WO2003039088A1

WO2003039088A1 - Frequenzentzerrung für mehrtonübertragungssystem

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Publication number: WO2003039088A1
Application number: PCT/EP2001/014724
Authority: WO
Inventors: J. Norbert Fliege; Steffen Trautmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2004-04-30

Abstract

Mehrtonübertragungsverfahren und Vorrichtung, worin mehrere Übertragungskanäle vorgesehen, im Ansprechen auf zu übertragende Datensymbole Signale in die Übertragungskanaleingänge eingespeist und die Übertragungskanalausgänge zur Datensymbolrekonstruktion ausgewertet werden, wobei zumindest einer der vorgesehenen Übertragungskänale übertragungssingnalfrei bleibt und zur Datensignalrekonstruktion der Ausgang zumindest eines übertragungssignalfreier Übertragungskanals mitausgewertet wird. Es ist in einem ersten Beispiel des Mehrtonübertragungsverfahren möglich, dass die Datenübertragung Guard- Intervallfrei erfolgt; alternativ kann die Datenübertragung unter Verwendung eines Guard-Intervalles erfolgen. Es können die Ausgänge mehrerer übertragungssignalfreier Übertragungskanäle bei der Datensignalrekonstruktion mitausgewertet werden. Dabei steigt mit der anzahl der ausgewerteten übertragungssignalfreien Übertragungskanäle prinzipiell die Qualität des Auswertungsergebnisses.

Description

Anmelder : Prof . Dr . Norbert Fliege Weinbergstr . 21 69459 Weinheim Steffen Trautmann

Vertreter : Patentanwalt

Claus Peter Pietruk Heinrich-Lilienfeinweg 5

76229 Karlsruhe Vertreter-Nr . 321 605

Titel : FREQUENZENTZERRUNG FÜR MEHRTONÜBERTRAGUNGS SYSTEM

Patentanmeldung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche. Damit befaßt sich die vorliegende Erfindung allgemein mit der Signalübertragung.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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.

/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.

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.

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-

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 gegebener

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.

Die Aufgabe der^{^}vorliegenden Erfindung ^'besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.

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 .

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.

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 .

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.

Mit dieser Aufspaltung verhält es sich wie folgt:

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.

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 .

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.

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.

Wird diese Matrix in die Summe- zweier gleich dimensionierter Matrizen zerleg^et, ^" 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.

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.

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.

Der Fehleranteil wird dabei so gewählt, daß die den kopf- und schwanzteilbeschriebenden Teile an bestimmter Stelle

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.

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.

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.

Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben, worin dargestellt ist in:

Fig.l ein Diagramm einer Mehrtonübertragungsanrdnung;

Fig.2 ein Ausschnitt hierzu mit Übertragungsmatrizen;

Fig.3 eine Veranschaulichung einer Kanalimpulsantwort;

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 Guardintervall

Fig. 6,7 Veranschaulichungen der Schritte zur Bestimmung des Entzerrermatrixzusammenhangs

Fig. 8 Auswirkungen der erfindungsgemäßen Entzerrung aOuf das Signal-Rauschverhältnis bei schmalbandigem Störer auf einer Frequenz mittig zwischen zwei Trägerfrequenzen

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.

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 .

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.

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.

Der aus dem Parallel-Seriell-Wandler 9 erhaltende Sendesi- gnalstrom wird in einem D/A-Wandler 10 analoggewandelt und an den Kanal 2 gespeist.

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.

Der Kanal 2 erzeugt jetzt bei Einspeisung eines Signals Verzerrungen, addiert selektive Störkomponenten, Rauschen, verschmiert das Signal usw.

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.

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.

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.

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.

Die jeweilige Matrix muß nun angeben, wie das Element bei Einspeisung bestimmter sukzessiver Signale reagiert. Dies sei am Übertragungsweg 2 erläutert.

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 umfassenden

Symbols reagiert. Ein Kanal, der unverzerrt sofort antwortet, entspräche einer Einheitsmatrix 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.

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.

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.

Nun muß ausgehend hiervon eine Matrix gefunden werden, die die Verzerrungen ausgleicht.

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.

Es wurde erkannt, daß ein Zusammenhang zwischen den reduzierten Matrizen besteht, der über die in Fig. 6 dargestellten Schritte herleitbar ist.

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 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.

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 .

Die Korrektur führt zu einer wesentlichen Verbesserung- des Signal-/Rauschverhältnisses wie Fig. 8 für einen realen Kanal mit schmalbandig einstreuendem Störer zeigt.

Es sei erwähnt, daß eine adaptive Anpassung der Koeffizienten möglich ist. Dies kann unter Protokollierung des Kanalverhal- tens geschehen.

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

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,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Datensignalrekonstruktion der Ausgang zumindest eines ubertragungssignalfreier Übertragungskanals mitausgewertet wird.

2. Mehrtonubertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung guard- intervallfrei erfolgt.

3. Mehrtonubertragungsverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung unter Verwendung eines Guard-Intervalles erfolgt.

4. Mehrtonubertragungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein orthogonales Mehrtonubertragungsverfahren ist.

5. Mehrtonubertragungsverfahren nach dem vorhergehenden An- spruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge mehrerer ubertragungssignalfreier Übertragungskanäle bei der Datensignalrekonstruktion mitausgewertet werden.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

13. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Datensignalrekonstruktionsmittel dazu ausgebildet ist, mit Guard-Intervall übertragene Daten auszuwerten.

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.