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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern der
maximalen Signalamplitude und somit des Spitzenfaktors eines Signals,
z.B. eines Mehrträgersignals
wie etwa eines DMT (Discrete Multi-Tone)-Signals, und insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
ein solches von einem Modem erzeugtes Signal.
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Die
Amplitudenverteilung eines bandbegrenzten, überabgetasteten Signals wie
etwa eines von einem ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)-Modem
erzeugten Mehrträgersignals
kann als Gaussisch mit einer Mittelwert Null und einer Varianz von
gleich der Leistung des Sendersignals betrachtet werden. Die Einhüllende solcher
Mehrträgersignale weist
auf zufällige
Weise mit einer geringen Wahrscheinlichkeit Spitzen mit einer sehr
hohen Amplitude auf. Die Spanne (d.h. die Spitze-Spitze-Spannung) von Signalen, die vom
Leitungstreiber angetrieben werden, bei dem es sich um diejenige
Komponente handelt, die für
das Übertragen
der Leistung auf der Leitung zuständig ist, ist groß. Die Leistungsaufnahme
des Leitungstreibers steht in einer starken Beziehung zu der Spanne
der Spannung. Um einen vernünftigen
Pegel der Leistungsaufnahme beizubehalten, ist ein gewisser Betrag
an "Clipping" von Spannungsspitzen
wünschenswert.
Ein solches Clipping verringert die Spannungsspitzen des Signals.
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Jegliches
solches Clipping erzeugt jedoch Breitbandrauschen, für gewöhnlich auf
der gesamten Bandbreite des Signals. Dieses Rauschen verursacht
Datenverluste: in der Senderichtung durch eine plötzliche
Erhöhung
des Hintergrundrauschens; und in der Empfangsrichtung durch eine
Ableitung des Rauschens durch die Gabelschaltung. Dieser Effekt in
der Empfangsrichtung ist hauptsächlich
in Systemen anzutreffen, die Echokompensatoren verwenden.
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Daher
erzeugt zu häufiges
Clipping eine Verschlechterung des Bitfehlerverhältnisses der Übertragung
insgesamt, was dazu führt,
dass Daten verloren gehen. Während
also ein geringer Betrag an Clipping zulässig ist und toleriert werden
kann, muss die Wahrscheinlichkeit, dass Clipping stattfindet, gering
genug sein, um eine gute Leistungsfähigkeit sicherzustellen, d.h.
ohne beträchtlichen
Datenverlust.
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Das
US-Patent Nr. 6,038,261 beschreibt ein Verfahren zum Nachformen
eines Signals bei Mehrfachträgermodulation
einschließlich
eines Clipping (Beschneidens) der Signalamplitude. Eine Rückkopplungsschleife
wird verwendet, um ein Clipping- Rauschen
von einem vorausgehenden Impuls wieder in einen neuen Impuls einzubringen.
Das Clipping-Rauschen wird außerhalb
des Nutzteils des Signals neu verteilt. Dieses Verfahren stellt
sicher, dass das Signal einen vorgegebenen Schwellwert niemals übersteigt,
da das Ausgangssignal unmittelbar aus dem Ausgang einer Clipping-Schaltung
erhalten wird. Die Verwendung einer Rückkopplungsschleife macht das
Verhalten des Verfahrens jedoch unvorhersagbar, wenn eine Sequenz
von Impulsen verarbeitet wird. Während
das Verfahren auf vorhersagbare Weise funktioniert, wenn zwei aufeinander
folgende Spitzen verarbeitet werden, wobei das neu verteilte Rauschen
der ersten Spitze der zweiten Spitze wieder zugeführt wird,
wäre der
Betrieb mit einer Sequenz von Spitzen instabil. Mit einen Sequenz
von Spitzen wäre
es schwierig, den Beitrag aufeinander folgender Spitzen in der Rückkopplungsschleife
vorher zu sagen, und das System wäre für einen zuverlässigen Betrieb
zu unberechenbar.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu
stellen, welches die maximale Signalamplitude eines Mehrträgersignals
reduziert und gleichzeitig die Integrität des Signals bewahrt. Insbesondere
zielt die Erfindung darauf ab, die maximale Signalamplitude zu reduzieren
und dabei das Bitfehlerverhältnis
des ursprünglichen
Mehrträgersignals
zu bewahren. Daher reduziert die Erfindung den Spitzenfaktor des
Signals.
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Bei
einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 zur Verfügung.
Hierdurch wird der Spitzenfaktor des Signals verringert. Die Amplitude
derjenigen Abschnitte des Signals, die Spitzen über einem Schwellwert aufweisen,
wird nicht auf den Schwellwert begrenzt. Während sie auf einen Wert bei
oder über
dem Schwellwert reduziert werden kann, kann sie auch auf einen Pegel
reduziert werden, der über
dem Schwellwert liegt.
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Der
Schritt des Filterns des clipped Signals kann das Erzeugen eines
Impulses mit einer vorgegebenen Form umfassen, die von den clipped
Abtastproben abhängt.
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Bei
dem Schritt des Verzögerns
wird das bandbegrenzte, überabgetastete
Signal um einen Betrag verzögert,
welcher der zum Durchführen
des Clippingschrittes und des Filterschrittes gebrauchten Zeit entspricht.
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Ein
Verschieben des Rauschens kann ein Filtern umfassen.
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Der
Schritt des Steuerns der Frequenzposition des Rauschens kann das
Verschieben des Rauschens aus dem von dem Signal verwendeten Frequenzband
hinaus umfassen.
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Der
Schritt des Steuerns der Frequenzposition des Rauschens kann das
Verschieben des Rauschens aus dem Frequenzband, das von einem in der
entgegengesetzten Richtung übertragenen
Signal verwendet wird, hinaus umfassen. Das Signal kann ein Echo
zu dem in der entgegengesetzten Richtung übertragenen Signal beitragen.
Auch wenn dies dazu führen
kann, dass das Clipping-Rauschen in dem verwendeten Band des übertragenen
Signals vorhanden ist, kann es Umstände geben, unter denen es wünschenswerter
ist, sicher zu stellen, dass kein Clipping-Rauschen zu dem Echo
beiträgt.
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Bei
einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Schaltung gemäß Patentanspruch
6 zur Verfügung.
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Die
Erfindung wird nun im Hinblick auf ein nicht-einschränkendes
Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben;
es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Schaltung für
die Durchführung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung; und
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2 bis 6 Wellenformen
an verschiedenen Stellen in der Schaltung von 1 bei
einem veranschaulichenden Beispiel.
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Die
Erfindung wird vorliegend im Hinblick auf ein bestimmtes Beispiel
beschrieben, das die Verarbeitung eines von einem ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line)-Modem
erzeugten Signals betrifft. Ein solches Modem erzeugt ein DMT (Discrete
Multi-Tone)-Signal, das mehrere Trägerfrequenzen trägt. Solche
Signale sind bandbegrenzte, überabgetastete Signale.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Verarbeiten eines solchen
Signals beschränkt
und lässt sich
noch umfassender auf die Verarbeitung eines jeglichen bandbegrenzten, überabgetasteten
Signals anwenden. Die Erfindung ist in seiner Anwendbarkeit nicht
auf Mehrträgersignale
beschränkt,
sondern kann auch auf einzelne Trägersignale angewendet werden.
Die nachfolgende Beschreibung verwendet das Beispiel eines Mehrträgersignals
nur zu Veranschaulichungszwecken.
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Wie
vorausgehend in der Einleitung erörtert wurde, enthält das Signal
as ein Ergebnis der Kombination mehrerer Träger am Ausgang des Modems zufällige Spitzen,
die über
einem gewünschten Schwellwert
liegen. Der Pegel des gewünschten Schwellwertes
ist anwender- oder ausführungsbedingt.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist dort ein Blockdiagramm
einer digitalen Schaltung veranschaulicht, die gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zum Verarbeiten des Mehrträgersignals
am Ausgang des Modems geeignet ist. Das somit verarbeitete Signal
ist dann für
die Eingabe in einen Leitungstreiber geeignet.
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Die
digitale Schaltung, die allgemein durch das Bezugszeichen 12 bezeichnet
ist, weist einen Clipper oder eine Begrenzerschaltung 2,
ein Filter 6, eine Verzögerungseinheit 10 und
zwei Arithmetik- oder Subtrahiereinheiten 4 und 8 auf.
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Der
Eingang zu der digitalen Schaltung 12 auf der Leitung 14 ist
bei dieser veranschaulichenden Ausführungsform das Mehrträger-DMT-Signal,
das Abtastproben von dem ADSL-Modem umfasst. Die Abtastproben von
dem ADSL-Modem sind überabgetastet,
damit ein bandbegrenztes Signal erhalten wird. Die Abtastproben
von dem ADSL-Modem auf der Leitung 14 stellen einen Eingang
für die
Begrenzerschaltung 2 dar. Unter Bezugnahme auf 2 ist dort
ein Beispiel für
die Abtastproben auf der Leitung 14 veranschaulicht, das
einen Eingang für
die digitale Schaltung darstellt.
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Die
Begrenzerschaltung 2 clippt die Abtastproben von dem ADSL-Modem
auf der Leitung 14 an einem vorgegebenen Schwellwert und
liefert clipped Abtastproben auf der Leitung 16. Der in
der Begrenzerschaltung 2 angewendete Schwellwert wird auf
der Grundlage der tolerierbaren Verschlechterung des Bitfehlerverhältnisses
ermittelt und ist anwender- oder ausführungsbedingt. Im Allgemeinen
ist der erforderliche Schwellwert umso höher, je niedriger das erforderliche
Bitfehlerverhältnis
ist. Die Grundgedanken und die Durchführung eines solchen Clipping sind
auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt.
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Bei
dem gegenwärtigen
Beispiel wird angenommen, dass der Schwellwert ein Pegel VTH ist. Die Begrenzerschaltung bzw. der Clipper 2 erzeugt
somit eine Impulssequenz mit vier Impulsen, die den vier über dem
Schwellwert VTH liegenden Impulsen entsprechen,
wie in 3 gezeigt ist. Wie aus 3 hervor
geht, ist die Amplitude dieser vier Impulse am Ausgang der Begrenzerschaltung
bzw. des Clippers 2 auf den Schwellwert VTH begrenzt.
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Die
clipped Abtastproben auf der Leitung 16 werden zusammen
mit den Abtastproben von dem ADSL-Modem auf der Leitung 14 an
die Arithmetikeinheit 4 geliefert. Die Arithmetikeinheit 4 subtrahiert
die clipped Abtastproben auf der Leitung 16 von den Abtastproben
von dem ADSL-Modem auf der Leitung 14, wodurch eine Sequenz
von clipped Abtastproben auf der Leitung 18 erzeugt wird,
wie in 4 gezeigt ist.
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Unter
Bezugnahme auf 4 ist ersichtlich, dass die
clipped Abtastproben vier Abtastproben angeben, welche den vier
ursprünglichen, über dem Schwellwert
VTH liegenden Abtastproben entsprechen.
Die Amplitude dieser Abtastproben entspricht ihrer Amplitude über dem
Schwellwert VTH Somit extrahiert die von
dem Subtrahierer 4 durchgeführte Subtraktion den Teil der
Abtastproben der ankommenden Signale, die über dem Schwellwert liegen.
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Die
Sequenz von clipped Abtastproben auf der Leitung 18 wird
dann als ein Eingang an das Filter 6 geliefert. Das Filter 6 filtert
die clipped Abtastproben auf der Leitung 18, um das durch
die Clipping-Operation erzeugte Rauschen zu formen. Das Filter errechnet
aus den clipped Abtastproben einen Impuls mit einem Spektrum, das
außerhalb
der Signalbandbreite des Nutzsignals liegt. Somit gibt das Filter
bei dieser bevorzugten Ausführungsform
eine Sequenz von Abtastproben aus, die ein Spektrum außerhalb
des genutzten Bandes des von dem Modem erzeugten Mehrträger-ADSL-Signals haben.
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Diese
Art der Verarbeitung, bei der die Abtastproben aus dem Band verschoben
werden, ist als Soft-Clipping bekannt. Hard-Clipping hingegen würde dazu
führen,
dass die Abtastproben (und somit das Rauschen) innerhalb des Bandes
bleiben. Soft-Clipping-Verfahrensweisen unter Verwendung eines Filters
sind dem Fachmann allgemein bekannt. Auf ähnliche Weise ist die Verwendung
von Filtern allgemein zum Steuern der Frequenzposition eines Signals
allgemein bekannt.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform wird
das Filtern unter Verwendung eines Finite Impulse Response-Filters
durchgeführt.
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Obgleich
das Filter bei dieser bevorzugten Ausführungsform verwendet wird,
um sicher zu stellen, dass das Rauschen außerhalb des Bandes liegt, wäre es allgemein
möglich,
von den clipped Abtastproben einen Impuls mit einem "guten" Spektrum abzuleiten.
Eine gute Leistungsfähigkeit
wird aber bei der vorliegend beschriebenen, veranschaulichenden Ausführungsform
ohne eine Verschiebung des Rauschens aus dem verwendeten Frequenzband
hinaus nicht erzielt.
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Allgemein
ausgedrückt
steuert das Filter die Frequenzposition des Rauschens im Zusammenhang
mit den über
dem Schwellwert liegenden Spitzen. Bei bestimmten Anwendungen kann
es vorteilhaft sein, die Frequenzposition innerhalb des nützlichen
Bandes des bandbegrenzten, überabgetasteten
Signals zu steuern.
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Bei
einem Beispiel für
solch ein Szenario wird das Rauschen im Zusammenhang mit dem Clipping
der über
dem Schwellwert liegenden Spitzen so gesteuert, dass es außerhalb
des nützlichen
Bandes des Signals liegt, das in dem Modem empfangen wird. Wie auf
diesem Fachgebiet allgemein bekannt ist, ist das in dem Modem empfangene
Signal empfindlich gegen Echoeffekte in Folge der Übertragung des
Signal in dem gleichen Modem, wobei der Echoeffekt ein Charakteristikum
einer Gabelschaltung ist, die zum Senden und Empfangen von Signalen
auf dem Kommunikationskanal verwendet wird. Indem man sicher stellt,
dass das Clipping-Rauschen aus dem nützlichen Band jedes Signals,
das in der Gabelschaltung des Modems empfangen wird, hinaus verschoben
wird, wird jegliche Ableitung von Clipping-Rauschen in dem Echo
verringert. Obgleich dies dazu führen
kann, dass das Clipping-Rauschen in dem verwendeten Band des übertragenen
Signals vorhanden ist, kann es Umstände geben, in denen es wünschenswerter
ist, sicher zu stellen, dass kein Clipping-Rauschen zu dem Echo
beiträgt.
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Bei
der gegenwärtigen
veranschaulichenden Ausführungsform
und in den meisten Anwendungen ist es bevorzugt, dieses Rauschen
aus dem nützlichen
Band hinaus zu verschieben.
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Daher
liefert das Filter bei der veranschaulichenden Ausführungsform
eine modifizierte Version der clipped Abtastproben in dem ankommenden
Signal in einem anderen Frequenzspektrum. Die Form der gefilterten
clipped Abtastproben ist in 5 gezeigt.
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Die
von dem Filter 6 erzeugte Sequenz von gefilterten clipped
Abtastproben wird auf der Leitung 20 an die Arithmetikeinheit 8 geliefert.
Die Arithmetikeinheit 8 empfängt auch auf der Leitung 24 eine
verzögerte
Version des Eingangssignals auf der Leitung 14. Das verzögerte Signal
wird von der Verzögerungseinheit 10 geliefert.
Die Verzögerung
wird vorgesehen, um die Berechnungszeit in der Begrenzerschaltung 2 und
in dem Filter 6 auszugleichen, so dass der Takt der verzögerten Version
(oder Replik) des Eingangssignals mit den Impulsen am Ausgang des
Filters zusammenfällt.
Die gefilterten clipped Abtastproben auf der Leitung 20 werden
im Subtrahierer 8 von der verzögerten Version des Eingangssignals auf
der Leitung 24 subtrahiert. Diese Subtraktion entfernt
den aus den clipped Abtastproben erzeugten Impuls aus dem ankommenden
Signal.
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Die
Wellenform, die aus dieser Subtraktion resultiert, ist in 6 veranschaulicht.
Wie aus 6 hervor geht, sind die Spitzen
des ursprünglich über VTH liegenden Signals im Hinblick auf das
ursprüngliche
Signal reduziert, obgleich das Signal immer noch Spitzen aufweist,
die über
dem Schwellwert VTH liegen. Die Spitzenspannung
und die Leistungsaufnahme des Signals, das auf der Leitung 22 an
den Leitungstreiber geliefert wird, sind daher verringert. Auch
wenn 6 zeigt, dass tatsächlich keine der Spitzen auf
unterhalb von VTH reduziert ist, können die
Spitzen, die anfänglich
nur um einen bestimmten Pegel über
VTH liegen, auf einen Pegel bei oder unterhalb
von VTH reduziert werden.
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Der
Spitzenfaktor des von der digitalen Schaltung 12 auf der
Leitung 22 ausgegebenen endgültigen Signals hängt von
drei Faktoren ab:
- 1. dem maximalen Spitzenfaktor
des Eingangssignals auf der Leitung 14;
- 2. dem in der Begrenzerschaltung 2 verwendeten Schwellwert;
und
- 3. der Weise, auf welche der Impuls von den clipped Abtastproben
in dem Filter 6 abgeleitet wird.
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Es
gibt eine offensichtliche Beziehung zwischen den ersten zwei Faktoren
und dem letztlichen Spitzenfaktor: je höher der maximale Eingang, desto höher ist
der maximale Ausgang; und je höher
der Schwellwert, desto höher
ist der maximale Ausgang.
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Hinsichtlich
des Filters hängt
eine Optimierung des Entwurfs zum Einstellen des endgültigen maximalen
Spitzenfaktors vom Entwurf des Filters selbst ab. Der Entwurf des
Filters liegt außerhalb
des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung, kann aber von einem
Fachmann problemlos verwirklicht werden.
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Somit
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verfügung, bei
dem jegliche über
einem Schwellwertpegel liegende Spitzen reduziert, aber nicht clipped
werden, so dass die Auswirkungen solcher Spitzen verringert sind.
Obgleich die Durchführung
der Verfahrensweise bevorzugt einen Clipping-Schritt umfasst, wird
dieser eher am Front-End denn als der letzte Schritt in dem Verfahren
durchgeführt,
so dass das Ausgangssignal kein clipped Signal ist. Jegliches Rauschen,
das von dem Clipping-Schritt
eingeführt
wird (das so genannte Clipping-Rauschen) wird bevorzugt aus dem
nützlichen Frequenzband
des Signals herausgefiltert.
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Auch
wenn die Erfindung vorliegend im Hinblick auf die Verarbeitung von
Abtastproben im digitalen Bereich beschrieben ist, gelten die Grundgedanken
der Erfindung auch für
den analogen Bereich.
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Es
wird angemerkt, dass der Begriff "clipped Signal" in der vorliegenden Schrift so verwendet
wird, dass er sich auf Signale von dem in 4 veranschaulichten
Typ bezieht, wobei das clipped Signal eine Amplitude besitzt, die
gleich dem Wert des Signals über
einem vorgegebenen Schwellwertpegel ist, und wobei Signale von dem
in 3 gezeigten Typ den Wert des ursprünglichen
Signals aufweisen, der so eingeschränkt ist, dass er einen Schwellwert
nicht übersteigt.