CN1276632C - 数据网络中多种信号格式的输入增益调整方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种网络接收器，其配置为经由网络媒介而接收来自其它网络收发器的调制载波信号，该调制载波信号可以是脉冲位置调制(PPM)载波或者是正交调幅(QAM)载波。网络接收器配置为根据调制载波为PPM或QAM而选择最佳的增益设定，提供给输入放大器使用。

Description

数据网络中多种信号格式的输入增益调整方法与装置

技术领域

广义来说，本发明涉及网络接口，详言之，涉及一种用于控制网络站台——该网络站台与网络媒介相连接——之间的数据传输的系统以及用于调整多种信号格式的输入增益的装置和方法。

发明背景

在各计算机之间，不同形式的数字数据传输的重要性不断提高。目前处理传输这类数字数据的主要方法包括对数字数据编码，将之转变成低频基本数据信号，然后将基本数据信号调制为高频载波信号。然后将高频载波信号传送至网络电缆媒介上，即经由射频信号、调制照射，或者其它网络媒介，而最后传送至远程计算站台。

在远程计算站台，必须接收该高频载波信号，然后将其解调、恢复成原始的基本数据信号。在网络媒介中，在没有任何载波信号失真的状况下，所接收到的载波在相位、掁幅和频率上，都会和传送的载波一致，因此可以利用已知的混波(mixing)技术将其解调，从而恢复基本数据信号。利用已知的采样算法(sampling algorithms)，基本数据信号又可恢复成数字数据。

然而由于在网络中有极多的分支连接点且分支也有不同的长度，引起所传送的载波有许多不同程度的反射，现有的网络布局技术可能会造成高频载波信号的失真。此外，在网络电缆附近运行的电子设备所导致的杂散信号也会使高频载波信号失真。这类问题在利用家庭电话线做为网络媒介的网络当中会更为明显，因为其中众多的分支和连接点通常设计用于.3-3.4千赫兹的明语旧电话系统(POTS)信号，并非设计用于7MHz等级的高频载波信号的传输。再者，因为有使用网络电缆的POTS的挂机(on-hook)和摘机(off-hook)噪声脉冲，高频载波信号还会受接通瞬间的影响而失真。

这种高频载波信号中相位、掁幅和频率上的失真会降低网络性能，而且会阻碍更高数据传输率网络的设计，也会迫使设计者继续改善调制技术和数据恢复技术，从而提升数据传输率。例如在HPNA 1.0标准下，可以利用载波的脉冲位置调制制(ulse position modulation，PPM)而取得1M位数据传输率，然而更新的2.0标准则可以通过复杂的采用分频(frequency diverse)正交调幅(quadrature amplitude modulation，QAM)的调制方法而取得10M位数据传输率。

与先进的标准和增大的数据传输率相关的问题是调制技术并不是相同的——如HPNA的例子。因此向下兼容性未必一定存在于较新系统的设计中，例如在HPNA系统中，为了向下兼容，较新的2.0接收器就必须能够同时解调符合1.0标准的PPM已调载波和符合2.0标准的分频QAM已调载波，因此接收器的许多功能就实现于两个不同的电路上，一个电路用于PPM，而另一电路用于QAM，从而会增加接收器的制造成本和复杂度。

举例而言，典型的接收器有一个A/D转换器，其用于对调制载波信号采样，并生成一系列在采样频率上发生的采样信号。该系列采样信号会成为接收器的其余电路的输入信号，这些接收器电路通常设置在数字信号处理器(digital signal processor，DSP)上。

在信号进入A/D转换器之前，根据放大器的增益设定，该输入信号必须满足该放大器的条件，从而保证信号参数处于该A/D转换器的动态范围内。而该放大器的增益通常利用一闭环反馈系统来设定。问题在于，PPM调制载波信号和QAM调制载波信号具有明显不同的功率波包线(power envelop)。更详细的说，PPM调制载波信号的功率处于3μs数量级的短脉冲内，而QAM调制载波信号的功率在整个传输帧(transmission frame)内是连续分布的。在脉冲功率条件下用来设定输入增益的反馈电路从根本上不同于在连续功率条件下用来设定输入增益的反馈电路，因此需要复杂的反馈电路才能同时对PPM和QAM信号进行迅速的增益调整。这样的电路通常会大幅增加接收器的尺寸及其成本。

由此可知，根据公认的产业上对组件缩小尺寸和降低成本的需求，需要一种用于对接收器内放大器调整输入增益的装置和方法，而该接收器可以接收以多种调制技术调制出的调制载波信号。

发明概述

本发明的第一个特点是提供一种网络接收器，其配置为经由网络媒介而接收发自另一个网络收发器的调制载波信号。该网络接收器包含：a)输入放大器，其依据多个放大器增益设定中的一个设定而放大所接收的调制载波信号，并输出放大的载波信号；b)波包线检测器，其配置为根据该放大的载波信号而输出其波包线信号；c)第一增益控制电路，其配置为根据该波包线信号而选择第一增益设定，该第一增益设定是接收脉冲位置调制载波信号的最佳设定；d)第二增益控制电路，其配置为根据该波包线信号而选择第二增益设定，该第二增益设定是接收正交调幅调制信号的最佳设定；和e)选择电路，其配置为确定该波包线信号是代表脉冲位置调制载波，还是代表振幅调制载波，并相应地将放大器增益设定调为第一增益设定或者第二增益设定。

网络接收器可进一步包括：模数转换器，该转换器根据放大的载波信号而生成数字载波信号；以及希尔伯特变换器(Hilberttransformer)，该变换器根据放大的载波信号而生成数字I频道载波信号和数字Q频道载波信号。上述波包线检测器可对I频道载波信号和Q频道载波信号加以响应。

选择电路可包含一个载波感应电路，用于检测波包线信号内功率脉冲的时间长度，如果功率脉冲的时间长度在量级上小于脉冲位置调制功率脉冲的时间长度，选择电路可选择第一增益设定，而如果功率脉冲的时间长度在量级上大于脉冲位置调制功率脉冲的时间长度，则选择电路可选择第二增益设定。

波包线信号可代表I频道载波信号平方与Q频道载波信号平方之和的平方根。第一增益控制电路可包含多个比较器，每一比较器配置为可将波包线信号与多个参考信号中的一个信号进行比较，而且通过在重复测试多个增益设定中的每一设定时检测出至少一个比较器的饱和，从而确定第一增益设定。第二增益控制电路可包含：一个对数查询表，该表格生成代表波包线信号的对数信号；一个比较器，其通过将该对数信号与参考信号进行比较，以生成差分信号；一个乘法器，其通过将该差分信号与一个环路增益常数相乘，从而产生一个乘积；以及一个积分器，其将该乘积积分，从而产生第二增益设定。环路增益常数可以选择成大的数值，代表被检测功率脉冲的第一部分，或者是小的数值，用以代表被检测功率脉冲的第二部分，也可以是零，用于代表被检测功率脉冲的其余部分。

本发明的第二特点是提供确定增益设定的方法，该增益设定用于一个输入放大器，该输入放大器在配置为从网络媒介接收调制载波信号的接收器中生成放大的载波信号。本方法可以包括：a)从代表该被放大载波信号功率的被放大载波信号中，生成波包线信号；b)根据该波包线信号，确定第一增益设定，该第一增益设定选定用于接收脉冲位置调制载波信号；c)根据波包线信号，确定第二增益设定，而该第二增益设定选定用于接收正交调幅载波信号；d)确定调制载波信号是脉冲位置调制载波信号，或是正交调幅载波信号；e)如调制载波信号确定为脉冲位置调制载波信号，设定输入放大器的增益为第一增益设定，如调制载波信号确定为正交调幅载波信号，则设定输入放大器的增益为第二增益设定。

本方法可以更进一步包含将放大的载波信号转换成数字载波信号，以及由该数字载波信号生成I频道载波信号和Q频道载波信号，由I频道载波信号和Q频道载波信号生成波包线信号。

设定输入放大器的增益的步骤可包括在波包线信号中检测功率脉冲的时间长度，如果功率脉冲的时间长度在量级上小于脉冲位置调制功率脉冲的时间长度，将输入放大器的增益设为第一增益设定，而如果功率脉冲的时间长度在量级上大于一个脉冲位置调制功率脉冲的时间长度，则将输入放大器的增益设为第二增益设定。波包线信号可以代表I频道载波信号平方与Q频道载波信号平方之和的平方根。

第一增益设定可这样确定：将波包线信号和一组参考信号中的一个信号进行比较，而且通过对于在至少一个参考电平上所发生的饱和来重复测试多个增益设定中的每一设定，从而确定第一增益设定。第二增益设定可以这样确定：将波包线信号转换成代表该波包线信号的对数信号；将该对数信号与一个参考电平进行比较从而生成差分信号；将差分信号与一个环路增益常数相乘而产生乘积；将该乘积积分从而确定第二增益设定。该环路增益常数可以选择为大的数值，用以代表被检测功率脉冲的第一部分，或者是小的数值，用以代表被检测功率脉冲的第二部分，也可以是零，用以代表被检测功率脉冲的其余部分。

附图简单说明

图1是根据本发明的一实施例的一个局域网方框图；

图2a是根据本发明的一实施例的脉冲位置调制载波的示意图；

图2b是根据本发明的一实施例的正交调幅载波的示意图；

图3是根据本发明的一实施例的一个增益控制反馈回路的方框图；

图4是根据本发明的一实施例的一个增益选择电路的方框图；

图5是一个状态机示意图，用以显示图4中增益选择电路的操作；

图6是图5中状态机的示例操作示意图；

图7是一个增益控制电路的方框图，该增益控制电路用于根据本发明的一实施例而确定正交调幅载波所需的放大器增益；

图8是一个增益控制电路的方框图，该增益控制电路用于根据本发明的一实施例而确定脉冲位置调制载波所需的放大器增益；以及

图9是流程图，显示图8电路中微控制器的工作。

优选实施方案描述

以下参照附图详细说明本发明，全部附图中，用相同符号代表相同组件。

图1是根据本发明的一实施例的局域网10的示意图，该局域网是在家庭环境中使用双绞线网络媒介而形成的。如图1所示，网络10包括网络站台12(a)至12(c)，这些网络站台分别经RJ-11电话插座14(a)至14(c)而与电话线(双绞线)接线18相连接。电话16连接至RJ-11电话插座14(d)，而且当网络装置12(a)～12(c)传输网络数据时，电话16仍然可以作为一般电话通话。

如图1所示，每一网络装置可以是个人计算机、打印机、服务器、或者其它智能型消费者装置，而其每一个都有收发器13(a)～13(c)，以便经网络媒介18而与其它网络装置12(a)～12(c)通信。

每一网络装置12(a)～12(c)通过传送模拟网络信号而进行通信，该模拟网络信号包括可用网络数据调制的载波信号。当利用离散的频宽有限脉冲将网络数据调制至载波上，一部分的网络装置12(a)～12(c)即可以使用脉冲位置调制(PPM)。而当利用同时改变载波的掁幅和相位，即根据一种复杂编码分布群法(constellation)而改变载波的掁幅和相位，将网络数据调制至载波上，那么另外一部分的网络装置12(a)至12(c)即可以使用正交调幅(QAM)。在本优选实施例中，PPM调制符合家庭电话线网络协会(Home Phoneline Network Alliance，HPNA)1.0标准，其为一个网络设备制造商联盟——其中包括加利福尼亚州Sunnyvale的先进微装置公司——所公布的标准，提供数据传输率为1M位；而QAM调制符合HPNA 2.0标准，提供数据传输率为10M位。因此可以理解，在只能使用PPM调制的网络装置12和其它装置之间，数据通信就要使用PPM调制的载波。然而，在同时可利用PPM和QAM调制的装置之间，数据通信就会使用数据传输率较快的QAM调制的载波。因此应认识到，对接收网络装置而言，能同时应用PPM和QAM的收发器13(a)～13(c)必须既能够利用PPM调制的载波、也能够利用经QAM调制的载波而接收数据，其中包括检测每一所述载波的出现、分辨出PPM或者QAM调制的载波、以及接收和解调每一调制的载波。

还有，为便于在网络10中的装置12(a)至12(c)之间进行通信——该网络同时包含有HPNA 1.0装置和HPNA 2.0装置——存在称之为兼容方式的第三种操作方式。兼容方式帧(frame)利用PPM调制的标题，其后紧随一个QAM调制的数据。收发器13(a)至13(c)必须也能在一个PPM帧和一个兼容方式帧之间进行区别，而且恰当地接收每种帧。

如上所述，应用PPM调制载波的功率波包线和应用QAM调制载波的功率波包线是根本上不同的。参考图2a，在每一帧内，PPM调制的载波20的功率波包线包括多个分开的功率脉冲22(a)至22(c)，这些功率脉冲之间由功率暂停区24(a)至24(c)所分隔。参考图2b，在帧28的持续时间内，QAM调制的载波26的功率波包线包括连续的功率载波，而在帧与帧之间出现功率暂停区(power dwell)30。

同样如上所述，网络媒介的接线布局技术(图1)可以引起很大的失真，以致信号的强度明显变化，在所接受的载波信号内会发生多个局部的极大和极小值。当接收网络数据时，除了要检测是否存在载波，并在QAM调制的载波与PPM调制的载波进行区分之外，收发器13(a)至13(c)中的每一个接收器15(a)至15(c)必须接纳这种失真。对使用在数字环境的接收器15(a)至15(c)而言——在数字环境中用A/D转换器对所接收的模拟调制载波采样从而产生该载波的数字表达式，接收器接纳这种失真的方式包括利用输入放大器来放大载波信号，从而适当地利用该A/D转换器的动态范围。

参考图3，其中所示电路32用来设定输入放大器34的增益，以便利用A/D转换器38的全部动态范围。在操作中，输入放大器34根据增益设定35将所接收的信号36放大。被放大的信号37接着输入至A/D转换器38。A/D转换器38的功能是对被放大的信号37进行采样，产生一系列数字采样值，该采样值代表经调制的载波。数字采样值然后被输入至一个希尔伯特变换器40，该变换器的作用是利用已知的技术，从数字采样值中分离出I频道信号42(I)和Q频道信号42(Q)。I频道信号42(I)和Q频道信号42(Q)被输入至波包线检测器44，波包线检测器44利用已知的技术计算I²+Q²之和的平方根，并生成代表该值的波包线信号46。

I频道信号42(I)和Q频道信号42(Q)还耦合至一个接收器(图中未示)，以便恢复线路41(I)和41(Q)上的QAM调制的数据，而波包线信号46则耦合至该接收器(图中未示)，以便恢复PPM调制的数据。

波包线信号46也可以耦合至每一QAM自动增益控制(QAM AGC)电路48，以及每一PPM自动增益控制(PPM AGC)电路50上。QAM AGC电路48的作用是产生QAM增益值(QAM RxGain)，而PPM AGC电路50的作用是产生PPM增益值(PPM RxGain)。多路转换器52的作用是在QAM RxGain和PPM RxGain中选择其一，而将其用来根据线路61上的增益选择信号而放大被接收信号36。出自多路转换器52的选定增益信号，即QAM RxGain或PPM RxGain，会输入至一个对数式D/A转换器54，对数式D/A转换器54生成模拟增益信号35，此信号设定输入放大器34的增益。

波包线信号46还输入至低通滤波器56，生成过滤的波包线信号，而此过滤的波包线信号又耦合至增益选择电路58，以便根据PPM帧、QAM帧和兼容方式帧来选择QAM RxGain或PPM RxGain。

参考图4，典型的增益选择电路58包括一限幅器(slicer)92，或其它阈值检测器，用于接收线路57上的过滤的波包线信号。限幅器92将过滤的波包线信号与阈值相比较，并且在线路94上生成限幅器输出信号，当过滤的波包线信号大于或者等于阈值时，输出是逻辑高，而当过滤的波包线信号小于阈值时，输出为逻辑低。

限幅器输出信号依序输入至一系列延迟单元(delay element)96(a)至96(g)。各延迟单元96(a)至96(g)的作用是将限幅器输出信号延迟0.5μs。出自限幅器92以及出自各延迟单元96(a)至96(g)的限幅器输出信号会经由旁流线路(tap lines)100(a)至100(h)，输入至逻辑电路98。

应认识到，因为每一延迟单元96(a)至96(g)所代表的是在限幅器输出信号上一个0.5μs的延迟，在限幅器输出信号在3μs期间中保持为逻辑高值的情况下，则6个依序排列的延迟单元的输出，也就是经由旁流线路100(a)～100(h)而至逻辑电路的输入，即为逻辑高值。

在线路94上的限幅器输出信号也耦合至时间输出电路102。该时间输出电路102在线路63上提供超时信号，该信号表示在限幅器输出信号从逻辑高值转变成逻辑低值之后，超过3.5μs未检测到载波。

逻辑电路98的作用是在线路61上生成增益选择信号，根据如图5增益选择状态机103，此增益选择信号代表QAM RxGain和PPMRxGain。

参考图5的状态机图，其中104表示的状态是增益选择信号代表QAM RxGain，而106表示的状态是增益选择信号代表PPM RxGain。

当逻辑电路98处于状态104时，只要被检测的脉冲宽度不低于3μs(例如在3μs内未检测到脉冲或者在旁流线路100(a)至100(h)上检测到连续的脉冲)，逻辑电路98即会通过循环112保持在状态104，或者由接收器在线路60上指示出兼容方式。相应地，如检测的脉冲宽度小于3μs而且在线路60又没有显示兼容方式，则状态机103即经转换114而转换成状态106。

只要接收器在线路60上指示的是PPM方式，状态机103即经循环108保持在状态106。相应地，如果接收器在线路60上指示的不是PPM方式，状态机即经转换110而转换回状态104。

参考图6，其中显示了CRS状态机示例性操作的计时示意图。载波信号116由一个PPM帧118、一个QAM帧120和一个兼容方式帧122所组成，其中兼容方式帧122包括一个PPM标题和其后的QAM数据。如图5所示，只要未检测出宽度小于3μs的脉冲，而且未显示兼容方式，则增益选择信号124即保持在QAM RxGain状态。一旦检测到宽度小于3μs的脉冲，靠近PPM帧118开始处的转换126即会指示有一个到PPM RxGain的转换发生。同样，一旦检测到宽度小于3μs的脉冲，靠近兼容方式帧122开始处的转换126会指示有一个到PPMRxGain的转换发生。然而当接收器正显示兼容方式时，转换132显示有一个立即回到QAM增益的转换。应认识到，在转换130之前，接收器会检测和指示兼容方式，而在此期间不会发生转换130。

一旦PPM帧118结束，回到QAM RxGain的转换128和转换110(图5)会同时发生。

参考图7，所显示的是QAM AGC电路48的方框图。波包线信号46被输入至对数查询表62，对数查询表62生成对数信号，该对数信号代表波包线信号46的20Log数值。然后比较器68将该对数信号与预定的参考电平64加以比较，而在乘法器70中，会将预定参考电平64与对数信号之间的差值乘以环路增益常数67，从而生成乘积信号。该乘积信号随后输入至积分器72，积分器72接着生成QAM RxGain信号。典型的积分器72由一个延迟单元74、一个反馈电路76、和一个加法器78所组成。

环路增益常数67是由环路增益常数电路66所产生的数值，环路增益常数电路66的功能相当于符合以下状态机规则的状态机：

在帧(指示在线路60上的QAM载波)的前0.5μs内选择K1

在0.5μs到1.5μs之间选择K2

在1.5μs之后直到帧结束(即线路63上的超时信号)选择0(例如锁定增益)。

参考图8，其显示PPM AGC电路50的方框图。波包线信号46被输入到一排4个比较器82(a)至82(d)，其中每一个比较器都将波包线信号46和4个参考电平RL(1)至(4)中的一个分别加以比较。微控制器80从每一比较器82(a)至82(d)接收一个数值，并由此生成各参考电平信号RL(1)至(4)及PPM RxGain信号。

结合图8而参考图9，所展示的是微控制器80操作的流程图。在步骤84，微控制器80将PPM RxGain设为最大增益值，并将各参考电平RL(1)至(4)设为预定的参考电平。在本优选实施例中，RxGain是3位信号，因此代表八种可能的不同增益设定，其中最大设定表示为二进制的111。在步骤86，微控制器80确定是否达到饱和，或者更具体地说，波包线信号45是否始终在4个参考电平RL(1)至(4)中的一个参考电平之上。如果检测出饱和，即在步骤88调整增益。调整增益是一种反复式的过程，即从最高有效位直至最低有效位，从而可快速收敛到正确的增益设定。每当微控制器80在载波上检测到一个PPM脉冲，就会发生一次反复式调整。因此，在步骤88，会将增益设至二进制的011。在步骤88的增益调整之后是步骤90，在此步骤之中，有一个计数器会和最大反复次数作比较，该最大反复次数可以用来选择最佳增益——如果计数器相对较小，则计数器会在步骤92中递增，而且微控制器停止增益的调整从而锁定增益。如果在步骤86未检测出饱和状态，微控制器会直接从步骤86进入步骤90。

应认识到，以上所讨论的装置和方法，可供一个简化的系统用于为网络环境中操作的接收器选择输入放大器增益设定，而其中的接收器必须用多种调制技术来分辨和接收数据。

虽然以特定的优选实施例来阐释和说明本发明，但是显然，本领域技术人员在阅读并理解了本说明书后，会想到各种等值方案和改动。例如，尽管示例性实施例针对的是PPM和QAM调制技术，然而易于替换为调频、相移键控(phase shift keying)和其它的调制技术。另外，尽管示例性实施例应用波包线检测器来分辨调制技术，根据采用的所选调制技术而在经其调制的载波上所具备的可分辨特征，易于采用其它分辨技术。本发明包括上述的一切等值方案与改动，并仅仅由所附权利要求书范围所限定。

Claims (5)

1.一种网络接收器，配置为用于经由网络媒介而从其它网络收发器接收调制的载波信号，该网络接收器包含有：

a)输入放大器，用于根据多个放大器增益设定中的其中一个增益设定而放大所接收的调制载波信号，并输出放大的载波信号；

b)第一增益控制电路，用于提供第一放大器增益设定，该第一放大器增益设定基于根据脉冲位置调制方法而调制的载波信号；

c)第二增益控制电路，用于提供第二放大器增益设定，该第二放大器增益设定基于根据正交调幅调制方法而调制的载波信号，所述正交调幅调制方法在原理上与脉冲位置调制方法具有实质性的不同；

d)选择电路，用以识别载波信号是否根据所述脉冲位置调制方法或所述正交调幅调制方法调制，并根据其识别结果将增益控制信号提供给所述输入放大器，以根据该选择电路识别的不同的常规调制方法采用第一放大器增益设定或第二放大器增益设定放大载波信号。

2.如上述权利要求的网络接收器，进一步包含波包线检测器，用于根据所述放大的载波信号而输出波包线信号，而且其中所述选择电路包括波包线检测电路，用来检测在该波包线信号中的功率脉冲的时间长度。

3.如权利要求2的网络接收器，当所述功率脉冲的时间长度小于脉冲位置调制功率脉冲的时间长度的量级时，该选择电路提供增益控制信号，将所述第一放大器增益设定耦合至所述输入放大器。

4.如两项权利要求2或3的网络接收器，其中当所述功率脉冲的时间长度大于脉冲位置调制功率脉冲时间长度的量级时，该选择电路提供增益控制信号，将所述第二放大器增益设定耦合至所述输入放大器。

5.如权利要求2或3的网络接收器，其进一步包含模数转换器，该模数转换器根据所述放大的载波信号而生成数字载波信号，所述波包线检测器对该数字载波信号作出响应。

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