DE102007036828A1

DE102007036828A1 - Funkgerät mit neuartigem CIFDM Modulationsverfahren

Info

Publication number: DE102007036828A1
Application number: DE102007036828A
Authority: DE
Inventors: Oliver Bartels
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2027-08-04
Also published as: DE102008030179A1; DE102007036828B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Funkgerät mit einem neuartigen Comb Interleaved Frequency Division Multiplex (CIFDM) Modulationsverfahren, welches die Vorteile der bekannten OFDM Modulation mit den Vorteilen konventioneller Einträger-Modulationen kombiniert. Der zu sendende Datenstrom wird auf jedenfalls zwei Mehrträgerblöcke aufgeteilt, welche frequenz- und zeitversetzt ineinandergekämmt gesendet werden. Pro Einzel-Unterträger eines Blocks kommt dabei eine klassische Modulation mit einem Matched Filter System zum Einsatz, das Guard-Intervall entfällt. Die spektrale Effizienz wird dadurch wesentlich erhöht, dass ein künstlicher Nulldurchgang bei jedem Modulationssymbol eingeführt wird. Während dieses Nulldurchgangs wird der jeweils andere Block übertragen und über einen synchronen Umschalter im Empfänger wieder abgetrennt.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen breitbandigen Datenstrom als Funksignal möglichst störungsfrei über eine größere Distanz zu übertragen. Dabei sollen insbesondere durch Reflexionen bedingte Mehrwegsignale (Multipath) wieder ungestört in den originalen Datenstrom zurückgewandelt werden können. Eine zu dieser Aufgabenstellung vergleichbare Aufgabe besteht in der Übertragung eines breitbandigen Datenstroms über ein einfaches Kupferkabel wie z. B. eine Teilnehmeranschlußleitung, auch auf dieser gibt es Reflexionen an Unstetigkeiten wie z. B. Klemmleisten.
Zur Datenübertragung über Funk werden die Daten gewöhnlich auf einen Träger moduliert, die zugehörigen Verfahren sind aus der Literatur hinlänglich bekannt, es wird hier beispielhaft auf das den Stand der Technik sehr ausführlich beschreibende Werk von Karl-Dirk Kammeyer, Nachrichtenübertragung, 3. Auflage, Teubner 2004, verwiesen.
Neben den klassischen Verfahren der Modulation eines Einzelträgers, welche zwar in Bezug auf kurze Latenzzeiten vorteilhaft sind, aber den Nachteil haben, dass sie mit Reflexionen und Mehrwegeempfang auf große Distanzen bei gleichzeitig hohen Datenraten nur mit sehr hohem Aufwand z. B. durch einen adaptiven Empfangsfilter (Equalizer) mit vielen Koeffizienten umgehen können, hat sich im heutigen Stand der Technik das OFDM Verfahren weitgehend durchgesetzt.
Die Abkürzung OFDM steht für Orthogonal Frequency Division Multiplex, dabei kommt ein Mehrträgersignal mit einer großen Zahl von Unterträgern zum Einsatz, welches mittels einer orthogonalen Transformation – im allgemeinen einer inversen Fouriertransformation – erzeugt wird, die Transformation findet im Rahmen einer digitalen Signalverarbeitung statt. Das Ergebnis der Transformation kann dann analog mit einem Hauptträger gemischt werden, trotzdem zeigen sich im Sendesignal nurmehr die per mathematischer Transformation synthetisch erzeugten Unterträger.
Die Problematik der Reflexionen wird beim OFDM dadurch gelöst, dass einerseits der Übertragung der transformierten Datenblöcke jeweils ein Guard-Intervall (Schutzbereich) vorgeschaltet wird, welcher typischerweise eine Wiederholung der letzten Abtastwerte des zu übertragenden transformierten Datenblocks ist.
Hierdurch wird bei der Übertragung sichergestellt, dass bei Betrachtung eines einzelnen Unterträgers ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem Schutzbereich und dem eigentlichen transformierten Datenblock sichergestellt ist, welcher in der Zeitebene keine neuen Sprungantworten infolge einer Änderung der Modulation bzw. keine neuen Echos auslöst. Dadurch verbleibt lediglich die aus dem Übergang des vorherigen Symbols zum neuen Guardintervall erzeugte Sprungantwort bzw. die an dieser Diskontinuität entstehenden Echos, welche sich innerhalb des Guard-Intervalls totlaufen.
Die Problematik der dann noch verbleibenden Interferenzen kann dann in einem zweiten Schritt im OFDM Empfänger durch eine stark vereinfachte Entzerrung behoben werden. Weil bei OFDM gewöhnlich eine orthogonale inverse Fouriertransformation zum Einsatz kommt, gibt es naturgemäß nach der Rücktransformation im Empfänger exakt einen komplexen Zahlenwert pro Unterträger. Da die Transformation linear ist und es sich beim Mehrwegeempfang innerhalb der Systemgrenzen lediglich um eine lineare Überlagerung der über verschiedene Wege transportierten Information handelt, und weil zudem die zeitliche Verschiebung infolge des Faltungssatzes und der Ausgestaltung des Guard-Intervalls nach der Rück-Fouriertransformation in die Frequenzebene lediglich einer Skalierung entspricht, kann durch eine einzelne komplexe Multiplikation pro Unterträger eine weitgehende Entzerrung vorgenommen werden. Die Bestimmung der Koeffizienten zur Entzerrung kann beispielsweise mittels Pilotträger vorgenommen werden, ebenso können bestimmte Unterträger bevorzugt ausgewählt werden, siehe beispielsweise DE19827514A1 .
Das OFDM Verfahren besticht durch seine Einfachheit und Effektiviät und wird deshalb heute nach dem Stand der Technik bei vielen modernen Funksystemen wie IEEE 802.11a/g WLAN, IEEE 802.16d/e WiMAX oder auch drahtgebunden beim ADSL eingesetzt.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass einerseits das Verfahren bei Echos, deren Laufzeit die Länge des Guard-Intervalls überschreitet, vollständig versagen kann, weshalb zur Übertragung über längere Strecken ein immer größerer Anteil der Bandbreite dem Guard-Intervall geopfert werden muss, und andererseits es sich nicht um ein Matched Filter System handelt, weswegen der erzielbare Durchsatz bei schlechtem Signal/Geräusch-Verhältnis nicht optimal ist.
Weiterhin besteht das Problem der Latenzzeit, welches sich durch die nötige Aufsummierung der Daten zu einem OFDM Symbol ergibt, weil die OFDM Symboldauer aus Gründen der spektralen Effizienz ein Vielfaches der Dauer des Guardintervalls sein sollte. Speziell bei größeren Übertragungsdistanzen mit längeren Laufzeitunterschieden und großen Echolaufzeiten bedeutet dies eine erhebliche unerwünschte Steigerung der Latenzzeit.
Schon zum Zeitpunkt der Einführung des OFDM Verfahrens in den Stand der Technik, ermöglicht durch die Bereitstellung der zur schnellen Berechnung der nötigen Fouriertransformation geeigneter schneller digitaler Schaltkreise der digitalen Signalverarbeitung, wurde als Alternative die direkte Erzeugung echter Mehrträgersignale mittels Filterbänken diskutiert. Ein Beispiel liefert DE4208808A1 . Aus US4131766 und US4799179 (zur Theorie siehe auch Norbert Fliege, Multiraten-Signalverarbeitung, Teubner 1993, Kapitel 8.6) sind zudem DFT Polyphasenfilterbänke bekannt, mit denen eine Realisierung einer Vielzahl gleichartiger FIR-Filter äußerst effizient mittels eines Multiplexers, eines Satzes FIR-Filter, deren Aufwand gegenüber einer reinen FIR-Filterbank sowohl bezüglich der Rate der Abtastwerte wie auch der Anzahl der Koeffizienten um den Multiplexfaktor reduziert ist, sowie einer schnellen inversen Fouriertransformation durchgeführt werden kann. In EP1016211B1 ist die Anwendung in einem analogen Empfänger gezeigt.
Durch die Verwendung effizient zu berechnender Filterbänke wird der Datenstrom gemäß diesem Verfahren auf eine Vielzahl einzelner Träger aufgeteilt, von denen im Unterschied zum OFDM jeder einzelne mit einer geringen Datenrate, aber dennoch im Sinne eines klassischen Einträger-Übertragungssystems konventionell und kontinuierlich ohne Guard-Intervall moduliert wird. Hierdurch wirken Laufzeitunterschiede infolge Mehrwegeempfangs zwar unmittelbar als Intersymbolinterferenz auf die Übertragung ein, da aber bei jedem Einzelträger mit einer sehr geringen Datenrate gearbeitet wird, bedarf es entsprechend großer zeitlicher Unterschiede, damit die Intersymbolinterferenz überhaupt spürbar wird, sie kann zudem mit einem adaptiven Filter mit lediglich kleiner Koeffizientenanzahl oder einer Trellis-Codierung mit Viterbi-Auswertung sehr leicht weitgehend eleminiert werden.
Ein besonderes Problem dabei ist allerdings neben dem höheren Rechenaufwand, der mit der heutigen Schaltungstechnik nur noch nebensächlich ist, die schlechte Ausnutzung des Spektrums durch das so erzeugte Mehrträgersignal.
Im Gegensatz zum OFDM-Signal, welches durch die orthogonale Fouriertransformation zu jeder komplexen Amplituden- und Phasenvorgabe eines Einzelträgers in der Frequenzebene exakt einen komplexen – entsprechend oberen wie unterem Seitenband- oder zwei realwertige Abtastwerte in der Zeitebene bereitstellt und somit ohne Guard-Intervall die Nyquist-Bandbreite optimal ausschöpft, kommt bei den Mehrträgerübertragungen mit Filterbänken jeweils pro Träger eine konventionelle Modulation zum Einsatz, welche die Signalleistung in bestimmten Bereichen des Spektrums konzentriert und andere Bereiche speziell in den Seitenbändern mit weit weniger oder nahezu keiner Leistung abdeckt. Demzufolge erfolgt empfängerseitig eine unterkritische Abtastung und Analyse mit dem damit verbundenen Verlust an spektraler Effizienz.
Die Aufgabenstellung bei der Erfindung besteht demzufolge darin, ein Modulationsverfahren zu finden, welches die Vorteile der hohen spektralen Effizienz des OFDM Verfahrens mit der Robustheit eines Mehrträgerverfahrens mit konventioneller Modulation der Einzelträger kombiniert.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch die in Patentanspruch 1. beschriebenen Geräte oder Baugruppen gelöst, deren Funktion im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert wird. Bild 1 zeigt die hierzu passende Signalverarbeitung in graphischer Form, deren einzelne Elemente im Bild 1 werden im folgenden mit Nummern in Klammern referenziert.
Ein Mikroprozessor oder digitaler Signalprozessor gemäß Unteranspruch 14 übernimmt die zu übertragenden Daten von der Quelle und teilt diese per Software in einzelne Datenblöcke auf (1). Die Datenblöcke werden gemäß Unteranspruch 8 mit einem fehlersichernden Code zur Vorwärtsfehlerkorrektur versehen, z. B. einem Turbo-Code, welcher zu den eigentlichen Datenbits redundante Information zur späteren Fehlerkorrektur im Empfänger hinzufügt.
Sodann werden die Blöcke vom Prozessor zur Modulation aufbereitet (2), hierzu erfolgt beispielsweise eine Auswahl von jeweils zwei Bit für eine QPSK Modulation gemäß Unteranspruch 6 pro Einzelträger. Aus jeweils einer Bitgruppe wird eine komplexe Zahl als Basisband-Abtastwert entsprechend einer Tabelle oder Formel ausgewählt, diese wird dann als Sendeabtastwert in die Kanalfilterbank eingespeist. Sofern diese wie im Bild für vier Unterträger ausgelegt ist, ergibt sich im Beispiel eine Informationsmenge von zwei mal vier Bit pro Datenblock abzüglich gemäß Unteranspruch 10 zu übertragender Pilot-Unterträger oder spektraler Null- oder Schutzträger.
Sodann werden die Datenblöcke zur Übertragung aufbereitet, hierzu werden im Beispiel jeweils die geraden Datenblöcke auf eine und die ungeraden Datenblöcke auf eine andere Filterbank (3) gegeben. Gemäß Unteranspruch 3 handelt es sich in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung um eine mittels Multiplexer, reduzierten FIR-Filtern und inverser schneller Fouriertransformation gebildete Polyphasenfilterbank, welche gleichzeitig das notwendige Upsampling auf die Ausgangsabtastrate und somit die Einordnung der Unterträger in das Spektrum vornimmt. Hiermit lassen sich große Filterbänke für z. B. 64 bis 1024 Unterträger realisieren.
Da die Filterbänke im Gegensatz zu einer reinen inversen Fouriertransformation über eine beliebig einstellbare Impulsantwort verfügen, kann gemäß dem Unteranspruch 4. ein Matched Filter System gebildet werden. Dieses erlaubt eine Optimierung des Systemverhaltens bei im Kanal vorliegenden Rauschen oder anderen Störpegeln bei gleichzeitiger weitgehender Vermeidung einer Intersymbolinterferenz. Für die korrekte Modulation der Unterträger reicht es völlig aus, die einzelnen Basisband-Abtastwerte aus aufeinanderfolgenden (geraden oder ungeraden je nach Filterbank im Beispiel) Datenblöcken, welche zu einem Unterträger gehören, als Eingangswerte in die Polyphasenfilterbank zu geben und bedarfsweise zur Anpassung der Abtastrate zusätzlich Null-Abtastwerte hinzuzufügen, die nötige Interpolation und Signalformung übernehmen die FIR-Filter, welche gleichzeitig auch als Gedächnis der Filterbank fungieren.
Am Ausgang der jeweiligen Filterbank für die geraden oder ungeraden Datenblöcke steht nun bereits unmittelbar das jeweilige Mehrträgersignal in der Zeitebene an. Entsprechend dem Hauptanspruch wird nun in der Beispielrealisierung eines dieser Signale zunächst um einen halben Unterträger-Frequenzabstand frequenzverschoben, dies kann beispielsweise durch eine komplexe Multiplikation der Abtastwerte mit einem mittels direkter digitaler Synthese im komplexen Zahlenraum numerisch erzeugten Lokaloszilatorsignal (NCO) geschehen (4). Letzteres entsteht, indem Abtastwerte nacheinander aus einer Sinus- bzw. Cosinus-Tabelle entnommen werden, da im konkreten Fall zumeist ein ganzzahliges Teilungsverhältnis vorliegen wird, beschränkt sich die Signalgenerierung auf eine rein sequentielle zyklische Entnahme ohne Phasenakkumulator.
Des weiteren wird jetzt das Ausgangssignal der anderen Filterbank um eine halbe Symboldauer zeitlich versetzt (5), dies kann beispielsweise mittels eines Ringbuffers oder einer FIFO-Warteschlange geschehen.
Danach werden die Ausgangssignale zu einem Datenstrom aufsummiert, es ergibt sich erfindungsgemäß ein mehrdimensional ineinandergekämmtes Sendesignal (Bild 2).
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Unteranspruch 5 wird zusätzlich jedes Ausgangssignal vor der Summierung (7) über eine beispielsweise aus einer Tabelle (6) generierte periodische Funktion so skaliert, dass die Ausgangsleistung des einen Signals dann maximal ist, wenn die andere bei Null liegt. Das muss aber nicht bei jedem Signal derart gehandhabt werden, beispielsweise kann gemäß Unteranspruch 11 eine dynamische Auswahl der Funktion vorgenommen werden. Hierzu bietet sich neben Erfordernissen bezüglich der Kanalantwort auch eine Auswahl zur Reduzierung des Verhältnisses der Spitzensendeleistung zur mittleren Sendeleistung an (PAPR, Peak to Average Power Ratio).
Um letztere zu realisieren, können beispielsweise verschiedene Skalierungsfunktionen parallel auf die Ausgangssignale angewendet werden, um jeweils eine denkbare Variante zu realisieren, die Ergebnisse werden danach zeitverzögert, um eine Auswertung der Varianten gemäß dem besten PAPR vorzunehmen und dann das so ausgewählte der zeitverzögerten Signale auf den Sender oder Leitungstreiber zu geben. Durch die Zeitverzögerung greift die Auswahl dann quasi rückwirkend.
Optional können sowohl die einzelnen Datenströme als auch deren Summe vor der Übergabe an den D/A-Wandler (8) zum – wie auch bei konventionellen Systemen beispielsweise aus einem Lokaloszilator (9), Vektormodulator (10) und (PA) Sendeverstärker (11) mit Antenne bestehenden – Sender noch einer Predistortion oder einem weiteren Upsampling auf eine Zwischenfrequenz unterzogen werden, letzteres ist dann vorteilhafterweise getrennt für die einzelnen Datenströme der einzelnen Filterbänke vornehmbar, wenn der notwendige Frequenzversatz zwischen beiden Filterbänken zusammen mit der Konvertierung auf die Zwischenfrequenz und einer letzten Bandpassfilterung in einem Arbeitsschritt realisiert wird, entsprechende Bausteine für eine Aufwärtswandlung von Basisband-Datenströmen (Digital Up Converter) sind nach dem Stand der Technik kommerziell verfügbar.
Weiterhin ist es denkbar, die die Skalierungsfunktionen auch an der Bedeutung der zu übertragenden Daten bzw. deren Fehlerfreiheit zu orientieren bzw. an der zur Verfügung stehenden Redundanz.
Die Ausführung gemäß Unteranspruch 12 sieht hierzu vor, dass im Fall einer paketorientierten (IP-)Datenübertragung entweder die Datenpakete, die einer niedrigen Service-Qualitätsklasse angehören, ihrerseits Sendedatenblöcken zugeordnet werden, welche über eine Filterbank übertragen werden, die mit reduzierter Leistung in das Sendesignal eingeht. Alternativ ist es möglich, Pakete mit einem Zeitstempel zu versehen, aus welchem die gewünschte Ankunftszeit des Pakets beim Empfänger hervorgeht, oder diese Zeitverhältnisse aus der Position des Datenpakets in einer Warteschlange abzuleiten.
Der Sender kann dann im zweiten Fall solche Pakete, die eigentlich noch nicht gemäß der zeitlichen Einordnung zur Übertragung anstehen, eine Vorabübertragung auf Sendedatenblöcken mit reduzierter Leistung oder Übertragungsqualität versuchen. Sofern das Paket den Empfänger erreicht und der Fehlersicherungscode es als fehlerfrei oder korrigierbar bewertet, kann dies dem Sender mitgeteilt und so eine erneute spätere Übertragung über Sendedatenblöcken mit voller Leistung und hoher Übertragungsqualität vermieden werden, hierdurch wird im Fall guter Funk-Übertragungsverhältnisse Bandbreite eingespart und die Latenzzeit verkürzt.
Anhand eines Zeitstempels innerhalb der Pakete kann dann trotzdem gegenüber dem eigentlichen Abnehmer der Daten eine kontinuierlicher Datenfluß gemäß Unteranspruch 13 simuliert werden, in dem die Pakete im Empfänger zwischengespeichert und erst zum angegebenen Zeitpunkt ausgeliefert werden. Hierdurch wird speziell bei fensterorientierten Protokollen wie TCP/IP ein hoher Datendurchsatz gewährleistet.
Um nun zu die so gesendeten Daten wieder zu empfangen und demodulieren zu können, wird im Empfänger gemäß der besonders vorteilhaften Ausführungsform nach Unteranspruch 2 ein spezieller Demultiplexer eingesetzt, welcher auf den Symboltakt synchronisiert ist. Dieser nimmt eine weiche Gewichtung der eingehenden Abtastwerte vor, welche, und das ist der entscheidende Trick an dieser Stelle, einen Nulldurchgang eines im Beispiel QPSK Symbols immer dann simuliert, wenn die eingehenden Abtastwerte jeweils für die andere Analysenfilterbank bestimmt sind.
Da im Prinzip auch eine Folge von 180 Grad Phasensprüngen der einzelnen Unterträger in einem Matched Filter System einwandfrei übertragen wird, kann der bei einem 180 Grad Übergang enstehende Leistungseinbruch auch künstlich für alle anderen Phasensprünge realisiert werden, wodurch sichergestellt ist, dass an dieser Stelle das Spektrum für die Übertragung der jeweils anderen Mehrträgersymbol-Klasse aus der anderen Filterbank zur Verfügung steht. Da durch den Frequenzversatz die einzelnen (unmodulierten) Unterträger der einen Klasse jeweils in den Filterflanken der Matched Filter der anderen Klasse platziert werden, tragen diese durch den zeitlichen wie frequenzmäßigen Versatz kaum zur Interferenz zwischen zwei Mehrträgersymbol-Klassen bei. Der Effekt kann durch Einfügen von Null-Abtastwerten in einer unterkritischen Filterbank oder durch die schon beschriebene Gewichtung der Ausgangssignale der Filterbänke gemäß Unteranspruch 5 noch verstärkt werden.
An dieser Stelle zeigt sich die besondere Leistungsfähigkeit dieses Übertragungsverfahrens im Vergleich zum Stand der Technik: Einerseits wird durch die Verschachtelung mehrerer Mehrträgersymbol-Klassen im Sendesignal eine sehr hohe spektrale Effizienz vergleichbar mit klassischen OFDM Verfahren geboten, es kann in diesem Sinne durchaus von einem orthogonalen Frequenzmultiplex gesprochen werden, wenngleich eine komplexere Transformation über mehrere Symbole hinweg zum Einsatz kommt. Bild 2 zeigt das aus zwei Teilspektren zusammengesetzte resultierende Spektrum. Andererseits kann bei diesem Übertragungsverfahren auf das Guard-Intervall verzichtet werden, da eine klassische Entzerrung aufgrund der im Verhältnis zur Signallaufzeit langen Symboldauer nur wenig aufwendig ist, gemäß Unteranspruch 7 reicht hierfür eine gewöhnliche Trellis-Viterbi Kombination völlig aus. Die Bandbreite für das Guard-Intervall steht somit vollständig zur Datenübertragung zur Verfügung, es besteht auch keine Gefahr des Versagens des Übertragungsverfahrens bei großen Laufzeitunterschieden beim Mehrwegeempfang und Störungen auf benachbarten Trägern werden durch den Frequenzgang der klassischen Filter problemlos eleminiert, während sie beim gewöhnlichen OFDM infolge der sin(x)/x Funktion der Filterkurve eines Einzelträgers, welche sich inherent aus der Fouriertransformation ergibt, unmittelbar auf auch weiter entfernte Träger durchschlagen können.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist die mögliche Wahl unterschiedlich breiter Filter für einzelne Unterträger zwecks unterschiedlicher Symbolraten für Daten unterschiedlicher Serviceklassen gemäß Unteranspruch 9.
So kann beispielsweise ein Satz von Trägern mit hoher Symbolrate für das Protokoll zur Allokation von Bandbreite in einem Punkt-zu-Mehrpunkt Übertragungssystem genutzt werden, hierdurch wird die Zuteilung von Bandbreite beschleunigt und die Latenzzeit insgesamt reduziert. Eine weitere Möglichkeit besteht in der schnellen Übertragung von Information zur Bestätigung von erfolgreich übertragenen Daten oder zur schnellen Übertragung von Wiederholungsanforderungen (ARP/HARP). Die im Bedarfsfall nochmals gesendeten Daten können dann bedarfsweise zwecks Fehlerkorrektur mit den ursprünglich gesendeten Daten kombiniert werden, eine solche weiche Überlagerung bietet sich insbesondere bei Turbo-Codes an.
Sofern gemäß Unteranspruch 10 weitere Pilotträger übertragen werden, können diese ebenso wie alternativ eine Präambel bei paketorientierter Übertragung oder ein zyklisch eingefügtes Synchronwort auch zur exakten Synchronisation des Symboltakts zwischen Sender und Empfänger verwendet werden, welche für die Einheit gemäß Unteranspruch 2 zur Trennung der Eingangsdatenströme im Empfänger notwendig ist.
Dabei bietet sich an, während des Sendens der Präambel bzw. des Synchronworts zumindest auf ausgewählten Unterträgern auf eine parallele Ausstrahlung weiterer Mehrträgersymbole anderer Klassen zu verzichten, um den so entstehenden Leistungseinbruch im (gegebenenfalls synthetisch erzwungenen) Nulldurchgang zur Erkennung der Symbolgrenze nutzen zu können. Weiterhin können gemäß Unteranspruch 10 auch orthogonale Pilot-Unterträger in einer anderen Klasse genutzt werden, um beispielsweise eine I/Q-Imbalance oder einen I/Q-Offset zu korrigieren. Eine Nutzung der Pilot-Unterträger zur Dopplerkorrektur ist ebenfalls denkbar. Da durch den Dopplereffekt ein reiner Frequenzoffset entsteht, kann die Korrektur unmittelbar bei der Rückgängigmachung der Frequenzverschiebung einer Symbolklasse im Empfänger und der ggf. damit kombinierten Übertragung der Zwischenfrequenz in das Basisband mittels Digital Down Converter erfolgen.
Zudem bietet sich die Nutzung der Pilot-Unterträger für eine Korrektur der Kanalimpulsantwort an, hierzu können auch unmittelbar die Koeffizienten der FIR-Filter einer gemäß Unteranspruch 3 konstruierten Analysenfilterbank adaptiv korrigiert werden. Dieses Verfahren steht natürlich einer nachträglichen Korrektur der Abtastwerte der Einzelunterträger gemäß komplexer Multiplikation wie beim klassischen OFDM nicht entgegen.
Alternativ kann eine differenzielle Modulation gemäß Unteranspruch 6 genutzt werden, um erst gar nicht die Notwendigkeit einer absoluten Phasenreferenz entstehen zu lassen.
Erfindungsgemäße Funkgeräte können mit Verfahren des Gleichwellenfunks kombiniert werden, sendeseitig werden die Symbole einfach von verschiedenen Sendern synchron mit gleichen Daten ausgestrahlt, aufgrund der langen Symboldauer erfolgt die Korrektur quasi automatisch. In umgekehrter Übertragungsrichtung kann beispielsweise die Vorgehensweise nach DE102004013701A1 Verwendung finden.
Ebenso ist es möglich, eine Kombination der Erfindung mit MIMO Übertragungsverfahren durchzuführen und so unterschiedliche Klassen von Mehrträgersymbolen über unterschiedliche Antennen oder auf unterschiedlichen Polarisationsebenen oder mittels Beamforming durch geeignete Auswahl relativer Phasen entsprechender Symbolklassen abzustrahlen und im Empfänger diese über eine geeignete Transformation oder Matrixmultiplikation wieder zusammen zu führen.
Anhand der Pilot-Information kann diese Transformation dann rechnerisch für die jeweiligen Übertragungsverhältnisse optimiert werden.
Die Nutzung der Erfindung ist nicht auf die drahtlose Übertragung beschränkt, so ist der Einsatz zur Datenübertragung auf Kupfer-Teilnehmeranschlußleitungen für einen DSL-Dienst ebenso denkbar wie die Übertragung von Daten unter Wasser mittels Ultraschall.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19827514 A1 [0007]
- DE 4208808 A1 [0011]
- US 4131766 [0011]
- US 4799179 [0011]
- EP 1016211 B1 [0011]
- DE 102004013701 A1 [0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Karl-Dirk Kammeyer, Nachrichtenübertragung, 3. Auflage, Teubner 2004 [0002]
- Norbert Fliege, Multiraten-Signalverarbeitung, Teubner 1993, Kapitel 8.6 [0011]

Claims

Funksystem oder Funkgerät oder Funkmodem oder Modem für drahtgebundene Übertragung oder Gerät zur Nachrichtenübertragung oder Baugruppe oder integrierter Schaltkreis eines solchen Gerätes, bestehend aus mindestens einem Sender oder Empfänger oder einer Kombination dieser, wobei der Sender digitale oder von ihm digitalisierte Informationen zur Übertragung in Datenblöcke aufteilt, wobei zur Übertragung der Daten ein Mehrträgerverfahren verwendet wird, das Mehrträgerverfahren verteilt durch Modulation – welche auch als komplexe Multiplikation realisiert sein kann – mindestens einen Datenblock auf mindestens zwei Unterträger, die Gesamtheit der so in einem Taktzyklus zu übertragenden Daten eines Blocks wird als Mehrträgersymbol bezeichnet, der Takt wird als Symboltakt bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass (1) eine Aufteilung der zu übertragenden Datenblöcke weiterhin auf mindestens zwei Klassen von Mehrträgersymbolen stattfindet, welche jeweils parallel auf demselben Übertragungsmedium übertragen werden, wobei sich die Klassen darin unterscheiden, dass (2) die Mehrträgersymbole mindestens zweier Klassen gegeneinander frequenzversetzt übertragen werden, so dass die Bereiche mit größtenteils hoher spektraler Leistungsdichte jeweils einer Klasse in solche Bereiche mit größtenteils niedriger spektraler Leistungsdichte mindestens einer anderen Klasse fallen, und dass (3) die Mehrträgersymbole mindestens zweier Klassen gegeneinander zeitlich versetzt übertragen werden, so dass der Abtastzeitpunkt eines Mehrträgersymbols einer Klasse in die zeitliche Nähe eines Leistungsminimums einzelner oder aller Unterträger des Mehrträgersymbols mindestens einer anderen anderen Klasse fällt.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger über eine mit dem Symboltakt synchronisierte Einheit verfügt, welche eine Aufteilung des empfangenen Signals auf die Analysefilter für die einzelnen Mehrträgersymbole vornimmt, indem die für das jeweilige Analysefilter bestimmten Abtastwerte mit mindestens einer periodischen Funktion gewichtet werden, deren Periodendauer der Periode des Symboltakts entspricht oder ein ganzzahliges oder gebrochen-rationales Vielfaches dieser ist. Als Analysefilter wird hier jede Stufe der Signalverarbeitung bezeichnet, welche – insbesondere unter Verwendung von mindestens einem diskreten FIR oder IIR Filter, mindestens einer Fouriertransformation oder inversen Fouriertransformation oder Wavelettransformation oder anderen Orthogonaltransformation oder einer Kombination dieser – in der Lage ist, das Mehrträgersignal wieder in seine Unterträger-Bestandteile zu zerlegen oder unmittelbar zu demodulieren.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass als Analysefilter eine Polyphasen-Filterbank verwendet wird, welche insbesondere durch eine Kombination aus einem Eingangsdemultiplexer, FIR Polyphasen Teilfiltern und einer inversen digitalen oder schnellen Fouriertransformation realisiert wird.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1. oder 2. oder 3., dadurch gekennzeichnet, dass zur Synthese des jeweiligen Mehrträgersymbols eine Polyphasen-Filterbank verwendet wird, welche zusammen mit dem Analysefilter in Bezug auf den jeweiligen Einzelträger ein Matched Filter System bildet.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet, dass sendeseitig bei der Modulation der Unterträger eines Mehrträgersymbols künstlich eine Leistungsabsenkung zwischen zwei Symbolen erfolgt, indem die aus der Synthese eines Mehrträgersymbols entstandenen Abtastwerte vor der Zusammenführung mit Abtastwerten anderer Mehrträgersymbole mit mindestens einer periodischen Funktion gewichtet werden, deren Periodendauer der Periode des Symboltakts entspricht oder ein ganzzahliges oder gebrochen-rationales Vielfaches dieser ist.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zur Modulation der einzelnen Unterträger eine BPSK, QPSK, nPSK, MSK oder QAM Modulation verwendet wird, welche vorzugsweise differenziell ausgelegt ist, um keine absolute Phasenreferenz zu benötigen.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1. oder 6., dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur einer Interferenz zwischen Unterträgern oder Mehrträgersymbolen oder einzelnen Bestandteilen dieser eine Trellis-Codierung mit Viterbi-Dekodierung Verwendung findet.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1. oder 6., dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur einer Interferenz zwischen Unterträgern oder Mehrträgersymbolen oder einzelnen Bestandteilen dieser eine Forwärtsfehlerkorrektur mittels Turbo-Code, Low Density Parity Code, Reed Solomon Code oder BCH Code Verwendung findet.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zur Priorisierung einzelner Teile des Datenstroms ein oder mehrere Einzelträger mit einer erhöhten Symboltaktrate zur Verkürzung der Latenzzeit übertragen werden.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Kanalimpulsantwort Pilot-Unterträger verwendet werden, welche über das zu sendende Spektrum verteilt sind, und die bedarfsweise orthogonal zu benachbarten Pilotträgern einer anderen Mehrträgersymbol-Klasse stehen.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 10 und 2. oder Anspruch 10. und 5., dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Gewichtungsfunktion an die herrschenden Übertragungsverhältnisse, insbesondere anhand der aus den Pilot-Unterträgern gewonnenen Information, oder an Erfordernisse des Senderbetriebs wie die Minimierung des Verhältnisses der Spitzensendeleistung zur mittleren Sendeleistung, angepasst wird.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass im Fall der Übertragung paketorientierter Daten unterschiedliche Paketklassen mit unterschiedlicher Servicequalität oder Pakete, deren Übertragung zu unterschiedlichen Zeiten stattfinden soll, geeigneten unterschiedlichen Mehrträgersymbol-Klassen zugeordnet werden. Dabei kann die Modulation oder Signalleistung der unterschiedlichen Mehrträgersymbol-Klassen entsprechend den Anforderungen an die Übertragungsqualität und Sicherheit variiert werden, insbesondere kann die Übertragung von Paketen, die gemäß Zeitvorgaben oder Zeitstempeln erst zu einem späteren Zeitpunkt notwendig wäre, versuchsweise auf einer Mehrträgersymbol-Klasse niedriger Qualität vorgezogen werden. Sofern trotzdem eine fehlerfreie Übertragung gelingt und bestätigt wird, wird somit Bandbreite im Bereich einer Mehrträgersymbol-Klasse hoher Qualität eingespart.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 12., dadurch gekennzeichnet, dass Datenpakete, welche vorzeitig in einer anderen Serviceklasse oder Mehrträgersymbol-Klasse übertragen wurden, trotzdem im Empfänger vor Auslieferung an den Abnehmer bis zur im Zeitstempel angegebenen oder aus diesem berechneten Auslieferungszeit zwischengespeichert werden, um gegenüber dem Abnehmer der Pakete einen kontinuierlichen Datenfluß zu simulieren und insbesondere bei fensterorientierten Protokollen wie TCP/IP einen optimalen Datendurchsatz zu gewährleisten.
Gerät oder Baugruppe oder Schaltkreis nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung der Signalverarbeitungsstufen ein Mikroprozessor, Mikrocontroller, digitaler Signalprozessor oder ein FPGA zum Einsatz kommt.