DE10143007A1

DE10143007A1 - System und Verfahren zum Implementieren einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) bei Datenübertragung

Info

Publication number: DE10143007A1
Application number: DE10143007A
Authority: DE
Inventors: Gary Qu Jin
Original assignee: Zarlink Semoconductor Inc
Current assignee: 1021 Technologies Kk Yokohama Jp
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2002-04-11
Also published as: SE0102923D0; US20020031083A1; SE0102923L; GB0021708D0; GB2366494A; FR2813725A1; CN1356814A; CN1220358C; US7280469B2

Abstract

Ein System und ein Verfahren zum Implementieren einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) arbeiten in einem Kommunikationsnetzwerk für hohe Datenraten. Das Kommunikationsnetzwerk, das Technologien so wie FDSL und DMT oder FDM benutzt, implementiert oft eine FFT an einem Sender, um modulierte Signale der Frequenzdomäne in Zeitdomänensignale umzuwandeln. Eine IFFT wird am Empfänger implementiert, um das ursprüngliche Signal zu erhalten. Das vorliegende System teil die Kanalbandbreite in Unterbänder und führt die FFT-Funktion mit mehreren FFTs durch, um die Chipgröße und die Rechenzeit zu verringern.

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft die Implementation einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) und insbesondere ein System zum effizienten Implementieren einer FFT in einem Kommuni kationssystem mit einer hohen Datenrate.

Hintergrund

Die ständig anwachsende Nachfrage nach Diensten mit hoher Bandbreite für private Haus halte und private Unternehmen hat fortlaufende Investitionen in Verfahren gefördert, mit de nen dieser Nachfrage begegnet werden soll. Es ist wohlbekannt, daß Verbindungen mit opti schen Fasern die erforderliche Bandbreite fortpflanzen können, um Echtzeit-Dienste, so wie Sprache und Video, zur Verfügung zu stellen. Der Fortschritt bei der Installation von Fasern an jeder gewünschten Stelle ist aufgrund der extremen Kosten verzögert worden, die mit dem Bereitstellen und Anschließen der notwendigen optischen Kabel verbunden sind. Aus diesem Grund sind die Anstrengungen verstärkt worden, Wege zu finden, die praktisch allgegenwär tigen verdrillten Kupferleitungen zu verwenden, die nahezu jeden Standort mit dem öffentli chen Schalttelefonnetzwerk (PSTN) verbinden.

Technologien, so wie die asynchrone digitale Teilnehmerleitung (Asynchronous Digital Sub scriber Line; ADSL) sind erfolgreich beim Übertragen von Signalen mit Datenraten von we nigen Mbps über Entfernungen von wenigen tausend Metern erfolgreich gewesen. Es gibt jedoch eine Notwendigkeit, für verbesserte Multimedia-Dienste höhere Datenraten zu liefern, und diese Notwendigkeit kann durch eine Kombination von optischen Kabeln und verdrilltem Kupferpaar erfüllt werden. Programme, die Technologien wie FTTN (Faser in die Nachbar schaft) einführen, bedeuten, daß optische Fasern von einem Zentralamt zu einem oder mehre ren Orten in der Nachbarschaft oder einem Apartmentgebäude gelegt werden, und das ver drillte Kupferpaar wird verwendet, um die Verbindung von diesem Anschluß zum Kundenort zu bilden. Dies verringert die Übertragungsentfernung auf wenige hundert Meter oder mehr. Man hat es geschafft, daß die digitale Teilnehmerleitung mit sehr hoher Rate (VDSL) viel höhere Datenraten übertragen kann, jedoch über eine kürzere Entfernung. Gegenwärtig kön nen Datenraten im Bereich von 13 mbps bis 55 mbps unter Verwendung der VDSL- Technologie erreicht werden.

Die VDSL-Technologie verwendet typischerweise diskrete Multiton(DMT)- und Frequenz teilungs-Multiplex(FDM)-Technologien. Bei solchen Systemen wird die verfügbare Band breite verwendet, um mehrere Kanäle der Information zu tragen, und typischerweise wird eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) verwendet, um Frequenzdomänen-modulierte Signale in Zeitdomänen-Signale umzuwandeln.

Bei dieser Technologie erhält ein Sender am Anschluß in der lokalen Nachbarschaft (NT) die Daten vom Zentralamt und wandelt sie mittels einer schnellen Fourier- Transformationsfunktion in eine Form um, daß sie auf das verdrillte Kupferpaar heruntergela den werden können. Am Empfänger wird eine umgekehrte schnelle Fourier-Transformations (IFFT)-Funktion verwendet, um das ursprüngliche Frequenzsignal zu erhalten. Für Kanäle mit großen Bandbreiten mit einer großen Anzahl von Unterkanälen, die beispielsweise in der VDSL-Anwendung verwendet wird, ist notwendigerweise die FFT-Größe sehr groß. Dies führt zwei Hauptnachteile ein, die die DMT-Anwendung bei VDSL fast unpraktisch macht.

Der erste ist, daß die FFT sehr groß ist, und dies ist nachteilig aus der Perspektive der Chipge staltung her, und der zweite ist, daß die Ausführung der Funktion lange dauern wird. Demge mäß gibt es eine Forderung, ein System für die effiziente Implementation einer FFT in DMT/FDM-Anwendungen zu entwickeln.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das zuvor genannte Problem zu überwinden, indem eine große FFT durch wenige kleine FFTs ersetzt wird. Auf diese Weise werden so wohl Rechenzeit als auch Chipgröße verringert, insbesondere für FDM-Anwedndungen, wenn nur ein Teil des Frequenzbandes für die Datenübertragung verwendet wird.

Daher wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein System zum Imple mentieren einer schnellen Fourier-Transformation bei einer Kommunikationsanwendung mit großer Bandbreite und hoher Datenrate zur Verfügung gestellt, wobei das System aufweist:
eine Einrichtung zum Aufteilen der Bandbreite in Unterbänder und eine Einrichtung zum ge trennten Implementieren der FFT für jedes Unterband.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Imple mentieren einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) bei einer Kommunikationsanwen dung mit großer Bandbreite und hoher Datenrate zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren aufweist: Aufteilen der Bandbreite in Unterbänder und Implementieren der FFT getrennt für jedes Unterband.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei

Fig. 1 ein typisches Sendesignalspektrum in einem FDM-System veranschaulicht;

Fig. 2(a) und 2(b) Blockschaubilder jeweils eines Senders und eines Empfängers nach dem Stand der Technik sind;

Fig. 3 eine Sender-Implementation gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 eine Implementation eines Datenempfängers gemäß der vorliegenden Erfin dung zeigt;

Fig. 5(a) bis 5(d) das Signalspektrum für ein einzelnes Unterband bei dem Sender der Fig. 3 zeigt;

Fig. 6 das empfangene Spektrum desselben Unterbandes zeigt;

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform eines Sendesystems zeigt;

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform eines Empfängersystem zeigt;

Fig. 9 ein Signalspektrum der Ausführungsform nach Fig. 7 zeigt; und

Fig. 10 das Signalspektrum der Ausführungsform der Fig. 8 zeigt.

Genaue Beschreibung der Erfindung

Bei einem typischen auf DMT basierenden System wird eine IFFT mit N Punkten verwendet, um N Frequenz-Unterkanalträger mit durch Quadratamplitudenmodulation (QAM) modulier ten Daten in N Zeitdomänen-Punktwerte umzuwandeln. Fig. 1 zeigt ein typisches Sendesi gnalspektrum, wenn Frequenzteilungsmultiplexen (FDM) verwendet wird. Die Implementati on ist relativ einfach: Daten werden zunächst auf Unterkanalträgern moduliert, wobei QAM- Modulation verwendet wird, und IFFT mit N Punkten wird angewendet. Am Empfängerende wird zunächst die FFT angewendet, und dann wird die QAM-Demodulation benutzt, um die ursprünglichen Daten zu erhalten. Die Blockschaubilder für Sender und Empfänger sind in Fig. 2 gezeigt.

Das Problem bei der oben beschriebenen Implementation ist, daß sowohl die Rechenzeit als auch die Chipgröße sehr hoch sein werden. Bei einer typischen VDSL-Anwendung ist bei spielsweise N = 8192. Auch, da FDM bei VDSL benutzt wird, wird nur ungefähr die Hälfte der Bandbreite entweder für die stromabwärtige oder die stromaufwärtige Datenübertragung benutzt. Das Durchführen der IFFT auf dem gesamten Frequenzband ist eine Verschwendung sowohl von Rechenzeit als auch von Chipgröße. Im folgenden wird ein Modifikationsschema benutzt, wo einzige kleine FFTs anstelle einer großen FFT verwendet werden.

Fig. 3 zeigt eine Implementation der Datenübertragung gemäß einem Aspekt der Erfindung, bei der das gesamte Frequenzband (B) in M Abschnitte aufgeteilt wird, jeder mit der Band breite Bs = B/M, und K von M Unterbändern, die von Null verschiedene Signale enthalten, sollen übertragen werden. In Fig. 3 wird das Signal zunächst in individuellen Bändern mo duliert, und dann wird eine FFT mit N/M Punkten bei jedem individuellen Band angewendet, um das Zeitdomänensignal zu erhalten. Das Zeitdomänensignal wird weiterhin auf die ge wünschte Abtastrate heraufgesetzt, und ein Bandpaßfilter wird angewendet, um jedes Unter bandsignal an den richtigen Ort im gesamten Frequenzband zu bringen. Der Empfänger, der in Fig. 4 gezeigt ist, führt die umgekehrte Operation durch wie der Sender, der in Fig. 3 gezeigt ist. Das Signal wird zunächst in individuelle Bänder gefiltert, und dann wird die Abta strate erniedrigt. FFT mit N/M Punkten wird bei jedem Unterbandsignal angewendet, und die Daten werden durch QAM Demodulation erhalten.

Obwohl bei dem obigen Schema dieselbe Bandbreite für alle Unterbänder angenommen wird, können variable Bandbreiten mit variabler FFT-Größe und (erhöhten/erniedrigten) Abtastra ten ebenso behandelt werden. Was die FFT-Größe und Filterauswahl betrifft, können, wie als nächstes beschrieben wird, zwei unterschiedliche Schemata benutzt werden.

Fig. 5 zeigt da Signalspektrum des ersten Schemas für ein einzelnes Unterband des Senders der Fig. 3. Fig. 5(a) ist das Unterbandspektrum im gesamten Frequenzband, das übertragen werden soll. Fig. 5(b) ist das Basisbandsignal des Spektrums der Fig. 5(a), wobei QAM- Modulation und IFFT auf die Daten, die übertragen werden, angewendet wird. Fig. 5(c) ist das Spektrum der Fig. 5(b) mit vergrößerter Abtastrate, wobei die gestrichelte Linie den Filter mit einer geeigneten Frequenzantwort zeigt, um das richtige Signalspektrum im Ge samtfrequenzband zu erhalten, das wiederum in Fig. 5(d) gezeigt ist.

Fig. 6 zeigt das empfangene Spektrum auf demselben Unterband. Fig. 6(a) ist das Emp fangssignalspektrum zusammen mit dem weiteren Unterbandsignal. Die gestrichelte Linie zeigt die Frequenzantwort des Filters, um das richtige einzelne Unterband zu erhalten, wie es in Fig. 5(c) gezeigt ist. Fig. 6(c) zeigt das Signalspektrum mit verringerter Abtastrate, wo bei FFT und QAM-Demodulation auf das Basisbandsignal in dem Intervall [-π, π] angewen det werden, um die Empfangsdaten zu erhalten.

Der Vorteil des ersten Schemas ist, daß die Filter und das Zeitdomänensignal reell mit einem symmetrischen Spektrum sind. Dies bedeutet, daß nur reelle Signale nach der IFFT-Operation in dem Sender erhalten werden und daß alle Filterkoeffizienten reell sind. Ein Nachteil des Schemas ist, daß sich das Signalunterband in der Bandbreite [k*(B/M), (k+1)*(B/M)] befin den muß, wobei B die maximale Frequenz im gesamten Frequenzband ist und k = 0, 1, . . ., M-1.

Als nächstes wird das zweite Schema diskutiert, bei dem Signale sich in irgendeinem Fre quenzband [F₁, F₂] befinden können. Bei diesem zweiten Schema wird FFT nur auf eine ein zelne Seite des Bandspektrums angewendet, und die andere Hälfte kann wiedergewonnen werden, indem die Symmetrieeigenschaft ausgenutzt wird. Fig. 7 und Fig. 8 zeigen die Strukturen von Sender und Empfänger, die der Architektur der Fig. 3 und 4 sehr ähnlich sind. Der Hauptunterschied zwischen den Schemata ist, daß das Erniedrigen/Erhöhen der Abtastrate um M durch das Erniedrigen/Erhöhen der Abtastrate um 2M ersetzt wird. Auch, da wir ein einzelnes Bandsignal behandeln, ist das Filter, das verwendet wird, ein komplexes Einzelbandfilter, und die Größe der FFT ist N/(2M).

Fig. 9 zeigt das Signalspektrum des zweiten Schemas für das einzelne Unterband der Fig. 7. Bei diesem Schema befindet sich das Signal in irgendeinem Frequenzband [F₁, F₂]. Fig. 9(a) ist das Unterbandspektrum, das in dem Gesamtfrequenzband übertragen werden soll. Fig. 9(b) ist ein Einzelbandsignal der Fig. 9(a), und Fig. 9(c) ist seine Version mit ernied rigter Abtastrate. Beginnend mit dem Basisband der Fig. 9(c), das wieder in Fig. 9(d) ge zeigt ist, werden QAM-Modulation und IFFT auf Daten angewendet, basierend auf der Spek trumsanforderung der Fig. 9(d). Fig. 9(e) ist das Spektrum mit erhöhter Abtastrate, und die gestrichelten Linien zeigen den Filter mit der richtigen Filterantwort, um das richtige Einzel bandsignalspektrum des gesamten Frequenzbandes zu erhalten, das wiederum in Fig. 9(f) gezeigt ist. Es soll angemerkt werden, daß das Signalspektrum nicht mehr symmetrisch ist, und als ein Ergebnis werden sowohl das Zeitdomänensignal als auch der Filter komplexe Zahlen. Indem man den reellen Teil der Filterausgabe nimmt, wird das symmetrische Spek trum der Fig. 9(a) erhalten. Da nur der reelle Teil der Filterausgabe übertragen wird, wird die Rechenanforderung für die Operation des komplexen Filters halbiert. Auch, da FFT nur auf das Einzelbandspektrum angewendet wird, ist die Größe der FFT die Hälfte der in Fig. 5.

Fig. 10 zeigt das empfangene Spektrum desselben Unterbandes. Fig. 10(a) ist das Empfän gersignalspektrum zusammen mit dem anderen Unterbandsignal. Die gestrichelte Linie zeigt die Frequenzantwort des Filters, um das richtige einzelne Unterbandsignal, wie in Fig. 10(b) gezeigt, zu erhalten. Wiederum, da das Eingangssignal reell mit einem symmetrischen Spek trum ist und der Einzelbandfilter komplex ist, wird die Rechenforderung für die Operation des komplexen Filters halbiert. Fig. 10(c) zeigt das Signalspektrum mit erniedrigter Abtastrate, wobei FFT und QAM-Demodulation auf das Basisbandsignal in dem Intervall [-π, π] in ange wendet werden, um die Empfangsdaten zu erhalten. Das Spektrum in einer Periode [-π, π] ist auch in Fig. 10(d) gezeigt.

Die Vorteile des zweiten Schemas liegen darin, daß sich das Signal in irgendeinem Frequenz band [F₁, F₂] befinden kann, und die Größe der FFT ist die Hälfte derjenigen des ersten Sche mas für dieselbe Anzahl von Unterbändern. Es ist insbesondere für die FDM-Anwendung geeignet, bei der nur ein Teil des gesamten Kanals für die Signalübertragung verwendet wird. In einem solchen Fall ist es nur notwendig, die Bänder zu verarbeiten, deren Zeitdomänensi gnal nicht Null ist. Der einzige Nachteil ist, daß die komplexe Filteroperation sowohl für den Sender als auch für den Empfänger erforderlich ist. Wie jedoch zuvor gezeigt, wird nur die Hälfte der komplexen Rechnung benötigt, was nur das Doppelte (anstelle des Vierfachen) der Rechenzeit der realen Filteroperation ist.

Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung diskutiert und veranschaulicht sind, wird es für den Fachmann deutlich, daß zahlreiche Alternativen eingeführt werden, ohne daß man sich vom Grundkonzept entfernt. Der Fachmann wird jedoch verstehen, daß solche Al ternativen im möglichen Ausmaß in den Umfang der Erfindung fallen werden, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert ist.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbar ten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims

1. System zum Implementieren einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) bei einer Kommunikationsanwendung mit großer Bandbreite und hoher Datenrate, wobei das System aufweist:
eine Einrichtung zum Aufteilen der Bandbreite in Unterbänder; und
eine Einrichtung zum Implementieren der FFT getrennt für jedes Unterband.

2. System nach Anspruch 1, das weiterhin Bandpaßfilter umfaßt, um die gewünschten Unterbandfrequenzen zu isolieren.

3. System nach Anspruch 2, mit einem Modulator, um jedes Unterband getrennt vor der Implementation der FFT zu verarbeiten, und einer Einrichtung zum Erhöhen der Abta strate vor dem Filter, um ein Signal auf eine gewünschte Abtastrate zu bringen.

4. System nach Anspruch 3, bei dem das System sich in einem Sender zum Übertragen von diskreten Multiton(DMT)-Signalen bei einer Anwendung der digitalen Teilneh merleitung (DSL) befindet.

5. System nach Anspruch 3 zur Verwendung bei einer Anwendung der digitalen Teil nehmerleitung mit sehr hoher Rate (VDSL).

6. System nach Anspruch 2, bei dem die Einrichtung zum Implementieren der FFT eine inverse FFT (IFFT) ist.

7. System nach Anspruch 6, bei dem sich das System in einem Empfänger zum Empfan gen von DMT-Signalen einer DSL-Anwendung befindet.

8. System nach Anspruch 6 zur Verwendung bei einer VDSL-Anwendung.

9. Verfahren zum Implementieren einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) bei ei ner Kommunikationsanwendung mit großer Bandbreite und hoher Datenrate, wobei das Verfahren aufweist:
Aufteilen der Bandbreite in Unterbänder; und
Implementieren der FFT getrennt für jedes Unterband.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin den Schritt des Bereitstellens von Bandpaß filtern, um gewünschte Unterbandfrequenzen zu isolieren, umfaßt.

11. System nach Anspruch 9, bei dem die FFT für nur ein einzelnes Seitenband der Unter bänder implementiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein Bandfilter für die einzelne Seite benutzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 10, das den Schritt des Bereitstellens eines Modulators um faßt, um jedes Unterband getrennt vor der Implementation der FFT zu behandeln.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem eine Einrichtung zum Erhöhen der Abtastrate vor dem Filter ein Signal auf die gewünschte Abtastrate bringt.

15. Verfahren nach Anspruch 9 zur Verwendung in einer Frequenzteilungsmultiplex- Anwendung, bei der eine variabel große FFT für jedes individuelle Band benutzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem variable erhöhte und erniedrigte Abtastraten für jedes individuelle Band benutzt werden.