DE69216442T2

DE69216442T2 - Einrichtung und Verfahren für die Verarbeitung von Digitalsignalen

Info

Publication number: DE69216442T2
Application number: DE69216442T
Authority: DE
Inventors: Francis Julian Lake; Paul Christopher Marston; Alexander Walker Wishart
Original assignee: Matra Marconi Space UK Ltd
Current assignee: Matra Marconi Space UK Ltd
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2012-02-22
Also published as: GB9104186D0; JPH05199196A; US5293329A; EP0501690A3; CA2061685A1; EP0501690B1; JP3090522B2; ATE147558T1; EP0501690A2; CA2061685C; DE69216442D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung.
In der Beschreibung werden die folgenden Abkürzungen verwendet:
ASIC: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung
DSP : Digitale Signalverarbeitung
FDM : Frequenzteilungssystem bzw. Frequenzmultiplex
FIR : Endliche Impulsantwort
FFT : Schnelle Fourier-Transformierte
MCDD: Mehrträger-Demultiplexer/Demodulator
OBP : Verarbeitung an Bord
Diese Erfindung liegt auf dem Gebiet von DSP-ASIC-Architekturen zum Frequenzmultiplexen und -demultiplexen abgetasteter Signale. Ein beträchtlicher Arbeitsaufwand ist schon an solchen Schaltungen getrieben worden, die die zentrale Komponente von für eine große Anzahl von Satellitenkommunikationssystemen für die nahe Zukunft vorgeschlagenen OBP-Nutzlasten bilden. Das Ziel ist, ein FDM von Signalkanälen an Bord des Satelliten zum Zwecke zu demultiplexen oder multiplexen, der einschließen kann: eine Einzelkanal-Leistungssteuerung und/oder eine Kanalzu-Strahl-Wegewahl und/oder eine nachfolgende Demodulation der Signalkanäle in einem MCDD.
Das Hauptaugenmerk liegt immer auf einer Reduzierung der Rechenkomplexität der Architektur, und daher der ASIC-Masse und Leistungsanforderungen. Viele leistungsfähige Architekturen beruhen auf der Verwendung einer FFT, um einen Block von Signalkanälen gleichzeitig zu demultiplexen oder multiplexen. Ein gutes Beispiel des gegenwärtigen "Standes der Technik" in solchen Konstruktionen bzw. Ausführungen ist in der Beschreibung der britischen Patentanmeldung Nr. 9005178 vom 8. März 1990 auf den Namen der Anmelder beschrieben. Ein Dokument, das die Teilung mehrerer Signale in Teilbänder beschreibt, ist aus EP-A-0 065 210 bekannt.
Bestehende, auf einer Block-FFT-Verarbeitung beruhende Ausführungen erlegen die Beschränkung eines gleichmäßigen Kanalstapelschemas auf, d.h. die einzelnen Kanalschlitze müssen gleich beabstandet und benachbart sein (R.E. Crochiere und L.R. Rabiner, 'Multi-Rate Digital Signal Processing', Prentice-Hall, 1983 und WO-A-8 706 075). Dies verhält sich so, weil die FFT wie eine gleichmäßige Filterbank wirkt. Diese Beschränkung kann ein Nachteil sein; viele attraktive Systemszenarios erfordern ein Multiplexen/Demultiplexen von Kanälen, die eine Mischung verschiedener Bandbreiten aufweisen. Zum Beispiel kann es wünschenswert sein, die Bandbreitenabstände der Kanäle, die in der OBP verarbeitet werden, nachdem der Satellit in Betrieb ist, als Antwort auf eine Änderung im Verkehrsbedarf zu ändern.
Eine Architektur, die darauf abzielt, diese Flexibilität zu bieten, ist in S.J. Campanella und S. Sayegh, 'A Flexible On- Board Demultiplexer/Demodulator', Comsat Laboratories, beschrieben, welche auf dem bekannten Überlappungs-Sicherungsverfahren für digitales FIR-Filtern unter Verwendung einer FFT beruht (siehe auch R.E. Crochiere und L.R. Rabiner, 'Multi-Rate Digital Signal Processing' Prentice-Hall, 1983). Diese Ausführung scheint jedoch einen wesentlichen Aspekt dieses Verfahrens zu ignorieren, nämlich daß die Länge der Überlappung genau eine Abtastung kürzer als die Länge der Einheitsabtastantwort des FIR-Filters sein muß (siehe R.E. Crochiere und L.R. Rabiner, 'Multi-Rate Digital Signal Processing' Prentice-Hall, 1983). Der praktische Effekt dieses Versehens wäre eine Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Systems (im Sinne einer Signalqualität) durch Addieren einer rauschartigen Verzerrung zu dem demultiplexten Kanal. Die Ausführung könnte modifiziert werden, um mathematisch korrekt zu sein, jedoch würde dies ihre Recheneffizienz ernstlich gefährden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, dieses Problem abzuschwächen. Dieses Ziel wird durch die Kennzeichen der beigefügten Ansprüche 1 und 8 mit in den abhängigen Ansprüchen definierten vorteilhaften Ausführungsformen erreicht.
Damit die Erfindung klarer verstanden werden kann, wird nun eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen Block-FFT-Multiplexer für Eingaben mit veränderlicher Bandbreite zeigt, und
Fig. 2a bis 2d den Frequenzgang von Filtern für den Multiplexer von Fig. 1 zeigen.
Die Erfindung nutzt ein als Teilbandzerlegung und -rekonstruktion bekanntes Verfahren aus. Dieses Verfahren ist in A. Papoulis, 'Signal Analysis', McGraw-Hill, 1984; M.R. Portnoff, 'Implementation of the digital phase vocoder using the fast Fourier transform' IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Bd. ASSP-24, S. 243-248, Juni 1976; R.E. Crochiere, 'A Weighted Overlap-Add Method of Short-Time Fourier Analysis/Synthesis', IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Bd. ASSP-28, S. 99-102, Februar 1980 beschrieben. Im wesentlichen ist dies eine rechentechnisch effiziente Implementierung einer Bank benachbarter digitaler Filter, die überlappende Frequenzgänge aufweisen, welche zusammen die Bandbreite des Eingangssignals überspannen und sich zu einer Einheitsanwort bzw. einem Einheitsfrequenzgang summieren. Dies bedeutet, daß die einzelnen Filterausgaben, oder Teilbänder, anschließend summiert werden können, um das Eingangssignal zu rekonstruieren. Falls die Teilbandsignale dezimiert (downsampled) sind, ist es dann notwendig, sie vor einer Rekonstruktion zu interpolieren, welche Funktionen in einem FFT-Multiplexer effizient kombiniert sind (siehe M.R. Portnoff, 'Implementation of the digital phase vocoder using the fast Fourier transform' IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Bd. ASSP-24, S. 243-248, Juni 1976, R.E. Crochiere, 'A Weighted Overlap-Add Method of Short-Time Fourier Analysis/Synthesis', IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Bd. ASSP-28, S. 99-102, Februar 1980).
Der Multiplexeraspekt der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Verarbeitungsstufen sind wie dargestellt, nämlich:
1. Jeder Eingabekanal (a) mit einem Basisband-Bildsignal wird mit einer Feinfrequenzkorrektur (b) gemischt.
2. Jeder Eingabekanal wird unter Verwendung eines FFT- gewichteten überlappungs-Addier-Demultiplexers (c) mit einer geeigneten Filterausführung in Teilbänder zerlegt.
3. Für jeden Kanal werden die Teilbandausgaben auf die gewöhnliche Eingabeabtastrate des Multiplexers dezimiert (d).
4. Die Teilbänder von jedem Kanal werden nun durch eine Vermittlungs- bzw. Schaltmatrix (e) in die geeigneten Ports bzw. Anschlüsse eines FFT-gewichteten Überlappungs-Addier-Multiplexers (f) durchgelassen; der Prozessor (f) führt die Funktion aus:
- Rekonstruieren der einzelnen Kanäle
- Interpolieren jedes Kanals bis zu der Ausgabeabtastrate B des FDM-Signals
- Mischen jedes Kanals bis zu seiner zugeordneten Trägerfrequenz in dem FDM
- Multiplexen der Kanäle
Der Block-FFT-Multiplexer (f) weist eine K-Punkt-Komplex- Komplex-FFT-Transformierte und Interpolation durch einen Faktor L auf. Die Multiplexerausgabe (g) ist ein komplexes Basisband- Bildsignal mit dem FDM. Die einzelnen Eingabekanäle (a) sind bandbeschränkte komplexe Basisband-Bildsignale. Ein Eingabekanal i wird unter Verwendung eines Ki-Punkt-FFT-Demultiplexers (c) in Ki Teilbänder geteilt; jede Teilbandausgabe von dem Demultiplexer für einen Kanal i wird durch einen Faktor Mi dezimiert (d). Frequenzen w (in Radian/Abtastung) in dem Eingabekanal werden daher auf Multiplexer-Ausgangsfrequenzen w' gemäß der Beziehung
w T w' = w Mi/L (1)
abgebildet. Die einem Kanal i entsprechenden Teilbänder sind gemäß Δw = 2π/Ki beabstandet. Eine geeignete Rekonstruktion eines Kanals i in dem Ausgabemultiplex erfordert, daß
Δw T Δw' => (2π/Ki) (Mi/L) = 2π/K => K/Ki = L/Mi ≥ 1 (2)
gilt.
Fig. 2a zeigt den Prototyp-Frequenzgang des Filters Hi(ejw), der mit der Teilbandzerlegung des Kanals i unter Verwendung einer Ki-Punkt-FFT verbunden ist. Der ideale Frequenzgang (I) ist ein 'Ziegelwand'-Filter (engl. 'brick-wall' filter); der tatsächliche Frequenzgang (P) ist verschmiert bzw. geht stetig gegen Null (engl. relaxed), mit einem Sperrbereich ws, der wie dargestellt geringer als 2π/Ki ist. Man beachte, daß dies darauf hinausläuft, daß der mit den Teilbändern eines Kanals i verbundene Dezimierungsbruchteil Mi kleiner als Ki sein muß.
Fig. 2b zeigt den Prototyp-Frequenzgang des gewöhnlichen Filters F(ejw), der mit der nachfolgenden Rekonstruktion der Kanal-Teilbänder und Interpolation bis zu der FDM-Ausgangsfrequenz in dem Multiplexer verbunden ist; der dargestellte Frequenzgang steht für den speziellen Fall eines Interpolationsfaktors L = K/4 (praktische Filterausführungen erfordern, daß L < K gilt). Das mit dem FFT-Multiplexer verbundene ideale Anti-Bild (Interpolations)-Filter (I) wäre ein 'Ziegelwand'- Filter mit einer Durchlaßbereichskante bei w'= π/L = 4π/K. In der Praxis muß dies, wie dargestellt, mit der Durchlaßbereichskante des interpolierenden Filters (P) bei w'p = 2π/K ver schmiert sein, was größer als die oder gleich der Sperrbereichskante des Teilband-Zerlegungsfilters ist. Der Frequenzgang des Filters Hi(ejw) ist in Fig. 2b dargestellt, wie er sich auf die Achse w' der Ausgangsfrequenz gemäß den obigen Beziehungen (1) und (2) abbildet. Man beachte, daß gilt:
F(ejw') = 1 für 0 ≤ w' ≤ 2π/K (3)
Dies erfüllt, kombiniert mit der Verwendung einer FIR-Ausführung mit einem Standardfenster für die Teilband-Zerlegungsfilter Hi, was die Nulldurchgänge eines rechtwinkligen Fensters in der Einheitsabtastantwort beibehält, die Anforderungen für eine korrekte Rekonstruktion, siehe M.R. Portnoff, 'Implementation of the digital phase vocoder using the fast Fourier transform' IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing, Bd. ASSP-24, S. 243-248, Juni 1976.
Der Eingabekanal i wird mit einer Mittenfrequenz
w'i = δi + 2πk/K (4)
gemischt, wo k eine ganze Zahl 0, ..., K-1 und δi ein Feinfrequenzversatz ist, der durch den Kanalmischer (b) in Fig. 1 geliefert wird, wo:
δi ≤ π/K (5)
gilt.
In dem diskutierten Beispiel ist der Interpolationsfaktor in dem Multiplexer L = K/4, und somit muß die Eingabe der Teilbänder in den FFT-Multiplexer bei einer Abtastrate von 2π/L = 8π/K erfolgen.
Aus Fig. 2c kann man entnehmen, daß ein Eingabekanal i, der auf weniger als Δw' = 2π/K bandbeschränkt ist (und daher um zumindest einen Faktor 4 übertastet bzw. oversampled wird) keine Teilbandzerlegung erfordert. Das Spektrum eines Kanals i ist als X(ejw') bezeichnet. Sogar mit der maximalen Feinverschiebung von δi = π/K liegt das verschobene Spektrum X(ej(w' - π/K)) des Kanals i noch ganz in dem Durchlaßbereich das Anti-Bildfilters F. Solche Kanäle können daher unter Umgehung der Verarbeitungsblöcke (c) und (d) von Fig. 1 direkt in die Schaltmatrix eingegeben werden.
Fig. 2d zeigt den Fall, worin ein Eingabekanal i eine Bandbreite > Δw' aufweist und einer Feinverschiebung von π/K unterzogen ist. Der Kanal muß in Teilbänder zerlegt werden, um eine Verzerrung in dem übertragungsband des Anti-Bildfilters F und einen Verlust von den Bildern bei w' = -2π/L zu vermeiden.
Dieses System kann so ausgeführt bzw. ausgelegt sein, daß es eine spezielle Mischung von Eingabekanalbandbreiten unterbringt; mit einem geeigneten Mischen und Vermitteln bzw. Schalten der Teilbandgruppen auf die Eingabeanschlüsse des Multiplexers können diese Eingabekanäle in verschiedene Bänder des Ausgabe-FDM gemultiplext werden. Mit programmierbaren FFT- Prozessoren (c) auf jeder Eingangsleitung bietet dieses System die Flexibilität, zu einem späteren Zeitpunkt neu konfiguriert zu werden, um eine verschiedene Mischung von Bandbreiten in den Eingabekanälen unterzubringen.
Der Demultiplexer ist einfach der umgekehrt arbeitende Multiplexer.
Die oben beschriebene Ausführungsform schafft eine mathematisch exakte und rechentechnisch effiziente Architektur mit der Flexibilität, um Kanäle verschiedener Bandbreiten unterzubringen. Insbesondere kann die Leistungsfähigkeit des Multiplexer/Demultiplexers im Hinblick auf dessen Einfluß auf die Signalqualität exakt quantifiziert werden, wenn die Ausführungsspezifizierungen der verwendeten Filter gegeben sind.
Man wird erkennen, daß die obige Ausführungsform nur beispielhaft beschrieben worden ist und daß viele Änderungen möglich sind, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung zum Multiplexen oder Demultiplexen eines FDM von Signalkanälen mit einem Multiplexer oder Demultiplexer (f) mit Anschlüssen für gleich beabstandete Signalschlitze mit gleicher Bandbreite und für ein FDM-Multiplex der Signalschlitze, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Bank benachbarter digitaler Filter (c) für jeden Signalkanal (a) gibt, dessen Bandbreite größer als die der Signalschlitze ist, wobei die Bank benachbarter digitaler Filter Anschlüsse aufweist, die mit entsprechenden Anschlüssen des Multiplexers oder Demultiplexers gekoppelt sind, für Teilbänder mit einer Breite, die gleich den Signalschlitzen ist, welche Teilbänder überlappende Frequenzgänge aufweisen, die zusammen die Bandbreite des jeweiligen Signalkanals überspannen und sich zu einem flachen bzw. gleichmäßigen Frequenzgang über die Bandbreite summieren, um eine Verarbeitung eines FDM von Signalkanälen mit veränderlicher Bandbreite zu gestatten.

2. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Signaleingabekanälen (a), von denen jeder mit einer Feinfrequenzkorrektur (b) gemischt wird.

3. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung nach Anspruch 1 oder 2, worin die oder jede Bank benachbarter digitaler Filter einen FFT-gewichteten überlappungs-Addier-Multiplexer oder -Demultiplexer aufweist.

4. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung nach Anspruch 3, worin für jeden Kanal Mittel (d) vorgesehen sind, um die Teilbandausgaben durch einen Faktor auf die gewöhnliche Eingabeabtastrate des Multiplexers (g) zu dezimieren oder um die Teilbandeingaben in die Bank benachbarter digitaler Filter aus der Abtastrate des Demultiplexers (g) zu interpolieren.

5. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung nach Anspruch 4, worin der Multiplexer/Demultiplexer (g) ein FFT- gewichteter Überlappungs-Addier-Multiplexer/Demultiplexer (f) ist und worin eine Schaltmatrix (e) wirksam vorgesehen ist, um die Teilbänder von jedem Kanal in geeignete Anschlusse des Multiplexers/Demultiplexers durchzulassen.

6. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung nach Anspruch 5, worin der FFT-gewichtete Überlappungs-Addier-Multiplexer/Demultiplexer (f) eine Transformierte und Interpolation/Dezimierung durch einen Faktor enthält.

7. Vorrichtung für eine digitale Signalverarbeitung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, worin die einzelnen Signalkanäle (a) in komplexer Basisband-Bildform vorliegen.

8. Ein Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung, umfassend ein Multiplexen von Signalen, die gleich beabstandete Schlitze mit gleicher Bandbreite belegen, oder ein Demultiplexen derselben, gekennzeichnet durch den Schritt eines Verwendens einer Bank benachbarter digitaler Filter, um einen Signalkanal, dessen Bandbreite größer als die der Schlitze ist, in Teilbänder mit einer Breite, die gleich der der Schlitze ist, vor einem Multiplexen zu zerlegen oder um einen Signalkanal, dessen Bandbreite größer als die der Schlitze ist, aus Teilbändern mit einer Breite, die gleich der der Schlitze ist, nach einem Demultiplexen zu rekonstruieren, wobei die Bank benachbarter digitaler Filter überlappende Frequenzgänge aufweist, die zusammen die Bandbreite des Signalkanals überspannen und sich über die Bandbreite zu einem flachen bzw. gleichmäßigen Frequenzgang summieren, um eine Verarbeitung eines FDM von Signalen mit variabler Bandbreite zu gestatten.

9. Ein Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung nach Anspruch 8, worin zum Multiplexen die Filter-Teilbandausgaben auf die gewöhnliche Eingabeabtastrate des Multiplexers dezimiert werden und zum Demultiplexen die Teilbandeingaben in die Bank benachbarter digitaler Filter aus der Abtastrate des Demultiplexers interpoliert werden.

10. Ein Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung nach Anspruch 8 oder 9, worin es eine Vielzahl von Eingabekanälen (a) gibt und jeder Eingabekanal mit einer Feinfrequenzkorrektur (b) gemischt wird.

11. Ein Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung nach Anspruch 8, worin ein FFT-gewichteter Überlappungs-Addier-Multiplexer oder -Demultiplexer (f) als die Bank benachbarter digitaler Filter verwendet wird.

12. Ein Verfahren zur digitalen Signalverarbeitung nach Anspruch 11, worin die Teilbänder jedes Kanals mit geeigneten Anschlüssen eines FFT-gewichteten Überlappungs-Addier-Multiplexers oder Demultiplexers (f) durch eine Schaltmatrix (e) verbunden werden, wobei der Multiplexer/Demultiplexer die Funktion eines Rekonstruierens der einzelnen Kanäle, Interpolierens jedes Kanals bis zu der Ausgabeabtastrate des FDM- Signals, Mischens jedes Kanals bis zu seiner zugeordneten Trägerfrequenz in dem FDM und Multiplexens der Kanäle oder umgekehrt ausführt.