DE69632183T2

DE69632183T2 - Vorrichtung und verfahren zum transmultiplexen eines mehrkanaligen informationssignals

Info

Publication number: DE69632183T2
Application number: DE69632183T
Authority: DE
Inventors: Mark Robert HARRISON
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-06-25
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: CN1164946A; KR100262147B1; US5710763A; EP0783812B1; AU2846297A; WO1997006618A2; AU692412B2; CA2201376A1; EP0783812A4; JP3703495B2; EP0783812A2; WO1997006618A3; CN1076553C; JPH10507335A; KR970705251A; DE69632183D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale Mehrkanaltransceiver und im Besonderen auf einen gefilterten schnellen Fourier-Transmultiplexer und ein Verfahren des Transmultiplexens eines Mehrkanalkommunikationssignals in einem digitalen Mehrkanaltransceiver.
Hintergrund der Erfindung
Das Implementieren eines Funkkommunikationssystems, das digitale Techniken verwendet, hat zahlreiche Vorteile. Namentlich gibt es eine erhöhte Systemkapazität, verringertes Rauschen und eine reduzierte Hardware und einen damit verknüpften geringeren Stromverbrauch. Es sind etliche digitale Funkkommunikationssysteme vorgeschlagen worden. In dem US-Patent Nr. 5,396,489 werden z. B. etliche Ausfüh rungsformen von Funkkommunikationssystemen gezeigt und beschrieben, die digitale Techniken implementieren.
Es ist bekannt, dass in Mehrkanaltransceivern Transmultiplexer verwendet werden, um individuelle Kommunikationskanäle von einem Mehrkanalkommunikationssignal zurückzugewinnen. Eine solche Transmultiplexvorrichtung wird in 1 gezeigt; hier ist sie in einem digitalen Empfänger 100 enthalten. Wie gezeigt, werden die Mehrkanalhochfrequenz (RF)-Signale bei der Antenne 102 empfangen, bandpassgefiltert 104, abwärtsgewandelt 106, IF-gefiltert 108, zu dem Basisband 110 abwärtsgewandelt, gefiltert 112 und digitalisiert 114. Die digitalisierten Mehrkanalsignale werden dann zu einem Transmultiplexer 116 kommuniziert, was eine Mehrphaseninterpolationsfilterstufe 118 und eine schnelle Fourier-Transformationsstufe 120 (FFT) umfasst. Die Ausgabe des Transmultiplexers 116 sind N Kommunikationskanäle, die von den digitalen Mehrkanalsignalen getrennt sind. Es wird sofort klar, dass im umgekehrten Betrieb die in 1 gezeigte Struktur arbeitet, um N Kanäle zum Übertragen als ein Mehrkanal-RF-Signal aus der Antenne zu verarbeiten.
Im Allgemeinen sind Transmultiplexer jedoch nicht in der Lage, Ausgaben mit hoher Abtastrate zu erzeugen und arbeiten am besten, wenn sich die Eingangs- und Ausgangsabtastraten durch einen Faktor unterscheiden, der gleich der Zahl der Kanäle ist. Außerdem stellen Transmultiplexer keine Gelegenheiten zur Verfügung, spezielle Filterstrukturen zu verwenden. Sie sind insofern begrenzt, als sie nicht in der Lage sind, den Vorteil der Symmetrie zu nutzen, und sie können im Allgemeinen nicht ohne Multiplizierer hergestellt werden. Außerdem erfordern Transmultiplexer eine große Zahl von Filtertaps, mindestens die zehnfache Anzahl der Zahl der Kanäle, und daher eine große Menge an Speicher. Transmultiplexer sind somit leistungsbegrenzt und rechen- und speicherbezogen ineffizient.
Die US 5,323,391 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung in einem digitalen Mehrkanaltransceiver und -empfänger. Ein Filterprozess wird durch Konditionieren von Teilen eines digitalisierten Signals während der digitalen Signalverarbeitung durch Integrieren, Nehmen der Differenz von und Multiplizieren von Teilen des digitalen Signals erreicht. Der Filterprozess kann in Verbindung mit einem Empfangsprozess verwendet werden, um ein digitalisiertes Kanalsignal durch Konditionieren des digitalisierten Signals und nachfolgendem Fourier-Transformieren der konditionierten Teile des digitalisierten Signals zu erzeugen. Alternativ kann der Filterprozess in Verbindung mit einem Übertragungsprozess durch umgekehrtes Fourier-Transformieren einer Mehrzahl von digitalisierten Informationssignalen verwendet werden, die übertragen werden, um ein zusammengesetztes digitalisiertes Signal zu erzeugen und nachfolgend das zusammengesetzte digitalisierte Signal zu konditionieren.
Die US 5,396,489 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung des Transmultiplexens einer Mehrzahl von Signalen zwischen einer Mehrzahl von Signalterminals und einer Mehrzahl ausgewählter Hochfrequenzkanäle. Das Verfahren umfasst den Schritt des (und die Vorrichtung dazu) Frequenzübersetzens und Filterns der Mehrzahl von Signalen zwischen der Mehrzahl ausgewählter Kanäle und einer mehrphasigen diskreten Fourier-Transformationsfilterbank in einem Kammfilter. Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt des Frequenzmultiplexens der Mehrzahl von Signalen zwischen der Mehr zahl von Signalterminals und dem Kammfilter in einer mehrphasigen diskreten Fourier-Transformationsfilterbank.
Es gibt daher einen Bedarf an einer effizienten Hochleistungs-Transmultiplexvorrichtung und zugehörigem Verfahren zum Verwenden mit digitalen Transceivern.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen gefilterten schnellen Fourier-Transmultiplexer, wie in Anspruch 1 beansprucht, zur Verfügung.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren des Transmultiplexens, wie in Anspruch 2 beansprucht, zur Verfügung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines digitalen Mehrkanalempfängers nach dem Stand der Technik;
2 ist ein Blockdiagramm eines Mehrkanaltransceivers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Implementierung einer gefilterten schnellen Fourier-Transformation (FFFT) zum Verwenden mit dem Transceiver von 2;
4 ist ein Signaldiagramm das den Betrieb des FFFT von 3 darstellt;
5 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Filterstruktur zum Verwenden gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Blockdiagramm einer alternativen bevorzugten Implementierung einer Filterstruktur zum Verwenden gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Diagramm, dass die Rechenleistung eines FFFT gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Es wird Bezug auf 2 genommen. Darin ist der digitale Mehrkanaltransceiver 200 mit einem Kommunikationsnetzwerk 250 gekoppelt. Es ist klar, dass der Transceiver 200 vorteilhafterweise in nahezu jedem beliebigen Mehrkanalkommunikationssystem, wie z. B. zellularen Funktelefonkommunikationssystemen, Kabelfernseh (CATV)-Telefoniesystemen und dergleichen, verwendet werden kann. Der Transceiver 200 umfasst in einem Empfangspfad eine Empfangsantenne 202, ein RF-Bandpassfilter 204, einen RF-zu-Zwischenfrequenz (IF)-Mischer 206, ein IF-Bandpassfilter 208, einen IF-zu-Basisband-Mischer 210, ein Anti-Alias-Filter 212, einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 214 und einen gefilterten schnellen Fourier-Transmultiplexer (FFFT) 216. In einem Sendepfad umfasst der Transceiver 200 einen inversen FFFT 218, einen Digital-zu-Analog-Wandler (ADC) 220, das Anti-Alias-Filter 222, einen Basisband-zu-IF-Mischer 224, das IF-Bandpassfilter 226, ein IF-zu-RF-Filter 228, ein RF-Bandpassfilter und den Verstärker 230 und die Sendeantenne 232.
Beim Betrieb im Empfangsmodus werden Mehrkanalkommunikationssignale an der Antenne 202 empfangen und entlang des Empfangspfades zu dem FFFT 216 verarbeitet, der arbeitet, um die Kanäle abwärts zu wandeln, die in dem Mehrkanalkommunikationssignal enthalten sind, um einen Block von N Kommunikationskanälen zu erzeugen, die dann mit dem Kommunikationssystem 250 gekoppelt werden. In ähnlicher Weise wird im Sendemodus ein Block von N Kommunikationskanälen von dem Kommunikationssystem 250 zu dem inversen FFFT 218 kommuniziert, der arbeitet, um die individuellen Kommunikationskanäle in ein Mehrkanalkommunikationssignal aufwärts zu wandeln, das dann entlang des Sendepfades verarbeitet und schließlich aus der Sendeantenne 230 verbreitet wird.
Es wird Bezug auf 3 genommen. Hierin wird eine bevorzugte Implementierung des FFFT 216 gezeigt, wobei klar ist, dass eine ähnliche Struktur, die zu der FFFT 216 invers ist, die bevorzugte Implementierung des inversen FFFT 218 ist. Die FFFT-Struktur 216 ähnelt der in der Zeit dezimierten Cooley-Tukey-FFT-Struktur, ist jedoch so modifiziert, dass sie auf jeder Verzweigung Filter enthält. Wie in 3 gezeigt, umfasst der FFFT 216 einen Kommutator 302, der ein eingegebenes Mehrkanalkommunikationssignal zu einer ersten Filterstufe 304 kommutiert, die eine Mehrzahl von Filtern 306–312 hat, und über das Verzögerungselement 303 zu einer zweiten Filterstufe 314 kommutiert, die eine Mehrzahl von Filtern 316–322 hat. In einer bevorzugten Implementierung sind die Filter 306–312 und 316–322 im Wesentlichen dieselben, es ist jedoch klar, dass die Filter von verschiedener Art sein können oder verschiedene Koeffizienten haben können. Die Ausgaben aus den Filterstufen 304 und 314 werden in den Summierstufen 324 und 334 über Kreuz summiert, wobei jede jeweils die Summierer 326–332 und 336–342 hat. Obwohl als eine Summieroperation angezeigt, soll ein vor dem Summationszeichen zur Verfügung gestelltes "-" eine Subtraktion anzeigen. Die Ausgaben der Summierer 336–342 der Summierstufe 334 werden weiterhin durch einen zeitvariablen Koeffizienten skaliert. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Ausgaben der Summierer 336–342 skaliert durch: Wn(–1)k (1)wo W
k ist der Momentanabtastwert, n ist ..., und c ist ...
An den Ausgängen der Summierstufen 324 und 334 gibt es die Kommutatoren 344 und 346. Der Kommutator 344 kommutiert die Ausgaben der Summierstufen 324 an eine dritte Filterstufe 348, die die Filter 350 und 352 hat, und über ein Verzögerungselement 345 an eine vierte Filterstufe 354, die die Filter 356 und 358 hat. In ähnlicher Weise kommutiert der Kommutator 346 die skalierten Ausgaben der Summierstufe 334 an die Filterstufe 360 und über ein Verzögerungselement 347 an die Filterstufe 366, die jeweils die Filter 362, 364 und 368, 370 haben. Die Ausgaben der Filterstufen 348 und 354 werden in den Summierstufen 372 und 378, die jeweils die Summierer 374, 376 und 380 und 382 haben, über Kreuz summiert. In ähnlicher Weise werden die Ausgaben der Filterstufen 360 und 366 in den Summierstufen 384 und 390, die jeweils die Summierer 386, 388 und 392, 394 haben, über Kreuz summiert. Die Ausgaben der Summierstufen 378 und 390 werden durch einen zeitvariablen Koeffizienten weiter skaliert.
An den Ausgängen der Summierstufen 372, 378, 384 und 390 gibt es die Kommutatoren 396, 398, 400 und 402. Die Kommutatoren 396, 398, 400 und 402 arbeiten ähnlich wie jene zuvor beschriebenen, die die Ausgaben der Summierstufen 372, 378, 384 und 390 zu den Filtern 404, 408, 412 und 416 und über die Verzögerungselemente 397, 399, 401 und 403 jeweils zu den Filtern 406, 410, 414, 418 kommutieren. Die Ausgaben der Filter 404–418 werden dann durch die Summierer 420–434 über Kreuz summiert, und die Ausgaben der Summierer 422, 426, 430 und 434 werden durch einen Wert (– 1)^k skaliert.
Der Betrieb des FFFT 216 wird am besten mit Bezug auf 3 und 4 deutlich und dadurch, dass man ihn als eine Reihe von Kammfiltern mit Mischern an jedem Ausgang betrachtet. Das Mehrkanaleingangssignal 450 kommt von der linken Seite der Seite (3) herein, wo es in die zwei Pfade 452 und 454 aufgeteilt wird. Der Pfad 452 wird direkt durch die Filter (d. h. Filterstufe 304) geführt, während der Pfad 454 gefiltert (d. h. Filterstufe 314) und gemischt wird, so dass das Spektrum um einen Kanal bewegt wird. Die Filter eliminieren jeden anderen Kanal auf jedem der Pfade 452 und 454 und lassen auf jedem Pfad vier ungeschwächte Signale übrig. Als nächstes werden die Pfade 452 und 454 in die vier Pfade 456–462 aufgebrochen, die in ähnlicher Weise gefiltert werden oder so gefiltert und gemischt werden, dass die vier Pfade 456–462 mit zwei Kanälen je Verzweigung übrigbleiben. Schließlich werden die Pfade 456– 462 in acht Pfade 464–478 aufgebrochen, die wieder gefiltert oder gefiltert und gemischt werden, wie jeweils ange messen. Dies hinterlässt die acht Pfade 464–478 mit einem Kanal je Pfad. Somit wird ein Mehrkanalsignal, das acht Kanäle umfasst, in acht Signale aufgeteilt, mit einem Kanal pro Signal, wobei alle durch die Eingangsabtastrate und dem gewünschten Kanal als Basisband gekennzeichnet sind.
Das Mischen, d. h. Skalieren mit dem zeitvariablen Koeffizienten wird vorteilhafterweise nach dem Summieren gezeigt. Es ist jedoch klar, dass das Mischen, je nach Lage des Falles, vor dem Summieren oder vor dem Filtern durchgeführt werden kann, ohne dabei vom eigentlichen Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen. Darin wird eine bevorzugte Filterstruktur 500 zum Verwenden mit dem FFFT gezeigt. Das Filter 500 ist vorzugsweise eine Kammfilterstruktur, die eine Mehrzahl von Tiefpassfiltern 502–508 umfasst, die die Hälfte des Eingangsspektrums, N-mal wiederholt, abmindern, wo N die halbe Zahl von Kanälen ist. Die Filter 502–508 bilden eine Verzweigung, zu der der Kommutator 510, 512 jeden N ten Abtastwert verteilt. Dies bedeutet, dass jeder Filtereingang durch N dezimiert wird. Eine äquivalente Struktur ist eine, in der das Filter in einer einzelnen Verzweigung mit einem Filter, das ein Spektrum hat, das aus N Relikten, d. h. Kammzähnen, der gewünschten Antwort besteht, durch N aufwärtsabgetastet wird. Das Filter 500 ist wegen der scharfen Rolloffs ("rolloffs") nützlich, die erzeugt werden, ohne die Filterordnung zu erhöhen.
Es wird auf 6 Bezug genommen. Darin wird die bevorzugte Filterstruktur 500, die einem Teil des FFFT 216 angepasst ist, dargestellt, wobei Elemente, die zu der Filterstruktur 500 und dem FFFT 216 analog sind, mit einem Strich (') angezeigt werden. Der Eingangskommutator 510' umfasst einen Mischer 602, der das Eingangsmehrkanalsignal mit einer komplexen Sinuskurve mischt, die eine Frequenz von Fs/(2 N) hat, wobei N die Zahl der Verzweigungen ist. Wie oben beschrieben, umfasst jede Verzweigung einen durch N dezimierten Eingangsabtastwert, die mit jeder Verzweigung verknüpften Abtastwerte werden daher multipliziert mit:
wo l der Verzweigungsindex und k der Momentanabtastwert ist. Dies bedeutet, dass jede Verzweigung mit einer konstanten Zeit +/- l multipliziert wird. In der bevorzugten Ausführungsform wird die Multiplikation, d. h. die Multiplizierer 604–610, wie beschrieben, zu dem Filterausgang bewegt. Dies erlaubt vorteilhafterweise das Verwenden eines einzelnen Kammfilters sowohl für die gemischten als auch die ungemischten Verzweigungen.
7 stellt einen Verbesserungsfaktor, d. h. die Reduktion in der Berechnung, für den FFFT der vorliegenden Erfindung über den typischen Transmultiplexer dar. Darüber hinaus hat der FFFT 216 einen beträchtlichen Speichervorteil. Die Filter des FFFT 216 können vorteilhafterweise fest verdrahtet sein, wodurch die Speicherung von Filterkoeffizienten eliminiert wird. Im Gegensatz dazu erfordert ein typischer Transmultiplexer die Speicherung von CM'_o-Filtertaps, wo C die Zahl der Kanäle und M'_o die Rechenkosten, in Shift-Addierungen je Ausgangsabtastwert, des linken, d. h. komplexesten Filters, ist. Ein 1024- Kanaltransmultiplexer mit elf Taps pro Verzweigung benötigt daher ungefähr 11 KWörter an Speicher.
Aus der vorangehenden Diskussion ist einem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass die vorliegende Erfindung eine hinsichtlich Berechnung und Speicherung effiziente Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zum Verwenden in Mehrkanaltransceivern durch eine eindeutige gefilterte schnelle Fourier-Transmultiplexerstruktur zur Verfügung stellt. Viele zusätzliche Merkmale und Vorteile und der eigentliche Geist der vorliegenden Erfindung lassen sich leicht aus der vorangehenden Diskussion und den gegenüberliegenden Ansprüchen erkennen.

Claims

Gefilteter Fast-Fourier-Transmultiplexer, umfassend: eine erste Mehrzahl von Filtern (306–312); eine zweite Mehrzahl von Filtern (316–322); einen Kommutator (302) mit einem Eingang und einem ersten Ausgang sowie einem zweiten Ausgang, wobei der erste Ausgang geeignet ist, Abtastinformation eines Mehrkanalinformationssignals mit einer ersten Abtastrate selektiv auf Eingänge der ersten Mehrzahl von Filtern zu koppeln, und der zweite Ausgang geeignet ist, verzögerte Abtastinformation des Mehrkanalinformationssignals selektiv auf Eingänge der zweiten Mehrzahl von Filtern zu koppeln; wobei die erste und zweite Mehrzahl von Filtern beide einen Ausgang aufweisen und wobei jeder Filter der ersten Mehrzahl von Filtern einem Filter der zweiten Mehrzahl von Filtern entspricht; eine erste Mehrzahl von Summierern (326–332), wobei jeder mit einem Ausgang eines der ersten Mehrzahl von Filtern und mit einem Ausgang eines entsprechenden Filters der zweiten Mehrzahl von Filtern gekoppelt ist und wobei jeder aus der ersten Mehrzahl von Summierern einen Ausgang hat; eine zweite Mehrzahl von Summierern (336–342), wobei jeder mit einem Ausgang eines aus der zweiten Mehrzahl von Filtern und mit einem Ausgang des entsprechenden Filters aus der ersten Mehrzahl von Filtern gekoppelt ist und wobei jeder aus der zweiten Mehrzahl von Summierern einen Ausgang hat; eine Mehrzahl von Skalierern, wobei jeder einen Eingang hat, der mit einem Ausgang eines der zweiten Mehrzahl von Summierern gekoppelt ist, und einen Ausgang zum Skalieren der Ausgänge der zweiten Mehrzahl von Summierern mit einem zeitlich variablen Koeffizienten; einen zweiten Kommutator (344) zum Kommutieren der Ausgänge der ersten Mehrzahl von Summierern zu einem ersten Ausgangssignal bei der ersten Abtastrate; und einen dritten Kommutator (346) zum Kommutieren der Ausgänge der Mehrzahl von Skalierern zu einem zweiten Ausgangssignal bei der ersten Abtastrate.
Verfahren zum Transmultiplexen eines Mehrkanalinformationssignals bei einer ersten Abtastrate, umfassend: Bereitstellen einer ersten Mehrzahl von Filtern (306– 312); Bereitstellen einer zweiten Mehrzahl von Filtern (316– 322); Koppeln von Abtastinformation eines Mehrkanalinformationssignals mit Eingängen der ersten Mehrzahl von Filtern durch einen ersten Kommutator (302) und Koppeln von verzögerter Abtastinformation des Mehrkanalinformationssignals mit Eingängen der zweiten Mehrzahl von Filtern durch einen zweiten Ausgang des Kommutators; wobei jeder aus der ersten und zweiten Mehrzahl von Filtern einen Ausgang hat und wobei jeder Filter der ersten Mehrzahl von Filtern einem Filter der zweiten Mehrzahl von Filtern entspricht; Koppeln von jedem aus einer ersten Mehrzahl von Summierern (326–332) mit einem Ausgang von einem aus der ersten Mehrzahl von Filtern und mit einem Ausgang von einem entsprechenden Filter aus der zweiten Mehrzahl von Filtern, wobei jeder aus der ersten Mehrzahl von Summierern einen Ausgang hat; Koppeln von jedem aus einer zweiten Mehrzahl von Summierern (336–342) mit einem Ausgang von einem aus der zweiten Mehrzahl von Filtern und mit einem Ausgang des entsprechenden Filters aus der ersten Mehrzahl von Filtern, wobei jeder aus der zweiten Mehrzahl von Summierern einen Ausgang hat; Koppeln eines Eingangs von jedem aus der Mehrzahl von Skalierern mit einem Ausgang von einem aus der zweiten Mehrzahl von Summierern, wobei jeder aus der Mehrzahl von Skalierern einen Ausgang zum Skalieren der Ausgänge der zweiten Mehrzahl von Summierern durch einen zeitlich variablen Koeffizienten hat; Kommutieren der Ausgänge der ersten Mehrzahl von Summierern zu einem ersten Ausgangssignal bei der ersten Abtastrate durch einen zweiten Kommutator (344); und Kommutieren der Ausgänge der Mehrzahl von Skalierern zu einem zweiten Ausgangssignal bei der ersten Abtastrate durch einen dritten Kommutator (346).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zum Koppeln von Abtastinformation eines Mehrkanalinformationssignals mit Eingängen einer ersten Mehrzahl von Filtern durch einen ersten Ausgang eines ersten Kommutators das Koppeln von Abtastinformation eines Mehrkanalinformationssignals mit Eingängen einer ersten Mehrzahl von im Wesentlichen identischen Filtern durch einen ersten Ausgang eines ersten Kommutators umfasst, wobei der Schritt des Koppelns von verzögerter Abtastinformation des Mehrkanalinformationssignals mit Eingängen einer zweiten Mehrzahl von Filtern durch einen zweiten Ausgang des Kommutators das Koppeln von verzögerter Abtastinformation des Mehrkanalinformationssignals mit Eingängen einer zweiten Mehrzahl von im Wesentlichen identischen Filtern durch einen zweiten Ausgang des Kommutators umfasst.