FI108323B

FI108323B - Menetelmä ja laitteisto itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi digitaalisella tietoliikenneyhteydellä

Info

Publication number: FI108323B
Application number: FI20001793A
Authority: FI
Inventors: Janne Vaeaenaenen
Original assignee: Tellabs Oy
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2001-12-31
Also published as: FI20001793A0; AU2001279870A1; WO2002015506A1; EP1319291A1

Description

108323

Menetelmä ja laitteisto itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi digitaalisella tietoliikenneyhteydellä

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi digitaalisella 5 tietoliikenneyhteydellä.

Keksinnön kohteena on myös laitteisto itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi digitaalisella tietoliikenneyhteydellä.

Laajakaistaista tiedonsiirtoa toteuttavilla modeemiyhteyksillä signaalin spektri ulottuu taajuuksille, jotka voivat olla niinkin suuria kuin 10 ... 30 MHz. Näin suurilla 10 taajuuksilla osa kuparikaapelissa etenevästä energiasta säteilee radioaaltoina ympäristöön. Osa ympäristöön säteilevästä energiasta lankeaa radioamatööreille varatuille taajuuskaistoille. Tätä osuutta on rajoitettava, jotta modeemiyhteys ei häiritsisi radioamatööritoimintaa. Käytännössä rajoittaminen voidaan suorittaa joko valitsemalla sellainen kaista-allokaatio, että signaalia ei radioamatöörikaistoilla siirretä, 15 tai suodattamalla modeemiyhteyden lähettimen lähtösignaalia kaistanestosuodattimilla siten, että lähtevän signaalin tehotiheys radioamatöörikaistoilla on riittävän pieni (esim. ETSI:n vaatimus: tehotiheys amatöörikaistoilla < 80 dBm/Hz ). Kaistanestosuodattimet voidat olla analogisia, digitaalisia tai molempia.

Suodatusratkaisun etuja kaista-allokointiratkaisuun nähden ovat: suodatinten helppo . . : 20 päälle- ja poiskytkettävyys ja se, että kaista-allokaatio voidaan optimoida vapaammin • \ *.· ilman, että tarvitsee sitoutua radioamatöörikaistojen sijaintiin. Suodatusratkaisun haittapuolia ovat kanavakoijainten monimutkaistuminen ja siirtokapasiteetin heikkeneminen suhteessa nopeammin kuin suodatuksen jälkeen jäljelle jäävä *... ’ signaalikaista kapenee.

.**·. 25 Tunnetun tekniikan mukaisissa ratkaisuissa lähettimeen asetetun kaistanestosuodattimen • » • · · aiheuttaman signaalivääristymän korjaamiseen on kaksi periaatetta. Suodattimen aiheuttama vääristymä koijataan koko kanavan (ml. kaistanestosuodattimet) aiheuttaman signaalivääristymän koijauksen yhteydessä erillisillä korjaimilla, jotka voivat olla kiinteitä tai adaptiivisia ja jotka edelleen voivat sijaita lähettimessä (TX), 30 vastaanottimessa (RX) tai osittain molemmissa. Toinen tapa on koijata suodatinten 2 108325 aiheuttama vääristymä ainoastaan suodatinvääristymän korjaamiseen tarkoitetuilla räätälöidyillä korjailuilla, jolloin muun kanavavääristymän korjaamiseen tarkoitettujen korjainten oleellinen monimutkaistuminen vältetään.

Tunnetun tekniikan puutteena on se, että laitteistoratkaisut voivat tulla monimutkaisiksi, 5 koska kaistanestosuodattimien aiheuttaman vääristymän korjaamiseen tarvitaan joko erilliset k.o. suodattimille räätälöidyt korjaimet tai kanavavääristymän korjaamiseen tarkoitettujen korjaimien vääristymänkompensointikykyä on kohotettava. Toteutuksen monimutkaisuudella on useita haittoja: mm. ongelmat liittyen prosessorikapasiteetin ja kooditilan riittävyyteen prosessoritoteutuksessa sekä tehonkulutukseen ja tarvittavaan 10 logiikkaporttien määrään ASIC-toteutuksessa.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä ja laitteisto, jonka avulla edellä kuvatut tunnetun tekniikan ongelmat on mahdollista ratkaista.

Keksintö perustuu siihen, että toteutetaan lähettimen (TX) digitaaliset kaistanestosuodattimet siten, että suodatin itsessään muodostaa myös Tomlinson-15 tyyppisen esikoodaimen, jolloin kanavakorjainten oleellinen monimutkaistuminen voidaan välttää. Korjaimet monimutkaistuvat ainoastaan siinä suhteessa, että päätöstakaisinkytketyn kotjaimen (DFE) tulee kyetä käsittelemään laajennettuja symboleja. Itsekompensoivan kaistanestosuodattimen ulostulon lähtösignaali koostuu laajennetuista symboleista, jolloin sekä lineaarinen koqain (FFE) että : ·' 20 päätöstakaisinkytketty koqain (DFE) pystyvät toimimaan samoilla tappiarvoilla kuin • ‘ tilanteessa, jossa kyseistä kaistaestosuodatinta ei käytetä.

• · ·;··· Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, :***: mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

• · · • · * • ·

Keksinnön mukaiselle laitteistolle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty 25 patenttivaatimuksen 3 tunnusmerkkiosassa.

• · • ♦ ··» • « · *,. .· Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Koska sama laskentakoneisto suorittaa sekä suodatus- että esikoodaustoiminnon, voidaan piiriratkaisusta tai prosessoriohjelmasta tehdä tunnettua tekniikkaa yksinkertaisempi, jolloin päästään mm. tehonkulutuksellisesti tunnettua tekniikkaa 30 edullisempaan ratkaisuun tai voidaan käyttää yksinkertaisempaa ja halvempaa 108323 3 signaaliprosessoria. Alhaisemmasta tehonkulutuksesta seuraa mm. kasvanut luotettavuus sekä mahdollisuus pakata laitteisto pienempään kokoon.

Keksintöä tarkastellaan seuraavassa esimerkkien avulla ja oheisiin piirustuksiin viitaten.

5 Kuvio 1 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista ratkaisua itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi, josta käy ilmi, että sekä kaistanestosuodatuksen H(z''):n että esikoodauksen K(z''):n laskemiseen voidaan käyttää samaa F(z'') :n tulosta.

Kuvio 2 esittää lohkokaaviona kuvion 1 ratkaisua muunnettuna realisoituvaan muotoon, 10 josta yleisyyttä rajoittamatta on lähtötasonasettamiskerroin g voitu jättää merkitsemättä.

Kuvio 3 esittää kuvion 2 ratkaisua muunnetulla topologialla, jossa on hyödynnetty sitä, että vähentäminen ja lisääminen kumoavat toisensa.

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaista jäijestelmää yleisemmässä muodossa.

Kuvio 5 esittää lohkokaaviona tunnetun tekniikan mukaista peräkkäisistä moduuleista 15 koostuvan kaistanestosuodattimen yhtä moduulia, joka toteuttaa yhden navan ja yhden siirtonollan.

Kuvio 6 esittää lohkokaaviona tunnetun tekniikan mukaista peräkkäisistä moduleista koostuvan esikoodaimen yhtä moduulia, joka kompensoi yhden navan ja yhden : : : siirtonollan osuuden kaistanestosuodattimen aiheuttamasta vääristymästä.

• · ] . 20 Kuvio 7 esittää lohkokaaviona tunnetun tekniikan mukaista ratkaisua, jossa .···. esikoodaimen sisääntuloon on summattu moduloluku CN*2m siten, että ulostulo on ,···. rajoitettu.

• ·

Kuvio 8 esittää lohkokaaviona tunnetun tekniikan mukaista peräkkäisistä moduuleista • · *···’ koostuvan esikoodaimen yhtä moduulia, jota on muunnettu siten, että kuvion 7 • · · •; · ’ 25 moduloluvun CN*2m lisääminen on voitu siirtää viimeisen lohkon Nz ulostuloon.

Keksinnön mukainen itsekompensoiva kaistanestosuodatin voidaan muodostaa siten, ·, että kuvion 4 ’Esikoodain’-lohkoon asetetaan kuvioiden 7 ja 8 kuvaama järjestelmä.

108323 4 Jäljempänä esitetty matemaattinen analyysi osoittaa, että näin muodostunut keksinnön mukainen järjestelmä toteuttaa sekä esikoodain- että kaistanestosuodatintoiminnot.

Käytetyt lyhenteet ASIC Sovelluskohtainen integroitu piiri (Application Specific Integrated Circuit) 5 CAP Kantoaalloton amplitudi- ja vaihemodulaatio (Carrierless Amplitude and Phase modulation) DFE Päätöstakaisinkytketty korjain (Decision Feedback Equaliser) FFE Etukorjain 1. lineaarinen korjain (Feed Forward Equaliser) FIR Äärellisen pituisen impulssivasteen omaava digitaalisuodatin (Finite Impulse 10 Response) IIR Äärettömän pituisen impulssivasteen omaava digitaalisuodatin (Infinite Impulse

Response) PAM Pulssiamplitudimodulaatio (Pulse Amplitude Modulation) QAM Kvadratuuriamplitudimodulaatio (Quadrature Amplitude Modulation) 15 RX Vastaanotin (Receiver) ; TX Lähetin (Transmitter) TML Tomlinson-Harashima esikooderi (Tomlinson-Harashima precoder) • «· * * #(z~‘) Kaistanestosuodattimen siirtofunktio, missä z'1 on symbolivälin mittainen viive • · · • « • · ·»· Κ(ζ~') Esikoodaimen siirtofunktio, missä ζ'1 on symbolivälin mittainen viive .···. 20 Keksinnön kohteena on siis menetelmä ja laitteisto, jolla voidaan toteuttaa lähettimeen • · **« .··*. asennettava digitaalinen kaistanestosuodatin siten, että erillistä koijainta ei tarvita eikä » I » Λ toisaalta jouduta oleellisesti monimutkaistamaan koijaimia, joilla korjataan kanavan M. muiden osien, kuten kaapelin, aiheuttamaa vääristymää. Rajoituksena keksinnön mukaisessa kaistanestosuodattimessa on se, että suodattimen näytetaajuuden on oltava 108323 5 symbolitaajuus ja suodattimen sisäänmenosignaalin tulee olla lähetettävä symbolijono, koska suodatin/esikoodainkoneisto suorittaa myös esikoodaus/suodatintoiminnon.

Käsitellään seuraavassa asiaan liittyvää teoriaa.

Symbolitaajuutta näytetaaj uutena käyttävän digitaalisen kaistanestosuodattimen 5 siirtofunktio z-tasossa voidaan esittää muodossa: prz->) rlO-^ ) H(z~') = —Z , =g-£-, (1) Ö(z } Tin /=1 jossa z2i (kompleksinen) on nolla i z-tasossa, zpt (kompleksinen) on napa i z-tasossa ja g 10 (reaalinen) on kerroin, jolla suodattimelle saadaan haluttu vahvistus. Esitettävä tarkastelu pätee sekä FIR että IIR suodattimelle. FIR suodattimelle: Q(z'') = 1 eli Zpj = 0 kaikilla i. H(z"’) voidaan esittää seuraavasti:

N, Np Γ M

ΠΟ-^^-ΠΟ-^2'1) Zciz_i : H(z_1) = g- 1 + —---*- =g· 1 + z-'-^- , (2) :*·. Π(1-ζρ|ζ-') Π(1-ζρίζ-') ; ** L i=i J L 1=1 « * 15 • · • 4 · ««I # · *♦··' missä Cj on kompleksiluku ja M on suurempi luvuista Nz-1 ja Np-1. Viimeinen muoto . ^ seuraa siitä, että molempien polynomien P(z’’) ja Q(z-1) vakiotermi on 1. Merkitään • · *···* viimeistä muotoa seuraavasti: «1« 20 H(z~') = g · (l + z_lF(z'')). (3) 108323 6

Kyseisen siirtofunktion omaava kaistanestosuodatin voidaan kompensoida esikoodauksellaJonka siirtofunktio on seuraava: K(z'1) =-p-r. (4) 1 + z~1F(z-1) 5 Esikoodaimen sisäänmenoon on lisättävä moduloluku CN*2m siten, että esikoodaimen ulostulon reaali- ja imaginaariosat pysyvät rajojen -m, +m välissä. Luku m on symboligeometrian suurin arvo+1 ja CN on kompleksiluku, jonka reaali- ja imaginaariosat ovat kokonaislukuja. Havaitaan, että sekä H(z"1):n että K(z''):n laskemiseen voidaan käyttää samaa F(z_1) :n tulosta kuvion 1 mukaisesti.

10 Kuvion 1 esittämä järjestelmä voidaan muuntaa realisoituvaan muotoon (yleisyyttä rajoittamatta kerroin g voidaan jättää merkitsemättä) kuvion 2 mukaisesti, jossa arkkitehtuuri on suoraviivainen, jos kaistanestosuodatin H(z_1) on sellainen, että se voidaan riittävän helposti toteuttaa hajoitelmana: 1 + z'^z'1). Jos kaistanestosuodatin on moniasteinen IIR-suodatin, voi F(z''):n laskemisen toteutus ainakin piille olla 15 mutkikasta yhtälön (2) mukaisesti.

Seuraavassa esitetään sellainen keksinnön edullinen suoritusmuoto, jossa toteutetaan laskentakoneisto vain esikoodaimelle mutta ei kaistanestosuodattimelle. Järjestelmän : .' ulostulosignaali koostuu laajennetuista symboleista, joiden spektri sisältää halutut ‘ estokaistat. Laajennetut symbolit ovat sisäänmeneviä symboleja lisättynä « · : 20 esikoodaimessa määritetyillä moduloluvuilla.

• ·

Kuvion 2 esittämä järjestelmä voidaan muuntaa kuvion 3 mukaiseen seuraavaan • > · muotoon (vähentäminen ja lisääminen kumoavat toisensa):

Kuviosta 3 havaitaan, että riittää laskea vain esikoodaintoiminto ia muodostaa * · J • · tarvittavat moduloluvut, jotka summataan systeemin sisääntuloon. Järjestelmä voidaan t 25 esittää yleisemmässä muodossa kuvion 4 mukaisesti.

« t I I « I i « :"': Kuvion 4 perusteella voidaan havaita, että esikoodaustoiminnon toteutusarkkitehtuuri voidaan valita vapaasti. Näin ollen ei ole ongelmallista, vaikka F(z_1):n laskemisen ,,.,: toteutus olisikin konstikasta.

7 108323

Seuraavassa käsitellään keksinnön mukaisen jäijestelmän toteuttamista, kun kaistanestosuodatin on moniasteinen IIR suodatin. Tarkastellaan IIR suodatinta, jossa napoja ja nollia on yhtä monta ja navat ja nollat sijaitsevat samoilla taajuuksilla ( Zpi = rjZzj ja Np = Nz, missä η on reaaliluku ja 0 < n < 1). Tällaisella suodattimella voidaan 5 toteuttaa riittävän joustavasti erilaisia kaistanestosuodattimia. Suodatin voidaan toteuttaa arkkitehtuurilla, joka koostuu peräkkäin asetetuista moduuleista, joista yksi on esitetty kuviossa 5.

Esikoodaimen siirtofunktio voidaan toteuttaa vastaavilla moduuleilla, joissa nollan ja navan roolit on vaihdettu kuvion 6 mukaisesti.

10 Esikoodaimen sisääntuloon on summattava moduloluku CN*2m siten, että ulostulo on rajoitettu kuvion 7 mukaisesti.

Kuviossa 7 moduloluvun CN*2m lisääminen voidaan siirtää viimeisen lohkon Nz ulostuloon, mutta tällöin luvun CN*2m lisääminen on laitettava myös jokaiseen alilohkoon esim. kuvion 8 osoittamalla tavalla.

15 Itsekompensoiva kaistanestosuodatin on kokonaisuutena kuvion 4 mukainen, jossa esikoodainlohko koostuu kuvion 8 mukaisista peräkkäin asetetuista alilohkoista. Moduloluku CN valitaan siten, että viimeisen alilohkon ulostulon reaali- ja imaginaariosat pysyvät rajojen -m, +m välissä, kun m on symboligeometrian suurin * · t arvo+1.

20 • > • · • · · • ·

Ml • · m · • » · • ·« • · • · • » · • · · • · • · • · · IM • · C I ·

• V

«tl a ( < 1 l «

Claims

1. Menetelmä lähettimen itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi digitaalisella tietoliikenneyhteydellä, jossa menetelmässä lähettimessä 5. signaali kaistanestosuodatetaan digitaalisella suodattimena, joka voidaan esittää muodossa H(z’’)= g-(l+ zAY{zx)), - esikoodataan kiinteällä Tomlinson-periaatetta soveltavalla esikoodaimella, joka esikoodain voidaan esittää muodossa K(z'*) = 1/(1+ z'^z'1)) täydennettynä modulo-operaatiolla, jolloin 10. suodatuksen (Η(ζ-1)) ja esikoodauksen (K(z-1)) näytetaajuuden on oltava symbolitaajuus ja sisäänmenosignaalin tulee olla lähetettävä symbolijono, tunnettu siitä, että sekä kaistanestosuodattimen (H(z-1)) että esikoodaimen (K(z'')) signaalinkäsittelyfunktio F(z"') toteutetaan yhteisellä laskentakoneistolla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä tunnettu siitä, että halutut estokaistat 15 sisältävä ulostulosignaali muodostetaan summaamalla sisäänmenosignaalina olevaan symbolijonoon esikoodaimessa määritetyt Tomlinson-periaatteen mukaiset moduloluvut.

« · • ·’ 3. Laitteisto lähettimen itsekompensoivan kaistanestosuodattimen toteuttamiseksi ♦ * · *·* * digitaalisella tietoliikenneyhteydellä, joka laitteisto käsittää lähettimessä ♦ · ·;··: 20 - välineet signaalin kaistanestosuodattamiseksi digitaalisella suodattimena, joka • ♦ ♦ φ t i il voidaan esittää muodossa H(z') = g-(l+ z' F(z')) ja tt» * « • · · - välineet signaalin esikoodaamiseksi kiinteällä Tomlinson-periaatetta soveltavalla .··*. esikoodaimella, joka esikoodain voidaan esittää muodossa K(z‘') = .·*·. 1/(1+z'1F(z’1))täydennettynä modulo-operaatiolla 25. suodatuksen (F^z’1)) ja esikoodauksen (K(z'')) näytetaaj uuden on oltava : symbolitaajuus ja sisäänmenosignaalin tulee olla lähetettävä symbolijono, 108323 tunnettu siitä, että laskentakoneisto sekä kaistanestosuodattimen (H(z"')) että esikoodaimen (K(z'’)) signaalinkäsittelyfunktion F(z'') toteuttamiseksi on yhteinen.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laitteisto tunnettu siitä, että se käsittää välineet estokaistat sisältävän ulostulosignaalin muodostamiseksi summaamalla 5 sisäänmenosignaalina olevaan symbolijonoon esikoodaimessa määritetyt Tomlinson-periaatteen mukaiset moduloluvut. • · · • 1 • · · • · • · · 1 · • · ,0 1 08323