CN1272949C - 数字－模拟通信装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在通过数字接口(7)尤其是ISDN接口与第一交换机(3)相连的数字适配器(5)及通过模拟接口与第二交换机(4)相连的模拟适配器(6)之间进行通信的通信装置，所述交换机(3，4)通过通信网络(2)链接，其特征在于它有直接链接数字适配器(5)和模拟适配器(6)的装置(11，12；15，16)，数字适配器(5)的数字信息以数字形式被直接送到模拟适配器(6)而不用模拟成模拟信号，反之亦然。

Description

数字-模拟通信装置和方法
技术领域
本发明涉及一种在电话线上进行数字-模拟混合通信的装置及一种由这样的装置实现的传输方法。
背景技术
个人计算机安装数量的增长及远程信息网络服务的出现表明了在线通信量的增长潜力。尽管现实情况对于那些能够通过高速率传输网或本地线路将内部网络连接到外部服务上的大用户来说是满意的，但是对于小公司或个人而言，这样的解决方案就太昂贵了。
看起来这种情况肯定还有增加的趋势，并且导致传输信息流量提高一直到达个人居所的服务分配需求将导致普及的大带宽网络。但是这样的网络难于在几年之内，甚至十几年之内得到广泛应用。
直到这种高速率网络在大多数国家能够自由使用前，个人、学校、小企业必须通过电话线网络来传输数据。对此，可以在现有的两种技术中选择一种。最普遍的解决方法是使用传输速率为14.4kb/s或28.8kb/s的调制解调器。另一种比较昂贵的解决方法是使用综合业务数字网(ISDN)，它有两个64kb/s的数据信道和一个16kb/s的信号信道。但是，第二种解决方案不能随处自由应用，并且由于需要较高的先期投资及与其相适应的通信器材，因此对于使用者来说，这需要很大的投资。
通过AT&T公司的EP-A-0 669740可以了解到一种用模拟电话用户线路与传输通路两端相连的调制解调器。该调制解调器有一使用多个发送滤波器和多个接收滤波器的，用于分别均衡每一连于模拟电话网的连接回路。滤波器按这样的方法应用，在调制解调器向交换机传输方向上，由编码/解码站发送的电平取样等于交换机的量化电平。
使用量化规则规定的电平的需要使得不能选择到有回波信号的情况下对噪声有最佳抑制的电平。
另外，前述文献也未记载数字适配器与模拟适配器间的通信装置，在该装置中，数字适配器将通过数字接口与交换机相连。
发明内容
本发明的目的是提出新的可选解决方案，它能够利用网络例如ISDN网的优点，尤其是能够达到64kb/s级的高传输速度，而与常规的14.4kb/s的解决方案相比较，并不会带来显著的费用增加。
为此，本发明涉及一种包括数字适配器和模拟适配器的通信系统，其中数字适配器可以通过数字接口与第一交换机相连，模拟适配器可以通过模拟接口与第二交换机相连，所述交换机通过通信网络链接，该通信系统的特征在于：数字适配器包括第一装置，模拟适配器包括第二装置，第一装置和第二装置用于经由第一交换机、第二交换机、数字接口和模拟接口以数字形式在数字适配器和模拟适配器之间来回发送数字信息而不用模拟成模拟信号；其中，所述第一装置在数字适配器到模拟适配器的传输方向上有一位于数字适配器中的数字发射机，用于向位于模拟适配器中的模拟接收机发送模拟脉冲，模拟脉冲的电平代表从数字适配器向模拟适配器传输的信息；所述第二装置在模拟适配器到数字适配器的传输方向上有一位于模拟适配器中的模拟发射机，用于向位于数字适配器中的数字接收机发送这样一种模拟信号：由第二交换机的模拟接口对其进行的取样为由模拟适配器到数字适配器传输的数字信息所确定的值与数字适配器发送的信号的回波之和。
根据本发明的其它特征：
—模拟适配器的接收机有一自适应线性均衡器，其输入链接到模拟/数字转换器的输出，其输出链接到一与用户装置相连的输出均衡器的输入，使得自适应线性均衡器的输出是部分响应，如IV级响应。
—所述部分响应以自适应的方式被确定。
—所述的输出均衡器为判定反馈均衡器(égaliseur àretourde d écision)或维特比(Viterbi)均衡器。
—所述的装置在数字适配器的一端有一从N＝256级可能的量化电平中选择n个电平的选择器，n一般等于64，这些电平以字节的形式表示，所述的电平选择器的输入与用户装置相连，输出与数字接口相连。
—模拟适配器的发射机有一线性编码器，后接合成部分响应例如IV级响应的预失真滤波器。
—所述部分响应以自适应的方式被确定。
—所述数字适配器有一输入与回波滤波器及数字适配器的数字接口的输出相连的解码器，所述解码器的输出向用户装置输出鉴于由数字适配器产生的信号的回波最可能是由模拟适配器发送的比特组序列。
本发明还涉及了一种在模拟适配器和数字适配器间双向直接传输的方法。
在数字适配器到模拟适配器的传输方向上，本方法的特征在于它由下述步骤构成：
—取一组来自数字数据源的比特组，比如6比特的组；
—在N级电平中预先选择的n级电平中选择一个电平，每一级电平由一个字节以数字形式表示，其中，n和N为正整数，且n小于N；
—通过数字网向模拟适配器连续发送对应于在n级电平中所选择出的电平的字节，以便在模拟适配器中产生信号，其幅度基本上等于每一字节所表示的电平，与相继的诸字节相对应的信号相互干扰从而在模拟适配器中产生合成模拟信号；
—均衡所述合成模拟信号以消除干扰；
—测量合成模拟信号的幅度并得出所述字节的数字值；
—从所述字节的所述数字值重构所述比特组并发向数字数据接收机。
在通信系统中从模拟适配器到数字适配器的传输方向上的传输方法，其特征在于它包括下列步骤：
—在与通信系统相连的数据源中取一比特组；
—选择一幅度与该比特组的数字值相对应的模拟信号，与相继的组相对应的信号相互干扰并具有这样的形状：模拟信号在交换机的模拟接口处被取样时，其值等于由模拟适配器到数字适配器传输的数字信息所确定的值与数字适配器发送的信号的回波之和，在模拟信号的取样之后，一个表示所述和的字节就会出现在数字适配器中；
—考虑数字适配器发送的信号的回波和所述字节，处理所述相继的字节，以找到确定的比特组序列，其中不必从所述字节所代表的线性值减去所述回波，
—向用户装置发送所找到的比特组的数字值。
附图说明
在下面的说明书中将结合实施例和附图详细描述发明，但本发明并不仅限于此，在附图中：
—图1示出了应用本发明的通信装置的原理图；
—图2示出了对于量化规则A的最大传输速率与所选择的量化电平n间最小间距的函数关系的图示；
—图3示出了适于本发明装置的数字适配器的原理图；
—图4示出了适于本发明装置的模拟适配器的原理图。
具体实施方式
参照图1。图中示出了通信装置1的结构总图，它使用公共交换网2，在第一交换机3和第二交换机4之间进行传输，所述交换机中，一边连有通过数字接口7连接的数字适配器5，另一边连有所谓的“模拟”适配器6，即通过简单的传统电话接口8连接的适配器。
数字服务器9，例如可以是高速率驻留应用的服务器，通过数字接口7如线路和服务器9的数字适配器5与数字第一交换机3相连。
终端35一般是个人计算机，与模拟适配器6相连。适配器和电话10通过简单的模拟线路8例如电话线连接到第二交换机4。因而在模拟线路8上传输的是模拟信息：电话机10的用户话音或数字信息来自或发向模拟适配器6。
由于这样一种结构(这种结构常见于模拟适配器是常规调制解调器的情况)，可以将其称作源自服务器9的常规模拟线路8，反之亦然。这种可能性已经可以用于传输话音和数据。当来自数字适配器5的数字信号通过网络2的传输到达第二电话交换机4时，数字信号的字节通过第二交换机4中集成的的数字/模拟转换器转为电平，其采样率一般为每秒8000次。这种数模(N/A)转换按照转换规则进行，如欧洲的“A为规则或世界其它国家的“μ”规则。在另一方向，也就是说在模拟适配器6到数字适配器5的方向，第二交换机4接收的模拟电平通过取样器数字化并以字节表示。这些字节通过网络2的传输被传送到数字适配器5。
总的来说，上述连接可以使得数字适配器5与模拟适配器6相互通信。常规上讲，数字适配器5发送一字节序列，在应用前述规则转换后，可对应一话音信号或一常规调制解调器信号。该信号然后进行常规处理，在打电话的情况下，它可被直接传送到电话机10的受话器。相似地，模拟适配器6可由常规的调制解调器构成。在传输的另一个方向，操作与此相反。
本发明还为在模拟适配器6和数字适配器5间传输提供了另一种方法及与其相对应的装置。
本发明的原理结合图2进行解释，它表示了存在于传输速度(在纵轴刻度上以千比特/秒表示)和噪声抑制间的折衷关系。如果希望在64kb/s下传输，那么就必须使用从8比特(28＝256)开始的所有256级可能的取样电平。然而，对于在高斯(Gaussien)噪声下的传输来说，传输中的误差率取决于量化刻度的两相邻电平之间的最小间距dmin(图2的横坐标)，对于类型A的转换规则，此相互关系在图2中表示。可以明显地看出，增加级间最小间距从2到4，不会损失量化电平的一半，而仅是256个电平中的33个电平。相似地可以得出，在仅使用相距一个dmin＝128的间距的64级量化电平时，传输可达到约48kb/s。
当针对n＝64级量化模拟信号时(允许48kb/s的流量)，在两个方向上的传输步骤如下。
对于数字适配器向模拟适配器的传输过程，传输步骤如下：
—取一组来自数字数据源的比特组，例如一6比特组；
—在N(一般N＝256)级电平中预选的n(一般n＝64)级中选择一个电平，每一电平由一个字节以数字形式标识，字节每秒钟被传送8000次。
—通过数字网络向模拟适配器连续发送对应于在n级电平中选择的电平的诸字节，以在模拟适配器上产生一幅度基本上等于每一字节所表示的电平的信号，这些与相继的字节对应的信号彼此间相互干扰，以在模拟适配器中产生一合成模拟信号；
—均衡所述合成模拟信号以消除干扰；
—测量合成模拟信号的幅度并得出字节的数字值；
—由此字节的数字值重构比特组并将其发向数字数据接收机。
在一通信系统中从模拟适配器到数字适配器的传输过程由下列步骤构成：
—从与通信系统相连的数据源中每秒8000次取比特组；
—选择一幅值与比特组数值相对应的模拟信号，与相继的诸组相对应的信号彼此相互干扰，并具有这样的形状：在交换机4的模拟接口8中对模拟信号取样时，其值基本上等于由模拟适配器6到数字适配器5传输的数字信息所确定的值与数字适配器发送的信号的回波之和，所述值不是必须等于量化规则的电平，在5模拟信号的取样之后，一个表示所述和的字节就会出现在数字适配器5中；
—处理所述相继的字节，以找到鉴于自数字适配器发射的信号的回波最可能的比特组序列；
—向用户装置发送所找到的比特组的数字值。
总之，对于在线路上向模拟适配器的传输过程不是要力图重构模拟信号。与此相反，表示数字信息的字节直接转换为电平，如对应于图3上部分的装置所示，该装置涉及到数字适配器5的发送部分。例如，对于在48kb/s的通信下，数字适配器5转换收自用户的、表示电平的、每秒发送8000次的、成6比特一组(即26＝64种可能性)、表示转换规则的256级电平中的一级的诸比特。在本例中，如此选择所使用的64级，使得各电平间的间距尽可能提供最好的噪声抑制性能。这种间距被称作序列中的最小间距dmin。这种方式的好处是消除由于转换规则所带来的量化噪声。
要注意到，同样可以以公知的方式考虑采用格形编码调制以获得最好的噪声抑制。
为与接口7衔接，数字适配器5主要包括一由数字发射机11构成的上部分(在水平虚线之上)，及一由数字接收机构成的下部分12。数字发射机11的输入由一数字数据源馈入，比如由服务器9(图1)。用来传送表示来自服务器9的数字信息的字节的数字发射机11的输入连接到电平选择器14的输入，如果流量的自适应需要一缓冲器13，则所述连接可通过一缓冲器13，电平选择器14的输出构成了数字适配器5的数字发射机11的输出。此数字适配器5的数字发射机11的输出，通过网络2连接到模拟适配器6的接受部分的输入，它由图4中上面部分15表示，模拟适配器6的发送部分由图4的下面部分16所表示。
模拟适配器6的接收机15在其输入(图4的上面)接收一系列模拟脉冲，模拟脉冲的电平值代表图3的数字适配器所发送的信息。电话第二交换机4中的滤波器的存在，导致连续脉冲间的相互干扰。因此难于识别和测量其电平。
在图4的上部分示出的本发明的模拟接收机15包括两个主要部分：“均衡”信号的自适应数字线性滤波器17，它将来自网络并经滤波器18及模拟/数字转换器19的脉冲变换为被很好控制的脉冲，这种脉冲只在相继的偶数级(或奇数级)之间引入干扰。例如，在时间n时均衡滤波器17的输出Yn由下述表达式之一给出：
Yn＝Xn-Xn-2(IV类)
或Yn＝Xn-Xn-1-Xn-2+Xn-3
或Yn＝Xn-2Xn-2+Xn-4
或者由自适应方法所确定的类似的表达式所给出。
这里Xn是数字适配器5传送来的电平。
该均衡系统本身公知为“IV类部分响应”。本发明允许将这样的响应应用在数字适配器5和模拟适配器6之间的直接通信上。
为避免接收机中误差的扩散，最好应用公知的微分编码。
另外，如果均衡线性滤波器必需是自适应的，其选择也是所属技术领域的技术人员所知道的。
这时，还需要消除由关系式Yn＝Xn-Xn-2所表示的码元(symbole)间的干扰。实际上，可以应用两种公知的技术：判定反馈均衡(DFE)和维特比算法，它们由第一功能模块20表示。
由电话第二交换机4产生的电平Xn不总是等于其由量化规则预定的标称值。模拟接收机15因而必需估算Xn的实际值，并且该实际值必需被用在判定反馈均衡器或维特比均衡器20中。所述估算可利用在第二功能模块21中实现的最小二乘法的变型之一进行。
要注意到，Xn的实际值也必须被用到数字适配器的回波消除器22中(图3)。因此，数字适配器5自身也可借助于一个类似于图4的第二功能模块21的功能模块来处理实际值的估算，或者使用由模拟适配器6发送来的对应控制信息。出于简明的目的，图中未示出对应连接。
在数据发送的另一个方向上，也就是说从模拟适配器6到数字适配器5，图4下部所示的模拟适配器的发射机16使用终端6的时钟23，它在其接收部分15恢复所述时钟。模拟适配器6的发送部分16的目的是产生一模拟信号，在对其取样时，该模拟信号在没有噪音和回波的情况下将等于一个容易预计的值，它是数字适配器5发送的数字信息的函数。
专利ATT EP-0669740和EURECOM FR9512672记载的取样时的电平值应等于量化规则的标称电平，有前面所描述的缺陷。然而，根据本发明，这一限制就不再适用了。实际上，由数字适配器产生的信号的回波被加入到由模拟适配器产生的信号中，并且如前所述，使其以不可预计但为数字适配器所知的方式移动。在有回波的情况下，取样时的信号值可能落入两量化电平之间，以便噪声容易从一侧或者另一侧推动信号值。
这就是数字适配器的接收机从量化信号中恢复信息的的作用，在这种情况下，最好选择能简化接收机工作的值，例如以与量化规则的电平许可的方式不同的方式使这些值间隔开。
比如可以期望在-500和+500单位间发送分成15个单位的电平。这在规则A下是不可能的，在该规则中-30和+30之间的电平被分成两个单位，33和99之间是4个单位，99和219之间是8个单位，等等。
本发明规定了模拟适配器6和第二交换机4间的脉冲响应由数字适配器5测量，并通过控制信息来与模拟适配器6通信。在此测量的基础上，模拟适配器6综合一个数字滤波器24以使得总响应(线路8+滤波器)重新是部分响应，例如一IV级响应，特别是被修改以在0到60Hz的波段内提供将近0Hz或将近4000Hz的更多衰减的部分响应。此衰减也可以以自适应的方式来决定。此技术被称作“预失真”。滤波器24也起辅助作用，它产生一按16kHz节拍的信号，特别是从一由模拟适配器6来的8kHz的输入产生所述信号，以简化接自数/模转换器26的模拟滤波器25的设计，数/模转换器26用于从数字信号产生模拟信号。
由于预失真滤波器24的应用，等式Yn＝Xn-Xn-2(或另外一个)重新变得适用，此时这里的Yn表示在第二交换机4的信号，Xn是模拟发射机16的输出的电平。Yn必须对应于量化规则级Si的电平之一以减小噪声干扰。因此必须验证下述关系：
Xn＝Xn-2+Sj
如果不预先注意，按此关系可能对于Xn会产生太大的值。在众多技术中，已知的名为“线性编码”的技术可以用于解决此问题，例如采用线性编码器27的形式，特别是公知的汤姆林森-原岛(Tomlinson-Harashima)方法。对于此点，所属技术领域的技术人员可非常容易的选择其中之一。
上面我们已经看到，回波的存在使得信号对于噪声非常敏感。因而有必要使用误差校正器，典型的是格形调制码。也可以使用卷积码或分组码码。
在第二交换机4，信号Yn(必要时，混有噪声和回波)被编码为一个字节，该字节被发送到数字适配器5的接收部分12，如图3的下部所示。在这里，字节由线性转换模块28(例如使用转换规则A)变换为线性电平。合成的信号，与由数字发射机11发送的信号的回波的估算值一样，然后在解码器功能模块30中处理。此功能模块的目的是估算模拟适配器发送的信息。
线性信号是表示模拟适配器发送的数字信息、数字适配器发送的信号的回波和噪声的信号总和的量化。如同在常规回波消除器中一样，量化的存在妨碍了用减法抑制回波。
与通过减法消除回波，然后将有用信号解码的常规方法相反，现在必须一同处理回波补偿及自模拟适配器发送的信号的检测问题。
在格形编码调制的情况下，功能模块30可采用维特比算法的形式以在格形图中找到最可能的路径。在此图中分配给各分支的权重是观察到的量化信号的可能性(真实性)之比，它给出了对应于有关分支的假定值和回波的估算值。
模块30的输出被发送到数字适配器5的用户，该发送可以通过缓冲器31。
如图3中所示，在维特比算法块30中的误差信号(接收到的信号与理想信号间的差)被用于匹配回波消除器或回波滤波器22，及被用于估算由模拟适配器中预失真滤波器的较差综合所带来的误差。校正信息(以低速率编码)在电平选择器14中与来自连接于数字适配器5的输入(服务信道)的用户的信息多路复用，并发送到模拟适配器6。它在模拟适配器中用以匹配预失真滤波器24。
模拟适配器也必须消除其自身的回波。该项技术也是公知的，在图4中以回波滤波器22的形式图示了其一种实施方式。
如图4中所示，在对应于维特比算法或判定反馈系统的模块30中的误差信号由匹配算法34用于调整回波滤波器22、自适应线性均衡器17和本地时钟23。
显然，如同在常规的调制解调器通信中一样，当通信建立起来时，必须交换识别和学习序列。它们用于初始化时钟和自适应滤波器。还必需知道，第一电话交换机3和第二电话交换机4之一可以使用A规则或μ规则，并作相应的变化。
由前述可知本发明达到了其目的，并允许将数字线路连接到模拟线路上直接地和经济地传送数字信息，而不用模拟模拟信号。这使得可以利用普通的电话线实现速率近乎等于数字线路上相对较高速率的传输。

Claims (8)

1.一种包括数字适配器(5)和模拟适配器(6)的通信系统，其中数字适配器(5)可以通过数字接口(7)与第一交换机(3)相连，模拟适配器(6)可以通过模拟接口(8)与第二交换机(4)相连，所述交换机通过通信网络(2)链接，该通信系统的特征在于：数字适配器(5)包括第一装置，模拟适配器(6)包括第二装置，第一装置和第二装置用于经由第一交换机(3)、第二交换机(4)、数字接口(7)和模拟接口(8)以数字形式在数字适配器(5)和模拟适配器(6)之间来回发送数字信息而不用模拟成模拟信号；
其中，所述第一装置在数字适配器(5)到模拟适配器(6)的传输方向上有一位于数字适配器(5)中的数字发射机(11)，用于向位于模拟适配器(6)中的模拟接收机(15)发送模拟脉冲，模拟脉冲的电平代表从数字适配器(5)向模拟适配器(6)传输的信息；
所述第二装置在模拟适配器(6)到数字适配器(5)的传输方向上有一位于模拟适配器(6)中的模拟发射机(16)，用于向位于数字适配器(5)中的数字接收机(12)发送这样一种模拟信号：由第二交换机(4)的模拟接口对其进行的取样为由模拟适配器(6)到数字适配器(5)传输的数字信息所确定的值与数字适配器(5)发送的信号的回波之和。
2.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于模拟适配器(6)的模拟接收机有一自适应线性均衡器(17)，其输入连接到模拟/数字转换器(19)的输出，其输出连接到一与用户装置相连的输出均衡器(20)的输入，使得自适应线性均衡器(17)的输出是部分响应。
3.根据权利要求2所述的通信装置，其特征在于所述的输出均衡器(20)为判定反馈均衡器或维特比均衡器。
4.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于所述第一装置(11，12)在数字适配器(5)的一端有一从N＝256个可能的量化电平中选择n个电平的选择器(14)，n为小于N的正整数，这些电平以字节的方式表示，所述的电平选择器(14)的输入与用户装置相连，输出与数字接口相连。
5.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于模拟适配器(6)的发射机(16)有一线性编码器(27)，后接合成部分响应的预失真滤波器(24)。
6.根据权利要求5所述的通信装置，其特征在于所述的部分响应以自适应的方式被确定。
7.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于数字适配器(5)有解码器(30)，解码器(30)的输入与回波滤波器(22)及数字适配器(5)的数字接口的输出相连，考虑由数字适配器(5)产生的信号的回波，所述解码器(30)的输出向用户装置(9)输出由模拟适配器(6)发送的确定的比特组序列。
8.在通信系统中从模拟适配器(6)到数字适配器(5)的传输方向上的传输方法，其特征在于它包括下列步骤：
—在与通信系统相连的数据源(35)中取一比特组；
—选择一幅度与该比特组的数字值相对应的模拟信号，与相继的组相对应的信号相互干扰并具有这样的形状：模拟信号在交换机(4)的模拟接口处被取样时，其值等于由模拟适配器(6)到数字适配器(5)传输的数字信息所确定的值与数字适配器(5)发送的信号的回波之和，在模拟信号的取样之后，一个表示所述和的字节就会出现在数字适配器(5)中；
—考虑数字适配器发送的信号的回波和所述字节，处理所述相继的字节，以找到确定的比特组序列，其中不必从所述字节所代表的线性值减去所述回波，
—向用户装置发送所找到的比特组的数字值。
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