FI104024B - Menetelmä ja laitteisto signaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaitteistossa - Google Patents

Description

104024

Menetelmä ja laitteisto signaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaitteistossa

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä signaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaitteistossa.

5

Keksinnön kohteena on myös laitteisto signaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaitteistossa.

Kuparista tilaajakaapelia pitkin tullaan siirtämään yhä suurempia nopeuksia. ETSI.n työryhmä pohtii paraikaa ns. VDSL-modeemin (Very high speed Digital Subscriber Line) 10 määrittelyä, jossa suurin siirtonopeus on jopa 52 Mbit/s. Tällöin moduloidun signaalin kaistaleveys on jopa luokkaa 10 Mhz.

Kaistaleveyden ollessa useita megahertsejä tulevat erilaiset radiotaajuiset häiriöt ongelmaksi etenkin niissä maissa, joissa käytetään ilmakaapeleita tilaajakaapelina (mm maaseudulla 15 Suomessa). Modeemin vastaanotinta saattavat häiritä AM-radioasemat ja radioamatöö-riasemat, joiden lähettämä radioaalto saattaa kytkeytyä ilmakaapeliin ja muuttua osittain ns. poikittaiseksi häiriöksi parikaapelissa ja kulkeutua modeemin vastaanottimeen häiriten sitä. Modeemi voi toisaalta häiritä AM-asemien kuuntelua tai radioamatöörin vastaanottoa, ,' '; koska parikaapelissa kulkeva moduloitu signaali sisältää tehoa mainituilla radiotaajuuksilla • « 4 : :': 20 ja tämä teho osaksi säteilee ympäristöön.

• I • ·

Ongelmia aiheuttavia radiokaistoja on lueteltu taulukossa 1.

• · · • «« • · · V ' Lähettimen aikaansaamat radiohäiriöt voidaan eliminoida siten, että moduloidun signaalin 25 spektristä suodatetaan pois ne taajuudet, jotka sijaitsevat ongelmallisilla kaistoilla.

• · • »

• M

* · · 1 • · · *·1 1 Vastaanottimessa ongelmana olevat kaapeliin kytkeytyneet radiohäiriöt voidaan suodattaa pois sopivilla kaistanestosuodattimilla, jotka voivat olla analogisia tai digitaalisia tai • · · | · ···’ molempia. Nopeissa modeemeissa signaalinkäsittely on valtaosin digitaalista, joten .. ‘ |' 30 vastaanotettu signaali muunnetaan numeeriseen muotoon analogia- digitaali-muuntimella ·.1·: (AD-muunnin). Koska radiohäiriön taso saattaa olla suuri verrattuna vastaanotettuun hyötysignaaliin, olisi AD-muuntimen dynamiikan kannalta edullista, jos ainakin osa radio- 2 104024 häiriön suodatuksesta tapahtuisi ennen AD-muunnosta analogiatekniikalla toteutetulla kaistanestosuodattimella.

Jos modeemin signaalia suodatetaan lähettimessä, vastaanottimessa tai molemmissa, 5 vaikeutuu vastaanottimen adaptiivisen linjakoijaimen toiminta, koska suodattimet muuttavat koko signaalitien siirtofunktiota ja impulssivastetta eli ns. systeemivastetta. Suodattimet aiheuttavat lisävääristymää joka sisältää vieläpä siirtonollia ongelmallisilla radiotaajuuskais-toilla. Kapeakaistaiset kaistanestosuodattimet ovat erityisen hankalia vastaanotinkoijaimien kannalta, koska niiden kolaaminen vaatii ajallisesti hyvin pitkiä adaptiivisia korjaimia.

10

Viitteessä /1/ (s. 574..577) esitetään modeemin lähettimessä sijaitseva mekanismi, jonka avulla voidaan aikaansaada lähetysspektriin siirtonollia halutuille taajuuksille ilman, että vaikeutettaisiin vastaanottimen toimintaa. Tätä menetelmää soveltaen saadaan radiohäiriöi-tä suodattavat kaistanestosuodattimet adaptiivisen linjakoijaimen kannalta "näkymättömik-15 si", jolloin adaptiivisten korjaimien ei tarvitse osallistua näiden kaistanestosuodattimien aiheuttaman systeemivasteen vääristymisen korjaamiseen. Menetelmä soveltuu modeemeihin, joissa käytetään yleisesti tunnettuja lineaarisia modulaatiomenetelmiä: PAM-modulaatiota (Pulse Amplitude Modulation), QAM-modulaatiota (Quadrature • · ·,,_·* Amplitude Modulation) tai CAP-modulaatiota (Carrierless Amplitude/Phase coding).

20 * · ί ’ · Menetelmä perustuu ns. Tomlinson-Harashima-esikoodauksen (jatkossa Tomlin- ' * son-koodaus) käyttöön. Alkuperäisessä Tomlinson-koodauksessa korjataan kanavan • · • · • ” aiheuttama vääristymä tai osa vääristymästä suodattimena, joka sijaitsee lähettimessä.

• · · *·' Kuvio 2 esittää tyypillistä rakennetta, jossa lähettimen kooderi, joka sisältää takaisin- 25 kytketyn siirtofunktion 1-G2(z), korjaa osuuden G2(z) kanavan siirtofunktiosta. Takaisin- • · « i » '... kytkentäsilmukka sisältää modulo-operaation, jonka avulla lähettimen lähetysteho saadaan • · * pidetyksi vakiona takaisinkytkennästä huolimatta. Modulo-operaation käyttö vaatii »'< ”|j vastaanottimessa ns. laajennetun ilmaisimen (expanded slicer) käyttöä. Tomlinson-koodaus i ja laajennetun ilmaisimen käyttö on yleisesti tunnettu menetelmä, jota on kuvattu mm 30 viitteessä/1/(s. 460..464).

• « * · · • »t • · QAM- ja CAP-modulaatio tuottaa signaalia, joka on kaistanpäästötyyppistä. Näissä 3 104024 tapauksissa tarkastelu voidaan kuitenkin aina suorittaa käyttämällä yleisesti tunnettua ns. kantataajuusekvivalenttia kanavamallia, jossa siirtokanavan siirtofunktio siirretään kanta-taajuudelle ja kanavaa mallitetaan kompleksisella kantataajuisella siirtofunktiolla ja kompleksisella impulssivasteella. Näin koko tarkastelu voidaan tehdä kantataajuista S systeemiä tutkimalla.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä ja laitteisto siignaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaistteistossa.

10

Keksintö perustuu siihen, että kiinteän osuuden H(z) koijaava koijain siirretään laitteiston lähetinpäähän.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä 15 on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 2 tunnusmerkkiosassa.

• « • · « : :'; 20 Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

i · • « a : Radiotaajuuiset häiriöt saadaan tehokkaasti suodatetuksi vastaanoton vaikeutumatta.

♦ · · • · · ·· *.* ’ Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten 25 suoritusesimerkkien avulla.

• · • · • · · • · * • · ·

Kuvio 1 esittää tunnetun tekniiikan mukaista adaptiivista koijainta.

m « · · • * • · « · i · ···’ Kuvio 2 esittää toista tunnetun tekniikan mukaista koijainta.

30 •. ' ·: Kuvio 3 esittää kolmatta tunnetun tekniikan mukaista koijainta.

4 104024

Kuvio 4 esittää yhtä keksinnön mukaista laitteistoa.

Kuvio 5 esittää toista vaihtoehtoista keksinnön mukaista laitteistoa.

5 Kuvio 6 esittää kolmatta vaihtoehtoista keksinnön mukaista laitteistoa.

Seuraavissa tarkasteluissa käytetään z-muunnosta kuvaamaan siirtofunktioita taajuustasossa.

10 Kuvio 1 esittää yleisesti tunnettua adaptiivista DFE-koijainta (esim. /1/, s. 474), jossa adaptiivinen koijain käsittää lineaarisen osuuden 1/Gl(z) ja takaisinkytketyn osuuden 1-G2(z), jotka korjaavat yhdessä kanavan siirtofunktion Gl(z)G2(z). Siirtofunktio Gl(z)G2(z) sisältää itse kanavan siirtofunktion lisäksi myös lähettimen ja vastaanottimen kiinteät suodattimet.

15

Kuviossa 3 lähettimeen ja vastaanottimeen on lisätty kaistanestosuodattimet, jotka suodattavat lähetyspäässä sekä lähetetyn että vastaanotetun signaalin tehoa niillä taajuuksil-•,,,: la, joilla modeemi voi häiritä ulkopuolisia radiovastaanottimia taljoilla modeemin vastaan- 20 otin voi häiriintyä ulkopuolisten radiolähettimien lähet- tämän signaalin kytkeytyessä » · ί ‘ vastaanottimeen kytkettyyn kaapeliin. Kanavan siirtofunktiota on merkitty G(z):lla.

Vastaanottimen kaistanestosuodatin voi sisältää analogiasuodattimen siirtofunktion H2(z) •it” sekä digitaalisen suodattimen siirtofunktion H3(z). Analogiaosuus H2(z) on kantataa- | J i • juusekvivalentti varsinaisen analogiasuodattimen siirtofunktiosta, koska tämä siirtofunktio .. 25 kuvautuu taajuusmuunnoksen kautta vastaanottimen QAM-demoduloinnissa tai • ·

• M

CAP-suodatuksessa. Kantataajuusmodeemissa siirtofunktio H2(z) vastaa suoraan analo- • » · giasuodattimen siirtofunktiota. Hl(z) on lähetyspään kaistanestosuodattimen siirtofunktio.

»M

Kuvion 3 rakenne on sinänsä toimiva systeemi. Adaptiivinen koijain Fl(z) ja 1-F2(z) f 9 # ··· 30 joutuvat nyt korjaamaan kanavan aiheuttaman vääristymän lisäksi myös kaistanestosuodat- • · · ’· : timien aiheuttaman siirtofunktion Hl(z)H2(z)H3(z). Merkitään jatkossa tätä siirtofunktiota H(z):lla. Koska H(z) on käytännössä kapeakaistainen, joudutaan koijaimet Fl(z) ja 1-F2(z) 5 104024 (käytännössä adaptiivisia FIR-suodattimia) tekemään ajallisesti hyvin pitkiksi, jolloin niiden toteutus tulee laskennallisesti raskaaksi. Kaistanestosuodattimia kompensoiva suodatin voitaisiin toteuttaa kiinteällä suodattimella, joka kytkettäisiin kaskadiin takaisinkytketyn adaptiivisen koijaimen kanssa. Yhteinen takaisinkytketyn koijaimen siirtofunktio olisi 5 tällöin l-F2(z)H(z), jossa F2 olisi adaptiivisesti säädettävä osuus ja H kiinteä osuus. Adaptiivisen osuuden säätäminen olisi kuitenkin tunnetusti hyvin ongelmallista tällaisella kaskadikytkennällä. Lisäksi trellis-koodauksen käyttäminen olisi tunnetusti hyvin hankalaa, jos vastaanotinkoijain sisältäisi takaisinkytketyn osuuden.

10 Keksintö 1

Edellä kuvattua systeemiä voidaan parantaa siirtämällä kiinteä H(z):n osuuden koijaava koijain lähetyspäähän kuvion 4 mukaisesti. Koska takaisinkytketty suodatin 2 kuviossa 4 saattaa olla epästabiili, on mekanismiin 2 lisätty modulo-operaatio Tomlinson-kooderin 15 tapaan. Tällöin vastaanottimessa on käytettävä laajennettua ilmaisimen geometriaa. Menetelmän perusajatus on esitetty edellämainitussa viitteessä /1/ (s. 574..576), jossa suodatetaan lähtösignaalia kaistanestosuodattimella ja kokataan tämän suodattimen vaikutus Tomlinson-koodauksella siten, että vastaanottimen toiminta ei vaikeudu. Tässä r i keksinnössä laajennetaan menetelmää siten, että myös vastaanottimessa sijaitsevat kais-20 tanestosuodattimet "korjataan" lähetyspään Tomlinson-koodauksella, jolloin kaistanes- tosuodattimet eivät vaikeuta vastaanottimen linjakoijaimen toimintaa • · • *./* Keksintö 2 ΓΓ: ., 25 Kuvion 4 vastaanottimen korjaimen takaisinkytketty osuus 1-F2(z) voidaan siirtää lähetti- * *· · „ '·... meen osaksi Tomlinson-kooderin takaisinkytkettyä suodatinketjua. Kuvio 5 esittää tätä f · · ·. menetelmää, jossa suodatin F2(z) on siirretty osaksi lähettimen takaisinkytkennässä olevaa >·» « **!! suodatinketjua, jolloin takaisinkytketyn suodattimen 3 siirtofunktio on l-Hl(z)H2(z)H3(z)F2(z). Tällöin vastaanotin sisältää pelkästään ilmaisin edessä olevan • · · '; ‘ · 30 lineaarisen korjaimen, mikä mahdollistaa kanavakoodauksen käytön. On yleisesti tunnettua, * · * ' *: että kanavakoodauksen käyttö on hyvin hankalaa, mikäli vastaanottimen koijain sisältää takaisinkytketyn osuuden (esim. /1/, s. 464).

6 104024

Keksintö 3

Kuvion 5 lähettimessä olevan takaisinkytketyn suodattimen toteutus on usein helpompaa, jos suodatin jaetaan pienemmiksi peräkkäin kytketyiksi lohkoiksi kuvion 6 lohkon 4 mukaises-5 ti Kuvien 5 ja 6 lähettimen suodattimien siirtofunktiot ovat samat, jos modulo- operaation vaikutusta ei otettaisi huomioon. Modulo-operaatiota ei voida toteuttaa alkuperäisen Tomlinson-kooderin mukaisesti, vaan kuviossa 6 esitetään muunnettu menetelmä. Tavoitteena on pitää Tomlinson-koodauksen tapaan signaalin 5 taso rajojen -M ja M sisällä, jossa M liittyy käytettyyn signaaligeometriaan siten, että geometrian pisteiden koordinaatit ovat 10 suhteellisilta arvoiltaan -(M-l),-(M-3)„..-3,-1,+1,+3,...,(M-3),(M-1) 15

Kuvion 6 mekanismi toimii seuraavasti: a) otetaan symbolikuvauslohkosta seuraava symbolin arvo b) lasketaan suodatinketju, jolloin saadaan arvo signaalille 5

• I

·,,/ c)tarkistetaantasontarkistuslohkossa 6, onko signaali 5 rajojen -M ja +M sisällä, ja « 20 jos ei ole, summataan summaimella 7 suodattimen sisäänmenoon sellainen arvo kM, jossa • · ' ' k on positiivinen tai negatiivinen kokonaisluku, että signaali 5 on tämän kolauksen jälkeen < * * tavoiterajojen-Mja M sisäpuolella i - ** d) viedään suodattimien takaisinkytkentöihin 8a, 8b, 8c ja 5 signaali, jossa edellä

j J J

laskettu koijaustermi kM on mukana; tällöin koijaustermi sisältyy siis koko suodattimen ,. 25 lähtösignaaliin 5 pitäen se halutuissa rajoissa sekä kaikkien osasuodattimien takaisinkytken- * m * «· töihin syötettäviin signaaleihin »fr

Jos käytetään kaksidimensioista signaaligeometriaa, on edellä kuvattu tasontarkistus i ": ';' tehtävä molemmille koordinaateille erikseen.

30

« I I

’1 " Samalla tavalla kuin analysoidaan tavallista Tomlinson-kooderia (/1/, s, 460..464), voidaan =: osoittaa, että edellä kuvatun kooderin antama lähtösignaali 5 on likimain tasan jakautunut 7 104024 välille (-M,+M) ja että perättäiset näytteet ovat keskenään korreloimattomat. Lähtösig-naalin spektri ennen kaistanestosuodattimia on näin ollen valkoinen, eikä kooderi muuta merkittävästi kooderin lähtösignaalin 5 tasoa.

5 Edelläkuvattu mekanismi vaatii laajennetun ilmaisimen käyttöä vastaanottimessa. Tämä laajennettu ilmaisin on samanlainen kuin alkuperäisen Tomlinson-kooderin kanssa käytettävä laajennettu ilmaisin

Keksintö 4 10

Kuvion 5 ja kuvion 6 mekanismia voidaan yksinkertaistaa siten, että muokataan joko lähettimen digitaalinen kaistanestosuodatin Hl(z) tai vastaanottimen digitaalinen kaistanes-tosuodatin H3(z) muita suodattimia leveämmäksi siten, että tämän leveämmän suodattimen siirtofunktio määrää yksin (tietyllä tarkkuudella) kaikkien kaistanestosuodattimien yhteisen 15 siirtofunktion. Tällöin, jos esim Hl(z):n estokaista muokataan muita leveämmäksi, pätee:

Hl(z)H2(z)H3(z) = Hl(z) (1) ‘ i,.' Nyt lähettimen takaisinkyketty suodatin yksinkertaistuu, koska H2(z):n ja H3(z):n sisältävä » · i 20 osuus voidaan jättää pois, jolloin suodatin sisältää vain Hl(z):n.

> 1 t f I I

f „ ' Tällä menetelmällä saavutetaan myös se etu, että nyt analogisen kaistanestosuodattimen r « » f« toteutustoleranssit eivät tuota ongelmia, jos edellä oleva ehto (1) toteutuu riittävällä «pj : tarkkuudella myös analogiasuodattimen komponenttien epätarkkuudesta johtuvien 25 vaihteluiden puitteissa.

I · »

- «M

*/. : |. t Referenssi /1/. Edward A Lee, David G. Messerschmitt: Digital Communicati- 7 f

f · J

, on, Kluwer Academic Publishers

i I

III

I « I I • «f

V

Claims (2)

104024 s

1. Menetelmä signaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaitteistossa, jossa menetelmässä 5. signaali syötetään tietoliikennekanavaan, - signaalia käsitellään lineaarisella adaptiivisella vastaanottokorjaimella sekä mahdollisella päätöstakaisinkytketyllä adaptiivisella koijaimella, 10. u n n e 11 u siitä, että - lähettimessä ja vastaanottimessa sijaitsevien kiinteiden kaistanestosuodat-timien osuuden koijaus (H(z)) tehdään lähetyspäässä ennen lähettimen kaistanestosuodatusta kiinteillä suodattimilla. 15

2. Laitteisto signaalin käsittelemiseksi tietoliikennelaitteistossa, joka laitteisto käsittää - lähetinosan, 20. signaalitien, - vastaanottimen sekä • « · • · t • · · • · • · • · · - signaalitielle sovitetun lineaarisen adaptiivisen koijaimen sekä mahdolli- • · 25 sesti ilmaisimeen kytketyn päätöstakaisinkytketyn adaptiivisen koijaimen, • · · • · # • « · * tunnettu siitä, että • · • · · « · · « · :' S': - lähettimessä ja vastaanottimessa sijaitsevien kiinteiden kaistanestosuodat- ; 30 timien osuuden kotjain (H(z)) sijaitsee lähettimen päässä ennen kaistanes- « I « • « tosuodatinta ja se on toteutettu kiinteillä suodattimilla. • · « « « • « « • 9 104024