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WO2003039088A1 - Frequency equalization for a multitone transmission system - Google Patents

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WO2003039088A1
WO2003039088A1 PCT/EP2001/014724 EP0114724W WO03039088A1 WO 2003039088 A1 WO2003039088 A1 WO 2003039088A1 EP 0114724 W EP0114724 W EP 0114724W WO 03039088 A1 WO03039088 A1 WO 03039088A1
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WO
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transmission
data
free
signal
channels
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/014724
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German (de)
French (fr)
Inventor
J. Norbert Fliege
Steffen Trautmann
Original Assignee
Fliege J Norbert
Steffen Trautmann
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fliege J Norbert, Steffen Trautmann filed Critical Fliege J Norbert
Publication of WO2003039088A1 publication Critical patent/WO2003039088A1/en

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    • H04L2025/03522—Frequency domain

Definitions

  • the present invention relates to the preambles of the independent claims.
  • the present invention is generally concerned with signal transmission.
  • BESTATIGUNGSKOPIE Errors occur because the data in the transmission channel is distorted in some way. For analog data such as speech, this is known from experience; here the intelligibility with poor telephone lines becomes less, regardless of whether the distortion occurs as an echo in the line, noise, narrowband interference as with network hum or due to strong clanking, ie generation of harmonics. Problems often grow with the length of the transmission links.
  • a number of carrier frequencies which are typically closely spaced, are provided for the transmission of data, and part of the information to be transmitted with each data packet is modulated onto each of the carrier frequencies.
  • the multiplicity of modulated carrier frequencies is fed together into the transmission channel;
  • the separation into the individual carrier frequencies and the demodulation then take place at the receiver in order to recover the output data packets.
  • the equalization is considerably simplified compared to broadband equalization, because the overall frequency range of the transmission channel can be divided into many narrow frequency bands, which can be viewed not only as quasi independent of one another, but also as free of frequency-selective behavior.
  • the simplified equalization means that the usual digital filters require less computing effort.
  • the partial signals must be selected in a certain way, namely in such a way that they are orthogonal to one another, which is possible in principle and, for example, leads to a specific choice, the frequency division. Especially ⁇ disturbing. now two effects .. Firstly, not all carrier frequencies can be used; this is the case, for example, when a strong jammer emits on or near the respective carrier frequency. Another reason for not being usable is an excessive selective attenuation of the respective frequency. This must be determined, for example when the transmission channel is set up, in order to be able to exclude the disturbed channels from being used for information transmission. It is immediately clear that the usable bandwidth of the entire available transmission channel is reduced.
  • impulses are often deformed during transmission. If a sharp, e.g. If a needle-shaped pulse is fed into a channel, these distortions lead to a “smearing” of the pulse, ie the length of the pulse expands and its shape changes. This has the result that the signal obtained for a transmitted data symbol is carried away by the receiver depends on which symbol was previously transmitted. Inter-symbol crosstalk, intersymbol interference occurs.
  • inter-channel interference can also interfere.
  • Such types of distortion now disrupt the original orthogonality. This is uncomfortable because the disturbance of orthogonality initially angestrerte "and undistorted in the ideal transmission no longer permits available simplification Filterbau easily.
  • the aim may be to shorten the guard interval duration per se in order to increase the transmission rate, or an attempt can be made, given the
  • Guard interval duration to increase the bridgeable distance.
  • the aim is, on the one hand, to equalize the channel dynamics and, on the other hand, to compensate for interference components caused by external frequency-selective and / or narrow-band interferers and the like in adjacent channels; if neither is fully achieved, an at least extensive improvement should be achieved at least for one of the two effects.
  • the object of the present invention ⁇ ' is to provide something new for industrial application.
  • a first essential aspect of the invention thus provides that, in a multi-tone transmission method, in which a plurality of transmission channels are provided, signals are fed into the transmission channel inputs in response to data symbols to be transmitted and the transmission channel outputs are evaluated for data symbol reconstruction, at least one of the intended transmission channels remaining free of transmission signals, it is provided that for the data signal reconstruction the output of at least one transmission channel free of the transmission signal is also evaluated.
  • it will typically be more precise to use an orthogonal multi-tone transmission method. She mentions the applicability for OFDM and DMT multi-tone transmission; these are special examples of multi-tone transmission methods with low frequency selectivity. The applicability of the method for filter bank methods with broadband filters should be mentioned.
  • the data transmission in a first example of the multi-tone transmission method, it is possible for the data transmission to take place guard-free; alternatively, the data transmission can take place using a guard interval.
  • the outputs of several transmission channels that are free of transmission signals can also be evaluated in the data signal reconstruction. In principle, the quality of the evaluation result increases with the number of transmission channel-free transmission channels evaluated. In the case of purely channel-related interference, a practically ideal error correction is even made possible.
  • the number of transmission channels evaluated is preferably higher, but a dozen transmission channels also evaluated give good results.
  • the signals received in the transmission channels used for transmission are linearly equalized.
  • the type of linear equalization itself must be determined for this. This can preferably be done in such a way that the actual channel response is split up into a stationary part and a transient part, the transient part being determined by evaluating the transmission signal-free transmission channels.
  • the data evaluation also partially or in particular quasi completely compensates for the noise, in particular caused by external interferers.
  • each signal that is fed into the transmission channel can be understood as the sum of the large number of sub-signals in the narrow-band channels with different carrier frequency, amplitude and phase position, which are taken into account in the multi-tone process.
  • These parameters therefore precisely define the input signal.
  • the signal can therefore only be described precisely by specifying them.
  • These parameters can be interpreted as a vector.
  • the transfer function can then be described as a matrix that indicates how each component of the vector, ie every parameter in a specific narrowband channel, changes during the transfer. If the parameters do not change, there is a uniform matrix; certain signal components are simply weakened, for example because of the channel transmits high frequencies louder than lower ones, the diagonal elements are different from one. In addition, it is also possible for one channel to cross into the other. A low frequency thus generates a signal component in a higher-frequency channel through crosstalk. This leads to non-zero elements outside the diagonal of the transfer matrix.
  • the transmission behavior of the channel can be described by its own channel matrix. Now the channel matrix can also take into account that the channel "settles", i.e. a non-zero precursor signal occurs before the actual pulse. This is the case, for example, when different frequencies spread at different speeds over the transmission channel. Likewise, the pulse can "swing out", i.e. after the actual signal has been detected, the channel is not immediately quiet again.
  • the frequency of the main signal is typically different from that in the preceding or following signal, which is also referred to as the head or tail signal.
  • the channel matrix then has three parts, namely a part that describes the precursor, a part that describes the successor and a central part between the two.
  • the signals to be transmitted are supplemented at an end region by further signal components, which in turn are determined from those parameters which correspond to the signals actually to be transmitted.
  • the vector describing the signal provided with the guard interval thus becomes cyclical in the sense that its components are cyclically adapted to one another at the top and bottom.
  • a channel matrix is first considered in which the components describing the guard interval are cut off. Based on this, a cyclical component and an error component are determined.
  • the proportion of errors is chosen so that the parts describing the head and tail parts at a certain point
  • the matrix can be broken down into a reshaped cyclical part (which describes the ideal case) and the error part.
  • the proportion of errors it is now possible to determine the proportion of errors by only evaluating the transmission channels free of transmission signals.
  • the effort to determine the proportion of errors is low because it only a few channels and accordingly matrices corresponding to a reduced dimension need to be evaluated.
  • the equalization is carried out by adding complexly weighted coefficients to the correspondingly weighted coefficients of the channels used.
  • Protection is also claimed for a device for the transmission of data using the multi-tone method, with a means for addressing a plurality of transmission channels in order to enable signals to be fed into the transmission channel inputs in response to data symbols to be transmitted and / or the transmission channel outputs to be evaluated for data symbol reconstruction , and a means for defining at least one transmission channel that remains free of transmission signals, wherein a means for data signal reconstruction is also provided, which is designed to evaluate the output of at least one transmission signal-free transmission channel. Protection is also claimed for such a device, in which the data signal reconstruction means is also designed to evaluate data transmitted with a guard interval.
  • Fig.l is a diagram of a multi-tone transmission order
  • Figure 3 illustrates a channel impulse response
  • Figure 6.7 illustrates the steps for determining the equalizer matrix relationship
  • the multi-tone transmission arrangement 1 for multi-tone transmission with guard interval is formed by a receiver 4 connected to a transmitter 3 via a transmission path 2 referred to as “channel” 2.
  • the transmission path 2 is designed to transmit signals in certain frequencies. Of these particular frequencies, discrete ones are selected for transmission, which in the present application are referred to as transmission channels. Sub-signals transmitted via these are orthogonal to one another.
  • the transmitter 3 has an input 5 for a data stream 6, which is connected to a serial-parallel converter for the parallelization and modulation of the data 7, in such a way that parallelization takes place in symbols with M components. It can be taken into account via the serial-parallel converter 7 for parallelization and modulation of the data which transmission channels of the data transmission are inaccessible due to interference. The transmitter 3 is then designed not to use such channels for the transmission of data.
  • An IDFT stage for determining an inverse discrete Fourier transformation 8 is provided at the output of the serial-parallel converter 7.
  • the outputs of the IDFT stage are fed to a parallel-serial converter 9 in a manner known per se in such a way that a guard interval is obtained, which leads to an extension of the transmission time for the transmission of a symbol.
  • the transmission signal current obtained from the parallel-serial converter 9 is converted analogously in a D / A converter 10 and fed to the channel 2.
  • sample value data blocks comprise sample value data relating to the guard interval, which are not supplied to any further evaluation, and other sample value data from which the original data stream 6 is to be obtained by evaluation.
  • the data blocks to be evaluated are now fed to a DFT stage 14 for carrying out a discrete Fourier transformation and then, with a change to be described, fed to a demodulating parallel-serial converter 15, at whose output the reconstructed data stream 6 is obtained.
  • Channel 2 now generates distortion when a signal is fed in, adds selective interference components, noise, smears the signal, etc.
  • FIG. 2 The distortions are illustrated in FIG. 2.
  • this needle-shaped signal is the highest signal in the figure.
  • Equalization can now be carried out in order to compensate for channel distortion. According to the invention, this is done by evaluating unused channels. This is explained below, reference being made to the usability of the polyphase representation known per se.
  • the respective matrix must now indicate how the element reacts when certain successive signals are fed in. This is explained on transmission path 2.
  • an MxM matrix is required without a forerunner and a follower, which indicates how the output of channel 2 comprises an M component
  • Icon responds.
  • a channel that answers immediately without distortion would correspond to a unit matrix I.
  • the duration for the transmission of a symbol i.e. a data block
  • the duration for the transmission of a symbol can be chosen to be shorter than the duration of the impulse response, and it is also assumed that the forerunner and successor parts are no longer than the symbol length. Then the output signal is longer than the input, namely by the forerunner and the follower, but that of a signal of duration M thus results in an output signal of maximum length 3M.
  • the matrix that describes a channel response is shown in FIG. 4 for the case without a guard interval. It specifies how the channel reacts to the M components of the symbol and has the size 3M and can be constructed from an MxM precursor part Ch (from " C-header), an MxM-central part Cc and an MxM trailing part Ct ( from C-trail) Certain parts of this matrix are zero, these areas are drawn in white This matrix can be broken down into the sum of a cyclical part without a forerunner and a follower and one called an error part Cerr possible in case of Guardin tervall, cf. Fig. 5, where M represents the symbol duration and Lg the guard interval duration.
  • the equalization matrix of FIG. 7 is considered, which indicates how the M transmission channels, which are to be obtained without a guard interval or after the latter have been cut off, must be corrected.
  • FIG. 7 shows a breakdown into a sum of a matrix which has only non-zero components at those diagonal locations which relate to used transmission channels and a second matrix which relates to the other locations of the matrix. Both matrices can be reduced as shown.
  • Matrix Eg re d is linked, namely via certain or determinable sizes like those that can be derived from the channel impulse response.
  • the determination of the equalizer matrix described above is particularly suitable for the equalization of channel-related interference. If frequency-selective and / or narrow-band interfering and possibly broadband interferers also occur, it is advantageous to choose a minimum means square error adaptation of the equalizer matrix coefficients which is known per se and which leads to an optimal compromise in terms of the square residual error leads in the reception symbol.
  • the correction leads to a significant improvement in the signal-to-noise ratio, as shown in FIG. 8 for a real channel with a narrow-band interfering interferer.

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Abstract

The invention relates to a multitone transmission method and device, wherein several transmission channels are provided. In response to data symbols to be transmitted, signals are fed to the transmission channel inputs and the transmission channel outputs are evaluated for reconstruction of the data symbols, wherein at least one of the transmission channels remains free from transmission signals and the output of at least one transmission channel that is free from transmission signals is simultaneously evaluated for the reconstruction of data signals. In one example of the multitone transmission method, data transmission is carried out free from guard interval. Data transmission can alternatively be carried out using a guard interval. The outputs of several transmission channels that are free from data signals can be simultaneously evaluated during data signal reconstruction. In principle, the quality of evaluation results increases with the number of transmission channels that are free from transmission signals and which have been evaluated.

Description

Anmelder : Prof . Dr . Norbert Fliege Weinbergstr . 21 69459 Weinheim Steffen TrautmannApplicant: Prof. Dr. Norbert Fly Weinbergstr. 21 69459 Weinheim Steffen Trautmann
Vertreter : PatentanwaltRepresentative: patent attorney
Claus Peter Pietruk Heinrich-Lilienfeinweg 5Claus Peter Pietruk Heinrich-Lilienfeinweg 5
76229 Karlsruhe Vertreter-Nr . 321 60576229 Karlsruhe representative no. 321 605
Titel : FREQUENZENTZERRUNG FÜR MEHRTONÜBERTRAGUNGS SYSTEMTitle: FREQUENCY EQUALIZATION FOR MULTI-TONE TRANSMISSION SYSTEM
PatentanmeldungPatent application
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche. Damit befaßt sich die vorliegende Erfindung allgemein mit der Signalübertragung.The present invention relates to the preambles of the independent claims. The present invention is generally concerned with signal transmission.
Bei der Übertragung von Signalen ist es im Regelfall erwünscht, Daten über die erforderliche Distanz mit einer möglichst hohen Üb§rtragungsrate möglichst fehlerfrei und ohne merkliche Verzögerung zu übertragen. Die Übertragung erfolgt dabei ganz allgemein von einem Sender über einen Übert a- gungskanal -an einen Empfänger; diese Terminologie wird hier unabhängig davon verwendet, ob z.B. eine drahtgebundene, optische oder Funkübertragung erfolgt.When transmitting signals, it is generally desirable to transmit data over the required distance with the highest possible transmission rate, as error-free as possible and without any noticeable delay. The transmission takes place quite generally from a transmitter via a transmission channel to a receiver; this terminology is used here regardless of whether e.g. a wired, optical or radio transmission takes place.
BESTATIGUNGSKOPIE Fehler entstehen dadurch, daß im Übertragungskanal die Daten auf irgendeine Art und Weise verzerrt werden. Für Analogdaten wie Sprache ist dies aus der Erfahrung bekannt; hier wird die Verständlichkeit bei schlechten Telefonleitungen geringer, und zwar unabhängig davon, ob die Verzerrung etwa als Echo in der Leitung, Rauschen, schmalbandige Einstreuung wie bei Netzbrumm oder durch starkes Klirren, d.h. Erzeugung von Harmonischen auftritt. Oftmals wachsen die Probleme mit der Länge der Übertragungsstrecken.BESTATIGUNGSKOPIE Errors occur because the data in the transmission channel is distorted in some way. For analog data such as speech, this is known from experience; here the intelligibility with poor telephone lines becomes less, regardless of whether the distortion occurs as an echo in the line, noise, narrowband interference as with network hum or due to strong clanking, ie generation of harmonics. Problems often grow with the length of the transmission links.
Aber auch bei digitalen Daten, also etwa bei der Übertragung von Datenpaketen im Internet oder bei der Übertragung der digitalisierten Sprach-Signale in Mobilfunknetzen kann Verzerrung dazu führen, daß am Empfänger das Signal nicht mehr klar zu verstehen, d.h. zu decodieren ist; dies ist etwa dann der Fall, wenn das Rauschen vom Übertragungskanal so stark ist, daß eine übertragene digitale Null als Eins gelesen wird oder umgekehrt. Derartige Erkennungs-Fehler können nun auf unterschiedliche Weise vermieden werden; so könnte im einfachen Beispiel die Signaldauer verlängert werden, damit über einen Rauschanteil gemittelt wird, oder ein und dasselbe Signal wird wiederholt übertragen. Einsichtigerweise verringert sich so die maximal erzielbare Übertragungsrate, was bei vielen Arten der Fehler-Korrektur der Fall ist.But even with digital data, for example when transmitting data packets on the Internet or when transmitting the digitized voice signals in mobile radio networks, distortion can lead to the receiver no longer being able to clearly understand the signal, i.e. is to be decoded; this is the case, for example, when the noise from the transmission channel is so strong that a transmitted digital zero is read as one or vice versa. Such recognition errors can now be avoided in different ways; in the simple example, the signal duration could be extended so that averaging over a noise component takes place, or the same signal is transmitted repeatedly. Obviously, the maximum achievable transmission rate is reduced, which is the case with many types of error correction.
Die tatsächlich im Stand der Technik verwendeten Verfahren, die zur Kompensation der Kanalverzerrungen implementiert werden, sind dabei im Regelfall stark abhängig vom tatsächlich verwendeten Übertragungsverfahren. Es wird hier im Regelfall versucht, "der durch den Übertragungskanal bedingten Verzerrung durch Entzerrung mittels geeigneter Filter zu begegnen. Es ist dabei gebräuchlich, daß die angekommenen Signale digi- talisiert werden und die Filter dann im Digitalbereich implementiert sind.The methods actually used in the prior art, which are implemented to compensate for the channel distortions, are generally heavily dependent on the transmission method actually used. As a rule, an attempt is made here to "counter the distortion caused by the transmission channel by equalization by means of suitable filters. It is customary here for the incoming signals to be digitally talized and the filters are then implemented in the digital domain.
Eines der weit verbreiteten Verfahren der Datenübertragung ist das sog. diskrete Mehrtonverfahren. Es findet etwa Anwendung bei modernen Teleko munikationsprotokollen wie ADSL, DAB, DVB, VDSL, HyperLAN-2 usw.One of the widespread methods of data transmission is the so-called discrete multi-tone method. It is used for example in modern telecommunications protocols such as ADSL, DAB, DVB, VDSL, HyperLAN-2 etc.
Im diskreten Mehrtonverfahren werden für die Übertragung von Daten eine Reihe von typisch eng beieinander liegenden Träger-Frequenzen vorgesehen und auf jede der Träger-Frequenzen ein Teil der mit jedem Datenpaket zu übertragenden Information aufmoduliert. Die Vielzahl von modulierten Trägerfrequenzen wird gemeinsam in den Übertragungskanal eingespeist; am Empfänger erfolgt dann die Auftrennung in die einzelnen Trägerfrequenzen und die Demodulation, um die Ausgangsdatenpakete zurückzugewinnen. Die Entzerrung ist dabei gegenüber einer Breitband-Entzerrung wesentlich vereinfacht, weil der Gesamt- Frequenzbereich des Übertragungskanals in viele schmale Fre- quenzbänder aufgeteilt werden kann, die nicht nur als quasi unabhängig voneinander, sondern auch als frei von frequenzselektivem Verhalten angesehen werden können. Die vereinfachte Entzerrung bedeutet bei den üblichen Digitalfiltern einen geringeren Rechenaufwand.In the discrete multi-tone process, a number of carrier frequencies, which are typically closely spaced, are provided for the transmission of data, and part of the information to be transmitted with each data packet is modulated onto each of the carrier frequencies. The multiplicity of modulated carrier frequencies is fed together into the transmission channel; The separation into the individual carrier frequencies and the demodulation then take place at the receiver in order to recover the output data packets. The equalization is considerably simplified compared to broadband equalization, because the overall frequency range of the transmission channel can be divided into many narrow frequency bands, which can be viewed not only as quasi independent of one another, but also as free of frequency-selective behavior. The simplified equalization means that the usual digital filters require less computing effort.
Um diese Vorteile des diskreten Mehrtonverfahrens optimal ausnutzen zu können, müssen die Teilsignale aber auf eine bestimmte Art gewählt werden, nämlich so, daß sie orthogonal zueinander sind, was prinzipiell möglich ist und etwa zu ei- ner- bestimmten Wahl, der Frequenzaufteilung führt. Besonders~~ störend sind. nun zwei Effekte.. Zum einen sind nicht alle Träger-Frequenzen nutzbar; dies ist etwa dann der Fall, wenn ein starker Störsender auf oder nahe der jeweiligen Träger-Frequenz einstrahlt. Ein anderer Grund für eine Nichtnutzbarkeit ist eine zu starke selektive Dämp- fung der jeweiligen Frequenz. Dies muß festgestellt werden, etwa bei Aufbau des Übertragungskanals, um die gestörten Kanäle von der Benutzung für die Informationsübertragung ausschließen zu können. Unmittelbar einsichtig ist, daß sich so die nutzbare Bandbreite des gesamten zur Verfügung stehenden Übertragungskanals verringert.In order to be able to make optimal use of these advantages of the discrete multi-tone method, however, the partial signals must be selected in a certain way, namely in such a way that they are orthogonal to one another, which is possible in principle and, for example, leads to a specific choice, the frequency division. Especially ~~ disturbing. now two effects .. Firstly, not all carrier frequencies can be used; this is the case, for example, when a strong jammer emits on or near the respective carrier frequency. Another reason for not being usable is an excessive selective attenuation of the respective frequency. This must be determined, for example when the transmission channel is set up, in order to be able to exclude the disturbed channels from being used for information transmission. It is immediately clear that the usable bandwidth of the entire available transmission channel is reduced.
Weiter werden Impulse oftmals bei der Übertragung verformt. Wird ein scharfer, z.B. nadeiförmiger Impuls in einen Kanal eingespeist, führen diese Verzerrungen etwa zu einem „Ver- schmieren" des Impulses, d.h. die Länge des Impulses dehnt sich aus und seine Form verändert sich. Dies führt dazu, daß das für ein übertragenes Datensymbol erhaltene Signal am Empfänger davon abhängt, welches Symbol zuvor übertragen wurde. Es kommt zu Zwischensymbolübersprechen, Intersymbolinterfe- renz .Furthermore, impulses are often deformed during transmission. If a sharp, e.g. If a needle-shaped pulse is fed into a channel, these distortions lead to a “smearing” of the pulse, ie the length of the pulse expands and its shape changes. This has the result that the signal obtained for a transmitted data symbol is carried away by the receiver depends on which symbol was previously transmitted. Inter-symbol crosstalk, intersymbol interference occurs.
Stören kann aber auch das Übersprechen von einem Kanal auf den nächsten, die sog. Zwischenkanalinterferenz, (Inter- Channel-Interference) . Durch solche Arten der Verzerrung wird nun die ursprünglich vorhandene Orthogonalität gestört. Dies ist unangenehm, weil die Störung der Orthogonalität die zunächst angestrerte" und im Ideal unverzerrter Übertragung erhältliche Vereinfachung im Filterbau nicht mehr ohne weiteres zuläßt.The crosstalk from one channel to the next, the so-called inter-channel interference, can also interfere. Such types of distortion now disrupt the original orthogonality. This is uncomfortable because the disturbance of orthogonality initially angestrerte "and undistorted in the ideal transmission no longer permits available simplification Filterbau easily.
/Abhilfe schafft hier, wenn die zu übertragenden Datenpakete (Symbole) nicht unmittelbar hintereinander abgeschickt werden, sondern dazwischen ein bestimmtes Intervall, das sog. Guard-Intervall, abgewartet wird. Betrachtet man aufeinanderfolgende Nadelimpulse, die während der Übertragung verschmieren, so bedeutet das nichts anderes, als daß man den folgenden Nadelimpuls so spät abschickt, daß der verschmierte vor- herige Impuls hinreichend weit abgeklungen ist. Um die Konstruktion der Filter zu erleichtern, muß während des Guard- Intervalls das zuvor übertragene Signal auf bestimmte Weise fortgesetzt werden; dies ist im Stand der Technik gut bekannt. Verwiesen wird, was den Stand der Technik angeht, ins- besondere auf die Veröffentlichung "OFDM Equalization without Guard-Interval" von S. Trautmann und N.J. Fliege, β.th International OFDM-Workshop (InOWo) 2001, Hamburg, die bestimmte Teile der beanspruchten Erfindung vorwegnimmt, was für einige der bestimmten Länder jedoch aufgrund der Neuheitsschonfrist unschädlich ist, die aber nicht alle in den Ansprüchen niedergelegten erfinderischen Besonderheiten zu zeigen vermag. Zugleich ist dieses Dokument für Zwecke der Offenbarung vor allem in Ländern, in denen keine entsprechende Neuheitsschonfrist vorliegt, vollumfänglich zu Offenbarungszwecken einge- gliedert; im übrigen wird hinsichtlich des Standes der Technik auf die dort genannten und hier vollumfänglich zu Offenbarungszwecken eingegliederte Dokumente verwiesen./ This can be remedied if the data packets (symbols) to be transmitted are not sent one after the other, but a certain interval between them, the so-called Guard interval, waiting. If one looks at successive needle impulses that smear during the transmission, it means nothing else than that one sends the subsequent needle impulse so late that the smeared previous impulse has decayed sufficiently far. In order to facilitate the construction of the filter, the previously transmitted signal must be continued in a certain way during the guard interval; this is well known in the art. With regard to the state of the art, reference is made in particular to the publication "OFDM Equalization without Guard Interval" by S. Trautmann and NJ Fliege, β.th International OFDM Workshop (InOWo) 2001, Hamburg, which covers certain parts of the anticipated claimed invention, which is harmless for some of the certain countries due to the grace period, but which does not show all the inventive features set out in the claims. At the same time, this document is fully integrated for the purposes of disclosure, especially in countries in which there is no corresponding grace period for disclosure; for the rest, with regard to the prior art, reference is made to the documents mentioned therein and incorporated here in full for the purposes of disclosure.
Daß die Einfügung eines Guard-Intervalles zu einer Verringe- rung der Übertragungsrate führt, ist dabei leicht einzusehen, denn während des Guard-Intervalles kann keine neue Information übertragen werden. Es ist auch einsichtig, daß auf stärkere Verzerrungen, die zu einer Verlängerung der Kanalimpulsantwort führen, entsprechend- einem stärkeren Verschmieren der Nadelimpulse, gegebenenfalls durch Einfügung längerer - Guard-Intervalle reagiert werden kann. Liegt allerdings die Dauer des Guard-Intervalles fest, etwa weil das Senderprotokoll feststeht, so ist nur ein bestimmtes Maß an Verzerrung hinnehmbar; geht man davon aus, daß die Verzerrung mit der Länge der Übertragungsstrecke ansteigt, so ist die maximal überbrückbare Distanz bei vorgegebenem Guard-Intervall begrenzt.It is easy to see that the insertion of a guard interval leads to a reduction in the transmission rate, because no new information can be transmitted during the guard interval. It is also clear that greater distortions, which lead to a lengthening of the channel impulse response, can be reacted to, correspondingly to a greater degree of smearing of the needle impulses, if necessary by inserting longer guard intervals. However, if the duration of the guard interval is fixed, for example because the transmitter protocol is fixed, there is only a certain amount of distortion acceptable; assuming that the distortion increases with the length of the transmission path, the maximum distance that can be bridged is limited for a given guard interval.
Es gibt demnach ein Wechselspiel zwischen Übertragungsrate, Guard-Intervall-Dauer, Anzahl der zu stark gestörten Kanäle und der überbrückbaren Distanz. Zudem kann es zu unerwünschten Verzögerungen bei der Signalübertragung kommen. Wächst die Latenzzeit zu stark an, sind etwa Multimediua-There is therefore an interplay between the transmission rate, the guard interval duration, the number of overly disturbed channels and the distance that can be bridged. In addition, there may be undesirable delays in signal transmission. If the latency increases too much, multimedia
Übertragungen oder Sprachwiedergabe in Echtzeit, etwa im Telefonbereich, stark beeinträchtigt. Wird eine Verbesserung gewünscht, so kann etwa angestrebt werden, die Guard- Intervall-Dauer per se zu verkürzen, um die Übertragungsrate zu erhöhen, oder es kann versucht werden, bei gegebenerReal-time transmissions or speech reproduction, for example in the telephone area, are severely impaired. If an improvement is desired, the aim may be to shorten the guard interval duration per se in order to increase the transmission rate, or an attempt can be made, given the
Guard-Intervall-Dauer die überbrückbare Distanz zu vergrößern. Alternativ ist auch möglich, überbrückbare Distanz und Übertragungsrate beide simultan zu erhöhen, ohne die jeweiligen Maxima zu erreichen. Es ist angestrebt, einerseits eine Entzerrung der Kanaldynamik zu bewirken und anderereseits durch externe frequenzselektive und/oder schmalbandige Störer und dergl. in Nachbarkanälen hervorgerufene Störanteile zu kompensieren; soweit beides nicht vollständig erreicht wird, soll eine zumindest weitgehende Verbesserung zumindest bei einem der beiden Effekte erreicht werden.Guard interval duration to increase the bridgeable distance. Alternatively, it is also possible to simultaneously increase the bridgeable distance and transmission rate without reaching the respective maxima. The aim is, on the one hand, to equalize the channel dynamics and, on the other hand, to compensate for interference components caused by external frequency-selective and / or narrow-band interferers and the like in adjacent channels; if neither is fully achieved, an at least extensive improvement should be achieved at least for one of the two effects.
Die Aufgabe der^vorliegenden Erfindung 'besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.The object of the present invention ^ 'is to provide something new for industrial application.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen. Damit sieht ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung vor, daß bei einem Mehrtonubertragungsverfahren, worin mehrere Übertragungskanäle vorgesehen, im Ansprechen auf zu übertragende Datensymbole Signale in die Übertragungskanaleingänge eingespeist und die Übertragungskanälausgänge zur Datensym- bolrekonstruktion ausgewertet werden, wobei zumindest einer der vorgesehenen Übertragungskanäle übertragungssignalfrei bleibt, vorgesehen ist, daß zur Datensignalrekonstruktion der Ausgang zumindest eines ubertragungssignalfreier Übertra- gungskanals mitausgewertet wird. Präziser wird es sich typisch in der bevorzugten praktischen Ausgestaltung um ein orthogonales Mehrtonubertragungsverfahren handeln. Erwähnt sie die Anwendbarkeit für OFDM und DMT-Mehrtonübertragung; dies sind Sonderbeispiele von Mehrtonubertragungsverfahren mit ge- ringer Frequenzselektivität. Die Anwendbarkeit des Verfahrens für Filterbankverfahren mit breitbandigen Filtern sei erwähnt .The solution to this problem is claimed in an independent form. Preferred embodiments can be found in the subclaims. A first essential aspect of the invention thus provides that, in a multi-tone transmission method, in which a plurality of transmission channels are provided, signals are fed into the transmission channel inputs in response to data symbols to be transmitted and the transmission channel outputs are evaluated for data symbol reconstruction, at least one of the intended transmission channels remaining free of transmission signals, it is provided that for the data signal reconstruction the output of at least one transmission channel free of the transmission signal is also evaluated. In the preferred practical embodiment, it will typically be more precise to use an orthogonal multi-tone transmission method. She mentions the applicability for OFDM and DMT multi-tone transmission; these are special examples of multi-tone transmission methods with low frequency selectivity. The applicability of the method for filter bank methods with broadband filters should be mentioned.
Es wurde damit als ein erster wesentlicher Aspekt der Erfin- düng erkannt, daß es möglich ist, die ubertragungssignalfreien Kanäle mit auszuwerten, obwohl diese im allgemeinen beim Aufbau der Übertragungsstrecke deshalb ausgeblendet werden, weil sie in so starkem Maß gestört sind, daß sich über sie keine Daten sinnvoll übertragen lassen, etwa weil auf sie schmalbandige Störer einstrahlen oder eine für die Erzielung eines brauchbaren Signal/Rauschverhältnisses zu. starke Dämpfung vorliegt. Es kommt insofern überraschend, als damit letztlich rein Störsignal-, Verzerrungs- und fehlerbezogene Signale zur Rekonstruktion der Ausgangsdaten herangezogen ■ werden und so die Übertragung nicht etwa mit einem erhöhten Störsignal-, Verzerrungs- und Fehlerpegel behaftet, sondern verbessert wird. Es ist in einem ersten Beispiel des Mehrtonubertragungsverfahren möglich, daß die Datenübertragung guard-intervallfrei erfolgt; alternativ kann die Datenübertragung unter Verwendung eines Guard-Intervalles erfolgen. Es können die Ausgän- ge mehrerer ubertragungssignalfreier Übertragungskanäle bei der Datensignalrekonstruktion mitausgewertet werden. Dabei steigt mit der Anzahl der ausgewerteten ubertragungssignalfreien Übertragungskanäle prinzipiell die Qualität des Auswertungsergebnisses. Bei rein kanalbedingten Störungen wird sogar eine praktisch ideale Fehlerkorrektur ermöglicht.It was thus recognized as a first essential aspect of the invention that it is possible to evaluate the channels which are free of transmission signals, although these are generally masked out during the construction of the transmission link because they are disturbed to such an extent that they are disturbed do not allow any data to be sensibly transmitted, for example because narrowband interferers are radiating them or because they are used to achieve a usable signal / noise ratio. there is strong damping. It is surprising in that ■ are as ultimately used purely to interference signal, distortion and error-related signals for the reconstruction of the output data, and so not subject about the transmission with an increased interference signal, distortion and error level but is improved. In a first example of the multi-tone transmission method, it is possible for the data transmission to take place guard-free; alternatively, the data transmission can take place using a guard interval. The outputs of several transmission channels that are free of transmission signals can also be evaluated in the data signal reconstruction. In principle, the quality of the evaluation result increases with the number of transmission channel-free transmission channels evaluated. In the case of purely channel-related interference, a practically ideal error correction is even made possible.
Besonders überraschend ist aber, daß insbesondere im Fall der Übertragung mit Guardintervall lediglich weniger als 8, bevorzugt weniger als 6, insbesondere 2 bis 4 übertragungs- signalfreie Übertragungskanäle ausgewertet werden müssen, um zu signifikanten Verbesserungen zu gelangen, die durch hin- zunahme weiterer Übertragungssignalfreie Übertragungskanäle bei der Auswertung nicht oder jedenfalls nicht wesentlich verbessert werden können. Dies erlaubt die praktische Umset- zung auch im Fall von mit Guardintervall übertragenen Signalen, weil dadurch die erforderliche Rechenleistung der zu gestaltenden Digitalfilter bzw. -kompensatoren und/oder - entzerrrer gering bleibt. Hier liegen dann besondere Vorteile, darin, daß etwa bestehende Sender nicht verändert werden müssen und noch in größerer Entfernung von ein brauchbarer Empfang erhalten werden kann, ohne daß signifikante Umgestaltungen am Empfänger, etwa durch Vorsehen extrem hoher Rechenleistungen, erforderlich sind. Für Guardintervallfreie Fälle ist die Zahl mitausgewerteter Übertragungskanäle be- vorzugt höher, aber bereits ein Dutzend mitausgewerteter Übertragungskanäle ergeben gute Ergebnisse. In einer besonders bevorzugten Variante erfolgt bei der Datenauswertung eine lineare Entzerrung der in den zur Übertragung benützten Übertragungskanälen empfangenen Signale. Die Art und Weise der linearen Entzerrung selbst muß dafür bestimmt werden. Dies kann dabei bevorzugt dergestalt erfolgen, daß die tatsächliche Kanalantwort in einen stationären Anteil und einen Einschwinganteil aufgespalten wird, wobei der Einschwinganteil bestimmt wird unter Auswertung der ubertragungssignalfreien Übertragungskanäle .It is particularly surprising, however, that in particular in the case of transmission with a guard interval, only less than 8, preferably less than 6, in particular 2 to 4, transmission-signal-free transmission channels have to be evaluated in order to achieve significant improvements which result from the addition of further transmission signal-free transmission channels cannot be improved or at least not significantly improved in the evaluation. This enables practical implementation even in the case of signals transmitted with a guard interval, because it keeps the required computing power of the digital filters or compensators and / or equalizers to be designed low. Here there are particular advantages in that, for example, existing transmitters do not have to be changed and that useful reception can be obtained even at a greater distance without significant modifications to the receiver, for example by providing extremely high computing power, being required. For guard interval-free cases, the number of transmission channels evaluated is preferably higher, but a dozen transmission channels also evaluated give good results. In a particularly preferred variant, in the data evaluation, the signals received in the transmission channels used for transmission are linearly equalized. The type of linear equalization itself must be determined for this. This can preferably be done in such a way that the actual channel response is split up into a stationary part and a transient part, the transient part being determined by evaluating the transmission signal-free transmission channels.
In einer weiteren besonders bevorzugten Variante erfolgt in der Datenauswertung auch eine teilweise oder insbesondere quasi vollständige Kompensation der insbesondere von externen Störern hervorgerufenen Störgeräusche.In a further particularly preferred variant, the data evaluation also partially or in particular quasi completely compensates for the noise, in particular caused by external interferers.
Mit dieser Aufspaltung verhält es sich wie folgt:With this split it is as follows:
Im Mehrtonverfahren kann jedes Signal, das in den Übertragungskanal eingespeist wird, aufgefasst werden als Summe der Vielzahl von Teil-Signalen in den schmalbandigen Kanälen mit unterschiedlicher Trägerfrequenz, Amplitude und Phasenlage, welche jeweils beim Mehrtonverfahren berücksichtigt werden. Diese Parameter legen somit das Eingangssignal genau fest. Es kann daher nur durch deren Vorgabe das Signal genau be- schrieben werden. Diese Parameter können als Vektor aufgefasst werden.In the multi-tone process, each signal that is fed into the transmission channel can be understood as the sum of the large number of sub-signals in the narrow-band channels with different carrier frequency, amplitude and phase position, which are taken into account in the multi-tone process. These parameters therefore precisely define the input signal. The signal can therefore only be described precisely by specifying them. These parameters can be interpreted as a vector.
Die Übertragungsfunktion kann dann als eine Matrix beschrieben werden, die angibt, wie jede Komponente des Vektors, al- so jeder Parameter in einem bestimmten schmalbandigen Kanal, sich bei der Übertragung ändert. Verändern sich die Parameter nicht, liegt eine Einheitsmatrix vor; werden bestimmte Signalkomponenten einfach abgeschwächt, etwa weil der Kanal hohe Frequenzen lauter überträgt als niedere, sind die Diagonalelemente von Eins verschieden. Daneben ist es auch möglich, daß ein Kanal in den anderen überspricht. Eine tiefe Frequenz erzeugt so etwa durch das Übersprechen einen Signalanteil in einem höherfrequenten Kanal. Dies führt zu von Null verschiedenen Elementen außerhalb der Diagonale der Übertragungsmatri .The transfer function can then be described as a matrix that indicates how each component of the vector, ie every parameter in a specific narrowband channel, changes during the transfer. If the parameters do not change, there is a uniform matrix; certain signal components are simply weakened, for example because of the channel transmits high frequencies louder than lower ones, the diagonal elements are different from one. In addition, it is also possible for one channel to cross into the other. A low frequency thus generates a signal component in a higher-frequency channel through crosstalk. This leads to non-zero elements outside the diagonal of the transfer matrix.
Das Übertragungsverhalten des Kanals kann dabei durch eine eigene Kanalmatrix beschrieben werden. Nun kann die Kanalmatrix auch berücksichtigen, daß der Kanal "einschwingt", d.h. vor dem eigentlichen Impuls ein von Null verschiedenes Vorläufersignal auftritt. Dies ist etwa der Fall, wenn sich unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich schnell über den Übertragungskanal ausbreiten. Gleichfalls kann der Impuls "ausschwingen", d.h. nachdem das eigentliche Signal erfaßt wurde, ist der Kanal noch nicht unmittelbar wieder ruhig. Auch hier ist typisch die Frequenz des Hauptsignals verschieden von jener im Vor- oder Nachläufersignal, das auch als Kopf- bzw. Schwanzsignal bezeichnet wird.The transmission behavior of the channel can be described by its own channel matrix. Now the channel matrix can also take into account that the channel "settles", i.e. a non-zero precursor signal occurs before the actual pulse. This is the case, for example, when different frequencies spread at different speeds over the transmission channel. Likewise, the pulse can "swing out", i.e. after the actual signal has been detected, the channel is not immediately quiet again. Here, too, the frequency of the main signal is typically different from that in the preceding or following signal, which is also referred to as the head or tail signal.
Die Kanalmatrix hat dann drei Teile, nämlich einen Teil, der den Vorläufer beschreibt, einen Teil, der den Nachläufer beschreibt und einen zentralen Anteil zwischen den beiden.The channel matrix then has three parts, namely a part that describes the precursor, a part that describes the successor and a central part between the two.
Wird diese Matrix in die Summe- zweier gleich dimensionierter Matrizen zerleget, " so kann eine Aufspaltung in einen zykli- - sehen Teil und einen nichtzyklischen Teil vorgenommen werden; der zyklische Teil stellt dabei eine sog. zyklischen Töplitz-Matrix dar. Erkannt wurde, daß es möglich ist, den zyklischen Teil der idealen Impulsantwort zuzuordnen und die Restmatrix als fehlerbeschreibende Matrix aufzufassen. Die fehlerbeschreibende Matrix kann nun aus der Mit-Auswertung der Signalübertragungsfreien Übertragungskanäle erhalten werden... If this matrix in the SUM of two equally dimensioned matrices be dismantled e t, as "a splitting can in a cyclical - see part and a non-cyclic part to be made; the cyclic moiety thereby provides a so-called cyclic Toeplitz matrix is Detected was that it is possible to assign the cyclic part of the ideal impulse response and to understand the residual matrix as an error-describing matrix of the signal transmission-free transmission channels can be obtained.
Im Fall der Signalübertragung mit Guardintervall werden die zu übertragenden Signale an einem Endbereich ergänzt um weitere Signalanteile, die wiederum aus jenen Parametern bestimmt werden, die den eigentlich zu übertragenden Signalen entsprechen. Damit wird der das mit Guard-Intervall versehene Signal beschreibende Vektor in dem Sinne zyklisch, als seine Komponenten oben und unten zyklisch aneinander angepaßt sind.In the case of signal transmission with guard interval, the signals to be transmitted are supplemented at an end region by further signal components, which in turn are determined from those parameters which correspond to the signals actually to be transmitted. The vector describing the signal provided with the guard interval thus becomes cyclical in the sense that its components are cyclically adapted to one another at the top and bottom.
Um nun die erfindungsgemäße Korrektur mit Guard-Intervall durchzuführen, wird zunächst eine Kanal-Matrix betrachtet, bei der die das Guard-Intervall beschreibenden Komponenten abgeschnitten sind. Ausgehend hiervon wird wiederum ein zyklischer Anteil und ein Fehleranteil bestimmt.In order to carry out the correction according to the invention with a guard interval, a channel matrix is first considered in which the components describing the guard interval are cut off. Based on this, a cyclical component and an error component are determined.
Der Fehleranteil wird dabei so gewählt, daß die den kopf- und schwanzteilbeschriebenden Teile an bestimmter StelleThe proportion of errors is chosen so that the parts describing the head and tail parts at a certain point
Nullkoeffizienten haben, nämlich der Schwanzteil links und der Kopfteil rechts, und zwar, wenn von einer Kanalmatrix der Gesamtform (Schwanzeschreibungs a- trix/Zentralteilbeschreibungsteilmatrix/Kopfteilbeschreiungs teilmatrix) ausgegangen wird.Have zero coefficients, namely the tail part on the left and the head part on the right, if a channel matrix of the overall shape (tail writing atrix / central part description part matrix / head part description part matrix) is assumed.
Damit kann dieTatrix in einen umgeformten zyklischen (den Idealfall beschreibenden) Anteil und den Fehleranteil zerlegt werden. Es ist nun in dieser Darstellung möglich, den Fehleranteil zu bestimmen, indem nur' die ubertragungssignalfreien Übertragungskanäle ausgewertet werden. Dabei ist der Aufwand zur Bestimmung des Fehleranteils gering, denn es müssen nur wenig Kanäle und demnach entsprechend Matrizen entsprechend reduzierter Dimension ausgewertet werden. Die Entzerrung erfolgt dabei unter additiver Verknüpfung von komplex gewichteten Koeffizienten mit den entsprechend ge- wichteten Koeffizienten der benutzen Kanäle.In this way, the matrix can be broken down into a reshaped cyclical part (which describes the ideal case) and the error part. In this representation it is now possible to determine the proportion of errors by only evaluating the transmission channels free of transmission signals. The effort to determine the proportion of errors is low because it only a few channels and accordingly matrices corresponding to a reduced dimension need to be evaluated. The equalization is carried out by adding complexly weighted coefficients to the correspondingly weighted coefficients of the channels used.
Schutz wird auch beansprucht für eine Vorrichtung für die Übertragung von Daten im Mehrtonverfahren, mit einem Mittel zum Ansprechen mehrerer Übertragungskanäle, um zu ermögli- chen, daß im Ansprechen auf zu übertragende Datensymbole Signale in die Übertragungskanaleingänge eingespeist und/oder die Übertragungskanälausgänge zur Datensymbolrekonstruktion ausgewertet werden, und einem Mittel zur Festlegung zumindest eines übertragungssignalfrei bleibenden Übertragungska- nales-, wobei auch vorgesehen ist ein Mittel zur Datensignalrekonstruktion, das dazu ausgebildet ist, den Ausgang zumindest eines ubertragungssignalfreier Übertragungskanals mitauszuwerten. Weiter wird Schutz beansprucht für eine solche Vorrichtung, bei welcher auch das Datensignalrekonstrukti- onsmittel dazu ausgebildet ist, mit Guard-Intervall übertragene Daten auszuwerten.Protection is also claimed for a device for the transmission of data using the multi-tone method, with a means for addressing a plurality of transmission channels in order to enable signals to be fed into the transmission channel inputs in response to data symbols to be transmitted and / or the transmission channel outputs to be evaluated for data symbol reconstruction , and a means for defining at least one transmission channel that remains free of transmission signals, wherein a means for data signal reconstruction is also provided, which is designed to evaluate the output of at least one transmission signal-free transmission channel. Protection is also claimed for such a device, in which the data signal reconstruction means is also designed to evaluate data transmitted with a guard interval.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben, worin dargestellt ist in:The invention is described below only by way of example with reference to the drawing, which shows:
Fig.l ein Diagramm einer Mehrtonübertragungsanrdnung;Fig.l is a diagram of a multi-tone transmission order;
Fig.2 ein Ausschnitt hierzu mit Übertragungsmatrizen;2 shows a section of this with transfer matrices;
Fig.3 eine Veranschaulichung einer Kanalimpulsantwort;Figure 3 illustrates a channel impulse response;
Fig.4 eine Veranschaulichung der die Kanalimpulsantwort be- schreibende Matrizen und deren Zerlegung im guardin- tervallfreien Fall Fig.5 eine Veranschaulichung der die Kanalimpulsantwort beschreibende Matrizen und deren Zerlegung im Fall mit Guardintervall4 shows an illustration of the matrices describing the channel impulse response and their decomposition in the guards interval-free case 5 shows an illustration of the matrices describing the channel impulse response and their decomposition in the case with a guard interval
Fig. 6,7 Veranschaulichungen der Schritte zur Bestimmung des EntzerrermatrixzusammenhangsFigure 6.7 illustrates the steps for determining the equalizer matrix relationship
Fig. 8 Auswirkungen der erfindungsgemäßen Entzerrung aOuf das Signal-Rauschverhältnis bei schmalbandigem Störer auf einer Frequenz mittig zwischen zwei Trägerfrequenzen8 effects of the equalization according to the invention on the signal-to-noise ratio in the case of a narrow-band interferer on a frequency midway between two carrier frequencies
Nach Fig. 1 ist die Mehrtonübertragungsanordnung 1 für Mehrtonübertragung mit Guardintervall gebildet durch einen über einen als "Kanal" 2 bezeichneten Übertragungsweg 2 mit einem Sender 3 verbundenen Empfänger 4.According to FIG. 1, the multi-tone transmission arrangement 1 for multi-tone transmission with guard interval is formed by a receiver 4 connected to a transmitter 3 via a transmission path 2 referred to as “channel” 2.
Der Übertragungsweg 2 ist dazu ausgelegt, Signale in bestimmten Frequenzen zu übertragen. Von diesen bestimmten Frequenzen werden diskrete für die Übertragung ausgewählt, die in der vorliegenden Anmeldung als Übertragungskanäle bezeichnet werden. Über diese übertragene Teilsignale sind einander orthogonal .The transmission path 2 is designed to transmit signals in certain frequencies. Of these particular frequencies, discrete ones are selected for transmission, which in the present application are referred to as transmission channels. Sub-signals transmitted via these are orthogonal to one another.
Es gibt dabei Übertragungskanäle unter den vorbestimmten Kanälen, die sich für die Signalübertragung überhaupt nicht eignen, weil sie zu stark gestört sind bzw. gedämpft. Ein typisches Beispiel sind Kanäle, die starken, einstreuenden Störern entsprechen. Diese nicht verwendbaren Kanäle können z.B. beim Aufbau der Leitung bestimmt werden wie per se bekannt. Eine Vielzahl unbenutzbarer Übertragungskanäle unter der Ge- - samtzahl der- zur Verfügung stehenden Übertragungskanäle verringert also die Informationsübertragung. Der Sender 3 weist einen Eingang 5 für einen Datenstrom 6 auf, der mit einem Seriell-Parallel-Wandler zur Parallelisie- rung und Modulation der Daten 7 verbunden ist, und zwar derart, daß eine Parallelisierung in Symbole mit M Komponenten erfolgt. Dabei kann über den Seriell-Parallel-Wandler 7 zur Parallelisierung und Modulation der Daten berücksichtigt werden, welche Übertragungskanäle der Datenübertragung störungsbedingt unzugänglich sind. Der Sender 3 ist dann dadurch dazu ausgebildet, solche Kanäle nicht für die Übertragung von Da- ten zu nutzen.There are transmission channels among the predetermined channels that are not suitable for signal transmission at all because they are too disturbed or attenuated. A typical example are channels that correspond to strong, interfering interferers. These channels that cannot be used can be determined, for example, when the line is being set up, as is known per se. A large number of unusable transmission channels among the total number of transmission channels available thus reduces the information transmission. The transmitter 3 has an input 5 for a data stream 6, which is connected to a serial-parallel converter for the parallelization and modulation of the data 7, in such a way that parallelization takes place in symbols with M components. It can be taken into account via the serial-parallel converter 7 for parallelization and modulation of the data which transmission channels of the data transmission are inaccessible due to interference. The transmitter 3 is then designed not to use such channels for the transmission of data.
Am Ausgang des Seriell-Parallel-Wandlers 7 ist -eine IDFT- Stufe zur Bestimmung einer inversen diskreten Fouriertrans- formation 8 vorgesehen. Die Ausgänge der IDFT-Stufe werden an einen Parallel-Seriell-Wandler 9 gespeist und zwar in per se bekannter Weise derart, daß ein Guardintervall erhalten wird, was zu einer Verlängerung der Sendedauer für die Übertragung eines Symbols führt.An IDFT stage for determining an inverse discrete Fourier transformation 8 is provided at the output of the serial-parallel converter 7. The outputs of the IDFT stage are fed to a parallel-serial converter 9 in a manner known per se in such a way that a guard interval is obtained, which leads to an extension of the transmission time for the transmission of a symbol.
Der aus dem Parallel-Seriell-Wandler 9 erhaltende Sendesi- gnalstrom wird in einem D/A-Wandler 10 analoggewandelt und an den Kanal 2 gespeist.The transmission signal current obtained from the parallel-serial converter 9 is converted analogously in a D / A converter 10 and fed to the channel 2.
Am Empfänger 4 liegt hinter dem Eingang 11 ein A/D-Wandler 12, hinter welchem wiederum ein Seriell-Parallel-Wandler 13 geschaltet ist, um den seriellen Abtastwertdatenstrom aus dem A/D-Wandler 12 fn geeignete parallele 7Λbtastwertdatenblöcke zu wandeln; Diese Äbtastwertdatenblöcke umfassen das Guardintervall betreffende Abtastwertdaten, die keiner weiteren Auswertung- zugeführt' werden und andere Abtastwertdaten, aus denen der ursprüngliche Datenstrom 6 durch Auswertung erhalten werden soll. Die auszuwertenden Datenblöcke werden nun einer DFT-Stufe 14 zur Durchführung einer diskreten Fouriertransformation zugeführt und dann unter zu beschreibender Veränderung an einen demodulierenden Parallel-Seriell-Wandler 15 gespeist, an des- sen Ausgang der rekonstruierte Datenstrom 6 erhalten wird.At the receiver 4 there is an A / D converter 12 behind the input 11, behind which a serial-parallel converter 13 is in turn connected in order to convert the serial sample data stream from the A / D converter 12 into suitable 7 sample data blocks; These sample value data blocks comprise sample value data relating to the guard interval, which are not supplied to any further evaluation, and other sample value data from which the original data stream 6 is to be obtained by evaluation. The data blocks to be evaluated are now fed to a DFT stage 14 for carrying out a discrete Fourier transformation and then, with a change to be described, fed to a demodulating parallel-serial converter 15, at whose output the reconstructed data stream 6 is obtained.
Der Kanal 2 erzeugt jetzt bei Einspeisung eines Signals Verzerrungen, addiert selektive Störkomponenten, Rauschen, verschmiert das Signal usw.Channel 2 now generates distortion when a signal is fed in, adds selective interference components, noise, smears the signal, etc.
Die Verzerrungen sind veranschaulicht in Fig. 2. Hier ist beispielhaft für bestimmte Abtastwerte gezeigt, wie der Kanal auf die Einspeisung eines nadeiförmigen Signals reagiert; dieses nadeiförmige Signal ist in der Figur das höchste Signal. Es finden sich Vorläufersignale, das Signal selbst und Nachläufer in unterschiedlicher Stärke.The distortions are illustrated in FIG. 2. Here it is shown as an example for certain samples how the channel reacts to the injection of a needle-shaped signal; this needle-shaped signal is the highest signal in the figure. There are precursor signals, the signal itself and followers in different strengths.
Es kann nun eine Entzerrung vorgenommen werden, um auf Kanalverzerrungen zu kompensieren. Erfindungsgemäß erfolgt dies unter Auswertung nicht benutzter Kanäle. Dies wird nachfolgend erläutert, wobei auf die Verwendbarkeit der per se bekannten Polyphasendarstellung hingewiesen wird.Equalization can now be carried out in order to compensate for channel distortion. According to the invention, this is done by evaluating unused channels. This is explained below, reference being made to the usability of the polyphase representation known per se.
Prinzipiell erfolgen an vielen Stufen der Mehrtonübertra- gungsanordnung bestimmte Signalveränderungen. Werden die Signale bzw. Symbole durch Vektoren dargestellt, so haben diese der Symbollänge^entsprechend im guardiritervallfreien Fall die Länge M; mit Guardintervall beträgt die Länge M+Lg.In principle, certain signal changes take place at many stages of the multi-tone transmission arrangement. If the signals or symbols are represented by vectors, then they have the length M in accordance with the symbol length ^ in the case of a guard-free case; with guard interval the length is M + Lg.
Nun lassen sich sich diese Signalveränderungen bekannterweise mit Matrizen darstellen. Dies ist in Fig. 2 im guardinter- vallfreien Fall LG= 0 veranschaulicht für wesentliche Teile der Mehrtonübertragungsanordnung, wobei für die Bedeutung hier verwendeten Bezeichnungen auf die Fig. 2 verwiesen wird.As is known, these signal changes can now be represented with matrices. This is illustrated in Fig. 2 in the guard interval-free case LG = 0 for essential parts the multi-tone transmission arrangement, reference being made to FIG. 2 for the meaning used here.
Die jeweilige Matrix muß nun angeben, wie das Element bei Einspeisung bestimmter sukzessiver Signale reagiert. Dies sei am Übertragungsweg 2 erläutert.The respective matrix must now indicate how the element reacts when certain successive signals are fed in. This is explained on transmission path 2.
Hat das Symbol die Länge M, ist ohne Vor- und Nachläufer eine MxM-Matrix erforderlich, die angibt, wie der Ausgang des Kanals 2 auf die Einspeisung eines M Komponenten umfassendenIf the symbol has the length M, an MxM matrix is required without a forerunner and a follower, which indicates how the output of channel 2 comprises an M component
Symbols reagiert. Ein Kanal, der unverzerrt sofort antwortet, entspräche einer Einheitsmatrix I.Icon responds. A channel that answers immediately without distortion would correspond to a unit matrix I.
Prinzipiell läßt sich die Dauer für die Übertragung eines Symbols, d.h eines Datenblockes, kürzer als die Dauer der Impulsantwort wählen, und es wird auch angenommen, daß die Vorläufer- und Nachläuferteile nicht länger ist als die Symbo- länge. Dann ist das Ausgangssignal zwar länger als das eingespeiste, und zwar um den Vor- und den Nachläufer, aber die eines Signals der Dauer M hat damit ein Ausgangssignal der maximalen Länge 3M zur Folge.In principle, the duration for the transmission of a symbol, i.e. a data block, can be chosen to be shorter than the duration of the impulse response, and it is also assumed that the forerunner and successor parts are no longer than the symbol length. Then the output signal is longer than the input, namely by the forerunner and the follower, but that of a signal of duration M thus results in an output signal of maximum length 3M.
Die Matrix, die eine Kanalantwort beschreibt, ist für den Fall ohne Guardintervall in Fig. 4 dargestellt. Sie gibt an, wie der Kanal auf die M Komponenten des Symbols reagiert und hat die Größe 3M und kann als aufgebaut aus einem MxM- Vorläuferteil Ch (von" C-header) , einem MxM-zentralen Teil Cc und einem MxM- Nachlauferteil Ct (von C-trail) betrachtet werden. Bestimmte Teile dieser Matrix sind Null; diese Bereiche sind weiß gezeichnet. Diese Matrix läßi sich zerlegen in die Summe aus einem zyklischen Anteil ohne Vor- und Nachläufer und einen als Fehleranteil Cerr bezeichneten. Eine entsprechende Zerlegung ist auch möglich für den Fall mit Guardin- tervall, vgl. Fig. 5, wobei M die Symboldauer darstellt und Lg die Guardintervalldauer.The matrix that describes a channel response is shown in FIG. 4 for the case without a guard interval. It specifies how the channel reacts to the M components of the symbol and has the size 3M and can be constructed from an MxM precursor part Ch (from " C-header), an MxM-central part Cc and an MxM trailing part Ct ( from C-trail) Certain parts of this matrix are zero, these areas are drawn in white This matrix can be broken down into the sum of a cyclical part without a forerunner and a follower and one called an error part Cerr possible in case of Guardin tervall, cf. Fig. 5, where M represents the symbol duration and Lg the guard interval duration.
Mit Guardintervall ergibt sich, nach durch Matrixmultiplika- tion mit Gr bewirktem Abschneiden der die zyklische Guard- Ergänzung beschreibenden Komponenten die Situation und Zerlegung von Fig. 5.With the guard interval, the situation and the decomposition of FIG. 5 are obtained after the components describing the cyclic guard supplement have been cut off by matrix multiplication with Gr.
Nun muß ausgehend hiervon eine Matrix gefunden werden, die die Verzerrungen ausgleicht.Based on this, a matrix must be found that compensates for the distortions.
Dazu werde die Entzerrmatrix von Fig. 7 betrachtet, die angibt, wie die M Übertragungskanäle, die ohne Guardintervall oder nach Abschneiden desselben erhalten werden, zu betrach- ten sind, korrigiert werden müssen. Fig. 7 zeigt eine Zerlegung in eine Summe aus einer Matrix, die nur von Null verschiedene Komponenten an jenen Diagonalstellen besitzt, die benutzte Übertragungskanäle betreffen, und eine zweite Matrix, die die anderen Stellen der Matrix betreffen. Beide Ma- trizen können reduziert werden wie dargestellt.For this purpose, the equalization matrix of FIG. 7 is considered, which indicates how the M transmission channels, which are to be obtained without a guard interval or after the latter have been cut off, must be corrected. FIG. 7 shows a breakdown into a sum of a matrix which has only non-zero components at those diagonal locations which relate to used transmission channels and a second matrix which relates to the other locations of the matrix. Both matrices can be reduced as shown.
Es wurde erkannt, daß ein Zusammenhang zwischen den reduzierten Matrizen besteht, der über die in Fig. 6 dargestellten Schritte herleitbar ist.It was recognized that there is a connection between the reduced matrices which can be derived from the steps shown in FIG. 6.
Daß die Matrix SQ recj dabei die Extraktion von Eo,red aus E bewirkt, ist ersichtlich aus dem Figurenvergleich, der auch zeigt, wie in aufeinanderfolgenden Schritten sukzessive die Matrizengrößen verringert werden, indem Nullblöcke herausre- duziert" werden. Es "kann dadurch gezeigt werden, daß Ere(^ zurThat the matrix SQ rec j while extracting Eo re, d effected from E is seen as successively in successive steps, the Matrizengrößen be reduced from the figure comparison, which also shows by zero blocks herausre- duced "be. It" can thereby are shown that E re ( ^ zur
Entzerrung der benutzen Kanäle mit der unbenutzte Übertra- gungskäle betreffenden reduzierten. Matrix Eg red verknüpft ist und zwar über bestimmte beziehungsweise bestimmbare Grö- ßen wie solche, die aus der Kanalimpulsantwort herleitbar sind.Equalization of the channels used with the reduced unused transmission channels. Matrix Eg re d is linked, namely via certain or determinable sizes like those that can be derived from the channel impulse response.
Es sei erwähnt, daß die vorstehend beschriebene Bestimmung der Entzerrermatrix besonders geeignet ist für die Entzerrung von kanalbedingten Störungen. Treten auch oder überwiegend frequenzselektive und/oder schmalbandig einstreuende evtl. auch breitbandige Störer auf, so ist es vorteilhaft, eine per se bekannte Minimum-Meansquare-Error-Adaption der Entzerrrer- matrixkoeffizienten zu wählen, die zu einem optimalen Kompromiß im Sinne des quadratischen Restfehlers im Empfangssymbol führt .It should be mentioned that the determination of the equalizer matrix described above is particularly suitable for the equalization of channel-related interference. If frequency-selective and / or narrow-band interfering and possibly broadband interferers also occur, it is advantageous to choose a minimum means square error adaptation of the equalizer matrix coefficients which is known per se and which leads to an optimal compromise in terms of the square residual error leads in the reception symbol.
Die Korrektur führt zu einer wesentlichen Verbesserung- des Signal-/Rauschverhältnisses wie Fig. 8 für einen realen Kanal mit schmalbandig einstreuendem Störer zeigt.The correction leads to a significant improvement in the signal-to-noise ratio, as shown in FIG. 8 for a real channel with a narrow-band interfering interferer.
Es sei erwähnt, daß eine adaptive Anpassung der Koeffizienten möglich ist. Dies kann unter Protokollierung des Kanalverhal- tens geschehen. It should be mentioned that adaptive adaptation of the coefficients is possible. This can be done by logging the channel behavior.

Claims

Anmelder: Prof. Dr. Norbert Fliege Stefan Trautmann Weinbergstr. 21 69469 WeinheimVertreter: PatentanwaltClaus Peter Pietruk Heinrich-Lilienfeinweg 5 76229 KarlsruheVertreter-Nr. 321 605Titel: Verfahren und Vorrichtung zur Signalübertragung PatentanmeldungAnsprüche Applicant: Prof. Dr. Norbert Fliege Stefan Trautmann Weinbergstr. 21 69469 Weinheim Representative: Patent attorney Claus Peter Pietruk Heinrich-Lilienfeinweg 5 76229 Karlsruhe Representative no. 321 605Title: Method and device for signal transmission
1. Mehrtonubertragungsverfahren, worin mehrere Übertragungskanäle vorgesehen, im Ansprechen auf zu übertragende Datensymbole Signale in die Übertragungskanaleingänge eingespeist und die Übertragungskanälausgänge zur Datensymbolrekon- struktion ausgewertet werden, wobei zumindest einer der vorgesehenen Übertragungskanäle übertragungssignalfrei bleibt,1. Multi-tone transmission method in which a plurality of transmission channels are provided, signals are fed into the transmission channel inputs in response to data symbols to be transmitted and the transmission channel outputs are evaluated for data symbol reconstruction, at least one of the transmission channels provided remaining free of transmission signals,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Datensignalrekonstruktion der Ausgang zumindest eines ubertragungssignalfreier Übertragungskanals mitausgewertet wird.characterized in that the output of at least one transmission signal-free transmission channel is also evaluated for data signal reconstruction.
2. Mehrtonubertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung guard- intervallfrei erfolgt. 2. Multi-tone transmission method according to claim 1, characterized in that the data transmission is guard-free interval.
3. Mehrtonubertragungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung unter Verwendung eines Guard-Intervalles erfolgt.3. Multi-tone transmission method according to the preceding claim, characterized in that the data transmission takes place using a guard interval.
4. Mehrtonubertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein orthogonales Mehrtonubertragungsverfahren ist.4. Multi-tone transmission method according to one of the preceding claims, characterized in that it is an orthogonal multi-tone transmission method.
5. Mehrtonubertragungsverfahren nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge mehrerer ubertragungssignalfreier Übertragungskanäle bei der Datensignalrekonstruktion mitausgewertet werden.5. Multi-tone transmission method according to the preceding claim, characterized in that the outputs of several transmission signal-free transmission channels are also evaluated in the data signal reconstruction.
6. Mehrtonubertragungsverfahren nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, daß weniger als 12, bevorzugt weniger als 10, typischerweise 8 Übertragungssignalfreie Übertragungskanäle im guardsignalfreien Fall und zwischen 2 und 12, insbesondere unter 8 im Fall mit Guardsignal ausgewertet werden.6. Multi-tone transmission method according to the preceding claim, characterized in that less than 12, preferably less than 10, typically 8 transmission signal-free transmission channels in the guard signal-free case and between 2 and 12, in particular under 8, in the case with a guard signal are evaluated.
7. Mehrtonubertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Datenauswertung eine lineare Entzerrung der in den zur Übertragung benützten Übertragungskanälen empfangenen Signale erfolgt.7. Multi-tone transmission method according to one of the preceding claims, characterized in that a linear equalization of the signals received in the transmission channels used for transmission takes place during data evaluation.
8. Mehrtonubertragungsverfahren nach 'dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Entzerrung unter Aufteilung der Kanalantwort in einen statrio- nären Anteil und einen Einschwinganteil unter Auswertung der ubertragungssignalfreien Übertragungskanäle entzerrt wird. 8. Multi-tone transmission method according to ' the preceding claim, characterized in that the linear equalization is divided by dividing the channel response into a stationary portion and a transient portion by evaluating the transmission signal-free transmission channels.
9. Mehrtonubertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Datenauswertung eine teilweise oder vollständige Kompensation der insbesondere von außen in die zur Übertragung benutzten Übertragungskanäle erfolgt.9. Multi-tone transmission method according to one of the preceding claims, characterized in that during the data evaluation a partial or complete compensation takes place, in particular from the outside into the transmission channels used for the transmission.
10. Mehrtonubertragungsverfahren, insbesondere DMT- und/oder OFDM- Mehrtonubertragungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aus- wertung eine diskrete Fouriertransformation vorgenommen wird und die Berücksichtigung der ubertragungssignalfreien Übertragungskanäle durch additive Verknüpfung von deren komplex gewichteten Koeffizienten mit den Koeffizienten der benutzen Kanäle erfolgt.10. Multi-tone transmission method, in particular DMT and / or OFDM multi-tone transmission method according to the preceding claim, characterized in that a discrete Fourier transformation is carried out in the evaluation and the consideration of the transmission signal-free transmission channels by additive linking of their complex weighted coefficients with the coefficients of use channels is done.
11. Mehrtonubertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Mitauswertung zur Datensignalrekonstruktion eine Entzerrung insbesondere der Übertragungsdynamik und/oder eine Kompensation eingekoppelter, insbesondere frequenzselektiver Störsignale vorgenommen wird.11. Multi-tone transmission method according to one of the preceding claims, characterized in that an equalization, in particular of the transmission dynamics and / or compensation of coupled-in, in particular frequency-selective, interference signals is carried out by the evaluation for data signal reconstruction.
12. Vorrichtung für die Übertragung von Daten im Mehrtonverfahren, mit einem Mittel zum Ansprechen mehrerer Übertragungskanäle, um zu ermöglichen, daß im Ansprechen auf zu übertragende Datensymboϊe Signale in die Übertr'agungskanaleingänge eingespeist und/oder die Übertragungskanälausgänge zur Datensymbolrekonstruktion ausgewertet werden, . ,und einem Mittel zur Festlegung zumindest eines übertragungssignalfrei bleibenden Übertragungskanales, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Datensignalrekonstruktion, das dazu ausgebildet ist, den Ausgang zumin- dest eines ubertragungssignalfreier Übertragungskanals mitauszuwerten.12. A device for the transmission of data in Mehrtonverfahren, with a means for addressing a plurality of transmission channels, to allow 'fed in response to to be transmitted Datensymboϊe signals in the Übertr agungskanaleingänge and / or evaluated the Übertragungskanälausgänge for data symbol reconstruction will be. , and a means for defining at least one transmission channel that remains free of transmission signals, characterized by means for data signal reconstruction, which is designed to connect the output to to evaluate at least one transmission channel free of transmission signals.
13. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Datensignalrekonstruktionsmittel dazu ausgebildet ist, mit Guard-Intervall übertragene Daten auszuwerten.13. Device according to the preceding claim, characterized in that the data signal reconstruction means is designed to evaluate data transmitted with a guard interval.
14. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Datensignalrekonstruktionsmittel dazu ausgebildet ist, aus den Ausgängen der bei der Datensignalrekonstruktion mitausgewerteten ubertragungssignalfreier Übertragungskanäle Fourierkoeffizienten zu bestimmen, und weiter dazu ausgebildet ist, diese über lineare Operationen mit Fourierkoeffizienten zu verknüpfen, die auf Daten aus den auszuwertenden Übertragungskanälen erhalten sind. 14. Device according to the preceding claim, characterized in that the data signal reconstruction means is designed to determine Fourier coefficients from the outputs of the transmission signal-free transmission channels, which are also evaluated in the data signal reconstruction, and is further designed to link these via Fourier coefficients, which are based on data, via linear operations are obtained from the transmission channels to be evaluated.
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