DE69221970T2

DE69221970T2 - Verfahren und Einrichtung zur Aktualisierung der Koeffizienten eines komplexen, adaptiven Entzerrers

Info

Publication number: DE69221970T2
Application number: DE69221970T
Authority: DE
Inventors: Scott A. Leucadia California 92024 Lery; Woo H. Encinitas California 92024 Paik; Allen San Diego California 92130 Wu
Original assignee: General Instrument Corp
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1992-07-18
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2012-07-19
Also published as: US5243624A; AU646618B2; NO303898B1; IE80616B1; EP0524560A2; CA2073918C; EP0524560A3; EP0524560B1; HK1004935A1; NO922857D0; DE69221970D1; KR950006765B1; ATE157826T1; IE922325A1; AU2031192A; NO922857L; CA2073918A1; KR930003753A; JPH05226975A

Description

Die Erfindung betrifft die digitale Nachrichtentechnik und betrifft im besonderen einen verbesserten adaptiven Entzerrer zur Reduzierung der Intersymbolinterferenz in einem Empfangssignal.
Die Erfindung betrifft speziell ein Verfahren zur Aktualisierung von Koeffizienten zur Eingabe in eine Filterstufe eines adaptiven Entzerrers, wobei die Filterstufe einen der aktualisierten Koeffizienten im Verlauf eines jeden von aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen empfängt, wobei die Koeffizienten als Reaktion auf Fehlersignale aktualisiert werden, welche von entzerrten Daten hergeleitet sind, die von dem adaptiven Entzerrer ausgegeben werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine adaptive Entzerrer-Vorrichtung, umfassend: eine Filterstufe, wobei die Filterstufe einen der aktualisierten Koeffizienten im Verlauf eines jeden von aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen empfängt, und Aktualisierungsmittel zum Aktualisieren der Koeffizienten als Reaktion auf Fehlersignale, welche von Entzerrer-Daten hergeleitet sind, die von dem adaptiven Entzerrer ausgegeben werden.
Digitale Daten, beispielsweise digitalisierte Videodaten zur Verwendung bei der Abstrahlung von Signalen für das hochauflösende Fernsehverfahren (HDTV), können über terrestrische Analogkanäle, die im VHF- oder UHF-Bereich (Bereich sehr hoher Frequenzen bzw. ultrahoher Frequenzen) arbeiten, zur Übermittlung an Endbenutzer übertragen werden. Analoge Kanäle liefern korrumpierte und transformierte Versionen ihrer Eingangswellenformen. Die Korrumpierung der Wellenformen, in der Regel statistisch, kann additiv und/oder multiplikativ sein, infolge von möglichem thermischem Hintergrundrauschen, Impulsgeräusch und Überblendungen. Durch den Kanal hervorgerufene Transformationen sind Frequenzumsetzung, nichtlineare oder harmonische Verzerrung und Zeitdispersion.
Um digitale Daten über einen analogen Kanal zu übertragen, werden die Daten moduliert, wobei z.B. eine Form der Pulsamplitudenmodulation (PAM) zur Anwendung kommt. Typisch wird die Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) verwendet, um die Datenmenge zu erhöhen, die innerhalb einer verfügbaren Kanalbandbreite übertragen werden kann. Die QAM ist eine Form von PAM, wobei mehrere, z.B. 16 oder 32 Informationsbits zusammen in einem Muster übertragen werden, welches als "Konstellation" bezeichnet wird.
Bei der Pulsamplitudenmodulation ist jedes Signal ein Puls, dessen Amplitudenhöhe durch ein gesendetes Symbol bestimmt ist. Bei der 16-QAM kommen typisch Symbolamplituden von -3, -1, 1 und 3 in jedem Quadratur-Kanal zur Anwendung. In digitalen Kommunikationssystemen mit effizienter Bandbreitennutzung erstreckt sich die Wirkung jedes über einen zeitdispersiven Kanal gesendeten Signals über das zur Darstellung dieses Symbols verwendete Zeitintervall hinaus. Die durch die resultierende überlappung empfangener Symbole verursachte Verzerrung wird als Intersymbolinterferenz (151) bezeichnet. Diese Verzerrung stellt eines der größten Hindernisse für die zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über Kanäle mit geringem Hintergrundrauschen und begrenzter Bandbreite dar. Um dem Problem der ISI zu begegnen, wird eine Einrichtung benutzt, die als "Entzerrer" bekannt ist.
Die Reduzierung der durch einen Übertragungskanal eingebrachten Intersymbolinterferenz verlangt eine ziemlich präzise Entzerrung. Ferner sind die Kanaleigenschaften typischerweise nicht schon im voraus bekannt. Folglich ist es üblich, einen Kompromiß- (oder statistischen) Entzerrer zu entwerfen und zu verwenden, der für den Mittelwert des Bereichs erwarteter Kanalamplituden- und Laufzeitverzögerungscharakteristika kompensiert. Seit über 20 Jahren ist ein adaptives Filterungskonzept nach der Methode des kleinsten mittleren Fehlerquadrats (LMS, Least Mean Square) in Gebrauch. Dieser Algorithmus ist bei B. Widrow und M.E. Hoff, Jr., "Adaptive Switching Circuits", in IRE Wescon Conv. Rec., Part 4, pp. 96-104, Aug. 1960, beschrieben. Die Verwendung des LMS-Algorithmus in einem adaptiven Entzerrer zur Reduzierung der Intersymbolinterferenz ist bei S.U.H. Qureshi, "Adaptive Equalization", Proc. IEEB, Vol 73, No. 9, pp. 1349-1387, September 1987, beschrieben.
Bei einem LMS-Entzerrer werden die Entzerrerfilter-Koeffizienten so gewählt, daß der mittlere quadratische Fehler, d.h. die Summe der Quadrate aller 151-Terme plus die Rauschleistung am Ausgang des Entzerrers, minimal wird. Der LMS-Entzerrer maximiert daher das Signal-zu-Verzerrungs-Verhältnis an seinem Ausgang innerhalb der Einschränkungen der Entzerrer-Zeitspanne und der Verzögerung durch den Entzerrer. Vor Beginn der regulären Datenübertragung kann im Verlauf einer Trainingsperiode eine automatische Synthese des LMS-Entzerrers für unbekannte Kanäle durchgeführt werden. Dies beinhaltet für gewöhnlich die iterative Lösung eines Satzes simultaner Gleichungen. Während der Trainingsperiode wird ein bekanntes Signal gesendet und eine synchronisierte Version des Signals im Empfänger erzeugt, um Information über die Kanaleigenschaften zu gewinnen. Das Trainingssignal kann von periodischen, einzelnen Impulsen gebildet sein oder von einer kontinuierlichen Folge mit einem breiten, gleichförmigen Spektrum, wie ein allgemein bekanntes Maximallängen-Schieberegister oder eine Pseudo-Rausch-Folge.
Ein wichtiger Aspekt des Entzerrer-Verhaltens ist seine Konvergenz, die allgemein gemessen wird durch das Maß an Zeit in Symbolperioden, welche erforderlich ist, damit die Fehlervarianz im Entzerrer ein Minimum annimmt, welches idealerweise gleich Null ist. Um den effizientesten Betrieb für einen Datenempfänger zu erhalten, muß die Entzerrer-Konvergenzzeit auf ein Minimum reduziert werden.
Nach einer anfänglichen Trainingsperiode können die Koeffizienten eines adaptiven Entzerrers kontinuierlich in einer entscheidungsgerichteten Weise angepaßt werden. In diesem Modus wird das Fehlersignal vom Endempfängerschätzwert (der nicht notwendigerweise korrekt ist) der gesendeten Sequenz abgeleitet. Im Normalbetrieb sind die Empfängerentscheidungen mit hoher Wahrscheinlichkeit korrekt, so daß die Fehlerabschätzungen oft genug korrekt sind, um dem adaptiven Entzerrer zu erlauben, eine exakte Entzerrung aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus kann ein entscheidungsgerichteter adaptiver Entzerrer langsamen Variationen der Kanalcharakteristika oder linearen Störungen im Empfänger-Front-end, z.B. langsamem Jitter in der Abtasterphase, folgen.
Je größer die Schrittweite ist, desto schneller vermag der Entzerrer zu folgen. Jedoch muß ein Kompromiß zwischen schnellem Folgen und Mehrbetrag der Größe des mittleren Fehlerquadrats (MSE) des Entzerrers gefunden werden. Der Mehrbetrag der Größe des MSE ist der Teil der Fehler-Leistung, die über dem kleinsten erzielbaren MSE (mit bei ihren optimalen Einstellungen eingefrorenen Abgriffverstärkungen ((tap gains)) liegt. Dieser Mehrbetrag der Größe des MSE, hervorgerufen durch um die optimalen Einstellungen wandernde Abgriffverstärkungen, ist direkt proportional der Zahl der Entzerrer-Koeffizienten, der Schrittweite und der Kanal-Rauschleistung.
Viele Übertragungssysteme verwenden Modulationskonzepte, die mit komplexen Signal-Sätzen konstruiert sind. In anderen Worten: die Signale werden als Vektoren in der komplexen Ebene angesehen, wobei die reelle Achse der In-Phase-(I-)Kanal und die imaginäre Achse der Quadratur-(Q-)Kanal genannt wird. Demzufolge kommt es dann, wenn diese Signale Kanalverzerrungen und Empfängerbeeinträchtigungen unterworfen sind, zum Auftreten von Nebensprechen zwischen dem I-Kanal und dem Q-Kanal, was einen komplexen adaptiven Entzerrer erforderlich macht. In diesem Fall sind die Koeffizienten des Entzerrers komplexwertig. Falls, wie bereits erwähnt, die Kanalverzerrung für den Empfänger unbekannt ist, dann müssen die Koeffizienten angepaßt werden, nachdem das System in Betrieb gewesen ist, um die Kanalverzerrung aufzuheben. Die Bezeichnung "adaptiv" bei einem komplexen adaptiven Entzerrer bedeutet die laufende Anpassung der Koeffizienten.
Adaptive Entzerrer nach dem Stand der Technik, einschließlich komplexe adaptive Entzerrer, kranken an einer relativ langen Konvergenzzeit des LMS-Algorithmus. Alternative Algorithmen, wie der rekursive Algorithmus nach der Methode der kleinsten Quadrate (RLS, recursive least squares) wurden entwickelt, um diesen Nachteil zu überwinden, und tatsächlich konvergiert der RLS-Algorithmus schneller als der LMS-Algorithmus. Jedoch ist der RLS-Algorithmus komplizierter zu implementieren als der LMS-Algorithmus, und es treten auch numerische Stabilitätsprobleme in Verbindung mit dem RLS-Algorithmus auf. Aus diesem Grund hat man in Ausführungen nach dem Stand der Technik die längere Konvergenzzeit der LMS-Implementierung in Kauf genommen, um die Nachteile des RLS-Konzepts zu vermeiden.
Obgleich der LMS-Algorithmus weniger kompliziert zu implementieren ist als andere Algorithmen, wie etwa der RLS-Algorithmus, ist dennoch ein großer Hardware-Aufwand zur Realisierung des Algorithmus erforderlich in Systemen, in denen Gleitkomma- Signalprozessoren nicht schnell genug sind.
In International Journal of Electronics, Vol 55, No. 3, September 1983, pages 473-477, Rao B.V. et al.: "A New Design for Digital Adaptive Filters" ist ein adaptiver Entzerrer offenbart, wobei pro Filtertaktzyklus nur ein Entzerrer- Koeffizient aktualisiert wird.
Die US 4 435 823 bezieht sich lediglich auf ein FIR-Filter und offenbart eine parallele Verarbeitung in Zusammenhang mit den Ausgangssignalen von den FIR-Filterverzögerungen.
In IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol SAC-5, No. 3, April 1987, New York, NY, US, pp. 466-475, Baccetti B. et al.: "Full Digital Adaptive Equalization in 64-QAM Radio Systems" ist die digitale Realisierung eines adaptiven Basisband-Entzerrers offenbart
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und eines adaptiven Entzerrers unter Implementierung des LMS-Algorithmus, derart, daß die Hardware auf ein Mindestmaß reduziert wird, ohne Systemleistung zu opfern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Aktualisierung von Koeffizienten zur Eingabe in eine Filterstufe eines adaptiven Entzerrers, wobei die Filterstufe einen der aktualisierten Koeffizienten im Verlauf eines jeden von aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen empfängt, wobei die Koeffizienten als Antwort auf Fehlersignale aktualisiert werden, welche von entzerrten Daten hergeleitet sind, die von dem adaptiven Entzerrer ausgegeben werden, wobei erfindungsgemäß mehrere derartiger Koeffizienten in jedem Filtertaktzyklus gleichzeitig aktualisiert werden, indem nicht entzerrte Daten durch N aufeinanderfolgende Verzögerungselemente geführt werden, um eine verzögerte Probe der nicht entzerrten Daten von jedem der Verzögerungselemente bereitzustellen;
wobei das Produkt aus jeder von den Verzögerungselementen abgegebenen verzögerten Probe mit einem Fehlersignal, welches von entzerrten Daten hergeleitet ist, die von dem adaptiven Entzerrer ausgegeben werden, gewonnen wird;
wobei das zu jedem Verzögerungselement korrespondierende Produkt mit vorangegangenen, zu diesem Verzögerungselement korrespondierenden Produktdaten kombiniert wird, um N aktualisierte Koeffizienten im Verlauf eines jeden der Filtertaktzyklen zu erhalten; und
wobei im Verlauf eines jeden der aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen einer der im Verlauf dieses Zyklus aktualisierten N Koeffizienten der Filterstufe zugeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine adaptive Entzerrer- Vorrichtung, umfassend:
eine Filterstufe, wobei die Filterstufe einen der aktualisierten Koeffizienten im Verlauf eines jeden von aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen empfängt,
Aktualisierungsmittel zum Aktualisieren der Koeffizienten als Reaktion auf Fehlersignale, welche von Entzerrer-Daten hergeleitet sind, die von dem adaptiven Entzerrer ausgegeben werden,
wobei erfindungsgemäß
die Aktualisierungsmittel eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Verzögerungselementen umfassen, welche miteinander gekoppelt sind, um eine Mehrzahl von verzögerten Proben von nicht entzerrten Signal-Daten bereitzustellen, die zur Verwendung beim Aktualisieren der Koeffizienten ausgegeben werden;
Mittel vorgesehen sind, um die von den Verzögerungselementen ausgegebenen verzögerten Proben mit einem Fehlersignal zu multiplizieren, welches von entzerrten Daten hergeleitet ist, die von dem adaptiven Entzerrer ausgegeben werden, wobei die multiplizierenden Mittel ein zu jedem Verzögerungselement korrespondierendes Produkt bereitstellen;
Mittel vorgesehen sind, um das zu jedem Verzögerungselement korrespondierende Produkt mit vorangegangenen, zu diesem Verzögerungselement korrespondierenden Produktdaten zu kombinieren, um gleichzeitig einen zu jedem Verzögerungselement korrespondierenden aktualisierten Koeffizienten in jedem der Filtertaktzyklen zu erzeugen; und
Mittel vorgesehen sind, um der Filterstufe im Verlauf eines jeden der aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen den zu einem der Verzögerungselemente korrespondierenden aktualisierten Koeffizienten zuzuführen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche 8 bis 17.
Die Erfindung schafft eine vorteilhafte Realisierung des LMS- Algorithmus unter Minimierung der Hardware, ohne Systemleistung zu opfern.
Ferner schafft die Erfindung einen vorteilhaften adaptiven LMS- Entzerrer, der ein verbessertes Konvergenzverhalten (d.h. kürzere Konvergenzzeit) ohne unangemessene zusätzliche Komplexität aufweist.
Ferner schafft die Erfindung einen vorteilhaften adaptiven Entzerrer, der sich leicht in einer integrierten Schaltung realisieren läßt, beispielsweise in einem Baustein mit VLSI-Komplexität (Very Large Scale Integration, sehr hohe Integrationsdichte).
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Aktualisieren von Koeffizienten in einem komplexen adaptiven Entzerrer geschaffen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden komplexe Signal- Daten durch eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Verzögerungsstufen geleitet, um N Sätze von verzögerten komplexen Signal-Daten bereitzustellen. Es wird das Produkt aus jedem Satz mit einem komplexen Fehlersignal gewonnen, und jedes Produkt wird gleichzeitig mit vorangegangenen Produktdaten für den Satz aktualisiert, um N Sätze von aktualisierten komplexen Koeffizienten zur selektiven Eingabe in Entzerrerfilter zu erhalten. Durch das gleichzeitige Aktualisieren der von jeder der aufeinanderfolgenden Verzögerungsstufen und dem Fehlersignal hergeleiteten Produkte wird die Konvergenzzeit des Entzerrers merklich reduziert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die komplexen Koeffizienten jedes aktualisierten Satzes abgeschnitten, und die Verstärkung dieser Koeffizienten wird angepaßt, um Koeffizienten von geeigneter Größe zur Filterung durch die Entzerrerfilter bereitzustellen. Die Sätze von angepaßten abgeschnittenen Koeffizienten werden gemultiplext, um einen getakteten Strom von Koeffizienten-Sätzen zur Eingabe in die Entzerrerfilter bereitzustellen.
Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Aktualisieren von Koeffizienten in einem adaptiven Entzerrer.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere aufeinanderfolgende Verzögerungsstufen miteinander gekoppelt, um mehrere Sätze von verzögerten Signal-Daten aus einem Eingangssignal zu erhalten. Es sind Mittel vorgesehen, um jeden Satz verzögerter Signal-Daten mit einem Fehlersignal zu multiplizieren, um eine Mehrzahl von Produkten bereitzustellen. Es sind Mittel vorgesehen zum gleichzeitigen Aktualisieren jedes Produkts mit vorangegangenen Produktdaten, um mehrere Sätze von aktualisierten Koeffizienten bereitzustellen. Die aktualisierten Koeffizienten-Sätze werden selektiv einer Entzerrer-Filterstufe zugeführt.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfassen die Mittel zum Aktualisieren eine Mehrzahl von parallelen Verarbeitungswegen, und zwar jeweils einen zum Aktualisieren eines der Produkte. Die parallelen Verarbeitungswege sind jeweils zwischen die multiplizierenden Mittel und die Mittel zum selektiven Eingeben der aktualisierten Koeffizienten-Sätze in die Entzerrer-Filterstufe gekoppelt. Jeder der parallelen Verarbeitungspfade umfaßt einen Addierer, welcher einen ersten Eingang zum Empfang eines Produktes von den multiplizierenden Mitteln, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist. Es ist eine Verzögerungsschaltung angekoppelt, um Produktdaten vom Ausgang des Addierers aufzunehmen und verzögerte Produktdaten an den zweiten Addierer-Eingang anzukoppeln. Es sind Mittel vorgesehen, um den Ausgang des Addierers an die selektiven Eingabe- Mittel anzukoppeln.
Die parallelen Verarbeitungswege können ferner zwischen den Addiererausgang und die selektiven Eingabemittel gekoppelte Mittel zum Abschneiden der aktualisierten Koeffizienten umfassen. Es können auch Mittel zwischen dem Addiererausgang und den selektiven Eingabemitteln vorgesehen sein, um die Verstärkung der aktualisierten Koeffizienten anzupassen. Die Sätze von aktualisierten Koeffizienten können gemultiplext werden, um einen getakteten Strom von Koeffizienten-Sätzen zur Eingabe in die Entzerrer-Filterstufe zu erhalten.
Bei einer Implementierung auf der Basis eines integrierten Schaltkreises können die Multiplizier-Mittel eine Mehrzahl von Multiplizier-Stufen entsprechend der Mehrzahl von Verzögerungsstufen umfassen. Ähnlich können die aktualisierenden Mittel eine Mehrzahl von aktualisierenden Stufen entsprechend der Mehrzahl von Verzögerungs- und Multiplizier-Stufen umfassen. Auf diese Weise bilden Sätze von korrespondierenden Verzögerungs-, Multiplizier- und Aktualisierungsstufen parallele Verarbeitungswege für die Sätze von verzögerten Signal-Daten. Die parallelen Pfade werden sodann als Slice-Bausteine in einer integrierten Schaltung implementiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Zeichnungen und in der Detailbeschreibung der Ausführungsformen der Erfindung offenbart.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines typischen Übertragungssystems, aus dem die Anordnung eines komplexen adaptiven Entzerrers hervorgeht;
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines komplexen adaptiven Entzerrers mit MxN Abgriffen (MxN-tap-Komplex-adaptiver Entzerrer), unter Verwendung kaskadierter Komponenten;
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines komplexen FIR-Filters mit N Abgriffen (N-tap finite-impulse-response-Filter, Filter mit endlicher Impulsantwort), welches in dem Entzerrer von Fig. 2 verwendet werden kann;
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, welches eine theoretische FIR-Filterstruktur zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockschaltbild, welches eine praktische FIR-Filterstruktur zeigt;
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer VLSI-Implementierung der Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsschaltung von Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Antwortkurve, aus der die Konvergenzzeit eines komplexen adaptiven Entzerrers nach dem Stand der Technik hervorgeht; und
Fig. 9 ist eine Antwortkurve, welche die Konvergenzzeit eines komplexen adaptiven Entzerrers gemäß der Erfindung zeigt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Übertragungssystem wird ein zur Übertragung anstehendes Signal über einen Eingangsanschluß 10 einem Sender 12 zugeführt. Das Signal enthält digitale Daten, die auf einen analogen Träger moduliert sind, z.B. unter Anwendung hinreichend bekannter QAM-Techniken. Die QAM-modulierten Daten stellen ein komplexes Signal dar, welches Realkomponenten 1 und Imaginärkomponenten Q aufweist. Der Sender 12 ist ein herkömmliches Bauteil, beispielsweise ein allgemein bekannter VHF- oder UHF-Sender.
Das Sendesignal wird über einen Kanal 14, beispielsweise ein terrestrischer VHF- oder UHF-Übertragungskanal, an einen Empfänger übertragen, der einen Quadratur-Demodulator 16 für die QAM-Daten enthält. Der Quadratur-Demodulator 16 ist eine herkömmliche Komponente, welche die I- und Q-Komponenten der empfangenen Daten zur Eingabe in einen komplexen adaptiven Entzerrer 18 extrahiert. Komplexe adaptive Entzerrer an sich sind auf dem Fachgebiet hinreichend bekannt. Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Entzerrer mit einer reduzierten Konvergenzzeit unter Verwendung des LMS-Algorithmus. Wie in Fig. 1 veranschaulicht, sind die dem komplexen adaptiven Entzerrer 18 zugeführten empfangenen Kanaldaten nicht entzerrt und sind mit der Intersymbolinterferenz behaftet, die durch die durch den Übertragungskanal 14 eingeführte Amplituden und/oder Laufzeitverzerrung verursacht wird. Der komplexe adaptive Entzerrer 18 kompensiert diese Verzerrung und gibt entzerrte Kanal-Daten Iequ und Qequ aus. Die entzerrten Kanal-Daten werden einem herkömmlichen Decoder 20 zugeführt, um die übertragenen Informationsdaten zurückzugewinnen, welche beispielsweise HDTV-Video-Information umfassen können.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des komplexen adaptiven Entzerrers 18 in größerem Detail. Nicht entzerrte Kanal-Daten aus dem Quadratur-Demodulator werden an Anschlüssen 30 bzw. 32 eingespeist. Der Anschluß 30 empfängt die Realkomponente (I) der demodulierten Kanal-Daten, und der Anschluß 32 empfängt die Imaginärkomponente (Q) der demodulierten Kanal-Daten. Jedes der demodulierten I- und Q-Signale umfaßt m-bit Bytes, die einer ersten Stufe 34 von N-Abgriff-(tap-)FIR-Filtern sowie einem q-bit-Quantisierer 38 zugeführt werden. Der Quantisierer 38 quantisiert jedes m-bit-Byte in ein kleineres Byte zur Eingabe in eine N-Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsschaltung 36.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt der Entzerrer 18 M Sätze oder Stufen, die jeweils eine N-Abgriff-FIR-Filterschaltung und eine N-Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsschaltung enthalten. Nach der letzten (M-ten) Stufe werden die Ausgangssignale der letzten N-Abgriff-FIR-Filterschaltung in Addierern 40, 42 kombiniert, um die reellen entzerrten Kanal-Daten I und die imaginären entzerrten Kanal-Daten Q zu erhalten. Die entzerrten I- und Q-Daten werden auch einem Fehlersignal-Generator 44 zugeführt, der ein Fehlersignal ausgibt, welches auf eine jede der Aktualisierungs-Berechnungsschaltungen 36 bis 36M zurückgeführt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Fehlersignal-Generator 44 einen programmierbaren Festspeicher (PROM), der vorberechnete, gespeicherte Fehlerwerte als Antwort auf die Q- und I-Daten ausgibt, welche zum Adressieren des PROM verwendet werden. Die gespeicherten Fehlerwerte wurden zuvor unter Verwendung des bekannten LMS-Algorithmus berechnet.
Die Endstufe 34M der N-Abgriff-FIR-Filterschaltung ist in größerem Detail in Fig. 3 dargestellt. Wie gezeigt, sind vier FIR- Filtersätze 58, 60, 62 und 64 zum Empfang der reellen und imaginären Kanal-Daten aus den vorangegangenen Stufen vorgesehen. Die reellen Daten, in der Form von m-bit-Bytes, werden an einem Anschluß 50 empfangen und einem jeden der N-Abgriff-FIR-Filter 58, 60 zugeführt. Die imaginären Daten in der Form von m-bit-Bytes werden an einem Anschluß 54 empfangen, um den N-Abgriff-FIR-Filtern 62, 64 zugeführt zu werden.
Durch die Aktualisierungs-Berechnungsschaltungen 36 bis 36M (Fig. 2) erzeugte Koeffizienten werden den Anschlüssen 52 und 56 der N-Abgriff-FIR-Filterschaltung zugeführt. Im einzelnen empfängt der Anschluß 52 die reellen Koeffizienten zur Eingabe in die Filter 58 und 64, und der Anschluß 56 empfängt die imaginären Koeffizienten zur Eingabe in die Filter 60 und 62. Die Ausgänge der Filter 58, 62 werden in einem Addierer 66 subtrahiert, um die reellen Filterdaten zu erhalten. Die Ausgänge der Filter 60, 64 werden in einem Addierer 68 addiert, um die imaginären gefilterten Daten zu erhalten. Die Funktionsweise einer derartigen N-Abgriff-FIR-Filterschaltung ist ausführlicher in dem bereits genannten Artikel von S.U.H. Qureshi, z.B. auf Seiten 1355-1356 beschrieben.
Fig. 4 zeigt eine theoretische Struktur eines FIR-Filters und wird häufig herangezogen, um derartige Filter zu beschreiben. Jedoch wird die Struktur von Fig. 4 selten in der Praxis verwendet, infolge der damit verbundenen Komplexitäten, einen N-Eingabe-Addierer, wie den Addierer 78, aufzubauen, und der Notwendigkeit, N Verzögerungselement-Ausgänge bereitstellen zu müssen, was N Ausgangspins in einer integrierten Schaltkreis- Implementierung erforderlich machen würde. Bei der dargestellten theoretischen Struktur werden (reelle oder imaginäre) Daten an einem Anschluß 70 mehreren aufeinanderfolgenden Verzögerungselementen 74a, 74b, ..., 74n zugeführt. Koeffizienten- Daten werden an einem jeden von mehreren Anschlüssen 72a, 72b, 72c, ..., 72n+1 eingespeist, um auf einen dazugehörigen Multiplizierer 76a, 76b, 76c, ..., 76n+1 gegeben zu werden. Die Multiplizierer gewinnen das Produkt aus den Koeffizienten mit den Eingabedaten, wie sie nacheinander durch die Verzögerungsstufen 74a bis 74n verzögert werden. Die Produkte werden in einem Addierer 78 aufsummiert, um auf einen geeigneten Addierer 66 oder 68 gegeben zu werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Somit werden die Ausgänge der N Verzögerungselemente 74a bis 74n, die einen Vektor vorangegangener Daten bilden, in Einklang mit dem LMS-Algorithmus verwendet, um die FIR-Koeffizienten zu aktualisieren.
In der Praxis wird eine FIR-Filterstruktur wie die in Fig. 5 gezeigte verwendet. Daten (reell oder imaginär) werden an einem Anschluß 80 eingespeist, um auf einen jeden von mehreren Multiplizierern 84a, 84b, 84c, ..., 84n gegeben zu werden. Koeffizienten werden jedem der Multiplizierer an entsprechenden Anschlüssen 82a, 82b, 82c, ..., 82n zugeführt. Die Produkte aus Eingangsdaten und Koeffizienten werden einer entsprechenden Verzögerungsschaltung 86a, 86b, ..., 86n über entsprechende Addierer 88a, 88b, ..., 88n-1 zugeführt. Der Ausgang der Verzögerungsschaltung 86n umfaßt die gefilterten Daten zur Eingabe in den Addierer 66 oder Addierer 68 von Fig. 3. Die Funktionsweise des FIR-Filters ist auf dem Fachgebiet hinreichend bekannt.
Allgemein kann nur ein Koeffizient eines FIR-Filters pro Filtertaktzyklus geändert werden. Somit erfordert es N Filtertaktzyklen, um eine komplette Anpassung eines N-Abgriff-Filters herbeizuführen. Wenn M N-Abgriff-Filter und Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsschaltungen kaskadiert sind, wie in Fig. 2 gezeigt, erfordert es nur N Filtertaktzyklen, um alle MxN Abgriffe zu aktualisieren. In Ausführungen nach dem Stand der Technik wurden, da nur ein Koeffizient des FIR-Filters pro Filtertaktzyklus verändert wird, alle übrigen Koeffizienten in ihrem vorherigen Zustand gehalten, bis der nächste Aktualisierungszyklus für diesen Koeffizienten eintraf. Dies resultierte in einer recht langen Konvergenzzeit für einen adaptiven Entzerrer mit derartigen Filtern.
Die vorliegende Erfindung reduziert die Konvergenzzeit des Entzerrers, indem alle N Koeffizienten in jedem Filtertaktzyklus aktualisiert werden, selbst wenn die FIR-Filter nur einen aktualisierten Koeffizienten pro Filtertakzyklus aufnehmen können. Da die Koeffizienten kontinuierlich aktualisiert werden, wird ihre Konvergenzzeit reduziert.
Die Erfindung implementiert den LMS-Algorithmus in quantisierter Form, um die Koeffizienten zu aktualisieren. In nicht quantisierter Form ist der Algorithmus gegeben durch:
Cn+1 = Cn + Δ EnX*n
worin Cn der komplexe Vektor der Koeffizienten ist, Xn der komplexe Vektor der verzögerten Daten ist, worin * die komplexe Konjugierung bedeutet, worin E das komplexe Fehlersignal und Δ ein Skalenfaktor ist. In quantisierter Form ist der Algorithmus:
Qm[Cn+i]=Qm[Cn]+δQs[En]Qq[X*n]
worin Qi ein i-bit-Quantisierer ist, 6 für einen Skalenfaktor steht und der letzte quantisierte Koeffizient gegeben ist durch
Qp{Qm[Cn+1]}.
Fig. 6 zeigt eine komplexe Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsschaltung 36 mit 64 Abgriffen (tap) gemäß der Erfindung. Quantisierte nicht entzerrte komplexe 2-bit-Daten (reell und imaginär) werden an einem Anschluß 90 (reell) und einem Anschluß 92 (imaginär) eingespeist. Ähnlich werden die quantisierten reellen und imaginären 2-bit-Komponenten eines komplexen Fehlersignals an Anschlüssen 96 bzw. 98 eingespeist. 64 kaskadierte Verzögerungselemente 94 empfangen die reellen und imaginären Daten zur Eingabe, zusammen mit den Fehlersignalen, als Adressen für einen Multiplikations-Nur-Lese-Speicher (ROM), der das Produkt jeder Datenkomponente mit jeder Fehlerkomponente zur Eingabe in eine Akkumulator- und Verstärkungs einstellungsschaltung gewinnt, welche dem jeweiligen Verzögerungselement zugeordnet ist, aus dem die Daten ausgegeben wurden. Die Schaltung 102a ist ein Beispiel für eine der Akkumulator- und Verstärkungseinstellungsschaltungen.
Wie aus Fig. 6 zu ersehen, umfaßt jede Akkumulator- und Verstärkungseinstellungsschaltung 102a bis 102n einen 20-bit-Akkumulator 104, der das Produkt aus dem Multiplikations-ROM 100 mit einem von einer Verzögerungsschaltung 106 ausgegebenen verzögerten Produkt summiert. Die Verzögerungsschaltung 106 gibt verzögerte 20-bit-Koeffizienten aus. Der 20-bit-Akkumulator wird verwendet, um die Koeffizienten zu aktualisieren. Der LMS- Skalenfaktor A ist in der Breite des Akkumulators inhärent enthalten. Nach Akkumulierung werden die Koeffizienten in einer herkömmlichen Abschneide- und Verstärkungseinstellungsschaltung 108 abgeschnitten und in der Verstärkung angepaßt. Die Verstärkungseinstellung paßt die Größe der Koeffizienten an. Ein Multiplexer 110 empfängt alle Koeffizienten aus den Akkumulator- und Verstärkungseinstellungsschaltungen 102a bis 102n, multiplext sie zusammen und selektiert einen komplexen Koeffizienten zur Ausgabe an den FIR-Filter in jedem Filtertaktzyklus. Es ist ein Takteingang 112 vorgesehen, zur Eingabe des Taktsignals in den Multiplexer 110.
Die an den abgeschnittenen Koeffizienten vorgenommene Verstärkungseinstellung schafft ein Mittel zur Verbesserung des Verhaltens in bezug auf das Rauschen. Die Werte der weniger signifikanten Koeffizienten können begrenzt werden, um Zufallsschwankungen um ihre optimalen Werte zu minimieren. Dies minimiert ihren Beitrag zu der übermäßigen Fehlervarianz, die ein dem LMS-Algorithmus inhärentes Problem ist.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung der Koeffizientenaktualisierungs- Berechnungsschaltung von Fig. 6, die sich für eine VLSI-Implementierung anbietet. Wie in Fig. 7 veranschaulicht knnen die multiplizierenden Mittel eine Mehrzahl von Multiplizier- Stufen 122 auf der Basis von programmierbaren Logikanordnungen (PLA) umfassen, entsprechend der Mehrzahl von in dem Verzögerungsabschnitt 94 vorgesehenen Verzögerungselementen. Jedes Verzögerungselement und jede PLA-Multiplikationsstufe entspricht einer der Akkumulator- und Verstärkungseinstellungsstufen 102a bis 102n, so daß ein Parallel-Verarbeitungspfad 120 geschaffen wird. Jeder Parallel-Verarbeitungspfad 120 kann einen separaten VLSI-Slice-Baustein liefern, um eine integrierte Schaltung herzustellen.
Da bei der erfindungsgemäßen Koeffizientenaktualisierungs- Berechnungsschaltung alle N Koeffizienten in jedem Filtertaktzyklus parallel aktualisiert werden, anstelle von nur einem Koeffizienten pro Zyklus, erfährt die Konvergenzzeit des Entzerrers durch die praktische Realisierung des LMS-Algorithmus keine wesentliche Verschlechterung. Tatsächlich liegt die Konvergenzzeit gemäß der Erfindung in der Größenordnung des 1/N- fachen der Konvergenzzeit von Konzepten nach dem Stand der Technik, die pro Zyklus lediglich einen Koeffizienten anpassen.
Die Figuren 8 und 9 zeigen die Ergebnisse von zwei Simulationen, wobei die Konvergenzzeiten von zwei Entzerrern verglichen werden. Das in Fig. 8 veranschaulichte Verhalten des Entzerrers nach dem Stand der Technik verwendet ein Koeffizientenaktualisierungskonzept, bei dem pro Filtertaktzyklus nur ein Koeffizient angepaßt wird. Fig. 9 zeigt das Verhalten eines erfindungsgemäßen Entzerrers, wobei in jedem Filtertaktzyklus alle N Koeffizienten parallel aktualisiert werden. Bei den Simulationen kam die quantisierte Version des LMS-Algorithmus und ein Fractionally-Spaced-Entzerrer mit 256 komplexen Abgriffen zur Anwendung. Beide Simulationen verwendeten vier 64-Koeffizientenaktualisierungs-Berechnungsblöcke, wie in Fig. 6 gezeigt, wobei jedoch die Anpassung der Koeffizienten für den Entzerrer nach Fig. 8 auf einen Koeffizienten pro Filtertaktzyklus begrenzt war, anstatt alle Koeffizienten parallel zu verarbeiten. Das Übertragungssystem war 16-QAM mit einer Symbolrate von 5 MHz, mit additivem weißem Gaußschen Rauschen (AWGN) und durch Mehrwegübertragung hervorgerufene Verzerrung. Das Träger/Rausch-Verhältnis (C/N) betrug 30 dB, und der Mehrweg wies einen reflektierten Strahl auf, der um 5 Mikrosekunden verzögert war, was unter -10 dB von dem direkten Strahl war.
Das dargestellte Vergleichskriterium ist die Fehlervarianz (EV) als Funktion der Konvergenzzeit in Symbolperioden, wobei der Fehler die Differenz zwischen dem Empfangssignalpunkt und dem nächstgelegenen 16-QAM-Konstellationspunkt ist. Wie aus dem Vergleich zwischen der Antwort 130 von Fig. 8 mit der Antwort 140 von Fig. 9 zu ersehen, wird eine Verminderung der Konvergenzzeit um den Faktor 64 erreicht (31 250/2 000 000 Symbolperioden), indem alle Koeffizienten in jedem Filtertaktzyklus angepaßt werden, verglichen mit der Anpassung von nur einem Koeffizienten pro Zyklus. Somit schafft die erfindungsgemäße parallele Verarbeitung eine deutliche Verbesserung im Verhalten gegenüber dem Stand der Technik.
Es wird nun erkennbar sein, daß die Erfindung einen verbesserten Entzerrer schafft, im besonderen einen komplexen adaptiven Entzerrer, wobei die Konvergenzzeit deutlich vermindert wird, dadurch, daß alle Koeffizienten in jedem Filterzyklus parallel aktualisiert werden.

Claims

1. Verfahren zum Aktualisieren von Koeffizienten zur Eingabe an eine Filterstufe (34) eines adaptiven Entzerrers (18), wobei die Filterstufe (34) einen der aktualisierten Koeffizienten während einem jeden von aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen empfängt, wobei die Koeffizienten als Antwort auf Fehlersignale, welche von einem entzerrten Datenausgangssignal von dem adaptiven Entzerrer (18) abgeleitet werden, aktualisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl der Koeffizienten während jedem Filtertaktzyklus gleichzeitig aktualisiert werden durch Durchlaufen von nicht entzerrten Daten durch N aufeinanderfolgende Verzögerungselemente (94), um eine verzögerte Probe der nicht entzerrten Daten von jedem der Verzögerungselemente bereitzustellen;

das Produkt von jedem verzögerten Probeausgangssignal von den Verzögerungselementen (94) und einem Fehlersignal, welches von dem entzerrten Datenausgangssignal von dem adaptiven Entzerrer (18) abgeleitet wird, erhalten wird; das Produkt, welches zu jedem der Verzögerungselemente korrespondiert, mit vorhergehenden Produktdaten kombiniert wird, welche zu diesem Verzögerungselement korrespondieren, um N aktualisierte Koeffizienten während jedem der Filtertaktzyklen zu erzeugen;

und während jedem aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklus wird einer der N Koeffizienten, welche während dieses Zykluses aktualisiert werden, an die Filterstufe (34) eingegeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Entzerrer (18) ein komplexer adaptiver Entzerrer ist, und Signaldaten, Fehlersignal und Koeffizienten komplexe Komponenten mit Real- und Imaginärteil aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches den weiteren Schritt umfaßt:

Abschneiden der Koeffizienten jedes aktualisierten Satzes.

4. Verfahren nach Anspruch 3, welches den weiteren Schritt umfaßt:

Anpassen der Verstärkung der abgeschnittenen Koeffizienten.

5. Verfahren nach Anspruch 4, welches den weiteren Schritt umfaßt:

Multiplexieren der Sätze von angepaßten und/oder abgeschnittenen Koeffizienten, um einen getakteten Strom von Koeffizientensätzen zur Eingabe an die Entzerrerfilter bereitzustellen.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches den weiteren Schritt umfaßt:

Multiplexieren der Sätze von aktualisierten Koeffizienten, um einen getakteten Strom von Koeffizientensätzen zur Eingabe an die Entzerrerfilter bereitzustellen.

7. Adaptiv-Entzerrer-Vorrichtung, welche umfaßt:

eine Filterstufe (34), wobei die Filterstufe (34) einen von aktualisierten Koeffizienten während einem jedem von aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen empfängt,

Aktualisierungsmittel (36) zum Aktualisieren der Koeffizienten als Antwort auf Fehlersignale, welche von einem Entzerrer-Datenausgangssignal von dem adaptiven Entzerrer (18) abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktualisierungsmittel (36) eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Verzögerungselementen (94) umfassen, welche miteinander gekoppelt sind, um eine Mehrzahl von verzögerten Proben von nicht entzerrten Signaldaten bereitzustellen, die zur Verwendung beim Aktualisieren der Koeffizienten ausgegeben werden;

Mittel (100) sind vorgesehen zum Multiplizieren der verzögerten Probeausgangssignale von den Verzögerungs elementen mit einem Fehlersignal, welches vom entzerrten Datenausgangssignal von dem adaptiven Entzerrer (18) abgeleitet ist, wobei die multiplizierenden Mittel (100) ein Produkt bereitstellen, welches zu jedem einzelnen Verzögerungselement korrespondiert;

Mittel (102) sind vorgesehen zum Kombinieren des Produkts, welches zu jedem Verzögerungselement korrespondiert, mit vorhergehenden Produktdaten, die zu diesem Verzögerungselement korrespondieren, um gleichzeitig einen aktualisierten Koeffizienten zu erzeugen, der zu jedem Verzögerungselement korrespondiert, während jedem der Filtertaktzyklen;

und Mittel (110) sind vorgesehen zum Eingeben an die Filterstufe (34) während jedem der aufeinanderfolgenden Filtertaktzyklen, wobei der aktualisierte Koeffizient zu einem der Verzögerungselemente korrespondiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Aktualisierungsmittel (36) eine Mehrzahl von parallelen Verarbeitungspfaden (102) umfassen, wobei jeder Pfad (102) zwischen die multiplizierenden Mittel (100) und den eingebenden Mitteln (110) zum Aktualisieren eines der Produkte gekoppelt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei jeder der Pfade (102) umfaßt:

einen Addierer (104), welcher einen ersten Eingang zum Empfangen eines Produkts von den multiplizierenden Mitteln (100), einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist;

einen Verzögerungskreis (106), welcher angekoppelt ist, um Produktdaten von dem Ausgang zu empfangen und um die verzögerten Produktdaten an den zweiten Eingang zu koppeln; und

Mittel zum Koppeln des Ausgangs an die selektiven eingebenden Mittel (110).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Pfade (102) weiter umfassen:

Mittel (108), die zwischen den Addierer (104)-Ausgang und die selektiven eingebenden Mittel (110) gekoppelt sind, um die aktualisierten Koeffizienten abzuschneiden.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Pfade (102) weiter umfassen:

Mittel (108), welche zwischen den Addierer (104)-Ausgang und die selektiven eingebenden Mittel (110) gekoppelt sind, zum Anpassen der Verstärkung der aktualisierten Koeffizienten.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, welche weiter umfaßt:

Mittel (108) zum Abschneiden der aktualisierten Koeffizienten.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 oder 12, welche weiter umfaßt:

Mittel (108) zum Anpassen der Verstärkung der aktualisierten Koeffizienten.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei die eingebenden Mittel (110) umfassen:

Mittel zum Multiplexieren der Sätze von aktualisierten Koeffizienten, um einen getakteten Strom von Koeffizientensätzen zur Eingabe an die Entzerrer-Filterstufe (34) bereitzustellen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die multiplizierenden Mittel (100) eine Mehrzahl von multiplizierenden Stufen (122), welche zu der Mehrzahl von Verzögerungsstufen korrespondieren, umfassen;

die Aktualisierungsmittel (36) umfassen eine Mehrzahl von Aktualisierungsstufen, die zu der Mehrzahl von Verzögerungsstufen und multiplizierenden Stufen korrespondieren; und

wobei Sätze von korrespondierenden Verzögerungs-, multiplizierenden und aktualisierenden Stufen parallele Verarbeitungspfade für die Sätze von verzögerten Signaldaten bilden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die parallelen Pfade als Scheiben in einen integrierten Schaltkreis implementiert sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, wobei der adaptive Entzerrer (18) ein komplexer adaptiver Entzerrer ist und die Signaldaten, Fehlersignal und Koeffizienten komplexe Komponenten mit Realteil (I) und Imaginärteil (Q) umfassen.