HU216851B - Eljárás digitális frekvenciakorrekcióhoz többcsatornás átviteli eljárásnál - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya eljárás digitális frekvenciakőrrekcióhőztöbbcsatőrnás átviteli eljárásnál. Az eljárás sőrán a vett jelet egyadőtt frekvenciával eltőlják az alapsávba, majd módősítőtt őűrier-transzfőrmációnak vetik alá. A Főűrier-transzfőrmációval átalakítőttjelből mérési adatőt határőznak meg, amely arányős az adőtt frekvenciaés a vivőjel közötti frekvenciaeltéréssel. Ezt a mér si adatőt aFőűrier-transzfőrmációnál figyelembe veszik, és így kiegyenlítődik afrekvenciaeltérés. ŕ

Description

A leírás terjedelme 8 oldal (ezen belül 2 lap ábra)

HU216 851 Β

A találmány tárgya eljárás digitális frekvenciakorrekcióhoz többcsatornás átviteli eljárásnál. Az eljárás során egy többcsatornás jelet sáváteresztő szűrésnek vetünk alá, majd adott frekvenciával való frekvenciakeverés után egy sáváteresztő tartományba toljuk el. Ezután digitális Fourier-transzformációt hajtunk végre, majd a Fourier-transzformációval átalakított jelet csatomadekódolásnak vetjük alá. A Fourier-transzformációval átalakított jelből egy vivőjel és a frekvenciakeveréshez alkalmazott frekvencia között frekvenciaeltérést határozunk meg.

Az US 5228025 számú szabadalmi iratból már ismert egy eljárás digitális frekvenciakorrekcióhoz többcsatornás átviteli eljárásnál, ahol a vett jelet sáváteresztő szűrőn szűrik, majd egy adott oszcillátorfrekvenciával való keverés révén frekvenciáját eltolják az alapsávba, végül szűrik, és digitálisan átalakítják. A digitális jelet ezután digitális Fourier-transzformációnak vetik alá, és kiadják a további dekódoláshoz. A pontos Fourier-transzformáció megköveteli annak az adófrekvenciának a pontos ismeretét, amellyel a vivőjelet kisugározzák, hogy erre ráhangolhassák az oszcillátorfrekvenciát. A digitális Fourier-transzformáció által kiadott jelnél vizsgálják a vivőjel vivőfrekvenciájának eltérését az adott oszcillátorfrekvenciához képest, és vezérlőértékeket határoznak meg, és ezek segítségétel hajtják végre az oszcillátor automatikus frekvenciakorrekcióját. Ily módon a vivőjel frekvenciája és az oszcillátor frekvenciája között lévő, a kiértékelt jelben felismerhető frekvenciaeltérést az oszcillátor utánszabályozásával korrigálják.

Találmányunk célja olyan eljárás, amelynél nincs szükség az oszcillátorfrekvencia automatikus frekvenciakorrekciójára, hanem a meghatározott frekvenciaeltolást közvetlenül a Fourier-transzformációnál vesszük figyelembe.

Ezt a feladatot a találmány értelmében úgy oldjuk meg, hogy a meghatározott frekvenciaeltérésből egy módosított Fourier-transzformációhoz úgy számítunk értékeket, hogy a vivőjel és a frekvencia között lévő, a frekvenciakeveréshez alkalmazott frekvenciaeltérést módosított Fourier-transzformációval egyenlítjük ki.

A bevezetőleg leírt jellegű, ismert eljárással szemben a találmány szerinti elrendezés előnye, hogy többcsatornás átviteli eljárásnál a pontos frekvenciájú demodulációt egyszerűen és biztosan lehet végrehajtani.

A találmány szerinti eljárás egyik különösen előnyös továbbfejlesztésében a módosított diszkrét Fouriertranszformáció számításához egy gyors algoritmust alkalmazunk.

A találmány szerinti eljárás további tökéletesítése azon alapszik, hogy egy táblázatból olvassuk ki a táblázatban tárolt, módosított forgatási tényezőket. Ily módon gyorsan és problémamentesen juthatunk hozzá a szükséges forgatási tényezőkhöz.

A találmány szerinti eljárás előnyösen alkalmazható a digitális rádióműsor-átvitelben.

Találmányunkat annak példaképpeni kiviteli alakjai kapcsán ismertetjük részletesebben, ábráink segítségével, amelyek közül az

1. ábra egy többcsatornás átviteli eljárás vázlatos ábrázolása, a

2. ábra egy vevő többcsatornás átviteli eljáráshoz, a

3. ábra a forgatási tényezők meghatározására szolgáló eljárás vázlatos ábrázolása.

Az 1. ábra vázlatosan mutat egy digitális adatok átvitelére szolgáló eljárást, különösen mobil vevőknek szóló, nagy bitsebességű rádióműsor-átviteli eljáráshoz. Ezt az eljárást például digitális rádióműsor-szórás (DAB=digital aurai broadcasting) esetén az ortogonális frekvenciaosztó többcsatornás rendszer (OFDM = orthogonal frequency division multiplexing) szerinti többcsatornás átviteli eljárással végezzük. Ennél, ahogy az 1. ábrán látható, több CO, Cl, ..., Cn-1 jelcsatornát vezetünk hozzá párhuzamosan egy-egy 1 konvolúciós kóderhez. Az 1 konvolúciós kóder elvégzi a hozzávezetett jel konvolúciós kódolását. Ezután a csatornákat egy 2 idő-frekvencia részsávátváltásos kódolóegységhez vezetjük hozzá. A idő-frekvencia részsávátváltásos kódolóegység elvégzi a hozzávezetett jel idő- és frekvencia-részsávátváltásos kódolását. Az idő- és frekvencia-részsávátváltásos kódolásával megvalósítjuk a csatornák statisztikai függetlenségét a Rayleigh-folyamatokra és a csatorna jellemzőire vonatkozóan. Végül a különböző CO, Cl, ..., Cn-1 jelcsatornák jeleit egy 3 számítóegységben időmultiplex eljárásnak és vivőmodulációnak vetjük alá az ortogonális frekvenciaosztó többcsatornás rendszerrel (OFDM). Ily módon olyan jelet kapunk, amely időben egymásban lévő részekből áll, és több, különböző frekvenciájú vivőjele van.

A 3 számítóegységben az átvitt adatokhoz egy szinkronizálási szimbólumot illesztünk hozzá, amely lehetővé teszi annak az időnek, annak a frekvenciának és annak a fázisnak a meghatározását, amellyel a vett adatokat kisugározzuk. Ez az eljárás ismert, és például a DE 4128 713 számú szabadalmi iratban van leírva.

Ezután a vivőjeleket egy 4 átviteli úton visszük át egy vevőhöz. A vevőben szűrés, az 5 alapsávba való eltolás, 6 demoduláció, 7 idő-frekvencia részsávátváltásos dekódolás (azaz a részsávátváltásos kódolást megszüntetjük) és dekódolás (8 csatornadekóder) megy végbe.

A 2. ábrán egy vevő látható, amely egy különleges kiviteli alak segítségével, digitális frekvenciakorrekcióval hajtja végre a találmány szerinti eljárást.

A 16 antenna egy 9 sáváteresztő szűrővel van összekötve. A 9 sáváteresztő szűrő egy első 17 jelvezetéken át van a 10 keverővei összekötve. A 10 keverőhöz a hetedik 23 jelvezetéken át egy szabadonfutó 11 oszcillátor van csatolva. A 10 keverő kimenete a második 18 jelvezetéken át a 12 szűrő bemenetével van összekötve. A 12 szűrő kimenete a harmadik 14 jelvezetéken át a 25 A/D átalakító bemenetével van összekötve. A 25 A/D átalakító kimenete a kilencedik 19 jelvezetéken át a 15 Fouriertranszformációs egység bemenetével van összekötve. A 15 Fourier-transzformációs egység kimenete a negyedik 20 jelvezetéken át a 30 demodulációs és idő-frekvencia részsávátváltásos dekódolóegység bemenetéhez csatlakozik. A 30 demodulációs és idő-frekvencia részsávátváltásos dekódolóegység kimenete a 8 csatornadekóder bemenetéhez van vezetve. A negyedik 20 jelvezetéktől egy ötödik 21 jelvezeték vezet a 13 számítóegység beme2

HU 216 851 Β netéhez. A 13 számítóegység a nyolcadik 24 jelvezetéken át a 14 tárolóval van összekötve. A 13 számítóegység kimenete a hatodik 22 jelvezetéken át a 15 Fouriertranszformációs egység adatbemenetével van összekötve. A 2. ábra szerinti vevő a következőképpen működik:

A 16 antennán vesszük az időmultiplex eljárást és a modulációt végző 3 számítóegység által kiadott jelet, amely továbbadódik a 9 sáváteresztő szűrőre. A 9 sáváteresztő szűrő elvégzi a vett jel sáváteresztő szűrését, és a szűrt jelet továbbadja a 10 keverőre. A 10 keverőben a szűrt jel keveredik egy, all oszcillátor által adott frekvenciával, és így a vett jel frekvenciája eltolódik a sáváteresztő tartományba, rögzített távolságban a letapogatandó sáváteresztő jel közepes frekvenciájától. Az oszcillátor frekvenciája nagyjából megegyezik azzal a vivőfrekvenciával, amellyel a jel átvivődik. Az eltolt frekvenciájú jelet a 12 szűrőn szűrjük, majd A/D átalakítón digitalizáljuk. A digitalizált jelet, amely egy komplex alapjelet jelent, a 15 Fourier-transzformációs egységben digitálisan demodulációs folyamatnak vetjük alá Fourier-transzformáció formájában, amelynek során a vett jelből, amely több vivőjelből áll, adott vivőfrekvenciájú vivőjelet szűrünk ki. A 3 számítóegységben alkalmazott időmultiplex eljárásnak megfelelően a dekódolandó vivőjel szimbólumait egy időablak formájában vesszük figyelembe. Valamennyi szimbólumot Fouriertranszformációnak vetjük alá. A Fourier-transzformációval átalakított jeleket demodulációnak vetjük alá, és megszüntetjük az idő- és frekvencia-részsávátváltásos kódolást. Ezután a jeleket a 8 csatomadekóder dekódolja és kiadja. A 8 csatomadekóder előnyös módon SoftViterbi dekóderként van kialakítva. A Fourier-transzformációval átalakított vivőjeleket egyidejűleg ráadjuk a 13 számítóegységre. A 13 számítóegység a szinkronizálási szimbólum vizsgálatával meghatározza a vivőjel és az adott oszcillátorfrekvencia közötti Af frekvenciaeltérést, amellyel a 10 keverő a vett jelek frekvenciáját eltolja. A Af frekvenciaeltérésből számítjuk ki a forgatási tényezőket, amelyeket a 15 Fourier-transzformációs egységre adunk rá. A 15 Fourier-transzformációs egység a további Fourier-transzformációk elvégzésekor az új forgatási tényezőket veszi figyelembe. A frekvenciaeltérés meghatározásához más eljárások is alkalmazhatók.

A következőkben a 2. ábra alapján részletesebben magyarázzuk a diszkrét Fourier-transzformációt és a forgatási tényezők hatását. Az N hosszúságú x_k sorozat diszkrét Fourier-transzformációját (DFT) a következő képlet adja:

N-l

X,= Σ x_kexp(-j2ná/ZV), 1=0, ...,A-1 (1), k=0 ahol N egy rögzített állandó, k és 1 futóváltozók, amelyek értéke nullától N- 1-ig fut.

Az 1 képlet szerinti DFT számítása képezi a demodulációs folyamatot egy többcsatornás eljárásban, ha valamennyi vivőjel segédvivői között azonos a távolság, és ha négyszög alakú adóimpulzust alkalmazunk. Ez különösen ortogonális frekvenciaosztó többcsatornás rendszerre érvényes, amelyet például a következő publikáció ismertet: Alard: „Principles of Modulation and Channel Coding fór Digital Broadcasting fór Mobile Receivers (A moduláció és a csatornakódolás elvei mobil vevőknek szóló digitális műsorszóráskor)”, EBU Technical Review 224, p. 168-189., 1987.

A frekvenciaszabályozást szolgáló beavatkozószerv megvalósítása szükségessé teszi a komplex alapsávjel modulációját. A komplex alapsávjelet az x_k letapogatási értékek írják le. A modulációhoz egy komplex s oszcillátoijelet alkalmazunk, amelyet az s_k letapogatási értékek írnak le.

s_k=exp(-j2npEóV), k=0, ..., A-l (2).

Itt p a normált frekvenciaeltérés: p=NAf/F_c, ahol Af a 11 oszcillátor frekvenciaeltérése a vett jel vivőfrekvenciájához képest. A k futóváltozó értéke O-tól N-l-ig fut, ahol N egy rögzített állandó. F_c a letapogatási sebesség a komplex alapsávban, azaz a 25 A/D átalakító letapogatási sebessége. A Af frekvenciaeltérést a vevőben a szinkronizálási szimbólum kiértékelésével nyerjük. A korrigált frekvenciájú alapsávjel x_K letapogatási értékei a fenti képleteknek megfelelően az ^xK=s_k-x_k egyenlettel számíthatók.

A találmány szerinti eljárás alapgondolata, hogy a frekvenciakorrekció összeköthető a diszkrét Fouriertranszformáció számításával. Az így módosított diszkrét Fouriert-ranszformáció kiindulási értékei a következők :

N-l

Χι= Σ x_kexp(-j2n(l+p)A/A), 1=0, ..., A-l (3), k=0 ahol 1 egy futóváltozó, amelynek értéke nullától N-1 -ig fut. Ha a diszkrét Fourier-transzformáció forgatási tényezőire a következő rövidítést alkalmazzuk:

W_jV=exp(-j2jt/A) (4), akkor a (3) képlet a következőképpen írható le:

X,= σ’ XkW<J^+p)k ,1=0,..., A-l (5).

k=0

A módosított diszkrét Fourier-transzformáció, amely a frekvenciakorrekció kivitelezéséhez szükséges, az eredeti diszkrét Fourier-transzformáció tói eszerint csak a forgatási tényezők megválasztásában különbözik.

Az 1 képletben leírt diszkrét Fourier-transzformáció helyett előnyös módon gyors algoritmusok alkalmazhatók. A következőkben módosított diszkrét Fourier-transzformációhoz is alkalmas, gyors algoritmusokat adunk meg.

A Radix 2 Fást Fouriertransformation (FFT=gyors Fourier-transzformáció) példáját vesszük. A megfontolások elvileg a gyors Fourier-transzformáció (FFT) számítására szolgáló más gyors algoritmusokhoz is alkalmazhatók. Egy Radix 2 algoritmus alkalmazásához az N-nek második hatványnak kell lennie, tehát az n=ld N kapcsolat minden N elemre érvényes, ahol ld a kettes alapú logaritmust jelenti. Ebben az esetben az (5) képlet a következő alakban írható le:

HU 216 851 Β

X,= σ' ^x2k W⁽v ^P)k + W^^P σ' X_2k^w«+P*, k=0 ’ k=0

1=0, ...,N’-1 (6),

Itt bevezettük az N’=N/2 rövidítést. A megmaradó X[ vivőamplitúdók (1=N’, ..., N-l) a 6 képletből már kiszámított részösszegekből a következő egyenlettel határozhatók meg:

Χν·₊1= Σ ^x2kW^^P)k+W^^Nf X2k_+lW<'^% k=0 k=0

1=0, ...,N’-1 (7).

A 6 és 7 egyenletek képezik a módosított diszkrét Fourier-transzformáció gyors számításának alapját. Ezeknek az összefüggéseknek az ismételt alkalmazásával az N hosszúságú, módosított diszkrét Fourier-transzformáció a 2 hosszúságú módosított diszkrét Fouriertranszformációhoz szolgáló elemi függvényekre, úgynevezett Butterflyokra vezethető vissza.

Megfelelő algoritmusokat például a következő publikáció ismertet Decimation-in-Time algoritmusokként: Brigham: „FFT - schnelle Fouriertransformation (FFT - gyors Fourier-transzformáció)”, Oldenburg, München, Wien, 1987. A különbség egyedül az alkalmazott forgatási tényezők más megválasztásában áll. Ennek az a nagy előnye, hogy a gyors Fouriertranszformáció (FFT) megvalósításához ismert hardver közvetlenül felhasználható feltéve, hogy a tárolt forgatási tényezők hozzáférhetők.

A következőkben a módosított diszkrét Fouriertranszformáció N-l forgatási tényezőinek hatékony meghatározását ismertetjük. Az N hosszúságú, módosított diszkrét Fourier-transzformáció számításához N-l különböző forgatási tényezőre van szükség, amelyek a következő összefüggéssel adhatók meg:

W‘^l+P)2m , ahol m=0, ...,n-l és 1=0, ...,

2n-m-l_l (8), ahol m egy futóváltozó. Mivel a forgatási tényezők unimodulárisak, a megfelelő Θ fázisszöggel is leírhatók:

2ti

W<^l+P)2m =exp(-jO_lm), valamint 0_lm=—2^m(l+p) (9),

A különböző szögek hatékonyan számíthatók a következő rekurzív összefüggésekkel:

»l,m =2m01>0	(10),
h+i.o =θ],ο+2π/Ν mód 2π	(11),
>o,o =2πρ/Ν	(12).

A módosított diszkrét Fourier-transzformáció rögzített, pontos formátumban történő megvalósításakor a normált frekvenciaeltéréseket ehhez a formátumhoz kell illeszteni. Ha abból indulunk ki, hogy a ffekvenciakorrekció megvalósításához kér vivőjel között R számú kvantálási lépcső elegendő, akkor ezeknek a közbenső lépcsőknek a leírásához r= ldR bit szószélesség szükséges. Az R számnak tehát második hatványként kell meglennie. Ha a fent megadott θ fázisszöget a t=NR0/2n összefüggés szerint egész számokra képezzük le, akkor a következő rekurzív előírásokat kapjuk:

*I,m =2^mt] θ (14), t|_+]0 =tl,0+RmodNR (15), to.o =[PR] (16), ahol a szögletes zárójel a legközelebbi egész számú értékre való felkerekítést jelenti. Ennek az összefüggésnek a megvalósítása egy n+r bit szélességű akkumulátorral a 3. ábrán látható. A 36 bemenethez hozzávezetjük a kvantálási lépcsők számát jelentő R értéket, amely továbbadódik a 31 összeadó tagra. A 31 összeadó tag a 36 bemenettől hozzávezetett R értéket összeadja a 32 időkésleltető tagtól hozzávezetett értékkel. A 31 összeadó tag kimenete össze van kötve a 32 időkésleltető tag bemenetével. Ezenkívül a 31 összeadó tag kimenete egy első 37 kiadócsatomához és egy első 33 szorzótag bemenetéhez van vezetve. Az első szorzótag kimenete össze van kötve egy második szorzótag bemenetével és egy második 38 kiadócsatornával. A második 34 szorzótag kimenete egy harmadik 39 kiadócsatomával és egy további szorzótaggal van összekötve. Az m-edik 35 szorzótag az (m+l)-edik 40 kiadócsatornával van összekötve. A 32 időkésleltető tag egy második 41 bemenetén van egy kezdőérték. Az első, második, ... és m-edik 33, 34 és 35 szorzótagok 2 értékkel szoroznak. A 3. ábrán látható kapcsolást n+r hosszúságú adatszavakra alkalmazzuk. A 32 időkésleltető tag időkésleltetést hajt végre egy T időütemmel, amellyel a 33, 34, és 35 szorzótagok ütemezve vannak. Az akkumulátor 41 bemenetén az alaphelyzetet [pR] értékre állítjuk be. Felismerhető, hogy a frekvenciaeltérés kizárólag erre az alaphelyzet-beállító bemenetre megy be. A fázisakkumulátomak N/2 ütemet kell átfütnia, hogy generálni tudja az összes szükséges értéket. A 2-vel való szorzások egyszerű bit-shift műveletekként valósíthatók meg. A legközelebbi feldolgozólépésben a 37, 38, 39, 40 kiadócsatomák n + r bit szélességű t szavait az n+r-1 kis értékű bit levágásával 1 szóhosszúságúvá tesszük. A megfelelő értékeket a következőkben t-nek jelöljük, és egy koszinusz- és szinuszfüggvények értékeit tartalmazó táblázat címzésére szolgálnak. Tértéktartománya: 0, ..., 2^V”¹. A módosított forgatási tényezőket Tértékeiből a következő képlettel kapjuk:

W<,^l+P)2m =cos(2nT_1>m/2v)-j sin(2riT₁,_m/2v) (17), úgyhogy a 17 képlet a t címektől függő táblázatos értékek számítási előírását jelenti. A szinusz- és koszinusz-függvény értékeit w szóhosszal helyezzük el a 14 tárolóban, amely hossznak meg kell egyeznie a jelszóhosszal. Az 1 címszóhossznak nagyobbnak kell len4

HU 216 851 Β nie, mint w. Jó eredmények érhetők el, ha v=w+4. A megvalósításnak ebben a formájában a táblázathoz a w szóhossznak 2^V+I értékére van szükség. A szinusz- és koszinuszfüggvények szimmetriájának kihasználásával a táblázat bejegyzéseinek száma két 2^V~' értékre csökkenthető, ahogy a következőkben megmutatjuk. Mindenekelőtt :

sin(0) = cos(9-7t/2) (18), úgyhogy sin(2K t[__m/2^v=cos(2n(r, _im-2v-2)/2v) (19).

Továbbá cos (0-Jt)=-cos(9) (20), tehát cos(2Kr_i,_m/2'j=-cos(2n(tí_>m-2vi)/2J (21).

Ezzel az elrendezéssel elérhető, hogy a w szóhosszúságú 2^{V 1} értékekkel rendelkező koszinuszfüggvényeknek összesen csak egy táblázatára van szükség. A koszinuszfüggvények a 14 tárolóban vannak elhelyezve, és a 13 számítóegység hívja le őket a hozzá tartozó koszinuszértékek címeit leíró t értékeken keresztül. A címeket egyszerű módon, a 3. ábrán látható eljárás segítségével, az akkumulátor alkalmazásával határozzuk meg. Ily módon a szükséges forgatási tényezők nagyon gyorsan megtalálhatók.

A találmány szerinti eljárást előnyös módon digitális rádióműsor-szórás (DAB) vételekor használjuk.

Claims (5)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás ffekvenciakorrekcióhoz többcsatornás átviteli eljárásnál, amelynek során egy többcsatornás jelet sáváteresztő szűrésnek vetünk alá, majd egy adott frekvenciával való frekvenciáké verés után eltoljuk egy sáváteresztő tartományba, ezután digitális Fouriertranszformációt hajtunk végre, majd a Fourier-transzformációval átalakított jelet csatomadekódolásnak vetjük alá, és a Fourier-transzformációval átalakított jelből egy vivőjel és a frekvenciakeveréshez alkalmazott frekvencia között frekvenciaeltérést határozunk meg, azzal jellemezve, hogy a meghatározott frekvenciaeltérésből egy módosított Fourier-transzformációhoz úgy számítunk értékeket, hogy a vivőjel és a frekvencia között lévő, a frekvenciakeveréshez alkalmazott frekvenciaeltérést módosított Fourier-transzformációval egyenlítjük ki.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a módosított Fourier-transzformáció számításához gyors algoritmust alkalmazunk.
3. 3. Az 1. vagy a 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a Fourier-transzformáció módosításához szükséges értékeket táblázatból olvassuk ki.
4. 4. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a címeket, amelyek alatt az értékeket eltároljuk a táblázatba, akkumulátor segítségével határozzuk meg.
5. 5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a módosított Fourier-transzformációval végzett frekvenciakorrekciót digitális rádióműsor-szórás vételekor alkalmazzuk.