k) mit k = 1...N – 1 werden zum Spektrum
des reellwertigen OFDM-Zwischenfrequenzsignals f(n) nachverarbeitet. Das Spektrum F(k) mit k = 1...N – 1 des reellwertigen Zwischenfrequenzsignals f(n) wird den zugehörigen Subträgersymbolen zugeordnet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein OFDM-Modulator bereitgestellt, um Subträgersymbole in ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal mit geraden und ungeraden Bestandteilen zu modulieren. Der Modulator umfasst erste Transformationsmittel zum Transformieren einer Anzahl N von Subträgersymbolen in vorverarbeitete Subträgersymbole. Ferner umfasst der Modulator DFT-Mittel zum Anwenden einer komplexen inversen diskreten Fouriertransformation (IDFT) auf die vorverarbeiteten Subträgersymbole zur Erzeugung komplexer Ausgabesymbole. Des Weiteren werden zweite Transformationsmittel der komplexen Ausgabesymbole in das OFDM-Zwischenfrequenzsignal bereitgestellt. Die Subträgersymbole werden in den Transformationsmitteln so transformiert, dass die geraden und ungeraden Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals durch die Real- und Imaginärteile der komplexen Ausgabesymbole dargestellt werden.
Dadurch wird ein Modulator zum Modulieren von Subträgersymbolen auf ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal bereitgestellt, der nach dem Modulationsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Vorzugsweise beinhalten die ersten Transformationsmittel Mittel zum Zuordnen der Subträgersymbole zu einem Spektrum des reellwertigen OFDM-Signals, wobei die negativen Frequenzgehalte aus der Symmetrieeigenschaft der Spektren realer Sequenzen abgeleitet werden können. Die ersten Transformationsmittel umfassen ferner Mittel zum Umsetzen des Spektrums in vorverarbeitete komplexe Subträgersymbole unter Verwendung der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung sind die ersten Transformationsmittel und die IDFT-Mittel in einer Einheit zusammengefasst.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein OFDM-Demodulator bereitgestellt, um ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal mit geraden und ungeraden Bestandteilen in Subträgersymbole zu demodulieren. Der Demodulator beinhaltet Mittel zum Transformieren des OFDM-Zwischenfrequenzsignals in komplexe Eingabesymbole, wobei die geraden und ungeraden Bestandteile dem Real- und dem Imaginärteil der komplexen Eingabesymbole zugeordnet werden. Unter Verwendung von DFT-Mitteln wird auf die komplexen Eingabesymbole eine komplexe diskrete Fouriertransformation zur Erzeugung komplexer DFT-Ausgabesymbole angewendet. Durch das Transformieren der komplexen DFT-Ausgabesymbole werden nachverarbeitete Subträgersymbole erzeugt.
Dadurch umfasst der Demodulator Mittel zum Ausführen des Verfahrens zur Demodulation gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen werden Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben, wobei:
1 einen OFDM-Modulator nach dem Stand der Technik zeigt;
2 einen OFDM-Modulator gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Darstellung des Schrittes des Zuordnens der Subträgersymbole zu einem Spektrum reellwertiger OFDM-Zwischenfrequenzsignale zeigt und
4 einen OFDM-Demodulator gemäß einer anderen Ausführungsart der vorliegenden Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSARTEN
1 zeigt eine typische Implementierung eines OFDM-Modulators nach dem Stand der Technik. Der OFDM-Modulator umfasst eine Modulationszuordnungseinheit 3. Ein Datenstrom S mit ankommenden Datenbits wird unter Verwendung der Phasenumtastung (BPSK, QPSK) oder der Quadraturamplitudenmodulation (16-QAM, 64-QAM) zu einer Anzahl komplexer Symbole codiert und durch die Modulationszuordnungseinheit 3 K Datenträgern aus N Subträgern zugeordnet. Während der Gleichstrom-Subträger normalerweise ungenutzt ist, um Schwierigkeiten mit Verschiebungen der Umsetzereinheit zu vermeiden, können zusätzliche Subträger für Pilottöne (Übungstöne) reserviert werden. Die übrigen Subträger bleiben ungenutzt und erzeugen spektrale Schutzbänder, um Interferenzen außerhalb des Bandes zu verringern und die Anforderungen an die Vorstufenfilter des Funkempfängers zu mindern.
Dann werden die so genannten Subträgersymbole in eine IFFT-Einheit 4 eingegeben, um eine inverse diskrete N-Punkt-Fouriertransformation (IDFT) anzuwenden und dadurch ein komplexes OFDM-Basisbandsignal (BB) zu erzeugen, das eine gleichphasige Komponente (I) und eine Quadraturkomponente (Q) der komplexen Ausgabesymbole umfasst. Die inverse diskrete Fouriertransformation wird im Allgemeinen als schnelle Fouriertransformation mit nachfolgender zyklischer Präfixerweiterung durchgeführt. Die komplexen Ausgabesymbole werden in eine Parallel-Seriell-Umsetzereinheit 5 eingegeben, um einen seriellen Strom komplexer digitaler Basisbandsignale zu erhalten, die Real- und Imaginärteile I, Q umfassen.
Die Real- und Imaginärteile I, Q der komplexen digitalen Basisbandsignale werden dann jeweils zu einer Digital-Analog-Umsetzereinheit 6 weitergeleitet, um die Digitalwerte in entsprechende Analogwerte umzuwandeln, die dann jeweils im Tiefpassfilter 7 gefiltert und in einem analogen I/Q-Modulator 8 moduliert werden, der durch ein von einem Oszillator 9 bereitgestelltes Trägersignal C angesteuert wird. Der Ausgang des I/Q-Modulators 8 erzeugt das OFDM-Bandpasssignal. Nach der Analogfilterung und der Verstärkung wird das Signal im Funkfrequenzband (HF) über die Antenne übertragen. Wahlweise wird in die Vorstufe von heterodynen Funkempfängern eine zusätzliche Mischstufe, die ein Zwischenfrequenzband (ZF-Band) in das Funkfrequenzband (HF-Band) umsetzt, eingebaut.
In alternativen Implementierungen wird die Digital-Analog-Umsetzereinheit zum Zwischenfrequenzband verlagert und es wird ein digitaler I/Q-Modulator verwendet. Bei diesem Ansatz werden die Nachteile von Amplituden-, Phasen- und Verzögerungsungleichgewichten infolge von Filter- und Taktphasenfehlern in den analogen I/Q-Modulationszweigen vermieden, die erforderliche Abtastfreqenz jedoch erhöht. Die zusätzlichen digitalen Interpolationsfilter können entweder in Form von FIR-Filtern realisiert werden oder durch Erhöhung der Anzahl ungenutzter Subträger in eine größere IFFT einbezogen werden.
Ein üblicher OFDM-Demodulator führt die umgekehrten Arbeitsschritte wie der OFDM-Modulator aus. Auch hier ist entweder eine analoge oder eine digitale I/Q-Demodulation möglich. Darüber hinaus werden beim Demodulator Synchronisierungsalgorithmen benötigt, um die richtige Einstellung des Verstärkungsfaktors bei einem Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor in der Vorstufe des Funkempfängers, die Frequenzverschiebung zwischen Sender- und Empfängertakt sowie den zeitlichen Verlauf der OFDM-Symbole abzuschätzen und zu korrigieren.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsart eines OFDM-Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der OFDM-Modulator gemäß der Erfindung umfasst im Wesentlichen ähnliche Komponenten wie sie in einem üblichen OFDM-Modulator enthalten sind, zum Beispiel die aus dem Stand der Technik bekannte Modulationszuordnungseinheit 3 zum Codieren und Zuordnen des ankommenden Stroms von Datenbits zu komplexen Subträgersymbolen. Desgleichen wird die vom herkömmlichen OFDM-Modulator bekannte IFFT-Einheit 4 zum Erzeugen komplexer IDFT-Ausgabesignale z(n) verwendet. Gleiche Bezugsnummern dienen zur Bezeichnung derselben Funktionsblöcke oder -einheiten. Da der Aufbau für die Modulation und Demodulation etwa symmetrisch ist, werden in der Beschreibung entsprechende identische Formelzeichen gewählt.
Die zweiten Transformationsmittel 50 umfassen eine Parallel-Seriell-Umsetzereinheit 51 und einen Multiplexer 52, welche die komplexen IDFT-Ausgabesymbole z(n) der Reihe nach serialisieren und die Real- und Imaginärteile von z(n) in gerade und ungerade Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals multiplexen.
Zwischen die Modulationszuordnungseinheit 3 und die IFFT-Einheit 4 ist eine Vorverarbeitungseinheit 10 geschaltet, um eine Vorverarbeitung der komplexen Subträgersymbole am Ausgang der Modulationszuordnungseinheit 3 durchzuführen und vorverarbeitete komplexe Subträgersymbole zu erzeugen, die in die IFFT-Einheit 4 eingegeben werden sollen. Die Vorverarbeitungseinheit 10 umfasst Zuordnungsmittel 10a, die im Grunde eine Zuordnungseinheit 10a sind, welche die Subträgersymbole einem Spektrum F(i) mit i = 0...2N – 1 des OFDM-Zwischenfrequenzsignals zuordnet. Negative Frequenzgehalte werden aus der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen abgeleitet, d.h. von F(i) = F(2N – i)*. Die Vorverarbeitungseinheit 10 umfasst ferner Umsetzermittel 10b, d.h. einen Umsetzer, welcher die Subträgersymbole unter Verwendung der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen in die vorverarbeiteten komplexen Subträgersymbole umsetzt.
In der Vorverarbeitungseinheit 10 erfolgt eine Operation gemäß dem folgenden Ablauf. Bei einem gegebenen Wert der Zwischenfrequenz von f_ZF = n f_c, wobei n > ⎣B/(2 f_c)⎦ eine ganze Zahl, ⎣ ⎦ den Abrundungsoperator, f_C den Frequenzabstand des Subträgers und B die Bandbreite des OFDM-Signals darstellt, kann gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die digitale I/Q-Modulation entfallen und die IFFT-Einheit 4 zusammen mit der Vorverarbeitungseinheit 10 und der Parallel-Seriell-Einheit 51 verwendet werden, um das auch als ZF-Signal bezeichnete OFDM-Zwischenfrequenzsignal direkt zu erzeugen. Dieses Signal wird auch als reellwertiges OFDM-Zwischenfrequenzsignal betrachtet.
Ein Konzept der Erfindung besteht darin, das reellwertige OFDM-Zwischenfrequenzsignal gemäß der Beschreibung im folgenden Abschnitt direkt unter Verwendung der IFFT-Mittel zu erzeugen.
Das in 3a gezeigte Spektrum ist periodisch mit einer durch die Abtastfrequenz f_s vorgegebenen Periodizität. Zur Transformation des komplexen OFDM-BB-Signals von der Frequenzdomäne in die Zeitdomäne wird eine N-Punkt-IFFT-Einheit verwendet, die eine Periode erfasst. Das in 3b gezeigte Spektrum kann ohne digitale I/Q-Modulation gewonnen werden, indem erstens die Abtasttaktfrequenz auf f'_s = 2f_s verdoppelt wird, zweitens die Mittenfrequenz des ursprünglichen Spektrums nach f_ZF verschoben wird und drittens Komponenten in das entstandene Spektrum eingeführt werden, um die für reale Sequenzen x(n) erforderliche Symmetrieeigenschaft zu erzwingen. Das Ergebnis einer inversen Fouriertransformation enthält nur reelle Werte, wenn das Spektrum auf der Eingabeseite eine Symmetrie gemäß FFT_N (x, f) = FFT_N (N – k, x)* aufweist. Zur Umsetzung dieses Spektrums wird die Dimension der verwendeten IFFT-Einheit grundsätzlich auf 2N vergrößert.
Wenn eine niedrige ZF-Zwischenfrequenz gewählt wird, das heißt n < N – ⎣B/(2f_c)⎦, kann ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal mit 2N reellen Werten erzeugt werden.
Wie im Folgenden gezeigt wird, kann zur Bewertung zweier realer N-Punkt-FFTs oder einer realen 2N-Punkt-FFT eine einzige komplexe schnelle N-Punkt-Fouriertransformation (FFT) mit einer zusätzlichen Butterflystufe verwendet werden. Die N-Punkt-FFT einer Sequenz z(n) ist durch
mit k = 0...N – 1 definiert. In der Folge sind zwei Symmetrieeigenschaften der FFT von Nutzen. Für eine komplexe (oder reale) Sequenz z(n) gilt die Eigenschaft FFTN(k,z*) = FFTN(N – k,z)*während die Fouriertransformierte einer realen Sequenz x(n) zusätzlich konjugiert-symmetrisch ist, d. h. FFTN(k,x) = FFTN(N – k,x)*→X(k) = X(N – k)*.
Zur gleichzeitigen Bewertung der N-Punkt-FFT zweier realer Sequenzen x(n) und y(n) kann eine einzige komplexe N-Punkt-FFT verwendet werden. Eine komplexe Sequenz ist durch: z(n) = x(n) + jy(n)definiert. Durch Auflösen nach x(n) und y(n) erhält man x(n) = 12 [z(n) + z(n)*], y(n) = – 12 j[z(n) – z(n)*].
Die Bewertung der FFT und die Anwendung der Symmetrieeigenschaft führt zu folgendem Ergebnis: X(k) = FFTN(k,x) = 12 [FFTN(k,z) + FFTN(N – k,z)*] Y(k) = FFTN(k,y) = – 12 j[FFTN(k,z) – FFTN(N – k,z)*].
Auf diese Weise können die Transformierten durch eine einfache Butterflystufe nach der FFT leicht gewonnen werden.
Zur Erweiterung dieses Schemas auf die Ermittlung einer 2N-Punkt-FFT einer realen Sequenz f(n) unter Verwendung einer komplexen N-Punkt-FFT werden x(n) = f(2n) als die geraden Bestandteile und y(n) = f(2n + 1) als die ungeraden Bestandteile sowie z(n) = x(n) + jy(n) definiert. Aus der Linearität der FFT und der Zeitverschiebungseigenschaft kann F(k) = FFT2N(k,f) = X(k) + e–jπk/NY(k)abgeleitet werden, was schließlich zur Butterfly-Funktion F(k) = 12 [{Z(k) + Z(N – k)*} – j{Z(k) – Z(N – k)*}e–jπk/N]für k = 0...N – 1 führt. Die übrigen (redundanten) Werte für k = N...2N – 1 werden durch die Symmetrieeigenschaft realer Sequenzen bestimmt.
Somit kann zur Ermittlung zweier realer N-Punkt-FFTs oder einer realen 2N-Punkt-FFT eine einzige komplexe N-Punkt-FFT mit einer zusätzlichen Butterflystufe verwendet werden.
Die Vorverarbeitungsstufe 10 des OFDM-Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung führt vorzugsweise die folgende Operation aus, die entsprechend als inverse Operation der obigen Butterfly-Funktion erhalten werden kann: Z(k) = 12 ·[F(k) + F(N – k)*] + 12 ·j·[F(k) – F(N – k)*]e+jπk/N,wobei k = 0...N – 1 und F(k) das auf den Subträger k zu modulierende Datensymbol ist.
Das Ergebnis der IFFT-Einheit 4 weist Real- und Imaginärteile auf, wobei die Realteile der komplexen Ausgabesymbole z(n) als gerade Bestandteile und die Imaginärteile als ungerade Bestandteile interpretiert werden. Dies kann durch einen Multiplexer geschehen, der vorzugsweise in der Parallel-Seriell-Umsetzereinheit 5a beinhaltet ist. Der Ausgang des Multiplexers ist mit einer einzelnen Digital-Analog-Umsetzereinheit 11 verbunden, die bei doppelter Abtastrate direkt das OFDM-Zwischenfrequenzsignal erzeugt.
4 zeigt einen Demodulator für OFDM-Signale. Das empfangene OFDM-Zwischenfrequenzsignal wird durch eine Analog-Digital-Umsetzereinheit 12 in einen Signaldatenstrom f(n) umgesetzt, der in eine dritte Transformationseinheit 13 eingegeben wird, welche das OFDM-Zwischenfrequenzsignal in komplexe Eingabesymbole transformiert. Die dritte Transformationseinheit 13 umfasst einen Demultiplexer 13a, der die geraden und ungeraden Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals in die Real- und Imaginärteile der komplexen DFT-Eingabesymbole demultiplext. Mit anderen Worten, die dritte Transformationseinheit 13 mit dem Demultiplexer 13a ordnet die geraden und ungeraden Bestandteile den Real- und Imaginärteilen I, Q der komplexen Eingabesymbole z(n) zu. Die komplexen Eingabesymbole werden dann in eine FFT-Einheit 14 eingegeben, wo zur Erzeugung von Subträgersymbolen Z(k) eine schnelle Fouriertransformation auf die komplexen Eingabesymbole angewendet wird.
Eine vierte Transformationseinheit 15 führt im Wesentlichen die Nachverarbeitung der komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k) zu nachverarbeiteten Subträgersymbolen F(k) durch, zum Beispiel gemäß der oben ermittelten Funktion: F(k) = 12 ·[Z(k) + Z(N – k)*] – 12 ·j·[Z(k) – Z(N – k)*]e–jπk/N.
Die vierte Transformationseinheit 15 umfasst Nachverarbeitungsmittel 15a, welche die komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k) mit k = 1...N – 1 zum Spektrum F(k) = X(k) + e^–jπk/N·Y(k) des OFDM-Zwischenfrequenzsignals nachverarbeiten. Ferner umfasst die vierte Transformationseinheit 15 Zuordnungsmittel 15b, welche die nachverarbeiteten Subträgersymbole einer Reihenfolge zur Weiterbearbeitung zuordnen. Die Zuordnungsmittel 15b können eine Tabelle aufweisen, die auf standardisierte Symbole verweist.
In einer Demodulations-Demapping-Einheit 16 werden die nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k) serialisiert und decodiert, sodass ein Datenstrom S von Ausgabebits erhalten werden kann.
Das Verfahren zum Modulieren und Demodulieren gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Vorteil auf, dass jegliche durch die digitale I/Q-Modulation oder -Demodulation bedingten I/Q-Ungleichgewichte durch eine verringerte Komplexität der Einheiten oder Geräte vermieden werden können. Im Vergleich zum Ansatz mit der analogen I/Q-Modulation wird nur eine einzige Digital-Analog-Umsetzereinheit mit einer doppelten Taktrate verwendet. Dasselbe gilt für den Demodulationsansatz, bei dem nur eine einzige Analog-Digital-Umsetzereinheit verwendet wird.
Die IFFT-Einheit 4 und die FFT-Einheit 14 können mit einer zusätzlichen Vorverarbeitungsstufe 10 bzw. mit einer Nachverarbeitungsstufe 15 kombiniert werden. Die IFFT-Einheit 4 und die Vorverarbeitungsstufe 10 können zu einer speziell zugeschnittenen IFFT zusammengefasst werden, die sowohl zur Anwendung der IFFT betriebsfähig ist als auch zur Vorverarbeitung des komplexen Eingabesymbols. Auf dieselbe Weise können die FFT-Einheit 14 und die Nachverarbeitungsstufe 15 zu einer speziell zugeschnittenen FFT-Einheit zusammengefasst werden, die zur Anwendung der FFT und zur Nachverarbeitung betriebsfähig ist, um die nachverarbeiteten Ausgabesymbole zu erhalten. Die speziell zugeschnittene IFFT-Einheit und die speziell zugeschnittene FFT-Einheit können als integrierter Schaltkreis ausgelegt sein.
Die Zwischenfrequenz f_ZF kann aus einem Raster als ganzzahliges Vielfaches N des Frequenzabstandes der Subträger mit N > [B/(2f_c)] gewählt werden. Dadurch kann die Komplexität zwischen den analogen und den digitalen Filtern abgewogen werden. Ebenso sind auch Abtastarchitekturen zur Verringerung der Filteranforderungen möglich.

Claims

Verfahren zum Modulieren von Subträgersymbolen F(k) in ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal (f(n)) mit geraden und ungeraden Bestandteilen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Transformieren einer Anzahl N der Subträgersymbole F(k) in vorverarbeitete Subträgersymbole Z(k) gemäß der Funktion: Z(k) = 12 ·[F(k) + F(N – k)*] + 12 ·j·[F(k) – F(N – k)*]e+jπk/N,mit k = 0...N – 1; – Anwenden einer komplexen inversen diskreten N-Punkt-Fouriertransformation, IDFT, auf die vorverarbeiteten Subträgersymbolen Z(k) zur Erzeugung komplexer Ausgabesymbole z(n) und – Transformieren der komplexen Ausgabesymbole z(n) in das OFDM-Zwischenfrequenzsignal (f(n)) durch Multiplexen des Real- und Imaginärteils der komplexen Ausgabesymbole z(n) in gerade und ungerade Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)).
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die folgenden Schritte umfasst: – Zuordnen der Subträgersymbole F(k) zu einem Spektrum F(i) mit i = 0...2N – 1 des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)), wobei negative Frequenzgehalte aus der Symmetrieeigenschaft der Spektren realer Sequenzen F(i) = F(2N – i)* abgeleitet werden können; – Umwandeln der Subträgersymbole F(k) mit k = 0...N – 1 in die vorverarbeiteten komplexen Subträgersymbole Z(k) unter Verwendung der Symmetrieeigenschaft der Spektren realer Sequenzen, wobei Z(k) = X(k) + j*Y(k) ist und X(k) und Y(k) die Spektren realer Sequenzen x(n) und y(n) definieren und – Anwenden der komplexen inversen diskreten Fouriertransformation, IDFT, um die vorverarbeiteten komplexen Subträgersymbole Z(k) in die komplexen Ausgabesymbole z(n) = x(n) + j*y(n) umzuwandeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die komplexe inverse diskrete Fouriertransformation, IDFT, als inverse schnelle Fouriertransformation, IFFT, durchgeführt wird.
Verfahren zum Demodulieren eines OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) mit geraden und ungeraden Bestandteilen in nachverarbeitete Subträgersymbole F(k), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Transformieren des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) in komplexe Eingabesymbole z(n) durch Demultiplexen der geraden und ungeraden Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) in die Real- und Imaginärteile der komplexen Eingabesymbole z(n) = x(n) + j*y(n) mit x(n) = f(2n) und y(n) = f(2n – 1) mit n = 0...N – 1; – Anwenden einer komplexen diskreten Fouriertransformation, DFT, auf die komplexen Eingabesymbole z(n) zur Erzeugung komplexer DFT-Ausgabesymbole Z(k) und – Transformieren der komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k) in die nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k) gemäß der Funktion: F(k) = 12 ·[Z(k) + Z(N – k)*] – 12 ·j·[Z(k) – Z(N – k)*]e–jπk/N mit k = 0...N – 1.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die komplexe diskrete Fouriertransformation, DFT, als schnelle Fouriertransformation, FFT, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, das ferner die folgenden Schritte umfasst: – Anwenden der komplexen diskreten Fouriertransformation, DFT, um die komplexen Eingabesymbole z(n) in die komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k) = X(k) + j*Y(k) mit k = 0...N – 1 umzuwandeln, wobei X(k) und Y(k) die Spektren der realen Sequenzen x(n) und y(n) sind; – Nachverarbeiten der komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k) mit k = 1...N – 1 in die nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k)= X(k)+ e^–jπk/N·Y(k) des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) und – Zuordnen der nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k) zu einer Reihenfolge zur weiteren Bearbeitung.
Computerprogrammelement, das Programmcodemittel umfasst zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
Computerprogrammprodukt, das auf einem computergeeigneten Medium gespeichert ist und computerlesbare Programmmittel umfasst, die einen Computer zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 veranlassen.
OFDM-Modulator (1) zum Modulieren von Subträgersymbolen F(k) in ein OFDM-Zwischenfrequenzsignal (f(n)) mit geraden und ungeraden Bestandteilen, wobei der Modulator Folgendes umfasst: – erste Transformationsmittel (10) zum Transformieren einer Anzahl N der Subträgersymbole F(k) in vorverarbeitete Subträgersymbole Z(k), die zum Ausführen der Funktion: Z(k) = 12 ·[F(k) + F(N – k)*] + 12 ·j·[F(k) – F(N –k)*]e+jπk/N,mit k = 0...N – 1 ausgelegt sind; – IDFT-Mittel (4) zum Anwenden einer komplexen inversen diskreten Fouriertransformation, IDFT, auf die vorverarbeiteten Subträgersymbole Z(k) zur Erzeugung komplexer Ausgabesymbole z(n) und – zweite Transformationsmittel (50), die Multiplexermittel (52) zum Multiplexen der Real- und Imaginärteile der komplexen Ausgabesymbole z(n) in gerade und ungerade Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) umfassen.
OFDM-Modulator (1) nach Anspruch 9, bei dem die IDFT-Mittel (4) die Funktionalität zum Durchführen einer inversen schnellen Fouriertransformation, IFFT, aufweisen.
OFDM-Modulator (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem die ersten Transformationsmittel (10) ferner Folgendes umfassen: – Zuordnungsmittel (10a) zum Zuordnen der Subträgersymbole F(k) zu einem Spektrum F(i) mit i = 0...2N – 1 des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)), wobei negative Frequenzgehalte aus der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen, F(i) = F(2N – i)*, abgeleitet werden können; – Umsetzermittel (10b) zum Umsetzen der Subträgersymbole F(k), mit k = 0...N – 1, in die vorverarbeiteten komplexen Subträgersymbole Z(k) unter Verwendung der Symmetrieeigenschaft von Spektren realer Sequenzen, wobei Z(k) = X(k) + j*Y(k) ist und X(k) und Y(k) die Spektren realer Sequenzen x(n) und y(n) definieren.
OFDM-Modulator (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die IDFT-Mittel (4) zum Anwenden der komplexen inversen diskreten Fouriertransformation, IDFT, ausgelegt sind, um die vorverarbeiteten komplexen Subträgersymbole Z(k) in die komplexen Ausgabesymbole z(n) = x(n) + j*y(n) umzuwandeln.
OFDM-Modulator (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die ersten Transformationsmittel (10) und die IDFT-Mittel (4) in einer Einheit zusammengefasst sind.
OFDM-Demodulator (2) zum Demodulieren eines OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) mit geraden und ungeraden Bestandteilen in nachverarbeitete Subträgersymbole F(k), wobei der Demodulator Folgendes umfasst: – dritte Transformationsmittel (13), die Demultiplexermittel (13a) zum Demultiplexen der geraden und ungeraden Bestandteile des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)) in den Real- und Imaginärteil der komplexen DFT-Eingabesymbole z(n) = x(n) + j*y(n) mit x(n) = f(2n), y(n) = f(2n + 1) und n = 0...N – 1, umfassen; – DFT-Mittel (14) zum Anwenden einer komplexen diskreten Fouriertransformation auf die komplexen Eingabesymbole z(n) zur Erzeugung komplexer DFT-Ausgabesymbole Z(k); – vierte Transformationsmittel (15) zum Transformieren der komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k) in die nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k), die zum Ausführen der Funktion: F(k) = 12 ·[Z(k) + Z(N – k)*] – 12 ·j·[Z(k) – Z(N – k)*]e–jπk/N mit k = 0...N – 1 ausgelegt sind.
OFDM-Demodulator (2) nach Anspruch 14, bei dem die DFT-Mittel (14) die Funktionalität zum Durchführen einer schnellen Fouriertransformation, FFT, aufweisen.
OFDM-Demodulator (2) nach einem der Ansprüche 14 oder 15, bei dem die DFT-Mittel (14) zum Anwenden der komplexen diskreten Transformation, DFT, ausgelegt sind, um die komplexen Eingabesymbole z(n) in komplexe DFT-Ausgabesymbole Z(k) = X(k) + j*Y(k), mit k = 0...N – 1, umzuwandeln, wobei X(k) und Y(k) die Spektren der realen Sequenzen x(n) und y(n) sind.
OFDM-Demodulator (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die vierten Transformationsmittel (15) ferner umfassen: – Nachverarbeitungsmittel (15a) zum Nachverarbeiten der komplexen DFT-Ausgabesymbole Z(k), mit k = 1...N – 1, in die nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k) = X(k) + e^(–jπk/N)·Y(k) des OFDM-Zwischenfrequenzsignals (f(n)); – Zuordnungsmittel (15b) zum Zuordnen der nachverarbeiteten Subträgersymbole F(k) zu einer Reihenfolge zur weiteren Bearbeitung.
OFDM-Demodulator (2) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem die DFT-Mittel (14) und die zweiten Transformationsmittel (15) in einer Einheit zusammengefasst sind.