DE4404004A1 - Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung, bei welchem die Symbole eines zu übertragenden Datenstroms und Sequenzen von Shaping-Bits einem Puls-Amplituden-Modulator aufgegeben werden, in dem das zu übertragende Signal bei der digital/analog Umsetzung einer Signalformung für angenähert gaußverteilte Signalwerte unterzogen wird, bei welchem das geformte analoge Ausgangssignal des Puls-Amplituden-Modulators einem Verzerrungen des Signals durch die Übertragungsstrecke entgegenwirkenden Vorverzerrer zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über die angeschlossene Übertragungsstrecke übertragen wird und bei welchem das übertragene Signal am Ende der Übertragungsstrecke abgetastet und anschließend weiterverarbeitet sowie einem Entscheider zugeführt wird (US-Z "IEEE Transactions on Information Theory", VOL. 38, No. 2, März 1992, Seiten 301 bis 314).

Ein Signal kann mit einem derartigen Verfahren leitungsgebunden oder drahtlos übertragen werden. Für die leitungsgebundene Übertragung werden Kabel mit elektrischen oder optischen Übertragungswegen eingesetzt. Die drahtlose Übertragung erfolgt beispielsweise über Richtfunk oder Satellitenfunk. Bei der Übertragung werden Störungen beispielsweise durch thermisches Rauschen, Übersprechen anderer Signale und Rauschen elektronischer und elektrooptischer Bauelemente hervorgerufen. Es können jedoch auch Realisierungstoleranzen und Taktschwankungen zu Störungen führen. Das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal (störabstand) und damit die erreichbare Bitfehlerhäufigkeit bzw. die überbrückbare Entfernung der Signalübertragung hängen wesentlich von den geschilderten Einflußgrößen ab.

Gemäß dem Kanalcodierungstheorem der Informationstheorie kann bei der digitalen Nachrichtenübertragung über derartige Störungen aufweisende Übertragungskanäle eine hohe Zuverlässigkeit für ein Sendesignal erreicht werden, wenn anstelle weniger diskreter Signalwerte zur Repräsentation der digitalen Symbole kontinuierlich gaußverteilte Signalwerte verwendet werden. Bei einer vielstufigen Übertragung ist durch eine entsprechend durchgeführte Signalformung gegenüber gleichverteilten Signalwerten eine Verringerung der mittleren Sendeleistung bei gleicher Zuverlässigkeit der Übertragung möglich. Besondere Bedeutung hat eine solche Verringerung der Sendeleistung durch Signalformung bei der digitalen Nachrichtenübertragung über Medien, bei denen die Störung im wesentlichen durch das Nebensprechen gleichartiger Signale zustande kommt, z. B. bei der digitalen Nachrichtenübertragung über Aderpaare in hochpaarigen Kabeln. In diesen Fällen bewirkt eine Verringerung der Sendeleistung durch Signalformung zugleich eine Verringerung der Störung bezüglich paralleler Übertragungswege. Es bietet sich dadurch die Möglichkeit, die Reichweite der Übertragung zu vergrößern.

Aus der US-Z "IEEE Transactions on Information Theory", VOL. 38, No. 2, März 1992, Seiten 281 bis 300, ist ein Verfahren zur Signalformung bekannt, bei dem ein zu übertragendes digitales Symbol in jedem Übertragungsschritt durch mehrere unterschiedliche Signalwerte repräsentiert werden kann. Dieses Verfahren wird als "Trellis-Shaping" bezeichnet. Durch die Wahl von sogenannten Shaping-Bits wird festgelegt, welcher der möglichen Signalwerte beim aktuellen Übertragungsschritt verwendet wird. Es wird dabei mittels eines Decoders eine Sequenz von Shaping-Bits ermittelt, für welche die zu übertragende Nachricht durch ein Signal mit minimaler Sendeleistung repräsentiert wird. Eine solche Minimierung der Sendeleistung ist nur möglich, wenn einzelne Shaping-Bits auf die Signalwerte in vielen Übertragungsschritten wirken. Hierzu wird bei diesem bekannten Verfahren unter Einsatz eines Scramblers eine Verwürfelung der Sequenz von Shaping-Bits zusammen mit der digitalen Nachricht durchgeführt. Empfangsseitig ist eine Umkehrung des Verwürfelungsvorgangs erforderlich. Es muß also auf der Empfangsseite ein Descrambler eingesetzt werden, durch welchen eine Fehlervervielfachung nicht zu vermeiden ist. Es muß daher ein deutlicher Störabstandsverlust hingenommen werden. Dadurch geht der durch die Verringerung der Sendeleistung erzielte Gewinn zum Teil wieder verloren.

Die US-Z "IEEE Communications Magazinell, Dezember 1991, Seiten 25 bis 34, beschreibt ein Verfahren zur digitalen Übertragung über Übertragungskanäle, die lineare Verzerrungen erzeugen. Solche Übertragungskanäle liegen beispielsweise in Kabeln mit metallischen Aderpaaren vor. Die linearen Verzerrungen werden bei diesem Verfahren durch eine Vorverzerrung der Signale ausgeglichen. Es wird dazu im Sender ein nichtlineares Vorverzerrungsfilter, die sogenannte "Tomlinson-Harashima- Vorcodierung", eingesetzt.

Eine Verknüpfung von Trellis-Shaping und Vorverzerrung geht aus der eingangs erwähnten US-Z "IEEE Transactions on Information Theory" hervor. Ein solches Verfahren wird als "Trellis-Precoding" bezeichnet. Die Sequenz von Shaping-Bits wird hierbei so gewählt, daß das Signal am Ausgang des Vorverzerrungsfilters insbesondere eine minimale Sendeleistung aufweist. Auch bei diesem Verfahren werden die Shaping-Bits und die digitale Nachricht in einem Scrambler gemeinsam verwürfelt, so daß im Empfänger wieder ein Descrambler benötigt wird. Bei diesem Verfahren wird die Fehlerrate durch Fehlervervielfachung beim Descrambling im Empfänger noch erhöht. Auch hier geht daher der durch die Verringerung der Sendeleistung erzielte Gewinn zum Teil wieder verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so weiterzubilden, daß die erzielte Verringerung der Sendeleistung erhalten bleibt, so daß die Reichweite der Übertragung erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Symbole des zu übertragenden Datenstroms und die Shaping-Bits dem Puls-Amplituden-Modulator direkt und getrennt voneinander über unterschiedliche Eingänge zugeführt werden.

Die Mischung der Shaping-Bits mit den Symbolen des zu übertragenden Datenstroms - im folgenden kurz "Symbole" genannt - und deren gemeinsame Verwürfelung erfolgen allein durch das Vorverzerrungsfilter. Somit ist hier eine Verwürfelung der Shaping-Bits zusammen mit den Symbolen mittels eines separaten Scramblers nicht erforderlich. Ohne eine solche Verwürfelung entfallen auch das Descrambling im Empfänger und somit die Fehlervervielfachung. Der durch die Signalformung erzielte Gewinn - der Signalformungsgewinn - in Form einer Verringerung der Sendeleistung bleibt also voll erhalten. Die Reichweite der Übertragung kann dementsprechend erhöht werden.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens besteht auch darin, daß im Sender die bisher notwendige Prüfung auf erlaubte Codesymbolsequenzen nicht mehr zwingend erforderlich ist. Es ist auch zur Einhaltung des jeweils optimalen Pfades ein Wechsel des Pfades durch den Decoder möglich, da empfangsseitig wegen des fehlenden Descramblers keine Fehler entstehen und weil am Ende der Übertragungsstrecke keine Vermischung der Shaping-Bit-Sequenzen mit den Symbolen vorliegt. Für die Auswahl der Shaping-Bits kann beispielsweise ein gewöhnlicher Viterbi-Decoder mit Parallelverarbeitung für alle Zustände eingesetzt werden. Dadurch wird eine wesentliche Steigerung der Übertragungsraten möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnungen als Ausführungsbeispiel erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 zwei unterschiedliche Schaltungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Fig. 3 den Signalformungsgewinn über der Pfadregisterlänge des Decoders.

Einem Puls-Amplituden-Modulator PAM werden Shaping-Bits einerseits und die Symbole andererseits zugeführt. Dabei werden vorzugsweise die Shaping-Bits den höherwertigen und die Symbole den niederwertigen Eingängen des PAM zugeführt. Am Ausgang des PAM steht ein mehrstufiges, beispielsweise ein achtstufiges analoges Signal zur Verfügung, das einem Vorverzerrungsfilter VVF zugeleitet wird. Das Signal könnte beispielsweise auch vierstufig oder sechzehnstufig sein. Die Anzahl der Stufen des Signals ist grundsätzlich aber beliebig. Der VVF berücksichtigt die von der Übertragungsstrecke hervorgerufenen Verzerrungen des Sendesignals mit der zeitdiskreten Ersatz-Übertragungsfunktion b(z). Am Ausgang des VVF steht das Sendesignal an. Es wird von einem Decoder DEC bewertet, und zwar bezüglich seiner mittleren Leistung, die minimiert werden soll. Das wird vom DEC durch Beeinflussung der Shaping-Bits erreicht. Aus der Vielzahl von möglichen Shaping-Bit-Sequenzen wird durch den DEC eine bestimmte Sequenz von damit bekannten Shaping-Bits herausgesucht. Dadurch wird das Sendesignal in der gewünschten Weise geformt. Die Leistung des Sendesignals kann damit minimiert werden.

Wegen des unendlichen Zustandsraums des VVF werden bei diesem Verfahren mit Vorteil sequentielle Decodierverfahren für Trelliscodes eingesetzt. Als geeignet hat sich beispielsweise das sogenannte Selektionsverfahren erwiesen, das vielfach auch als "M-Algorithmus" bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren werden in jedem Signalformungsschritt die B bisher günstigsten Sequenzen von Shaping-Bits jeweils um einen Schritt für alle 2^b möglichen Kombinationen von b Shaping-Bits verlängert. Dabei bezeichnet b die Anzahl der frei wählbaren Shaping-Bits je Signalformungsschritt. Von den auf diese Weise entstandenen B × 2^b Sequenzen von Shaping-Bits werden mittels eines Selektionsverfahrens die B günstigsten ausgewählt. In der im DEC verwendeten Metrik können neben der mittleren Sendeleistung auch andere Kriterien, z. B. die Begrenzung der maximalen Sendeleistung oder eine spektrale Formung des Sendesignals, im Signalformungsprozeß berücksichtigt werden.

Die Abgabe eines Ausgangssignals durch den PAM ist ein Übertragungsschritt. Mindestens ein Übertragungsschritt kann einen Signalformungsschritt bilden. Es liegt dann eine mehrdimensionale (D-dimensionale) Signalformung ohne Verwürfelung vor. Sie bietet den Vorteil, daß die Abbildung der Symbole und Shaping-Bits auf das Signal am Ausgang des PAM auf eine vielfältigere Weise gestaltet und somit eventuell ein günstigeres Optimum für diese Zuordnung gefunden werden kann.

In Fig. 3 sind Signalformungsgewinne (brutto) für eine gleichstromfreie Impulsantwort mit der Länge 12 über der Pfadregisterlänge des Trellisdecodierverfahrens dargestellt. Bereits bei B = 4 aktiver Sequenzen von Shaping-Bits wird ein nennenswerter Signalformungsgewinn erzielt, der größer ist als beim bekannten Verfahren mit einem Scrambler mit 8 Zuständen und einem Viterbi-Decoder mit auf 16 Zustände reduzierter Zustandszahl, da hier bei einer Fehlerquote von etwa 10^-6 durch Fehlervervielfachung ein Verlust von ca. 0,25 dB gegeben ist.

Bei hohen Übertragungsraten ist die Realisierung eines sequentiellen Decodierverfahrens aufgrund der geringen Regularität und Parallelisierbarkeit schwieriger als die des Viterbi-Algorithmus. Deshalb können die Shaping-Bits gemäß Fig. 2 durch einen imaginären, d. h. nur dem Decodieralgorithmus zugrunde gelegten, Scrambler SCR verwürfelt werden, der zu dem hier als Trellisdecoder ausgebildeten DEC gehört. Die Bestimmung der günstigsten Sequenz von Shaping-Bits wird mittels des Trellisdecoders im Trellisdiagramm bezüglich des SCR vorgenommen. Die Mischung des verwürfelten Stroms von Shaping-Bits mit den Symbolen sowie deren gemeinsame Verwürfelung erfolgt wieder allein durch das VVF. Zur Ermittlung der günstigsten Sequenz von Shaping-Bits kann mit Vorteil ein Viterbi-Algorithmus mit Zustandsreduktion (Reduced-State Sequence Estimation, RSSE) hinsichtlich des SCR eingesetzt werden. Die Zustände des VVF werden im RSSE-Decodierprozeß durch parallele Entscheidungsrückkopplungen berücksichtigt. Da jedoch die Symbole nicht durch den SCR geführt werden, ist empfangsseitig keine Inversion der Verwürfelung notwendig. Die Sequenz von Shaping-Bits ist für den Empfänger ohne Belang. Damit wird auch hier die Fehlervervielfachung vermieden. Eine Prüfung auf Pfadwechsel ist ebenfalls nicht zwingend erforderlich. Auch hier können mehrere Übertragungsschritte zu einem Signalformungsschritt zusammengefaßt werden (mehrdimensionale Signalformung).

Claims (5)

1. Verfahren zur digitalen Nachrichtenübertragung, bei welchem die Symbole eines zu übertragenden Datenstroms und Sequenzen von Shaping-Bits einem Puls-Amplituden Modulator aufgegeben werden, in dem das zu übertragende Signal bei der digital/analog Umsetzung einer Signalformung für angenähert gaußverteilte Signalwerte unterzogen wird, bei welchem das geformte analoge Ausgangssignal des Puls-Amplituden-Modulators einem Verzerrungen der Signale durch die Übertragungsstrecke entgegenwirkenden Vorverzerrer zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über die angeschlossene Übertragungsstrecke übertragen wird und bei welchem das übertragene Signal am Ende der Übertragungsstrecke abgetastet und anschließend weiterverarbeitet sowie einem Entscheider zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Symbole des zu übertragenden Datenstroms und die Shaping-Bits dem Puls-Amplituden-Modulator (PAM) direkt und getrennt voneinander über unterschiedliche Eingänge zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Shaping-Bits den höherwertigen und die Symbole des zu übertragenden Datenstroms den niederwertigen Eingängen des Puls-Amplituden-Modulators (PAH) zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung einer günstigen Sequenz von Shaping-Bits ein sequentielles Decodierverfahren verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung einer günstigen Sequenz von Shaping- Bits mittels eines Trellisdecoders im Trellisdiagramm bezüglich eines imaginären Scramblers (SCR) für die Sequenz der Shaping-Bits vorgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Trellisdecoder der Viterbi-Algorithmus mit einer Zustandszahlreduktion hinsichtlich der Zustände des Vorverzerrungsfilters (VVF) eingesetzt wird.