CN1151670A

CN1151670A - 蜂窝网上数据传输的回波抵消方法和装置

Info

Publication number: CN1151670A
Application number: CN96113075.XA
Authority: CN
Inventors: 威廉·刘易斯·贝茨; 拉蒙·B·黑曾; 罗伯特·厄尔·斯科特
Original assignee: Paradyne Corp
Current assignee: Paradyne Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-28
Publication date: 1997-06-11
Also published as: US5828657A; EP0766412A3; EP0766412A2; JPH09130315A; TW411681B; CA2186405A1

Abstract

一个远端调制解调器在近端调制解调器正在调整它的回波抵消器期间发射一个“导频音”。相应地，近端调制解调器被修改为陷波或滤波器，以便从所接收的信号中滤除导频音。然后，近端调制解调器利用经过滤波的接收信号调整它的回波抵消器。

Description

蜂窝网上数据传输的回波抵消方法和装置

本发明涉及数据通信设备，例如调制解调器，特别是涉及回波抵消调制解调器。

今天，居统治地位的北美蜂窝系统是模拟系统，有时被称作AMPS(先进移动电话业务)。相应的蜂窝式通信信道有时被称作“有损信道(impaired channel)”，这是因为它受到多种信道损耗-诸如瑞利衰减(Rayleigh fading)、信道间干扰等的影响，这些损耗增加了误码率，从而降低了移动连接的整体性能。这是与以加性白高斯噪声(AWGN)为主要损耗的路地-线路通信信道相反的。技术人员已经认识到在蜂窝环境中提高数据传输速率的一种办法是采用某种数据协议，该协议能够较好地适用于在数据连接的蜂窝部分中抵消蜂窝环境的影响。由AT&T Paradyne开发的“增强吞吐量型蜂窝网(Enhenced Throughput Cellular)”(ETC)是面向蜂窝协议的一个例子。

然而，甚至在采用面向蜂窝协议的情况下，蜂窝式信道中的损耗仍限制着蜂窝式信道上有效的数据速率。例如，保持9600比特/秒(bps)以上的可靠而连续的数据传输是很困难的。

尽管上面提到的损耗出现在蜂窝式信道中，我们已经发现在蜂窝式AMPS网络中的非线性正在影响着稳定地保持9600bps以上的蜂窝数据速率的能力。特别来讲，当蜂窝式调制解调器正在利用远端PSTN调制解调器实施调整时，蜂窝式AMPS网络使远端回波信号失真，蜂窝式调制解调器用该信号调整它的回波抵消器。我们估计远端回波信号的这个失真在大约40％的AMPS蜂窝式基础结构中出现。远端回波信号失真的来源是一些基站无线电台中的非线性压缩扩展器(compander)和调制解调器调整回波抵消器所采用的半双工方法。结果是没有能恰当地调整蜂窝式调制解调器的回波抵消器，从而导致残留回波信号(a redidual echo signal)存在。这种残留的回波信号把最大数据速率限制在9600bps(该蜂窝式数据速率经常被减小到7200bps)。如果没有这个残留的回波信号，蜂窝式调制解调器和PSTN调制解调器通常能达到14,400bps的数据速率(将来甚至会更高)。

因此，根据本发明，我们已经提出了减少残留回波信号的方法和装置，该回波信号是由调整期间远端回波信号的上述失真所引起的。特别地讲，在上述半双工调整阶段，远端调制解调器没有保持沉默，而是在近端点调整它的回波抵消器时向近端调制解调器发射一个导频音。这个导频音的信号电平足够高，足以使上述压缩扩展器达到其线性范围。结果是，本发明消除了由远端回波信号失真所引起的错误的调整，从而提供了可靠地把蜂窝式数据速率维持在大于9600bps的能力。

在本发明的实施例中，PSTN调制解调器在蜂窝式调制解调器调整它的回波抵消器期间发出一个“导频音”。这个导频音的信号电平足够高，足以使上述压缩扩展器达到其线性范围。蜂窝式调制解调器被修改为陷波或滤波器，从所接收的信号中输出该导频音。然后，蜂窝式调制解调器采用经过滤波的接收信号来调整它的回波抵消器。当两种调制解调器进入全双工模式时，因为上述压缩扩展器现在处于它将达到的线性范围，回波抵消器被恰当地调整为远端回波信号(far-end echo signal)(注：原文为far-echo signal，有误)。这样，抵消了残留的回波并且调制解调器能够达到其最高的数据速率。

图1是体现了本发明原理的移动数据通信系统的方框图；

图2表示一个调整序列的示意性部分；

图3是根据本发明的原理，在发端调制解调器中所用的示意性方法的流程图；

图4是根据本发明的原理，在应答调制解调器中所用的示意性方法的流程图；

图5表示了由本发明创新点所修改的调整序列的示意性部分；

图6是采用本发明原理的图1的蜂窝式调制解调器100的一部分的示意性方框图；

图7是采用本发明原理的图1的PSTN调制解调器300的一部分的示意性方框图；

图8至10表示了当蜂窝式调制解调器是“应答”调制解调器时的本发明创新点。

除了本发明的创新点之外，图1中部件的作用与从前的技术相同，这里不详细描述了。图1表示移动数据通信系统的方框图，它包括体现本发明创新点的蜂窝式调制解调器100。如图所示，蜂窝式调制解调器100被连接到移动电话140，用来通过小区基站收发信机255、有损信道200、移动电信交换中心(MTSO)250和PSTN340把数据信号发射到PSTN调制解调器300并从PSTN调制解调器300接收数据信号。蜂窝式调制解调器100和PSTN调制解调器300也都被连接到各自的数据终端设备(DTE)10和30。

在描述创新点之前，下面简单概述图1所示的移动数据通信系统一旦建立了数据连接，即已经完成了调整后的工作过程。来自DTE10的数据信号经由线路11被加到蜂窝式调制解调器100上，用来传输到PSTN调制解调器300。线路11代表信令、电子线路以及电缆，以符合类似于EIA RS-232的DTE/DCE(数据通信设备)接口标准。蜂窝式调制解调器100通常利用已知的技术把该数据信号调制为正交调幅(QAM)信号，并通过线路133提供给移动电话140。尽管本创新点不需要，我们还是假定这个例子的目标是调制解调信号与国际电信联合会(ITU)标准V.32bis兼容。移动电话140进一步把这个发射信号调制到预定的蜂窝式载频上，从而向天线141提供一个蜂窝式数据信号。小区基站(cell site)收发信机255通过天线251接收蜂窝式数据信号，并把接收到的调制解调信号提供给MTSO250，经过公共交换电话网络340传输给由PSTN调制解调器300和DTE30所代表的远端数据结点。理想情况是，由DTE30从PSTN调制解调器300所接收的数据信号和由DTE10提供给蜂窝式调制解调器100的数据信号相同。数据信号的反向传输，即由DTE30至DTE10，以相同方式出现。

但是，正如技术上已经知道的那样，在建立数据连接前，调制解调器完成一个标准信令序列，也被称作握手(hand-shaking)或调整(training)。这个信令决定了下列参数，诸如所采用的数据速率、调制方式以及调整(trains)或者设置(sets)，技术上被称作是回波抵消器和均衡器之类的滤波器的滤波器抽头系数值，用来抵消通信信道所引入的干扰和失真效应。正如技术上所知道的那样，回波抵消器的调整序列以半双工方式实现。回波抵消器的全双工调整尽管理论上是可能的，但在数据通信设备的设计时从性能价格比上看是不可行的。

由于诸如ITU V.32bis和ITU V.34之类不同的数据通信标准具有不同的调整序列，图2图解表示了由多个阶段组成的调整序列的广义表示法。我们假定蜂窝式调制解调器100是呼叫调制解调器，并且PSTN300调制解调器是应答调制解调器。如图2所示，在阶段“A”期间，调整序列最初是全双工的。后面跟着半双工的阶段“B”，并且B还被分成两部分：“B1”和“B2”。在阶段“B”的“B1”部分，当蜂窝式调制解调器100静默时，被呼叫的调制解调器--PSTN调制解调器300发出一个信号，调整PSTN调制解调器300的回波抵消器。然后，在阶段“B”的“B2”部分，当远端PSTN调制解调器静默时，呼叫调制解调器--蜂窝式调制解调器100发出一个信号，调整蜂窝式调制解调器100的回波抵消器。为了完成图2的描述，在半双工调整阶段“B”之后，两个调制解调器都进入随后的全双工调整阶段“C”，阶段“C”后面跟着的“数据(DATA)”阶段实际上是在两个调制解调器间进行数据通信。

在阶段“B”的相应的半双工调整部分，每一个调制解调器利用返回的远端回波信号来调整其回波抵消器的抽头系数。正如技术上所知道的那样，远端回波信号是PSTN内一系列4线到2线信号变换的结果。(应该注意到：调整期间，其它部件也被调整了，如均衡器系数等。但是，考虑到举这个例子的目的，这里仅描述了回波抵消器调整。)

在蜂窝式网络中，基站无线电台-小区基站收发信机255实现音频处理。音频处理阶段之一是压缩扩展器(图中未表示)。该压缩扩展器在给定的信号范围内是线性的。遗憾的是，我们已经发现在半双工调整阶段期间，一些压缩扩展器在返回的远端回波信号的信号范围内不是线性的。结果是，这个压缩扩展器的非线性导致了调整蜂窝式调制解调器的回波抵消器到一个失真的远端回波信号。但是，当蜂窝式调制解调器随后进入全双工模式，即：既向PSTN调制解调器发射信号，也从它那里接收信号时，通过小区基站收发信机255的接收信号电平使压缩扩展器工作在自身的线性范围内。压缩扩展器工作状态的这一改变导致了回波路径上的增益改变，从而使回波抵消器的性能降低，导致蜂窝式调制解调器中存在很大的“残留回波”。换句话说，存在回波抵消的衰减。该残留回波信号把最大蜂窝数据速率限制在9600bps以内(这个蜂窝数据速率通常被降低到7200bps)。如果没有该残留回波信号，蜂窝式调制解调器和PSTN调制解调器通常能达到14,400bps的数据传输速率(将来甚至会更高)。

这一问题能够由在蜂窝式数据连接的PSTN一侧的具有4线接口的调制解调器来解决。例如，一个带有蜂窝式调制解调器组合(a cellularmodem pool)和被安装在客户位置的“mu-law”调制解调器组合的蜂窝式网络可以解决这个问题。遗憾的是，大量的蜂窝网用户在不远的将来仍将使用2线PSTN调制解调器进行呼叫。另外，在数据传输期间通过允许回波抵消器的连续适应也能够解决这个问题。但是，这个适应过程可能会较慢。的确，上面提到的Flanagan等的悬而未决的专利申请为在半双工调整之后快速地适应回波抵消器的系数提供了一种解决方案。遗憾的是，某些调制解调器(以蜂窝式调制解调器100为代表)仅仅适合于在调整序列期间来节省硬件要求，例如存储器，从而降低数据通信设备的造价。

因此，根据本发明，我们已经提出了用来减少残留回波信号的方法和装置，该回波信号由网络压缩扩展器的线性工作模式和非线性工作模式间的上述切换所引起。特别是在蜂窝式调制解调器正在调整它的回波抵消器期间，在上述半双工调整阶段，PSTN调制解调器不保持静默，代之以向蜂窝式调制解调器发射导频音。这个信号电平足够高的导频音使上述压缩扩展器达到它的线性范围。结果是，本发明消除了由远端回波信号的失真所引起的错误的调整，从而提供了可靠地把蜂窝式数据速率维持在大于9600bps的能力。

为了便于对本发明创新点的理解，现在应参考图3和图4，这两张图分别表示了用于发端调制解调器和应答调制解调器中的示意性的方法。为了描述起见，蜂窝式调制解调器100示意性地是发端调制解调器，PSTN调制解调器300示意性地是应答调制解调器。为了简化起见，没有表示拨号步骤(在蜂窝式调制解调器100处)和应答步骤(由PSTN调制解调器300完成)。

首先，注意力应该集中到图3。在步骤705，蜂窝式调制解调器100进入调整阶段，例如，如图2所表示的阶段“A”。在调整阶段“A”之后，蜂窝式调制解调器100在步骤710进入半双工调整阶段“B”。在这个阶段，蜂窝式调制解调器100在“B1”部分是静默的，由步骤715来表示。在“B1”部分以后，蜂窝式调制解调器100进入阶段“B2”，调整其自身的回波抵消器。根据本发明创新点，在阶段“B2”，蜂窝式调制解调器100首先在步骤720对接收信号进行滤波，以滤除由远端PSTN调制解调器300(在下面描述)发射的导频音。然后，蜂窝式调制解调器100在步骤725根据滤波后的接收信号调整它的回波抵消器。在半双工调整步骤“B2”之后，蜂窝式调制解调器100在步骤730进入全双工调整阶段“C”。调整阶段“C”完成之后，在步骤735蜂窝式调制解调器100进入“数据”阶段。

现在转入图4，图4示意性地表示了PSTN调制解调器300-应答调制解调器的相应步骤。在步骤805，PSTN调制解调器300进入调整阶段，例如图2所示的阶段“A”。在调整阶段“A”之后，在步骤810，PSTN调制解调器300进入半双工调整阶段“B”。在“B1”部分，在步骤815，PSTN调制解调器300调整其自身的回波抵消器。在“B1”部分以后，PSTN调制解调器300进入阶段“B2”。与过去的技术一样，PSTN在阶段“B2”不是静默的。相反，在步骤820，PSTN调制解调器300向蜂窝式调制解调器100发射一个导频音。例如，对于半双工调整阶段“B2”的持续期，这个导频音示意性地可能处于300Hz，-20dBm。在半双工调整部分“B2”之后，PSTN调制解调器300停止发射导频音，并在步骤825进入全双工调整阶段“C”。在全双工调整阶段“C”完成之后，在步骤830，PSTN调制解调器300进入“数据”阶段。

图5表示了图3和图4所示的方法对代表的调整序列的影响。尤其是，调整阶段“B2”不再是半双工的，而是全双工的。但是，为了避免回波抵消器的全双工调整所带来的上述复杂性，蜂窝式调制解调器100在调整自己的回波抵消器之前从所接收的信号中滤除了导频音。作为上面作法的结果，如果小区基站收发信机255的压缩扩展器(图中未表示)具有上面提到的非线性，那么通过PSTN调制解调器300的导频音的传输使压缩扩展器进入它自己的线性工作范围。这导致了蜂窝式调制解调器100中回波抵消器的适当调整，以致一旦开始全双工传输，在回波路径上就没有增益改变。

图6和图7分别表示的蜂窝式调制解调器100和PSTN调制解调器300是本发明的示意性的实施例。除了本发明的创新点以外，各种部件的工作原理都是众所周知的。

如图6所示，由DTE10把二进制输入数据序列{x_k}提供给线路11上的蜂窝式调制解调器100。这个输入数据序列由发射机605来处理，形成近端发射信号ns(t)。示意性地，近端发射信号ns(t)代表正交调幅(QAM)信号。近端发射信号ns(t)由混合器610经过线路133提供给移动电话140。(应该注意到，在调整期间，二进制输入序列由蜂窝式调制解调器100用已知的技术方法产生。为简化起见，图中没有表示出这个二进制数据序列的替代源)。

发射机605处于CPU和存储器630的控制下，它们是基于中央处理单元的微处理器和用来存储程序数据的相关存储器。假定发射机605包括编码器、整形滤波器、数/模变换器等，用来处理并调制线路11上的输入数据序列，以提供线路606上的QAM信号ns(t)。作为输入数据序列的这种处理的一部分，发射机605把输入数据序列表示为以每秒1/T符号的标准速率传输的复数值符号序列{a_n}。(这种处理可能还包括加密、冗余和其它的编码形式)。正如从图3中所能看到的，这个输入数据序列也被远端回波抵消器650所采用(下面描述)。为简化起见，图中没有表示本地回波抵消器。

现在转向其它方向的通信，从远端调制解调器例如PSTN调制解调器300发射的模拟线路信号fs(t)，被混合器610接收并流向带通滤波器(BPF)620。这个信号被看作是“远端数据信号”并且使用与发射信号ns(t)同样的频带，即蜂窝式调制解调器100是全双工调制解调器。带通滤波器620从远端数据信号中把信号通带以外的能量滤除，然后，远端数据信号由模/数(A/D)变换器625变换成数字形式，构成接收信号rs(t)。

到达带通滤波器620输入端的信号fs(t)被所谓的回波信号所掺杂。在通信系统中，回波信号通常是在每一次4-2线的转换时引入的。

远端回波信号包括来自蜂窝式调制解调器100的发射信号能量，该信号能量最初向PSTN调制解调器300发射，然而，例如，作为PSTN340内2-4线转换时阻抗不匹配的结果，该信号能量被反射回蜂窝式调制解调器100。从而由A/D变换器625产生的接收信号rs(t)不仅包含由PSTN调制解调器300所发射的远端数据信号能量，还包含来自远端回波信号的能量。

根据本发明的原理，接收信号rs(t)被加到开关640上。后者处于中央处理单元CPU和存储器630的控制之下。在调整阶段“B2”期间，接收信号rs(t)包括上面描述的导频音。因此，在图3的上述步骤720，中央处理单元CPU和存储器630将接收信号rs(t)经由开关640加到陷波滤波器615上。陷波滤波器615是技术上已知的那种简单陷波滤波器，它被设计用来从接收信号rs(t)中滤除上述导频音。结果是，远端回波抵消器650不接收导频音，并且仅调整出现在接收信号rs(t)中的远端回波信号。在调整了远端回波抵消器650之后，在图3中的步骤725，中央处理单元CPU和存储器630控制开关640把陷波滤波器615从接收信号路径上断开，并把接收信号rs(t)直接加到远端回波抵消器650上。

现在来看图7，它表示了体现本发明原理的PSTN调制解调器300的示意性的方框图。由DTE30把二进制输入数据序列x_k提供给线路31上的PSTN调制解调器300。由发射机305处理这个输入数据序列，并构成近端发射信号ns(t)。示意性地，近端发射信号ns(t)代表正交调幅(QAM)信号。由混合器310把近端发射信号ns(t)经由线路311提供给PSTN340。(应该注意到，在调整期间，二进制输入序列由PSTN调制解调器300用已知的技术方法产生。为简化起见，图中没有表示出这个二进制序列的替代源)。

发射机305处于CPU和存储器330的控制下，它们是基于中央处理单元的微处理器和用来存储程序数据的相关存储器。假定发射机305包括编码器、整形滤波器、数/模变换器等，用来处理并调制线路31上的输入数据序列，以提供线路306上的QAM信号ns(t)。作为输入数据序列的这种处理的一部分，发射机305把输入数据序列表示为以每秒1/T符号的标准速率传输的复数值符号序列{a_n}。(这种处理可能还包括加密、冗余和其它的编码形式)。

根据本发明的原理，PSTN调制解调器300包括一种用来产生上述导频音的装置，即导频音发生器315和开关370。在调整阶段“B2”，PSTN调制解调器300向蜂窝式调制解调器100发射这个导频音。特别地讲，在上述步骤820期间，中央处理单元CPU和存储器330经由线路382控制开关370，把用于传输的导频音加到蜂窝式调制解调器100。调整阶段“B2”结束后，中央处理单元CPU和存储器330控制开关370，把发射机305的输出信号加到混合器310。结果是，与过去的技术相同，PSTN调制解调器300在调整信号的半双工部分期间不是静默的。

应该注意到，尽管为了描述起见，图6和图7中表示了一个示意性的开关，但是技术人员应该认识到：在数字信号处理器(图中未表示)中对响应算法的修正应该是等效的。例如，在图7中，发射机305代表一个被编程用来产生相应的握手信号的数字信号处理器。结果是，为了实现本发明的创新点，简单地对发射机305重新编程以在调整阶段“B2”产生上述导频音。进一步讲，应该注意到，尽管在上下文中以被呼叫或应答、产生导频音的调制解调器来描述本发明，本发明的创新点还适用于向应答调制解调器产生导频音的呼叫或者发端调制解调器，现在应答调制解调器滤除了导频音以调整它的回波抵消器。图8-图10就表示了这种情况。

上文仅图解表示了本发明的原理，应该懂得，技术人员将能够设计多种体现本发明的原理并且在本发明的主旨和范围内的替代装置，尽管这里不明确地描述这些替代装置。

例如，尽管这里以具体的功能结构模块，例如回波抵消器等来实现对本发明的图解说明，但是那些结构模块的任意一种和多种功能都能通过采用一个或多个恰当的可编程处理器，如数字信号处理器来实现。

另外，尽管在上下文里以蜂窝式数据连接来描述本发明的创新点，但本发明还适用于PSTN网络。再者，尽管在上下文里采用导频音来描述本发明，但也可以采用其它的信号，只要该信号能够使上述压缩扩展器进入线性工作范围，并且接收机在调整自身的回波抵消器之前能够恰当地抵消这个信号。技术人员应该认识到，尽管在上下文中表示了一个混合器，一些蜂窝式调制解调器具有连接到蜂窝式收发信机的4线接口。另外，应该认识到上述发明创新点可以通过采用众所周知的“AT命令集”由用户来有选择地实现。

Claims

1.数据通信设备包括：

发射机线路，将调整序列和一个反向数据通信设备进行通信，以建立数据连接；

其特征是：发射机线路在调整序列部分产生一个信号，在调整序列中的反向数据通信设备调整它的回波抵消器。

2.数据通信设备装置包括：

在调整序列的回波抵消器的调整阶段里，采用远端数据通信设备进行调整的回波抵消器；以及

一种在回波抵消器调整阶段对接收到的信号进行滤波的滤波器，以滤除在将所接收的信号应用到回波抵消器之前由远端数据通信设备发射的信号，以便根据回波信号成份来调整回波抵消器。

3.权利要求2的装置包括发射机电路，它在半双工调整阶段发射一个调整信号，作为回波信号源。

4.权利要求2的装置，其特征是：滤波器滤除由远端数据通信设备发射的音频信号。

5.一种用来在数据连接的调整序列期间调整回波抵消器的方法，该方法包括下列步骤：

向远端数据通信设备发射一个调整信号；

接收包括调整信号的回波信号和由远端通信设备发出的导频信号的一个信号；

对所接收的信号进行滤波以滤除导频信号，产生滤波后的信号；

根据已滤波的信号调整回波抵消器。

6.权利要求5的方法，其特征是：导频信号是音频信号。

7.一种用来在数据连接的调整序列期间调整回波抵消器的方法，该方法包括下列步骤：

和一个反向的数据通信设备完成握手和调整序列，包括在握手和调整序列部分发射导频信号的步骤，在该步骤里相反的数据通信设备调整它的回波抵消器；并且

在完成上述步骤之后，在数据连接的数据阶段进行数据通信。

8.权利要求7的方法，其特征是：导频信号是音频信号。