DE69804823T2

DE69804823T2 - Breitbandkanalisierung mit unterabgetasteten diskreten fourier-tansformationen

Info

Publication number: DE69804823T2
Application number: DE69804823T
Authority: DE
Inventors: C. Zangi
Original assignee: Ericsson Inc
Current assignee: Ericsson Inc
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: CA2301105A1; JP2002519902A; AU8923598A; JP4128746B2; KR20010023224A; EP1016211B1; DE69804823D1; WO1999010979A1; CN1269067A; US6005900A; EP1016211A1; AU753799B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Breitbandkanalführungs- bzw. Belegungstechniken, und insbesondere ein Verfahren zum Verwenden von Filterbänken mit unterabgetasteter diskreter Fourier-Transformation für die Mehrkanalübertragung von Breitbandsignalen.

Beschreibung des betreffenden Stands der Technik

Funkempfänger mit der Anforderung zum gleichzeitigen Empfangen von Mehrfachfunkkanälen erfordern das Extrahieren einer Zahl von Funkkanälen aus einem Breitbandsignal. Derartige Empfänger können Makrobasisistationen, Mikrobasisstationen, Picobasisstationen oder andere Einheiten umfassen. Diese Typen von Empfängern werden typischerweise gemäß einem Frequenzwiederverwendungsplan betrieben, der wirksam jede Basisstation auf eine regulär beabstandete Untergruppe sämtlich verfügbarer Kanäle einschränkt.
Bei einer Implementierung nach dem Stand der Technik werden individuelle Funkkanäle von einem Breitbandsignal unter Verwendung einer DFT (Diskrete Fourier-Transformation)- Filterbank extrahiert. Ein Beispiel einer existierenden Vorgehensweise zum Extrahieren jedes verfügbaren Kanals aus dem Breitbandsignal unter Verwendung einer DFT- Mehrkanalübertragung ist in dem US-Patent Nr. 5,606,575 für Williams beschrieben. Eine andere Vorgehensweise, beschrieben in Kovacevic J et al., "Perfekte Rekonstruktions-Filterbänke mit Rationalen Abtastfaktoren", IEEE Transactions on Signal Processing, Bd. 41, Nr. 6, Seiten 2047-2066, extrahiert die Vorgehensweise zum Extrahieren einheitlich beabstandeter Frequenzbänder dahingehend, dass eine nicht einheitliche Aufteilung des Breitbandspektrums zugelassen wird. Das Problem mit diesen existierenden DFT-Mehrkanal-Führungen bzw. -Belegungen bzw. Übertragungen besteht darin, dass sie jeden Kanal von dem Breitbandfunksignal extrahieren. Dies erfordert eine große Handhabung arithmetischer Betriebsschritte durch die Kanalführung und erhöht die Kosten/Komplexität des Empfängers, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass jede Basisstation lediglich eine regulär beabstandete Untergruppe sämtlich verfügbarer Kanäle Verwendet. Demnach wird ein wirksameres, weniger komplexes Verfahren zum Extrahieren von Funkkanälen aus einem Breitbandsignal gewünscht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung überwindet die vorgenannten und andere Probleme mit einer Kanalführung für die Anwendung in der Verarbeitung eine Breitbandsignals in einem Empfänger. Ein Breitbandsignal wird anfänglich durch eine unterabgetastete Filterbank verarbeitet, zum Extrahieren einer ausgewählten Zahl regulär beabstandeter Kanäle aus der Vielzahl der Kanäle in dem empfangenen Breitbandsignal. Der unterabgetastete DFT-Kanalbildner besteht aus einer Bank von Mehrphasenfiltern zum Extrahieren sämtlicher der potentiellen Kanäle aus dem Breitbandsignal (M Kanäle insgesamt). Die Ausgangsgrößen der Mehrphasenfilter werden dann einer Zeitrückfaltung bzw. einem Zeit-Aliasing unterzogen, zum Erzeugen einer zweiten Folge von Signalen, die im Hinblick auf die Zahl gleich zu der ausgewählten Zahl der regulär beabstandeten Kanäle M/L der gewünschten Kanäle ist).
Diese zweite Folge von Signalen wird verarbeitet, durch eine M/L-Punkt inverse diskrete Fourier-Transformation, was zu M/L Bandpasssignalen führt. Die Koeffizienten der inversen diskreten Fourier-Transformation werden dann mit einer Folge von Trägersignalen gemischt, zum Schieben dieser Bandpasssignale zu dem Basisband, was zu der Extraktion von M/L regulär beabstandeten Kanälen aus dem Breitbandsignal führt. Dieses System verringert signifikant den Umfang der erforderlichen Verarbeitungsleistung. Bei dem System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die Zahl der Arithmetikbetriebsschritte, die zum Erzeugen der gewünschten Kanäle erforderlich ist, signifikant niedriger als die Zahl der Arithmetikbetriebsschritte, die momentan zum Extrahieren jedes Kanals erforderlich sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung erfolgt ein Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines generischen Breitbandempfängers;
Fig. 2 ein Funktionsdiagramm eines einzelnen Zweigs eines DFT-Kanalbildners;
Fig. 3 ein Diagramm eines DFT-Kanalbildners; und
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines unterabgetasteten DFT- Kanalbildners.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nun ist unter Bezug auf die Zeichnung und insbesondere auf die Fig. 1 ein Blockschaltbild eines generischen breitbandempfängers dargestellt. Ein übertragenes Breitbandsignal wird bei einer Antenne 5 empfangen. Über mehrere Stufen des Mischens und Filterns (allgemein bei 10 gezeigt) wird das Signal zu einem gewünschten Frequenzband verarbeitet, und es wird dann durch einen Mischer 15 zu einem Basisband x(t) gemischt, mit relativ breiter Bandbreite, für die Eingabe bei einem Breitband-Analog/Digital-Umsetzer 20. Der Analog/Digital-Umsetzer 20 bewirkt die Umsetzung des analogen Breitbandsignals x(t) in ein digitales Breitbandsignal x(n), das dann durch einen digitalen Kanalbildner (Engl.: cnannelizer) 25 verarbeitet wird, zum Extrahieren der zahlreichen Funkkanäle 30. Der DFT- Kanalbildner nach dem Stand der Technik 25 (wie in Fig. 3 gezeigt) ermöglicht eine berechnungsmäßig wirksame Vorgehensweise zum Extrahieren jedes Kanals in dem Breitbandsignal x(n).
Nun ist unter Bezug auf die Fig. 2 ein Funktionsdiagramm für einen Zweig eines DFT-Kanalbildners gezeigt, und H&sub0;(w) zeigt ein reellwertiges Tiefpass-Filter. Jedes andere Filter in der Filterbank ist eine modulierte Version dieses Tiefpass- Prototyps. Demnach gilt: Hi(w) = Hi(w - 2π/Mi), und M gleich der Zahl der Kanäle. Es ist zu erwähnen, dass Hi(w) ein Bandpass, komplexwertiges Filter repräsentiert, zentriert um die diskrete Zeitfrequenz 2π/Mi oder äuqivalent zentriert um die kontinuierliche Zeitfrequenz (Fs/M)i (Es ist die Abtastfrequenz des Analog/Digital-Umsetzers), und M gleicht der Gesamtzahl der Kanäle zwischen {-Fs/2, + Fs/2}). In anderen Worten ausgedrückt, gibt es exakt M gleiche Bandpassfilter in der Filterbank, beabstandet um fcs = Fs/M. Der DFT-Kanalbildner nach Fig. 3 ist lediglich dann gültig, wenn M ein ganzzahliges Vielfaches des Abwärts-Abtastfaktors N ist (d. h., M = N · K; mit K als irgendein positive ganze Zahl). Der DFT-Kanalbildner lässt sich wirksam unter Verwendung einer inversen diskreten Fourier-Transformation (IDFT) und der Mehrphasen-Dekomposition des Tiefpass- Prototypfilters Ho(n) implementieren. Auf diese Implementierung wird typischerweise als ein DFT-Kanalbildner Bezug genommen, und sie ist in Fig. 3 dargestellt.
Unter Bezug auf die Fig. 3 ist nun ein Blockschaltbild eines DFT-Kanalbildners dargestellt. In Fig. 3 repräsentieren Ei(z)-Teile, die Poly- bzw. Mehrphasenkomponenten von Ho(z). Demnach gilt
Hi(z) = z-tEi(zm)
mit: et(n) = ht[nM + i] o ≤ i ≤ M - i
Die Haupteinschränkung eines DFT-Kanalbildners nach dem Stand der Technik besteht darin, dass er jeden Kanal im Frequenzbereich {-Fs/2, s/2} belegt, obgleich lediglich eine Untergruppe dieser Kanäle tatsächlich erforderlich sein könnte. Beispielsweise nützt in den meisten Zellularsystemen mit einem 7/21 Frequenz-Wiederverwendungsplan jede Basisstation lediglich einen von jeweils sieben. Funkkanälen. Demnach müsste ein Empfänger lediglich jeden siebten Kanal führen (Engl.: channelize).
Nun ist unter Bezug auf die Fig. 4 ein Blockschaltbild eines unterabgetasteten DFT-Kanalbildners der vorliegenden Erfindung gezeigt. Für den unterabgetasteten DFT-Kanalbildner wird angenommen, dass lediglich jeder L-te Ausgangskanal zu berechnen ist, und dass die Gesamtzahl der Kanäle M ein ganzzahliges Vielfaches von L ist, so dass gilt
M = L · r
mit r als irgendeine positive ganze Zahl
Anhand des diskreten Breitbandsignals x(n) berechnet der unterabtastende DFT-Kanalbildner lediglich die gewünschten Kanäl e{co[n], cL[n], c2L[n], ..., cM-L[n]}.
Ein Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 3 zeigt, dass der unterabtastende DFT-Kanalbildner die M-Punkt DFT in dem DFT- Kanalbildner mit einem Zeit-Aliasing-Block ersetzt, sowie einer M/L-Punkt DFT. Die kombinierte Komplexität des Zeit- Aliasing-Blocks und der M/L-Punkt IDFT ist viel kleiner als die Komplexität der M-Punkt IDFT.
Die Ausgangsgrößen des Zeit- Aliasing-Blocks werden anhand der Ausgangsgrößen der Mehrphasenfilter gebildet, gemäß
zi[n] = si-Qr[n] 0 ≤ i ≤ Q - 1
mit Q = M/L;
Die Q Ausgangsgrößen der M/L-Punkt IDFT in dem unterabtastenden DFT-Kanalbildner nach Fig. 4 sind {ro[n], rL[n], r2L[n], ..., rM-L[n]}, (d. h., jede L-te Ausgangsgröße des IDFT Blocks nach Fig. 3).
Ähnlich sind die abschließenden Ausgangsgrößen des unterabtastenden DFT-Kanalbildners nach Fig. 4 {co[n], cL[n], c2L[n], ..., cM-L[n]}, (d. h., jede L-te abschließende Ausgangsgröße des DFT-Kanalbildners nach Fig. 3).
Beispielsweise sei ein Analogsignal x(n) von näherungsweise 10 MHz Bandbreite angenommen, und es sei angenommen, dass jeder Funkkanal in Übereinstimmung mit dem D-AMPS Standard steht. Insbesondere ist die Kanalbeabstandung fcs = 30 KHz. Ferner sei angenommen, dass ein 7/21 Frequenzwiederverwendungsmuster verwendet wird. Hier ist lediglich jeder siebte Kanal aus x(n) zu extrahieren, d. h. es gilt L = 7.
Der vollständige DFT-Kanalbildner nach Fig. 3 kann zum Extrahieren jedes 30 KHz Bands in x(n) verwendet werden, wenn die Abtastfrequenz des Analog/Digital-Umsetzers bei Fs = 34.02 MHz festgelegt ist. In diesem Fall beträgt die Gesamtzahl der Kanäle M = 34.02 MHz / 30 KHz = 1134. Eine IDFT der Größe 1134 ist durch den DFT-Kanalbildner bei jeweils Fs/Na Sekunden zu implementieren. Da 1134 eine in hohem Umfang zusammengesetzte Zahl (Engl.: highly composite number) ist, kann ein Dooley-Tukey-FFT-Algorithmus zum Berechnen dieser IDFT in wirksamer Weise verwendet werden.
Alternativ kann der unterabgetastete DFT-Kanalbildner gemäß Fig. 4 zum Extrahieren lediglich jedes 7-ten Kanals aus x(n) verwendet werden (d. h., es gilt L = 7, wenn die Abtastfrequenz des Analog/Digital-Umsetzers bei Fs = 34..02 MHz festgelegt ist. In diesem Fall ist eine 162-Punkt-IDFT durch den unterabtastenden DFT-Kanalbildner jeweils bei Fs/N zu implmentieren (da gilt M/L = 1134/7 = 162): Die Komplexität einer 1134-Punkt-IDFT beträgt ungefähr das 7-fache der Komplexität einer 162 Punkt IDFT.
Unter erneutem Bezug auf die Fig. 4 ist zu erkennen, dass das diskrete Breitbandsignal x[n] durch die Bank der Mehrphasenfilter 100 abgetastet und gefiltert wird, zum Erzeugen der Sequenz si[n]. Für jeden Zweig des si[n] Signals erfolgt ein Zeit-Aliasing um L bei 105 zum Erzeugen der neuen Sequenz zi[n]. Es wird eine M/L-Punkt IDFT 110 von der Folge zi[n] herangezogen, zum Bereitstellen der Folge ri[n]. Diese Folge wird mit der Trägersignalfolge ejWrNn; mit Wr = 2π/Q · r bei dem Mischer 115 gemischt, zum Bereitstellen der ausgewählten Kanäle aus dem Breitbandsignal.
Die M/L-Punkt IDFT in dem unterabtastenden DFT-Kanalbildner lässt sich unter Verwendung jedes bekannten schnellen Algorithmus zum Berechnen einer DFT/IDFT berechnen. Diese Algorithmen umfassen den Radix-2-FFT Algorithmus, den Cooley- Tukey FFT Algorithmus, den Wionogard Primzahlenlängen FFT Algorithmus, den Primfaktoren FFT Algorithmus. Abhängig von dem exakten Wert von M/L, kann ein bestimmter Algorithmus zum Berechnen der IDFT wirksamer sein. Demnach lassen sich die freien Parameter des unterabtastenden DFT-Kanalbildners (z. B., Fs und M) so wählen, dass sich die sich ergebende IDFT wirksamer unter Verwendung eines bestimmten FFT/IFFT Algorithmus berechnen lässt. In anderen Worten, können diese Parameter so gewählt werden, dass eine IDFT Größe erhalten wird, die sich wirksam berechnen lässt.
Beispielsweise für den Fall, dass M/L ein im hohen Umfang zusammengesetzte Zahl ist, lässt sich der Cooley-Tukey-FFT- Algorithmus zum wirksamen Berechnen der sich ergebenden IDFT verwenden. Andererseits lässt sich dann, wenn M/L eine Primzahl ist, der Winograd-Primzahlenlängen-FFT-Allgorithmus zum Berechnen der sich ergebenden IDFT verwenden. Schließlich kann dann, wenn M/L eine Potenz von vie ist, der Radix-4 FFT Algorithmus zum wirksamen Berechnen der sich ergebenden IDFT verwendet werden.
Obgleich in der beigefügten Zeichnung und in der vorangehenden detaillierten Beschreibung eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und Geräts der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben ist, ist zu erkennen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, und dass sie die Fähigkeit für zahlreiche Umordnungen, Modifikationen und Substitutionen hat, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Patentansprüche herausgestellt und definiert ist.

Claims

1. Empfänger, enthaltend:

eine erste Schaltung (10, 15) zum Umsetzen eines empfangenen Signals in ein analoges Basisbandsignal;

einen Analog/Digital-Umsetzer (20) zum Umsetzen des analogen Basisbandsignals in ein digitales Basisbandsignal; und

einen unterabtastenden DFT-Kanalbildner zum Extrahieren einer Vielzahl ausgewählter, regulär beabstandeter Kanäle aus dem digitalen Basisbandsignal, enthaltend:

eine Vielzahl von Mehrphasenfiltern (100) zum Extrahieren einer ersten Folge der Signale;

eine zweite Schaltung (105) für ein Zeit-Aliaising der ersten Folge der Signale zum Erzeugen einer zweiten Folge der Signale;

eine M/L-Punkt invers-diskreter Fourier-Transformation (110) zum Berechnen von IDFT Koeffizienten für die Vielzahl ausgewählter, regulär beabstandeter Kanäle anhand der zweiten Folge der Signale; und

einen Kombinator (115) zum Kombinieren der IDFT Koeffizienten mit einer Trägersignalfolge zum Erzielen der Vielzahl ausgewählter, regulär beabstandeter Kanäle.

2. Empfänger nach Anspruch 1, wobei die erste Folge der Signale jeden Kanal in dem digitalen Basisbandsignal umfasst.

3. Empfänger nach Anspruch 1, wobei die zweite Folge der Signale lediglich eine Zahl der Signale gleich der Vielzahl der ausgewählten, regulär beabstandeten Kanäle enthält.

4. Empfänger nach Anspruch 1, wobei der unterabtastende DFT-Kanalbildner jedwedgen ersten Kanal von dem digitalen Basisbandkanal extrahieren kann, als einen der Vielzahl von ausgewählten, regulär beabstandeten Kanälen.

5. Kanalbildner bzw. Belegungseinheit zum Verarbeiten eines Breitbandsignals, enthaltend:

einen Eingang zum Empfangen des Breitbandsignals;

einen unterabtastenden DFT-Kanalbildner bzw. -Beleger zum Extrahieren einer Zahl der ausgewählten, regulär beabstandeten Kanäle aus einer Vielzahl der Kanäle in dem empfangenen Breitbandsignal, enthaltend:

eine Vielzahl von Mehrphasenfiltern (100) zum Extrahieren einer ersten Folge von Signalen;

eine Schaltung (105) für ein Zeit-Aliasing der ersten Folge der Signale zum erzeugen einer zweiten Folge von Signalen;

eine M/L-Punkt invers-diskrete Fourier-Transformation (110) zum Berechnen von IDFT Koeffizienten für die Vielzahl ausgewählter, regulär beabstandeter Kanäle anhand der zweiten Folge der Signale;

einen Kombinator (115) zum Kombinieren der IDFT Koeffizienten mit einer Trägersignalfolge zum Erzielen der Vielzahl ausgewählter, regulär beabstandeter Kanäle; und

einen Ausgang zum Ausgeben der ausgewählten, regulär beabstandeten Kanäle.

6. Kanalbildner nach Anspruch 5, wobei die erste Folge der Signale jeden Kanal in dem Breitbandsignal enthält.

7. Kanalbildner nach Anspruch 5, wobei die zweite Folge der Signale lediglich eine Zahl der Signale gleich der Vielzahl der ausgewählten, regulär beabstandeten Kanäle enthält.

8. Kanalbildner nach Anspruch 5, wobei der unterabtastende DFT-Kanalbildner jedwedgen ersten Kanal aus den Breitbandsignalen extrahieren kann als einen der Vielzahl ausgewählter, regulär beabstandeter Kanäle.

9. Verfahren zum Verarbeiten eines Breitbandsignals mit einer Vielzahl regulär beabstandeter Kanäle, enthaltend die Schritte:

Empfangen des Breitbandsignals mit der Vielzahl von Kanälen;

Filtern des Breitbandsignals zum Extrahieren einer ersten Folge von Signalen in dem Breitbandsignal;

Ausführen eines Zeit-Aliasings für die erste Folge von Signalen zum Erhalten der zweiten Folge der Signale;

Verarbeiten der zweiten Folge der Signale gemäß einer inversen M/L-Punkt diskreten Fourier-Transformation (110) zum Erhalten von IDFT Koeffizienten für die Vielzahl der regulär beabstandeten Kanäle; und

Mischen der IDFT Koeffizienten mit einer Trägersignalfolge zum Erhalten einer ausgewählten Zahl regulär beabstandeter Signale;

Ausgeben der ausgewählten Zahl der beabstandeten Kanäle.

10. Verfahren zum Verarbeiten eines Breitbandsignals mit einer Vielzahl regulär beabstandeter Kanäle, enthaltend die Schritte:

Empfangen des Breitbandsignals mit der Vielzahl von Kanälen;

Filtern des Breitbandsignals zum Extrahieren jedes der Vielzahl regulär beabstandeter Kanäle;

Bestimmen von IDFT Koeffizienten für eine ausgewählte Zahl regulär beabstandeter Kanäle anhand der extrahierten Vielzahl von Kanälen;

Mischen der IDFT Koeffizienten mit einer Trägersignalfolge zum erhalten der ausgewählten Zahl der regulär beabstandeten Kanäle; und

Ausgeben der ausgewählten Zahl regulär beabstandeter Kanäle.