CN1575573A

CN1575573A - 多载波调制的数据传输方法

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Publication number: CN1575573A
Application number: CNA028209931A
Authority: CN
Inventors: 沃纳·海恩科尔; 瓦伦丁·泽诺
Original assignee: I C Com Ltd
Current assignee: Intel Germany Holding GmbH
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2005-02-02
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: WO2003026240A3; DE10294307D2; AT411002B; AU2002340605A1; CN100544337C; DE10294307B4; WO2003026240A2; US20040264508A1; US7532678B2; ATA14512001A

Abstract

根据本发明，在多载波调制的数据传输过程中，发送器的数据组合成信息块，并通过离散傅立叶反变换(IDFT)被分块调制。没有被数据占用的多个载波被保留。这些载波用于产生大量的类似于单位脉冲的函数。这些函数经过滤波后具有类似于单位脉冲函数的特征。所述时间函数这样生成：滤波后获得的类似于单位脉冲的时间函数以过采样的时间分辨率，在不同的、最好是在相邻的位置达到其最大值。滤波后过经过采样的类似于单位脉冲的时间函数和相应的没有经过过采样的滤波输入函数都被存储下来，从所存储的时间函数及滤波输入函数对中通过迭代选出一个函数对。所述函数对通过保留的载波被数据占用被平移到峰值位置，包括已经实现的迭代修正，然后在用一个系数加权之后从时间函数中减去，其中迭代修正同时运用到滤波后具有过采样间隔的时间信号和没有经过采样且没有经过滤波的相应时间信号。

Description

多载波调制的数据传输方法

本发明涉及一种多载波调制的数据传输方法，其中发送器一方的数据被打包为信息块并通过离散傅立叶反变换(IDFT)被分块调制，而多载波，也就是DFT块的分量，被保留(即不被任何数据占用)。这些载波被这样来占用：使得产生大量的时间函数。这些函数经过滤波后，表现出类似于单位脉冲(Dirac-like)的特征。

通过离散傅立叶变换(DFT)接收器的数据信号被分块解调。

这种利用多载波，即利用多个载波频率来进行数据传输的方法，例如可以应用于有线或无线领域内，如用于广播系统和访问如因特网这样的数据网。此处存在的一个问题是时间信号的尖峰值很高，人们通过迭代来减小此尖峰值。

一般来说，在数字信号处理领域一段时间以来被应用的是能够进行高速率数字数据传输的系统。近来一种技术越来越具有重大意义，它在这里被称为多载波传输，也被称为“离散多音(DMT)”传输或“正交频分复用(OFDM)”传输。在多载波传输过程中，需要被传输的数据流被拆分成多个并行的部分流，这些部分流将按多路频率调制彼此不相干地被传输。

事实上可以通过IFFT变换(快速傅立叶反变换)来产生信号，其中DFT(离散傅立叶变换)域内的矢量元被QAM(正交幅度调制)的信号点占用。通过IFFT变换产生时域内的信号，此信号具有信息组结构。为了避免信息组间的干扰，在DMT或OFDM传输中应用了一个周期性的预处理，即所谓的保护间隔。在这种情况下，帧的末尾在时间上周期性地出现在信息组之前。与通道脉冲响应的卷积作为循环卷积出现，它在DFT域可以用与复系数的简单相乘来表示。该等式被简化，它现在可以出现在DFT域中，并且每一个载波对应于一个简单的AGC(自增益控制)。

在应用此项技术的过程中，由于许多单个载波的叠加而造成单个载波短时间内会叠加到一个很高的尖峰值。根据大数原理从而产生接近于高斯分布的时间信号。瞬时的高幅值表现出了多载波传输的一个主要缺点，因为必须为这些高幅值设计模拟电路部分和模数转换器的调制范围及其动态范围和分辨率。这就要求很高的工作电压，从而导致很高的功率损耗。从文献中可以找到大量的减小峰值与平均值之比(PAR系数，PAR＝Peak-to-Average Ratio(尖峰与平均值之比)，或称为波顶(crest)系数)的建议，其中所描述的技术是基于Jose Tellado提出的一种方法，如同Tellado，J.和Cioffi，J.M.在文献“PAR Reductionin Malticarrier Transmission System(多载波传输系统中PAR的减小)”所描述的那样。原理的简要阐述见Tellado，J.和Cioffi，J.M.的“Efficient algorithms for reducing PAR in multicarrier System(多载波传输系统中减小PAR的有效算法)”(信息理论(ISIT)1998年IEEE国际论坛会议纪要，1998年8月16-21日，191页)。

进一步的建议运用的是，例如载波的扩展QAM星座图，来提供限制峰值的冗余。这需要一种对星座图上每个等值信号点进行选择的算法。其中有两份出版物可以作为例子，应注意本发明所涉及的方法用一种不同的方案来提供所需的冗余性，因此与已知的这些方法无关。例如，在Chan-Soo Hwang的文章“A peak power reduction method formulticarrier transmission(多载波传输中尖峰功率减少的方法)”(2001年IEEE国际通信会议(ICC 2001)，2001年六月11-14日，卷5，1496-1500页)；及Jose Tellado和John M.Cioffi的标准化论文“PARreduction with minimal or zero bandwidth loss and low complexity(以最小或零带宽损耗及低复杂性来减少PAR值)”(T1E1.4/98-173)中建议过扩展星座图。在SALVEKAR，A.A、ALDANA，C.、TELLADO，J.和CIOFFI，J.的文章“Peak-to-average power ratio reduction for blocktransmission systems in the presence of transmit filtering(信息块传输系统在传输滤波时峰值与平均值之比的减小)”(2001年IEEE国际通信会议(ICC 2001)，2001年六月11-14日，卷5，175-178页)中介绍了滤波功能。然而，它涉及的是对多个相邻的传输帧的联合处理，以确定IFFT符号间的边际效应系数。但复杂性很低的、可以通过带有定标和平移的类似于单位脉冲的函数来实现的实施例不是该文章的主题。因此这篇文章也和这里涉及的方法没有直接关系。

上面所引用的已知的Tellado提出的方法中运用到了带有类似于单位脉冲的函数特征的时间函数。这种类似于单位脉冲的函数的特征是它具有一个主脉冲。次最大脉冲的幅值明显小于主脉冲的幅值，例如小于主脉冲幅值的一半以上。类似于单位脉冲的函数由保留的载波产生，这些载波在数据传输中不能再被使用。这意味着，这些载波位置首先要被置为零。通过迭代，这个只占用保留的载波的类似于单位脉冲的函数被一个幅值系数加权，此系数和最大尖峰值x_m与期望最大值x_targ et之差成比例，然后在时域内相减。这个类似于单位脉冲的函数被周期性地平移到最大值位置上。DFT变换的平移定理保证，即使在平移后也只有被保留的载波被占用。Tellado提出的方法的过程如下：

步骤1：DFT域的数据向量X的初始化，且被保留的载波被置为零

步骤2：初始化通过迭代改变的时域向量x⁽⁰⁾，x＝IFFT(x)

步骤3：在向量x中找出最大值x_m ⁽ⁱ⁾及其相应的位置m：

| x_{m}^{(i)} | = \max_{k} | x_{k}^{(i)} |

步骤4：如果

| x_{m}^{(i)} | < x_{t \arg et}

或i＞i_max，迭代结束并得到x⁽ⁱ⁾，如果不是：

步骤5：根据迭代规则修正时域矢量：

x^{(i + 1)} = x^{(i)} - α (x_{m}^{(i)} - sign (x_{m}^{(i)}) x_{t \arg et}) - - - (p &RightArrow; m)

i≡i+1

再寻找最新的最大值等，见步骤3和4。

其中i表示迭代计数(i＝0，1，2...)，p(p→m)为周期性地平移到位置m的类似于单位脉冲的函数。

Tellado建议的方法只能工作在时域内，因此其主要特征是非常简单。迄今为止，此方法的一个缺点是，后面的滤波功能不能以合适的方式来提供。这些在实际应用中几乎一直存在的滤波器再次提高了尖峰值与平均值之比，从而抵消了上面减小尖峰值的效果。

因此本发明的任务是，弥补上面方法的不足，提供一种使用了多载频的多载波数据传输方法，其中通过迭代减小了所产生的时间信号的高尖峰值，并考虑到了模拟及数字滤波功能。

根据本发明所述的、如开始所提到的方法特征在于，这样来生成时间函数，使得经过滤波后得到的类似于单位脉冲的函数以过采样的时间分辨率在不同的，最好是在相邻的位置具有最大值，滤波后经过过采样的类似于单位脉冲的时间函数和相应的没有经过过采样的滤波输入函数都被保存在存储器中，从所存储的时间函数及滤波输入函数对中通过迭代选出一个函数对，通过使剩余的载波被数据占用，包括已经实现的交互修正，在尖峰值的位置通过应用平移定理来移动这一函数对，然后在与一个系数加权之后将此函数对从时间信号中减去，其中迭代修正被同时运用到滤波后具有过采样间隔的时间信号和没有过采样且没有经过滤波的相应时间信号。利用此方法达到了前面所述的目的，同时它具有很多优点，高的尖峰值相对于信号平均值有了实质性的减小，同时也考虑了后面的滤波功能。虽然这里会出现由于过采样而产生比较长的信号处理时间，然而在实际应用中并没有带来不良影响。

实验表明，应用根据本发明的方法时，系数如L＝4时，过采样能带来好的结果，而在迭代信号处理中需要至少10次迭代(通常会少一些)才足以达到同样效果。

建议通过指定边界值来确定迭代次数，此边界值是根据期望的信号质量来选择的。因此根据本发明的方法的一个其有优点的实施方式的特征在于，在过采样时间函数的所有数值都超过最大迭代次数之后，或者在这些数值低于预定边界值之后，通过将没有经过过采样的时间函数传送经过物理滤波器装置来输出数据。

对于具有根据本发明的技术特征的过采样，它还具有其它优点：当过采样的类似于单位脉冲的时间函数集具有时域上相邻的最大值时，在迭代处理过程中通过m模L(m mod L)来选择，并周期性地移动[m/L]个时间单位(普通的采样间隔)或L·[m/L]个时间单位(过采样)，其中，m是过采样周期中最大值的位置，L为过采样点。

对于本发明所述方法范围内的有效迭代，它还具有另外一个优点，即当进行迭代处理时，用于对平移的函数对进行加权的系数由一定的步宽(α)来形成，并且超过预定的边界值(x_t arg et)由过采样时间信号

来确定。

本发明的方法具有很多优点，可以用于通过电缆进行的数据传输，也可以用于无线数据传输。对于通过电缆进行传输中用到的基带传输，作为对本发明的进一步改进，最好规定为有线数据传输会成对选择保留的载波，它对应于DFT域内的共轭复数对。

因此总的来说，根据本发明的技术，为了减小峰值与平均值之比，各个载波没有被数据占用，而是用于定义类似于单位脉冲的时间函数。其中采用了多对时间函数，其中一个函数被过采样，此函数还包含一个真实存在的滤波函数，而另一个函数表现为没有经过滤波也没有经过过采样的相应的时间函数。这些函数的集合被保存在存储器中，它们在过采样时间间隔上具有相邻的最大值，在迭代过程中经过过采样和没有经过过采样的时间函数(这些函数首先通过数据载波来初始化，这些数据载波经过带或不带滤波功能的IFFT变换后被占用)，并同时通过和存储的加权类似于单位脉冲的函数的相减来进行修正。在周期性的平移中，类似于单位脉冲的函数的最大值与需要减小的时间信号峰值相叠加。在相减过程中，选择出一对类似于单位脉冲的函数，并以一定的步宽及超出预定的幅度边界值来加权。在迭代过程结束后，没有过采样的信号被输出给后面的发送级，特别是物理滤波器。

本发明在下面将借助于实施例，参考附图进行进一步的阐述，如图所示：

图1为带有发送器(图1a)和接收器(图1b)的传输装置的方框图，用于实现本发明的方法；

图2示出了本发明方法中用到的两个函数的产生过程，即类似于Dirac的输入函数和相应的过采样时间函数；

图3比较地示出了本发明方法中的并行信号处理，即没有经过过采样的时间函数和经过过采样的时间函数；

图4和现有技术相比，在应用根据本发明的方法时的归一化电压的相对概率分布(及密度)的直方图；

图5类似于单位脉冲的函数的直方图；

图6类似于单位脉冲的时间函数的直方图，以过采样的时间分辨率在相邻位置具有最大值。

图1是一个DMT传输装置1的发送器2及接收器3的基础配置，其中不重要的组成部分没有示出。因为扩展到保护间隔，如上所述，对本发明中的技术不重要，所以从图1中略去。

在图1所示的传输装置1中，发送器2具有一个串并联转换器4；用于使位对应于载波的位定位模块5，其中根据本发明的方法中，单个载波被置为零；用于对应QAM点的QAM映射模块6，其中被保留的载波也被置为零；IFFT模块，它表示了实际的调制过程；减少PAR值模块8；并串联转换器9；及带滤波功能的输出单元10。

接收器3包含的部件正好相反：接收滤波器11；并串联转换器12；用于解调的FFT模块13；QAM反映射模块14，用于QAM点和位的反向对应，其中不评估未被占用的载波；及用于数据输出的串并联转换器15。

图1中明显的部件4至15基本上都是常规的部件，它们可以用软件来实现，它们也是为实施根据本发明的方法而相应特别设置的部件，这特别涉及到减少PAR值模块8，其功能在后面会详细阐述。

和现有技术相比，根据本发明的传输方法包含了(任意希望的)滤波器功能，而没有显著影响波顶系数的减小。出于这个目的，在初始化通过迭代改变的时域向量x时，采用较长的IDFT变换，此变换允许精确的时间分辨率。应用到的IDFT长度为LN，其中N是原始的变换长度。根据本发明的方法，不再只运用一个类似于单位脉冲的函数p，而是运用L个这样的函数，这些函数尽可能以高的时间分辨率具有直接相邻的尖峰值。其中在确定这些类似于单位脉冲的函数时，就已考虑了滤波功能。为此，DFT域内类似于单位脉冲的函数的保留位置是这样确定的，即期望的类似于单位脉冲的波形在滤波器的下行方向上(图1的10)-并非必需地，也出现在滤波器的上行方向上。其它的L-1个平移后的类似于单位脉冲的函数例如可以通过应用平移定理得到，其中虽然时间分辨率很高，却仍然可以通过保留的载波来实现。通过原始长度为N的IFFT变换，根据本发明的方法可以计算出一系列类似于单位脉冲的输入函数，并且同时-在DFT域内确定了滤波函数的系数之后通过长度为LN的IFFT变换-在滤波输出端计算相应的过采样时间函数。这两个函数集都按照前面的迭代方法并行处理。这样，除了滤波后的信号处理之外，同时还可以得到以原采样间隔采样的发送处理，此发送信号在经过图1的模块8中进行的迭代过程后，然后再经过实际的物理滤波器10。

图2详细示出了这两个函数集的产生过程。在过采样的时域内为类似于单位脉冲的函数选择保留的载波(频)如图中方框20所示。上面的一条支路21是由以下部分组成：方框22表示过采样L，方框23表示滤波器模拟(LP)，方框24表示长度为LN的扩展IFFT变换，方框25表示寻找最大值。这条支路的作用在于，在过采样的时域内确定最大值的位置，从而在方框26所示的DFT域的平移运算中(运用平移定理)把最大值移到零位置，然后在图示27中产生L个两次移动的类似于单位脉冲的函数。此过程在DFT域完成，所以只影响被保留的载波。方框26中除以用于归一化。方框28是另一个IFFT变换，其原长度为N，此变换以原周期产生输入函数p_(l)，l＝0，....，L-1，这些函数在后面描述的迭代算法里被用来构造最后输入物理滤波器的时间信号。相关的经过过采样的类似于单位脉冲的信号 l＝0，....，L-1，是由以下过程计算得到的：方框29中的过采样(L)，方框30中在DFT域(LP)内的滤波器模拟和最后方框31所示的长度为LN的扩展IFFT变换。

根据本发明的方法如同Tellado所提出的方法一样，要寻找最大值位置m，尽管这个过程是在过采样的高时间分辨率下完成的。模运算m模L(m mod L)用于并行地在过采样时和以原采样间隔采样时对类似于单位脉冲的函数的选择。根据本发明的方法，在选择函数对后，以原采样间隔平移[m/L]和以过采样间隔平移L·[m/L]，其目的在于，把类似于单位脉冲的函数的最大值移到所期望的位置。([]就是所谓的高斯括号，它意味着取整(rounding off)。以过采样间隔和普通采样间隔对所选择出来的和平移过的类似于单位脉冲的函数同时进行修正。其中，如同Tellado所提出的方法一样，需要对函数以步宽α和超过边界值的增量进行加权。

图3示出了对根据本发明的方法的并行处理过程。上面的支路32由以下部分组成：开关33(开始)，34(停止)，加法35和乘法36.此支路示出了没有经过过采样的时间函数的迭代变化。而由开关38(开始)、39(停止)、加法40和乘法41组成的下面一条支路37是以经过过采样的时间间隔进行相关的修正。由用户数据形成的原始时间函数经过方框42的过采样(L)，然后经过方框43的实际的物理滤波器(LP)的模拟。此模拟过程也可以已经在DFT域中完成，可以同时以长度为N和LN的IFFT变换产生两个时间函数x⁽⁰⁾和

图3只示出了滤波器的时域模拟。方框44示出了寻找最大值的位置，方框45示出了本发明所述方法的加权过程，基本上对应于上面所描述的Tellado所提出的方法中的步骤3和步骤5，而根据本发明的方法，这些步骤是在过采样的时间周期内进行的。方框46中示出了根据本发明的方法进行的轮询，对应于Tellado所提出的方法中的步骤4。借助于图2描述的方法的一部分而确定的类似于单位脉冲的采样函数对，被保存储在存储器中(参见图3的方框47)，并由此分支控制，即轮询过程46中判断根据m对L取模值，选择确定最大值的位置m，并平移[m/L]或L·[m/L]。

以有线传输技术领域的实际例子作为基础，ADSL(非对称数字用户环路技术)中FFT长度为N＝512，VDSL(甚高速数字用户环路)中FFT长度为N＝8192是常见的。实际实验中作为过采样次数L＝4已足够了。无线领域的相应例子有DAB(数字音频广播)，DVB(数字图像广播)，HIPERLAN 2(无线局域网)，其中由于其高的载波数，达到几千个载波，前面两种方法对于人们来说特别感兴趣。即使这里举出了有线传输技术中的例子，本方法也可考虑用于无线领域。有线和无线应用的区别在于，电缆有线传输是基于基带传输技术，其中需要考虑的是DFT域中的共轭复数对，而无线领域内的情况不是这样。这特别意味着，有线应用中要成对选择根据本发明方法的被保留的载波(图1步骤20)。被保留的载波所需数目约占5％。第一次迭代中PAR值减小得最多。超过20次迭代是毫无意义的，所以通常10次迭代就足够了。

图4示出了发送电压的相对概率分布，其中表示为规一化电压u。在应用本发明方法的例子中采用了2个不同的参数集x_t arg et和α，即(1)：x_t arg et＝8，α＝0.5(曲线50)，以及(2)：x_t arg et＝9.5，α＝0.7(曲线51)，比较本发明的方法和Tellado的方法(没有过采样)的结果可以看出，峰值并没有得到限制。曲线52示出了没有进行峰值限制的类似高斯型概率分布的抛物线，而曲线53和54示出了Tellado的方法中经过矩形和类ADSL(ITU-T G.996.1)传输函数滤波后的结果。根据本发明方法的结果如曲线50和51的区别仅在于参数x_t arg et和α的选择。最后，曲线55示出了Tellado的方法的结果，即没有过采样，没有滤波。此结果反映了峰值与平均值之比的下限，实际在后面的滤波过程中达不到此下限值。然而由此可见，根据本发明的方法获得的结果，根据曲线50、51可见，其结果相当接近。

最后图5示出了类似于单位脉冲的函数的一部分，其中存在一个主脉冲D，其明显大于函数中的次最大脉冲(例如超过次最大脉冲的两倍)。

最后图6示出了滤波后获得的类似于单位脉冲的时间函数的函数曲线图，其中归一化的采样值相对于采样值的数目(作为时间量度)来给出，最大值出现在相邻的位置(以过采样的时间分辨率)。

所描述的多载波调制数据传输的方法可以简短地总结如下，为了减小峰值与平均值之比，单个载波不被数据占用，而是用于确定类似于单位脉冲的时间函数，其中应用的是这样的时间函数对，其中一个函数是过经过采样的实际存在的滤波函数，而另一个函数表示了无滤波的没有经过过采样的时间函数。这些函数集合被保存在存储器中，它们在过采样的间隔上具有出相邻的最大值，并且在迭代过程中，同时修正经过过采样和没有过采样的时间函数这些函数首先通过带滤波和不带滤波的IFFT变换之被占用的数据载波进行初始化，通过所存储的与加权的类似于单位脉冲的时间函数的相减来进行修正。其中通过周期性的平移，类似于单位脉冲的函数

的最大值与时间信号在在位置m处需要减少的峰值相重叠。在信号相减过程中，选择出一个类似于单位脉冲的函数对，并以一定的步宽α和超出给定的幅度阀值的增量来加权。在迭代过程结束后，没有经过过采样的信号输出给后面的发送级，特别是物理滤波器。

Claims

1、多载波调制的数据传输方法，其中发送器一方的数据被打包为信息块，并通过离散傅立叶反变换(IDFT)被分块调制，而其中多个载波，即DFT块分量，被保留，不被任何数据占用，这些载波被用于产生一组时间函数，这些函数经过滤波后，具有类似于单位脉冲的特征，其特征在于，

时间函数如此生成：使得滤波后获得的类似于单位脉冲的时间函数以过采样的时间分辨率，在不同的、最好是在相邻的位置达到其最大值，

滤波后过经过采样的类似于单位脉冲的时间函数和相应的没有经过过采样的滤波输入函数都被保存在存储器中，并且

从所存储的时间函数及滤波输入函数的函数对中通过迭代选出一个函数对，所选出的函数对通过采用平移定理移到峰值位置，该峰值通过保留下来的载波被数据占用来产生，包括已经实现的迭代修正，然后用一个系数来加权，并从时间信号中减去，

其中，迭代修正被同时运用到滤波后具有过采样间隔的时间信号和没有经过过采样且没有经过滤波的相应时间信号。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，当经过过采样的时间函数的所有数值都超过最大迭代次数之后，或者当低于预定边界值之后，通过传输没有经过过采样的时间函数使其通过物理滤波器装置来输出数据。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经过过采样的类似于单位脉冲的时间函数组具有时间上相邻的最大值，这些最大值是在迭代处理过程中通过m模L选择出来的，并周期性地平移[m/L]个采样单位(普通的采样间隔)或L·[m/L]个采样单位(过采样)，其中m是过采样周期内最大值的位置，L为过采样点。

4、如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，当进行迭代处理时，用于对平移过的函数对进行加权的系数通过步宽(α)来形成，并且超过预定的边界值(x_target)由过采样的时间信号来确定。