CN1138787A - 调制解调器接收机的预加重 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在发送和接收部都采用预加重的回波消除调制解调器。具体地说，这种调制解调器在对接收信号进行回波消除处理前先用一个预加重滤波器进行处理。接收预加重滤波器与发送预加重滤波器相同，也就是说在接收部所加的预加重处理与在发送部所加的预加重处理相同。

Description

调制解调器接收机的预加重

本发明涉及数据通信设备，如调制解调器。具体地说，本发明涉及回波消除调制解调器。

通常，在交换数据连接中，数据通信设备(如调制解调器)通过“本地环路”(如一对电话线)接到公共电话交换网(PSTN)的中央局。与所有的通信系统一样，特定的通信信道对从调制解调器发向中央局的发送信号起了某种程度的滤波作用。通信信道的这种滤波作用通常称为“信道响应”或“频率响应”。不幸的是，本地环路的信道响应一般不是平坦的，而是增益随频率的增大而减小的。换句话说，发送信号的较高频率分量要比较低频率分量受到更大的衰减。在低数据率的情况下，这个效应并不重要，因为发送信号的频谱没有显著的高频分量。然而，随着数据率的增大，这个效应就会使发送信号失真。具体地说，对于高速的数据信号本地环路的信道响应将使高速数据信号的频谱能量随频率增大而减小。因此，在本地环路的中央局端所接收到的高速数据信号在通信信道的频带边缘处受到了相当严重的衰减。

所以，如所周知采用了一种称为“发送预加重”的技术来改善高速数据通信系统的性能。在发送预加重处理中，数据信号在发送前先由一个滤波器加以整形，这个滤波器的频率响应正好与通信信道(如上述的本地环路)的信道响应完全相反。也就是说，发送预加重滤波器提升数据信号的高频分量而减小数据信号的低频分量，从而对于所得到的发送信号来说，保持总发送功率不变。这样，发送预加重滤波器就有效地消除了信道响应的影响，使得发送信号在到达本地环路的另一端时仍具有平坦频谱。这里所谓“平坦频谱”是指相应信号的频谱在预定带宽(如相应信道的标定带宽)内等于一个常数(如为1)，而没有明显滚降。发送预加重应与本地环路特性匹配，使得中央局接收到的信号具有平坦频谱。发送预加重技术包括发送预加重滤波器的响应固定不变的固定预加重和发送预加重滤波器的响应在每次数据连接时根据计算进行更新的自适应预加重。1991年4月16日颁发给Betts等人的美国专利No.5,008,903介绍了一种自适应发送预加重技术。

如上所述，发送预加重技术有效地消除了信道响应，使得在本地环路的中央局端接收到具有平坦频谱的数据信号。然而，中央局的设备并没有对从中央局发至调制解调器的发送信号进行预加重处理。因此，调制解调器接收到的是在频带边缘受到严重衰减的高速数据信号。所以，众所周知在调制解调器中使用了一个均衡器来补偿由于信道衰减而造成的在接收数据信号中出现的符号间干扰。这种由均衡器实现的补偿包括对接收数据信号进行的振幅校正。

在回波消除型高速调制解调器中，接收部除了其他一些部件外还有一个消除回波的回波消除器和一个上面所提到的均衡器。首先，回波消除器对接收数据信号进行处理，从接收数据信号中除去任何回波信号。不幸的是，由于接收数据信号在频带边缘受到了信道的衰减，因此回波消除器不能有效地除去在频带边缘处的远回波信号分量(假设信道噪声小于残余回波)。然后，接着对接收数据信号进行处理的均衡器力图在频带边缘处提升这经回波消除处理后的接收数据信号，以补偿信道衰减。由于经回波消除处理后的接收数据信号仍然含有处在频带边缘的残余远回波信号，因此这残余远回波信号也被均衡器提升。这实际上就造成了将“有色噪声”引入接收机的其他一些部件，从而限制了高速回波消除调制解调器的性能。

因此，本发明的发明者证识到，在高速回波消除调制解调器中，按照本发明通过在接收机中提供预加重处理，进一步改善性能是可能的。这也就是说，在调制解调器的接收部要加一个预加重滤波器。

在本发明的一个实施例中，调制解调器无论在发送部还是在接收部都采用了预加重处理。具体地说，这种调制解调器的接收部在对接收信号进行回波消除处理前先用一个预加重滤波器对接收信号进行处理。这样做的结果是，在回波消除器处理前先对接收信号进行频带边缘提升，从而可以在均衡器继续处理前由回波消除器更有效地除去处在频带边缘的任何远回波。接收预加重滤波器与发送预加重滤波器相同，也就是说在接收部所加的预加重处理与在发送部所加的预加重处理是相同的。

就本发明的优点而言，接收预加重处理由于使得经回波消除处理的接收信号在频带边缘处变陡，因此还改善了定时恢复的性能。

在本说明的附图中：

图1为体现本发明原理的一个数据通信系统的方框图；以及

图2为图1中体现本发明原理的调制解调器100的例示性方框图。

图1为体现本发明原理的数据通信系统的例示性方框图。假设调制解调器100已经与远端调制解调器300如众所周知的那样建立了交换数据连接。近端的数据信号加到调制解调器100，以便发送给远端调制解调器300。近端数据信号由通过线104与调制解调器100连接的数据终端设备(未示出)提供。调制解调器100对这近端数据信息进行如下面将要说明的那样处理后，将已调近端数据信号送至本地环路121，由它发至PSTN200的中央局终端设备205。PSTN200将已调近端数据信号送至远端中央局终端设备210，由它通过远端本地环路321发至远端调制解调器300。在相反方向上情况相同，远端调制解调器300将信息发送给调制解调器100。具体地说，本地环路121将已调远端数据信号送至调制解调器100，由它进行如下面将要说明的那样处理后通过线141将远端数据信号送至数据终端设备(未示出)。虽然远端调制解调器300也可以采用本发明原理，但下面仅对调制解调器100作详细说明。假设调制解调器300同样也采用了对远端本地环路321进行补偿的发送预加重处理。

图2示出了体现本发明原理的调制解调器100的一个例示性实施例。除了本发明的创见外，调制解调器100的各组成部分均是众所周知的，因此不再详细说明。调制解调器100包括发送部(Tx)105、发送预加重滤波器(发送预加重器)110、数模转换器(DAC)115、混合电路120、模数转换器(ADC)125、接收预加重滤波器(接收预加重器)130、回波消除器150和接收部(Rx)140。假设调制解调器100是一个高速调制解调器，例如支持ITU-T(国际电信联盟远程通信标准化部)标准V.34。

近端数据信号，例如为一个二进制输入数据序列{X_k}，通过线104加至调制解调器100以转输给远端调制解调器300。Tx105对这近端数据信号进行如所周知的处理(也可以包括加密、冗余编码等)后以每秒1/T个符号的标准速率输出表示输入数据序列的复值符号序列{a_n}。例如，调制解调器100采用的是正交振幅调制(QAM)。由于调制解调器100是一个高速调制解调器，因此符号序列{a_n}由发送预加重器110滤波，对本地环路121的信道响应进行补偿。假设发送预加重器110的作用与原有技术中的相同，增强线106上的信号的高频分量而减小线106上的信号的低频分量，使得对于所得到的发射信号来说总发射功率保持不变。发送预加重器110的输出信号送至DAC115。假设DAC115不仅将复值符号序列{a_n}从数字域变换到模拟域，而且还包括对所得到的模拟信号进行各种附加的带通滤波，从而将一个已调近端数据信号加到线116上，由混合电路120耦合给本地环路121。

在反方向通信时，混合电路120将已调远端数据信号从本地环路121耦合给ADC125。假设ADC125不仅将已调远端数据信号从模拟域变换到数字域，而且还包括对已调远端数据信号进行各种附加的带通滤波以接收的信号r(t)通过接收预加重器130加到回波消除器150。接收信号r(t)是一个采样值序列，受到所谓近、远回波的干扰。近回波包括没有被混合电路120送至信道而经混合电路泄漏的发射信号能量。远回波包括原已送至本地环路121但因例如阻抗不匹配和其他的信道异常情况又反射回调制解调器100的信号能量。

精确恢复接收信号r(t)所表示的远端数据信号必需要除去接收信号r(t)中的回波能量。如所周知，回波消除器150就是用来消除接收信号r(t)中的回波的。回波消除器150包括回波消除滤波器(EC)145和加法器135。EC145形成一个接近接收信号r(t)中的实际回波信号的回波估计信号。EC145通过对复值符号序列{a_n}的滤波形成这个回波估计信号。EC145的传递函数是自适应确定的，以模拟“回波途径”。如所周知，EC145通过根据作为误差信号的加法器135的输出信号更新其滤波系数而实现自适应。应该指出的是，实际上通常用两个回波消除器即一个近回波消除器和一个远回波消除器来消除回波。近回波消除器形成近回波估计，而远回波消除器形成远回波估计。此外，远回波消除器通常对本地环路121引起的群延迟(group delay)进行补偿，因此必需参考还由PSTN200引起的变频效应。然而，为了简明起见，这里的回波消除器150表示近、远两个回波消除器。

在说明本发明的创见以前。先对原有技术作简要的介绍。此时将略去图2中的接收预加重器130，认为接收信号r(t)是直接加至回波消除器150的。

在原有技术中，接收信号r(t)由回波消除器(如回波消除器150)处理，通过加法器135从接收信号r(t)中直接减去回波估计信号来消除任何回波信号。然而，由于接收信号r(t)在频带边缘受到通信信道的衰减，因此回波消除器并没有有效地消除掉处在频带边缘的回波信号的这些分量(假设任何信道噪声均小于残余回波)。结果，经这样回波消除处理后的接收信号仍然含有处在预带边缘的残余远回波信号。这信号加到接收部Rx140。如所周知，Rx140中包括均衡器155，用来提升频带边缘的信号，对信道衰减进行补偿。由于经回波消除后的接收信号在频率边缘仍然含有残余远回波信号，因此残余远回波信号也被均衡器155提升了。这个由均衡器155增强的噪声实际上造成了接收机的其余部分都有有色噪声引入，这就限制了高速回波消除调制解调器的性能。

本发明的发明者已经发现，在高速回波消除调制解调器中对于加到均衡器和回波消除器的输入信号来说应该有一个平坦的谱。因此，按照本发明通过在接收机中进行预加重处理就能使性能得到改善。也就是说，在调制解调器的接收部加一个预加重滤波器。这在图2中表示为接收预加重器130，它在均衡器155处理前先对接收信号r(t)进行预加重处理。接收预加重器130提升接收信号的高频分量而减小接收信号低频分量。在本实施例中，接收预加重器130的传递函数与发送预加重器110的传递函数是相同的，也就是说在发送预加重器110和接收预加重器130中使用相同的滤波系数。发送预加重器110的传递函数为1/H₁₂₁(f)，其中H₁₂₁(f)表示本地环路121的信道响应。因此预加重器130也采用这个传递函数。虽然本地环路121的信道响应H₁₂₁(f)可以用几种不同的方式加以测量，但对于本实施例来说假设是在训练期间测量的。例如，在上面提及的ITU-TV.34中，训练期间在调制解调器之间发送一个“试探信号”，即由预定单音构成的一个序列。此外，所测得的试探信号的谱通常用分贝(dB)也就是对数来表示。因此除以H₁₂₁(f)就是减去H₁₂₁(f)的dB值。

如果以rp(t)表示接收预加重器130加到线131上的信号，则这信号的频率响应为 $\mathrm{RP}\left(f\right)=(H_{121}\left(f\right)\·H_{200}\left(f\right)\·H_{321}\left(f\right)\·{\mathrm{TP}}_{300}\left(f\right)\·{\mathrm{FD}}_{300}\left(f\right))\frac{1}{H_{121}\left(f\right)}---\left(1\right)$

其中：H₂₀₀(f)表示PSTN200的信道响应，H₃₂₁(f)表示远端本地环路321的信道响应，TP₃₀₀(f)表示调制解调器300所加的发送预加重，而FD₃₀₀(f)为在调制解调器300发射预加重处理前的远端已调数据信号。为了分析简明起见，假设FD₃₀₀(f)是理想平坦的，即等于1。此外，对于大多数带有均匀白噪声的实际系统来说，可以认为PSTN200的信道响应是平坦的，即H₂₀₀(f)＝1。因此有： $\mathrm{RP}\left(f\right)=(H_{121}\left(f\right)\·H_{321}\left(f\right)\·{\mathrm{TP}}_{300}\left(f\right))\frac{1}{H_{121}\left(f\right)},---\left(2\right)$

按照本发明，由于目的是在回波消除器150的输入端得到一个具有平坦谱的信号，即RP(f)＝1，因此TP₃₀₀(f)的频率响应函数必需等于1/H₃₂₁(f)，也就是说调制解调器300应执行对远端本地环路321进行补偿的发送预加重处理，如前面所指出的那样。换句话说，在大多数情况下，调制解调器的发送和接收预加重器只需对相应的本地环路进行补偿以向回波消除器150提供一个具有接近平坦的谱的输入信号。这样，回波消除器150就能更有效地消除接收数据信号中处在频带边缘的任何远回波信号。通过线136加到Rx140的经回波消除的信号不仅具有较小的残余回波，而且比较平坦的信号谱也减小了由均衡器引起的噪声增大量，因为均衡器155现在对接收信号进行的是象在原有技术中那样的较小的振幅校正，以补偿本地环路121的信道响应。噪声增强实际上发生在接收预加重器130，从而避免了增强任何残余回波噪声。

按照本发明的特点，在高速回波消除调制解调器中使用接收预加重器还改善了调制解调器中的定时恢复。具体地说，定时恢复如所周知通常是根据加到均衡器的信号进行的。在前面那个实例中，用来恢复定时的信号是加到Rx140的经回波消除后的信号。如前面所述，在原有技术中，亦即在不采用接收预加重的情况下，加到Rx140的经回波消除的信号在频率边缘显著滚降。不幸的是，这滚降影响了Rx140从经回波消除的信号中恢复定时的能力。然而，用了接收预加重后就能理想地为均衡器提供一个具有较平坦的谱的信号。换句话说，接收预加重器对频带边缘部分进行了整形放大，使之变陡，从而改善了Rx140从经回波消除的接收信号中恢复定时信息的性能。

如上所述，PSTN200的信道响应假设是近似平坦的。这简化了在调制解调器100中所进行的发送和接收预加重的处理形式，例如接收预加重器130是与发送预加重器110相同的。虽然这个假设对于大多数带有由电话网络引起的均匀白噪声的实际系统是正确的，但应该认识到本发明的创见可以用于任何网络滤波、非白网络噪声，甚至不同类型的调制解调器(例如含预编码的)，提供相应补偿。必需加以确定的只是相应的发送和接收预加重器的功能，保证回波消除器输入信号的谱是平坦的。

例如，假设PSTN200产生的噪声是非均匀的。调制解调器100接收的信号可以模型化成包括一个噪声信号n₁₀₀(t)和一个接收数据信号S₁₀₀(t)。噪声信号n₁₀₀(t)等于调制解调器100测量的噪声信号，其频谱为N₁₀₀(f)。类似，接收数据信号S₁₀₀(t)等于调制解调器100测量的接收数据信号，其相应的频谱为S₁₀₀(f)。假设调制解调器100用原有技术来测量相应频谱N₁₀₀(f)和S₁₀₀(f)。例如，可以对均衡器误差信号进行变换以确定噪声谱，或者象前面提到的那样，可以用ITU-T标准V.34。按ITU-TV.34，在训练阶段期间，调制解调器之间发送的是一个“试探信号”，即由一系列预定单音构成的一个序列，用来测定S₁₀₀(f)和N₁₀₀(f)。按ITU-TV.34，从这信号中本地调制解调器测出远端调制解调器应提供的发送预加重量。然后，本地调制解调器通过ITU-TV.34协议将一组系数发回给远端调制解调器。远端调制解调器在其发送预加重滤波器中就使用这组系数，以提供由本地调制解调器100所计算得出的发送预加重处理。这样，每个调制解调器就可以正确地调整相应远端调制解调器的发送预加重。

回到本例，在训练期间无论对发送信号还是对接收信号都不进行预加重处理。噪声信号N₁₀₀(f)可表示为：

N₁₀₀(f)＝H₁₂₁(f)·N₂₀₀(f)    (3)

其中N₂₀₀(f)为PSTN200所产生的非均匀噪声。由式(3)可见，调制解调器100接收和测量的噪声信号就等于PSTN200产生的非均匀噪声乘以本地环路121对这噪声的信道响应。虽然在ITU-TV.34标准中设没有明示，但可以理解在无声期间，亦即在预定音序列之间，接收信号的谱内容通常表示3N₁₀₀(f)的频谱。

此外，作为根据预定音序列测量到的接收数据信号S₁₀₀(f)可以表示为：

S₁₀₀(f)＝H₁₂₁(f)·H₃₂₁(f)    (4)

其中，再次假设了PSTN200对于远端发送数据信号的响应是平坦的，即H₂₀₀(f)＝1，并且远端已调数据信号谱也是平坦的，即FD₃₀₀(f)＝1。

就理想情况而言，无论在远端调制解调器300进行的发送预加重还是在本地调制解调器100进行的接收预加重，加在一起应使输入回波消除器150的信号完全平坦，即RP(f)＝1。在这个更为通用的实例中，要求平坦的噪声谱，因而接收预加重器130要选择成可对网络噪声N₂₀₀(f)和本地环路121进行补偿的形式。也就是说，接收预加重器130的传递函数应为1/{H₁₂₁(f)N₂₀₀(f)}。这值可通过测量上述试探信号序列期间的噪声谱直接测得。因此，在数据通信期间，如果加了预加重处理，则接收预加重器130加到线131上的总信号为： $\mathrm{RP}\left(f\right)=\frac{1}{H_{121}\left(f\right)N_{200}\left(f\right)}(S_{100}\left(f\right)\·{\mathrm{TP}}_{300}\left(f\right)),---\left(5\right)$

其中TP₃₀₀(f)表示调制解调器300所加的发送预加重。经适当代换后，式(5)为 $\mathrm{RP}\left(f\right)=\frac{1}{H_{121}\left(f\right)N_{200}\left(f\right)}\left(H_{121}\left(f\right)H_{321}\left(f\right){\mathrm{TP}}_{300}\left(f\right)\right),---\left(6\right)$ 或 $\mathrm{RP}\left(f\right)=\frac{H_{321}\left(f\right){\mathrm{TP}}_{300}\left(f\right)}{N_{200}\left(f\right)}---\left(7\right)$

由于目的是在回波消除器150输入端得到一个具有平坦谱的信号，即RP(f)＝1，因此TP₃₀₀(f)的频率响应函数必需等于N₂₀₀(f)/H₃₂₁(f)。一旦调制解调器100从式(3)确定了N₂₀₀(f)，就将表示N₂₀₀(f)/H₃₂₁(f)的各系数发送给调制解调器300，以便调制解调器300在其远端发送预加重处理中使用。例如，ITU-TV.34提供了一种由一个调制解调器向对方调制解调器传送发送预加重数据的方法。应该注意的是，在N₂₀₀(f)是平坦的情况下，调制解调器300的发送预加重TP₃₀₀(f)如前所述只是对本地环路321进行补偿。在相反方向，调制解调器300进行训练期间的相反处理。具体地说，调制解调器300将其远端接收预加重设置为1/{H₃₂₁(f)N₂₀₀(f)}，并向调制解调器100传送一组表示N₂₀₀(f)/H₁₂₁(f)的系数，供调制解调器100在发送预加重器110中使用。

同样，本发明的创见也可用于采用预编码技术的调制解调器。通常，在预编码中并不用发送预加重，也就是说发送信号的谱理想上是平坦的。因此，按照本发明来说，接收预加重滤波器的传递函数应是总信号谱的倒数。假设PSTN200的信道响应是平坦的，也就是H₂₀₀(f)＝1，因此接收预加重量为1/{H₁₂₁(f)H₃₂₁(f)}。在本例中，接收预加重器使接收的噪声信号提升了1/{H₁₂₁(f)，使网络噪声得到了增强，但是防止了残余回波的增强。此外，这个接收预加重量将使得在均衡器的输入和输出端发生构象扩展。这个构象扩展与在常规的预编码系统中所发生的相同。

以上仅例示了本发明的原理，因此可以理解，对于熟悉本技术领域的人们将能设计出各种这里虽然没有明确说明但体现了本发明原理的等效结构，这些都并不背离本发明的精神实质，应属于本发明的专利保护范围。

例如，虽然本发明在此是以离散功能块(如回波消除器等)实现方式加以说明的，然而这些功能块的任何一种或几种功能都能用一个或几个经相应编程的处理器(如数字信号处理器)来执行。此外，虽然本发明的创见就在接收预加重滤波器中使用某些具体的整形功能作了说明，但这都是示例性的，接收预加重滤波器也可以提供其他形式的整形功能。

Claims (5)

1.一种用来接收数据信号的改进数据通信设备装置，所述装置包括一个对受回波影响的信号进行处理、输出经回波消除的信号的回波消除器和一个对经回波消除的信号进行处理以补偿接收数据信号中存在的符号间干扰的均衡器，所述改进装置的特征是它还包括：

一个对所接收的数据信号进行处理以提供受回波影响的信号的预加重器。

2.一种用于具有接收预加重部的数据通信设备的方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

接收一个从远端数据通信设备通过一个通信信道发来的预定信号；

对所接收的预定信号进行计算，确定该通信信道的频谱响应；以及

将数据通信设备的一个接收预加重滤波器设置为一部分所确定的频谱响应的相反值。

3.权利要求2所提出的方法，其特征是其中所述设置步骤是将接收预加重滤波器的滤波系数设置为一组表示这部分所确定的频谱响应的值。

4.权利要求2所提出的方法，其特征是所述方法还包括将剩余的所确定的频谱响应传送给远端数据通信设备以用于远端数据通信设备的一个远端发送预加重滤波器这一步骤。

5.权利要求4所提出的方法，其特征是其中所述传送步骤是传送一组表示剩余的所确定的频谱响应的滤波系数。