FI112306B - Menetelmä ja laitteisto QAM- tai CAP-moduloidun modeemiyhteyden vastaanotinsynkronoinnin laadun parantamiseksi - Google Patents

Description

112306

Menetelmä ja laitteisto QAM- tai CAP-moduloidun modeemiyhteyden vastaanotinsynkronoinnin laadun parantamiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä QAM- tai CAP-5 modulaatiota soveltavan modeemiyhteyden vastaanotinsynkronoinnin laadun parantamiseksi.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto QAM- tai CAP-modulaatiota soveltavan modeemiyhteyden vastaanottimessa vastaanotinsynkronoinnin 10 laadun parantamiseksi.

Tässä hakemuksessa käytetään niin tunnetun tekniikan kuin keksinnönkin kuvauksessa seuraavia lyhenteitä: 15 CAP Kantoaalloton amplitudi- ja vaihemodulaatio (carrierless amplitude and phase modulation) FIR Äärellisen pituisen impulssivasteen omaava suodatin (finite impulse response) QAM Kvadratuuriamplitudimodulaatio (quadrature amplitude modulation) 20 RX Vastaanotin (receiver) ’ , TX Lähetin (transmitter) • · t • · * i L. ’ Modeemiyhteydellä vastaanottavan laitteen (vastaanotin RX) toiminta on tahdistettava eli , · · ·, synkronoitava lähettävän laitteen toimintaan (lähetin TX). Lähetin muuntaa lähetettävän 25 digitaalisen bittivirran symbolivirraksi, joka muunnetaan kuparikanavaan lähetettäväksi .*··. analogiseksi signaaliksi. Vastaanotettua analogista signaalia käsitellään analogisilla signaalinkäsittelymenetelmillä, minkä jälkeen signaali muunnetaan digitaaliseksi . näytejonoksi. Vastaanottimessa siirtokanavan läpäissyt symbolivirta regeneroidaan > ] t _ l kyseisistä näytearvoista digitaalisen signaalinkäsittelyn menetelmillä. Edelleen bittivirta •m 30 regeneroidaan vastaanottimessa saaduista symboliarvoista. Synkronointi toteutetaan ";;, * ohjaamalla vastaanottimen toiminnan aj astusta siten, että symbolipäätösten suoritushetket vastaavat mahdollisimman hyvin vakiovaihetta lähettimen lähettämien symbolien suhteen. Toiminnan ajastusta ohjataan signaalilla, jonka arvo riippuu päätöshetkien ja linjalta 112306 2 tulevan symboli virran välisestä vaihe-erosta. Jatkossa menetelmää, jonka avulla kyseinen vaihe-eroon verrannollinen ajastuksenohjaussignaali muodostetaan, kutsutaan synkronointimenetelmäksi ja vaihe-eroa kutsutaan ajastusvaiheeksi.

5 Datansiirron laadun kannalta on oleellista, että ajastusvaihe vaihtelee ajan funktiona mahdollisimman vähän. Perinteisiä synkronointimenetelmiä ovat neliöintisynkronointi ja korrelaatiosynkronointi, joita on kuvattu tarkemmin esim. lähteessä [Lee & Messerschmitt, 1994], Ongelmana näissä menetelmissä on, että ajastuksenohjausignaali sisältää kohinaa, joka syntyy ohjaussignaalin muodostamisprosessissa. Kyseinen kohina aiheuttaa 10 datansiirron laatua heikentävää ajastusvaiheen vaihtelua. Kohinaa voidaan vaimentaa menetelmiin liittyvän alipäästösuodatuksen kaistaa kaventamalla, mutta se taas heikentää synkronointimenetelmän kykyä seurata symbolivirran taajuuden muutoksia sekä kompensoida mahdollisten analogiaosiin kytkeytyvien häiriöiden vaikutuksia.

15 Vastaanotinsynkronointi, joka on kohinaominaisuuksiltaan edullinen mutta joka on kuitenkin nopea seuraamaan lähetetyn symbolivirran taajuuden vaihteluja, voidaan muodostaa käyttämällä ilmaisimen sisäänmenosignaaliin liittyvää informaatiota [Yasuharu

Yoshida, 1984]. Ajastuksenohjaussignaali voidaan muodostaa pelkästään ilmaisimen sisäänmenosignaalin perusteella vain, jos järjestelmässä ei ennen ilmaisinta ole muita 20 signaalinkäsittelykoneistoja, jotka kykenevät ajastusvaiheen liukumisen kompensointiin.

Esimerkki tällaisesta koneistosta on adaptiivinen FIR-etukoijain, jota käytännön QAM- tai CAP-modulaatiota soveltavalla modeemiyhteydellä joudutaan käyttämään siirtokanavan .···, aiheuttaman vääristymän kompensointiin. Etukoqainta on säädettävä myös datansiirtotilan . · · ·. aikana eikä vain yhteyden avaamisvaiheessa, koska esim. lämpötilan muuttuminen muuttaa • · · 25 kanavan aiheuttamaa vääristymää. Pelkästään ilmaisimen sisäänmenosignaalin käyttö johtaisi adaptiivisen etukoijaimen kanssa siihen, että ajastusvaihe ja etukorjaimen tappikerrointen jakauma ajautuisivat vastakkaisiin suuntiin toinen toisensa siirtymisen : kompensoiden. Tämä johtuu siitä, että ilmaisimen sisäänmenosignaalista saatu ajastuksenohjaussignaali ei ole riippumaton etukoijaimen tappikerrointen jakaumasta. . 30 Lopulta tilanne johtaisi datansiirron romahtamiseen, kun etukoijaimen tappikerrointen jakauma ajautuisi ulos etukoijaimen ajallisen pituuden alueelta.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja 112306 3 aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä ja laitteisto digitaalisella tietoliikenneyhteydellä.

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto, jonka avulla voidaan parantaa adaptiivista 5 etukorj ainta käyttävillä QAM- tai CAP-moduloiduilla modeemiyhteyksillä synkronoinnin kykyä seurata symbolivirran taajuuden muutoksia sekä kompensoida mahdollisten analogiaosiin kytkeytyvien häiriöiden vaikutuksia ilman, että synkronoinnin kohinaominaisuuksia joudutaan heikentämään. Keksinnön sovellettavuus rajoittuu järjestelmiin, joissa symbolitaajuus ja moduloinnin keskitaajuus ovat kiinteässä suhteessa 10 toisiinsa.

Keksintö perustuu siihen, että vastaanottimen synkronoinnin ohjauksessa käytetään ilmaisimen sisäänmenosignaalin In phase-ja Quadrature- komponenttien (i/, ja dQ) muodostaman vektorin kiertymiseen verrannollista informaatiota ja lisäksi signaalia, 15 joka on ajastusvaiheeseen verrannollinen ja joka on muodostettu menetelmällä, josta saatava signaali on ajastusvaiheen tasapainopisteen ympäristössä riippumaton niiden signaalinkäsittelykoneistojen tilasta, jotka kykenevät ajastusvaiheen liukumisen kompensointiin.

,! ‘' 20 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä . on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

.···, Keksinnön mukaiselle laitteistolle modeemiyhteyden vastaanottimessa puolestaan on . · · ·. tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tunnusmerkkiosassa.

25 . ’' *. Keksinnöllä saavutetaan huomattavia etuja.

; - Kiertymäinformaation kohinasisältö on vähäinen, joten ohjausvaikutuksesta voidaan ,..,: tehdä nopea heikentämättä datansiirron laatua, jolloin järjestelmä pystyy paremmin , ·. 30 seuraamaan symbolivirran taajuuden muutoksia sekä kompensoimaan mahdollisten ' i i, ‘ analogiaosiin kytkeytyvien häiriöiden vaikutuksia.

- Lisäsignaalin, joka on muodostettu esim. neliöinti- tai korrelointimenetelmällä, 112306 4 tehtävänä on ainoastaan estää edellä kuvattu ajautuminen, joka on luonteeltaan hidasta. Näin ollen esim. neliöinti- tai korrelointimenetelmässä käytettävä alipäästösuodatus voidaan tehdä huomattavasti kapeampikaistaiseksi kuin tilanteessa, jossa kiertymäinformaatiota ei käytettäisi. Tällöin datansiirron laatu 5 paranee, koska alipäästösuodatuksen kaistan kaventaminen vähentää ajastuksenohjaussignaalin sisältämää kohinaa.

Kiertymästä saadun ohjaussignaalin käyttö rajoittaa ajastusvaiheen muutosnopeutta siten, että adaptiivinen etukoijain kykenee paremmin seuraamaan ajastusvaiheen vaihtelua. Näin 10 ollen esim. neliöinti- tai korrelointimenetelmällä saadun lisäsignaalin kohinahäiriöiden datansiirron laatua heikentävä vaikutus vähenee oleellisesti.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten esimerkkien avulla.

15

Kuvio 1 esittää QAM- tai CAP-modulaatiota soveltavan jäijestelmän ilmaisimen sisäänmenosignaalia x,y-koordinaatistossa kun a) ajastusvaihe on optimaalinen ja b) ajastusvaihe on liukunut sivuun optimivaiheesta.

20 Kuvio 2 esittää QAM-tai CAP-modulaatiota soveltavaa keksinnön mukaista vastaanotinta.

‘ _ Vastaanottimessa voi olla myös sellaisia signaalinkäsittelykoneistoja, joita kuvioon ei ole _ · t ; merkitty, esim. takakoijain (DFE = Decision Feedback Equalizer).

. · ·. Keksinnön mukaisen menetelmän teoreettinen perusta käy ilmi seuraavasta tarkastelusta.

25 QAM- tai CAP-modulaatiota käyttävässä järjestelmässä, jossa symbolitaajuus ja •' ‘: keskitaajuus ovat kiinteässä suhteessa toisiinsa, ilmaisimen sisäänmenosignaalin suoran (I, , ’ : in-phase) ja kohtisuoran (Q, quadrature) komponentin muodostama vektori (I, Q) kiertyy ajastusvaiheen liukuessa. Tilannetta on valaistu kuviossa 1 QAM-16 tai CAP-16 . 30 modulaation tapauksessa. Kiertymäkulmalle φ [rad] ja ajastusvaiheen liukumalle r[s] .' ·, pätee: 112306 5 φ=ωίτ, missä (¾ [rad/s] on QAM- tai CAP-moduloinnin keskitaajuus. Kiertymästä saadun ohjaussignaalin kohinasisältö on erittäin pieni verrattuna esim. neliöinti- tai 5 korrelaatiomenetelmällä muodostetun ohjaussignaaliin kohinasisältöön.

Ajastuksenohjaussignaalia ei voida muodostaa pelkän kiertymäinformaation perusteella, koska adaptiivista etukoijainta käytettäessä toiminta ei olisi stabiilia kuten aiemmin on todettu.

10

Esimerkki keksinnön mukaisesta järjestelmästä on esitetty kuviossa 2. Siirtokanavan 1 läpäissyt signaali suodatetaan ensiksi analogisilla suodattimilla 2, jonka jälkeen tehdään analogia-digitaalimuunnos 3. Tämän jälkeen signaali alasmoduloidaan 4 QAM-modulaation tapauksessa. Tämän jälkeen signaalitiellä seuraa adaptiivinen etukorjain 5 ja 15 tämän jälkeen tapahtuu symbolien ilmaisu 6. Seuraavassa lohkossa dekoodataan 7 symbolit bittivirraksi. Kiertymäinformaatio muodostetaan lohkossa 25 ilmaisimen 6 sisäänmenonja ulostulon signaaleista. Ajastuksenohjaussignaali 21 muodostetaan yhdistämällä kiertymäinformaatioon perustuva ohjaussignaali 22 sellaiseen lohkossa 8 muodostettuun lisäsignaaliin 23, joka on ajastusvaiheeseen verrannollinen ja joka on muodostettu siten, .. 20 että kyseinen lisäsignaali on ajastusvaiheen tasapainopisteen ympäristössä riippumaton } niiden signaalinkäsittelykoneistojen tilasta, jotka kykenevät ajastusvaiheen liukumisen *i kompensointiin. Mainittu lisäsignaali voidaan muodostaa esim. neliöinti- tai t * . ‘ korrelointimenetelmällä. Esimerkkitapauksessa lisäsignaalin muodostuslohkon 8 * · '·'* sisäänmenona käytetään adaptiivisen etukorjaimen 5 sisäänmenosignaalia.

25 Ajastuksenohjaussignaalilla 21 ohjataan kellogeneraattoria 9.

t | • ’ Kiertymästä saadun ohjaussignaalin 22 ja esim. neliöinti- tai korrelointimenetelmällä ‘‘ * saadun lisäsignaalin 23 yhdistäminen 24 voidaan käytännössä tehdä esimerkiksi muodossa: * * » ' * *· 30 ajastuksenohjaussignaali = kerroin 1 x kiertymästä saatu ohjaus + kerroin 2 x » * t ·- · lisäsignaali, 112306 6 jolloin ajastuksen ohjaussignaali on summa kahden P-säätäjän (Proportional regulator) ulostulosta. Kerroin 1 ja kerroin 2 ovat parametreja, joiden valinnassa huomioidaan synkronoinnin virittämiseen liittyvät stabiilisuus- ja laatunäkökohdat. Edelleen on mahdollista käyttää monimutkaisempia säätäjärakenteita ajastuksenohjaussignaalin 5 muodostamiseen. Käytännössä edulliseksi on osoittautunut menetelmä, jossa kiertymästä saatu ohjaus viedään P-säätäjään ja lisäsignaali PI-säätäjään (Proportional and Integrating regulator) ja näiden säätäjien ulostulot summataan. Kiertymästä saadun ohjaussignaalin muodostus 25 voidaan toteuttaa esimerkiksi laskemalla kiertymäkulmaan verrannollinen approksimaatio ilmaisimen sisäänmenon ja päätetyn symbolin ristitulona: 10 φ ~ S\dq - Sqd\, missä Sija Sq ovat symbolipäätöksen In phase-ja Quadrature- komponentit ja d\ ja dq ovat ilmaisimen sisäänmenon In phase-ja Quadrature- komponentit. Sama tulos saadaan myös 15 ilmaisinvirheen j a päätetyn symbolin ristitulona.

Viitteet: .. 20 [Lee & MesserschmittJE. A. Lee and D.G. Messerschmitt, Digital Communication, :,: Kluwer Academic Publishers 1994.

< · I · [Yasuharu Yoshida, 1984]Yasuharu Yoshida, Timing Synchronizing Circuit for Demodulators, U.S. Patent 4,528,512 1984.

25 • · » * · > *

I I

Claims (10)

1. 7 112306
2. 1. Menetelmä vastaanotinsymbohsynkronoinnin laadun parantamiseksi digitaalisella 5 tietoliikenneyhteydellä, jossa menetelmässä - vastaanotetaan symboleiksi koodattua bittivirtaa, - linjakoodina käytetään joko QAM- tai CAP-modulaatiota, - kanavavääristymää kokataan adaptiivisella etukoijaimella (5), 10. kanavan (1) ja vastaanottimen signaalinkäsittelyelimet läpäisseet symbolit rekonstruoidaan takaisin bittivirraksi, tunnettu siitä, että 15. vastaanottimen symbolisynkronoinnin ohjauksessa käytetään ilmaisimen sisäänmenosignaalin In phase- ja Quadrature- komponenttien (d\ ja dq) muodostaman vektorin kiertymiseen verrannollista informaatiota ja lisäksi - signaalia, joka on symbolisynkronoinnin ajastusvaiheeseen verrannollinen ja joka 1 · * 20 on muodostettu menetelmällä, josta saatava signaali on ajastusvaiheen tasapainopisteen ympäristössä riippumaton niiden signaalinkäsittelykoneistojen ;: ] tilasta, jotka kykenevät aj astusvaiheen liukumisen kompensointiin. * I • * * * · » ·
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että kiertymisestä « 1 25 saatavan informaation lisäksi käytettävä signaali muodostetaan neliöintimenetelmällä. * » * » » ; “1. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että kiertymisestä » I f j. ( saatavan informaation lisäksi käytettävä signaali muodostetaan korrelointimenetelmällä. * I · . ‘ , 30 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että kiertymisestä « * » ’ ! saatava informaatio muodostetaan ilmaisimen sisäänmenon ja päätetyn symbolin ristitulona. 8 112306
4. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä on tunnettu siitä, että kiertymisestä saatava informaatio muodostetaan ilmaisinvirheen ja päätetyn symbolin ristitulona.
5. 6. Laitteisto vastaanotinsymbolisynkronoinnin laadun parantamiseksi digitaalisella tietoliikenneyhteydellä, jossa laitteisto käsittää vastaanottimessa - välineet (2) kanavan (1) läpäisseen QAM- tai CAP-moduloidun signaalin vastaanottamiseksi, 10. adaptiivisen etukoqaimen (5) kanavavääristymän kompensoimiseksi, - muut signaalinkäsittelyelimet (3,4,6,7,9), joiden avulla kanavan (1) läpäiseestä signaalista on rekonsruoitavissa lähetetyt symbolit, joista puolestaan on rekonstruoitavissa lähetetty bittivirta, 15 tunnettu siitä, että laitteisto käsittää vastaanottimessa - kiertymäinformaation mudostamisvälineet (25, 24), joiden avulla ilmaisimen sisäänmenosignaalin In phase- ja Quadrature- komponenttien (d\ ja cIq) muodostaman vektorin kiertymiseen verrannollista informaatiota voidaan käyttää 20 vastaanotinsymbolisynkronoinnin ohj aukseen j a lisäksi - välineet (8), joiden avulla voidaan muodostaa lisäsignaali, joka on • ’ · · symbolisynkronoinnin ajastusvaiheeseen verrannollinen ja joka on ajastusvaiheen tasapainopisteen ympäristössä riippumaton niiden signaalinkäsittelykoneistojen « i · ' · " 25 tilasta, jotka kykenevät ajastusvaiheen liukumisen kompensointiin. • · ’ · · · * 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto on tunnettu siitä, että laitteisto käsittää . . välineet (8), joiden avulla kiertymisestä saatavan informaation lisäksi käytettävä signaali !.. ’ voidaan muodostaa neliöintimenetelmällä. • · \ 30 •;;; 8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto on tunnettu siitä, että laitteisto käsittää '; * välineet (8), joiden avulla kiertymisestä saatavan informaation lisäksi käytettävä signaali t I | 112306 voidaan muodostaa korrelointimenetelmällä.
6. 9. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto on tunnettu siitä, että laitteisto käsittää välineet (25), joiden avulla kiertymisestä saatava informaatio voidaan muodostaa 5 ilmaisimen (6) sisäänmenon ja päätetyn symbolin ristitulona.
7. 10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto on tunnettu siitä, että laitteisto käsittää välineet (25), joiden avulla kiertymisestä saatava informaatio voidaan muodostaa ilmaisinvirheen ja päätetyn symbolin ristitulona. 10 15 20 :,‘'i 25 :·' 30 Patentkrav: 112306