DE60304708T2

DE60304708T2 - Trennung von frequenzinhalten unter gebrauch von komplexen frequenzverschiebungsumsetzern

Info

Publication number: DE60304708T2
Application number: DE60304708T
Authority: DE
Inventors: John Carisbrooke LILLINGTON; Antonio Renato Russo
Original assignee: RF Engines Ltd
Current assignee: Rheinmetall Electronics UK Ltd
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: EP1520343A1; US7483498B2; DE60304708D1; US20050249313A1; AU2003281383A1; EP1520343B1; WO2004006434A1; GB2390497A; GB0215502D0

Description

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Signalverarbeitung. Insbesondere betrifft diese Erfindung das frequenzabhängige Trennen eines Eingangssignals, wobei komplexe frequenzverschiebende Wandler verwendet werden.
Es ist aus der veröffentlichten internationalen Anmeldung WO-A-01/65692 bekannt, eine frequenzabhängige Trennung bereitzustellen, wobei Paare von komplexen Aufwärtswandlern und komplexen Abwärtswandlern in einer Sequenz von Stufen verwendet werden, und wobei Abtastwerte zwischen den Stufen verschachtelt bzw. überlagert werden (diese Technik wird nachfolgend als PFT, Leitungsfrequenztransformation (pipelined frequency transform) bezeichnet). Diese bekannte Anordnung stellt eine effiziente, auf Hardware basierende Möglichkeit zur frequenzabhängigen Trennung eines Eingangssignals dar.
Während das oben genannte Frequenztrennungssystem viele Vorteile gegenüber anderen Systemen hat, welche versuchen, eine frequenzabhängige Trennung bereitzustellen, mangelt es ihm an der Beschränkung, Bänder zur Verfügung zu stellen, welche nur ein quadratischer Bruchteil des ursprünglichen Eingangssignalspektrums sind und die nur an festen Punkten innerhalb des Eingangssignalspektrums zentriert sind. In wichtigen praktischen Situationen können diese Beschränkungen ein beträchtlicher Nachteil sein.
Konventionelle Frequenztrennungstechniken verwenden eine Anzahl von individuellen digitalen Abwärtswandlern. Dies wird schnell teuer im Sinne der Hardwareverwendung und -kosten, wenn die Anzahl der benötigten Kanäle zunimmt.
Unter einem Aspekt betrachtet, stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum frequenzabhängigen Trennen eines Eingangssignals bereit, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen, wobei jede frequenztrennende Stufe mindestens einen komplexen frequenzverschiebenden Wandler aufweist, welcher so betreibbar ist, daß er ein komplexes Eingangssignal empfängt, welches eine Eingangsbandbreite darstellt, die sich von –Fs/2 bis +Fs/2 erstreckt, wobei Fs eine Abtastrate des Eingangssignals darstellt, und so daß er ein erstes frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal, das einen oberen Teil der Eingangsbandbreite darstellt und ein zweites frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal, welches einen unteren Teil der Eingangsbandbreite darstellt, ausgibt, wobei
mindestens ein komplexer frequenzverschiebender Wandler in mindestens einer aus der Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen ein abgestimmter komplexer frequenzverschiebender Wandler ist, welcher eine frequenzverschiebende Charakteristik hat, so daß er so betreibbar ist, daß er ein frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal ausgibt, das einen Teil der Eingangsbandbreite darstellt, der an anderer Stelle als bei –Fs/4 oder +Fs/4 zentriert ist.
Die Erfindung erkennt an, daß während der bekannte Ansatz, welcher eine reguläre symmetrische Teilung jedes getrennten Bandes in Hälften bei jeder Trennstufe verwendet, als die theoretisch optimale Technik zum Herunterbrechen des Eingangsspektrums auf ein feines Niveau mit einer geringen Anzahl von Stufen und einer geringen Anforderung an die Hardware betrachtet werden kann, in der Praxis eine bessere tagtägliche Leistungsfähigkeit, die an praktische Anforderung zur frequenzabhängigen Trennung angepaßt ist, durch Bereitstellen eines oder mehrerer abgestimmter komplexer Frequenzverschiebungswandler in den Trennstufen, die nicht um die gleichen Punkte wie eine symmetrisch trennende Stufe zentriert sind, welche auf das gleiche Eingangssignal einwirkt, erreicht werden kann. Zumindest bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Technik stellen eine Erhöhung an Effizienz und Kosteneffektivität gegenüber dem Ansatz aus dem Stand der Technik zur Verfügung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sorgen auch dafür, daß der abgestimmte komplexe frequenzverschiebende Wandler eine Frequenzverschiebungscharakteristik aufweist, die so betreibbar ist, daß sie ein frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal ausgibt, welches einen Teil der Eingangsbandbreite darstellt, der eine Ausgangsbandbreite zwischen Fs/2 und 3Fs/4 aufweist.
Dieser bevorzugte Aspekt der Erfindung berücksichtigt, daß es so, wie es unter einigen Umständen vorteilhaft ist, die zentralen Punkte der frequenzgetrennten Bänder weg von einer symmetrischen baumähnlichen Struktur zu variieren, es auch in vielen täglichen Situationen vorteilhaft ist, die von einem frequenzgetrennten Ausgang umfaßte Bandbreite so zu erstrecken, daß sie größer ist als die Hälfte der Eingangsbandbreite dieses bestimmten komplexen frequenzverschiebenden Wandlers. Dies ist insbesondere nützlich zum Vermeiden eines potentiellen Problems, welches bei einem nicht symmetrischen Baum auftreten kann, bei dem bestimmte interessierende Zielbänder unerreichbar werden können, wenn nur ein Zielband in der Standardbandbreite eines komplexen frequenzverschiebenden Wandlers enthalten ist.
Es ist offensichtlich, daß bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung eine Mehrzahl von Ausgangssignalen aus den frequenztrennenden Stufen erzeugt, die sich in der Größe unterscheiden und/oder nicht zusammenhängend sind. Dieser Typ von Ausgang kontrastiert erheblich mit dem hochgradig symmetrischen regulären Typ von Ausgang des oben beschriebenen bekannten Systems und ist für viele Typen von praktischen Anwendungen besser geeignet.
Um die Anforderungen an die Hardware des Systems zu reduzieren, dienen bevorzugte Ausführungsformen dazu, die komplexen Ausgangssignale zwischen frequenztrennenden Stufen vor der nachfolgenden Verarbeitung abzuschwächen und zu verschachteln.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weist der abgestimmte frequenzverschiebende komplexe Wandler einen Lokaloszillator auf, der so betreibbar ist, daß ein oder mehrere zeitlich variierende Koeffizientensignale erzeugt werden, mit denen Abtastwerte, als Teil der Frequenztrennoperation multipliziert werden.
Die Abstimmbarkeit solcher frequenzverschiebender Wandler kann bequem bereitgestellt werden durch Einrichten, daß solche Lokaloszillatoren so betreibbar sind, daß eines aus einer Mehr- Mehrzahl von verschiedenen Strömen von zeitlich variierenden Koeffizientensignalen ausgewählt wird, wobei jeder dieser verschiedenen Ströme einer anderen Lokaloszillatorfrequenz entspricht, welche wiederum dazu dient, einen anderen Teil der Eingangssignalbandbreite zu trennen.
Es ist offensichtlich, daß die abgestimmten frequenzverschiebenden komplexen Wandler in Abhängigkeit von den bestimmten Umständen sowohl Aufwärtswandler- als auch Abwärtswandlerfunktonalität bereitstellen können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung können symmetrische und nicht-symmetrische Trennstufen mischen, so daß ein Gesamtsystem hergestellt wird, welches eine verbesserte Leistungsfähigkeit aufweist. Zum Beispiel können die frühen frequenztrennenden Stufen symmetrisch zu den abgestimmten Stufen sein, die auftreten, wenn eine Frequenztrennung auf einem feineren Niveau erforderlich ist. Darüber hinaus müssen keine Frequenzpfade, die zu nicht benutzten Teilen des Spektrums gehören, berechnet werden, so daß sich bei der nicht benutzten Hardware und/oder den nicht benutzen Taktzyklen Leistungseinsparungen ergeben.
Während die frequenztrennenden Stufen, die ihre frequenzverschiebenden komplexen Wandler verwenden, bestimmte Zielbandbreitenteile des Eingangs in das System heraustrennen, begrenzt die Anforderung, ein effizientes Hardwaresystem bereitzustellen, zu einem bestimmten Grad die Punkte, um welche separierte bzw. getrennte Bänder zentriert sein können und die Breite dieser Bänder, so daß es in bevorzugten Ausführungsformen vorteilhaft ist, es zu ermöglichen, daß Ausgangssignale durch entsprechende Feinabstimmungsstufen geleitet werden, die dazu dienen, die Zielträgersignale zu extrahieren.
Solche Feinabstimmungsstufen können mit relativ langen Verzögerungsleitungen bereitgestellt werden, die als Filter verwendet werden, die flexibler auf eine bestimmte Frequenz abstimmbar sind und die eine bestimmte Frequenzantwort aufweisen, wie von dem extrahierten Zielträgersignal benötigt.
Die Erfindung stellt, wie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, auch ein Verfahren zum Auswählen von Betriebscharakteristiken einer Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen bereit.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun in Form eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein Blockdiagramm eines frequenztrennenden Baumsystems ist;
2 schematisch eine Frequenzbandteilung darstellt;
3 ein Blockdiagramm eines komplexen Abwärtswandlers (Complex Down-Converter, CDC) ist;
4 ein Blockdiagramm eines komplexen Aufwärtswandlers (Complex Up-Converter, DUC) ist;
5 ein Blockdiagramm einer Verschachtelungsstruktur ist;
6A ein Blockdiagramm eines komplexen Abwärtskonverters für eine abstimmbare Leitungsfrequenztransformation ist;
6B ein Blockdiagramm eines komplexen Aufwärtskonverters für eine abstimmbare Leitungsfrequenztransformation ist;
7 ein Blockdiagramm eines feinabstimmenden komplexen Wandlers ist;
8 eine Rohabstimmungsbeispiel einer ersten frequenztrennenden Stufe darstellt, wobei ein komplexer Abwärtswandler einer symmetrischen Form mit einem abstimmbaren komplexen Wandler verglichen wird, wobei in diesem Beispiel Fx gleich Fs/2 ist;
9 schematisch beispielhafte Begrenzungen darstellt, die aufgrund dessen auftreten können, daß nur ein Signal pro Filter extrahiert wird;
10 schematisch zwei Frequenzkomponenten pro Filterextraktion darstellt;
11 ein Beispiel zum Extrahieren zweiter Signale pro Filter mit dem Ergebnis, daß alle benötigen Frequenzen extrahiert werden können, darstellt;
12 schematisch die Auswahl eines formenden Filters darstellt,
13 ein Beispiel eines fünffach angezapten Mehrphasen bandbegrenzenden/-formenden Filters zur Verwendung in Stufe 1 mit dazwischengeschalteten Ausgängen darstellt;
14 ein Beispiel einer Abtastwertpufferung in dazwischenliegenden Stufen darstellt,
15 ein Beispiel einer Implementierung eines Ausgangsverschachtlers darstellt;
16 ein Beispiel eines Steuerleitungszeithaltungsdiagramms für den Ausgangsverschachtler aus 15 darstellt;
17 schematisch eine abstimmbare Leitungsfrequenztransformationsarchitektur darstellt, wobei ein Ausgangsverschachtler nach den Feinabstimmungskomponenten angeordnet ist;
18 eine abstimmbare Leitungsfrequenztransformationsarchitektur darstellt, wobei die Ausgangsverschachtlerposition vor den Feinabstimmungskomponenten liegt;
19 ein Blockdiagramm einer voll abstimmbaren Leitungsfrequenztransformationsarchitektur ist, die zwei Verschachtler aufweist, so daß die Extraktion von mehreren Zielträgersignalen aus einem einzigen Satz ermöglicht wird;
20 ein Flußdiagramm ist, welches einen Algorithmus zum Bestimmen einer Nachschlagetabelle und anderer Parameter für das abstimmbare Leitungsfrequenztransformationssystem darstellt;
21 ein Flußdiagramm ist, welches das Routinguntersystem zur Rohabstimmung darstellt;
22 ein Flußdiagramm ist, welches das Routinguntersystem zur Feinabstimmung darstellt und
23 ein Flußdiagramm ist, welches die bandbegrenzende/-formende Filterauswahl darstellt.
Das verbreitetste Frequenzanalyseverfahren, welches in der digitalen Signalverarbeitung (Digital Signal Processing, DSP) verwendet wird, ist die diskrete Fourier-Transformation (DFT) oder ihre weit verbreitete Variante, die schnelle Fourier-Transformation (Fast Fourier Transform, FFT). Diese Techniken haben Ausführungsformen sowohl in Softwarealgorithmen als auch in Hardwareform.
Eine Technik, wie in der veröffentlichten internationalen Patentanmeldung Nr. WO-A-01/65692 beschrieben, wurde entwickelt, welche einen ganz anderen Ansatz verwendet (als PFT bezeichnet). In seiner einfachsten Form kann er als ein „Baum"-System realisiert sein durch aufeinanderfolgendes Aufteilen des interessierenden Frequenzbandes in zwei getrennte zusammenhängende Bänder, wobei jedes um die Nullfrequenz (null IF) zentriert ist. Dies wird erreicht durch Verwenden komplexer Aufwärts- und Abwärtswandler. Um eine nützliche Anzahl von Bändern bereitzustellen wird eine große Anzahl von komplexen Wandlern benötigt (zum Beispiel würden für 1024 Bänder 2047 Wandler benötigt).
Es existiert jedoch ein alternatives Verfahren, welches es ermöglicht, genau das gleiche Ergebnis mit bedeutend weniger Wandlern zu erreichen. Dieses verwendet eine Schachtelung der Abtastwerte der beiden Bänder an jeder Stufe und ein Weiterleiten dieser durch eine modifizierte Form des Aufwärts-/Abwärtswandlers. Dies erfordert nur 1 + 2·Log₂ (N) Stufen, wobei N die letztliche Anzahl von Frequenzbändern ist. Zum Beispiel würden 1024 Bänder nun nur 11 Wandler benötigen, verglichen mit den 2047 für das oben genannte „Baum"-System. Das Verfahren ist nun sehr praktikabel und hat eine ähnliche Skalierungsökonomie wie sie die FFT gegenüber den direkteren DFT-(Discrete Fourier Transform)Verfahren hat.
1 stellt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines dreistufigen Baumsystems dar. Die Eingabe in das System ist ein bandbegrenztes Signal, zentriert um die Nullfrequenz (oder null IF). Die Abtastrate beträgt F_s und durch Verwenden einer komplexen (I & Q) Form kann sich das Eingangsband, wie in 2 dargestellt, von –F_s/2 bis +F_s/2 erstrecken. Der Eingang wird nun durch Verwenden eines komplexen Abwärtswandlers (Complex Down-Converter, CDC) und eines komplexen Aufwärtswandlers (Complex Up-Converter, CUC) in zwei Bänder aufgeteilt. Daher wird in 2 die obere Hälfte des Eingangsbandes (d.h. 0 bis +F_s/2) abwärts in da s –F_s/4 bis +F₂/4 Band gewandelt. Ähnlich wird die untere Hälfte des Eingangsbandes aufwärts in das –F_s/4 bis +F_s/4 Band gewandelt.
Die Realisierung des komplexen Abwärtswandlers (CDC) ist in 3 gezeigt und des komplexen Aufwärtswandlers (CUC) in 4. Es ist beabsichtigt, daß diese nur das Funktionsprinzip zeigen. Die eigentliche Realisierung kann stark vereinfacht werden, da der Sinus und der Kosinus nur einen von fünf Werten annehmen müssen (0, +1, –1, +√2/2 und –√2/2).
Das Gesamtblockdiagramm ist in 5 gezeigt. Das erste Paar von Wandlern (CDC"A" und CUC"A") sind identisch mit denen des „Baum"-Systems (1).
Danach jedoch werden die Abtastwerte für den „I"-Kanal und für den „Q"-Kanal vor dem Weiterleiten an die nächste Verarbeitungsstufe verschachtelt.
Der verschachtelte komplexe Abwärtswandler (ICDC) unterscheidet sich von dem CDC des „Baum"-Systems dadurch, daß die Tiefpaßfilter nun eine spezielle Form aufweisen, typischerweise bekannt als „interpolierende FIR-Filter". Durch Hinzufügen einer zusätzlichen Verzögerung zwischen den Abzweigungen eines FIR-(Finite Impulse Response) Filters ist es möglich, jede Anzahl von unabhängigen Datenströmen dadurch zu verarbeiten, daß sie zunächst verschachtelt werden. Die gefilterten Ausgangsdaten sind auch auf die gleiche Weise verschachtelt.
Die Anforderungen sind so, daß jeder der unabhängigen Datenströme durch ein identisches Filter verarbeitet werden muß und daß das interpolierende FIR-Filter in der Lage ist, bei der erhöhten Datenrate zu arbeiten, welche durch das Verschachteln der Eingangsdaten verursacht wird. Da alle CDCs des „Baum"-Systems in jeder der Filterbänke identisch sind, wird die erste Voraussetzung erfüllt. Auch fällt die Abtastrate um einen Faktor 2, obwohl die Anzahl von unabhängigen Datenströmen um einen Faktor 2 bei jedem Zweig des Baums erhöht wird. Daher ist es möglich, die Abtastwerte zu verschachteln, ohne eine Gesamterhöhung der Abtastrate, wodurch die zweite oben genannte Voraussetzung erfüllt wird.
Exakt die gleichen Argumente sind auf den verschachtelten komplexen Aufwärtswandler (ICUC) anwendbar. Der letztliche Ausgang des verschachtelten Systems ist identisch mit dem des „Baum"-Systems, außer daß natürlich die Ausgänge des „Baum"-Systems in paralleler Form vorliegen, wohingegen Ausgänge des „verschachtelten" Systems in serieller Form vorliegen.
Der Schachtelungs- und Dezimierungsprozeß ist nicht vollständig offensichtlich und benötigt einige Erklärungen. Gemäß 5 ist der komplexe Strom von Eingangsabtastwerten an CDC(A) und CUC(A) mit I₁, I₂, I₃, ... etc. und Q₁, Q₂, Q₃, ... etc. bei einer Abtastrate von F₂ bezeichnet. Der Ausgang des komplexen Abwärtswandlers (CDC(A)) ist der gefilterte Strom von Abtastwerten, mit I_d1, I_d2, I_d3, ... etc. und Q_d1, Q_d2, Q_d3, ... etc. bezeichnet, und der entsprechende Ausgang des komplexen Aufwärtswandlers (CUC(A)) ist der gefilterte Strom von Abtastwerten, die mit I_u1, I_u2, I_u3, ... etc. und Q_u1, Q_u2, Q_u3, ...etc. bezeichnet sind. Diese Ausgangsströme von Abtastwerten liegen ebenfalls bei einer Abtastrate F_s.
Ein Paar von einfachen Verschachtlern folgt dann, welche die I-Abtastwerte verschachteln, was zu dem Strom I_d1, I_u1, I_d2, I_u2, I_d3, I_u3, ... etc. führt und auch die Q-Abtastwerte, welche zu dem Strom Q_d1, Q_u1, Q_d2, Q_u2, Q_d3, Q_u3, ... etc. führen. Diese liegen nun bei der erhöhten Abtastrate von 2F_s.
Die verschachtelten I und Q Ströme von Abtastwerten werden dann durch die verschachtelten komplexen Aufwärts- und Abwärtswandler (ICDC(B) und (ICUC(B)) verarbeitetet. Der komplexe Ausgangsdatenstrom von ICDC(B) ist mit I_{dd1, ud1}, I_dd2, I_ud2, I_dd3, I_ud3, ... etc. Und Q_dd1, Q_ud2, Q_dd2, Q_ud2, Q_dd3, Q_ud3, ... etc. bezeichnet. Der komplexe Ausgangsdatenstrom von ICUC(B) ist mit I_du1, I_uu1, I_du2, I_uu2, I_du3, I_uu3, ... etc. und Q_du1, Q_uu1, Q_du2, Q_uu2, Q_du3, Q_uu3, ... etc. bezeichnet. Die Abtastrate an diesem Punkt beträgt noch 2F_s, welche zweimal die erforderliche Rate ist. Es ist jedoch aufgrund der verschachtelten Natur der Abtastwerte nicht möglich, die Abtastwerte einfach um einen Faktor 2 zu dezimieren (d.h. jeden zweiten Abtastwert zu entfernen). Statt dessen ist es vor dem Verschachteln notwendig, die ersten und zweiten Abtastwerte jedes Stroms zu akzeptieren, die dritten und vierten zu entfernen, den fünften und sechsten Abtastwert zu akzeptieren usw. Dies führt zu Strömen von Abtastwerten bei dem Ausgang des komplexen 2:4 Verschachtlers/Dezimierers, wie folgt:
I_dd1, I_du1, I_ud1, I_uu1, I_dd3, I_du3, ... etc. und Q_dd1, Q_du1, Q_ud1, Q_uu1, Q_dd3, Q_du3, ... etc.
Für alle nachfolgenden Stufen ist das Verschachteler/Dezimiererprinzip das gleiche. Zum Beispiel würde die folgende Stufe die Abtastwerte 1, 2, 3 und 4 erhalten und die Abtastwerte 5, 6, 7, und 8 verwerfen, die Abtastwerte 9, 10, 11 und 12 (etc.) vor dem Verschachteln entfernen. Die nächste Stufe würde die Abtastwerte 1 bis 8 erhalten, die Abtastwerte 9 bis 16 verwerfen usw. Die Implementierung dieses Prozesses kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden, einschließlich zum Beispiel eines geschalteten FIFO-(first in first out) Speichers, wobei die Leserate auf die Hälfte der Schreibrate eingestellt ist.
Wie zuvor erwähnt, müssen bei bestimmten Anwendungen Frequenzspannen verschiedener Größen für die weitere Verarbeitung getrennt und/oder extrahiert werden, aber solche Prozesse können nicht durch irgendeine der zuvor erwähnten frequenztrennenden Techniken ausgeführt werden.
Die modulare Leitungsarchitektur, welche für die PFT verwendet wird, dient selbst gut dem Zweck des Extrahierens von Frequenzbändern unterschiedlicher Größe: bei jeder Stufe wird das Spektrum in zwei Bänder getrennt, welche halb so breit sind wie die der vorherigen Stufe, wie in 2 dargestellt.
Aufgrund der kaskadierten PFD-Struktur (5) sind Zwischenausgänge leicht erhältlich, wodurch Frequenzbänder unterschiedlicher Größe zur Ausgabe extrahiert werden können. Jedoch weist ein solches Schema noch die Begrenzung auf, daß Bänder bereitgestellt werden, die sowohl nur ein quadratischer Bruchteil des interessierenden Spektrums sind als auch nur, wie in 2 gezeigt, zentriert sein können.
Es ist durch Modifizieren der PFT-Architektur möglich, nicht nur ein Frequenzband der gewünschten Größe zu extrahieren, sondern auch sicherzustellen, daß das Band bei irgendeiner vorgegebenen Frequenz zentriert ist.
Das Niveau der Abstimmbarkeit, welches oben genannt wird, wird in zwei Stufen erreicht: zuerst werden die Signale innerhalb der PFT-Stufen grob abgestimmt und dann durch einen komplexen Wandler, dessen Lokaloszillator (LO) ein numerisch gesteuerter Oszillator (Numerically Controlled Oscillator, NCO) ist, der durch die Routing-Maschine gesteuert ist (ein Schema dieses Untersystems ist in 6A, 6B und 7 gezeigt), fein abgestimmt.
Der Hauptvorteil der Durchführung des Abstimmbetriebs in zwei Schritten ist für eine gegebene Frequenzauflösung die Reduzierung der Größe der Nachschlagetabelle (Look-Up Table, LUT), die für die Feinabstimmung verwendet wird: der Feinabstimmungsmischprozeß muß nur Frequenzen um maximal Fs_bin/16 Hz verschieben anstatt der vollen Fs_bin/4. Dies führt in der Praxis zu einer Einsparung der vierfachen LUT-Größe für eine gegebene Frequenzauflösung. Es ist zu bemerken, daß die Frequenzauflösung relativ zu der betrachteten Stufe ist und gegeben ist durch: Fx_Auflösung = (Fx/16)/LUT_Größe, wobei Fx die Abtastrate jedes Satzes bzw. Bin aus der Stufe x ist.
Nachdem die Feinabstimmung erfolgt, wird ein mehrphasiges finites Impulsantwort-(Finite Impulse Response, FIR)Filter verwendet, um nur die benötigte Bandbreite für jedes Signal zu extrahieren (13). Diese Filterstufe kann auch für spektrales Formen/Maskieren verwendet werden.
Ein mehrphasiges Filter ist ein Filter, dessen Abzweigungskoeffizienten zeitlich verschachtelt sind, d.h. sie wechseln für jede Abtastwertphase. Eine solche Struktur ist sehr nützlich zum Filtern verschachtelter Datenströme.
Zwei Varianten dieser Architektur sind möglich: eine ordnet das Ausgangsverschachtelungselement hinter den formenden Filtern an (17). Die andere zeigt eine kompaktere Implementierung, bei der die Feinabstimmungs- und Filterelemente hinter dem Ausgangsverschachtler angeordnet sind und die den verschachtelten Ausgangsstrom bearbeiten (18). Der Ausgangs-Verschachtler ist unten detailliert beschrieben.
Wie bereits erwähnt, muß es, um eine flexible Abdeckung des Spektrums zu ermöglichen, möglich sein, Träger aus Zwischenstufen zu extrahieren. Auch muß die Frequenz des Lokaloszillators (LOs) in den komplexen Aufwärts-/Abwärtswandlern steuerbar sein und breitere Filter müssen verwendet werden, so daß sichergestellt ist, daß alle möglichen Frequenzen in dem Spektrum umfaßt sind.
Der gewählte Ansatz ist es, eine Rohabstimmung in den PFT-Stufen bereitzustellen, wobei dies mit Hilfe von LO-Werten erfolgt, die aus dem folgenden Satz ausgewählt sind
wobei
Andere Sätze von LO-Werten können auch gewählt werden, obwohl die hier getroffene Auswahl der beste Kompromiß zwischen Hardwarekomplexität und dem Sicherstellen einer vollen Abdeckung des Spektrums zu sein scheint.
8 stellt diesen Prozeß durch Vergleichen eines Standard-Abwärtswandler der PFT-Stufe 1 mit dem abstimmbaren PFT-Ägivalent dar. Es ist ersichtlich, daß das breitere Filter den Einschluß der gleichen Frequenzen erlaubt, wie der Standard-PFT mit dem zusätzlichen Vorteil des Sicherstellens, daß das Zentrum jedes Trägers innerhalb des Satzes weiter als Fx/16 von dem Zentrum des Satzes selbst entfernt liegt.
Jedoch sind die oben genannten Bedingungen nur notwendig, um eine volle Abdeckung des gegebenen Spektrums zu garantieren, aber nicht hinreichend. Das Beispiel aus 9 stellt die Effekte dar, wenn man eine Serie von benachbarten Trägern mit einer Breite, die geringfügig größer ist als die Filter in der folgenden Stufe, extrahieren muß. Das Ergebnis ist, daß eine größere als notwendige Satz-Bandbreite verbraucht wird, um diese Träger zu extrahieren, so daß ein großer Teil des Spektrums unerreichbar wird.
Um dieses Problem zu überwinden, erlaubt es der Routing-Algorithmus zwei Träger aus einem Satz bzw. Bin zu extrahieren (11). Dies impliziert auch, daß der Verschachtler, der komplexe Wandler zur Feinabstimmung und die Filterblöcke in der Hardware verdoppelt werden, wie in 19 dargestellt. Darüber hinaus muß der komplexe Wandler zur Feinabstimmung nun mit Fre quenzverschiebungen größer als Fx/16 fertig werden, wodurch für eine gegebene Frequenzauflösung eine größere LUT verwendet werden muß.
Zwei benachbarte oder nahezu benachbarte Träger mit der Gesamtbandbreite Bw (wobei F_x < Bw < 1,5·F_x) werden aus einem gegebenen Satz bzw. Bin extrahiert. Das Problem der Verwendung von mehr Bandbreite als der normalerweise in einem Satz verfügbaren wird durch Feinabstimmung beider Träger getrennt überwunden (10), was daher zu zwei Ausgangsströmen führt, die beide bei der Abtastrate des Satzes laufen. Jedoch ist die Wahrscheinlichkeit, daß diese Situation eintritt, sehr gering, da Träger normalerweise durch Sicherheitsbänder getrennt sind.
Darüber hinaus sind typischerweise die ersten und letzten 10 ~ 15% des Spektrums nicht nutzbar: jedes Anti-Aliasing-Filter an dem vorderen Ende des PFT würde ein Nullübertragungsband benötigen um 100% des Spektrums verwendbar zu machen oder alternativ würde für die gegebene Bandbreite die Abtastrate um einen Faktor von 120% erhöht werden müssen.
Die Abwägung zwischen Hardwarkomplexibilität und Flexibilität in Bezug auf die Sicherstellung einer Abdeckung des vollen Spektrums für jeden gegebenen Satz von Signalen ist anwendungsabhängig und muß für bestimmte Anwendungen bewertet werden.
Obwohl es möglich ist, die TPFT-Parameter manuell zu ändern, so daß eine Abstimmbarkeit auf einem Band erreicht wird, kann dieser Prozeß vollständig automatisiert werden. Ein Algorithmus, um ein automatisches Routing auf den interessierenden Trägern auszuführen, ist in den folgenden Abschnitte dargestellt. Dieser ist auch in Zustandsflußdiagrammform in 20 dargestellt. Die Parameter, die ein solcher Algorithmus bewerten muß, sind:

i. Eines oder zwei Signale aus jedem Filter?
ii. Anzahl der benötigen Stufen, um alle interessierenden Bänder zu extrahieren?
iii. LO-Werte für jeden Satz in jeder Stufe CDC und CUC?
iv. Feinabstimmungs LO-Werte in Feinabstimmungs CUC/CDC-Komponenten?
v. Auswahl eines Filtersatzes für jeden Satz, sowohl um das benötigte Bandspektrum zu formen als auch um nicht erwünschte Frequenzen abzuschneiden?

i) Wie zuvor erwähnt, kann die Abtastrate des Systems unzureichend sein, um alle interessierenden Bänder auszugeben, wenn mehr Bandbreite als notwendig für jedes Signal verwendet wird. Der Routing-Algorithmus muß wissen, ob dies der Fall ist, da die gleichen Bänder dann aus unterschiedlichen Stufen extrahiert würden. Zum Beispiel würde für eine Systemrate von 204,8e6 Hz eine Bandbreite von 15e6 Hz typischerweise aus Stufe 2 extrahiert (in diesem Beispiel würde jedes Band der Breite Bw aus Stufe 2 extrahiert, wobei 12,8e6 Hz < Bw ≤ 25,6e6 Hz ist). Jedoch wird, wenn zwei solcher Bänder aus diesem Filter genommen werden müssen, das Band der Breite Bw aus einem Stufe 1 Filter extrahiert (siehe gleiches Beispiel in 13.).
Jedes Signal ist mit einem Satz verbunden, aus welchem es extrahiert wird. Wenn zwei verschiedene Signale mit dem gleichen Satz verbunden sind, dann müssen die Feinabstimmungselemente verdoppelt werden, und der TPTT gibt zwei verschachtelte Ströme von Abtastwerten aus (19).
ii) Die Anzahl von Stufen, die benötigt wird, um alle interessierenden Bänder zu umfassen, ist leicht zu finden, da sie der Nummer der Stufe entspricht, aus welcher das Signal mit der kleinsten Bandbreite extrahier werden muß.
iii) & iv) Nun da die Parameter in (i) und (ii) zusammen mit der Definition der Bänder verfügbar sind, initiiert der Routing-Algorithmus durch Einstellen der Lokaloszillatoren (LOs) Werte in die CDC/CUC jeder Stufe (21).
Das Routing basiert auf der nachfolgenden Anpassung einer Karte der Zentren der Sätze. Zuerst wird eine Karte der Zentralfrequenzpositionen des Satzes gezeichnet, so wie für eine Standard PFT. Diese Karte wird dann für jedes Band aktualisiert, beginnend bei dem breitesten bis zu dem kleinsten.
Eine Kopie der ursprünglichen Karte wird behalten, um zu bestimmen, ob die LO-Werte bereits geändert wurden. Wenn dies der Fall ist und ein weiteres Band LO-Werte benötigt, die bereits in einer vorgegebenen zu ändernden Stufe geändert wurden, dann werden die beiden benachbarten Bänder zusammen betrachtet, und das Zielzentrum für den Stufensatz wird der Mittelpunkt zwischen diesen beiden Bändern.
Die letztere Situation betrifft die Möglichkeit, zwei Bänder aus einem Filter extrahieren zu müssen. Dies startet effektiv den Routing-Prozeß neu, wobei eine Extraktion der beiden erwähnten Bänder aus einem Filter in der vorhergehenden Stufe erzwungen wird. Der Routing-Algorithmus fährt dann fort, bis alle Bänder berücksichtigt sind.
Während die CDC- und CUC-LO-Werte für die Rohabstimmung eingestellt werden, werden Werte für den Feinabstimmungs-LO in dem CDC/CUC-Block auf dem Ausgang des TPFT ebenfalls gespeichert (22).
Alle die LO-Werte, sowohl solche für die Grobabstimmung als auch solche für die Feinabstimmung, werden verschachtelt, so daß jeder Satz in jeder TPFT-Stufe in der Frequenz um den notwendigen Betrag verschoben wird.
v) Schließlich ein optionales Merkmal der TPFT: Feinformungsfilterung. Es ist möglich, jedes Band aus dem TPFT weiter zu filtern, so daß sichergestellt wird, daß nur die gewünschte Frequenzspanne extrahiert wird. Die Filterform und -größe werden gemäß dem Typ des empfangenen Signals (benutzerdefiniert) und der relativen Frequenzbelegung des Bandes innerhalb des Satzes, aus dem es extrahiert wurde, ausgewählt.
Die hier gewählte Implementierung ermöglicht einen Satz von n Filtern, wobei n ein willkürlich gewählter Wert ist, um die Genauigkeit, mit welcher die Filter an die Signalbandbreite angepaßt sind, zu bestimmen (12 & 23). Es ist auch möglich, die Form der Filterantwort zu wählen. Der Nachteil ist, daß je größer die Auswahl an Filtern ist, desto größer ist die Nachschlagetabelle (LUT), die verwendet wird, um die Filterkoeffizienten zu speichern. Nochmals muß die Freiheit bei der Auswahl gegen die Hardwarekomplexität abgewogen werden.
Die letzte durch den Routing-Algorithmus ausgeführte Operation ist die Anordnung der Zeitfenster in der Ausgangssequenz, so daß Ausgänge der mittleren Stufen aufgenommen werden. Mehr Details über die Implementierung der Ausgangsverschachtler folgt in dem nächsten Abschnitt.
Da die Abtastrate jedes Bands aus der PFT ein quadratischer Bruchteil der Eingangsabtastrate ist, ist es möglich, alle Ausgänge aus unterschiedlichen Stufen in einem Ausgangsstrom zu verschachteln, der bei der vollen Systemrate läuft. Darüber hinaus können, solange die Summe der Abtastraten aller Bänder die Systemrate nicht überschreitet, alle Bänder in einem Ausgangsstrom angeordnet sein. Für diejenigen, die mit Wavelets vertraut sind, werden die Abtastwerte in ähnlicher Weise verschachtelt wie die für den Ausgang einer diskreten Wavelet-Transformation (DWT) verwendete.
Der Ausgangsstrom jeder Stufe wird in einer kreisförmigen Weise gepuffert, daher sind alle Sätze zu einer gegebenen Zeit verfügbar (14). Für den Puffer jeder Stufe wird eine Adreßtabelle sowie ein Zähler geführt, so daß der richtige Satz extrahiert werden kann, wenn sein Zeitfenster auf dem verschachtelten Ausgang verfügbar wird.
Dies sichert die Reihenfolge, in welcher mittlere Stufen auf dem Ausgangsstrom verschachtelt und zusätzlich die Information, welche für einen Zugriff auf den richtigen Abtastwert in jeder der Ausgangspufferstufen benötigt wird.
Eine mögliche Hardwareimplementierung dieses Untersystems ist in 15 gezeigt, zusammen mit einem Zeithaltungsdiagramm für die Steuerleitungen (16).
Eine letztliche Entscheidung, ob die Verwendung von zwei Ausgangsströmen erforderlich ist, muß auf der Abwägung zwischen Hardwarekomplexität und der typischen Bandbreitenbelegung der Anwendung, in der der TPFT verwendet wird, basieren.

Claims

Vorrichtung zum frequenzabhängigen Trennen eines Eingangssignals, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen, wobei jede frequenztrennende Stufe mindestens einen komplexen frequenzverschiebenden Wandler aufweist, welcher so betreibbar ist, daß er ein komplexes Eingangssignal empfängt, welches eine Eingangsbandbreite darstellt, die sich von –Fs/2 bis +Fs/2 erstreckt, wobei Fs eine Abtastrate des Eingangssignals darstellt, und so daß er ein erstes frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal, das einen oberen Teil der Eingangsbandbreite darstellt und ein zweites frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal, welches einen unteren Teil der Eingangsbandbreite darstellt, ausgibt, wobei mindestens ein komplexer frequenzverschiebender Wandler in mindestens einer aus der Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen ein abgestimmter komplexer frequenzverschiebender Wandler ist, welcher eine frequenzverschiebende Charakteristik hat, so daß er so betreibbar ist, daß er ein frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal ausgibt, das einen Teil der Eingangsbandbreite darstellt, der an anderer Stelle als bei –Fs/4 oder +Fs/4 zentriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte komplexe frequenzverschiebende Wandler eine Frequenzverschiebungscharakteristik aufweist, die so betreibbar ist, daß sie ein frequenzverschobenes komplexes Ausgangssignal ausgibt, welches einen Teil der Eingangsbandbreite darstellt, der eine Ausgangsbandbreite zwischen Fs/2 und 3Fs/4 aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen so betreibbar ist, daß eine Mehrzahl von Ausgangssignalen erzeugt wird, wobei jedes ein oder mehrere Zielträgersignale trägt, wobei die Mehrzahl von Ausgangssignalen entsprechende Teile der Eingangsbandbreite darstellt, die sich mindestens: in der Größe unterscheiden oder nicht zusammenhängend sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen frequenztrennenden Stufen frequenzverschobene komplexe Ausgangssignale für eine nachfolgende Verarbeitung abgeschwächt und verschachtelt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte frequenzverschiebende komplexe Wandler einen Lokaloszillator aufweist, der so be treibbar ist, daß ein oder mehrere zeitlich variierende Koeffizientensignale erzeugt werden, mit welchen Abtastwerte, die das Eingangssignal bilden, als Teil der Frequenztrennung multipliziert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lokaloszillator so betreibbar ist, daß er einen aus einer Mehrzahl von verschiedenen Strömen zeitlich variierender Koeffizientensignale, die jedes einer anderen Lokaloszillatorfrequenz entsprechen, auswählbaren Strom erzeugt, und der so betreibbar ist, daß er einen anderen Teil der Eingangsbandbreite trennt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte frequenzverschiebende komplexe Wandler ein abgestimmter komplexer Aufwärtswandler oder ein abgestimmter komplexer Abwärtswandler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere aus der Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen ein Paar aus einem komplexen Aufwärtswandler- und einem komplexen Abwärtswandlerpaar aufweist, welches zusammen so betreibbar sind, daß es ein komplexes Eingangssignal in einen oberen Frequenzteil und einen unteren Frequenzteil teilt, welche im wesentlichen zusammenhängend und gleich groß sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Ausgangssignalen durch entsprechende Feinabstimmungsstufen geleitet werden, die dazu dienen, die Zielträgersignale zu extrahieren.
Verfahren zum Auswählen von Betriebscharakteristika aus einer Mehrzahl von frequenztrennenden Stufen innerhalb einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bestimmen, ob zwei Zielsignale aus irgendeiner letzten frequenztrennenden Stufe extrahiert werden müssen, und wenn dies so ist, Bereitstellen von zwei feinabstimmbaren Elementen für diese letzten frequenztrennenden Stufen, Bestimmen einer Anzahl von frequenztrennenden Stufen, welche benötigt werden, um alle Zielsignale zu trennen, Erzeugen von Lokaloszillatorkoeffizientenwerten für jede frequenztrennende Stufe, Erzeugen von feinabstimmbaren Lokaloszillatorkoeffizientenwerten für jedes feinabstimmbare Element innerhalb der letzten frequenztrennenden Stufen und Auswählen eines bandformenden Filters, welches auf jedes Zielsignal angewandt wird.