PL177232B1 - Sposób modulacji i demodulacji wielu nośnych cyfrowo kodowanych danych - Google Patents

Abstract

1. Sposób modulacji i demodulacji wielu nosnych cyfrowo kodowanych danych (modulacja OFDM), w którym wytwarza sie czasowa sekwencje symboli OFDM , z których tworzy sie kolejne ramki transmisji OFDM , przy czym kazda ramka transmi- sji OFDM zlozona jest z naglówka ramki z jednym lub wieloma symbolami sterowania oraz z obszaru danych uzytkowych z w ielom a sym bolam i da- nych, a ponadto pom iedzy kolejnym i symbolami sterowania lub symbolami danych zawsze przewi- dziany jest interwal ochronny, znamienny tym, ze interwaly ochronne dla symboli sterowania (Tg str) w naglówku kazdej ramki transmisji OFDM wybiera sie wieksze niz interwaly ochronne dla symboli danych (Tg data) w obszarze danych uzytkowych kazdej ramki transmisji OFDM. P L 177232 B 1 Fig.2 PL PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu modulacji i demodulacji wielu nośnych cyfrowo kodowanych danych, w którym wytwarza się czasową sekwencje symboli OFDM, z których tworzy się kolejne ramki transmisji OFDM, przy czym każda ramka transmisji OFDM jest złożona z nagłówka ramki z jednym lub wieloma symbolami sterowania oraz z obszaru danych użytkowych z wieloma symbolami danych, a ponadto pomiędzy kolejnymi symbolami sterowania lub symbolami danych zawsze przewidziany jest interwał ochronny.

Sposoby tego rodzaju są znane z FR-A-2 639 495.

W przypadku znanej modulacji wielu nośnych (Orthogonal Frequency Divison Multiplex-Modulation, w skrócie modulacja OFDM) według FR-A-2 639 495 tworzy się czasową sekwencję symboli OFDM za pomocą syntezy fourierowskiej wielu nośnych zmodulowanych danymi zakodowanymi cyfrowo. Z tych symboli OFDM tworzy się kolejne ramki transmisji OFDM, które przykładowo są oddzielone od siebie tylko przez jeden symbol zerowy (fig. 1). Każda ramka transmisji OFDM złożona jest z nagłówka z jednym lub kilkoma symbolami sterującymi oraz z następującego po nim obszaru danych użytkowych z wieloma symbolami danych. Symbole sterujące służą w detektorze OFDM do czasowo właściwego rozpoznawania początku każdej odbieranej ramki transmisji OFDM i symbolu OFDM oraz do odzyskiwania dokładnych częstotliwości modulacji jeśli chodzi o wartość bezwzględną i fazę. Pomiędzy kolejnymi symbolami OFDM (symbole sterowania i symbole danych) po stronie modulatora przewidywany jest zawsze interwał ochronny. Dzięki temu interwałowi ochronnemu po stronie demodulatora unika się przeniku pomiędzy kolejnymi symbolami OFDM powodowanego przez wielodrogową propagację. Czasowa długość interwałów ochronnych dla wszystkich symboli OFDM w nagłówku ramki i w obszarze danych użytkowych każdej ramki transmisji OFDM jest przy tym jednakowa.

Okazało się jednak, że przy występowaniu większych różnic opóźniania w jakimś miejscu odbioru, zwłaszcza w sieciach synchronizowanych, interwały ochronne muszą mieć

177 232 stosunkowo długi czas trwania, aby z pewnością uniknąć przeników pomiędzy kolejnymi symbolami OFDM. Na skutek takiego długiego czasu trwania interwałów ochronnych zmniejsza się pojemność dla sygnału użytkowego lub skuteczność przenoszenia. Można by temu zaradzić, gdyby wraz ze zwiększeniem długości interwałów ochronnych zwiększała się również w takim samym stopniu czasowa długość interwałów użytkowych. Znacznie zwiększa to jednak koszty po stronie demodulatora. Mianowicie nieproporcjonalnie zwiększają się wymagania dotyczące dokładności odczytywania symboli danych OFDM, ilości odczytanych wartości do zapamiętania oraz nakładów obliczeniowych do analizy częstotliwościowego sygnału czasowego dawanego przez odczytane wartości. Wybrany interwał ochronny dla sysl^emu modulacji OFDM stanowi zatem kompromis, przy którym trzeba uwzględniać zmniejszenie zdolności przenoszenia ze względu na koszt odbiornika i wykorzystanie częstotliwości z punktu widzenia planowania sieci.

Zadaniem wynalazku jest zatem zmniejszenie redukcji pojemności sygnałów użytkowych w dużej liczbie zastosowań i równocześnie przesyłanie tych sygnałów w sieci synchronicznej o dużej rozległości powierzchniowej.

Zadanie według wynalazku zostało rozwiązane przez sposób modulacji i demodulacji wielu nośnych cyfrowo kodowanych danych (modulacja OFDM), w którym wytwarza się czasową sekwencję symboli OFDM, z których tworzy się kolejne ramki transmisji OFDM, przy czym każda ramka transmisji OFDM złożona jest z nagłówka ramki z jednym lub wieloma symbolami sterowania oraz z obszaru danych użytkowych z wieloma symbolami danych, a ponadto pomiędzy kolejnymi symbolami sterowania lub symbolami danych zawsze jest umieszczony interwał ochronny, który charakteryzuje się tym, że interwały ochronne dla symboli sterowania w nagłówku każdej ramki transmisji OFDM wybiera się większe niż interwały ochronne dla symboli danych w obszarze danych użytkowych każdej ramki transmisji OFDM. Czasowa długość interwałów ochronnych dla symboli danych w obszarze danych użytkowych każdej ramki transmisji OFDM, korzystnie jest zmienna.

Podczas demodulacji danych kodowanych cyfrowo korzystnie określa się czasową długość interwałów ochronnych dla symboli danych w obszarze danych użytkowych każdej odebranej ramki transmisji OFDM i określa się chwile odczytywania symboli danych w zależności od ustalonej długości interwałów ochronnych.

Wynalazek oparty jest na spostrzeżeniu, że duże interwały ochronne nie są potrzebne przy wszystkich usługach radiowych. Przykładowo istnieją różnice w lokalnych, regionalnych i krajowych strukturach sieci. Najbardziej krytyczna jest obsługa dużych powierzchni w pracy synchronicznej. Wychodząc z tego spostrzeżenia rozwiązanie według wynalazku polega na tym, aby tylko interwały ochronne nagłówka każdej ramki transmisji OFDM dostosować do najgorszego przewidywanego przypadku zastosowania, a interwały ochronne symboli OFDM w zakresie danych użytkowych w każdej ramce transmisji OFDM ustawiać w zależności od rzeczywiście występujących w danej sieci różnic opóźności.

Zaleta sposobu według wynalazku polega na tym, że przy stosunkowo niewielkich nakładach sprzętowych uzyskuje się elastyczność czasu trwania interwału ochronnego, optymalizację systemu OFDM zarówno z punktu widzenia realizacji jak i z punktu widzenia planowania sieci. Dalsza zaleta tego sposobu uwidacznia się również wtedy, gdy różnice opóźnienia echa przekraczają interwał ochronny przewidziany dla symboli danych. Dopóki symbole sterowania mają wystarczająco duży interwał ochronny, dodatkowe usuwanie echa dla symboli danych na podstawie odpowiedzi impulsowej kanału transmisji określonej przez symbol wzorcowy możliwe jest również zwykłymi sposobami.

Wynalazek zostanie objaśniony dokładniej na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie budowę ramki transmisji OFDM według stanu techniki; fig. 2 - trzy przykłady schematycznej budowy ramki transmisji OFDM według wynalazku; fig. 3 - schemat blokowy modulatora OFDM do wytwarzania ramki transmisji OFDM według fig. 2, a fig. 4 - schemat blokowy demodulatora OFDM do demodulacji ramki transmisji OFDM z fig. 2.

177 232

Na fig. 1 cyfra 1 oznacza symbole sterowania 2 - symbole danych, 3 - symbol zerowy, 4 - symbol wzorcowy, 5 - symbole OFDM, 6 - interwał ochronny, 7 - aktywny symbol OFDM, 8 - ramka transmisji OFDM.

Figura 2 przedstawia ramkę transmisji OFDM, na której 9 oznacza symbole sterowania, 10 - symbole danych, 11 - symbol zerowy, 12 - symbol wzorcowy, Tg strg - interwał ochronny dla symboli sterowania o stałej długości Tg data - interwał ochronny dla symboli danych o programowanej długości, Ta - aktywny symbol danych OFDM o stałej długości.

Figura 3 przedstawia istotne cechy modulacji OFDM po stronie nadawczej. Na fig. 3 symbol 13 oznacza podstawę czasu dla symboli danych, 14 - podstawę czasu dla symboli sterowania, 310 cyfrowo kodowane dane dla symbolu OFDM, 320 - modulację nośnych w zakresie częstotliwości, 330 - synteza fourierowska, 340 - zapisanie okresowego sygnału czasowego, 350 - czasowe okienkowanie symboli OFDM, 360 - określanie interwału ochronnego stanowiącego podstawę czasu dla symboli danych i dla symboli sterowania, 370 - określenie interwału ochronnego, 380 - symbole sterowania, symbole danych, sterowanie ramki transmisji OFDM.

Figura 4 przedstawia demodulator OFDM, w którym 410 oznacza czasowe okienkowanie symboli OFDM, 420 - odczytanie i zapisanie okresowego sygnału czasowego, 430 - analizę furierowską, 440 - demodulacja nośnych w zakresie częstotliwości, 450 zakodowane dane, 460 - ekstrakcja symboli sterowania, 470 - synchronizacja ramki OFDM i symbolu oraz określenie interwału ochronnego, 480 - synchronizacja symbolu OFDM, 490 - interwał ochronny podstawy czasu dla symboli danych i dla symboli sterowania, 495 - określenie interwału ochronnego.

W celu utworzenia symbolu OFDM, który stanowi najmniejszą jednostkę transmisji, bierze się blok cyfrowo kodowanych danych 310. Moduluje się nimi w zakresie częstotliwości 320 wiele ortogonalnych nośnych. Dla każdej nośnej stosuje się przy tym standardowe, cyfrowe sposoby modulacji (np. QPSK, QAM itd.). Za pomocą odwrotnej transformacji fourierowskiej 330 syntezuje się okresowy sygnał czasowy o czasie trwania Ta. Ten sygnał czasowy, który zawiera wszystkie informacje bloku danych 310 i występuje w postaci tymczasowo zapamiętanych wartości odczytanych 340, przetwarzany jest w sygnał analogowy i nadawany dla czasu trwania symbolu Ts. Czas trwania symbolu Ts wybiera się przy tym większy niż minimalny konieczny aktywny czas symbolu Ta, który jest określany przez czas trwania okresu. Czas, o który przedłuża się nadawany sygnał, nazywany jest interwałem ochronnym o czasie trwania Ts+Ts-Ta.

Według wynalazku czas trwania interwału ochronnego Tgstrg dla symboli sterujących wybiera się większy niż interwał ochronny Tg data dla symboli danych. Jest to realizowane przez przełączanie 360, które jest sterowane w zależności od położenia symbolu OFDM w ramce przenoszenia OFDM. Interwał ochronny Tg strg wybiera się przy tym tak duży, aby można było wykluczyć przeniki kolejnych symboli sterowania nawet w warunkach krytycznych, jakich należy oczekiwać w sieci zsynchronizowanej o dużym rozciągnięciu powierzchniowym. Interwał ochronny, który można wybrać z zestawu 370 różnych interwałów ochronnych, ma taką wartość, że przy rzeczywiście występujących różnicach opóźności, jakie wynikają z realizowanej w konkretnym przypadku struktury sieci nadawczej, nie może nastąpić znaczny przenik pomiędzy kolejnymi symbolami danych. Wybrany czas trwania interwałów ochronnych Tg data symboli danych daje się sygnalizować za pomocą symboli sterowania. W ten sposób powstają ramki transmisji OFDM z różnym interwałem ochronnym, jak przykładowo przedstawione na fig. 2 a) - c).

Po stronie odbioru najpierw następuje zgrubna synchronizacja na ramkę transmisji OFDM. W trakcie czasu trwania Ts pierwszego nadanego symbolu OFDM dla czasu trwania Ta okresu zostaje odczytany odebrany sygnał 420 czasowego sygnału 400 i jest analizowany w zakresie częstotliwości za pomocą transformacji fourierowskiej 430. Przez demodulację poszczególnych nośnych uzyskuje się przeniesione dane. Dokładna synchronizacja czasowa jest z reguły realizowana przez to, że pierwszy symbol OFDM stanowi symbol wzorcowy, który umożliwia obliczenie odpowiedzi impulsowej kanału przenoszenia, a poza tym służy do odzyskania częstotliwości nośnych pod względem wartości i fazy.

177 232

Poprzez odpowiedź impulsową kanału transmisji znana jest amplituda i opóźność wszystkich ech występujących w wielodrogowym kanale i w sieci synchronicznej w czasie trwania dużego wybranego interwału ochronnego T_gst_rg·

Odczytywanie kolejnych symboli OFDM dla czasu trwania okresu Ta opóźnione jest za każdym razem o interwał ochronny, którego czas trwania dla symboli sterowania i symboli danych jest według wynalazku określany przez sterowanie 490, w zależności od położenia symbolu OFDM w ramce transmisji. Czas trwania interwałów ochronnych Tgdata dla symboli danych jest uprzednio sygnalizowany i wybierany z zestawu różnych możliwych interwałów ochronnych 495.

Claims (3)

1. Sposób modulacji i demodulacji wielu nośnych cyfrowo kodowanych danych (modulacja OFDM), w którym wytwarza się czasową sekwencję symboli OFDM, z których tworzy się kolejne ramki transmisji OFDM, przy czym każda ramka transmisji OFDm złożona jest z nagłówka ramki z jednym lub wieloma symbolami sterowania oraz z obszaru danych użytkowych z wieloma symbolami danych, a ponadto pomiędzy kolejnymi symbolami sterowania lub symbolami danych zawsze przewidziany jest interwał ochronny, znamienny tym, że interwały ochronne dla symboli sterowania (Tg str) w nagłówku każdej ramki transmisji OFDM wybiera się większe niż interwały ochronne dla symboli danych (Tg data) w obszarze danych użytkowych każdej ramki transmisji OFDM.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czasowa długość interwałów ochronnych dla symboli danych (Tg data) w obszarze danych użytkowych każdej ramki transmisji OFDM jest zmienna.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że określa się czasową długość interwałów ochronnych dla symboli danych (Tg data) w obszarze danych użytkowych każdej odebranej ramki transmisji OFDM i określa się chwile odczytywania symboli danych w zależności od ustalonej długości interwałów ochronnych (495) podczas demodulacji danych kodowanych cyfrowo.