Signalcodierer, Signaldecodierer, Verfahren zum Konfigurieren eines Signalcodierers, Verfahren zum Konfigurierten eines Signaldecodierers, Verfahren zum Betrieb eines Signalcodierers, Verfahren zum Betrieb eines Signaldecodierers, Computerprogramm und Datenübertragungssystem
Ein Signalkodierer zum Erzeugen von N' parallelen binären Signalen, basierend auf B Informationsbits, umfasst einen Vektorabbilder zum nicht-linearen Abbilden von möglichen Bitmustern der B Informationsbits auf 2B Signalkombinationen auf den N' parallelen binären Signalen. Dabei gilt: N' größer B. Ein Signalkodierer zum Erzeugen einer Mehrzahl von Einzel-Modulationssymbolen, basierend auf B Informationsbits, umfasst einen Vektorabbilder zum nicht-linearen Abbilden von möglichen Bitmustern der B Informationsbits auf 2B verschiedene Kombinationen, bestehend aus mindestens zwei Einzel-Modulationssymbolen, wobei die 2B verschiedenen Kombinationen eine echte Teilmenge eines Gesamt-Modulationsalphabets darstellen. Das Gesamt-Modulationsalphabet ist durch ein Kreuzprodukt von Mengen von tatsächlich auftretenden Modulationswerten der insgesamt zwei Einzel-Modulationssymbole gebildet. Das erfindungsgemäße Konzept ermöglicht eine digitale Übertragung von Informationen unter Verwendung einer redundanten Raumkodierung, wodurch eine zuverlässige Übertragung von Informationen auch bei Vorliegen einer groben Quantisierung ermöglicht wird.
Beschreibung[de]
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemein auf einen Signalcodierer,
einen Signaldecodierer, Verfahren zum Konfigurieren eines Signalcodierers, Verfahren
zum Konfigurieren eines Signaldecodierers, Verfahren zum Betrieb eines Signalcodierers,
Verfahren zum Betrieb eines Signaldecodierers, ein Computerprogramm und ein Datenübertragungssystem,
im speziellen auf eine redundante Raum-Codierung für die digitale Kommunikation
über Mehrkanalsysteme mit grober Quantisierung des Empfangssignals.
Sowohl im Rahmen der leitungsgebundenen als auch der drahtlosen Datenübertragung
wird heute typischerweise eine digitale Kommunikation eingesetzt. Im Folgenden wird
kurz das Technische Umfeld skizziert, in welchem die vorliegende Erfindung eingesetzt
werden kann. Nach einem kurzen Überblick über ein digitales Kommunikationssystem
im Allgemeinen wird auf den Baustein der digitalen Modulation und auf die Erzeugung
der Signalraumkonstellation eingegangen, da beispielsweise in diesem Bereich die
Erfindung zur Anwendungen kommen kann.
12 zeigt ein funktionales Diagramm bzw. Ein Blockschaltbild
eines digitalen Kommunikationssystems. Das digitale Kommunikationssystem gemäß
der 12 ist in seiner Gesamtheit mit 1200
bezeichnet. Das digitale Kommunikationssystem 1200 besteht aus den im Folgenden
beschriebenen neun wesentlichen Komponenten (vergleiche [1]):
1. Informationsquelle 1210: die Informationsquelle 1210 stellt
die zu übertragene Information in analoger Form (z. B. ein Audiosignal oder
ein Videosignal) oder in digitaler Form (z. B. eine Computerdatei) bereit.
2. Quellencodierung 1220: die Signale der Informationsquelle
1210 werden durch die Quellencodierung 1220 in einem Strom von
Bits (auch als Bitstrom bezeichnet) konvertiert. In der Regel wird dabei versucht,
eventuell vorhandene Redundanz zu entfernen, um so das Eingangssignal mit so wenigen
Bits wie möglich zu repräsentieren (Datenkompression).
3. Kanalcodierung 1230: Da der Bitstrom nach der Quellencodierung
1220 anfällig für Fehler ist, wird oft ein Fehlerschutz mit Hilfe
von Kanalcodierung durchgeführt. Hierbei werden dem Bitstrom weitere Bits (sogenannte
Prüfbits) hinzugefügt, die empfängerseitig zur Korrektur von Übertragungsfehlern
genutzt werden können.
4. Digitale Modulation 1240: Der kanalcodierte Bitstrom (von der Kanalcodierung
1230) wird abgebildet auf Signalformen, welche über den (in praxi
immer) analogen Kanal übertragen werden können. Hierbei wird eine bestimmte
Anzahl B an Bits aus dem Bitstrom zusammengefasst und dann auf 2B verschiedene
Signalformen abgebildet.
5. Kanal 1250: Der Kanal 1250 überträgt die Signalformen
und liefert diese in der Regel in einer verzerrten und verrauschten Form an seinem
Ausgang wieder ab. Technische Übertragungskanäle können sowohl drahtgebunden
(z. B. Kupfer- oder Glasfaserkabel) als auch drahtlos (Funkstrecke) vorliegen. Haben
Sender und Empfänger mehrere Antennen, oder werden mehrere Leitungen eines
Kabels gleichzeitig genutzt, entsteht ein Mehrkanalsystem (vergleiche [2]).
6. Digitale Demodulation 1260: Die (über den Kanal 1250)
empfangenen, verrauschten und verzerrten Signalformen werden nun auf einen Strom
von Zahlen abgebildet, welche Schätzwerte für den gesendeten, codierten
Bitstrom darstellen. Die Schätzwerte enthalten üblicherweise Information
über die Zuverlässigkeit der Schätzung. Diese ist hilfreich bei der
darauffolgenden Kanaldecodierung 1270.
7. Kanaldecodierung 1270: Die (von der digitalen Demodulation
1260 erhaltenen) Schätzwerte für den gesendeten Bitstrom werden
von einem Kanaldecoder weiterverarbeitet, wobei die vorher eingebrachten Prüfbits
(vergleiche Kanaldecodierung 1230) zur Korrektur von Übertragungsfehlern
verwendet werden. Am Ausgang des Kanaldecoders bzw. der Kanaldecodierung
1270 entsteht so wieder ein Bitstrom, der im Falle von erfolgreicher Fehlerkorrektur
genau dem Bitstrom nach der Quellencodierung 1220 entspricht.
8. Quellendecodierung 1280: Der (von der Kanaldecodierung erhaltene)
Bitstrom wird von einem Quellendecoder wieder dekomprimiert und gegebenenfalls in
seine analoge Ursprungsform zurückgeführt.
9. Informationssenke 1290: Die Informationssenke 1290 ist
der Empfänger der Information, und empfängt die übertragenen Daten
beispielsweise von der Quellendecodierung 1280.
Zusammenfassend lässt sich somit festhalten, dass anhand der
12 die wesentlichen Komponenten eines digitalen Kommunikationssystems
beschrieben wurden.
Im Folgenden wird die anhand der 12
gezeigte digitale Modulation 1240 und die anhand der 12
ebenso gezeigte digitale Demodulation 1260 näher erläutert. In
anderen Worten, die Blöcke „digitale Modulation" und „digitale
Demodulation" werden im Folgenden näher betrachtet. 13
zeigt zu diesem Zweck eine schematische Darstellung der digitalen Modulation und
der digitalen Demodulation sowie eine Definition eines effektiven Kanals. In anderen
Worten, die 13 zeigt, wie ein Bitstrom auf Signalformen
abgebildet wird.
Die graphische Darstellung der 13 ist
in ihrer Gesamtheit mit 1300 bezeichnet. Das Übertragungssystem
1300 gemäß der 13 empfängt
einen Bitstrom 1310 beispielsweise von der Kanalcodierung 1230
gemäß 12.
1. Signalraumkonstellation 1320: Im Rahmen der Bildung einer Signalraumkonstellation
(auch als Signalraum-Abbildung 1320 bezeichnet) erfolgt eine Abbildung
einer Gruppe von B Bits auf eine von 2B möglichen komplexen (oder
reellen) Zahlen, die sogenannte Signalraumkonstellation. Detaillierte Ausführungen
im Hinblick auf die Signalraumkonstellation finden sich im Übrigen in der weiteren
Beschreibung.
2. Sendesignalverarbeitung 1330: Ein aufgrund der Abbildung auf die
Signalraumkonstellation erzeugter Zahlenstrom 1324 aus reellen oder komplexen
Zahlen wird gegebenenfalls durch eine sogenannte Sendesignalverarbeitung in einen
zweiten Zahlenstrom 1334 überführt. Dies wird in der Regel durchgeführt,
um Verzerrungen des Kanals (vollständig oder teilweise) zu kompensieren.
3. Impulsformung 1340: Der (aus der Sendesignalverarbeitung) resultierende
Zahlenstrom 1334 wird anschließend durch eine Impulsformung
1340 in ein analoges Sendesignal 1344 verwandelt. Die Impulsformung
1340 dient der Anpassung des Signals an die zur Verfügung stehende
Bandbreite des Kanals.
4. RF-Modulation 1350: Wenn es sich bei dem Kanal (beispielsweise bei
dem Kanal 1250, 1360) um eine Funkübertragungsstrecke handelt,
muss das Signal noch in den vorgesehenen Radiofrequenzbereich gebracht werden. Dies
geschieht durch Mischung (beispielsweise Amplitudenmodulation) mit einem Radiofrequenz-(RF-)Trägersignal,
welches durch einen lokalen Oszillator erzeugt wird. Zur RF-Modulation
1350 zählen auch Filterung und Verstärkung des RF-Signals. Im
Falle eines drahtgebundenen Kanals kann die RF-Modulation auch entfallen (sogenannte
Basisbandübertragung).
Ein durch die RF-Modulation 1350 erzeugtes RF-Signal
1354 wird sodann über einen drahtgebundenen oder drahtlosen Kanal
1250, 1360 (bei dem es sich typischerweise um einen Mehrfach-Kanal
handelt) übertragen. Ein Mehrfachkanal erlaubt dabei die gleiche Übertragung
von mehreren Signalen bzw. Signalanteilen, wobei es zu einer Verkoppelung zwischen
den einzelnen Signalen oder Signalanteilen kommen kann.
Bei der Übertragung über den Kanal 1360 entsteht
ein Empfangssignal 1364, das einer digitalen Demodulation zugeführt
wird. Bei der digitalen Demodulation werden aus den empfangenen Signalformen (des
Empfangssignals 1364) Schätzwerte für die gesendeten (kanalcodierten)
Bits erzeugt.
Die digitale Demodulation erfolgt typischerweise in mehreren Stufen,
die im Folgenden beschrieben werden.
1. RF-Demodulation 1370: Falls senderseitig eine RF-Modulation
1350 durchgeführt wurde, muss das Empfangssignal typischerweise erst
wieder aus dem RF-Bereich in das Basisband heruntergemischt werden. Im Falle einer
Basisbandübertragung entfällt die RF-Demodulation 1370.
2. Analog-Digital-Wandlung 1380: Da moderne Signalverarbeitung praktisch
nur digital durchgeführt wird, müssen die (typischerweise von der RF-Demodulation
1370 gelieferten) analogen Empfangswerte 1374 in eine sowohl zeit-
als auch wertdiskrete Form übergeführt werden. Dies geschieht mit Hilfe
eines Analog-Digital-Wandlers 1380 (auch als A/D-Wandler bezeichnet), beziehungsweise
mit Hilfe einer Bank von A/D-Wandlern bei einem Mehrkanalsystem. Der Ausgang des
Analog/Digital-Wandlers bzw. der Bank von Analog/Digital-Wandlern kann als ein Strom
1384 von reellen oder komplexen Zahlen interpretiert werden.
3. Detektion 1390: Der genannte Zahlenstrom 1384 kann ähnlich
wie bei der Sendesignalverarbeitung auch am Empfänger weiterverarbeitet werden.
Ziel ist es dabei Schätzwerte 1394 für den gesendeten Bitstrom
1310 zu erzeugen.
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass im Folgenden die Funktionalität
der Sendesignalverarbeitung 1330, der Impulsformung 1340, der
Übertragung über den Kanal 1360 sowie der gegebenenfalls ferner
vorhanden RF-Modulation 1350 und RF-Demodulation 1370 zusammenfassend
als Übertragung über einen effektiven Kanal aufgefasst wird. In anderen
Worten, der effektive Kanal umfasst die Sende-Signalverarbeitung 1330,
die Pulsformung 1340 sowie die Überragung über den Kanal
1360. Ferner umfasst der effektive Kanal optional auch die RF-Modulation
1350 sowie die RF-Demodulation 1370. Der effektive Kanal beschreibt
somit die Übertragung zwischen der senderseitigen Signalraum-Abbildung
1320 und der empfängerseitigen Analog/Digital-Wandlung 1380
(die auch durch einen Schwellwert-Entscheidung beschrieben werden kann).
14 zeigt daher eine schematische Darstellung einer
digitalen Modulation und Demodulation mit einem effektiven MIMO-Kanal.
Im Folgenden werden Details hinsichtlich des effektiven MIMO-Kanals
beschrieben. Die Blöcke „Sendesignalverarbeitung"
1330, „Impulsformung" 1340, „RF-Modulation"
1350, „Kanal" 1360 und „RF-Demodulation"
1370 können im Hinblick auf die vorliegende Erfindung zu einem einzigen
Block zusammengefasst werden, der im Folgenden als „effektiver Kanal" bezeichnet
wird (vergleiche 13). Dadurch ergibt sich ein in
14 gezeigtes Blockschaltbild, welches die Abbildung
des sendeseitigen Bitstroms 1310 auf den empfangsseitigen Strom
1394 von zugehörigen Schätzwerten zeigt. In anderen Worten, die
14 zeigt eine Abbildung des sendeseitigen Bitstroms
auf den empfangsseitigen Strom seiner Schätzwerte.
Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass gleiche Einrichtungen und
Signale in den 13 und 14
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Der effektive Kanal 1360 hat eine bestimmte Anzahl N an Kanaleingängen,
an denen er komplexe oder reelle Zahlen 1324 aus der Signalraumkonstellation
akzeptiert, und eine Anzahl M an Kanalausgängen, an denen analoge Signale
1374 von dem Analog/Digital-Wandler 1380 abgegriffen werden können.
Ein solcher Kanal mit N Eingängen und M Ausgängen wird im Übrigen
auch MN-System oder MIMO-System (für engl. Multiple-Input-Multiple-Output)
genannt (vergleiche [2]). Ein Kanal mit N Eingängen und M Ausgängen kann
beispielsweise dadurch entstehen, indem der Sender mit N Antennen und der Empfänger
mit M Antennen ausgerüstet ist. Durch die in dem effektiven Kanal
1360 enthaltene Sendesignalverarbeitung 1330 kann jedoch die Anzahl
der Sendeantennen auch größer als N sein.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die Eigenschaften des effektiven
MIMO-Kanals 1360 keinen Einfluss. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Eigenschaften
des effektiven MIMO-Kanals 1360 bekannt sind.
Im Folgenden bezeichnen x1, x2, ..., xN
die Zahlen an den Eingängen des effektiven Kanals 1360. Ferner bezeichnen
y1, y2, ..., yM die Zahlen an den Ausgängen
des effektiven Kanals 1360. Es wird im Folgenden vorausgesetzt, dass die
Eigenschaften des effektiven Kanals 1360 vollständig durch eine sogenannte
Kanalmatrix H und einen sogenannten Rauschvektor n beschrieben sind, wobei gilt:
Die Empfangssignale y1, y2, ..., yM1374 von den Ausgängen des effektiven Kanals sind daher als eine Linearkombination
der Sendesignale x1, x2, ..., xN zuzüglich
eines Rauschterms n darstellbar. Dies ist unter anderem der Fall, wenn der Übertragungskanal
1360 zeitlich nicht dispersiv (frequenzflach) ist, und die Schritte der
Signalverarbeitung 1330, Impulsformung 1340, der RF-Modulation
1350 und der RE-Demodulation 1370 linear sind.
Im Folgenden werden Details im Hinblick auf die Signalraumkonstellation
bzw. Signalraumabbildung beschrieben. Zu diesem Zweck zeigt 15
eine graphische Darstellung einer Signalraumabbildung, einer Übertragung über
einen effektiven MIMO-Kanal und einer Analog/Digital-Wandelung. Die graphische Darstellung
der 15 ist in ihrer Gesamtheit mit 1500 bezeichnet.
In anderen Worten, im Folgenden wird die Abbildung des Bitstroms 1310 von
der Kanalcodierung auf die Signalraumkonstellation bzw. auf Signale 1324
näher erläutert. Wie in 15 skizziert ist,
werden zunächst B Bits c1, c2, ..., cB des
Bitstroms mit Hilfe eines Seriell/Parallel-Wandlers (S/P) 1510 gruppiert
und dann auf N Signalraumblöcke sig1, sig2, ..., sigN
verteilt. Hierbei erhält der i-te Signalraumblock der N Signalraumblöcke
1520_1, 1520_2, ..., 1520_N eine Anzahl bi
der insgesamt B Bits und bildet diese auf eine von
möglichen komplexen (oder reellen) Zahlen ab. Dabei gilt die folgende Abbildungsvorschrift:
In andern Worten, B Bits des Bitstroms 1310 der Kanalcodierung
werden in N Gruppen von Bits eingeteilt, wobei eine i-te Gruppe bi Bits
umfasst. Der i-te Signalraumblock sigi (auch mit 1520_i bezeichnet)
empfängt somit die Gruppe von bi Bits und bildet diese auf einen
reellen oder komplexen Wert xi ab (wobei bevorzugt gilt: 1 ≤ i
≤ N).
Die Zahl xi wird aus einer
Menge Mi gewählt, wobei die Menge Mi als Modulationsalphabet
(bzw. Einzel-Modulationsalphabet) (für eine Gruppe von bi Bits)
bezeichnet wird. Die Zahl xi wird im Übrigen auch als Einzel-Modulationssymbol
bezeichnet. Werden die Zahlen x1, x2, ..., xN zu
einem N-dimensionalen Vektor x gemäß
x = [x1 x2 ... xN]T ∊ M
zusammengefasst, so ist der N-dimensionale Vektor x ein Element der Menge M, die
alle möglichen Kombinationen der Elemente der Mengen M1, M2,
..., MN enthält. In anderen Worten, es gilt:
M = M1 × M2 × ... × MN.
Da ferner
b1 + b2 + ... + bN = B
gilt, hat die Menge M (auch als Gesamt-Modulationsalphabet bezeichnet) genau |M|
= 2B Elemente. Auf diese Weise wird durch die Gruppe von B Bits aus dem
Bitstrom 1310 genau ein Vektor x aus den 2B möglichen Vektoren
aus M ausgewählt.
Im Folgenden wird die auf die Übertragung über den effektiven
MIMO-Kanal folgende Analog/Digital-Wandlung beschrieben. Der effektive MIMO-Kanal
1360 empfängt dabei als Eingangssignale die Einzel-Modulationssymbole
x1, x2, ..., xN bzw. den Vektor x. Der effektive
MIMO-Kanal 1360 erzeugt aus dem Vektor x M Empfangssignale y1,
y2, ..., yM. Ferner tritt bei der Übertragung über
den effektiven MIMO-Kanal 1360 ein Rauschen auf. Somit wird nach der Übertragung
über den effektiven MIMO-Kanal 1360 ein verrauschter Empfangsvektor
y an den Ausgang des MIMO-Kanals 1360 erhalten, wobei gilt:
y = Hx + n.
Der verrauschte Empfangsvektor y wird dann einer Bank 1540
von A/D-Wandlern 1540_1, 1540_2, ..., 1540_M zugeführt.
In anderen Worten, der i-te Analog/Digital-Wandler 1540_i der Bank
1540 von Analog/Digital-Wandlern empfängt das i-te Empfangssignal
yi. An einem Ausgang des i-ten A/D-Wandler 1540_i steht somit
eine ri Bit breite Zahl zi zur Verfügung, die dem quantisierten
Signal bzw. Empfangssignal yi entspricht:
zi = Qi(yi),
Die Funktion Qi(.) beschreibt die Operation des i-ten A/D-Wandlers.
Die Gesamtauflösung aller A/D-Wandler ist mit rges = r1
+ r2 + ... + rM Bit gegeben. Damit es überhaupt möglich
ist, die B gesendeten Bits zu rekonstruieren, muss gelten:
rges ≥ B.
Im Folgenden wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende
technische Problemstellung beschrieben. So erschweren die Verkopplungen zwischen
den Kanälen eines Mehrkanalsystems (beispielsweise eines effektiven MIMO-Kanals
1360) die Realisierung einer hochauflösenden A/D-Wandlung. In der
Praxis kann dies dazu führen, dass mit technisch verfügbaren A/D-Wandlern,
keine A/D-Wandlung vorgenommen werden kann, welche hochauflösend genug wäre,
um einschlägige Verfahren der Signalverarbeitung (vergleiche [3]) und Kanalcodierung
(vergleiche [1]) anzuwenden.
Im Folgenden wird die Durchführung einer Analog/Digital-Wandlung
(A/D-Wandlung) bei Mehrkanalsystemen beschrieben. Einschlägige Verfahren der
Sende- und Empfangssignalverarbeitung und der Kanalcodierung sehen von der Existenz
von A/D-Wandlern bei einem Empfänger ab, und nehmen dabei an, dass die kontinuierlichen
Signalwerte am Ausgang des effektiven Kanals der weiteren Signalverarbeitung und
Kanaldecodierung zur Verfügung stehen. Diese Annahme ist dahingehend gerechtfertigt,
wenn die Auflösung der verwendeten A/D-Wandler so hoch ist, dass das erzeugte
Quantisierungsgeräusch vernachlässigbar ist. Die Verkoppelung zwischen
den Kanälen eines Mehrkanalsystems sorgt allerdings dafür, dass es technisch
schwierig ist, eine derart hohe Auflösung der A/D-Wandler zu realisieren. Es
wird im Folgenden ein Beispiel eines Mehrkanalsystems betrachtet, das durch die
folgende Kanalmatrix H eines effektiven Kanals beschrieben wird:
Das betrachtete System entspricht dabei dem anhand der 14
erläuterten System.
Der effektive Kanal 1360 hat somit N = 4 Kanaleingänge
und M = 4 Kanalausgänge. Die Signalraumkonstellation sei dabei eine in der
Praxis beliebte 4QAM, wobei für die Modulationsalphabete M1, M2,
M3, M4 gilt:
M1 = M2 = M3 = M4 = {±1 ±j}/√2.
Details im Hinblick auf die Signalraumkonstellation wurden im Übrigen
oben erläutert. Die beschriebene Signalraumkonstellation führt auf ein
Modulationsalphabet mit 44 = 256 Elementen, aus welchen durch eine Gruppe
von B = 8 Bit des Bitstroms 1310 jeweils eines zur Übertragung ausgewählt
wird (vergleiche 15 und die dazugehörige Beschreibung).
In einem rauschfreien Fall stellt sich daraufhin an den Ausgängen
y1, y2, y3, y4 des effektiven Kanals
1360 jeweils eines von 256 möglichen Signalen bzw. einer von 256 möglichen
Signalwerten (im Sinne einer Signalkombination) ein.
16 zeigt alle 256 möglichen Signale an den vier
Ausgängen y1, y2, y3, y4 des effektiven
Kanals 1360. In anderen Worten, 16 zeigt
eine rauschfreie Signalkonstellation an den Ausgängen des effektiven Kanals
1360 gemäß dem vorher genannten Beispiel. Horizontale und vertikale
Linien zeigen die Grenzen von Quantisierungsintervallen bei Verwendung von 2-Bit
A/D-Wandlern je Dimension bzw. je Signalkomponente an.
In anderen Worten, die 16 zeigt die
Ausgangswerte, die sich an dem ersten Ausgang (z. B. an dem Ausgang y1),
an dem zweiten Ausgang (z. B. Ausgang y2), an dem dritten Ausgang (z.
B. an dem Ausgang y3) und an dem vierten Ausgang (z. B. an dem Ausgang
y4) ergeben, wenn an die Eingänge x1, x2,
x3, x4 des effektiven MIMO-Kanals 1360 256 verschiedene
Eingangsvektoren bzw. Eingangs-Modulationssymbole (bestehend aus vier Einzel-Modulationssymbolen
aus den Mengen M1, M2, M3, M4) angelegt
werden. Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass gemäß der oben beschriebenen
Kanalmatrix H eine Verkoppelung zwischen allen Eingangssignalen x2, x2,
x3, x4 des effektiven MIMO-Kanals 1360 und allen
Ausgängen y1, y2, y3, y4 des effektiven
MIMO-Kanals 1360 auftritt. Aus diesem Grund ergeben sich für alle
Ausgangssignale y1, y2, y3, y4 deutlich
mehr als vier verschiedenen Signalwerte (typischerweise sogar bis zu 256 verschiedene
Signalwerte) während sich ohne eine Verkopplung zwischen den einzelnen Eingängen
bzw. Kanälen nur vier verschiedene Signalwerte ergeben würden.
Für die Funktion einschlägiger Verfahren der Signalverarbeitung
und Kanalcodierung ist es notwendig, dass alle Empfangssignale (im rauschfreien
Fall) durch die A/D-Wandler aufgelöst werden können, d.h., dass verschiedene
Signale auch verschiedenen Quantisierungsintervallen der A/D-Wandler zugeordnet
werden. Die in 16 zu erkennende dichte Nachbarschaft
verschiedener Empfangssignale erzwingt jedoch (zu diesem Zweck) die Verwendung von
A/D-Wandlern mit relativ hoher Auflösung. Durch Vergrößerung der
Anzahl der Kanaleingänge, oder durch Erhöhung der Stufenzahl des Modulationsalphabets
wächst die benötigte Auflösung der A/D-Wandler schnell über
die technischen Grenzen hinaus. Dies führt dazu, dass bei Mehrkanalsystemen
ab einer bestimmten Größe keine hochauflösende A/D-Wandlung vorgenommen
werden kann. Als Folge davon tritt daher eine sogenannte grobe Quantisierung ein.
Im Folgenden wird das Problem der groben Quantisierung näher
erläutert. Zu diesem Zweck wird noch einmal die 16
herangezogen. 16 zeigt beispielsweise in einer ersten
graphischen Darstellung 1610 Werte eines Empfangssignals y1,
das an einem Eingang eines A/D-Wandlers anliegt, für 256 verschiedene Kombinationen
von Signalwerten der Sendesignale x1, x2, x3, x4
gemäß dem Modulationsalphabet M. Die verschiedenen Signalwerte des Empfangssignals
y1 sind beispielsweise als Punkte in einer komplexen Zahlenebene, also
aufgeteilt nach Realteil und Imaginärteil, angetragen. Hierbei werden beispielsweise
für einen Realteil Werte in einem Bereich zwischen –3 und 3 sowie für
einen Imaginärteil Werte in einem Bereich zwischen –3 und 3 berücksichtigt.
Ferner zeigt die erste graphische Abbildung 1610 als vertikale
Linien Intervallgrenzen von Quantisierungsintervallen eines Analog/Digital-Wandlers,
der einen Realteil des Signals y1 in vier Stufen bzw. Intervallen (zwischen
–3 und –1,5, zwischen –1,5 und 0, zwischen 0 und 1,5 sowie
zwischen 1,5 und 3) quantisiert. Horizontale Linien zeigen ferner Intervallgrenzen
von Quantisierungsintervallen eines weiteren Analog/Digital-Wandlers, der einen
Imaginärteil des Empfangssignals y1 in vier Stufen (zwischen –3
und –1,5, zwischen –1,5 und 0, zwischen 0 und 1,5 sowie zwischen 1,5
und 3) quantisiert.
Eine dazu korrespondierende zweite graphische Darstellung
1620 beschreibt Signalwerte eines Empfangssignals y2 sowie Intervallgrenzen
von zwei zugehörigen Analog/Digital-Wandlern (für einen Realteil und für
einen Imaginärteil). Ferner beschreibt eine dritte graphische Darstellung
1630 Signalwerte des dritten Empfangssignals y3 sowie Intervallgrenzen
von zwei zugehörigen Analog/Digital-Wandlern zur Quantisierung von Realteil
und Imaginärteil des dritten Empfangssignals y3. Eine vierte graphische
Darstellung 1640 zeigt ferner Signalwerte des vierten Empfangssignals y4
einschließlich Intervallgrenzen von zwei zugehörigen Analog/Digital-Wandlern
zur Quantisierung des Realteils und des Imaginärteils des vierten Empfangssignals
y4.
In den graphischen Darstellungen 1610, 1620,
1620 und 1640 gemäß der 16
sind beispielhaft Quantisierungsintervallgrenzen eingetragen, welche sich bei einer
homogenen Quantisierung mit 2-Bit A/D-Wandlern ergeben. In anderen Worten, es wird
jeweils ein 2-Bit A/D-Wandler für den Realteil und ein 2-Bit A/D-Wandler für
den Imaginärteil an jedem der vier Ausgänge y1, y2,
y3, y4 des effektiven MIMO-Kanals 1360 angeschlossen
An jedem Ausgang des Kanals bzw. des effektiven Kanals 1360
handelt es sich um eine grobe A/D-Wandlung, da verschiedene Eingangssignale auf
ein und das selbe Quantisierungsintervall abgebildet werden. Es zeigt sich, dass
es sich auch dann noch um eine grobe Quantisierung handelt, wenn alle vier quantisierten
Ausgänge (z1, z2, z3, z4) gemeinsam
betrachtet werden. Um dies zu erkennen, sind in 16
zwei Empfangssignale (also zwei Signale, die zu zwei verschiedenen Sendesignalen
gehören) durch große „*"-Markierungen 1650 hervorgehoben.
Man erkennt, dass an allen vier Ausgängen beide Signale auf das gleiche Quantisierungsintervall
abgebildet werden, und damit nicht unterscheidbar sind. Dieser Verlust an Unterscheidbarkeit
der Signale nach der Quantisierung ist das wesentliche Charakteristikum einer groben
Quantisierung.
In anderen Worten, bei einer groben Quantisierung führen zwei
verschiedene Sendesignale, die zu zwei verschiedenen zu übertragenen Informationen
(bzw. Bitmustern der Informationsbits) gehören, zu gleichen Signalen an den
Ausgängen von empfangsseitigen A/D-Wandlern.
Im Folgenden werden die Auswirkungen einer Kommunikation mit einer
groben Quantisierung beschrieben. Die oben gezeigte durch grobe Quantisierung verursachte
Ununterscheidbarkeit verschiedener gesendeter Signale sorgt dafür, dass einschlägige
Verfahren der Signalverarbeitung und Kanalcodierung ihren Dienst versagen. Um dies
zu verdeutlichen wurde in einem Beispiel als Kanalcodierungsverfahren ein Faltungscode
(der Gedächtnislänge 6) mit Viterbi-Decodierung, und als Empfangssignalverarbeitung
eine sogenannte log-likelihood Detektion angenommen (vergleiche [4]).
17 zeigt eine graphische Darstellung einer Bitfehlerhäufigkeit
nach einer Viterbi-Decodierung eines Faltungscodes. Die graphische Darstellung der
17 ist in ihrer Gesamtheit mit 1700 bezeichnet.
An einer Abszisse 1710 ist ein Verhältnis zwischen einer Sendeleistung
und einer Rauschleistung in Dezibel angetragen. Eine Ordinate 1720 zeigt
eine codierte Bitfehlerrate in einer logarithmischen Darstellung. Eine erste Kurve
1730 schreibt einen Zusammenhang zwischen dem Signal-Rausch-Verhältnis
(PT/&sgr;2n)
und der codierten Bitfehlerrate unter Verwendung eines 1-Bit A/D-Wandlers bei der
Auswertung der Empfangssignale y1, y2, y3, y4.
Eine zweite Kurve 1740 beschreibt denselben Zusammenhang für die Verwendung
eines ∞-Bit A/D-Wandlers, also eines A/D-Wandlers mit beliebig hoher Auflösung.
In anderen Worten, 17 zeigt die sich unter Verwendung
des Beispielkanals ergebenden Bitfehlerhäufigkeiten als Funktion des Verhältnisses
von aufgebrachter Sendeleistung PT zu einer Leistung
&sgr;2n
des Empfangsrauschens. Bei einer hypothetischen, unendlich hohen Auflösung
der A/D-Wandler, funktioniert das Codierungssystem hervorragend. Werden jedoch A/D-Wandler
mit 1-Bit Auflösung pro Dimension (also mit 1-Bit Auflösung für den
Realteil und mit 1-Bit Auflösung für den Imaginärteil der Signale
y1, y2, y3, y4) verwendet, sättigt
die Bitfehlerhäufigkeit auf einen beträchtlich hohen Wert von etwa 10–4.
Dies ist für viele praktische Anwendungen zu hoch. Das vorher beschriebene
Codierungssystem kann daher nicht ohne Weiteres mit einer groben A/D-Wandlung (z.
B. mit einem 1-Bit A/D-Wandler) zusammenarbeiten.
18 zeigt ferner eine schematische Darstellung eines
Bussystems mit vier parallelen Leitungen. Bei dem gezeigten Bussystem
soll vier Bits (b0, b1, b2, b3) ∊
{0, 1}4 übertragen werden. Hierzu wandelt am Sender ein sogenannter
Bustreiber 1810 (bestehend aus vier einzelnen Leitungstreibern
1810_0, 1810_1, 1810_2, 1810_3) die binären
Werte der Bits b0, b1, b2, b3 in jeweils
einen von zwei möglichen Spannungswerten um. Beispielsweise wandelt der erste
Leitungstreiber 1810_0 das Bit b0 in eine zugehörige Sendespannung
u0 um. Der Leitungstreiber 1810_1 wandelt das Bit b1
in eine zugehörige Sendespannung u1 um. Der Leitungstreiber
1810_2 wandelt das Bit b2 in eine zugehörige Sendespannung
u2 um. Der Leitungstreiber 1810_3 wandelt das Bit b3
in eine zugehörige Sendespannung u3 um. Im Folgenden sei angenommen,
dass für die Sendespannungen Ui gelte:
Das Modulationsalphabet des gezeigten Bussystems lautet demnach:
M = {0V, 5V}4.
Das Modulationsalphabet des gezeigten Bussystems besteht daher aus
|M| = 16 verschiedene 4-dimensionalen Vektoren. Die Verkopplung der Leitungen (des
Bussystems) sei durch die folgende, diagonaldominante, effektive MIMO-Kanalmatrix
beschrieben:
Die Leitungen sind dabei diejenigen Elemente des Bussystems, die für
eine Übertragung der Sendespannungen ui von dem Ausgang des Senders
zu dem Eingang des Empfängers übernehmen, so dass die Empfangsspannungen
y0, y1, y2, y3 entstehen. Bei einem
Empfänger bzw. am Empfangsende des Bussystems werden die vier empfangenen Spannungen
y0, y1, y2, y3 wieder Werten aus der
Menge {0, 1} zugeordnet. In anderen Worten, Empfangssignale bzw. Empfangsspannungen
y0, y1' y2, y3 werden einem Schwellwertentscheider
1830 zugeführt, der beispielsweise vier Einzel-Schwellwertentscheider
1830_0, 1830_1, 1830_2, 1830_3 umfasst.
Beispielsweise empfängt der Schwellwertentscheider
1830_0 das Empfangssignal y0 und erzeugt daraus ein geschätztes
Empfangsbit b^0. In ähnlicher Weise empfängt der Einzel-Schwellwertentscheider
1830_1 das Empfangssignal y1 und erzeugt daraus ein geschätztes
Empfangsbit b^1. Der Einzel-Schwellwertentscheider 1830_2 empfängt das
Empfangssignal y2 und erzeugt daraus ein geschätztes Empfangsbit
b^2. Der Einzel-Schwellwertentscheider 1830_3 empfängt das
Empfangssignal y3 und erzeugt daraus ein geschätztes Empfangsbit
b^3.
In anderen Worten, an dem Empfangsende des Bussystems werden (durch
den Schwellwertentscheider 1830) die vier empfangenen Spannungen (bzw.
Empfangssignale y0, y1, y2, y3) wieder
Werten aus der Menge {0, 1} zugeordnet. Dabei wird die folgende Abbildungsvorschrift
bzw. Zuordnungsvorschrift verwendet:
Werden nun der Reihe nach alle der 16 möglichen Sendevektoren
bestehend vier Sendespannungen u0, u1, u2, u3
aus dem Modulationsalphabet M übertragen, so können daraus (unter der
Annahme eines verschwindenden Rauschens) die detektierten Bits (b^0, b^1, b^2, b^3) ermittelt werden. 19 zeigt eine Tabelle,
in der geschätzte Empfangsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) gesendeten Bits (b3, b2, b1, b0)
für die 16 verschiedenen Kombinationen von gesendeten Bits (b^3, b^2, b^1, b^0) gegenübergestellt sind. In anderen Worten, 19
zeigt eine Gegenüberstellung von gesendeten und empfangenen Bits des Bussystems
gemäß 18.
Werden der Reihe nach alle der 16 möglichen Sendevektoren aus
dem Modulationsalphabet M übertragen, so findet man für die detektierten
Bits (b^0, b^1, b^2, b^3) die in der Tabelle der 19 zusammengefassten
Werte. Wie aus der Tabelle der 19 ersichtlich ist,
treten bei den 16·4 = 64 übertragenen Bits, insgesamt 6 Fehler auf. Bei
den inneren Leitungen (auf denen die Bits b1 und b2 übertragen
werden) treten jeweils zwei Fehler auf, und bei den äußeren Leitungen
(auf denen die Bits b0 und b3 übertragen werden) tritt
jeweils ein Fehler auf. Dies liegt daran, dass die beiden äußeren
Leitungen nur eine dominant störende Nachbarleitung haben und daher weniger
an Übersprechen leiden als die inneren Leitungen. In jedem Fall ist nach dem
Stand der Technik eine zuverlässige Übertragung nicht möglich, da
das Übersprechen zu stark ausgeprägt ist, so dass Bitfehler auftreten.
In Anbetracht des bekannten Stands der Technik ist es die Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Konzept zur codierten Übertragung digitaler
Daten zu schaffen, das auch bei Vorliegen eines Übersprechens zwischen mehreren
Übertragungskanälen eine zuverlässige Rekonstruktion der übertragenen
digitalen Information unter Verwendung von Schwellwertentscheidern in Form von Analog/Digital-Konvertern
endlicher oder insbesondere geringer Auflösung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Signalcodierer gemäß Anspruch
1 oder Anspruch 10, durch ein Verfahren zum Konfigurieren eines Signalcodierers
gemäß Anspruch 25, 32, 71 oder 72, durch einen Signaldecodierer gemäß
Anspruch 37 oder Anspruch 44, ein Verfahren zum Konfigurieren eines Signaldecodierers
gemäß Anspruch 52, 57 oder 81, ein Verfahren zum Betrieb eines Signalcodierers
gemäß Anspruch 62 oder Anspruch 63, ein Verfahren zum Betrieb eines Signaldecodierers
gemäß Anspruch 64 oder Anspruch 65, ein Computerprogramm gemäß
Anspruch 66 oder ein Datenübertragungssystem gemäß Anspruch 67 oder
69 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft somit einen Signalcodierer gemäß
Anspruch 1.
Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass durch einen
Einsatz eines Vektorabbilders zum nichtlinearen Abbilden von möglichen Bitmustern
von B Informationsbits auf 2B Signalkombinationen auf den N' parallelen
binären Signalen, mit N' größer B, in einem Signalcodierer eine redundante
Raum-Codierung erzielt werden kann. Die redundante Raumcodierung ermöglicht
eine zuverlässige empfängerseitige Detektion der N' binären Signale
nach einer Übertragung über einen Kanal, selbst dann, wenn der Kanal ein
Übersprechen aufweist.
In anderen Worten, aus den 2N' möglichen Signalkombinationen,
die durch die N' parallelen binären Signale (bzw. über N parallele Leitungen)
übertragen werden können, werden nur insgesamt 2B Signalkombinationen
verwendet. Der nichtlineare Vektor-Abbilder dient somit dazu, die Bitmuster der
B Informationsbits, die der Vektor-Abbilder beispielsweise über B parallele
Leitungen empfängt, auf 2B Signalkombinationen abzubilden, so dass
jedem der Bitmuster der B Informationsbits genau eine Signalkombination zugeordnet
ist. Somit ermöglicht es der erfindungsgemäße Signalcodierer, nur
solche der 2N' möglichen Signalkombinationen auf den N' parallelen
Leitungen zu senden, die an einem Empfänger auch bei Vorliegen eines Übersprechens
unterscheidbar sind.
Die vorliegende Erfindung bietet den wesentlichen Vorteil gegenüber
herkömmlichen Lösungen, dass auch bei Vorliegen eines Übersprechens
zwischen den N' parallelen binären Signalen von bei einem Empfänger bzw.
Signaldecodierer empfangenen Signalen immer noch zuverlässig auf die gesendeten
B Informationsbits gefolgert werden kann, während dies ohne die Verwendung
der erfindungsgemäßen redundanten Raumcodierung nicht möglich wäre.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Signalcodierer zum
Erzeugen einer Mehrzahl von Einzelmodulationssymbolen basierend auf B Informationsbits,
gemäß dem Patentanspruch 10.
Der Signalcodierer gemäß dem Patentanspruch 10 verwirklicht,
ebenso wie der Signalcodierer gemäß dem Patentanspruch 1, den Kerngedanken,
dass es vorteilhaft ist, Bitmuster von B Informationsbits auf 2B verschiedene
Kombinationen aus einem größeren Gesamt-Modulationsalphabet bzw. Gesamt-Signalraum
abzubilden. Somit werden nicht alle möglichen Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen,
die Teil eines Gesamt-Modulationsalphabets sind, für die Übertragung der
B Informationsbits verwendet. Vielmehr wird durch den Einsatz einer echten Teilmenge
von Kombinationen von Einzelmodulationssymbolen aus einem Gesamt-Modulationsalphabet
ermöglicht, nur solche Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen sendeseitig
zu verwenden, die empfangsseitig auch nach Übertragung über einen Kanal,
bei dem ein Übersprechen zwischen den übertragenen Einzel-Modulationssignalen
auftritt, sicher zu unterscheiden.
Somit wird insgesamt durch das erfindungsgemäße Konzept
eine redundante Raumcodierung dadurch erreicht, dass von den zur Verfügung
stehenden Kombinationen der Einzelmodulationssymbolen nur eine echte Teilmenge verwendet
wird, die zu zuverlässigen Empfangsergebnissen führt.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Konfigurieren
eines Signalcodierers gemäß Anspruch 25. Das Verfahren zum Konfigurieren
des Signalcodierers realisiert den Kerngedanken der vorliegenden Erfindung, die
Abbildungsvorschrift des Vektorabbilders in dem Signalcodierer so einzustellen,
dass der Vektorabbilder die 2B möglichen Bitmuster der B Informationsbits
auf 2B Signalkombinationen abbildet, die zu zuverlässig unterscheidbaren
Empfangssignalen führen. Basierend auf dem genannten Konzept umfasst das Konfigurieren
des Signalcodierers ein Bestimmen von Empfangssignalen an einem Empfänger für
mehr als 2B unterschiedliche Signalkombinationen der N' parallelen Signale
an einem Ausgang des Signalcodierers, um ein Übertragungsergebnis zu haben,
sowie ein Einstellen der Abbildungsvorschrift basierend auf dem Übertragungsergebnis.
Durch die Kenntnis der Empfangssignale für mehr als 2B unterschiedliche
Signalkombinationen der N' parallelen Signale an einem Ausgang des Signalcodierers
kann ermittelt werden, welche 2B unterschiedliche Signalkombinationen
aus den mehr als 2B unterschiedlichen Signalkombinationen zu den besten
(d.h. beispielsweise am besten unterscheidbaren) Empfangssignalen führen. Entsprechend
dem Übertragungsergebnis kann somit der Vektorabbilder optimal konfiguriert
werden.
Ein ähnliches Konzept wird im Übrigen durch das Verfahren
zum Konfigurieren eines Signalcodierers gemäß dem Anspruch 32 realisiert.
Das Verfahren gemäß dem Anspruch 32 entspricht im Wesentlichen dem Verfahren
gemäß dem Anspruch 25, wobei lediglich anstelle von Signalkombinationen
von (binären) Signalen Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen verwendet
werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Signaldecodierer zum
Erzeugen von B Informationsbits aus N' parallelen Signalen, gemäß dem
Anspruch 37. Der Signaldecodierer gemäß dem Anspruch 37 realisiert das
Konzept, eine redundante Raumcodierung in einem digitalen Kommunikationssystem zu
verwenden. Da mehr Signalkombinationen der N' parallelen Signale möglich sind,
als es Bitkombinationen für die Empfangsbits gibt, werden mehrere der Signalkombinationen
auf den N' parallelen Signalen auf die gleiche Kombination der B Empfangsbits abgebildet.
Dadurch kann erreicht werden, dass ein Übertragungssystem mit einem erfindungsgemäßen
Signaldecodierer besonders unempfindlich gegenüber kanalbedingten Störungen
ist. So ermöglicht der erfindungsgemäße Signaldecodierer, derartige
Signalkombinationen auf gleiche Bitkombinationen der B Empfangsbits abzubilden,
von denen (beispielsweise mit einer vorgegebenen minimalen Wahrscheinlichkeit) angenommen
werden kann, dass sie auf der gleichen gesendeten Signalkombination auf den N' parallelen
Signalen basieren. In anderen Worten, sowohl eine ungestörte Signalkombination,
die auf einer bestimmten Kombination von B gesendeten Informationsbits basiert,
als auch eine gestörte Signalkombination, die auf den gleichen B gesendeten
Informationsbits basiert, können auf die korrekte Kombination von Empfangsbits
abgebildet werden. Die Tatsache, dass der Vektorabbilder eine größere
Anzahl von Zuständen (die Signalkombinationen oder Schwellwertbewerteten Signalkombinationen)
auf den N' parallelen Signalen) auf eine kleinere Anzahl von Zuständen (die
möglichen Kombinationen der B Empfangsbits) abbildet, bringt eine besonders
große Flexibilität bei der Wahl der Vektorabbildung und ermöglicht
somit die Erzielung einer erhöhten Störsicherheit durch geeignete Wahl
der Vektorabbildung.
Der Signalcodierer gemäß dem Anspruch 44 basiert auf dem
gleichen Kerngedanken wie der Signalcodierer gemäß dem Anspruch 37, wobei
die Signalkombinationen auf den N' parallelen Signalen durch Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen
ersetzt sind. Ein Signalraum an einem Eingang des Vektorabbilders umfasst mehr mögliche
Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen als es Kombinationen der B Informationsbits
gibt. Somit besteht an dem Eingang des Signalcodierers eine redundante Raumcodierung
in dem Sinne, dass nicht alle zur Verfügung stehenden Kombinationen von Einzel-Modulationssignalen
für eine Informationsübertragung ausgenutzt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Konfigurieren
eines Signaldecodierers gemäß dem Anspruch 52. Das Verfahren umfasst ein
Senden von zumindest 2B unterschiedlichen Signalkombinationen an den
Signaldecodierer, ein Analysieren der sich an einem Eingang des Signaldecodierers
ergebenen Empfangssignale, um ein Analyseergebnis zu erhalten, sowie ein Einstellen
einer Abbildungsvorschrift abhängig von dem Analyseergebnis. Das erfindungsgemäße
Verfahren zum Konfigurieren eines Signaldecodierers basiert auf dem Kerngedanken,
dass es vorteilhaft ist, eine Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders zum Abbilden
von Signalkombinationen auf N' parallelen binären Signalen auf Kombinationen
von B Informationsbits, mit N' größer B, durch Analysieren der sich an
einem Eingang des Signaldecodierers ergebenen Empfangssignale für zumindest
2B unterschiedliche Signalkombinationen einzustellen. Durch das Auswerten
der Empfangssignale für die 2B unterschiedlichen Signalkombinationen
können damit 2B Teil-Abbildungsvorschriften (die eine Abbildung
einer Kombination von Empfangssignalen auf ein Bitmuster von empfangenen Informationsbits
beschreiben) aus insgesamt 2N' Teil-Abbildungsvorschriften festgelegt
werden. Somit können in der erfindungsgemäßen Weise die wesentlichen
Teile der Abbildungsvorschrift, die eine Abbildung von gültigen bzw. ungestörten
Signalkombinationen auf den N' parallelen (idealerweise binären) Signalen auf
die Kombinationen von B Informationsbits beschreiben, festgelegt
werden. Die übrigen Teile der Abbildungsvorschrift, die beispielsweise eine
Abbildung von ungültigen bzw. gestörten Signalkombinationen der N' parallelen
Signale auf Kombinationen der B Informationsbits definieren, können im Übrigen
ebenso anhand der Empfangssignale eingestellt werden, um beispielsweise eine möglichst
geringe Fehlerwahrscheinlichkeit zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Konfigurieren
eines Signaldecodierers gemäß dem Patentanspruch 57. Das Verfahren gemäß
dem Patentanspruch 57 ist im Wesentlichen analog zu dem Verfahren gemäß
dem Anspruch 52, wobei Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen an die Stelle
von Signalkombinationen auf den N' parallelen Signalen treten.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Betrieb
eines Signaldecodierers gemäß den Ansprüchen 62 und 63, sowie Verfahren
zum Betrieb des Signaldecodierers gemäß den Ansprüchen 64 und 65.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Computerprogramm gemäß Anspruch
66. Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Datenübertragungssystem
gemäß dem Anspruch 67, das die Vorteile des erfindungsgemäßen
Signalcodierers mit den Vorteilen des erfindungsgemäßen Signaldecodierers
verbindet.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden im Übrigen durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Bussystems gemäß
einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines Bussystems gemäß
einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung von Übertragungsleitungen
zur Verwendung in einem Bussystem gemäß den 1
oder 2;
4a eine schematische Darstellung eines Speichers zur
Verwendung als ein Vektorabbilder in einem Signaldecodierer;
4b eine schematische Darstellung eines Speichers zur
Verwendung als ein Vektorabbilder in einem Signalcodierer;
5 eine tabellarische Darstellung einer Abbildung von
zu übertragenden Bitmustern auf Signalkombinationen auf einer Mehrzahl von
parallelen (idealerweise binären) Signalen, sowie einer Abbildung von empfangenen
Signalkombinationen auf einer Mehrzahl von parallelen (idealerweise binären)
Signalen auf rekonstruierte Informationsbits;
6a eine schematische Darstellung eines ursprünglichen
Übertragungssystems unter Verwendung einer digitalen Modulation und Demodulation;
6b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
digitalen Übertragungssystems unter Verwendung einer digitalen Modulation und
Demodulation, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7a eine schematische Darstellung eines ursprünglichen
digitalen Übertragungssystems unter Verwendung einer digitalen Modulation und
Demodulation;
7b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
digitalen Übertragungssystems unter Verwendung einer digitalen Modulation und
Demodulation, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines digitalen Übertragungssystems
unter Verwendung einer digitalen Modulation und Demodulation, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine graphische Darstellung einer Bitfehlerhäufigkeit
nach einer Viterbi-Decodierung eines Faltungscodes, mit und ohne Verwendung des
erfindungsgemäßen Konzepts;
10a ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Einstellen einer Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders in einem
Signalcodierer basierend auf einem Übertragungsergebnis, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10b ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Einstellen einer Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders in einem
Signalcodierer basierend auf einem Übertragungsergebnis, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
10c ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Einstellen einer Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders in einen
Signalcodierer, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
10d ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Einstellen einer Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders in einem
Signalcodierer, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
11a ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Einstellen einer Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders in einem
Signaldecodierer, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
11b ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Einstellen einer Abbildungsvorschrift eines Vektorabbilders in einem
Signaldecodierer, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
12 eine schematische Darstellung von wesentlichen
Komponenten eines digitalen Kommunikationssystems;
13 eine schematische Darstellung eines Übertragungssystems
unter Verwendung einer digitalen Modulation und Demodulation, und einer Definition
eines effektiven Kanals;
14 eine schematische Darstellung eines digitalen Übertragungssystems
unter Verwendung einer digitalen Modulation und Demodulation mit einem effektiven
MIMO-Kanals;
15 eine schematische Darstellung eines digitalen Übertragungssystems
mit einer Signalraumabbildung und einer Analog/Digital-Wandlung;
16 eine graphische Darstellung von Signalkonstellationen
an den Ausgängen eines effektiven Kanals einschließlich Quantisierungsintervallen;
17 eine graphische Darstellung einer Bitfehlerhäufigkeit
nach einer Viterbi-Decodierung eines Faltungscodes;
18 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Bussystems; und
19 eine tabellarische Gegenüberstellung von Kombinationen
von gesendeten Informationsbits und Kombinationen von empfangenen Informationsbits
bei einem ursprünglichen Bussystem gemäß 18.
1 zeigt eine schematisch Darstellung eines erfindungsgemäßen
Bussystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Das Bussystem gemäß der 1 ist
in seiner Gesamtheit mit 100 bezeichnet. Das Bussystem 100 umfasst
einen Signalcodierer 110, der ausgelegt ist, um vier Informationsbits b0,
b1, b2, b3 zu empfangen, und um basierend darauf
fünf binäre Signale u0, u1, u2, u3,
u4 zu erzeugen. Das Übertragungssystem 100 umfasst ferner
einen Signaldecodierer 120, der ausgelegt ist, um fünf Empfangssignale
y0, y1, y2, y3, y4 zu empfangen,
die auf den gesendeten binären Signalen basieren, und basierend auf den fünf
Empfangssignalen vier empfangene bzw. rekonstruierte oder geschätzte Informationsbits
b^0, b^1,
, b^3 zu erzeugen. Das Übertragungssystem 100 umfasst ferner
einen Kanal 130, der Ausgänge des Signalcodierers 110 mit
Eingängen des Signaldecodierers 10 verbindet. Der Kanal
130 umfasst beispielsweise fünf parallele Leitungen, wobei eine erste
Leitung 130_0 einen ersten Ausgang des Signalcodierers, an dem das erste
Ausgangssignal u0 anliegt, mit einem ersten Eingang des Signaldecodierers
120, an dem das Empfangssignal y0 anliegt, verbindet. Allgemein
lässt sich sagen, dass eine i-te Leitung 130_i einen Ausgang des Signalcodierers
110, an dem das Ausgangssignal ui anliegt, mit dem Eingang des
Signaldecodierers 120, an dem das Empfangssignal bzw. Eingangssignal yi
anliegt, verbindet. Auf dem Kanal 130 findet ein Übersprechen zwischen
verschiedenen der Leitungen 130_0, 130_1, 130_2,
130_3, 130_4 statt, das durch entsprechende Linien gekennzeichnet
ist, und das beispielsweise in einer kapazitiven oder induktiven Verkopplung der
Leitungen begründet ist.
Der Signalcodierer 110 umfasst einen Vektorabbilder
140 sowie optional einen Leitungstreiber 142. Der Vektorabbilder
140 empfängt die vier Informationsbits b0, b1,
b2, b3 und erzeugt basierend darauf fünf binäre
Signale c0, c1, c2, c3, c4.
Die Signalkombinationen der fünf binären Signale c0, c1,
c2, c3, c4 bilden dabei einen redundanten Raumcode,
wie im Folgenden noch ausgeführt wird. Der optionale Leitungstreiber
142 empfängt die von dem Vektorabbilder 140 gelieferten fünf
binären Signale c0, c1, c2, c3,
c4 und erzeugt basierend darauf die Ausgangssignale u0, u1,
u2, u3, u4 des Signalcodierers 110 (auch
als Sendesignale bezeichnet). Der Leitungstreiber 142 ist dabei ausgelegt,
um ein Ausgangssignal ui des Signalcodierers 110 basierend auf
genau einem Ausgangssignal ci des Vektorabbilders 142 zu bilden.
In anderen Worten, der optionale Leitungstreiber stellt lediglich einen Treiber
bzw. Verstärker dar, der aus einer Mehrzahl von voneinander unabhängigen
Einzel-Treibern 142_0, 142_1, 142_2, 142_3,
142_4 besteht, die bevorzugt als einkanalige Treiber mit genau einem Eingang
und genau einem Ausgang wirken.
In dem Fall, dass der optionale Leitungstreiber 142 entfällt,
bilden im Übrigen die Ausgangssignale c0, c1, c2,
c3, c4 unmittelbar die Ausgangssignale u0, u1,
u2, u3, u4 des Signalcodierers 110, wobei
gilt:
ci = ui(0 ≤ i ≤ 4).
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass die Signale c0,
c1, c2, c3, c4 sowie u0,
u1, u2, u3, u4 im Folgenden als binäre
Signale bezeichnet werden, da diese in einem Idealfall jeweils genau zwei unterschiedliche
logische Zustände annehmen. In einer praktischen Realisierung handelt es sich
bei den Signalen c1, c2, c3, c4, u0,
u1, u2, u3, u4 allerdings typischerweise
um Signale, die durch Spannungswerte oder Stromwerte repräsentiert werden,
also um prinzipiell analoge Signale. Die Spannungs- bzw. Stromwerte der genannten
Signale nehmen jedoch üblicherweise Werte an, die ausreichend nahe bei vordefinierten
idealen Werten liegen, durch die zwei unterschiedliche logische Zustände beschrieben
werden. Daher können die genannten Signale als binäre Signale aufgefasst
werden.
Der Signaldecodierer 120 umfasst einen optionalen Schwellwertdetektor
150 sowie einen Vektorabbilder 152. Der optionale Schwellwertdetektor
150 empfängt die fünf Empfangssignale y0, y1,
y2, y3, y4 und erzeugt basierend darauf fünf
binäre bzw. schwellwert-bewertete Signale z0, z1, z2,
z3, z4, die die durch den Signaldecodierer 120 empfangenen
Pegel auf den Leitungen 130_0, 130_1, 130_2,
130_3, 130_4 beschreiben. Der Schwellwertentscheider
150 besteht typischerweise aus fünf voneinander hinsichtlich der übertragenen
Informationssignale voneinander unabhängigen Einzel-Schwellwertentscheidern
150_0, 150_1, 150_2, 150_3, 150_4.
Ein i-ter Schwellwertentscheider 150_i empfängt dabei das Empfangssignal
yi und erzeugt basierend darauf das binäre Signal zi.
Ein Schwellwertentscheider 150_i ist allgemein ausgelegt, um das Signal
zi auf einen logischen Wert von „0" zu setzen, wenn die Spannung
des Eingangssignals yi kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist,
und um das Signal zi auf einen logischen Wert von „1" zu setzen,
wenn die Spannung des Eingangssignals yi größer als der vorgegebene
Schwellwert ist. Alternativ dazu kann der Schwellwertentscheider 150_i
auch in einer umgekehrten Weise arbeiten. Der Schwellwertentscheider 150_i
kann also beispielsweise ausgelegt sein, um dem Signal zi einen logischen
Wert von „1" zuzuweisen, wenn die Spannung des Eingangssignals yi
kleiner als ein vorgegebener Schwellwert ist, und um dem Signal zi einen
logischen Wert von „0" zuzuweisen, wenn die Spannung des Eingangssignals
yi größer als der vorgegebene Schwellwert ist.
Es wird bevorzugt, dass die Schwellwerte für alle der beispielsweise
fünf Schwellwertentscheider 150_0, 150_1, 150_2,
150_3, 150_4 gleich sind. Alternativ dazu können die einzelnen
Schwellwertentscheider aber auch unterschiedliche Schwellwerte aufweisen. Im Übrigen
sei darauf hingewiesen, dass die Einzel-Schwellwertentscheider beispielsweise ein
CMOS-Gatter umfassen können, von dem zumindest ein Eingang mit dem Empfangssignal
yi beaufschlagt wird. Der Schwellwert wird dabei beispielsweise durch
die Schwellenspannungen der Transistoren des CMOS-Gatters festgelegt. Das entsprechende
Signal zi wird in diesem Fall von dem Ausgang des CMOS-Gatters abgeleitet.
Alternativ dazu können die Einzel-Schwellwertentscheider 150_i auch
Differenzverstärker umfassen, bei denen ein erster Eingang das jeweilige Eingangssignal
yi empfängt, und bei denen ein zweiter Eingang ein Referenzsignal
empfängt. Das zugehörige Signal zi kann dann von dem Ausgang
des Differenzverstärkers abgeleitet werden.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass in Rahmen der vorliegenden Erfindung
unter einem Schwellwertentscheider ganz allgemein sowohl ein binärer Schwellwertentscheider
(mit beispielsweise einem Schwellwert oder einer Hysterese) zur Unterscheidung von
zwei Zuständen als auch ein Schwellwertentscheider mit zumindest zwei Schwellwerten
zur Unterscheidung von mehr als zwei Zuständen, also beispielsweise ein Analog-Digital-Konverter,
verstanden wird. Beispiele für mögliche Schwellwertentscheider sind daher
ein 1-Bit-Entscheider, ein 2-Bit-Entscheider und ein N-Bit Entscheider. Ganz allgemein
umfasst der Begriff Schwellwert-Entscheider beispielsweise einen Quantisierer beliebiger
Auflösung, der beispielsweise ausgelegt ist, um ein wertkontinuierliches Signal
in eine Information darüber umzuwandeln, innerhalb welchem aus einer Mehrzahl
von diskreten Werteintervallen bzw. Wertebereichen sich ein Wert des wertkontinuierliche
Signals befindet.
Der Vektorabbilder 152 empfängt die Schwellwert-bewerteten
Signale z0, z1, z2, z3, z4
und bildet diese auf empfangene bzw. rekonstruierte bzw. geschätzte Informationsbits
b^0, b^1, b^2, b^3 ab. Der Vektorabbilder ist dabei ausgelegt, um die Abbildung derartig
durchzuführen, dass die empfangenen bzw. rekonstruierten bzw. geschätzten
Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 zumindest bei Vorliegen einer rauschfreien Übertragung zwischen
dem Signalcodierer 110 und dem Signaldecodierer 120 (aber bei
Vorhandensein von Übersprechen zwischen den Leitungen 130_0,
130_1, 130_2, 130_3, 130_4) die gesendeten Informationsbits
b0, b1, b2, b3 korrekt wiedergeben.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass in dem Fall, dass der Schwellwertentscheider
150 entfällt, die Empfangssignale y0, y1, y2,
y3, y4 direkt die Eingangssignale z0, z1,
z2, z3, z4 des Vektorabbilders 152 bilden.
Basierend auf der obigen strukturellen Beschreibung wird im Folgenden
die Funktionsweise des Übertragungssystems 100 im Detail erläutert.
Der Vektorabbilder 140 in dem Signalcodierer 110
empfängt allgemein pro Zeitschritt (typischerweise parallel) B Informationsbits,
und erzeugt pro Zeiteinheit N' binäre Signale c0, c1,
c2, c3, c4, die die N' Ausgangssignale u0,
u1, u2, u3, u4 des Signalcodierers
110 bilden, oder die durch einen Leitungstreiber 142 gemäß
einer ein-eindeutigen Abbildung auf die Ausgangssignale u0, u1,
u2, u3, u4 des Signalcodierers 110 abgebildet
werden. In einem Zeitintervall bzw. Zeitschritt liegt somit eine (bzw. genau eine)
von 2B unterschiedliche Kombinationen von zu sendenden Informationsbits
b0, b1, b2, b3 vor. In einem Zeitintervall
bzw. Zeitschritt liegt ferner eine (bzw. genau eine) von insgesamt 2N'
unterschiedlichen Kombinationen der Ausgangssignale u0, u1,
u2, u3, u4 des Signalcodierers 110 vor,
wobei die Signalkombinationen der Ausgangssignale u0, u1,
u2, u3, u4 des Signalcodierers den N' parallelen
Leitungen 130_0, 130-1, 130-2, 130_3,
130_4 als Eingangssignale bzw. Sendesignale zugeführt werden. Es sei
im Übrigen darauf hingewiesen, dass gilt:
N' > B.
Somit ist nicht jede der insgesamt 2N' möglichen Signalkombinationen
der Ausgangssignale u0, u1, u2, u3,
u4 des Signalcodierers 110 einer Kombination der Informationsbits
b0, b1, b2, b3 zugeordnet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Kombination
der Informationsbits b0, b1, b2, b3
genau eine Signalkombination der Ausgangssignale u0, u1, u2,
u3, u4 des Signalcodierers 110 zugeordnet. In anderen
Worten, der Vektorabbilder 140 bildet die 2B möglichen
Kombinationen der Informationsbits b0, b1, b2,
b3 in einer eindeutigen Weise auf 2B Kombinationen der N'
Ausgangssignale u0, u1, u2, u3, u4
ab. Folglich existieren 2N' – 2B Kombinationen bzw.
Signalkombinationen der N' Ausgangssignale u0, u1, u2,
u3, u4, die keinem Bitmuster der Informationsbits b0,
b1, b2, b3 zugeordnet sind. Während also über
die N' Leitungen bzw. Kanäle 130_0, 130_1, 130_2,
130_3, 130_4 2N' unterschiedliche (binäre) Signalkombinationen
übertragbar wären, werden weniger als die insgesamt möglichen 2N'
Signalkombinationen tatsächlich verwendet. In anderen Worten, es wird eine
echte Teilmenge der 2N' möglichen Signalkombinationen für die
Übertragung über die N' Leitungen bzw. Kanäle verwendet.
Es besteht somit eine Freiheit bei der Auswahl der tatsächlich
verwendeten Signalkombinationen für die Übertragung der B Informationsbits
über die N' Leitungen. Durch die entsprechende Freiheit wird es ermöglicht,
diejenigen Signalkombinationen für die Übertragung über den Kanal
bzw. die Leitungen 130 zu verwenden, die insbesondere unter Berücksichtigung
der Kanaleigenschaften und der Eigenschaften der Quantisierung eine ausreichend
zuverlässige empfängerseitige Rekonstruktion bzw. Schätzung der Informationsbits
b^0,
1, b^2, b^3 erlauben.
Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass auf Seiten des Signaldecodierers
nur solche Signalkombinationen der Sendesignale u0, u1, u2,
u3, u4 zu unterscheidbaren rekonstruierten Informationsbits
b^0, b^1, b^2, b^3 führen, für die sich eine unterscheidbare
Kombination der schwellwert-bewerteten Empfangssignale z0, z1,
z2, z3, z4 ergibt. Daher ist bei dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Vektorabbilder 140 ausgelegt, um für
unterschiedliche Bitmuster der zu sendenden Informationsbits nur solche Signalkombinationen
der Ausgangssignale u0, u1, u2, u3,
u4 des Signalcodierers 110 zu erzeugen, die zu unterscheidbaren
Kombinationen von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen z0, z1,
z2, z3, z4 führen. Die entsprechende Auswahl
der Signalkombinationen der Ausgangssignale u0, u1, u2,
u3, u4 kann beispielsweise messtechnisch oder simulativ ermittelt
werden, indem mehr als 2B Signalkombinationen für die Ausgangssignale
u0, u1, u2, u3, u4 des Signalcodierers
110 verwendet werden, und indem zu den verschiedenen mehr als 2B
Signalkombinationen der Ausgangssignale zugehörige Empfangssignale y0,
y1, y2, y3, y4 bzw. schwellwert-bewertete
Empfangssignale z0, z1, z2, z3, z4
bestimmt werden. Bei der entsprechenden Messung oder Simulation wird die Übertragungscharakteristik
des Kanals, beispielsweise ein Übersprech-Verhalten des Kanals, mit berücksichtigt.
Von den mehr als 2B verwendeten Signalkombinationen der Ausgangssignale
u0, u1, u2, u3, u4 werden
dann 2B Signalkombinationen ausgewählt, die zu unterscheidbaren
Signalkombinationen der schwellwert-bewerteten Empfangssignale z0, z1,
z2, z3, z4 führen, oder die zu am besten unterscheidbaren
Kombinationen der Empfangssignale führen. Anschließend wird der Vektorabbilder
140 (beispielsweise durch Einstellung der Abbildungsvorschrift) konfiguriert,
um die 2B Bitmuster der B Informationsbits auf die ausgewählten
Signalkombinationen abzubilden.
Zusätzlich zu der Anforderung, dass die ausgewählten Signalkombination
bei Vorliegen eines rauschfreien Kanals bzw. einer rauschfreien Übertragung
zu unterscheidbaren Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen z0, z1,
z2, z3, z4 führen, kann ferner bei der Auswahl
berücksichtigt werden, wie zuverlässig eine Übertragung beispielsweise
bei Vorliegen von Rauschen erfolgt. In anderen Worten, wird angenommen, dass eine
bestimmte Signalkombination an Ausgängen u0, u1, u2,
u3, u4 eines Signalcodierers 110 ausgegeben wird,
so können bei der Annahme eines Rauschens Wahrscheinlichkeiten bestimmt werden,
mit denen der Schwellwertentscheider 150 verschiedene Kombinationen der
schwellwert-bewerteten Empfangssignale z0, z1, z2,
z3, z4 ausgibt. Somit kann rechnerisch, simulativ oder messtechnisch
ermittelt werden, welche Signalkombinationen der Ausgangssignale des Signalcodierers
110 mit wie hoher Zuverlässigkeit empfangsseitig erkannt bzw. voneinander
unterschieden werden können. Entsprechend können bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel diejenigen Signalkombinationen der Ausgangssignale des
Signalcodierers für eine Verwendung durch den Vektorabbilder 140 ausgewählt
werden, bei deren Verwendung sich zumindest eine vorgegebene Zuverlässigkeit
der schwellwert-bewerteten Empfangssignale z0, z1, z2,
z3, z4 ergibt.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden solche
Signalkombinationen der Ausgangssignale des Signalcodierers für eine Verwendung
durch den Vektorabbilder 140 ausgewählt, die zu Empfangssignalen y0,
y1, y2, y3, y4 des Signaldecodierers
120 führen, die gemäß einer vorgegebenen Norm zumindest
einen vorgegebenen minimalen Abstand aufweisen.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird von einer
Mehrzahl von Signalkombinationen am Ausgang des Vektorabbilders 140, die
zu Empfangssignalen (bzw. Empfangssignal-Kombinationen) des Signaldecodierers führen,
deren Abstand gemäß einer vorgegebenen Norm kleiner als ein vorgegebener
Mindestabstand ist, oder die zu identischen Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
z0, z1, z2, z3, z4 führen,
höchstens eine Signalkombination für die Verwendung durch den Vektorcodierer
140 ausgewählt.
Im Übrigen sei darauf hingewiesen, dass bei der Auswahl der durch
den Vektorabbilder 140 verwendeten Signalkombinationen die verschiedenen
vorstehend beschriebenen Kriterien auch miteinander kombiniert werden können.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass aus den insgesamt
möglichen 2N' Signalkombinationen auf den Ausgangssignalen des Vektorcodierers
110 diejenigen Signalkombinationen für eine Verwendung ausgewählt
werden, die nach der Übertragung über des Kanal 130 zu dem Signaldecodierer
120 zu Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen führen, die eine möglichst
zuverlässige Rekonstruktion der geschätzten Informationsbits
b^0, b^1, b^2, b^3 ermöglichen. Statt einer möglichst hohen Zuverlässigkeit
kann dabei zumindest auf eine Zuverlässigkeit abgestellt werden, die größer
als eine vorgegebene Mindest-Zuverlässigkeit ist.
Anders ausgedrückt, es werden bei der Übertragung von dem
Signalcodierer 110 zu dem Signaldecodierer 120 diejenigen Signalkombinationen
auf den Ausgangssignalen des Signalcodierers 110 verwendet, aufgrund derer
sich eine Bitfehlerrate ergibt, die kleiner als eine vorgegebene Bitfehlerrate ist.
In anderen Worten, der Vektorabbilder 140 ist ausgelegt,
um die Kombinationen der Informationsbits b0, b1, b2,
b3 nicht auf Signalkombinationen der Ausgangssignale des Signalcodierers
110 zubilden, die zu ununterscheidbaren Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
oder zu Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen, deren Zuverlässigkeit
geringer als eine vorgegebene Minimalzuverlässigkeit ist, führen.
Der Vektorabbilder 152 auf Seiten des Signaldecodierers
120 ist bevorzugt ausgelegt, um eine möglichst zuverlässige Rekonstruktion
der Informationsbits b0, b1, b2, b3
basierend auf den schwellwert-bewerteten Empfangssignalen z0, z1,
z2, z3, z4 zu ermöglichen, um geschätzte
Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 zu erhalten.
Zu diesem Zweck ist der Vektorabbilder 152 des Signaldecodierers
120 bevorzugt konfiguriert, um Kombinationen von Schwellwert-bewerteten
Empfangssignalen z0, z1, z2, z3, z4
auf geschätzte Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 abzubilden, so dass zumindest bei Vorliegen eines rauschfreien Kanals
130 zwischen dem Signalcodierer 110 und dem Signaldecodierer
120 die geschätzten Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 mit den gesendeten Informationsbits b0, b1, b2,
b3 übereinstimmen. Die Konfiguration des Vektorabbilders
152 kann beispielsweise erfolgen, indem zu den möglichen Kombinationen
der Informationsbits b0, b1, b2, b3
die zugehörigen Kombinationen der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale z0,
z1, z2, z3, z4 bestimmt werden. Der
Vektorabbilder 142 wird daraufhin so konfiguriert, dass die sich ergebenden
Kombinationen der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale wiederum auf zugeordnete
rekonstruierte Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 abgebildet werden, die mit den gesendeten Informationsbits b0,
b1, b2, b3 übereinstimmen, oder die den gesendeten
Informationsbits zugeordnet sind.
Da die oben beschriebene Konfiguration des Vektorabbilders
152 des Signaldecodierers 120 typischerweise für einen ungestörten
bzw. rauschfreien Kanal durchgeführt wird, ist in diesem Fall nur die Abbildung
von 2B Kombinationen der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale aus insgesamt
2N' möglichen Kombinationen von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
auf Kombinationen der B rekonstruierten Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 bekannt.
Es wird allerdings bevorzugt, auch für die übrigen 2N'
– 2B Kombinationen der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale
(die in einem ungestörten bzw. rauschfreien Fall nicht auftreten) eine Abbildung
auf zugehörige Kombinationen der rekonstruierten Informationsbits zu definieren.
Um somit eine Vektorabbildung der 2N' – 2B
Kombinationen der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale zu definieren, die in einem
ungestörten Zustand nicht auftreten, kann beispielsweise ermittelt werden,
bei welcher Kombination von zu sendenden Informationsbits b0, b1,
b2, b3 an dem Eingang des Signalcodierers 110 eine
betrachtete Kombination von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen bei Vorliegen
von Rauschen auf dem Kanal 130 mit einer maximalen Wahrscheinlichkeit auftritt.
In anderen Worten, aus der Kenntnis der in einem rauschfreien Falle auftretenden
Empfangssignale y0, y1, y2, y3, y4
an dem Eingang des Signaldecodierers 120 für verschiedene Bitmuster
der Informationsbits b0, b1, b2, b3
kann ermittelt werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Bitmuster der schwellwert-bewerteten
Empfangssignale z0, z1, z2, z3, z4
für verschiedene Kombinationen der Informationsbits b0, b1,
b2, b3 auftreten. Es können folglich beispielsweise bedingte
Wahrscheinlichkeiten ermittelt werden, die die Wahrscheinlichkeit des Vorliegens
bestimmter Bitmuster an dem Eingang des Signalcodierers 110 für eine
betrachtete Kombination der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale beschreiben.
Der betrachteten Kombination der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale kann dann
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Kombination von geschätzten
Informationsbits b^0, b^1,
2, b^3 zugeordnet werden, die identisch zu der sendeseitigen Kombination von
Informationsbits ist, für deren Vorliegen eine maximale bedingte Wahrscheinlichkeit
besteht.
Auf die genannte Weise kann beispielsweise die Abbildungsvorschrift
des Vektorabbilders 152 eingestellt werden, um eine minimale Bitfehlerrate
bei der Übertragung der Informationsbits b0, b1, b2,
b3 bzw. bei der Wiederherstellung der rekonstruierten Informationsbits
b^0, b^1, b^2, b^3 zu erzielen.
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung
freilich nicht eine bestimmte Anzahl von gleichzeitig übertragenen Informationsbits
bzw. von verwendeten Leitungen beschränkt ist. Vielmehr ist es gemäß
dem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung lediglich erforderlich, dass mehr Leitungen
N' vorliegen als Informationsbits B gleichzeitig übertragen werden (N' >
B).
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße
Bussystem 100 gemäß 1 auf dem bereits
oben beschriebenen Bussystem 1800 gemäß 18
basiert. Das erfindungsgemäße Bussystem 100 unterscheidet sich
von dem Bussystem 1800 gemäß 18
unter anderem dadurch, dass
1. das erfindungsgemäße Bussystem um eine zusätzliche Leitung
ausgebaut ist;
2. bei einem Sender (bzw. in dem Signalcodierer 110) ein redundanter
Raumcode eingefügt wird; und
3. bei einem Empfänger (beispielsweise in dem Signaldecodierer
120) der redundante Raumcode wieder decodiert wird.
Das erfindungsgemäße Bussystem 100 gemäß
der 1 schafft somit Abhilfe für das bei dem herkömmlichen
Bussystem 1800 bestehende Problem, dass eine zuverlässige Übertragung
nicht möglich ist, wenn das Übersprechen zwischen den einzelnen Leitungen
zu stark ausgeprägt ist.
Weiter unten wird im übrigen noch anhand der 1
ein konkretes Beispiel für ein erfindungsgemäßes Bussystem beschrieben,
bei dem vier Bits auf fünf Leitungen unter Verwendung eines redundanten Raumcodes
übertragen werden. Details im Hinblick auf einen Algorithmus der Wahl des Raumcodes
sowie auch im Hinblick auf eine Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen
Bussystems werden ebenso weiter unten noch näher ausgeführt.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
Bussystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das Bussystem gemäß der 2 ist in seiner
Gesamtheit mit 200 bezeichnet. Da das Bussystem 200 gemäß
2 dem Bussystem 100 gemäß
1 sehr ähnlich ist, sind gleiche Einrichtungen
und Signale bei den Bussystemen 100 und 200 mit gleichen Bezugzeichen
bezeichnet und werden hier nicht noch einmal erläutert.
Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass bei dem Bussystem
200 die Übertragung der Ausgangssignale des Signalcodierers
110 zu den Eingängen des Signaldecodierers 120 über
eine Mehrzahl von parallel verlaufenden Leitungen 130_0, 130_1,
130_2, 130_3, 130_4 erfolgt. Die Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4 sind
dabei so nahe beieinander angeordnet, dass eine induktive, kapazitive und/oder leitende
Verkoppelung zwischen den Leitungen auftritt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel verlaufen die Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4 zumindest
für einen Teil ihrer Gesamtlänge zueinander parallel. Dabei weist bevorzugt
die zweite Leitung 130_1 einen geringeren Abstand zu der ersten Leitung
130_0 auf als zu der vierten Leitung 130_3 und zu der fünften
Leitung 130_4. Ferner weist bevorzugt die zweite Leitung 130_1
einen geringeren Abstand zu der dritten Leitung 130_2 auf als zu der vierten
Leitung 130_3 und zu der fünften Leitung 130_4. Folglich
ist typischerweise die Verkoppelung zwischen der zweiten Leitung und der ersten
Leitung stärker als zwischen der zweiten Leitung und der vierten Leitung, und
ebenso stärker als zwischen der zweiten Leitung 130_1 und der fünften
Leitung 130_4. Außerdem ist typischerweise die Verkoppelung zwischen
der zweiten Leitung 130_1 und der dritten Leitung 130_2 stärker
als die Verkopplung zwischen der zweiten Leitung 130_1 und der vierten
Leitung 130_3. Außerdem ist typischerweise die Verkoppelung zwischen
der zweiten Leitung 130_1 und der dritten Leitung 130_2 typischerweise
stärker als die Verkoppelung zwischen der zweiten Leitung 130_1 und
der fünften Leitung 130_4.
Ferner ist typischerweise der Abstand zwischen der dritten Leitung
130_2 und der zweiten Leitung 130_1 kleiner als der Abstand zwischen
der dritten Leitung 130_2 und der ersten Leitung 130_0. Der Abstand
zwischen der dritten Leitung 130_2 und der vierten Leitung 130_3
ist ferner typischerweise kleiner als der Abstand zwischen der dritten Leitung
130_2 und der ersten Leitung 130_0, und ferner ebenso kleiner
als der Abstand zwischen der dritten Leitung 130_2 und der fünften
Leitung 130_4. Somit ist typischerweise eine Verkoppelung zwischen der
dritten Leitung 130_2 und der zweiten Leitung 130_1 stärker
als eine Verkopplung zwischen der dritten Leitung 130_2 und der ersten
Leitung 130_0, und ebenso stärker als eine Verkopplung zwischen der
dritten Leitung 130_2 und der fünften Leitung 130_4. Weiterhin
ist typischerweise eine Verkopplung zwischen der dritten Leitung 130_2
und der vierten Leitung 130_3 typischerweise stärker als eine Verkopplung
zwischen der dritten Leitung 130_2 und der ersten Leitung 130_0,
sowie stärker als eine Verkopplung zwischen der dritten Leitung 130_2
und der fünften Leitung 130_4.
Ein Abstand zwischen der vierten Leitung 130_3 und der dritten
Leitung 130_2 ist typischerweise kleiner als ein Abstand zwischen der vierten
Leitung 130_3 und der zweiten Leitung 130_1, und ebenso kleiner
als ein Abstand zwischen den vierten Leitung 130_3 und der ersten Leitung
130_0. Folglich ist ferner typischerweise eine Verkopplung zwischen der
vierten Leitung 130_3 und der dritten Leitung 130_2 stärker
als eine Verkopplung zwischen der vierten Leitung 130_3 und der ersten
Leitung 130_0, sowie ebenfalls stärker als eine Verkopplung zwischen
der vierten Leitung 130_3 und der zweiten Leitung 130_1. Einen
Abstand zwischen der vierten Leitung 130_3 und der fünften Leitung
130_4 ist typischerweise kleiner als ein Abstand zwischen der vierten Leitung
130_3 und der zweiten Leitung 130_1, sowie ebenso kleiner als
ein Abstand zwischen der vierten Leitung 130_3 und der ersten Leitung
130_0. Folglich ist eine Verkopplung zwischen der vierten Leitung
130_3 und der fünften Leitung 130_4 stärker als eine
Verkopplung zwischen der vierten Leitung 130_3 und der zweiten Leitung
130_1, sowie ebenso stärker als eine Verkopplung zwischen der vierten
Leitung 130_3 und der ersten Leitung 130_0.
Ferner ist typischerweise ein Abstand zwischen der fünften Leitung
130_4 und der vierten Leitung 130_3 kleiner als ein Abstand zwischen
der fünften Leitung 130_4 und der dritten Leitung 130_2,
kleiner als ein Abstand zwischen der fünften Leitung 130_4 und der
zweiten Leitung 130_1, und ebenso kleiner als ein Abstand zwischen der
fünften Leitung 130_4 und der ersten Leitung 130_0. Somit
ist eine Verkopplung zwischen der fünften Leitung 130_4 und der vierten
Leitung 130_3 stärker als eine Verkopplung zwischen der fünften
Leitung 130_4 und der dritten Leitung 130_2, stärker als
eine Verkopplung zwischen der fünften Leitung 130_4 und der zweiten
Leitung 130_1, sowie ebenso stärker als eine Verkopplung zwischen
der fünften Leitung 130_4 und der ersten Leitung 130_0.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt, dass
die Leitungen 130_0, 130_1, 130_2, 130_3,
130_4 so angeordnet sind, dass die zweite Leitung 130_1 zwischen
der ersten Leitung 130_0 und der vierten Leitung 130_3 liegt,
dass die dritte Leitung 130_2 zwischen der zweiten Leitung 130_1
und der vierten Leitung 130_3 liegt, und dass die vierte Leitung
130_3 zwischen der dritten Leitung 130_2 und der fünften
Leitung 130_4 liegt. Somit sind folglich typischerweise Verkopplungen zwischen
unmittelbar benachbarten Leitungen (also zwischen Leitungen 130_i,
130_i+1, mit 1 <= i <= 4) stärker als Verkopplungen zwischen
weiter entfernten Leitungen. Ferner haben typischerweise die erste Leitung
130_0 und die fünfte Leitung 130_4 nur eine unmittelbar benachbarte
Leitung aus den fünf Leitungen 130_0, 130_1, 130_2,
130_3, 130_4, während hingegen die zweite Leitung
130_1, die dritte Leitung 130_2 und die vierte Leitung
130_3 aufgrund ihrer geometrischen Anordnung zwei unmittelbar benachbarte
Leitungen aufweisen.
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass eine Verkopplung zwischen
zwei benachbarten Leitungen beispielsweise aufgrund einer elektrischen Leitfähigkeit
oder aufgrund einer induktiven oder kapazitiven Verkopplung gegeben sein kann. Unter
Verkoppelung wird hierbei verstanden, dass ein Signal, das einer der fünf Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4 an
einem zugehörigen Ausgang des Signalcodierers eingeprägt wird, in einer
elektrischen Antwort an einem zu einer anderen Leitung gehörigen Eingang des
Signaldecodierers 120 resultiert. In anderen Worten, ein Signal wird von
einer Leitung auf eine andere Leitung übergekoppelt, bzw. ein Signal auf einer
Leitung beeinflusst die Spannung an dem empfängerseitigen Ende einer anderen
Leitung.
Im Hinblick auf die Verkopplung wird im Übrigen davon ausgegangen,
dass die Leitungen so beschaffen sind, dass eine Verkopplung zwischen unmittelbar
benachbarten Leitungen stärker ist als eine Verkopplung zwischen weiter entfernten
Leitungen bzw. zwischen Leitungen, die nicht unmittelbar benachbart sind (zwischen
denen also noch eine andere Leitung verläuft).
Im Hinblick auf die Leitungen 130_0, 130_1,
130_2, 130_3, 130_4 zeigt die 3
eine schematische Darstellung von fünf Leitungen, die auf einem Chip, einem
Substrat oder einer Platine angeordnet sind. Die Anordnung gemäß der
3 ist dabei in ihrer Gesamtheit mit 300 bezeichnet.
Die Anordnung 300 umfasst fünf parallel verlaufende Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4,
die auf einem Substrat als parallel verlaufende planare Leitungen angeordnet sind.
Die zweite Leitung 130_1 verläuft zumindest in einem Teilstück
zwischen der ersten Leitung 130_0 und der dritten Leitung 130_2.
Die dritte Leitung 130_2 verläuft zumindest in einem Teilstück
zwischen der zweiten Leitung 130_1 und der vierten Leitung 130_3.
Die vierte Leitung 130_3 verläuft zumindest in einem Teilstück
zwischen der dritten Leitung 130_2 und der fünften Leitung
130_4. Dadurch ergibt sich eine Verkopplung zwischen den Leitungen, wie
sie bereits zwischen beschrieben wurde.
Bei den Leitungen kann es sich beispielsweise um Leitungen handeln,
die ausschließlich auf einem Chip verlaufen. Die Leitungen zwischen dem Signalcodierer
110 und dem Signaldecodierer 120 können aber auch auf einer
gedruckten Schaltung bzw. auf einer Platine verlaufen. Ferner können die Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4 mehrere
Chips verbinden und dabei, zumindest als Teilstücke, Bonddrähte, Durchkontaktierungen,
Kurven und/oder Knicke umfassen. Besondere Vorteile durch die vorliegende Erfindung
ergeben sich beispielsweise, wenn die Leitungen so angeordnet sind, dass eine oben
beschriebene Verkopplung zwischen den Leitungen auftritt.
Im Hinblick auf die Schaltungsanordnung 200 gemäß
der 2 sei ferner darauf hingewiesen, dass die Schaltungsanordnung
200 optional einen Sende-Vektorabbilder-Einsteller 210 und/oder
einen Empfangs-Vektorabbilder-Einsteller 220 umfasst. Der optionale Sende-Vektorabbilder-Einsteller
210 ist ausgelegt, um eine Information über einen Kanal, also beispielsweise
eine Information über die Übertragungseigenschaften der Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4,
und/oder über eine Verkopplung zwischen den Leitungen zu empfangen. Basierend
auf der Information über den Kanal stellt der Vektorabbilder die Abbildungsvorschrift
des Sende-Vektorabbilders 140 ein. Der Sende-Vektorabbilder-Einsteller
210 kann dabei einen der Algorithmen verwenden, die bereits
oben beschrieben wurden, oder die im Folgenden noch beschrieben werden. Ziel der
Einstellung der Abbildungsvorschrift des Sende-Vektorabbilders 140 ist
es dabei typischerweise, eine möglichst geringe Bitfehlerrate bei der Übertragung
von Informationsbits b0, b1, b2, b3
von dem Signalcodierer 110 zu dem Signaldecodierer 120 bzw. bei
der Rekonstruktion der geschätzten Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3 zu erzielen.
Optional umfasst das Datenübertragungssystem bzw. Bussystem
200 ferner einen Empfangs-Vektorabbilder-Einsteller 220, der ausgelegt
ist, um eine Abbildungsvorschrift des Empfangs-Vektorabbilders 152 in Abhängigkeit
von einer Information über den Kanal einzustellen. Für die Einstellung
der Abbildungsvorschrift des Empfangs-Vektorabbilders 152 kann einer der
oben beschriebenen Algorithmen oder alternativ einer der im Folgenden noch beschriebenen
Algorithmen verwendet werden.
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass die Einstellung der
Abbildungsvorschrift des Sende-Vektorabbilders 140 sowie des Empfangs-Vektorabbilders
152 entweder durch eine einmalige feste Programmierung des Sende-Vektorabbilders
140 erfolgen kann oder mehrmals durch ein wiederholtes Umprogrammieren
des Sende-Vektorabbilders 140. In analoger Weise kann eine Einstellung
der Abbildungsvorschrift des Empfangs-Vektorabbilders durch eine einmalige feste
Programmierung oder durch eine mehrmalige Umprogrammierung erfolgen.
4a zeigt eine schematische Darstellung eines Speichers
zur Verwendung als ein Empfangs-Vektorabbilder 152. Der Speicher gemäß
der 4a ist in seiner Gesamtheit mit 400 bezeichnet.
Der Speicher 400 umfasst eine Mehrzahl von Adresseingängen
410 sowie eine Mehrzahl von Datenausgängen 420. Die Adresseingänge
410 sind ausgelegt, um eine Mehrzahl von Schwellwert-bewerteten Empfangsignalen
z0, z1, z2, z3, z4 zu empfangen,
und dienen der Auswahl eines Speicherfelds des Speichers 400. In anderen
Worten, basierend auf einer Kombination von Werten der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale
an den Adresseingängen 410 des Speichers 400 wählt der
Speicher 400 eines seiner Datenfelder aus. Typischerweise bzw. bevorzugt
sind die Adresseingänge binäre Eingänge, die jeweils zwei Zustände
aufweisen können. Bei dem Übertragungssystem mit N' Leitungen bzw. Kanälen
weist der Speicher 400 typischerweise N' Adresseingänge auf, so dass
insgesamt 2N' Datenfelder auswählbar sind. Der Speicher
400 ist im Übrigen ausgelegt, um die in dem über die Adresseingänge
410 ausgewählten Datenfeld gespeicherte Information an den Datenausgängen
420 auszugeben. Die Daten an den Datenausgängen 420 dienen
somit als geschätzte bzw. rekonstruierte Informationsbits b^0, b^1, b^2, b^3. In einem Übertragungssystem, in dem B Bits über die N' Leitungen
bzw. Kanäle gleichzeitig übertragen werden, weist der Speicher
400 bevorzugt B parallele Ausgänge auf. Somit dient der Speicher
400 als ein Vektorabbilder, der Kombinationen der N' Schwellwert-bewerteten
Empfangssignale auf Kombinationen von B rekonstruierten Informationsbits
b^0, b^1, b^2, b^3 abbildet.
Der Speicher 400 kann im Übrigen ausgelegt sein, um
eine Änderung der Dateninhalte der Speicherfelder zu ermöglichen. In anderen
Worten, bei dem Speicher 400 kann es sich um einen Schreib-Lese-Speicher
handeln. In diesem Fall wird die in dem Speicher 400 enthaltene Abbildungsvorschrift,
beispielsweise durch den Empfangs-Vektorabbilder-Einsteller 220 eingestellt.
Bei einem Speicher 400 kann es sich alternativ aber auch um einen Festwertspeicher
bzw. einen einmal-programmierbaren Speicher handeln. In diesem Fall ist die Abbildungsvorschrift
zur Abbildung der Signalkombinationen der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale
auf die rekonstruierten Informationsbits durch eine einmalig und nicht mehr veränderbare
Programmierung festgelegt.
4b zeigt eine schematische Darstellung eines Speichers
zur Verwendung als ein Sende-Vektorabbilder. Der Speicher gemäß der
4b ist in seiner Gesamtheit mit 450 bezeichnet.
Der Speicher 450 umfasst eine Mehrzahl von Adresseingängen
460 sowie eine Mehrzahl von Datenausgängen 470. Der Speicher
450 ist ausgelegt, um über die Adresseingänge eine Mehrzahl von
Informationsbits b0, b1, b2, b3 (bevorzugt
parallel) zu empfangen. Der Speicher 450 umfasst eine Mehrzahl von Datenfeldern,
die durch die Adresseingänge bzw. durch die an den Adresseingängen anliegende
Signalkombination auswählbar sind. Der Speicher 450 ist ferner ausgelegt,
um den Dateninhalt eines ausgewählten Datenfeldes an den Datenausgängen
470 bereitzustellen. Die Datenausgänge 470 definieren dabei
eine Signalkombination auf einer Mehrzahl von N' Leitungen, wobei die Datenausgänge
470 die Leitungen entweder direkt oder über einen Leitungstreiber
142 ansteuern bzw. treiben.
Bei den Adresseingängen 460 des Speichers
450 handelt es sich typischerweise um Eingänge für binäre
Signale. Weist der Speicher B Adresseingänge auf, an die die B Informationsbits
parallel anlegbar sind, so umfasst der Speicher 450 typischerweise 2B
Datenfelder, so dass jeder Kombination von Informationsbits genau ein Datenfeld
zugeordnet ist. Die in dem zu einer Kombination der Informationsbits gehörigen
Datenfeld enthaltene Information wird sodann über die Datenausgänge
470 ausgegeben. Durch den Speicher 450 wird somit jeder möglichen
Kombination von Informationsbits b0, b1, b2, b3
genau eine Signalkombination c0, c1, c2, c3,
c4 auf den N' parallelen Leitungen zugeordnet.
Bei dem Speicher 450 gemäß 4B
kann es sich beispielsweise um einen Schreib-Lese-Speicher handeln. In diesem Fall
kann die Abbildungsvorschrift, die durch den Inhalt der Speicherfelder des Speichers
450 definiert ist, verändert werden. Die Einstellung der Abbildungsvorschrift
kann beispielsweise über den Sende-Vektorabbilder-Einsteller 210 erfolgen.
Alternativ dazu kann es sich bei dem Speicher 450 aber auch um einen einmal-programmierbaren
bzw. maskenprogrammierten Speicher handeln, so dass die Abbildungsvorschrift nach
einer einmaligen Festlegung nicht mehr verändert werden kann.
5 zeigt eine tabellarische Darstellung einer Zuordnung
zwischen zu übertragenden Bitkombinationen (b3, b2, b1,
b0) und auf den Übertragungsleitungen 130_0,
130_1, 130_2, 130_3, 130_4 zu sendenden Signalkombinationen
(c4, c3, c2, c1, c0). Ferner
zeigt die 5 eine tabellarische Beschreibung einer
Abbildungsvorschrift zwischen empfangenen, Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
(z4, z3, z2, z1, z0) und
rekonstruierten bzw. dekodierten Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0). Eine erste Tabelle bzw. Sendetabelle 510 gemäß
5 definiert somit, welche Signalkombinationen (c4,
c3, c2, c1, c0) an den Ausgängen
des Vektorabbilders 140 den möglichen Bitmustern (b3, b2,
b1, b0) an den Eingängen des Vektorabbilders
140 zugeordnet sind. Somit definiert die Sendetabelle 510, welche
Signalkombinationen (u4, u3, u2, u1, u0)
an den Eingängen der Leitungen 130_4, 130_3, 130_2,
130_1, 130_0 für verschiedene Bitmuster der Informationsbits
angelegt werden. Es sei hierbei darauf hingewiesen, dass im Hinblick auf die Sendetabelle
510 davon ausgegangen wird, dass 24 = 16 zu übertragende
Bitmuster (b3, b2, b1, b0) existieren,
die über N' = 5 Leitungen übertragen werden. Die 16 Bitmuster der zu sendenden
Informationsbits sind in einer ersten Spalte 512 der Sendetabelle
510 angetragen. Auf den N' = 5 Leitungen existieren 25 = 32
verschiedene Signalkombinationen. Die Sendetabelle 510 definiert dabei
16 ausgewählte Signalkombinationen, die an die Eingänge der fünf
Leitungen 130_0, 130_1, 130_2, 130_3,
130_4 in Abhängigkeit von den zu übertragenden Informationsbits
angelegt werden. Die ausgewählten Signalkombinationen sind in einer zweiten
Spalte 514 der Sendetabelle 510 angetragen, wobei in einer gleichen
Zeile in der ersten Spalte 512 der Sendetabelle 510 und in der
zweiten Spalte 514 angetragene Bitmuster und Signalkombinationen einander
zugeordnet sind. Die verbleibenden 16 möglichen Signalkombinationen, die weiterhin
an die Eingänge der Leitungen 130_0, 130_1, 130_2,
130_3, 130_4 angelegt werden könnten, die aber nicht in der
zweiten Spalte 514 der Sendetabelle 510 eingetragen sind, werden
hingegen nicht benutzt. Die Tatsache, dass gemäß der Sendetabelle
510 somit nur die Hälfte der insgesamt möglichen Signalkombinationen
auf den Leitungen 130 genutzt werden, entspricht einer räumlichen
Redundanz. Gemäß der Sendetabelle 510 werden nämlich nur
die Signalkombinationen (c4, c3, c2, c1,
c0) möglichen Bitmustern (b3, b2, b1,
b0) der Informationsbits zugeordnet, die empfängerseitig, also bei
dem Signaldecodierer 120, mit ausreichender Zuverlässigkeit dekodiert
werden können, bzw. aus denen empfängerseitig mit ausreichender Zuverlässigkeit
(z. B. mit einer Bitfehlerrate <10–3, bevorzugt aber mit einer
Bitfehlerrate <10–4 oder <10–8) die gesendeten
Bitmuster (b3, b2, b1, b0) rekonstruiert
werden können.
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass bei der Erstellung
der Sendetabelle 510 von einer geometrischen Anordnung der Leitungen ausgegangen
wurde, wie sie beispielsweise anhand der 2 und
3 beschrieben wurde. In anderen Worten, die Sendetabelle
ist optimiert für eine bestimmte vorgegebene oder vorbekannte Leitungsstruktur,
bei der jeweils zwischen elektrisch benachbarten Leitungen eine stärkste Verkopplung
(stärker als zwischen weiter entfernten Leitungen) bzw. ein stärkstes
Übersprechen auftritt.
In anderen Worten, die Sendetabelle 510 basiert auf einer
Zuordnung von Signalen sowie auf einer Zuordnung einer Lage von Leitungen, wie sie
anhand der 1, 2 und
3 beschrieben ist.
5 zeigt weiterhin eine Empfangstabelle 520,
die eine Abbildung von Schwellwert-bewerteten Kombinationen von Empfangssignalen
(z4, z3, z2, z1, z0) auf
Kombinationen von decodierten bzw. rekonstruierten Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) beschreibt. Die Empfangstabelle 520 beschreibt in einer ersten
Spalte 522 Kombinationen von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen (z4,
z3, z2, z1, z0). Die Empfangstabelle
520 zeigt in einer zweiten Spalte 524 Kombinationen von decodierten
bzw. geschätzten oder rekonstruierten Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0). Die erste Spalte 522 der Empfangstabelle 520 zeigt
in einer oberen Hälfte 16 Kombinationen von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
(z4, z3, z2, z1, z0), die
unter Annahme einer rauschfreien Übertragung zu gesendeten Signalkombinationen
(c4, c3, c2, c1, c0) gemäß
der zweiten Spalte 514 der Sendetabelle 510 gehören. Die
Schwellwert-bewerteten Kombinationen von Empfangssignalen (z4, z3,
z2, z1, z0) unterscheiden sich dabei aufgrund des
Übersprechens des Kanals teilweise von den zugehörigen (in einer gleichen
Zeile angeordneten) gesendeten Signalkombinationen (c4, c3,
c2, c1, c0). Die Sendetabelle 510 ist
allerdings derart gewählt, dass den 16 verschiedenen Kombinationen von zu übertragenden
Informationsbits (b3, b2, b1, b0) 16 verschiedene
Kombinationen von Schwellwert bewerteten Empfangssignalen (z4, z3,
z2, z1, z0) zugeordnet sind. Aus diesem Grunde
ist zumindest unter der Annahme einer rauschfreien Übertragung eine eindeutige
Zuordnung der 16 in der oberen Hälfte der Spalte 522 gezeigten Kombinationen
von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen (z4, z3, z2,
z1, z0) zu decodierten bzw. rekonstruierten Kombinationen
von Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) möglich.
Ferner existieren 16 weitere Kombinationen der Schwellwert-bewerteten
Empfangssignale (z4, z3, z2, z1, z0),
die bei einem ungestörten bzw. rauschfreien Betrieb des Bussystems
100 nicht auftreten. Die weiteren Kombinationen der Schwellwert bewerteten
Empfangssignale (z4, z3, z2, z1, z0)
sind in der unteren Hälfte der ersten Spalte 522 der Empfangstabelle
520 dargestellt. Unter der Annahme, dass die weiteren Kombinationen der
Schwellwert bewerteten Empfangssignale (z4, z3, z2,
z1, z0) nicht auftreten, könnten den weiteren Kombinationen
beliebige Kombinationen von decodierten bzw. rekonstruierten oder geschätzten
Informationsbits (b^3,
2, b^1, b^0) zugeordnet werden.
Es wird allerdings bevorzugt, in einem rauschfreien Fall empfangsseitig
nicht auftretenden weiteren Kombinationen von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
(z4, z3, z2, z1, z0) solche
Kombinationen von dekodierten Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) zuzuordnen, bei deren sendeseitigem Vorliegen die entsprechenden weiteren
Kombinationen mit einer höchsten Wahrscheinlichkeit auftreten. In anderen Worten,
für eine betrachtete Kombination von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen
(z4, z3, z2, z1, z0) kann
berechnet werden, mit welcher Wahrscheinlichkeit die betrachtete Kombination bei
Vorliegen von verschiedenen sendeseitigen Kombinationen von Informationsbits (b3,
b2, b1, b0) oder bei Vorliegenden von verschiedenen
sendeseitigen Signalkombinationen (c4, c3, c2,
c1, c0) auftritt, wenn von einem bestimmten, angenommenen
bzw. vorgegebenen Rauschen beispielsweise des Leitungstreibers 142, des
Kanals 130 und/oder des Schwellwertentscheiders 150 ausgegangen
wird. Andersherum kann ebenfalls mit Mitteln der Stochastik berechnet werden, wie
groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass ein bestimmtes Bitmuster der Informationsmuster
(b3, b2, b1, b0) gesendet wurde, falls
die betrachtete Kombination von Schwellwert-bewerteten Empfangssignalen (z4,
z3, z2, z1, z0) empfangen wird (bedingte
Wahrscheinlichkeit). Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird somit die
Vektorabbildung des Empfangs-Vektorabbilders 152 so eingestellt, dass eine
betrachtete (weitere) Kombination von Schwellwert bewerteten Empfangssignalen (z4,
z3, z2, z1, z0) auf eine solche Kombination
von dekodierten bzw. rekonstruierten Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) abgebildet wird, die bei Vorliegen der betrachteten Kombination von
Schwellwert bewerteten Empfangssignalen mit der höchsten Wahrscheinlichkeit
durch den Signalkodierer 110 übertragen wurde.
Somit besteht durch die erfindungsgemäße redundante Raumcodierung
eine erhebliche Freiheit bei der Wahl der empfangsseitigen Vektorabbildung des Vektorabbilders
152 des Signaldecodierers 120. Der Signaldekodierer
120 ist in der Lage, mehr Zustände bzw. Signalkombinationen der Empfangssignale
(y4, y3, y2, y1, y0) bzw.
der Schwellwert-bewerteten Empfangssignale (z4, z3, z2,
z1, z0) zu unterscheiden als bei einer störungsfreien
bzw. einer (rauschfreien) Übertragung tatsächlich auftreten. Die zusätzlichen
Kombinationen, die bei einer rauschfreien Übertragung nicht auftreten, können
durch eine geeignete Vektorabbildung so auf decodierte bzw. rekonstruierte Kombinationen
von Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) abgebildet werden, dass eine maximale Zuverlässigkeit der decodierten
bzw. rekonstruierten Informationsbits (b^3, b^2, b^1, b^0) auch bei Vorliegen von Störungen (beispielsweise von Rauschen)
bei der Übertragung gewährleistet werden kann.
Die anhand der 5 gezeigte Empfangstabelle
520 beschreibt dabei eine besonders vorteilhafte Zuordnung von Schwellwert
bewerteten Empfangssignalen (z4, z3, z2, z1,
z0) auf decodierte bzw. rekonstruierte Kombinationen von Informationsbits
(b^3, b^2, b^1, b^0). Die durch die Empfangstabelle 520 beschriebene Abbildungsvorschrift
für den Vektorabbilder 152 des Signaldecodierers 120 ist
besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Anordnung der Leitungen
130_0, 130_1, 130_2, 130_3, 130_4,
wie sie beispielsweise mit Bezug auf die 1,
2 und 3 beschrieben
wurde.
Im Folgenden wird das Prinzip der redundanten Raumcodierung noch einmal
allgemein anhand der 6 beschrieben. 6 zeigt eine
schematisch Darstellung eines digitalen Übertragungssystems. Das Übertragungssystem
gemäß der 6 ist in seiner Gesamtheit mit 600
bezeichnet. Ein (optionaler) Seriell/Parallel-Wandler 620 empfängt
einen Bitstrom 610, beispielsweise von einer Kanalcodierung. Bei dem Bitstrom
610 kann es sich beispielsweise um einen seriellen Bitstrom handeln, der
beispielsweise innerhalb einer Zeiteinheit bzw. innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls
B Bits (c1, c2, ..., cB) (auch als zu sendende
Informationsbits bezeichnet) umfasst. Ein Seriell/Parallel-Wandler 620
empfängt den Bitstrom 610 und wandelt diesen in N Sätze
622_1, 622_2, ..., 622_N von einem oder mehreren Bits
um. Ein i-ter Satz 622_i umfasst dabei bi Bits. Die Schaltungsanordnung
600 umfasst ferner N Einzel-Signalabbilder 626_1, 626_2,
... 626_N. Ein i-ter Einzel-Signalabbilder 626_i empfängt
dabei den i-ten Satz 622_i von bi Bits und bildet die bi
Bits auf ein Einzel-Modulationssymbol xi ab. In anderen
Worten, das i-te Einzel-Modulationssymbol xi basiert auf den bi
Bits des i-ten Satzes 622_i von Bits. Ein Einzel-Modulationssymbol xi
kann dabei typischerweise
verschiedene Werte annehmen. Das Einzel-Modulationssymbol xi kann im
Übrigen entweder verschiedene reelle Werte oder auch ein oder mehrere verschiedene
komplexe Werte annehmen. Im Übrigen sei darauf hingewiesen, dass das Einzel-Modulationssymbol
xi ausschließlich von den bi Bits des i-ten Satzes
622_i von Informationsbits, nicht aber von den übrigen B-bi
Informationsbits abhängig ist. Die Einzelsignalabbilder 626_i sind
nämlich ausgelegt, um die entsprechenden Einzel-Modulationssymbole xi
unabhängig voneinander zu erzeugen.
Somit entsteht pro Zeiteinheit, während der der Schaltungsanordnung
600 B Bits zugeführt werden, eine Kombination von N Einzelmodulationssymbolen
x1, x2, ..., xN. Die verschiedenen möglichen
Kombinationen der Einzelmodulationssymbole x1, x2, ..., xN
entstammen dabei einem Modulationsalphabet M. Anders ausgedrückt:
[x1, x2, xN)T ∊ M.
Das Modulationsalphabet M umfasst typischerweise 2B verschiedene
Kombinationen von Einzel-Modulationssymbolen, die durch die Einzel-Signalabbilder
626_i den B Bits (bzw. den durch die B Bits insgesamt darstellbaren 2B
Kombinationen von Informationsbits) in ein-eindeutiger Weise zugeordnet sind.
Die Kombinationen von Einzelmodulationssymbolen von x1,
x2, ..., xN werden über einen effektiven MIMO-Kanal
630 übertragen, wie dies schon beschrieben wurde. Beispielsweise kann
der effektive MIMO-Kanal 630 einen Modulator umfassen, der innerhalb eines
Zeitintervalls N verschiedene Einzelmodulationssymbole x1, x2,
..., xN empfängt, und basierend darauf ein moduliertes Signal erzeugt.
An den Ausgängen des effektiven MIMO-Kanals 630 liegen basierend darauf
beispielsweise M verschiedene Einzel-Empfangssignale y1, y2,
..., yM an. Bei den einzelnen Empfangssignalen y1, y2,
..., yM handelt es sich typischerweise um analoge Signale. Die Schaltungsanordnung
600 umfasst aus diesem Grunde einen Bank 640 von Analog/Digital-Wandlern
640_1, 640_2, ..., 640_M. Ein i-ter Analog/Digitalwandler
640_i empfängt das i-te Empfangssignal yi und erzeugt basierend
darauf einen i-ten quantisierten Empfangswert zi. Der i-te quantisierte
Empfangswert zi umfasst ri Bits. Die M Analog/Digital-Wandler
640_1, 640_2, ..., 640_M arbeiten im Übrigen im
Wesentlichen (also im Hinblick auf die Verarbeitung von Empfangssignalen yi)
unabhängig voneinander. Jeder der M quantisierten Empfangswerte zi
ist somit genau einem Empfangswert yi zugeordnet.
6B zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen
digitalen Übertragungssystems unter Verwendung einer digitalen Modulation und
Demodulation, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Schaltungsanordnung gemäß der 6B ist
in ihrer Gesamtheit mit 650 bezeichnet. Das Datenübertragungssystem
650 gemäß der 6b ist ausgelegt,
um einen Bitstrom 660 beispielsweise von der Kanalcodierung zu empfangen.
Pro Zeiteinheit bzw. pro Kanalbenutzung empfängt ein (optionaler) Seriell/Parallel-Wandler
670 B' Bits bzw. zu sendende Informationsbits (c1, c2,
..., cB'). Der Seriell/Parallel-Wandler gibt somit pro Zeiteinheit pro
Kanalbenutzung die B' Bits in einer parallelen Form als Bits c1, c2,
..., cB' aus. Ein Vektorsignalraumabbilder 680 empfängt
die B' Bits c1, c2, ..., cB' parallel und erzeugt
durch eine vektorielle bzw. verknüpfende Signalraumabbildung N Einzel-Modulationssymbole
x1, x2, ..., xN. D