GAČR - 102/09/1846

Grantový projekt GAČR – 102/09/1846

Vícetónová modulace realizovaná překryvnou bankou filtrů

Vícetónové modulace [1],[2] jsou dnes velice často využívaným modulačním přístupem, umožňujícím optimální využití poskytnutého kmitočtového pásma na neideálním přenosovém kanále [2]. Tyto modulace se dnes využívají zejména v systémech přenosu dat v přístupových sítích telefonních ústředen v ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) [3],[4],[5],[6],[7] a VDSL (Very high-speed Digital Subscriber Line) [8] přenosových technologiích, v systémech umožňujících přenos po napájecích okruzích PLC (Power LineCommunication), v systémech pro digitální rádiové vysílání DAB (Digital Audio Broadcasting) [9] a digitální televizní vysílání DVB (Digital Video Broadcasting) [10]. Dále pak v neposlední řadě také v bezdrátových lokálních sítích WLAN (Wireless Local Area Network) dle IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, a také u nové technologie WiMAX dle IEEE 802.16x. Tento modulační přístup využívá skutečnost, že při rozdělení přenosového pásma na dostatečně velký počet paralelních subkanálů, lze považovat přenosovou funkci na těchto subkanálech za konstantní. Čím větší počet subkanálů použijeme, tím více se přenosová funkce blíží ideální charakteristice [11]. To následně usnadňuje vyrovnávání (ekvalizaci) v přijímači. Zvyšováním počtu subkanálů se však rovněž zvyšuje i zpoždění a složitost celého systému. Datový tok nesený jednotlivými subkanály nemusí být stejný a v systémech realizujících duplexní přenos dat je počet bytů nesených jedním symbolem v každém subkanálu nastaven tak, aby byla udržena konstantní chybovost systémů při ploché spektrální výkonové hustotě napříč použitým kmitočtovým pásmem. Mechanismus přidělování bitů nosným je označován jako bitová alokace. Výsledné přidružení bytů nosným tak odpovídá optimálnímu rozložení nesené informace v poskytnutém pásmu při minimálním potřebném vysílacím výkonu.

Ve všech výše uvedených systémech se využívá známé a dobře propracované modulace DMT (Discrete MultiTone) [12], případně OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Jak může být vidět, uvedené technologie vyžívají širokého spektra přenosových médií, od metalického krouceného páru v systémech ADSL a VDSL, přes rádiový kanál u WLAN a WiMAX až po energetická vedení u PLC systémů. Vyžitím vícetónových modulací, v tomto případě DMT a OFDM modulací, s adaptivně přidělovanými bity napříč kmitočtovým pásmem je umožněn efektivní datový přenos na vyšších kmitočtech, než pro které bylo dané přenosové médium primárně navrženo (xDSL, PLC) a nelze zde proto zaručit jeho přenosové vlastnosti. V terestrickém přenosu umožňuje relativně dlouhá doba trvání symbolu efektivně potlačit vliv vícecestného šíření signálu ( DAB, DVB, WiMAX, WLAN). Nicméně vlastnosti DMT resp. OFDM modulací nedokáží zcela efektivně umožnit využití přenosových kanálů se zvláštně tvarovanou spektrální charakteristikou s ostrými přechody, což je dáno frekvenční charakteristikou dílčích subkanálu tvaru sinc funkce. To je rovněž důvodem ztráty přenosové rychlosti na kanálech s výskytem úzkopásmového rušení, a to jak metalických, tak terestrických. Potlačení vícecestného šíření signálu na terestrických kanálech je dosaženo navíc jen tehdy, je-li doba zpoždění nižší než je doba trvání symbolu. Z uvedených důvodů je značně omezena dosažitelná přenosová rychlost u těchto technologií.

Z těchto důvodů se stále častěji hledají alternativní modulační přístupy, které by odstranily výše popsané nedostatky. Prvním zmiňovaným přístupem byla DWMT modulace (Discrete Wavelet MultiTone) [13], [14]. Tento přístup využívající FWT (Fast Wavelet Transform) transformaci namísto FFT transformace v DMT resp. OFDM umožnil změnou tvaru nosných, stižením postraních laloků sinc funkce z -13 dB na -45 dB, snížit vliv některých uvedených nedostatků. Hlavním nedostatkem DWMT však byla nutnost modulovat nosné pomocí jednorozměrné Pulzně Amplitudové Modulace (PAM) namísto dvojrozměrné QAM, jako u DMT resp. OFDM systému tj. komplexním číslem realizujícím QAM banku paralelních modulátorů. Dalším nedostatkem byla vyšší výpočtová náročnost. Další přístup, který je dnes stále častěji zmiňován je modulace bankou filtrů, označovaný jako FMT (Filtered MultiTone nebo Filter bank MultiTone) [15], [16].

FMT modulace, představuje modulační techniku využívající banky filtrů k rozdělení kmitočtového spektra. Vstupem systému jsou komplexní symboly, získané pomocí QAM modulace, obdobně jako u klasické DMT. Počet bitů přidělených jednotlivým nosným je stejně tak určen během inicializace přenosu podle úrovně rušení a útlumu pro daný kanál, stejně jako u DMT. Nadvzorkováním vstupních signálů dojde k periodizaci jejich spektra a následnou filtrací příslušným filtrem k výběru části, která bude přenášena na dané nosné frekvenci. Filtry v jednotlivých větvích jsou frekvenčně posunuté verze filtru v první větvi, tzv. prototypového filtru – dolní propusti [15]. Díky oddělení spekter jednotlivých subkanálů jsou narozdíl od DMT silně potlačené mezikanálové interference ICI, a to až na úroveň srovnatelnou s ostatním šumem. Naproti tomu se mezisymbolové interference, ISI vyskytují na každém subkanále, a to i v případě, že je přenosový kanál ideální [19]. Je proto nutné provádět vyrovnávání nejen přenosového kanálu, ale i filtrů. Toto vyrovnávání může být realizováno plně v kmitočtové oblasti. FMT také usnadňuje použití frekvenčně děleného duplexu, neboť již nedochází k vyzařování výkonu určeného pro jeden směr přenosu do směru druhého.

Banka filtrů FMT, při tzv. „přímé realizaci“ je však příliš velká a výpočtová náročnost je neúměrně vysoká. Proto byly publikovány přístupy efektivní realizace s pomocí algoritmu rychlé Fourierovy transformace FMT a techniky polyfázových filtrů [20]. Narozdíl od DMT je každý výstup IFFT a každý vstup FFT filtrován příslušným polyfázovým FIR filtrem, takto je realizováno ekvivalentní modulační schéma přímé realizaci. Tím dojde k dokonalému oddělení jednotlivých systémů. Je zřejmé, že jádrem FMT modulace je prototypový filtr, který určuje výslednou charakteristiku systému. Tím že prototypový filtr nebude nikdy ideální dolní propust a má přechodné pásmo mezi propustným a nepropustným pásmem, je kmitočtové pásmo použitelné k přenosu využitelné jen z části. Na dobrých přenosových kanálech tak dosažená přenosová rychlost systému FMT je nižší než u systému DMT. Další nevýhodou nepřekryvné FMT modulace je zpoždění, které je dáno vysokým řádem polyfázových filtrů. Zpoždění je přímo úměrné řádu prototypového filtru [20], [21].

Cílem grantového projektu je návrh modulačního schématu překryvné FMT modulace, tedy modulace na pomezí DMT a FMT systému, který by měl umožnit dosáhnout optimálního využití kmitočtového pásma i na ideálních přenosových kanálech. Navíc kmitočtová pásma jednotlivých subkanálu poté také nemusí být tak ostře tvarována, což umožní nižší řád filtrů, a tím i nižší zpoždění. Na základě prvních experimentů publikovaných v [24] je patrno, že ekvivalentního útlumu v nepropustném pásmu u systému nepřekryvné modulace s polyfázovými filtry 14. řádu lze dosáhnout u překryvné modulace FMT při cca. 6. řádu filtrů. Tím rovněž budou zmenšeny nároky výpočetní výkon. Překryvná FMT modulace však vyžaduje složitější systém ekvalizace s ohledem na ICI interference, ke kterým u nepřekryvné varianty nedochází. Jádrem projektu bude tedy zejména vývoj optimálního ekvalizačního schématu, a také adaptačních algoritmů ekvalizéru.

[1] DOELZ, M. L., HEALD, E. T., MARTIN, D.L., Binary data transmission techniques for linear systéme. Proc. IRE, pp656-661, May 1957

[2] BINGHAM, John A.C., Multicarrier modulation for data transmission : an idea whose time come. IEEE Communication Mag.,pp. 5-14 May 1990

[3] ANSI T1.413-1998: Asymmetric digital subscriber line (ADSL) metallic interface, 1998.

[4] ITU-T Recommendation G.992.1: Asymmetric digital subscriber line (ADSL) transceivers, ITU-T, June 1999.

[5] ITU-T Recommendation G.992.2: Splitterless ADSL transceivers. ITU-T, June 1999.

[6] ITU-T Recommendation G.992.3: ADSL-2 transceivers. ITU-T, July 2002.

[7] ITU-T Recommendation G.992.4: Splitterless ADSL-2 transceivers. ITU-T, July 2002.

[8] ANSI T1.424: Interface Between Networks and Customer Installations - Very-high Speed Digital Subscriber Lines (VDSL) Metallic Interface, 2002.

[9] ETSI, Digital audio broadcasting to mobile and fixed receivers, European Telecommunications Standard ETS 300 401, Feb. 1995

[10] ETSI, Digital video broadcasting: framing, stucture, channel coding, and modulation Standard ETS 300 744, March 1997

[11] BINGHAM, John A. C.. ADSL, VDSL, and multicarrier modulation, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2000. ISBN 0-471-29099-8.

[12] CIOFFI, J.M., A multicarrier primer, T1E1.4/91-157, Nov. 1991

[13] TZANNES, M.A., Systém design issues for the DWMT transceiver, T1E1.4/93-100, Apr 1993.

[14] TZANNES, M.A., TZANNES, M.C., RESNIKOFF, H.L., The DWMT: a multicarrier transceiverfor ADSL usány M-bank wavelets, T1E1.1/93-067, March 1993

[15] CHERUBINI, G., ELEFTHERIOU, E. and OLCER, S., 1999, Filtered multitone modulation for VDSL. Proc. IEEE Globecom’99, Rio de Janeiro,Brazil, pp.1139-1144

[16] CHERUBINI, G., ELEFTERIOU, E., OELCER, S. Filtered Multitone modulation for Very Highspeed Digital Subscriber Lines. In IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, vol 20, No. 5. [s.l.] : [s.n.], 2002. s. 1016-1028

[17] CHERUBINI G., ELEFTHERIOU E., OLCER S., CIOFFI .M.. Filter bank modulation techniques for VHDSL. IEEE Communication Magazine, May 2000, pp.98 - 104.

[18] CHERUBINI G., ELEFTHERIOU E., OELCER S.. FMT-based physical medium specific function for VDSL. ANSI T1E1.4/99-554, April 1999.

[19] BENVENUTO, N., TOMASIN, S., TOMBA, L. Equalization methods in DMT and FMT Systems for Broadband Wireless Communications. In IEEE Transactions on Communications, vol. 50, no. 9. [s.l.] : [s.n.], 2002. s. 1413-1418

[20] BERENGUER, I., WASSELL, J. I., FMT modulation: receiver filter bank definition for the derivation of an efficient implementation, IEEE 7th International OFDM Workshop, Hamburg, Germany, Sep. 2002

[21] ŠILHAVÝ, P. Filtered MultiTone modulation. ElectronicsLetters.com 2004 ISSN 1213-161X

[22] ŠILHAVÝ, P., RAJMIC, P. Similarity between MMSE and MSSNR design algorithm for time domain equalization in ADSL technology In The 48th International Scientific Colloquium IWK'2003. The 48th International Scientific Colloquium IWK'2003. Ilmenau 2003: Ilmenau 2003, 2003, s. 85 - 86, ISBN 1619-4098

[23] Youjun Gao, Zhenming Gao, Weihong Zhu and Xinghai Yang, 2005, Research on the design on filter banks in filtered multitone modulation, IEEE Wireless Communications and Networking Conference, vol. 1, pp. 584-588

[24] ŠILHAVÝ, P. Half-overlap subchannel Filtered MultiTone Modulation with the small delay. In The Seventh International Conference on Networking ICN 2008. Cancun, Mexico, IARIA, April 2008.

Aktualizováno Sobota, 22 Leden 2011 17:28