DE10325835B4

DE10325835B4 - Verfahren zur Modellierung eines Modellfilters und Schaltung

Info

Publication number: DE10325835B4
Application number: DE2003125835
Authority: DE
Inventors: Werner Henkel; Dietmar Sträussnigg; Steffen Trautmann; Axel Clausen
Original assignee: Lantiq Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2023-06-07
Also published as: DE10325835A1

Abstract

Das erfindungsgemaße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf: (a) Ein nicht-rekursives Modellfilter mit einer ersten Anzahl von Koeffizienten, welches eine der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung nachgeschaltete Filterkette nachbildet, wird bereitgestellt; (b) Die Impulsantwort der Filterkette wird bestimmt; (c) Aus der im Verfahrensschritt (b) bestimmten Impulsantwort werden anhand eines Fensters definierter Lange, in welchem die Impulsantwort den höchsten Energieinhalt aufweist, durch Approximation Filterkoeffizienten für ein optimiertes Modellfilter bestimmt. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung, die ein solches Modellfilter aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modellierung eines optimierten Modellfilters, welches in einem Modellpfad einer Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung eines Multiträger-Datenübertragungssystems angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung.
In der modernen Telekommunikation spielt die hochbitratige Datenubertragung auf einer Teilnehmerleitung eine zunehmend größere Rolle, insbesondere deshalb, da man sich von ihr eine größer nutzbare Bandbreite der zu übertragenden Daten kombiniert mit einer bidirektionalen Datenkommunikation verspricht.
Eine Technik, die in jüngster Zeit immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist die sogenannte Mehrtrager-Datenubertragung, die auch als ”Multi-Carrier”-Übertragung, als „Discrete Multitone (DMT)” Ubertragung oder als „Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)” Ubertragung bekannt ist. Eine solche Datenübertragung wird beispielsweise bei leitergebundenen Systemen, aber auch im Funkbereich, für Broadcast-Systeme und fur den Zugang zu Datennetzen verwendet. Solche Systeme zur Ubertragung von Daten mit Mehrtragerübertragung verwenden eine Vielzahl von Tragerfrequenzen, wobei für die Datenübertragung der zu ubertragende Datenstrom in viele parallele Teilströme zerlegt wird, welche im Frequenzmultiplex unabhängig voneinander übertragen werden. Diese Teilströme werden auch als Einzeltrager bezeichnet.
Ein Vertreter der Mehrträger-Datenübertragung ist die ADSL-Technik, wobei ADSL für „Asymmetric Digital Subscriber Line” steht. Mit ADSL ist eine Technik bezeichnet, die die Übertragung eines hochbitratigen Bitstromes von einer Zentrale zum Teilnehmer und eines niederbitratigen, vom Teilnehmer zu einer Zentrale fuhrenden Bitstromes erlaubt. Bei dieser Technik wird die Telekommunikationsleitung in zumindest einen Kanal fur herkommliche Telefondienste (also Sprachubertragung) und mindestens einen weiteren Kanal fur die Datenubertragung unterteilt.
Wenngleich bereits sehr viele Probleme bei solchen Mehrtrager-Datenübertragungssystemen wie ADSL gelöst sind, bleiben immer noch einige Probleme ungelöst.
Ein mit dieser Mehrtrager-Datenubertragung einher gehendes Problem ergibt sich dadurch, dass infolge der Uberlagerung sehr vieler Einzeltrager sich diese kurzzeitig zu sehr hohen Spitzenwerten im Sendesignal aufaddieren konnen. Das Verhaltnis von Spitzenwert zu Effektivwert wird als Crestfaktor, sein Quadrat als PAR (Peak to Average Ratio) bezeichnet. Speziell bei Mehrtragersystemen wie ADSL kann der Crestfaktor sehr groß – zum Beispiel großer als 6 – werden. Auch wenn diese Spitzenwerte in der sich daraus ergebenden Amplitude sehr selten und typischerweise nur für sehr kurze Zeitdauern vorhanden sind, stellen sie einen großen Nachteil der Mehrträger-Datenubertragung dar.
Ein großer Crestfaktor verursacht verschiedene Probleme im Gesamtsystem der Datenübertragung:
Die maximal mogliche Aussteuerung der Digital/Analog-Wandler und der analogen Schaltungsteile, zum Beispiel Filter und Leitungstreiber, müssen in ihrem Aussteuerbereich und ihrer Dynamik bzw. Auflösung fur die maximal vorkommenden Spitzenwerte ausgelegt sein. Das bedeutet, diese Schaltungsteile mussen wesentlich größer dimensioniert sein, als die effektive Aussteuerung. Dies geht mit einer entsprechend hohen Betriebsspannung einher, was unmittelbar auch zu einer hohen Verlustleistung führt. Speziell bei Leitungstreibern, die im Allgemeinen eine nicht zu vernachlässigende Nichtlinearitat aufweisen, führt dies zu einer Verzerrung des zu sendenden Signals.
Ein weiteres Problem der Datenubertragung bei hohen Crestfaktoren besteht darin, dass ein sehr hoher Spitzenwert im Sendesignal die maximal mögliche Aussteuerung uberschreiten kann. In diesem Falle setzt eine Begrenzung des Sendesignals ein – man spricht hier von einem Clipping. In diesen Fallen repräsentiert das Sendesignal aber nicht mehr die ursprüngliche Sendesignalfolge, so dass es zu Ubertragungsfehlern kommt.
Aus diesem Grunde besteht bei Mehrträger-Datenubertragungssystemen der Bedarf, solche Spitzenwerte weitestgehend zu unterdrücken oder zu vermeiden. Dieses Problem ist in der Literatur unter dem Begriff Crestfaktor-Reduzierung oder auch PAR-Reduzierung bekannt. Es existieren hier mehrere Losungsansatze zur Reduzierung des Crestfaktors:
Bei einem bekannten Verfahren werden einige Trager oder Tragerfrequenzen aus dem Mehrtrager-Datenübertragungssystem reserviert (typischerweise etwa 5% des Spektrums), die dann nicht mehr fur die Datenubertragung zur Verfugung stehen. Das bedeutet, dass diese Träger zunachst zu Null gesetzt werden. Aus diesen reservierten Tragern wird eine Funktion im Zeitbereich mit moglichst hohem, zeitlich schmalen Spitzenwert erzeugt, die das Korrektursignal bzw. den sogenannten Kernel bildet. Iterativ wird dieser Kernel, der lediglich die reservierten Trager belegt, mit einem Amplitudenfaktor gewichtet, der proportional der Differenz von maximalem Spitzenwert und gewünschtem Maximalwert ist und im Zeitbereich vom Sendesignal subtrahiert. Dabei wird der Kernel an die Stelle des entsprechenden Spitzenwertes des Sendesignals, der fur den überhohten Crestfaktor verantwortlich ist, zyklisch verschoben. Der Verschiebungssatz der DFT-Transformation stellt sicher, dass auch nach der Verschiebung nur die reservierten Trager belegt werden.
Das eben beschriebene Verfahren arbeitet lediglich im Zeitbereich und ist daher durch seine Schnelligkeit und geringe Komplexitat gekennzeichnet. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht aber darin, dass nachfolgende Schaltungsteile und Filter fur die Bestimmung des Kernels nicht mehr berücksichtigt werden. Diese Filter, die in der Praxis immer vorhanden sind, erhöhen wiederum den Crestfaktor des mit dem Kernel überlagerten Signals und machen damit einen Teil der Crestfaktor-Reduzierung wieder zunichte. Das oben beschriebene Verfahren eignet sich allein schon aus diesem Grunde nicht für die Praxis.
In der internationalen Patentanmeldung WO 03/026240 A2 ist ein auf dem vorstehend beschriebenen Verfahren aufbauendes Verfahren beschrieben. Mittels des Korrektursignals werden die hohen Spitzenwerte im zu sendenden Zeitsignal, die für einen zu hohen Crestfaktor verantwortlich sind, iterativ reduziert. Der Vorteil des in der WO 03/026240 A2 beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass für die Erzeugung des Korrektursignals und damit für die Crestfaktor-Reduzierung auch nachfolgende Filterfunktionen berücksichtigt werden, die somit auch nach der Überlagerung mit dem Korrektursignal nicht mehr zu einem überhöhten Crestfaktor in dem zu sendenden Zeitsignal führen können. Zu diesem Zwecke ist in dem Modellpfad der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung ein Modellfilter vorgesehen, das die der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung nachgeschaltete Filterkette nachbildet.
Um nun die der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung nachgeschaltete Filterkette möglichst optimal nachzubilden, wird typischerweise ein Modellfilter möglichst hoher Ordnung verwendet. Ein solches Modellfilter weist eine Vielzahl von Filterkoeffizienten auf. Als Filter können hier rekursive Filter, zum Beispiel ein IIR-Filter (IIR = infinite impulse response), oder nicht-rekursive Filter, zum Beispiel ein FIR-Filter (FIR = finit impulse response), verwendet werden. Solche Filter lassen sich hardwaremäßig ausbilden oder auch in einem digitalen Signalprozessor implementieren, da hier die Rechenwerke der Prozessoren meist Multiplizierer mit nachgeschalteten Akkumulatoren bereitstellen, mit denen die unmittelbare Ausführung der diskreten Faltung möglich ist. Im Falle eines FIR-Filters höherer Ordnung ist zur Berechnung des Korrektursignals allerdings ein Rechenaufwand erforderlich, der sich im Falle von m Koeffizienten im Wesentlichen aus einer m-fach durchzuführenden Multiplikation ergibt. Multiplikationen erfordern jedoch gegenüber anderen Rechenoperationen einen erhöhten Rechenaufwand. Ein hoher Rechenaufwand reduziert zum einen die Leistungsfähigkeit des gesamten Systems und zum anderen ist hierfür eine entsprechend aufwendige Hardware bereitzustellen, was unmittelbar zu einer Vergrößerung der Chipfläche führt.
In der internationalen Patentanmeldung WO 01/82547 A1 ist ein Spread-Spectrum-Datenübertragungssystem beschrieben. Dieses Datenübertragungssystem weist ein nicht-rekursives Modellfilter mit einer vorgegebenen Anzahl von Koeffizienten, die ein nachgeschaltetes Filter nachbilden, auf, wobei die Impulsantwort dieses nachgeschalteten Filters bestimmt wird. Das Datenübertragungssystem arbeitet ”sample-basiert”, also basierend auf Abtastwerte. Ferner arbeitet das dort beschriebene Datenübertragungssystem nicht völlig verzerrungsfrei, da eine gewisse Amplitudenverzerrung des gesendeten Signals unvermeidbar ist.
Ferner wird in der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 55 687 A1 ein weiteres Verfahren zur Verringerung des Crestfaktors eines Multiträgersignals offenbart, in dem eine Korrekturgröße für das Ausgangssignal mit Hilfe eines Schätzwertes für das Signalmaximum berechnet wird.
Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Rechenaufwand im Modellpfad, insbesondere im Modellfilter, einer Schaltungsanordnung zur Crestfaktor-Reduzierung zu verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass zur Modellierung der der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung nachgeschalteten Filterkette diese nicht notwendigerweise identisch modelliert werden muss. Für eine Verringerung des Rechenaufwandes hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Filterkette im Signalpfad der Schaltungsanordnung zur Crestfaktor-Reduzierung durch ein geeignetes Ersatzfilter möglichst geringer Ordnung nachzubilden. Sehr häufig ist diese Filterkette im Signalpfad bis zu einer sehr viel höheren, als der im Modellpfad verwendeten Überabtastung definiert. Es empfiehlt sich daher, als Zwischenstufe für eine Modellierung dieser Filterkette eine Unterabtastung der Impulsantwort der Filterkette vorzunehmen und eine Nachbildung mit einem Filtermodell hinreichend hoher Ordnung, jedoch mit geringerer Ordnung als zur exakten Modellierung der Filterkette im Signalpfad zu verwenden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es im Falle der Crestfaktor-Reduzierung entscheidend fur die Qualität des Modellfilters ist, eine möglichst getreue Nachbildung der Zeitbereichseigenschaften, also der Impulsantwort der Filterkette, und nicht des Frequenzgangs der Filterkette selbst vorzunehmen. Es hat sich ferner gezeigt, dass die unmittelbar Band begrenzenden Komponenten in der Filterkette einen dominanten Einfluss auf den Crestfaktor des zu übertragenden Zeitsignals haben. Eine Reduzierung des Modellfilters auf eben diese Komponenten, beispielsweise die Hochpasskomponenten und zumindest die erste Stufe des Tiefpasses, hat nahezu keinen Einfluss auf die Form der Impulsantwort des Filters und somit die Qualitat der Crestfaktor-Reduzierung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher zunächst aus der unterabgetasteten Impulsantwort der Filterkette ein Fenster definierter Länge mit dem höchsten Energieinhalt als Approximation entsprechender Länge für das Modellfilter verwendet. In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung werden nicht berücksichtigte Koeffizienten, beispielsweise die ersten Koeffizienten der Impulsantwort der Filterkette, durch Verzögerungsglieder ersetzt oder auch vollstandig eliminiert. Der dadurch entstehende Zeitversatz zwischen Modellpfad und Signalpfad beeinflusst die Leistungsfähigkeit des Verfahrens nicht bzw. nur unerheblich. Zusätzlich werden die so erlangten Koeffizienten des Modellfilters auf eine begrenzte Anzahl möglicher Amplitudenwerte quantisiert, so dass sich bei der nachfolgenden Faltungsoperation mehrere Abtastwerte vor der Multiplikation mit dem Filterkoeffizienten addieren lassen. Auf diese Weise verringert sich die Anzahl der Multiplikation pro Abtastschritt erheblich. Bei gleichem Rechenaufwand lässt sich eine deutlich längere Impulsantwort annähern.
Vorteilhafterweise ist ein sequentiell arbeitendes, nichtrekursives Modellfilter, insbesondere ein FIR-Filter, vorgesehen ist, welches das zu sendende Signal sequentiell abarbeitet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Recheneinheit als programmgesteuerte Einheit, insbesondere als Mikroprozessor oder Mikrocontroller, ausgebildet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt dabei:
1 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung eines Mehrtrager-Übertragungssystems mit erfindungsgemäßem FIR-Modellfilter;
2 anhand einer kanonischen Darstellung ein Beispiel einer adaptiven Quantisierung eines FIR-Modellfilters mit 8 Koeffizienten, welches in seiner Komplexitat mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf 3 Multiplikationsschritte reduziert wird;
3 anhand einer kanonischen Darstellung ein Beispiel fur eine adaptive Quantisierung einer Realisierung eines Polyphasen-FIR-Modellfilters bei 2-facher Uberabtastung des Eingangssignals;
4 ein Vergleich der Impulsantworten im Falle eines FIR-Filters mit 50 Koeffizienten und im Falle einer erfindungsgemaßen Reduzierung auf 5 Multiplikationen pro Polyphase bei 2-facher Uberabtastung des Eingangssignals;
5 die Quantisierungsstufen für die erste Polyphasenkomponente (a) und fur die zweite Polyphasenkomponente (b).
In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente, Signale und Funktionen – sofern nichts anderes angegeben ist – gleich bezeichnet worden.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung – nachfolgend als CF-Schaltung bezeichnet – eines Mehrtrager-Übertragungssystems mit erfindungsgemäßem FIR-Modellfilter.
In 1 ist mit Bezugszeichen 1 ein Ausschnitt aus einem Mehrtrager-Datenübertragungssystem bezeichnet. Hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise eines solchen Mehrträger-Datenübertragungssystems 1 und insbesondere einer CF-Schaltung wird auf die bereits eingangs erwähnte WO 03/026240 A2 verwiesen, die hinsichtlich dieser Gegenstände vollinhaltlich in die vorliegende Patentanmeldung miteinbezogen wird.
In 1 ist lediglich ein Ausschnitt des senderseitigen Übertragungspfads 5 dargestellt, der zwischen einem nicht dargestellten Sender und einer ebenfalls nicht dargestellten Gabelschaltung, die mit der entsprechenden Telefonleitung verbunden ist, angeordnet ist.
Im Sendepfad 5 des Mehrtrager-Datenübertragungssystems sind nacheinander ein IFFT-Modul 2, eine Schaltungsanordnung zur Crestfaktor-Reduzierung 3 und ein Ausgabefilter 4 angeordnet. Dem IFFT-Modul 2 wird von dem Sender ein Eingangssignal X0 zugeführt, welches von dem IFFT-Modul 2 mittels inverser Fourier-Transformation moduliert wird. Das so modulierte Eingangssignal X, welches im Falle einer ADSL-Datenübertragung eine Abtastfrequenz von 2,208 MHz und im Falle einer ADSL+ Datenübertragung eine Abtastfrequenz von 4,416 MHz aufweist, wird der nachgeschalteten CF-Schaltung 3 zugeführt. Die CF-Schaltung 3 erzeugt ein Crestfaktor-reduziertes Ausgangssignal Z, welches dem nachgeschalteten Ausgabefilter 4 zugeführt wird. Nach der Filterung des Crestfaktor-reduzierten Ausgangssignals Z gibt das Ausgabefilter 4 ein Signal Z' aus, welches nach wie vor Crestfaktor-reduziert ist, obwohl durch dieses Ausgabefilter 4 das Ausgangssignal Z verändert wurde und somit die Möglichkeit einer erneuten Erzeugung eines überhöhten
Crestfaktors besteht. Dies ist nur möglich durch eine spezielle Ausgestaltung der CF-Schaltung 3, die eben die Einwirkung dieses Filters 4 auf das Ausgabesignal Z mitberücksichtigt, indem es das Ausgabefilter 4 möglichst gut modelliert.
Die CF-Schaltung 3 weist zu diesem Zwecke einen Modellpfad 6 auf, der parallel zu einem Teil 5' des Sendepfades 5 angeordnet ist.
Der Modellpfad 6 zweigt am Eingang der CF-Schaltung 3 von dem Sendepfad 5' ab, so dass dem Modellpfad 6 ebenfalls das modulierte Eingangssignal X zugeführt wird. Am Anfang des Modellpfads 6 ist ein Uberabtastblock 11 vorgesehen, der das ursprungliche, von den Nutzerdaten gebildete Zeitsignal X L-fach, beispielsweise 2-fach oder 4-fach, überabtastet. Unter Umstanden kann auf diesen Uberabtastblock 11 auch verzichtet werden.
Das überabgetastete Signal X' wird einem nachgeschalteten Modellfilter 12 zugeführt. Bei dem Modellfilter 12 handelt es sich um eine Modellierung des Ausgabefilters 4 bzw. sämtlicher, der CF-Schaltung 3 nachgeschalteter Filter 4 bzw. Filterketten. Das Verfahren zur Modellierung dieses Modellfilters 12 wird nachfolgend anhand der 2 bis 5 noch detailliert beschrieben.
Dem Modellfilter 12 ist eine Recheneinheit 13 nachgeschaltet, die aus dem überabgetasteten und gefilterten Signal die entsprechende Maximalstelle sucht. Hierfür ist ein Verfahren vorgesehen, das im Wesentlichen dem in der WO 03/026240 A2 sowie dem eingangs beschriebenen Verfahren entspricht. Ausgehend davon werden Korrektursignale Y_CF erzeugt, beispielsweise dirac-ähnliche Musterfunktionen, die zum Beispiel in einem Speicher abgelegt sind. In der Addiereinrichtung 10 werden diese Korrektursignale Y_CF im Sendepfadteil 5' mit dem zeitlich geeignet verzögerten Sendesignal X mit geeigneter Gewichtung überlagert. Dabei wird das Korrektursignal Y_CF zu der entsprechenden Stelle des Zeitsignals X verschoben, an der sich gerade das Maximum befindet. Die Überlagerung erfolgt dann zum Beispiel durch Subtraktion des Korrektursignals Y_CF von dem entsprechenden Teil des Zeitsignals X in der Addiereinrichtung 10. Das überabgetastete Korrektursignal Y*_CF wird in der Addiereinrichtung 16 im Modellpfad 6 mit dem zeitlich geeignet verzögerten Signal Y überlagert.
Die Rückkopplungspfade 17, 18 im Sendepfadteil 5' und Modellpfad 6 sowie die entsprechenden Schalter 7, 8, 14 dienen der iterativen Behandlung der jeweiligen Signale. Zur Speicherung bzw. zur Pufferung sind die Puffereinrichtungen 9, 15 vorgesehen. Dabei zeigt der Sendepfadteil 5' die iterative Veränderung der nicht überabgetasteten Zeitfunktion X, während der Modellpfad 6 die zugehorige Modifikation im überabgetasteten Zeitraster X durchführt.
Für die iterative Behandlung der Eingangssignale X enthält der Sendepfadteil 5' einen ersten Schalter 7 (Start), einen zweiten Schalter 8 (Stop), und einen zwischen diesen Schaltern 7, 8 angeordneten Puffer 9 und Additionseinrichtung 10. Die Puffereinrichtung 9 dient der Pufferung, d. h. der Verzögerung des eingangsseitig zugeführten Zeitsignals X, um einer Zeitverzögerung im Modellpfad 6 Rechnung zu tragen sowie für eine Abspeicherung der jeweiligen Zwischenwerte aus der Iteration.
Fur die iterative Behandlung der überabgetasteten Signale X' ist im Modellpfad 6 ein erster Schalter 14 (Start), eine Puffereinrichtung 15 sowie eine Addiereinrichtung 16 vorgesehen. Die Rechen- und Speichereinheit 13 führt eben das Korrektursignal auch der Addiereinrichtung 16 zu, in der das Korrektursignal Y*_CF von dem Zeitsignal Y im Modellpfad subtrahiert wird. Es ergibt sich somit eine zweite Iterationsschleife.
Erfindungsgemäß bildet das Modellfilter 12 das Ausgabefilter 4 nicht exakt nach, sondern stellt ein vereinfachtes Modell des Ausgabefilters 4 dar. Die Modellierung dieses Modellfilters 12 wird nachfolgend beschrieben.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Modellfilter 12 ein nicht-rekursives Filter, insbesondere ein FIR-Filter, ist.
In einem ersten Approximationsabschnitt wird aus der tatsächlichen Impulsantwort des Ausgabefilters 4, welches durchaus auch rekursiven Charakter besitzen kann, wie bereits eingangs beschrieben, ein Fenster der Länge M herausgeschnitten, welches den größeren Energieinhalt aufweist.
Ziel der weiteren Vereinfachung des Modellfilters 12 ist es, bei einer Realisierung eines Modellfilters 12 mit M Koeffizienten g = [g₀, g₁, ... g_M-1]^T die Anzahl der notwendigen Multiplikationen pro Filterschritt erheblich zu reduzieren. Dafür wird ein Set von K << M adaptiver Quantisierungsstufen L = {l₀, l₁, ..., l_K-1} definiert, aus denen sich ein Näherungsfilter (Modellfilter 12) mit den Filterkoeffizienten g = [g ₀, g ₁, ..., g _M-1]^T mit |g _l| ∊ L konstruieren lässt, welches somit pro Filterschritt nur noch k Multiplikationen erfordert. Die einzelnen Quantisierungsstufen l_k werden im folgenden Optimierungsschritt
an die Koeffizienten des Ausgangsfilters 4 angepasst.
Das Prinzip dieser Vereinfachung ist in der kanonischen Darstellung in 2 grafisch dargestellt worden, wobei 2(a) das Filter in der Ausgangssituation (nicht optimiert) darstellt und 2(b) das hinsichtlich der Anzahl der Multiplikationen reduzierte optimierte Filter bezeichnet. Wie zu erkennen ist, verringert sich die Anzahl der notwendigen Additionen nicht bzw. nur dann, wenn einige der Koeffizienten zu Null quantisiert werden.
Im Falle eines überabgetasteten Eingangssignals X ist eine effiziente Polyphasenrealisierung des Modellfilters 12 als praktische Implementierung wunschenswert. Je nach Art der Realisierung ist es unter Umstanden notwendig, die adaptive Quantisierung getrennt auf die einzelnen Polyphasenfilter g_m anzuwenden und dabei die Anzahl der Quantisierungsstufen für die jeweiligen Sets L_m konstant zu halten, um eine gleichmäßige Auslastung der Hardware zu gewährleisten. Dies ist beispielhaft in 3 für eine zweifache Uberabtastung dargestellt.
Die Form der vereinfachten FIR-Realisierung des Modellfilters in 3 hat sich fur die Crestfaktor-Reduzierung als sehr effizient erwiesen. Da in erster Linie die Zeitbereichseigenschaften des Modellfilters 12 und hier speziell die Positionen der Spitzenwerte von besonderer Wichtigkeit sind, lassen sich die Koeffizienten ohne signifikanten Performance-Verlust sehr grob quantisieren. Vorteilhafterweise können dabei auch mehrere Koeffizienten zu Null quantisiert werden, was den Rechenaufwand zusatzlich verringert.
In 4 ist beispielhaft die Impulsantwort IA eines Modellfilters 12 mit 50 Koeffizienten (n) dargestellt (A), bei dem unter der Annahme eines 2-fach überabgetasteten Eingangssignals X die Anzahl der Multiplikationen pro Polyphase von ursprünglich 25 auf 5 reduziert ist (B). Die 5 zeigt die Zuordnung der einzelnen Koeffizienten der Polyphasenkomponenten zu den jeweiligen Quantisierungsstufen. 5(a) zeigt die Quantisierungsstufen für die erste Polyphasenkomponente l_0l (gerade Koeffizienten) und 5(b) zeigt die Quantisierungsstufen für die zweite Polyphasenkomponente l_1l (ungerade Koeffizienten; 5(b)).
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere ist die Erfindung nicht auf die vorstehenden Datenubertragungssysteme und Verfahren beschränkt, sondern lässt sich zum Zwecke der Crestfaktor-Reduzierung auf sämtliche, auf Multitrager-Datenübertragung basierende Systeme und Verfahren erweitern. Insbesondere sei die Erfindung nicht auf eine ADSL-Datenubertragung beschrankt, sondern lasst sich auf samtliche xDSL-Datenübertragungen erweitern. Denkbar sind auch mobile Anwendungen wie DAB (= Digital Audio Broadcasting), DVB-T (= Digital Video Broadcasting-Terrestrial) oder OFDM-basierte WLAN-Anwendungen (Wireless Local Area Network).
Wenngleich die Erfindung vorstehend anhand von FIR-Filtern beschrieben wurde, sei sie nicht darauf beschränkt, sondern ist auf alle möglichen nicht-rekursiven Filter oder Transversalfilter erweiterbar. Auch sind die angegebenen Zahlenbeispiele für die Anzahl der Filterkoeffizienten bzw. die Anzahl der reduzierten Multiplikationsschritte nur beispielhaft zu verstehen und können selbstverständlich im Rahmen der Erfindung beliebig variiert werden. Wesentlich ist lediglich, dass im Falle des erfindungsgemäßen Modellierungsverfahrens die Anzahl der im Modellfilter durchgeführten Multiplikationsschritte sich gegenüber der Anzahl der Koeffizienten bzw. der ursprünglich erforderlichen Multiplikationsschritte signifikant reduziert.
Auch sei die Erfindung nicht ausschließlich auf die angegebenen Hochpassfilter, Bandpassfilter oder Tiefpassfilter beschränkt, sondern lässt sich auf wie auch immer ausgebildete Filtertypen erweitern.
Auch sei die Erfindung nicht notwendigerweise auf eine 2-fache oder 4-fache Überabtastung des zu sendenden Datensignals beschränkt. Vielmehr kann auch vorgesehen sein, dass hier keine Überabtastung, sogar eine Unterabtastung oder eine beliebig hohe Überabtastung stattfindet.
Bezugszeichenliste

1: Mehrtrager-Datenübertragungssystem
2: IFFT-Modul
3: Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung, CF-Schaltung
4: Ausgabefilter, nachgeschaltete Filterkette
5: Sendepfad
5': Teil des Sendepfades
6: Modellpfad
7: Schalter
8: Schalter
9: Puffereinrichtung, Speicher
10: Addiereinrichtung
11: Block zur Überabtastung
12: Modellfilter
13: Rechen- und Speichereinheit
14: Schalter
15: Puffereinrichtung, Speicher
16: Addiereinrichtung
17: Iterationspfad
18: Iterationspfad
X0: Eingangssignal
X: (IFFT moduliertes) Eingangssignal
X': (überabgetastetes, moduliertes) Eingangssignal
Y: gefiltertes Signal
Z: Ausgangssignal
Z': gefiltertes Ausgangssignal
Y_CF: Korrektursignal fur den Sendepfad
Y*_CF: überabgetastetes Korrektursignal fur den Modellpfad

Claims

Verfahren zur Modellierung eines optimierten Modellfilters (12), welches in einem Modellpfad (6) einer Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung (3) eines Multiträger-Datenübertragungssystems (1) angeordnet ist, mit den Verfahrensschritten: (a) Ein nicht-rekursives Modellfilter (12) mit einer ersten Anzahl (M) von Koeffizienten, welches eine der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung (3) nachgeschaltete Filterkette (4) nachbildet, wird bereitgestellt; (b) Die Impulsantwort der Filterkette (4) wird bestimmt; (c) Aus der im Verfahrensschritt (b) bestimmten Impulsantwort werden anhand eines Fensters definierter Länge M, in welchem die Impulsantwort den höchsten Energieinhalt aufweist, durch Approximation Filterkoeffizienten für ein optimiertes Modellfilter (12) bestimmt; dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verfahrensschritt (c) die so approximierten Filterkoeffizienten auf eine zweite Anzahl (K) möglicher Amplitudenwerte der Filterkoeffizienten quantisiert werden, wobei die zweite Anzahl (K) kleiner als die erste Anzahl (M) ist und die Anzahl der von dem optimierten Modellfilter (12) vorzunehmenden Multiplikationen pro Filterschritt bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung der Impulsantwort im Verfahrensschritt (b) lediglich die bandbegrenzenden Elemente der Filterkette, insbesondere der Hochpassanteil und/oder die erste Stufe des Tiefpasses, berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Quantisierung der Filterkoeffizienten adaptive Quantisierungsstufen definiert werden, aus denen sich das optimierte Modellfilter (12) ableiten lässt, welche eine Näherung des nicht-rekursiven Modellfilters (12) ist und welches pro Filterschritt eine zweite Anzahl (K) an Multiplikationen aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Koeffizienten des optimierten Modellfilters (12) jeweils eine Quantisierungsstufe entsprechend an die Koeffizienten des nicht-rekursiven Modellfilters (12) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Filterkoeffizienten der Filterkette (4), die außerhalb des Fensters liegen, durch Verzögerungsglieder ersetzt werden und/oder zu Null gesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überabtastung des Sendesignals (X) das optimierte Modellfilter (12) als ein Block von Polyphasenfiltern implementiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Quantisierung getrennt auf die einzelnen Polyphasenfilter angewendet werden und die Anzahl der Quantisierungsstufen pro Polyphasenfilter im Vergleich zu einem Filter ohne Überabtastung gleich gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu sendende Datensymbol eine Funktion einer Vielzahl von innerhalb eines vorgegebenen Datenrahmens vorgesehener Signale ist und jedes dieser Signale einem Träger zugeordnet ist, wobei jeder Träger jeweils mindestens eine Frequenz aus einem Sendedatenspektrum belegt, wobei zumindest ein Träger reserviert ist, der nicht für die Datenübertragung vorgesehen ist.
Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung (3), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, die sendeseitig in einem Mehrträger-Datenübertragungssystems (1) angeordnet ist, (A) mit einem Sendepfad (5) mit einem zu sendenden Signal (X), (B) mit einem parallel zu einem Abschnitt des Sendepfades (5') angeordneten Modellpfad (6), in dem ein nicht-rekursives Modellfilter (12) angeordnet ist, dem das zu sendende Signal (X) zuführbar ist, welches die Charakteristik einer der Schaltung zur Crestfaktor-Reduzierung (3) nachgeschalteten Filterkette (4) nachbildet, welches eine erste Anzahl (M) an Filterkoeffizienten aufweist, wobei die erste Anzahl geringer ist als die Anzahl der Filterkoeffizienten für eine exakte Nachbildung der Filterkette (4), wobei die so approximierten Filterkoeffizienten auf eine zweite Anzahl (K) möglicher Amplitudenwerte der Filterkoeffizienten quantisiert werden, wobei die zweite Anzahl (K) kleiner als die erste Anzahl (M) ist und die Anzahl der von dem optimierten Modellfilter (12) vorzunehmenden Multiplikationen pro Filterschritt bezeichnet. mit einer dem Modellfilter (12) nachgeschalteten Recheneinheit (13), der ein vom Modellfilter (12) gefiltertes Signal (Y) zuführbar ist, die abhängig davon ein Korrektursignal (Y_CF) erzeugt, (C) mit einer Subtrahiereinrichtung (10), die ausgangsseitig mit dem Modellpfad (6) und dem Sendepfad (5) verbunden ist und die zur Reduzierung des Crestfaktors in dem zu sendenden Signal (X) das Korrektursignal (Y_CF) davon abzieht.
Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendepfad (5) und der Modellpfad (6) jeweils einen Rückkopplungspfad (17, 18) zur iterativen Bildung des Korrektursignals (Y_CF) für den Sendepfad (5) und des Korrektursignals (Y*_CF) für den Modellpfad (6) aufweisen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Modellpfad (6) eine Einheit (11) zum Überabtasten vorgesehen ist, die vor dem Modellfilter (12) angeordnet ist und die eine Überabtastung des zu sendenden Signals (X) vornimmt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass Verzögerungsglieder vorgesehen sind, welche nicht im Modellfilter (12) verwendete Filterkoeffizienten, welche außerhalb des Fensters und zeitlich davor liegen, ersetzen.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–12, dadurch gekennzeichnet, dass ein sequentiell arbeitendes, nicht-rekursives Modellfilter (12), insbesondere ein FIR-Filter, vorgesehen ist, welches das zu sendende Signal (X) sequentiell abarbeitet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (13) als programmgesteuerte Einheit, insbesondere als Mikroprozessor oder Mikrocontroller, ausgebildet ist.