ITTO930914A1

ITTO930914A1 - Sistema di ricetrasmissione di dati a multiplazione ortogonale con modulatore unico per l'allocazione in frequenza dei sottocanali

Info

Publication number: ITTO930914A1
Application number: IT000914A
Authority: IT
Inventors: Gianfranco Cariolaro
Original assignee: Sisvel Spa
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1995-06-01
Also published as: IT1261364B; EP0656705A3; ITTO930914A0; EP0656705A2

Description

Descrizione

"SISTEMA DI RICETRASMISSIONE DI DATI A MULTIPLAZIONE ORTOGONALE CON MODULATORE UNICO PER L'ALLOCAZIONE IN FREQUENZA DEI SOTTOCANALI

RIASSUNTO

Viene descritto un sistema di ricetrasmissione di dati via radio a modulazione di ampiezza in quadratura a multiplazione ortogonale (OQAM), in cui una pluralit? di sottocanali occupano frequenze ugualmente spaziate e l'allocazione in frequenza dei sottocanali nel trasmettitore viene realizzata mediante un unico modulatore con portante multi tono e nel ricevitore i singoli sotto canali vengono riportati nella banda originaria mediante un unico demodulatore con portante multitono.

DESCRIZIONE

I Introduzione

II vantaggio delle tecniche a modulazione di ampiezza in quadratura a multiplazione ortogonale (d'ora in avanti chiamate brevemente OQAM) su canali radio per modem ad alta velocit? e per la televisione digitale, nei confronti di altri schemi classici, ? ben noto dalla letteratura tecnica, come risulta per esempio dai seguenti articoli:

- B. Hirosaki, "An Orthogonally Multiplexed QAM System using Discrete Fourier Transform", IEEE Trans, on Communications, voi. COM-29, n.7, luglio 1981;

- T. Long, "Digital Television Broadcasting in Europe", NAB 1992, Broadcasting Engineering Proceedings;

- J. A. C. Bingham, "Multicarrier Modulation for Data Transmission: An Idea Whose Time Has Come", IEEE Communications Magazine, maggio 1990, pp. 5-14;

- B. R. Saltzberg, Performance of an Efl?cient Parallel Data Transmission System", IEEE Trans, on Communications, voi. COM-15, N. 6, dicembre 1967, pp. 805-811.

La tecnica OQAM ? simile al "trasmultiplexer", cio? la traslazione digitale di un segnale multiplato a divisione di tempo (TDM) in un segnale multiplato a divisione di frequenza (FDM) di alcuni canali audio: questa tecnica ha incontrato grande interesse all'inizio degli anni <*>80. Infatti l'obiettivo comune delle due tecniche ? l'allocazione in frequenze ugualmente spaziate di un certo numero di segnali digitali.

La ricerca di implementazioni completamente digitali sia del trasmultiplexer che del sistema OQAM ? stata perseguita da molti ricercatori e varie soluzioni al problema sono state descritte nella letteratura. La maggior parte di esse consiste in variazioni allo schema di Bellanger e altri (vedi l?articolo: M.G. Bellanger e J.L. Daguet, "TDM-FDM Transmultiplexer: Digital Poliph?se and FFT", IEEE Trans, on Communications, voi. COM-22, N. 9, settembre 1974, pp. 1199-1205), che si basa sull'osservazione fondamentale che l'allocazione di frequenza desiderata di un certo numero di segnali digitali pu? essere ottenuta con uno 'scrambling' di fase e corrispondente 'descrambling', usando la periodicit? dello spettro di segnali a tempo discreto. Questo permette di eseguire tutte le operazioni alla velocit? dei segnali di ingresso. Nello schema originario di Bellanger lo 'scrambling' di fase ? ottenuto con una DFT ed il successivo 'descrambling' con un banco di filtri polifase.

Nell'articolo T.A.C.M. Clasen e W.F.G. Mecklenbr?uker, "A Generalized Scheme for an All Digital Time-Division Multiplex to Frequency-Division Multiplex Translator", IEEE Trans. Circuit Sust., voi. CAS-25, maggio 1978, pp. 252-259, ? stato mostrato che si possono usare anche altre procedure di 'scrambling', che coinvolgono sia ampiezza che fase. Lo schema classico via DFT e banco di filtri polifase ? stato proposto da Hirosaki per sistemi OQAM (vedi l?articolo sopra citato).

Un'architettura completamente diversa ? stata proposta per il Transmultiplexer negli articoli:

- G. Cariolaro, S. Cucchi, F. Molo, "A New Transmultiplexer Scheme", IEEE Poc., voi. 70, luglio 1982;

- G. Cariolaro, S. Cucchi, F. Molo, "Transmultiplexer via Spread-Spectrum Modulation", IEEE Trans, on Communications, voi. COM30, luglio 1982, pp. 1642-1655.

In sostanza essa consiste di un singolo filtro polifase ad alta velocit?, che sostituisce il banco di filtri polifase dello schema classico, e di un modulatore ?chirp', che fornisce ima modulazione multitono (MTM) e sostituisce il processore DFT. Questa implementazione seriale ad alta velocit? ? circa equivalente in complessit? all 'implementazione parallela a velocit? pi? bassa dell'architettura classica; comunque l'implementazione seriale ha una diversa distribuzione della complessit?: la parte senza memoria, cio? la MTM, ha una complessit? ridotta rispetto alla DFT, mentre la complessit? del filtro ? leggermente aumentata.

Lo scopo della presente invenzione ? quello di mostrare la possibilit? di utilizzare l'architettura MTM per sistemi OQAM.

Il problema non presenta ima soluzione immediata in quanto un sistema OQAM non ? riconducibile ad un transmultiplexer. La differenza sta nel fatto che in un transmultiplexer le bande dei singoli canali non si sovrappongono, mentre in un sistema OQAM esse si sovrappongono parzialmente.

D'altra parte l?implementazione MTM non richiede alcuna sovrapposizione, cosicch? devono essere introdotti alcuni riaggiustamenti preliminari per soddisfare a questa condizione. Un'altra differenza sta nel fatto che nella multiplazione dei canali audio la caretteristica di fase di ciascun canale ? irrilevante, mentre la multiplazione dei dati nel OQAM richiede di garantire la fase corretta per ogni canale.

Per raggiungere lo scopo prefisso, l'invenzione ha per oggetto un sistema di ricetrasmissione di dati via radio a modulazione di ampiezza in quadratura a multiplazione ortogonale (OQAM), in cui una pluralit? di sottocanali occupano frequenze ugualmente spaziate, e l'allocazione in frequenza dei sottocanali nel trasmettitore viene realizzata mediante un unico modulatore con portante multitono e nel ricevitore i singoli sottocanali vengono riportati nella banda originaria mediante un unico demodulatore con portante multitono. Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue e dai disegni annessi, fomiti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui: - la figura 1 mostra lo schema di principio di un trasmettitore e di un ricevitore sistema OFDM;

- la figura 2 mostra l'allocazione delle portanti nello schema di principio del trasmettitore per N=8;

- la figura 3 mostra la risposta in frequenza del filtro interpolatore c(f) secondo la radice quadrata del coseno rialzato;

- la figura 4 mostra la sovrapposizione delle bande dei sottocanali nello schema di principio di figura 1;

- la figura 5 mostra lo schema di un trasmettitore OFDM modificato; - la figura 6 mostra lo schema del blocco DS(n) del trasmettitore;

- la figura 7 mostra le operazioni di premodulazione e ordinamento per N=8;

- la figura 8 mostra lo schema complesso standard del trasmettitore; - la figura 9 mostra la non sovrapposizione della banda dei sottocanali nello schema complesso standard;

- la figura 10 mostra la sintesi dello schema complesso standard via IDFT e PPN;

- la figura 11 mostra lo schema SCS con filtro polifase e MTM;

- la figura 12 mostra la costellazione delle -portanti multitono per alcuni valori di N;

- la figura 13 mostra la caratteristica del filtro polifase;

- la figura 14 mostra la caratteristica di fase dell'equalizzatore;

- la figura 15 mostra il 'data staggering' al ricevitore;

- la figura 16 mostra lo schema OFDM;

- la figura 17 mostra lo schema a blocchi completo del trasmettitore e del ricevitore secondo l?invenzione.

Per meglio illustrare l?invenzione verr? dapprima mostrato lo schema di principio di un sistema OFDM e i necessari aggiustamenti per la non sovrapposizione delle bande dei singoli canali e quindi sar? presentata e discussa la nuova archi tettura.

Viene descritta per semplicit? soltanto la parte del sistema relativa ai segnali digitali (a tempo discreto) m?ntre non vengono riportate le parti riguardanti le conversioni digitale-analogica (D/A) e analogicodi gitale (A/D).

Vengono qui di seguito elencati i simboli e le terminologie usate nella

Il tempo dei segnali viene indicato nella forma nT,n2T, nT0 che ne evidenzia la spaziatura, oppure nella forma t al posto di nT o n2T e nella forma t0 al posto di nT0 . Nelle figure le spaziature dei segnali sono espressamente indicate in ogni sezione degli schemi a blocchi.

2 Schema di principio di un sistema OQAM

Lo schema di principio ? illustrato nella figura 1.

Funzioni del trasmettitore.

Il trasmettitore convoglia N sequenze di dati complesse

cn(t), n=0,l,...,N-l,

che appartengono a costellazioni specifiche, per esempio QAM. La velocit? di cn(t) ? 1/2F valori al secondo. N ? tipicamente una potenza di 2.

Ciascuna sequenza ? divisa in due parti: la parte reale ?cn(t) e il coefficiente della parte immaginaria 3cn(t). La prima ? ritardata di T secondi (met? dell'originale spaziatura nel tempo) e interpolata da un filtro G(f), la seconda ? interpolata direttamente dallo stesso filtro G(f). I segnali interpolati sono modulati da portanti seno e coseno secondo la regola di alternanza esposta in seguito. Il segnale prodotto dal TX, v?(t0), ? reale ed ha una velocit? pari a F0=NF.

Le portanti .

Nel dominio della frequenza ima portante seno coseno con frequenza fn d? due contributi: alla frequenza fn e F0-fn (vedi figura 2).

I filtri.

Per ristabilire le sequenze iniziali la cascata dei filtri in trasmissione e ricezione deve essere equivalente ad un filtro di Nyquist reale con una frequenza di Nyquist Tipicamente i filtri hanno una

risposta in frequenza G(f) data dalla radice quadrata del coseno rialzato (vedi figura 3).

Le funzioni del ricevitore.

Il ricevitore svolge le operazioni inverse a quelle effettuate in trasmissione e cio? il segnale ricevuto VRi(t0) (a tempo discreto e quindi dopo conversione A/D) viene innanzitutto demodulato con le stesse portanti utilizzate per il TX e quindi vengono prodotte due vie per ogni canale: ? ed 3. La via ?? filtrata da G(f), anticipata di T e ridotta al periodo 2T da un filtro decimatore; la via 3 ? ? filtrata da G(f), decimata e moltiplicata per j. Infine i segnali delle due vie sono sommati per ricostituire la sequenza complessa originaria cn(t).

Le prestazioni .

si sovrappongono non appena il roll-off dei filtri ? positivo. Tale sovrapposizione ? illustrata in figura 4, dove in a) ? illustrata la risposta in frequenza del filtro interpolatore G(f) e in b) e c) sono illustrate le bande del segnale OQAM complesso e del suo complesso coniugato. La composizione di b) e c) d? l'allocazione delle bande del segnale OQAM reale.

3. Modifica dello schema di principio

Si ? appena visto che nello schema di principio le bande dei canali si sovrappongono parzialmente e ci? non rende possibile l'utilizzazione diretta della sintesi basata su MTM, che richiede la non sovrapposizione. Pertanto occorre modificare lo schema di principio in uno schema in cui le bande non si sovrappongano. Ci? ? possibile in quanto si pu? dimostrare che lo schema di principio del trasmettitore pu? essere rielaborato in uno schema perfettamente equivalente e costituito da quattro parti illustrate nella figura 5. Come si vedr?, nella parte 3 le bande dei canali non si sovrappongono ed ? proprio tale parte che verr? sintetizzata mediante MTM.

Si descrivono ora le quattro parti dello schema modificato.

1) Il blocco DS(n) o 'Data staggering' (vedi figura 6) viene applicato ad ogni sequenza di ingresso cn(t). Esso raggruppa i due percorsi ottenuti con parte reale e coefficiente della parte immaginaria mediante un convertitore P/S moltiplicando prima per la quantit? complessa -j la via che nello schema originario prevedeva una modulazione in seno. In tal modo le originarie sequenze complesse cn(t) con spaziatura 2T vengono convertite nelle sequenze complesse xn(t) con spaziatura T.

2) Il blocco P&O (vedi figura 7) esegue la premodulazione complessa e l'ordinamento dei dati, e precisamente:

In conclusione i processi di premodulazione e ordinamento trasformano le sequenze complesse xn(t) nelle sequenze complesse Sn(t). Si pu? dimostrare che i segnali Sn(t) sono reali per n dispari e immaginari per n pari.

3) Il blocco SCS (Schema Complesso Standard) ? rappresentato in figura 8 e sar? discusso di seguito.

La complessit? dello schema modificato ? completamente concentrata nel SCS, mentre la complessit? delle altre parti (DS,P&0,S/P, e 9?) ? irrilevante. Pertanto allo schema SCS deve essere dedicata un'attenzione particolare.

Esso ? composto di N rami, ciascuno dei quali prevede:

a) un filtro interpolatore complesso la cui risposta impulsiva h(t0) ?

b) un modulatore con portante esponenziale avente frequenza nF; c) un sommatore che combina i contributi dei vari rami.

E' essenziale osservare che dopo i modulatori le bande dei segnali non si sovrappongono, risultando distanziate di F, mentre la larghezza di banda del filtro H(f) ? uguale a quella del filtro (vedi punto 3), cio?:

La non sovrapposizione ? illustrata nella figura 9 per N=8; in a) ? illustrata la risposta in frequenza del filtro interpolare G(f). In b) e c) sono illustrate le bande del segnale complesso all'uscita dello SCS e del suo complesso coniugato. La composizione di b) e c) d? ancora l?allocazione delle bande del segnale OQAM reale.

Ovviamente dopo la Parte Reale si ricerca la sovrapposizione delle bande, come deve essere, in quanto lo schema modificato ? perfettamente equivalente allo schema di principio.

La complessit? computazionale dello schema modificato, che ? contenuta essenzialmente nello SCS, ? in linea di massima, eguale a quella dello schema di principio. Sintesi efficienti si ottengono implementando opportunamente lo SCS.

Una sintesi classica ? mostrata nella figura IOa. Essa consiste in un processore IDFT di ordine N che lavora alla velocit? F=l/T, seguito da una rete polifase ad N rami (PPN) anch'essa a velocit? F, seguita da un convertitore P/S.

La PPN consiste in un parallelo di N filtri diversi. Le risposte impulsive hn(t) di questi filtri sono legate alla risposta impulsiva h(to) dei filtri interpolatori che compaiono nello SCS dalla conversione S/P, come illustrato in figura 10b. La complessit? ? naturalmente tutta concentrata nel processore IDFT e nella rete PPN.

4) Il blocco infine rappresenta l?operatore della parte reale che converte in reale il segnale finale.

4. Descrizione della soluzione proposta

Nella nuova architettura si prende come riferimento lo schema modificato di figura 5; DS, P&O e la Parte Reale restano inalterati, mentre lo SCS ? implementato in maniera completamente diversa da quella classica di figura 10, basata sulla IDFT e sulla PPN.

L'implementazione proposta nell'invenzione ? illustrata in figura Il e consiste in:

1) un convertitore parallelo-serie P/S, che fornisce il segnale di ingresso ad alta velocit? s(t0);

2) un filtraggio ad alta velocit? con un filtro polifase

3) un modulatore multitono MTM con portante il termine multitono sar? spiegato in seguito;

4) un equalizzatore HE(1).

I componenti 2), 3) e 4) lavorano tutti alla velocit? Fn=NF.

La portante multitono.

Il ricevitore pu? essere implementato con le operazioni inverse, ottenute dai componeneti complessi coniugati.

Per ottenere la sintesi del ricevitore si parte dallo schema modificato della figura 5, omettendo la Parte Reale, e quindi si invertono nell'ordine i blocchi 3, 2 e 1, ottenendo i blocchi

- SCSR: lo schema complesso standard al ricevitore;

- P&OR: la premodulazione e ordinamento al ricevitore;

- DSR: data staggering al ricevitore.

Il blocco P&OR si ottiene percorrendo a ritroso il corrispondente blocco al TX e sostituendo i moltiplicatori in quanto si devono sostituire le operazioni originarie con quelle coniugate.

L?inversione del blocco DS ? meno standard ed ? illustrata in figura 15.

L'inversione dello SCS si ottiene percorrendo a ritroso lo schema di figura 8 e facendo le sostituzioni con le regole note. Si ottiene cos? a) un nodo al posto del sommatore;

b) un demodulatore con portante esponenziale a frequenza -nF nel ramo n-esimo;

c) un filtro decimatore con risposta impulsiva coniugata

Ottenuto cos? lo schema modificato al ricevitore, si osserva che anche in questo caso la complessit? computazionale ? limitata al blocco SCSR. E' questo l'oggetto della sintesi efficiente per la quale la presente invenzione propone la seguente soluzione, che si ottiene da quella vista per il trasmettitore con le solite regole di inversione.

Essa risulta composta ordinatamente dai blocchi seguenti (vedi figura 16, nella quale in a) ? mostrata la soluzione via DFT e rete polifase e in b) la soluzione via filtro polifase e MTM):

Da quanto esposto risulta che la complessit? del RX basato sulla sintesi via MTM e filtro polifase ? esattamente la stessa del TX.

Complessit?.

Il modulatore multitono MTM deve eseguire F0=NF moltiplicazioni complesse al secondo. Questo deve essere confrontato con la complessit? di un processore DFT di ordine N alla velocit? F, data da (N log2 N) F = F0 log2 N operazioni al secondo. Quindi la complessit? del modulatore MTM ? log2 N volte inferiore alla complessit? della IDFT (o DFT). Ad esempio con N=1024 (valore proposto per trasmettere la TV per via numerica) la riduzione di complessit? ? di 10 volte.

Per quanto riguarda il filtro polifase, riscriviamo la risposta in frequenza in termini di z trasformata (funzione di trasferimento). Sia

Concludendo, si pu? affermare che I'implementazione con MTM h una complessit? ridotta rispetto al processore IDFT, mentre risul leggermente pi? complicata la parte comprendente filtro e equalizzatore.

Lo schema a blocchi completo del trasmettitore OQAM (TX) per trasmissione di N sequenze di dati complessi, basato su filtro polifa e modulazione multitono, e del corrispondente ricevitore (RX) second l'invenzione ? mostrato nella figura 17.

Dalla descrizione effettuata risultano pertanto chiare l caratteristiche del sistema di ricetrasmissione di dati oggetto della presente invenzione, cos? come chiari ne risultano i vantaggi.

E' anche chiaro che numerose varianti possono essere apportate al sistema di ricetrasmissione oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai principi di novit? insiti nell'idea innovativa, cos? come ? chiaro che nella pratica attuazione dell'invenzione i materiali e le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di ricetrasmissione di dati via radio a modulazione di ampiezza in quadratura a multiplazione ortogonale (OQAM), in cui una pluralit? di sottocanali occupano frequenze ugualmente spaziate, e l?allocazione in frequenza dei sottocanali .nel trasmettitore viene realizzata mediante un unico modulatore con portante multitono e nel ricevitore i singoli sottocanali vengono riportati nella banda originaria mediante un unico demodulatore con portante multitono. 2 _. < Sistema di ricetrasmissione secondo la rivendicazione 1, ' caratterizzato dal fatto che detta portante multitono ? del tipo
dove e che nel ricevitore i singoli sottocanali vengono riportati nella banda originaria mediante un unico demodulatore con portante multitono ? il complesso coniugato della funzione
3. Sistema di ricetrasmissione secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che nel trasmettitore la rete di N filtri delle soluzioni note viene sostituita da un unico filtro polifase con risposta in frequenza Q(f) specificata nella relazione (11), completato da un unico equalizzatore la cui risposta in frequenza ? specificata nella relazione (13).
4. Sistema di ricetrasmissione secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detto filtro polifase e detto equalizzatore sono implementati con architetture di tipo FIR secondo quanto specificato nelle relazioni (15) e (16) rispettivamente.
5. Sistema di ricetrasmissione secondo ima o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che nel trasmettitore ? previsto un blocco (DS) che riceve ogni sequenza di ingresso (cn(t)) e che raggruppa i due percorsi ottenuti con parte reale e coefficiente della parte immaginaria mediante un convertitore parallelo-serie (P/S) moltiplicando prima per la quantit? complessa -j la via che nello schema originario prevedeva una modulazione in seno, in modo che le originarie sequenze complesse con spaziatura 2T vengono convertite in nuove sequenze complesse con spaziatura T.
6. Sistema di ricetrasmissione secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che nel trasmettitore ? previsto un ulteriore blocco (P&O) che esegue la premodulazione complessa e l'ordinamento dei dati, e precisamente: - ima prima premodulazione secondo la relazione (4), - un ordinamento secondo la relazione (5), - una seconda premodulazione secondo la relazione (6), cosicch? i processi di premodulazione e ordinamento trasformano le sequenze complesse (xn(t)) in arrivo in nuove sequenze complesse (Sn(t)).
7. Sistema di ricetrasmissione secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che nel trasmettitore ? previsto un ulteriore blocco (SCS) composto di N rami, ciascuno dei quali prevede: - un filtro interpolatore complesso la cui risposta impulsiva h(t0) ? legata alla risposta impulsiva del filtro originario dalla relazione

- un modulatore con portante esponenziale avente frequenza nF; - un sommatore che combina i contributi dei vari rami; cosicch? dopo i modulatori le bande dei segnali non si sovrappongono, risultando distanziate di F, mentre la larghezza di banda del filtro H(f) ? minore di F.
8. Sistema di ricetrasmissione secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che nel trasmettitore ? previsto un ulteriore blocco (Sicch? rappresenta l?operatore della parte reale che converte in reale il segnale finale.
9. Sistema di ricetrasmissione secondo ima o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il trasmettitore comprende: - un convertitore parallelo-serie (P/S), che fornisce il segnale di ingresso ad alta velocit? (s(t0)); - un filtraggio ad alta velocit? con un filtro polifase (Q(f)); - un modulatore multitono

- un equalizzatore (HE(D).
10. Sistema di ricetrasmissione di dati, quale risulta dalla presente descrizione e dai disegni annessi.
11. Trasmettitore di dati conforme al sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti.
12. Ricevitore di dati conforme al sistema secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti.