DE69533566T2

DE69533566T2 - Frequenzmultiplexierung mittels Mehrphasenfilter und schnellen Fouriertransformationen

Info

Publication number: DE69533566T2
Application number: DE69533566T
Authority: DE
Inventors: Alexander Walker Wishart; Paul Simon Welwyn Garden City Cornfield
Original assignee: Matra Marconi Space UK Ltd
Current assignee: Matra Marconi Space UK Ltd
Priority date: 1994-07-20
Filing date: 1995-07-17
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2015-07-18
Also published as: EP0695054A3; EP0695054B1; EP0695054A2; GB9414664D0; DE69533566D1; US5699363A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung zum Frequenzmultiplexen und Demultiplexen von Schmalband-Frequenz-Multiplex-Signalen (FDM-Signalen) und insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, die in Verbindung mit Kommunikationssatelliten benutzbar ist, um mobile oder von Personen getragene Telefonnetze zu unterstützen.
Die Benutzung eines solchen Kommunikationssatelliten erfordert im typischen Fall eine Schmalband-Frequenz-Kanalisierung sowohl der aufsteigenden als auch der absteigenden Verbindung in einem bordeigenen Prozessor im Satelliten, um den Kanal für die Strahlstreckenwahl zu bereiten. Es ist äußerst erwünscht, einen flexiblen Kanal für die Strahlstreckenwahl zur Verfügung zu haben, um eine genügende Systemflexibilität im Hinblick auf eine Anpassung des Verkehrsbedarfs an die Antennenstrahlbedeckungen auf den Verbindungen zwischen dem Satelliten und den mobilen oder personellen Anschlüssen herzustellen. Diese Kanalisierungsfunktion ist bei der Anwendung in Verbindung mit herkömmlichen digitalen Signalverarbeitungsgeräten kostspielig.
Herkömmliche digitale Signalverarbeitungsvorrichtungen zum Multiplexen einer Anzahl von Schmalbandkanälen auf ein Breitband-Frequenz-Multiplex-Signal (FDM-Signal) und zum Demultiplexen eines Breitband-FDM in seine Schmalband-Kanalkomponenten teilen im Allgemeinen den Prozess in zwei Stufen auf, nämlich eine Blockverarbeitungsstufe und eine Feinfilterstufe. In der Blockverarbeitungsstufe werden sämtliche Kanäle gleichzeitig mit einem groben Pegel von Demultiplexen/Multiplexen gefiltert unter Benutzung einer bestimmten Art von schnellen Fourier-Transformationsfilter-Bänken mit einem Filter, das relativ benachbarte Übertragungsbänder besitzt und die erste Stufe des Demultiplex- Prozesses und die Endstufe des Multiplex-Prozesses bildet. Üblicherweise wird diese Blockverarbeitungsstufe durch eine Feinverarbeitungsstufe vervollständigt, die eine Bank identischer Tiefpassfilter aufweist, die relativ dichte Übertragungsbänder haben, bei denen jedes Filter auf einen getrennten Kanal einwirkt.
Systeme dieser Art sind in der US-A-5 299 192 und in der US-A-4 799 179 beschrieben.
Ein K-Kanal-Demultiplexer herkömmlicher Form ist in 1 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt, und ein herkömmlicher K-Kanal-Multiplexer ist in 2 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. 3a zeigt das Spektrum des Eingangs-FDM-Signals von K-Kanälen gleichförmig gestapelter komplexer Abtastungen, die kritisch mit f_s-Abtastungen pro Sekunde abgetastet sind. Das Spektrum ist dargestellt zwischen ω = ±π-Radianten pro Abtastung und das Spektrum wiederholt sich außerhalb des Bereichs unendlich mit einer Periodizität von 2π-Radianten pro Abtastung. Die normalisierte Kreisfrequenz ω ist auf die Abtastfrequenz f_s durch die folgende Gleichung bezogen:
So kann der Bandrandbereich entweder als ω = ±π oder als Frequenz f = ±f_s/2 definiert werden.
Bei dem allgemein mit 1 bezeichneten Demultiplexer trennt ein Blockprozessor, der allgemein mit 2 bezeichnet ist und aus einem groben Mehrphasenfilter und einer angeschlossen K-Punkt-FFT-Einheit 4 besteht, ein FDM-Eingangssignal 5 von K-Kanälen, aber belässt unerwünschte Energie von Übertragungsbandbereichen seines Filters in einem Teil seines spektralen Bandes eines jeden Ausgangs. Das Abtastspektrum des Eingangs-FDM ist in 3a dargestellt. 3b zeigt das Frequenzansprechen des Mehrphasenfilter/FFT zur Extrahierung des Kanals 0. Das Frequenzansprechen hat das gleiche Profil, zentriert auf jedem Kanal, d. h. es hat ein spiegelbildliches Ansprechen. Das Durchlassband ist auf den gewünschten Kanal zentriert und die Übertragungsbänder sind relativ entspannt und erstrecken sich tatsächlich auf beiden Seiten über das benachbarte Band und darüberhinaus erstrecken sich die Stoppbänder nach ±π. Derartige Relaxations-Übertragungsbänder sind notwendig, um den komplexen Aufbau der Filteranordnung zu vereinfachen, aber dadurch wird die Feinfilterbank erforderlich.
Außerdem begrenzen die Relaxations-Übertragungsbänder die maximale Menge, durch die der Ausgang für jeden Kanal im Mehrphasenfilter/FFT dezimiert werden kann. Demgemäß wird jeder Kanal, nachdem das FDM durch das kammartige Filter gefiltert wurde, dessen Ansprechen die wiederholte (und teilweise überlappende) Version von 3b ist, mit einer geeigneten Ortsoszillatorfrequenz vermischt, so dass eine Konvertierung nach unten auf das Basisband erfolgt und die Abtastfrequenz wird entsprechend der neuen, kleineren Bandbreite vermindert.
Jedoch könnte gemäß 3c, wo der Ausgang des Mehrphasenfilter/FFT für jeden einzelnen Kanal gezeigt ist, die Signalinformation eines jeden Kanals vollständig definiert werden, wenn der Bandrand der Rand des Durchlassbandes ist und nicht halbwegs entlang dem Übertragungsband liegt, wie dargestellt. (3c zeigt den Bereich des Spektrums zwischen ±π und das Spektrum wiederholt sich unendlich außerhalb des Bereichs mit einer Periodizität von 2π.) 3c zeigt eine Dezimierung von K/2. Der Grund, warum dies die maximal mögliche Dezimierung ist, besteht darin, dass dann, wenn die Abtastrate niedriger war, die Übertragungsbänder, die die Signalenergie von den beiden benachbarten Kanälen enthalten, das Durchlassband eines jeden individuellen Kanals verfälschen würden.
Eine Bank von engen Filtern 6, die an diese Ausgänge angeschlossen sind, bewirkt eine Entfernung der Übertragungsbandenergie und vollendet den Kanalisationsprozess in K-Ausgangskanäle bei 7.
Bei dem herkömmlichen Multiplexer 8 konditioniert die Bank der Einzelfilter 6 die Eingangskanäle 9 mit dem Blockprozessor 2, indem gewährleistet wird, dass keine Restenergie (beispielsweise eingeführt durch Auftasten) vorhanden ist, die in die Übertragungsbänder der Filter 3 des Blockprozessors einfallen und dadurch Störungen verursachen könnte.
Eine derartige herkömmliche Zweistufenvorrichtung führt im Allgemeinen zu einer niedrigeren Rechnerbelastung als ein Einstufenäquivalent, aber es besteht dennoch die Notwendigkeit nach einer noch geringeren Gesamtrechnerbelastung mit einer größeren Flexibilität des Gesamtdezimierungs-(Interpolations-)Faktors in der Kanalisierung ohne Kompromiss bezüglich der Rechnerwirksamkeit und ohne Kompromiss bezüglich der Handware-Einrichtungserfordernisse.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung betrifft diese eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung zum Frequenzdemultiplexen von Schmalband-Frequenz-Multiplex-Signalen (FDM-Signalen) mit einer Block-Feinverarbeitungsstufe, die einen Eingang für ein FDM-Signal von K/Schmalbandkanälen und Ausgänge aufweist für wenigstens ein FDM-Signal mit K/x geradzahligen Indexkanälen, wobei der Bereich des Spektrums, der den K/x ungeradzahligen Indexkanälen entspricht, einer Nulloperation unterworfen wurde und für wenigstens ein FDM-Signal mit K/x ungeradzahligen Indexkanälen, wobei der Bereich des Spektrums, der den K/x geradzahligen Indexkanälen entspricht, einer Nulloperation unterworfen wurde; und für x-Block-Grobverarbeitungsstufen, deren Eingänge an den jeweiligen Ausgang der Block-Feinverarbeitungsstufe angeschlossen sind, und von denen jede Ausgänge für die K/x-Schmalbandkanäle aufweist, wobei jede Block-Grobverarbeitungsstufe eine Filterfunktion mit einer abgebildeten Antwort durchführt, deren Übertragungsbänder in den genullten Bereichen des Spektrums des zugeordneten Ausgangs der Feinbearbeitungsstufe liegen.
Gemäß einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft diese eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung zum Frequenzmultiplexen von Schmalband-Frequenz-Multiplex-Signalen (FDM-Signalen) mit einer Mehrzahl (x) von Block-Grobverarbeitungsstufen, von denen jede einen Eingang für K/x-Schmalbandkanäle und einen Ausgang aufweist für ein FDM-Signal mit K/x-Kanälen und für eine Block-Feinverarbeitungsstufe, die mit den Eingängen an jeweiligen Ausgängen der Block-Grobverarbeitungsstufen angeschlossen ist und wenigstens ein Eingangs-FDM-Signal mit K/x geradzahligen Indexkanälen und wenigstens ein Eingangs-FDM-Signal mit K/x ungeradzahligen Indexkanälen kombiniert, wobei der Bereich des Spektrums entsprechend den ungeradzahligen Indexkanälen bzw. den jeweiligen geradzahligen Indexkanälen in jedem Fall genullt wird, um ein FDM-Signal mit K-Schmalbandkanälen zu erzeugen, wobei jede Block-Grobverarbeitungsstufe eine Filterfunktion mit einer abgebildeten Antwort durchführt, deren Übertragungsbänder in den genullten Ausgangsbereichen der Antwort liegen entsprechend den jeweiligen Eingängen der Block-Feinverarbeitungsstufe.
Da nunmehr die Übertragungsbänder in den ausgenullten Bereichen des Spektrums liegen, ist nunmehr eine maximale Dezimierung der einzelnen Schmalbandausgänge im Demultiplexmodus möglich, und es wird eine maximale Interpolation der einzelnen Schmalbandeingänge im Multiplexmodus möglich.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht werden kann, wird im Folgenden auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen. In der Zeichnung zeigen:
1 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Zweistufen-Demultiplexers, der nicht Gegenstand der Erfindung ist;
2 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Zweistufen-Multiplexers, der nicht Gegenstand der Erfindung ist;
3a ist eine graphische Darstellung des Spektrums des Eingangs-FDM-Signals für 1 und des Ausgangs-FDM-Signals für 2;
3b ist eine graphische Darstellung des Ansprechens der Einheit, die abgebildet ist, um das Frequenzansprechen der Filterfunktion in der Block-Grobverarbeitungsstufe gemäß 1 oder 2 zu bilden;
3c ist eine graphische Darstellung des Frequenzansprechens gemäß 3b nach der Dezimierung um K/2;
3d ist eine graphische Darstellung des Frequenzansprechens gemäß 3b nach der Dezimierung um K gemäß der Erfindung;
4a ist eine graphische Darstellung des Spiegelfrequenzansprechens eines Prototyps eines Halbband-Tiefpassfilters zur Benutzung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4b ist eine graphische Darstellung des Spiegelfrequenzansprechens eines Prototyps eines Halbband-Hochpassfilters zur Benutzung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
5 ist ein Blockschaltbild einer zweistufigen digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die als Demultiplexer arbeitet;
6 ist ein Blockschaltbild einer zweitstufigen digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die als Multiplexer arbeitet; und
7 ist ein Blockschaltbild einer dreistufigen Signalverarbeitungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die als Demultiplexer arbeitet.
Wie in der beiliegenden Zeichnung, insbesondere in den 3d und 4 bis 7, dargestellt, umfasst eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung zum Frequenzmultiplexen und Frequenzdemultiplexen von Schmalband-Frequenz-Multiplex-Signalen (FDM-Signalen) eine Block-Feinverarbeitungsstufe 11, 11a, die in Reihe mit einer ersten Block-Grobverarbeitungsstufe 12 und einer zweiten Block-Grobverarbeitungsstufe 12a verbunden ist. Die Block-Feinverarbeitungsstufe besteht aus Blöcken 11, 11a, die auf der den beiden Block-Grobverarbeitungsstufen 12, 12a abgewandten Seite 13 miteinander gekoppelt sind, um einen ersten Anschluss 14 zu schaffen, der mit K-Kanälen arbeitsfähig ist, wobei die Block-Grobverarbeitungsstufen 12, 12a jeweils mehrere Anschlüsse 15 aufweisen, die K/x-Kanäle bilden, wobei x die Zahl der Block-Grobverarbeitungsstufen ist.
Die Blockverarbeitungsstufe gemäß 1 und 2, die die Grobfilterung durchführt, bleibt bei der Vorrichtung gemäß 5 bis 7 unverändert und sichert, dass in den 5 bis 7 eine Dezimierung um K gemäß 3d stattfindet, anstelle der Dezimierung mit K/2 nach 3; und es wird weiter gesichert, dass anstelle der K-Punkt-FFT-Implementierung in der Blockverarbeitungsstufe 2 gemäß 1 und 2 zwei K/2-Punkt-FFTs in der Blockverarbeitungsstufe 2, 2a, 12, 12a in den 5 und 6 und vier K/4-Punkt-FFTs in den Blockverarbeitungsstufen 12, 12a gemäß 7 durchgeführt werden. Im Gegensatz zu der Bank von Feinfiltern 6 gemäß 1 und 2 benutzt die Vorrichtung nach der Erfindung eine Block-Feinverarbeitungsstufe, in der die Kanäle im FDM-Format zur Feinfilterung vorhanden sind. Im Demultiplexmodus gemäß 5 der beiliegenden Zeichnung wird das FDM-Breitband-Eingangssignal von K-Kanälen (wie in 3a dargestellt) der ersten und zweiten Block-Feinverarbeitungsstufen 11 und 11a über den ersten Anschluss 14 zugeführt und in zwei Teile aufgeteilt, von denen der eine durch die erste Block-Feinverarbeitungsstufe 11 hindurchtritt und mit der ersten Block-Grobverarbeitungsstufe 12 verbunden ist, um hieraus K/x geradzahlige Index-Schmalbandkanäle auszugeben. Bei dem dargestellten zweistufigen Ausführungsbeispiel ist x = 2. Der andere Teil des Eingangssignals durchläuft die zweite Block-Feinverarbeitungsstufe 11a und ist mit der zweiten Block-Grobverarbeitungsstufe 12a verbunden, um daraus K/x ungeradzahlige Index-Schmalbandkanäle auszugeben, wobei in dem Ausführungsbeispiel nach 5 eine zweistufige Anordnung getroffen und x = 2 ist. So wird im Demultiplexmodus der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Feinblockfilterung bei dem Breitband-FDM-Eingangssignal durchgeführt, bevor die Grobfilterung in den Stufen 12 und 12a erfolgt.
Im Multiplexmodus gemäß 6 arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung nach 5 in umgekehrter Weise zu der in Bezug auf den Demultiplexmodus beschriebenen Weise, so dass K/2 geradzahlige Index-Schmalbandkanäle an den Anschlüssen 15 der Stufe 12 zugeführt werden und K/2 ungeradzahlige Index-Schmalbandkanäle an den Anschlüssen 15 der Stufe 12a zugeführt werden, um einen FDM-Breitband-Ausgang von K-Kanälen am Anschluss 14 (3a) zu erhalten. Demgemäß wird im Multiplexmodus gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Blockfeinfilterprozess dem Ausgang der Grobfilterstufe zugeführt. Dies steht völlig im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren.
Die ersten und zweiten Block-Feinverarbeitungsstufen 11 und 11a haben jeweils ein Finite Impulse Response System (FIR-System) von Tiefpassfiltern oder Hochpassfiltern. Die ersten und zweiten Block-Grobverarbeitungsstufen 12 und 12a umfassen jeweils ein Mehrphasenfilter 16 und eine schnelle Fourier-Transformationseinheit 17 (FFT), wobei das Mehrphasenfilter 16 an eine Seite des zugeordneten Block-Grobverarbeitungsstufenfilters 11 oder 11a angeschlossen ist und die andere Seite an einer Seite der FFT-Einheit 17 angeschlossen ist, deren andere Seite mehrere Anschlüsse 15 hat.
Aus Zweckmäßigkeitsgründen wird im Folgenden die Theorie, die der Arbeitsweise der Vorrichtung nach 5 und 6 zugrunde liegt, in Ausdrücken komplexer kritisch getasteter FDM-Kanäle beschrieben.
Der Eingang 14 nach dem Demultiplexer (Ausgang vom Multiplexer) ist ein kritisch getasteter komplexer FDM von K-Kanälen, jeweils mit der Breite
(3a). Die Zahl der Kanäle K ist geradzahlig und sie sind in einer geradzahligen Stapelanordnung ausgebildet, d. h. die Kanäle sind bei den Frequenzen
k = 0, ..., K – 1 zentriert. Jeder Kanalschlitz ist in einem Durchlassbandbereich der Breite
geteilt, zentriert bei ω_k, wobei 0 < α < 1 und ein Schutzbandbereich der Breite
auf beiden Seiten des Durchlassbandbereichs besteht. Der Demultiplexer(Multiplexer)-Prozess muss ein Signal im Schlitzdurchlassbandbereich gegen gespiegelte Interferenzen sichern und die Schutzbandbereiche für die Übertragungsbänder im Kanalisierungsfilterprozess benutzen.
Das Mehrphasenfilter 16, welches die Grobkanalisierung in Verbindung mit der FFT-Einheit 17 durchführt, besteht aus einem realen Tiefpass-Prototyp-FIR-Filter h_coarse, wobei eine Einheits-Abtastanwort der Länge N_coarse vorhanden ist. Dieses Filter hat die allgemeine folgende Spezifikation: Durchlassbandrand
Stoppbandrand
Übertragungsbandbreite
Länge
wobei D die Proportionskonstante der FIR-Filterausbildung ist.
Der enge oder Feinkanalisationsfilter-Prototyp h_fine ist auch eine FIR-Tiefpassausbildung mit der folgenden allgemeinen Spezifikation:
Durchlassbandrand
Stoppbandrand
Übertragungsbandbreite

Δω = π(1 – α)

Dies definiert ein Halbbandfilter mit der Länge
Halbbandfilter haben die nützliche Eigenschaft, dass das Einheits-Abtastansprechen der Länge N die Form N = 4J + 1 hat, wobei J die Zahl der verschiedenen von Null unterschiedenen Abgriffe ist. Die Zahl der verschiedenen Multiplikationen, die pro Ausgangsabtastung erforderlich sind, ist daher (J + 1).
Das Einheits-Abtastansprechen dieses Halbbandfilters wird als h_fine(n), n = 0, ..., N_fine – 1 bezeichnet.
Ein neues Filter 11 kann mit dem Einheits-Abtastansprechen h_f1 der Form
erzeugt werden
sonst 0.
Dies ist die (K/2)-Falt-Interpolations-Version von h_fine(n), die durch K/2 – 1 Nullen zwischen jeder ursprünglichen Abtastung ausgebildet wurden. Das Frequenzansprechen dieses interpolierten Filters ist eine Spiegelversion des Frequenzansprechens des Prototypfilters H_fine(e^jω), wie in 4a dargestellt. Das Spiegelbildansprechen besitzt den ersten Durchlassband-Einsatzpunkt bei ω_p = ±απ/K und den ersten Stoppbandrand bei ω_s = ±(2 – α)π/K und die Durchlassbänder des Filteransprechens sind bei den Frequenzen 2π2k/K, k = 0, ..., K/2 zentriert, und dies entspricht den zentrierten Frequenzen der geradzahligen Indexkanäle im K-Kanal-FDM.
Ein Komplementärfilter 11a, der ein Spiegelfrequenzansprechen besitzt und Durchlassbänder, zentriert auf die ungeradzahligen Indexkanäle, wie in 4 dargestellt, aufweist, kann auch aus der Hochpass-Version des Prototyps gebildet werden. Das erforderliche Einheits-Abtastansprechen des Filters h_f2 ist gegeben durch:
sonst 0.
Das gespiegelte 1/2-Bandfilterpaar h_f1 und h_f2, d. h. die Filter 11 und 11a, bilden die Basis der Block-Feinfilterprozessorstufe des Demultiplexers und Multiplexers.
So wird in Ausdrücken des Demultiplexers, wie er in 5 dargestellt ist, das Eingangs-FDM-Signal 14 in zwei parallele Zweige 18 und 19 kopiert. Das Signal im Zweig 18 wird im FIR-Filter 11 gefiltert, wobei das Einheits-Abtastansprechen h_f1, in der Gleichung (1) definiert ist und das Signal im Zweig 19 mit dem FIR-Filter 11a gefiltert wird, wobei das Einheits-Abtastansprechen h_f2 in der Gleichung (2) definiert ist. Die Symmetrie des Einheits-Abtastansprechens des Prototyp-Halbbandfilters h_fine bedeutet, dass die Ausgänge von beiden Filtern 11 und 11a aus einer gemeinsamen Gruppe von Zwischenprodukten der von Null verschiedenen Abtastungen von h_fine und den Eingangssignal-Abtastungen berechnet werden (die letzteren sind die gleichen in beiden Zweigen).
Die Prozessorstufe ist daher ein Blockprozessor in dem Sinn, dass eine einzige Rechnerfunktion gleichzeitig allen Kanälen in dem Eingangs-FDM zugeführt wird, das die Feinfilterung beim Demultiplexen durchführt. Der Blockfeinprozessor hat einen einzigen Eingang und zwei Ausgänge. Der Ausgang am Zweig 18 hält die geradzahligen Indexkanäle, und die ungeradzahligen Kanäle sind in der Tiefe des Stoppbandes des Prototyp-Halbbandfilters h_fine abgeschwächt. In gleicher Weise behält der Ausgang des Zweiges 19 die ungeradzahligen Indexkanäle, wobei die geradzahligen Indexkanäle abgeschwächt werden. Diese Ausgänge werden dann getrennten Grob-Mehrphasen-FFT-Prozessoren 12 und 12a zugeführt, die die Filterung h_coarse durchführen und das Multiplexen der geradzahligen und ungeradzahligen Indexkanäle vollenden.
Wie in 5 dargestellt, bilden die Mehrphasen-FFT-Prozessoren 12, 12a K-Punkt-FFTs und so ist nur die Hälfte ihrer Ausgänge nützlich. Eine Alternative bestünde darin, K/2-Punkt-FFTs zu benutzen, was den Vorteil eines verminderten Rechnerbedarfs in den FFT-Prozessoren hätte, gleichzeitig aber den Nachteil, dass komplexe Mehrphasenfilter erforderlich sind, die im Zweig 19 arbeiten, da das Frequenzansprechen versetzt werden muss, um eine Anpassung an die ungeradzahligen Indexkanäle zu erreichen.
Bei der üblichen Demultiplexer-Konfiguration gemäß 1 beträgt der maximale Dezimierungsfaktor im Grobfilter-Mehrphasen-FFT-Prozessor M_coarse = K/2, und wenn tatsächlich ein niedrigerer Dezimierungsfaktor M_coarse < K/2 benutzt wird, dann können die individuellen Filter h_fine, die anschließend an die FFT-Ausgänge angeschlossen werden, keine Halbbandausbildungen sein, die die Rechnererfordernisse erhöhen. Demgemäß ist die herkömmliche Anordnung auf Zweistufen-Demultiplexern wirksam auf Dezimierungsfaktoren von M_coarse = K/2 und M_fine = 2 oder 1 begrenzt, was einen Gesamtdezimierungsfaktor von entweder M = K oder M = K/2 (3c) bewirkt.
Im Gegensatz dazu benutzt die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die rechnerische Effizienz eines Halbband-Prototyp-Filters in einer Block-Feinfilterstufe ohne irgendwelche Beschränkungen auf den Dezimierungsfaktor in der Mehrphasen-FFT-Grobfilterstufe, was gewählt werden kann, um die Anwendung anzupassen. Wenn der Gesamtdezimierungsfaktor M = K erforderlich ist, dann ist die rechnerische Arbeitsbelastung in der neuartigen Architektur identisch mit der herkömmlichen Anordnung; da der Dezimierungsfaktor M vermindert wird, erhält die Vorrichtung gemäß der Erfindung progressiv eine bessere rechnerische Effizienz als das herkömmliche Äquivalent. Gemäß 3d ist eine Dezimierung um K möglich, obgleich die Übertragungsbänder (strichliert dargestellt) nunmehr völlig verändert in jedem Durchlassband sind. Diese Übertragungsbänder entsprechen nunmehr den ausgenullten Bereichen gemäß 4a und 4b und enthalten daher keine Energie. Demgemäß bewirkt die Veränderung dieser Bänder in dem Durchlassband kein Problem.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat außerdem den Vorteil, dass die Hardware-Erfordernisse für die Block-Feinvorderend-Prozessorenstufe fixiert sind, unabhängig von dem Gesamtdezimierungsfaktor in dem Demultiplexer, da dieser Prozessor selbst keine Dezimierung enthält. Im Gegensatz dazu leiden herkömmliche Demultiplexer unter dem Nachteil, dass die Hardware-Implementierungserfordernisse für die Bank der zweiten Filterstufe ansteigen, wenn der Gesamtdezimierungsfaktor vermindert wird. Unter der Annahme, dass beispielsweise die Mehrphasen-FFT-Merkmals-Dezimierung um M_coarse = K/m, dann wird die Datenrate des Zeitmultiplex-Ausgangs, der die K-Kanäle enthält, m-mal so groß wie die Datenrate des Eingangs-FDM, wodurch die Hardware-Implementierung der zweiten Stufenfilter kompliziert wird.
Der Multiplexermodus gemäß 6 ist im Wesentlichen jener des Demultiplexers, der in umgekehrter Ordnung läuft. Die auf K basiernden Kanäle sind in zwei parallele Ströme getrennt, die jeweils für die geradzahligen Indexschlitze und die ungeradzahligen Indexschlitze im Ausgangs-FDM bestimmt sind. Diese Ströme werden dann als Eingänge dem IFFT-Mehrphasen-Prozessorenpaar 12, 12a zugeführt, wie dies dargestellt ist, und dies bewirkt eine Interpolation eines jeden Kanals bis zu einer Ausgangs-FDM-Abtastrate, und sie werden in das FDM multiplext, wobei die Grob-Mehrphasen-Filter 16 nunmehr die erforderliche ungespiegelte Filterung durchführen, die dem Interpolierungsprozess zugeordnet ist. Die Mehrphasen-IFFT-Ausgänge werden in den gespiegelten Halbbandfiltern 11, 11a gefiltert, um Restenergie zu entfernen, die durch die Grob-Interpolations-Filter 16 in den geradzahligen und ungeradzahligen Indexzweigen verblieben ist (z. B. infolge der Spiegelung, die durch Aufwärtsabtastung verursacht wurde oder in den Eingängen des Prozessors vorhanden war) und dann werden die Ausgänge summiert, um das einzige Ausgangs-FDM-Signal am Anschluss 14 zu erzeugen. Dieser letztere Schritt ist tatsächlich kombiniert mit der Antispiegelungs-Feinfilterung.
So ist bei den Beispielen nach 5 und 6 jede FFT-Einheit 17 eine K-Punkt-Einheit und die Vorrichtung arbeitet mit zwei Block-Feinverarbeitungsstufen und zwei Block-Grobverarbeitungsstufen als zweistufiger Multiplexer/Demultiplexer mit K/2 geradzahligen Indexkanälen und K/2 ungeradzahligen Indexkanälen.
Die Vorrichtung braucht jedoch nicht auf zwei Stufen beschränkt zu werden und bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 7 ist die Vorrichtung im Demultiplexmodus als dreistufige Vorrichtung dargestellt und in diesem Fall ist K durch vier teilbar. Das Beispiel gemäß 7 ist grundsätzlich gleich dem Beispiel nach 5 und 6 und deshalb sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel nach 7 weisen jedoch die ersten und zweiten Feinbearbeitungsstufen 11 und 11a jeweils ein weiteres gespiegeltes Paar von FIR-Tiefpassfiltern 20 auf, die parallel zu den zugeordneten ersten und zweiten Block-Feinverarbeitungsstufenfiltern 11, zwei Mehrphasenfiltern 16 und zwei FFT-Einheiten 17 geschaltet sind. Ein Mehrphasenfilter 16 ist mit einer Seite des zugeordneten weiteren gespiegelten Filters 20 verbunden und an der anderen Seite an einer Seite der zugeordneten FFT-Einheit 17 angeschlossen, deren andere Seite die Anschlüsse 15 bildet. Der andere Mehrphasenfilter 16a in jedem Paar liegt parallel zu dem Filter 16 und ist an der einen Seite mit dem anderen zugeordneten Filter 20 des Spiegelpaares und an der anderen Seite mit der Seite der zugeordneten FFT-Einheit 17 verbunden, deren andere Seite die Anschlüsse 15 bildet. Demgemäß wird der Zweig 18, der vom Filter 11 herrührt, in zwei Teile 18a und 18b aufgeteilt, und in dem Teil 18a liegen in Reihe das Filter 20, das Filter 16 und die Einheit 17. In dem Teil 18b liegen in Reihe das Filter 20a, das Filter 16a und die Einheit 17a. Das Gleiche gilt für das Filter 11a, dessen Ausgang 19 in zwei Teile 19a und 19b aufgeteilt wird, in denen wiederum das Filter 20, das Filter 16 und die FFT-Einheit 17 bzw. das Filter 20a, das Filter 16a und die FFT-Einheit 17a in Reihe angeordnet sind.
Bei dem Beispiel nach 7 arbeitet die erste Block-Feinverarbeitungsstufe, die die Filter 11 und 11a benutzt, wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach 5 beschrieben. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 weisen die Block-Feinverarbeitungsstufe 11 und 11a jeweils zusätzlich zwei weitere gespiegelte Filter 20, 20a auf, wobei das Prototyp-Halbbandfilter die folgende Spezifikation aufweist:
Durchlassbandrand
Stoppbandrand
Übertragungsbandbreite
Der Interpolationsfaktor, der diesem Filter 20, 20a zugeordnet ist, wird nunmehr K/4. Die Zahl der verschiedenen Koeffizienten bei diesem Einheits-Abtastansprechen wird klein (im typischen Fall 3 oder 4, je nach der Stoppband-Spezifikation), was eine feste Verdrahtung zulässt im Gegensatz zu allgemeinen Fixpunkt-Multiplikatoren, die bei einer ASIC-Realisierung benutzt werden. Das Filterpaar 20, 20a, das in dem Blockprozessor benutzt wird, der auf die Ausgänge des Zweiges 18 von der ersten Stufe einwirkt, ist der Tiefpass-Prototyp und sein Spiegelbild, wobei das Frequenzansprechen um π verschoben ist; das Paar 20, 20a, das in dem Blockprozessor benutzt wird, der auf den Ausgang des Zweiges 19 einwirkt, bildet den Antwortprototyp, verschoben um +π/2 bzw. –π/2.
Die dritte Stufe umfasst vier Mehrphasen-FFT-Demultiplexer, basiernd auf K/4-Punkt-FFTs 17, 17a und mit Grob-Mehrphasen-Filtern 16, 16a der folgenden Spezifikation:
Durchlassbandrand
Stoppbandrand
Übertragungsbandbreite
Länge
Demgemäß sind bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 zwei Block-Feinverarbeitungsstufen und vier Block-Grobverarbeitungsstufen 12 und 12a vorhanden und die Vorrichtung arbeitet als dreistufiger Multiplexer/Demultiplexer mit K/4-Schmalbandkanälen an jedem der Vielzahl von Anschlüssen 15. Es ist natürlich möglich, die Erfindung auf mehr als drei Stufen in einer Weise auszudehnen, die analog jener nach 7 ist.

Claims

Digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (10) zum Frequenzdemultiplexen von Schmalband-Frequenz-Multiplex-Signalen(FDM)-Signalen mit einer Block-Feinverarbeitungsstufe (11, 11a), die einen Eingang (14) für ein FDM-Signal von K-Schmalbandkanälen und Ausgänge aufweist für wenigstens ein FDM-Signal (18) mit K/x geradzahligen Indexkanälen, wobei der Bereich des Spektrums, der den K/x ungeradzahligen Indexkanälen entspricht, einer Nulloperation unterworfen wurde und für wenigstens ein FDM-Signal (19) mit K/x ungeradzahligen Indexkanälen, wobei der Bereich des Spektrums, der den K/x geradzahligen Indexkanälen entspricht, einer Nulloperation unterworfen wurde; und für x-Block-Grobverarbeitungsstufen (12, 12a), deren Eingänge an einen jeweiligen Ausgang der Block-Feinverarbeitungsstufe angeschlossen sind und von denen jede Ausgänge (15) für die K/x-Schmalbandkanäle aufweist, wobei jede Block-Grobverarbeitungsstufe eine Filterfunktion mit einer abgebildeten Antwort durchführt, deren Übertragungsbänder in den genullten Bereichen des Spektrums des zugeordneten Ausgangs der Feinbearbeitungsstufe liegen, wobei K/x eine ganze Zahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Block-Feinverarbeitungsstufe wenigstens ein Finite-Impulse-Response(FIR)-Tiefpassfilter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Block-Feinverarbeitungsstufe ein interpoliertes Tiefpass-Halbbandfilter und ein hierzu komplementäres interpoliertes Hochpass-Halbbandfilter aufweist und ein abgebildetes Paar damit erzeugt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei der die erste und zweite Block-Grobverarbeitungsstufe jeweils ein Mehrphasenfilter und eine schnelle Fourier-Transformations(FFT)-Einheit enthalten, wobei das Mehrphasenfilter mit der einen Seite an das zugeordnete Block-Feinverarbeitungsstufenfilter und mit der anderen Seite an eine Seite der FFT-Einheit angeschlossen ist, deren andere Seite die Mehrzahl der Anschlüsse bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher jedes Mehrphasenfilter ein echtes Tiefpass(FIR)-Filter ist und jede FFT-Einheit eine K-Punkt-Einheit ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit zwei Block-Feinverarbeitungsstufen und zwei Block-Grobverarbeitungsstufen, die als Zweistufen-Multiplexer/Demultiplexer arbeiten, wobei K/2 geradzahlige Indexkanäle an Anschlüssen der ersten Block-Grobverarbeitungsstufe liegen und K/2 ungeradzahlige Indexkanäle an Anschlüssen der zweiten Block-Grobverarbeitungsstufe liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Block-Feinverarbeitungsstufe ein weiteres abgebildetes Paar von FIR-Tiefpassfiltern aufweist, die parallel zu zwei Mehrphasenfiltern und zwei FFT-Einheiten geschaltet sind, wobei ein Mehrphasenfilter mit einer Seite an das zugeordnete FIR-Tiefpassfilter des weiteren abgebildeten Paares und mit der anderen Seite an einer Seite der FFT-Einheit angeschlossen ist, deren andere Seite die Mehrzahl von Anschlüssen hat und wobei das andere Mehrphasenfilter parallel zu dem einen Mehrphasenfilter liegt und mit einer Seite an das zugeordnete FIR-Tiefpassfilter des weiteren abgebildeten Paares und mit der anderen Seite an eine Seite der zugeordneten FFT-Einheit angeschlossen ist, deren andere Seite die Mehrzahl von Anschlüssen bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, welche zwei Block-Feinverarbeitungsstufen und vier Block-Grobverarbeitungsstufen besitzt, die als Dreistufen- Multiplexer/Demultiplexer arbeiten, wobei K/4-Schmalbandkanäle an der Mehrzahl von Anschlüssen jeder Block-Grobverarbeitungsstufe angeschlossen sind.
Digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (10) zum Frequenzmultiplexen von Schmalband-Frequenz-Multiplex-Signalen(FDM)-Signalen mit einer Mehrzahl (x) von Block-Grobverarbeitungsstufen (12, 12a), von denen jede einen Eingang (15) für K/x-Schmalbandkanäle und einen Ausgang aufweist für ein FDM-Signal mit K/x-Kanälen und für eine Block-Feinverarbeitungsstufe (11, 11a), die mit Eingängen an jeweiligen Ausgängen der Block-Grobverarbeitungsstufen angeschlossen ist und wenigstens ein Eingangs-FDM-Signal (18) mit K/x geradzahligen Indexkanälen und wenigstens ein Eingangs-FDM-Signal (19) mit K/x ungeradzahligen Indexkanälen kombiniert, wobei der Bereich des Spektrums entsprechend den ungeradzahligen Indexkanälen bzw. den jeweiligen geradzahligen Indexkanälen in jedem Fall genullt wird, um ein FDM-Signal (14) mit K-Schmalbandkanälen zu erzeugen, wobei jede Block-Grobverarbeitungsstufe eine Filterfunktion mit einer abgebildeten Antwort durchführt, deren Übergangsbänder in den genullten Ausgangsbereichen der Antwort liegen, entsprechend den jeweiligen Eingängen der Block-Feinverarbeitungsstufe, wobei K/x eine ganze Zahl ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Block-Feinverarbeitungsstufe wenigstens ein Finite-Impuls-Response(FIR)-Tiefpassfilter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Block-Feinverarbeitungsstufe ein interpoliertes Tiefpass-Halbbandfilter und ein hierzu komplementäres interpoliertes Hochpass-Halbpassfilter aufweist und ein abgebildetes Paar damit erzeugt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, bei welcher die erste und zweite Block-Grobverarbeitungsstufe jeweils ein Mehrphasenfilter und eine schnelle Fourier-Transformations(FFT)-Einheit enthalten, wobei das Mehrphasenfilter mit der einen Seite an das zugeordnete Block-Feinverarbeitungsstufenfilter und mit der anderen Seite an eine Seite der FFT-Einheit angeschlossen ist, deren andere Seite die Mehrzahl der Anschlüsse bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher jedes Mehrphasenfilter ein echtes Tiefpass(FIR)-Filter ist und jede FFT-Einheit eine K-Punkt-Einheit ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13 mit zwei Block-Feinverarbeitungsstufen und zwei Block-Grobverarbeitungsstufen, die als Zweistufen-Multiplexer/Demultiplexer arbeiten, wobei K/2 geradzahlige Indexkanäle an Anschlüssen der ersten Block-Grobverarbeitungsstufe liegen und K/2 ungeradzahlige Indexkanäle an Anschlüssen der zweiten Block-Grobverarbeitungsstufe liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welcher die Block-Feinverarbeitungsstufe ein weiteres abgebildetes Paar von FIR-Tiefpassfiltern aufweist, die parallel zu zwei Mehrphasenfiltern und zwei FFT-Einheiten geschaltet sind, wobei ein Mehrphasenfilter mit einer Seite an das zugeordnete FIR-Tiefpassfilter des weiteren abgebildeten Paares und mit der anderen Seite an einer Seite der FFT-Einheit angeschlossen ist, deren andere Seite die Mehrzahl von Anschlüssen hat und wobei das andere Mehrphasenfilter parallel zu dem einen Mehrphasenfilter liegt und mit einer Seite an das zugeordnete FIR-Tiefpassfilter des weiteren abgebildeten Paares und mit der anderen Seite an eine Seite der zugeordneten FFT-Einheit angeschlossen ist, deren andere Seite die Mehrzahl von Anschlüssen bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, welche zwei Block-Feinverarbeitungsstufen und vier Block-Grobverarbeitungsstufen besitzt, die als Dreistufen-Multiplexer/Demultiplexer arbeiten, wobei K/4-Schmalbandkanäle an der Mehrzahl von Anschlüssen jeder Block-Grobverarbeitungsstufe angeschlossen sind.