SE514736C2 - Digitalt system för abonnentledningar med höga bithastigheter - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 514 736 2 "COFDM: An overview", IEEE Transactions on Broadcasting, sid 1 - 6. Den grundläggande teorin diskuteras också i Leonard J. Cimini, Jr., "Analysis and simulation of a digital mobile channel using orthogonal frequency division multiplexing", IEEE Transactions on Communications, volym 33, nr 7, juli 1985, sid 665-675 och den publicerade europeiska patentansökningen EP-Al O 616 445.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett med uppfinningen att anvisa ett forfarande för att sända information på en enkel ledning eller en kommunikationskanal i båda riktningar, dvs på en äkta duplex- ledning, som möjliggör, att ett minimum av beräkningar mäste göras i båda ändar av led- ningen eller kommunikationskanalen.

Det är ytterligare ett ändamål med uppfirmingen att välja bärvågsfrekvenser, när infor- mation sänds på en ledning eller en kommunikationskanal, så att OFDD kan utföras på ett effektivt sätt.

Det är ytterligare ett ändamål med uppfinningen att välja bärvågor vid sändning av information på en ledning, så att en minskning av brus eller störningar uppnås vid användning av OFDD.

Om sålunda bärvågorna väljs på ett lämpligt sätt i upp- vissa egenskaper hos DFT (eng. "Discrete Fourier Transforrn", och IDFT (eng. "Inverse Discrete Fourier Transform", "invers diskret fouriertransform") användas för att rninska det erforderliga antalet beräkningar. Det kan sålunda visas, att om en DMT-sändare endast använder bärvägor med jämna index kommer utgångssignalen i tids- domänen att bestå av en upprepad följd med en längd, som är hälften av den urspnmgliga.

Detta kan utnyttjas pâ sådant sätt, att en följd med halva längden beräknas och sedan uppre- pas. Om DMT-sändarna endast använder bärvågor med index, som är multiplar av fyra, kommer på liknande sätt en följd att upprepas fyra gånger, DFT eller IDFT få en flärdedel av längden hos den ursprungliga följden och den resulterande följden kommer då att upprepas fyra gånger, etc.

FIGURBESKRIVNING Uppfmningen skall nu beskrivas i detalj såsom en ej begränsande utföringsform med hänvisning till de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. 1 är ett blockschema av en del av ett nät för kommunikation med en abonnent, - Fig. 2 är ett blockschema, som visar fimktionen hos en effektiv transformationsenhet, vilken används för att modulera information, som skall sändas, - Fig. 3a och 3b är schematiska bilder, som visar en additionsoperation för att återbilda en översänd kort sekvens, - Fig. 4 är ett diagram, som visar funktionen hos en effektiv transformationsenhet, vilken används för att demodulera mottagen information, och - Fig. 5a och 5b är diagram, som visar tilldelningen av bärfrekvenser för asymmetrisk kom- munikation. volym 41, nr 1, mars 1995, och nedströmsrikmingama kan "diskret fouriertransform") 10 15 20 25 30 35 40 514 736 3 BESKRIVNING AV FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM Det i form av ett blockschema i fig. 1 visade systemet är en del av en telekommunika- tionsnät, som visar förbindningar från ett transportnät 1 till abonnenter 3 med användning av DMT-("Discrete Multi Tone")-modulation av den översända informationen. Bitströmmar anländer till och kommer från en linjeenhet 5 från respektive till transpormätet 1. Från linje- enheten 5 går en tvinnad kopparparledning 7 fram till en abonnentenhet 9, som kan vara förbunden med en telefonapparat ll, en dator 13, en telefaxanordning 15 och andra elekt- roniska inmatnings- och utrnamingsenheter, som används av abonnenten 3. Den till linje- enheten 5 från transportnätet 1 ankommande bitströmmen kodas i en kodare 17, i vilken lämpliga symboler bildas, som inmatas till en IFFT-enhet 19, vilken är förbunden med ut- gångsanslutningen från kodaren 17. Utgångsanslumingen från IFFT-enheten 19 är förbunden med en digital-till-analog omvandlare 21, vars utgång via en hybridkrets 23 är förbunden med ledningen 7. I abonnentenheten 9 är den tvinnade parledningen 7 på liknande sätt förbunden med en hybridkrets 25, Signalerna från hybridkretsen 25 matas till en analog-till-digitalom- vandlare 27, vars utgång är förbunden med en FFT-enhet 29, som utför beräkningar, vilkas resultat inmatas i en avkodare 31, vilken är förbunden med utgången från FFT-enheten 29.

Utgången från avkodaren 31 är förbunden med ett abonnentgränssnitt 33, i vilket de mottagna och avkodade bitama bearbetas i enlighet med den enhet, vilken avser att mottaga bitström- men, dvs beroende på huruvida den t ex är ett röstmeddelande eller en datasignal. Abonnent- gränssnittet 33 har sålunda anslutningar, med vilka de olika abonnentanordningarna 11, 13, 15, etc., är förbundna.

På liknande sätt bearbetas en signal, som inmatas till abonnentenheten 9 från en av abonnentanordningarna ll, 13, 15, etc., av abonnentgränssnittet 33 och den resulterade bit- strömmen kodas i en kodare 35. De kodade symbolerna bearbetas i en IFFT-enhet 37 och de transformerade datavärdena omvandlas till analog form i en digital-till-analogomvandlare 39.

Utgångssignalen från digital-till-analogomvandlaren 39 inmatas till hybridkretsen 25, från vilken den analoga signalen utsänds på den tvinnade parledningen 7. Den översända signalen mottas av den motsvarande hybridkretsen 23 i linje-enheten 5 och omvandlas till digital form av en analog-till-digitalomvandlare 41. Den digitala signalen bearbetas av en FFT-enhet 43 och motsvarande symboler avkodas i en avkodare 45, som framställer en bitström på en ledning till transportnätet. Kodama, avkodama, digital-till-analogomvandlarna och analog-till- digitalomvandlarna och hybridkretsarna är beståndsdelar, vilka är väl kända inom tekniken med sändning av signaler i kommunikationssystem med hjälp av ortogonala bärvågor respekti- ve i en tvåtrådsförbindning med en abonnent. En hybridkrets 23, 25 mottar sålunda signaler från en ledning eller en abonnentenhet och översänder dessa på den tvinnade parledningen 7, framställer en signal, som är så litet avböjd som möjligt och som på ett önskat sätt samtidigt eller automatiskt inmatas till utgångsanslutningen hos hybridkretsen, vilken är förbunden med den inre delen av respektive linje- och abonnentenheter, dvs med dem i dessa anordnade analog-till-digitalomvandlarna.

DMT-("Discrete Multi Tone")-moduleringen och -demoduleringen, vilka används vid 10 20 25 30 514 736 4 den i fig. 1 visade abonnentförbindningen, innefattar allmänt, att först ingångssymbolerna, vilka anländer seriellt, omvandlas till lämplig parallell form av kodama 17, 35 och att sedan flera bärvågor moduleras med hjälp av transformationsenhetema eller IFFT-enheterna 19, 37.

De modulerade bärvågorna adderas till varandra i ett slutsteg i IFFT-enhetema och resultatet inmatas till digital-till-analogomvandlama 21, 23. Ett motsvarande förfarande utförs, när den samplade mottagna signalen demoduleras.

Modulerings- och demodulezingstörfarandena utförs mycket effektivt genom att allmänt använda den inversa diskreta fouriertransformen (IDFT) för modulering och den direkta diskreta fouriertransfonnen (DFT) för demodulering. Beräkningsschemana för IDFT och DFT kan förfmas till olika former av den inversa snabba fouriertransformen IFFT för modulering och den direkta snabba fouriertransformen FFT för demodulering, såsom åskådliggörs i figu- ren av IFFT-enheterna 19, 27 och FFT -enheterna 29, 43.

Kommunikation i en enda riktning skall nu diskuteras. För en symbolvektor {X0, X1, X2N_1}, som erhålls genom att koda (i 17 eller 35) en inkommande bitström, ges tidsdo- mänfcíljden {x0, x1, . x211_1}, som beräknas med hjälp av den inversa diskreta fou- riertransformen (i 19 eller 37), av 2N-l l _. xn = ïfiš Xm-wzf (1) förn = O, 1, 2N-l, där _j_2lf Om vi antar, att endast jämna komponenter föreligger i den ursprungliga symbolen, dvs X2k+1 = O, k = 0, 1, N-1, vilket innebär att den föregående kodningsprocessen i koda- ren 17 , 35 måste anpassas till detta, erhålls följande ekvation N-l 1 -kn k=O Wu är emellertid periodisk med en period N och sålunda är xn periodisk med samma period, dvs Xn = Xn+N (4) Sålunda kan tidsdomänföljden {x0, x1, . x2n_1}, som är den inversa diskreta fouriertransforrnen av symbolvektom med nolloma avlägsnade, dvs tidsdomänföljden är i själva verket {x11, x1, xn_1, xo, x1, xn_1}.

När endast bärvågor, som har index, vilka är multiplar av fyra, föreligger i den ur- spnmgliga symbolvektom, fmns en motsvarande fyrfaldig upprepning i tidsföljden, i vilken de första komponenterna upprepas fyra gånger i tidsdomänföljden. Motsvarande gäller för kom- x211_1} erhållas genom att upprepa den följd {x0, x1, 15 20 25 30 35 514 736 5 ponenter, vars index är multipler av åtta, sexton, etc., så att transformationen resulterar i en 8-faldig, 16-faldig upprepning av de först transformerade värdena. Detta åskådliggörs i ñg. 2, i vilken i ett block 201 en IFFT görs med en längd, som har minskats med faktorn R och som framställer en följd värden, vilka upprepas R gånger i upprepningsblocket 203, som framställer de värden, vilka skall överföras till en digital-till-analogomvandlare.

När endast udda numrerade bärvågor används för sändning i en riktning, dvs när Xzk = 0, k = 0, 1 ..., N-1 blir beräkningen motsvarande den ovan skisserade mer komplicerad. Då måste i stället signalerna upprepas men med omvänt tecken. I detta fall måste också en ytterli- gare komplex multiplikation per sampel utföras på tidsdomänsidan.

Förfaranden existerar för att beräkna en FFT för 2N punkter för en reell ingångssignal med hjälp av en FFT med endast N-punkter, se LG. Proakis och D.G. Manolakis, "Digital Signal Processing", MacMillan Publishing Company, 1992, sid 708 - 714. Liknande förfaran- den kan härledas för en IFFT av 2N-punkter för en reell utgångssignal. För endast bärvågor med udda nummer kan dessa förfaranden, som är anpassade för en reell ingångs- respektive utgångssignal, inte direkt tillämpas beroende på det mera komplicerade upprepningsförfaran- det. Sålunda bör i det enklaste praktiska fallet bärvågsindexen företrädesvis vara multiplar av 2, 4, 8 etc., för sändning i en riktning. För de återstående frekvensema, som används i den motsatta sändningsriktningen, kan en diskret fouriertransform med alla bärvågor beräknas.

Det är också i mottagaren möjligt att minska antalet beräkningar för demoduleringen, eftersom den diskreta fouriertransformen har en periodicitet, som motsvarar den ovan för den inversa fouriertransformen beskrivna periodiciteten. Då uppdelas, såsom visas i fig. 3a och 3b, en mottagen signal i motsvarande antal mindre partier, vilka alla har samma längd, och dessa partier adderas. En reducerad FFT för ett mindre antal index beräknas sedan. För exempelvis bärvågor med jämna index uppdelas varje mottagen symbol i två lika långa delar, vilka adderas till varandra. Vidare leder additionsoperationen till, att alla ej önskade bärvågor undertrycks och att i mottagaren brus och störningar minskas och vidare, exempelvis när endast jämna index används, att en FFT för endast hälften av antalet index behöver beräknas i mottagaren.

En enkel krets för att utföra additionen visas i fig. 4. Den inkommande samplade ström- men passerar genom en surnmeringsnod 401, från en ingång hos denna till dess utgång, till ett minne 403 med en sådan längd, att detta endast kan inrymma den lämpliga uppdelade kortare längden. Den första delen av det inkommande blocket av tidsdomänsampel passerar genom minnet 403 och styrs av en omkopplare 405 tillbaka till summeringsnoden 401, till en andra ingång hos denna, och summeras i denna med nästa del av den inkommande strömmen. Detta upprepas det erforderliga antalet gånger och sedan flyttas omkopplaren 405 till ett annat läge för att mata den adderade utjämnade strömmen till en FFT-enhet 407, som beräknar frekvens- domänsvärden för ett minskat antal ingångsvärden.

Vid symmetrisk kommunikation av full duplextyp på kommunikationskanalen, särskilt på den tvinnade parledningen 7, kan information sändas med lika stor hastighet i de båda 49 motsatta rikmingarna. Då kan, såsom har föreslagits i den förut kända tekniken, bärvågor 10 20 25 514 736 6 med jämna index användas i en riktning och bärvågor med udda index kan användas i motsatt riktning. För riktningen med jämnt numrerade bärvågor kan mängden beräkningar för modu- lering och demodulering minskas till hälften av den mängd beräkningar, vilka erfordras för det allmänna fallet, när den diskreta fouriertransformen beräknas för alla bärvágor. För rikt- ningen med bärvágor med udda nummer kan det föredras att använda den för alla bärvågor beräknade transformen och sålunda blir den mängd berälmingar, vilka inbesparas jämfört med när transformen med alla bärvågor måste beräknas i båda riktningarna, lika med (1 - ( 1 + 1/2)/2 =) 1/4. I vissa fall erfordras inte symmetrisk kommunikation, t ex för att sända video- data såsom filmer till ett hem, och då kan de tillgängliga bärfrekvenserna tilldelas pâ asym- metriskt sätt, t ex så att var fjärde eller var åttonde frekvens hos det totala antalet frekvenser används för att sända information från abonnentänden. Då blir mängden beräkningar, vilka erfordras i riktning från abonnenten, i transformationsenheterna 37 och 43, 1/4 respektive 1/8 av den mängd beräkningar, vilka erfordras i transforrnen med alla bärvågor, vilket ger inbe- sparingar av beräkningar, som uppgår till 3/8 respektive 7/16.

I den föredragna ej begränsande utföringsformen måste sålunda alltid transformen med alla bärvågor beräknas i nedströmsriktningen, i riktning mot abonnenten. Detta leder vidare till, att vissa bärvågor, vilka används i uppströmsriktningen, från abonnenten, inte behöver användas för att sända information i derma riktning, utan i stället kan användas för att sända i motsatt riktning. Detta kan användas för att planera valet av använda frekvenser. Om exem- pelvis av störningsskäl låga bärvågsfrekvenser bör undvikas i uppströmsriktningen, kan dessa frekvenser användas för nedströmsriktningen, genom att modifiera kodningsförfarandena på motsvarande sätt, vilka utförs av kodarna 17, 35.

I fig. 5a áskådliggörs de tillgängliga frekvenserna av intill varandra ritade rektanglar, som är anordnade i rad, varvid läget hos en rektangel i raden anger indexet eller numret hos den representerade frekvensen. För uppströmskommunikation med bärvågor, som har index, vilka är multipler av fyra, kan var fjärde frekvens användas för uppströmssignalering, såsom anges av rektanglarna fyllda med skraffering med tjocka streck. Såsom visas i fig. 5b kan de lägre frekvenserna därav överföras till sändning i nedströmsriktningen, såsom anges av de rektanglar, vilka är fyllda med en skraffering med tunna linjer.

Claims (6)

15 20 25 30 35 514 736 7 PATENTKRAV
1. l. Telekommunikationsnät innefattande minst två noder, som överför information i bägge riktningar till varandra, varvid nodema var och en innefattar - första transformationsorgan för att transformera digital information, vilken skall överföras till den andra noden, från frekvensdomän till tidsdomän, med ortogonala bärvågor i tidsdomä- nen, - sändningsorgan förbundna med de första transformationsorganen fór att översända den transformerade informationen till den andra noden, och - mottagningsorgan för att mottaga infomiation från den andra noden, - andra transformationsorgan, som är förbundna med mottagningsorganen, för att transforme- ra information, vilken mottas från dessa frän tidsdomän till frekvensdomän, kännetecknat av - att de första transformationsorganen och de andra transformationsorganen är anordnade att transformera information enligt en diskret fouriertransform eller en invers diskret fourier- transform, - att de första transformationsorganen i noderna är anordnade att använda olika frekvenser hos bärvágoma, - att de första transformationsorganen i en första nod är anordnade att bestämma den diskreta fouriertransforrnen eller den inversa diskreta fouriertransformen för en bråkdel av bärvägoma och sedan väsentligen upprepa de transformerade värdena ett erforderligt antal gånger.
2. 2. Nät enligt krav 1, kännetecknat av att de andra trans-formationsorgan i en andra nod, som är skild från den första noden, är anordnade att bestämma den inversa diskreta fouriertransformen respektive den diskreta fouriertransformen genom att uppdela den mottag- na informationen i segment, att väsentligen addera åtminstone två efter varandra följande segment med varandra och att beräkna transformerade värden från resultatet av additionen.
3. 3. Nät enligt något av krav 1 - 2, kännetecknat av att de första transformationsorganen i en av nodema och de andra transformationsorganen i den andra noden är anordnade att använda endast bärvågor med jämna index.
4. 4. Nät enligt något av krav 1 ~ 3, kännetecknat av att de första transformationsorganen i den första noden innefattar kodningsorgan, varvid kodningsorganen är anordnade att koda information, som skall sändas, för att bilda symboler, vilka är anordnade att transformeras enligt en diskret fouriertransform eller en invers diskret fouriertransform med användning av brâkdelen bärvågor.
5. 5. Nät enligt något av krav l - 4, kännetecknat av att de i bräkdelen innefattade bärvâ- goma har index, som är multiplar av potenser av 2, dvs av 2, 4 eller 8, etc.
6. 6. Telekommunikationsnät innefattande minst tvâ noder, som överför information i bägge riktningar till varandra, varvid nodema var och en innefattar - första transformationsorgan för att transformera digital information, vilken skall sändas till den andra noden, frân frekvensdomän till tidsdomän med användning av ortogonala bärvågor 40 i tidsdomänen, 514 736 8 - utsändningsorgan förbundna med de första transformationsorganen för att översända den transformerade informationen till den andra noden, och - mottagningsorgan för att mottaga information från den andra noden, - andra transformationsorgan förbundna med mottagningsorganen för att transformera från s dessa mottagen information från tidsdomän till frekvensdomän, kännetecknat av - att de första transformationsorganen och de andra transformationsorganen är anordnade att transforrnera information enligt diskret fouriertrarisforrn eller invers diskret fouriertransform, - att det första transformationsorganet i noderna är anordnat att använda olika frekvenser hos 10 bärvågorna, - att de vid kommunikationen använda bärvågorna i en av riktningarna innefattar alla frekven- sema inom ett lågfrekvensband.