CN1356814A - 高效执行大规模快速傅利叶变换的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在高速数据率通信网络中实现快速傅利叶变换(FFT)函数的系统和方法。该通信网络采用例如VDSL和DMT或FDM这样的技术,在发射器频繁地执行FFT,以便于把频域调制信号转换为时域信号。在接收器执行IFFT,以获得原始信号。本系统把信道频带分为分波段,并且用多重FFT来执行该FFT函数,以减小芯片尺寸和计算时间。

Description

高效执行大规模快速傅利叶变换的系统和方法
发明领域
本发明涉及快速傅利叶变换(FFT)的执行方法，特别涉及一种用于在高数据率通信系统中高效执行FFT的系统。
发明背景
家庭和私人企业对大带宽业务的不断增长的需求促进了对满足这些需求的方法的研究。众所周知，光纤链路可以传播用于提供例如声音和视频这样的实时服务的所需带宽。由于与提供和连接所需光缆相关的极高成本延缓对每家每户安装光纤的进程。因此，人们努力寻找利用普遍的双绞铜线的方法，该双绞铜线事实上从每家每户连接到公用交换电话网络(PSTN)。例如非对称数字用户线(ADSL)这样的技术已经成功地以几兆字节每秒的数据率在几千米的距离上传输信号。但是，对于先进的多媒体业务需要更高的数据率，并且这些需要可以通过结合光缆与双绞铜线而满足。例如FTTN(光纤到社区)这样引入技术的计划意味着光纤从中心局连接到在一个社区或公寓楼内的一个或多个地点，并且双绞铜线被用于从该端点连接到客户所在的设备。这把传输距离减小到几百米或更多。人们已经确立超高速数字用户线(VDSL)技术，该技术可以在较短距离上以较高的数据率传输。目前，用VDSL技术可以实现13mbps(兆位/秒)到55mbps的数据率。VDSL技术一般使用离散多频声(DMT)和频分多路复用(FDM)技术。在这种系统中，可用的带宽被用于承载多路信息，并且通常使用快速傅利叶变换(FFT)来把频域调制信号转换为时域信号。在该技术中，在本地社区终端(NT)的发射器接收来自中心局的数据，通过FFT函数把该数据转换为用于下载到双绞铜线上的一种形式。在接收器处，使用逆快速傅利叶变换(IFFT)函数来获得原始频率信号。对于例如在VDSL应用中使用具有大量子信道的大信道带宽，FFT的规模必须非常巨大。这造成两个主要缺陷，使得在VDSL中的DMT应用几乎不能实现。首先，FFT规模是非常大的，并且从芯片设计的角度来看这是不利的，其次，函数的执行需要较长的时间。相应地，需要开发一种用于在DMT/FDM应用中有效执行FFT的系统。
发明概述
本发明的一个目的是通过用小规模的FFT代替大规模FFT来解决上述问题。按这种方式，当仅仅部分频带被用于数据传输时，计算时间和芯片尺寸都得到减小，对于FDM应用来说尤其如此。因此，根据本发明第一方面，在此提供一种用于在宽带高数据率通信应用中执行快速傅利叶变换(FFT)的系统，该系统包括：把带宽分为分波段的装置；以及对每个分波段分别执行FFT的装置。根据本发明第二方面，在此提供一种在宽带高数据率通信应用中执行快速傅利叶变换(FFT)的方法，该方法包括：把带宽分为分波段；以及对每个分波段分别执行FFT。
附图简述
下面参照附图详细描述本发明，其中：
图1示出在FDM系统中的一种典型的发射信号频谱；
图2(a)和2(b)分别是根据现有技术的发射器和接收器的方框图；
图3示出根据本发明的发射器实现方式；
图4示出本发明的数据接收器实现方式；
图5(a)至5(b)示出在图3的发射器上对于单个分波段的信号频谱；
图6示出同一分波段的接收频谱；
图7示出发射系统的第二实施例；
图8示出接收系统的第二实施例；
图9示出图7的实施例的信号频谱；以及
图10示出图8的实施例的信号频谱。
发明详述
在一种典型的基于DMT的系统中，一个N点IFFT被用于把带有正交调幅(QAM)调制数据的N频率子信道载波转换为N点时域样本。图1示出当使用频分复用(FDM)时的一种典型发射信号频谱。该实现方法相对较简单：首先使用QAM调制把数据调制到子信道载波，并且应用N点IFFT。在接收器端，首先应用FFT，然后使用QAM解调来获得原始数据。在图2中示出发射器和接收器的方框图。
上述实现方法的问题是计算量和芯片尺寸将非常大。在典型的VDSL应用中，例如，N＝8192。并且，由于在VDSL中使用FDM，仅仅大约一半的带宽被用于下行或上行数据发送。在整个频带上执行IFFT对于计算量和芯片尺寸来说都是一种浪费。在下文中，使用一种改进的方法，其中用一对小规模的FFT来取代一个大的FFT。
图3示出根据本发明一个方面的数据发送的一种实现方法，其中总频带(B)被分为M个部分，每个部分具有带宽BS＝B/M，并且M个分波段中包含非零信号的K个波段被用于发送。在图3中，首先在各个波段进行信号调制，然后对每个波段应用N/M点FFT，以获得时域信号。该时域信号被进一步向上采样为所需的采样率，并且应用带通滤波器来把每个分波段信号置于总频段中的正确位置。在图4中所示的接收器是图3中所示的发射器的反向操作。信号首先被滤波为各个频段，并且被向下采样。对每个分波段信号进行N/M点FFT，并且接收QAM解调后的数据。
尽管在上述方案中，假设所有分波段具有相同的带宽，但是也可以用可变的FFT规模和(向上/向下)采样率来处理可变带宽。对于FFT规模和滤波器部分，可以使用两种不同的方案，如下文所述。
图5示出用于图3的发射器的单个分波段的第一方案的信号频谱。图5(a)是在要发射的总频带中的分波段频谱。图5(b)为图5(a)的频谱的基带信号，其中对要发射的数据进行QAM调制和IFFT。图5(c)为图5(b)向上采样的频谱，其中虚线示出在总频带中获得正确的信号频谱的具有正确频率响应的滤波器，该频谱再次于图5(d)中示出。
图6示出相同分波段的接收频谱。图6(a)为与其它分波段信号在一起的接收器信号频谱。虚线示出获得图5(c)中所示的正确信号分波段的滤波器的频率响应。图6(c)示出向下采样的信号频谱，其中对周期[-π，π]中的基带信号应用FFT和QAM解调，以获得接收数据。
第一方案的优点是该滤波器和时域信号是实型的，并具有对称频谱。这意味着在发射器中的IFFT运算之后将仅仅获得实信号，并且所有滤波器系数是实数。该方案的缺点是信号分波段必须位于带宽[k*(B/M)，(k+1)*(B/M)]中，其中B是在总频带中的最大频率，并且k＝0，1，...，M-1。
下面讨论第二方案，其中信号可以位于任何频带[F1，F2]中。在第二方面中仅仅对单侧频谱应用FFT，并且可以使用对称特性恢复另一半。图7和图8示出发射器和接收器结构，这非常类似于图3和图4的结构。该方案之间的主要不同是由M向下/向上采样被替换为由2M向下/向上采样。并且，由于我们处理单频带信号，所用的滤波器是单频带复数滤波器，并且FFT的规模为N/(2M)。
图9示出用于图7的单个分波段的第二方案的信号频谱。在该方案中，信号位于任何频带[F1，F2]中。图9(a)为在总频带中发射的分波段频谱。图9(b)为图9(a)的单频带信号，图9(c)为其向下采样的版本。以图9(c)的基带为开始，该基带再次于图9(d)中示出，根据图9(d)的频谱要求对数据应用QAM调制和IFFT。图9(e)是向上采样频谱，并且虚线示出刚好获得总频带的单个频带信号频谱的正确频率响应的滤波器，该信号频谱再次于图9(f)中示出。应当指出，该信号频谱不再对称，结果时域信号和滤波器都是复数。通过取该滤波器的输出的实部，获得图9(a)的对称频谱。由于仅仅滤波器输出的实部被发射，对复数滤波器运算的计算要求被减半。并且，由于FFT仅仅应用于单频带频谱，FFT的规模减小为图5所示的一半。
图10示出同一分频带的接收频谱。图10(a)为接收器信号频谱以及另一个分波段信号。虚线示出获得如图10(b)中所示的正确的单个分波段信号的滤波器的频率响应。再次，由于输入信号是实型的，并具有对称频谱，以及单频带滤波器是复数型的，对复数滤波器运算的计算要求被减半。图10(c)示出向下采样信号频谱，其中在周期[-π，π]中对基带信号应用FFT和QAM调制，以获得所接收数据。在一个周期[-π，π]中的频谱也在图10(d)中示出。
方案2的优点是信号可以位于任何频带[F1，F2]，并且对于相同数目的分波段，FFT的规模为方案1中的一半。这特别适合于仅仅总信道的一部分被用于信号发射的FDM应用中。在这种情况中，仅仅需要处理时域信号非零的频带。唯一的缺点是对发射器和接收器都需要复数滤波运算。但是，如上文所述，仅仅需要一半的复数计算量，该计算量仅仅是实数滤波运算的计算量的两倍(而不是4倍)。
尽管已经讨论和示出本发明的特定实施例，但是本领域内的专业人员显然可以做出各种改变而不脱离基本思想。但是，应当认为这种改变落入有所附权利要求确定的本发明的总范围内。

Claims (16)

1.一种用于在宽带高数据率通信应用中执行快速傅利叶变换(FFT)的系统，该系统包括：
把带宽分为分波段的装置；以及
对每个分波段分别执行FFT的装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中进一步包括分离出所需分波段频率的带通滤波器。
3.根据权利要求2所述的系统，其具有在执行FFT之前分别处理每个分波段的一个调制器，以及在滤波之前把一个信号向上采样为所需采样率的向上采样装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述系统在一个发射器中，该发射器用于发送在数字用户线(DSL)应用中的离散多声频(DMT)信号。
5.根据权利要求3所述的系统，其用于一种超高速率数字用户线(VDSL)应用中。
6.根据权利要求2所述的系统，其中执行FFT的所述装置是一个逆FFT(IFFT)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述系统在一个接收器中，用于接收在DSL应用中的DMT信号。
8.根据权利要求6所述的系统，其用于在VDSL应用中的接收器。
9.一种用于在宽带高数据率通信应用中执行快速傅利叶变换(FFT)的方法，该方法包括：
把带宽分为分波段；以及
对每个分波段分别执行FFT。
10.根据权利要求9所述的方法，其中进一步包括提供带通滤波器的步骤，以分离出所需分波段频率。
11.根据权利要求9所述的方法，其中仅仅对所述分波段的单侧频带执行所述FFT。
12.根据权利要求11所述的方法，其中使用单侧频带滤波器。
13.根据权利要求10所述的方法，其中包括提供一个调制器的步骤，以在执行FFT之前分别处理每个频带。
14.根据权利要求13所述的方法，其中一个向上采样装置在滤波之前把一个信号向上采样为所需采样率。
15.根据权利要求9所述的方法，其用于频分多路复用中，其中对每个频带使用可变规模的FFT。
16.根据权利要求15所述的方法，其中对每个频带使用可变的向上和向下采样率。
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