CN101065907B

CN101065907B - 回波消除系统及方法

Info

Publication number: CN101065907B
Application number: CN2005800408490A
Authority: CN
Inventors: 艾伯特·兰帕鲍特; 蔡露静; 埃胡德·朗博格
Original assignee: Ikanos Communications Inc
Current assignee: Yi Kanuosi communication common carrier
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: EP1817847B8; WO2006057683A3; EP1817847B1; EP1817847A4; CN101065907A; WO2006057683A2; US7400693B2; US20060114976A1; EP1817847A2

Abstract

公开了一种用于回波消除的实用型低复杂度的系统及方法。具体地，该系统和方法适于使用U0频带的多载波VDSL。本文中给出的技术可以在VDSL和VDSL2系统中实现，并用于同步接收三个频带(例如，U0、U1和U2)中的信号。

Description

回波消除系统及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求授权给Langberg等人的名称为“回波消除系统及方法”的美国临时专利申请No.60/631,140的优先权，其公开全部以引用方式包含在本文的内容中。

本申请涉及下列专利和申请：授权给Langberg等人的名称为“System and Method for Echo Cancellation Over Asymmetric Spectra(非对称频谱中回波消除系统及方法)”的美国专利No.6,421,377、授权给Karkas等人的名称为“Method and System for Implementing a Reduced Complexity Dual Rate Echo Canceller(实现复杂度降低的双重速率回波消除器的方法及系统)”的美国专利申请No.10/020,172、授权给Sang等人的名称为“Method andSystem for Implementing Weighted Vector Error Canceller(实现加权向量误差回波消除器的方法及系统)”的美国专利申请No.10/020,135、授权给Halder等人的名称为“Method and System for Implementing a Reduced Complexity Dual Rate Echo Canceller(实现复杂度降低的双重速率回波消除器的系统及方法)”的美国专利申请No.10/020,134、以及授权给Graziano等人的名称为“Method and System for Varying an Echo Canceller Filter Length Based on Data Rate(基于数据速率改变回波消除器滤波器长度的方法和系统)”的美国专利申请No.10/050,128。以上专利和申请的公开以引用方式清楚地包含在本文的内容中。

技术领域

本发明大体涉及回波消除(echo cancellation)的低成本系统及方法。更具体地，本发明涉及适于在采用例如国际电信联盟U0频带的多载波超高数据速率数字用户线路系统中使用的回波消除。

背景技术

甚高数据速率数字用户线路(Very-High-Data-Rate Digital Subscriber Line，VDSL)是一种双向数据传输技术。上行流(upstream)和下行流(downstream)信号的正交性一般有助于屏蔽回波。然而，当使用U0频带(例如，25kHz-138kHz)进行数据传输以提高较长环路中的速率性能时，下行流和上行流的正交性难于得到维持。因此，上行流的回波通常在用户端产生干扰下行流。进一步地，VDSL上行流和下行流通常采用非常宽频的带宽。在这样的高带宽环境中的回波消除通常计算起来代价昂贵。

国际电信联盟在名称为ITU-T G.993.2的文件中规定了超高数据速率数字用户线2标准(VDSL2)。尽管这个标准允许同时接收U0、U1和U2频带，但是其并没有给出如何实际实现这种接收的技术细节。

发明内容

其中简单描述的一个实施方案是用于消除回波的系统。所述系统包括：发送器，其配置成在从由第一频带和第二频带组成的一组频带中所选择的至少一个频带上发送第一信号；第一通路，其配置成在U0频带上接收第二信号；第二通路，其配置成在由U1频带和U2频带组成的一组频带中所选择的一个频带上接收第三信号，其中，所述发送器能在所述第一通路接收所述第二信号以及所述第二通路接收所述第三信号的同时发送所述第一信号，并且其中所述第一通路和所述第二通路设置成允许所述第二信号的同步基本上独立于所述第三信号的同步；以及回波消除器，其配置成消除至少所述第二信号上的回波。

另一实施方案是用于消除回波的方法。所述方法包括：在从由第一频带和第二频带组成的一组频带中所选择的至少一个频带上发送第一信号；在U0频带上接收第二信号；在从由U1频带和U2频带组成的一组频带中所选择的一个频带上接收第三信号，其中，发送所述第一信号的所述步骤与接收所述第二信号的所述步骤以及接收所述第三信号的所述步骤同时进行；以及消除至少所述第二信号上的回波；将所述第二信号与发送器同步；以及将所述第三信号与发送器同步，其中同步所述第二信号的所述步骤基本上独立于同步所述第三信号的所述步骤。

另一实施方案是用于消除数字用户线中的回波的系统。该系统包括：快速傅立叶反变换部分，其被配置成在至少一个频带上接收信号；循环扩展产生器，可操作地连接至所述快速傅立叶反变换部分，并被配置成将发送信号传送至所述数字用户线；信道，连接至所述数字用户线，并被配置成同时在第一频带上接收第一信号、在第二频带上接收第二信号以及在第三频带上接收第三信号，其中，所述第一频带、所述第二频带以及所述第三频带实质上不相交；第一下采样器，可操作地连接至所述信道，并被配置成产生至少所述第一频带的第一下采样信号；第二下采样器，其被配置成接收基于所述发送信号的一信号；回波消除器，可操作地连接至所述第二下采样器，并被配置成产生参考信号；减法器，其被配置成从所述第一下采样信号中减去所述参考信号，并且产生误差信号，其中，所述误差信号至少部分地控制所述回波消除器；以及均衡器，其被配置成接受基于所述误差信号的一信号；从而，所述第一频带与所述第二频带和所述第三频带分离地被处理。

再一实施方案是消除数字用户线中的回波的方法。所述方法包括：将至少一个频带上的信号从频域转换为时域，以产生时域信号；将循环扩展添加至所述时域信号，以产生具有循环扩展的时域信号；在所述数字用户线上传送所述具有循环扩展的时域信号；在所述数字用户线之上，并且实质上同时地，在第一频带上接收第一信号、在第二频带上接收第二信号以及在第三频带上接收第三信号，其中，所述第一频带、所述第二频带以及所述第三频带实质上不相交；对至少所述第一信号进行下采样，以产生第一下采样信号；对基于所述具有循环扩展的时域信号的信号进行下采样，以产生第二下采样信号；将基于所述第二下采样信号的信号传送至回波消除器，以产生参考信号；从所述第一下采样信号中减去所述参考信号，以产生误差信号，其中，所述误差信号至少部分地控制所述回波消除器；以及使基于所述误差信号的信号均衡；从而，与所述第二频带和第三频带分离地处理所述第一频带。

附图说明

通过结合附加附图进行的下列详细描述，本发明的目的和优势对于本领域的普通技术人员而言将会显而易见。

图1是本发明的实施例的示意图；以及

图2是具有用于U0频带的单独通路的本发明实施例的示意图。

具体实施方式

下列说明旨在通过提供包括回波消除的具体实施例和细节，来表达对于本发明的理解。然而，应该理解，本发明并不限于这些具体的实施例和细节，其仅仅是示例性的。应进一步理解，根据已知的系统和方法，本领域的普通技术人员应根据具体的设计和其他需要，理解在任何数量的可选实施例中使用本发明的预期目的以及益处。

图1示出了本发明的实施例的示意图。f1表示快速傅立叶反变换(IFFT)模块101的输出采样频率。该输出采样频率是覆盖两倍可用带宽的尼奎斯特频率。对于VDSL系统，f1是非常高的，其通常高于16MHz。在标准中定义U0的最大带宽为138kHz或276kHz。f0表示该U0带宽的尼奎斯特频率。f1与f0的比值非常的高。为了消除仅由U0引起的干扰，消除f0上的回波就足够了。与传统技术相比，仅消除f0上的回波降低了复杂度，并保持了回波消除最终结果(echo cancellation net results)。在传输信道120上携带发送信号。发送信号来自IFFT模块101的输出，并具有由循环扩展模块102添加的循环扩展(cyclic extension)，该发送信号用作回波消除器的参考信号。该参考信号在下采样器(downsampler)模块103中下采样至f0，以形成回波消除器模块104的输入。截止频率为f0/2的低通滤波器位于下采样模块103中。优选地，该低通滤波器在其抑止频带(stopband)具有非常强的抑制能力。

回波消除器模块104具有系数可由误差信号自适应调节的有限脉冲响应(FIR)结构。作为非限制性实施例，这样的自适应系数调节技术包括：递推最小二乘方(RLS)、加权递推最小二乘方(RWLS)、最小均方(LMS)、归一化最小均方(NLMS)以及卡尔曼滤波。

回波消除器模块104的输出馈送至上采样模块105，并转换为接收采样频率f2。该信号被看作是估计的回波，并在减法器模块107处从在接收信道140上携带的接收信号中减去该信号。在减法器107处减去后，该信号作为无回波的接收信号，经由去循环(de-cyclic)扩展模块108馈送至快速傅立叶变换(FFT)模块109。

结合回波消除器模块104使用反馈机制。为了自适应地调节回波消除器模块104的系数，通过在下采样模块106处对减法器模块107的输出下采样来产生误差信号，使得采样频率从f2变化至f0。可以和该误差信号一起使用包括但不限于上述(RLS、WRLS、LMS、NLMS、卡尔曼)的自适应算法，以在回波消除器模块104中更新FIR系数。

具有截止频率f0/2的低通滤波器应用在上采样模块105和下采样模块106中。优选地，上采样模块105、下采样模块106以及下采样模块103中的低通滤波器，采用具有类似频率响应的方式设计。具体而言，优选地，将上采样模块105中的低通滤波器和下采样模块106中的低通滤波器选择为相同的。如果f1等于f2，优选地，下采样模块103中的低通滤波器与上采样模块105和下采样模块106中的低通滤波器具有相同的频率响应。

在详细描述图2的实施例之前，依次解释关于U0频带和数字双工(digital duplexing)的一些词汇。

U0频带可以单独使用，也可以结合U1和/或U2频带一起使用。在长环路(long loop)中，U0频带避免了高频上相关的强损耗，这种强损耗会阻止U1和U2频带的使用。U0频带可以在这样的环路中用作唯一的接收频带。对于短环路和中等环路(medium loop)，U0频带在结合U1和/或U2频带一起使用时，提高了整体性能。总之，通常期望接收器能够使用U0频带。

数字双工是一种校准(align)接收信号和发送信号以维护其间正交性的技术。维护这样的正交性减少了误差并提高了信噪比。在实现频分双工(FDD)时，数字双工还允许较窄的保护频带，进而增加了可用带宽。(FDD是一种使用由保护频带隔开的不同频率进行传送和接收的技术。)然而，对于所有的信号和频带，数字双工并不一直是一种优选的方法。例如，实现数字双工通常包括将向信号添加循环扩展。该添加的循环扩展通常因为信号冗余而降低了信道容量。

利用相关低频信号的循环扩展还存在工程障碍。通常采用具有相对长的脉冲响应间隔的一个或多个低通滤波器，来处理相对低频的信号。通常，信道脉冲响应应该小于给定符号(given symbol)的循环扩展。某些频带通常可以具有大于相关循环扩展的脉冲响应。因此，循环扩展，以及因此的数字双工，并不能一直有效地用于所有的信号和频带。然而，应该注意，尽管在本段和其他地方列出了该项缺陷，但是数字双工和/或循环扩展仍可以用在本发明的实施例中。例如，图2的实施例在某个频带实现了数字双工和循环扩展。作为非限制性实施例，循环扩展和数字双工可以在U1和U2频带中实现。

因为U0频带位于非常低的频率处(例如，25KHz-138KHz或25KHz-276KHz)，与U1和U2频带的脉冲响应相比，该频带的脉冲响应通常相对较长。此外，在某些情况中，一般与U0频带相关的滤波器和环路的脉冲响应时间对于循环扩展而言太长，因而不能得到实施。结果，对于U0频带，数字双工通常是不可用的。本发明的实施例可以使用其他的技术来处理U0频带。如本文中参照图2所讨论，例如，可以采用回波消除器和TEQ，来在U0频带中解码和确保性能完整。在这样的配置中，即使并未使用U0频带，U1和U2频带也可以在数字双工模式中运行。

图2是本发明的实施例的示意图，该实施例设置成多频带发送器和接收器，适用于作为非限制性示例的VDSL和VDSL2。图2的实施例可以同步接收U0、U1和U2频带。在该实施例中，U0频带采用回波消除器和时域均衡器(TEQ)进行处理，而U1和U2频带采用数字双工进行处理。因此，图2的实施例将独立于U1和U2频带对U0频带进行处理。当图2的回波消除器实施例在传输带宽和接收带宽之间存在高比值的情况下实现时，其仍具有更优的性能，尽管其用途并不限于这样的情况。

在图2的实施例中，在传输信道220上携带发送信号。模块201将发送调制器表示为N1-point IFFT，其通常相应于，但并不必须相应于，非常大的带宽17.66MHz。作为非限制性实施例，N1可以是4096。大于N1的其他值也是可以的。循环扩展模块202添加循环扩展，以允许在U1和U2频带中进行数字双工，以及在U0频带中消除符号间干扰(ISI)。传输信道220携带所产生的信号(resulting signal)，以进行传输。

在图2的实施例中，在接收信道240上携带接收信号。接收信号分为两路：一路专用于处理U0频带，另一路专用于处理U1和U2频带。首先考虑专用于U0频带的通路，下采样模块205将接收信号从接收信号的采样频率F2下采样至更低的采样频率F0。例如，F2和F0的非限制性值分别为35.328MHz和276KHz。另一例中，F0的非限制性值为552KHz。下采样器205将下采样信号输出至减法器206。

减法器206还接收来自回波消除器模块204的输入。下采样模块203接收在传输信道220上传送的信号作为输入，将其从频率F1(作为非限制性实施例，与数模转换器相关的发送器采样频率为17.66MHz)下采样至频率F0，并将结果输出至回波消除器204。因此，回波消除器204使用下采样信号作为参考信号，该下采样信号基于出现在传输信道220上的信号。回波消除器204处理参考信号，并输出一个近似于不合需要的回波的信号至减法器206。减法器206从下采样器模块205的输出中减去近似的回波信号，并将产生的信号输出至TEQ 207。

TEQ 207均衡接收器，以消除低频下由环路的长脉冲响应产生的ISI。更具体地，TEQ缩短信道脉冲响应间隔，使得其可以容纳循环扩展。TEQ207的输出馈送到去循环扩展模块208，其除去循环扩展，并使U0频带符号边界与远处的发送器同步，进而消除了ISI。最后，N0-point FFT模块209接收来自去循环扩展模块208的信号，并处理该U0频带信号以便输出。作为非限制性实施例，对于将U0实现为25KHz-138KHz的系统，N0的数量可以是32，或者，对于在25KHz-276KHz实现U0的系统，N0的数量可以是64。

应该注意，对于处理U0频带，回波消除器204和TEQ 207运行在采样频率F0下，频率F0明显低于总发送信号速率(F1)和接收信号速率(F2)。在低采样频率下的运行显著地降低了接收器的复杂度。

在图2的实施例中，减法器206的输出用于反馈控制。更具体地，可以将减法器206的输出看作是误差信号，该误差信号控制与回波消除器204有关的参数。作为非限制性实施例，回波消除器可以包括自适应FIR滤波器，其系数由通过诸如RLS、WRLS、LMS、NLMS或卡尔曼滤波等技术处理的误差信号决定。

现在讨论图2的实施例中专用于处理U1和U2的接收通路。在从接收信道240分流后，将在F2处采样的接收信号处理为数字双工信号，并将其传送至低阶高通滤波器(HPF)210。HPF 210除去U0信号，从而防止其干扰数字双工U1和U2信号的解码。HPF 210馈送到去循环扩展模块211，该模块使U1和U2频带的符号边界与远处的发送器同步。HPF 210的输出用作N2-point FFT 212的输入。作为非限制性实施例，数量N2可以是4096。FFT 212处理U1和U2信号以便输出。

使用一个通路来处理U0频带并且使用另一通路来处理U1和U2频带，产生了几个优势。作为一个例子，分离通路降低了对于低通滤波器的需要。较少的低通滤波器意味着低廉的成本和复杂度。作为另一例子，分离通路允许支持U0频带的通路和支持U1和U2频带的通路之间存在差分延迟。在这些不同通路中实现不同延迟的能力，允许在传输和接收信道之间实现更有效的同步。较好的同步本身也获得了较好的性能。

通常，本发明的实施例具有下列优点。本文中的技术可以用于消除VDSL和VDSL2中的回波。现存技术缺少能够在实现VDSL或VDSL2标准的系统中有效消除回波的适当技术。本发明的某些实施例采用较少的低通滤波器，以及因此而具有比可替换技术更低的复杂度。因为回波消除结构运行于下采样信号中，所以本发明的某些实施例受益于比现有技术降低的计算复杂度。最终，本发明的某些实施例能够同时在三个频带(例如，U0、U1和U2)中传输。

本发明的实施例可以采用硬件、固件、软件或其组合来实现。可以使用标准的计算机硬件和/或软件编程技术。

如本文中所使用，术语“信道”是指信息的任何“传输方式(conduit)”。作为非限制性实施例，信道可以是分配在一组具体线缆上的具体带宽。注意，很多信道可以存在于单根线缆或一对线缆上。例如，图1的传输信道120和接收信道140可以都出现在相同的双绞线上。同样，在图2的实施例中，单独的一对双绞线可以携带传输信道220和接收信道240。

考虑本文中公开的本发明的说明书和实例，本发明的其他实施例、用途和优点对于本领域的技术人员而言显而易见。应该认为，说明书和附图仅用于示例，并且本发明的精神仅受到所附权利要求及其等价方案限制。

Claims

1.一种用于消除回波的系统，所述系统包括：

发送器，其配置成在从由第一频带和第二频带组成的一组频带中所选择的至少一个频带上发送第一信号；

第一通路，其配置成在U0频带上接收第二信号；

第二通路，其配置成在由U1频带和U2频带组成的一组频带中所选择的一个频带上接收第三信号，其中，所述发送器能在所述第一通路接收所述第二信号以及所述第二通路接收所述第三信号的同时发送所述第一信号，并且其中所述第一通路和所述第二通路设置成允许所述第二信号的同步基本上独立于所述第三信号的同步；以及

回波消除器，其配置成消除至少所述第二信号上的回波。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括下采样器，其配置成接收基于所述第一信号的信号，以及还配置成向所述回波消除器提供下采样信号。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括下采样器，其中，所述回波消除器被配置成接收基于由所述下采样器提供的第四信号的误差信号，其中，所述误差信号至少部分地控制与所述回波消除器相关的参数。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述回波消除器包括有限脉冲响应滤波器，并且与所述回波消除器相关的所述参数包括至少一个有限脉冲响应系数。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述误差信号是所述第四信号与所述回波消除器的输出之差。

6.根据权利要求3所述的系统，还包括减法器，其配置成接收所述第四信号，其中，所述误差信号基于所述减法器的输出。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括下采样器，其配置成接收所述第二信号，从而使所述系统与所述第三信号独立地处理所述第二信号。

8.一种用于消除回波的方法，所述方法包括：

在从由第一频带和第二频带组成的一组频带中所选择的至少一个频带上发送第一信号；

在U0频带上接收第二信号；

在从由U1频带和U2频带组成的一组频带中所选择的一个频带上接收第三信号，其中，发送所述第一信号的所述步骤与接收所述第二信号的所述步骤以及接收所述第三信号的所述步骤同时进行；以及

消除至少所述第二信号上的回波；

将所述第二信号与发送器同步；以及

将所述第三信号与发送器同步，其中同步所述第二信号的所述步骤基本上独立于同步所述第三信号的所述步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

对基于所述第一信号的信号进行下采样，以产生下采样信号；以及

消除所述下采样信号上的回波。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括：

对基于至少所述第二信号的一信号进行下采样，以产生第二下采样信号；以及

产生至少部分地基于所述第二下采样信号的误差信号，其中，所述消除步骤至少部分地由所述误差信号控制。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述误差信号至少部分地决定至少一个有限脉冲响应系数。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括：对基于所述第一信号的信号进行下采样，以产生第一下采样信号；以及消除所述第一下采样信号上的回波以产生回波消除器的输出信号，其中所述误差信号是所述第二下采样信号与所述回波消除器的输出信号之差。

13.根据权利要求10所述的方法，还包括：

将基于所述第二下采样信号的一信号提供给减法器，其中，所述误差信号基于所述减法器的输出。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括：

对所述第二信号进行下采样；以及

与所述第三信号独立地处理所述第二信号。

15.一种用于消除数字用户线中的回波的系统，该系统包括：

快速傅立叶反变换部分，其被配置成在至少一个频带上接收信号；

循环扩展产生器，可操作地连接至所述快速傅立叶反变换部分，并被配置成将发送信号传送至所述数字用户线；

信道，连接至所述数字用户线，并被配置成同时在第一频带上接收第一信号、在第二频带上接收第二信号以及在第三频带上接收第三信号，其中，所述第一频带、所述第二频带以及所述第三频带实质上不相交；

第一下采样器，可操作地连接至所述信道，并被配置成产生至少所述第一频带的第一下采样信号；

第二下采样器，其被配置成接收基于所述发送信号的一信号；

回波消除器，可操作地连接至所述第二下采样器，并被配置成产生参考信号；

减法器，其被配置成从所述第一下采样信号中减去所述参考信号，并且产生误差信号，其中，所述误差信号至少部分地控制所述回波消除器；以及

均衡器，其被配置成接受基于所述误差信号的一信号；

从而，所述第一频带与所述第二频带和所述第三频带分离地被处理。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一频带包括U0，所述第二频带包括U1，以及所述第三频带包括U2。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述数字用户线包括VDSL线。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述数字用户线包括VDSL2线。

19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述回波消除器包括有限脉冲响应滤波器。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述误差信号通过确定至少一个有限脉冲响应系数，来至少部分地控制所述回波消除器。

21.根据权利要求15所述的系统，还包括：

第一去循环扩展逻辑部分，可操作地连接至所述均衡器，并配置成使所述第一信号与发送器同步；以及

第二去循环扩展逻辑部分，其被配置成接收基于所述第二信号和所述第三信号的一信号，并被配置成使所述第二信号和所述第三信号与所述发送器同步。

22.一种用于消除数字用户线中的回波的方法，所述方法包括：

将至少一个频带上的信号从频域转换为时域，以产生时域信号；

将循环扩展添加至所述时域信号，以产生具有循环扩展的时域信号；

在所述数字用户线上传送所述具有循环扩展的时域信号；

在所述数字用户线之上，并且实质上同时地，在第一频带上接收第一信号、在第二频带上接收第二信号以及在第三频带上接收第三信号，其中，所述第一频带、所述第二频带以及所述第三频带实质上不相交；

对至少所述第一信号进行下采样，以产生第一下采样信号；

对基于所述具有循环扩展的时域信号的信号进行下采样，以产生第二下采样信号；

将基于所述第二下采样信号的信号传送至回波消除器，以产生参考信号；

从所述第一下采样信号中减去所述参考信号，以产生误差信号，其中，所述误差信号至少部分地控制所述回波消除器；以及

使基于所述误差信号的信号均衡；

从而，与所述第二频带和第三频带分离地处理所述第一频带。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第一频带包括U0，所述第二频带包括U1，以及所述第三频带包括U2。

24.根据权利要求22所述的方法，其中，所述数字用户线包括VDSL线。

25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述数字用户线包括VDSL2线。

26.根据权利要求22所述的方法，其中，所述回波消除器包括有限脉冲响应滤波器。

27.根据权利要求26所述的方法，还包括：

利用所述误差信号来至少部分地控制所述回波消除器，其中，所述误差信号确定至少一个有限脉冲响应系数。

28.根据权利要求22所述的方法，还包括：

从所述第二信号以及从所述第三信号中除去循环扩展；以及

独立地从所述第一信号中除去循环扩展；

从而，独立于与发送器同步的所述第二信号和所述第三信号，使所述第一信号与所述发送器同步。