CN1324518A - 干扰消除的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于消除电磁干扰(n)的设备,包括:装置(3),用于将标准信号(Sc)划分为具有不同相位的第一和第二信号(SCI,SCQ);两个乘法器(4,5),每个用于将加权系数与移相信号(SCI,SCQ)之一相乘,并输出已乘的信号;和加法器(6),用于将两个已乘信号相加,并输出被校正的标准信号(Sn);和减法器(7),用于从输入信号(Sd)减去被校正的标准信号(Sn),并输出误差信号(Se)。依据本发明将不同的加权系数(I(f),Q(f))用于干扰(n)的不同频率或频段(f)。

Description

干扰消除的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于消除电磁干扰的方法和设备。
相关技术描述
利用通常的电话线路高速率发送数据已经成为平常的事。为此所用的许多标准之一做VDSL(特高速数字用户线路)，见ETSI“DTS/TM-06003-1(草案)V0.0.6(1997-11)”。所用的频带范围从0.5到10MHz。
一个出现的问题是几个业余无线电频段位于与VDSL相同的频率范围，也就是，1,8-2,0MHz,3,5-3,8MHz,7.0-7.1MHz和10.10-10.15MHz。在这些频段中的每一个中，无线电业余爱好者利用窄带信号，通常具有小于4KHz的带宽。无线电业余爱好者可能利用非常高的功率电平靠近电话线路发送，典型情况下高达400W，在某些国家中甚至更高。因此，高幅值的干扰可能被引入电话线路。在随时间的特性方面，干扰表现出大的变化，这是由于业余无线电传输利用单边带。而且，干扰可以在一天的任何时候，在业余无线电频段的任何部分中出现，这取决于无线电业余爱好者在什么时候发送和给谁。
通常对于电话线路使用双扭线电缆并用差动方式发送信号。如果信号被差动地发送的话，来自外部的干扰理论上将成对地干扰两条线，因而根本上将是微不足道的。然而，实际上，使两条线完全相同是不可能的，结果来自业余无线电传输和类似物的强信号仍然成为令人注目的。
对于业余无线电的相应问题当然也发生在类似的方面，例如有线电视网。而且，类似的问题可能由无线电偷播者引起，他们甚至根本不遵守任何规则，既不管频段又不管输出功率。在有线电视网中来自无线电偷播者的干扰问题被详细地描述在IEEE CommunicationsMagazine,April1987,Vol.25,No.4,Schreen & Arnbak“Interference Prolection of Cable Networks Against RadioPirates”之中。
在Scheerens & Arbaks的文章中，也表明了人们已经试图避免有线电视网中的问题。基本思路是，除了原先的天线外，还使用一个标准天线，它被定向于干扰源/无线电偷播者。对从该标准天线接收到的信号给于一种复数加权，使相位和幅度得以调节。据此，将已加权的标准信号从原先天线的原始信号中减去，以使干扰被抵消。然而，这种办法只是在静态条件下每次关注一个干扰源。
在Scheerens & Arbaks的文章中示出的一种更先进的型式是依靠自适应加权。两个同步检测器被用于将来自原先天线的信号分别与来自标准天线的信号中的0°-90°分量相关。据此，将这些已相关的信号积分并作为控制信号送到一个复相位调制器，它起着一种被反馈连接的控制电路的作用并提供一个输出信号，将其加到来自原先天线的信号上。用这种方式，可以控制来自原先天线的输入信号的幅度和相位，从而消除该干扰。
在WO97/40587中，示出一种在电话中使用的型式，其中不需要知道干扰到达的方向。将输入的双扭线电话电缆连到一个变压器，将输入信号变换成一个差分信号和一个共模信号。该共模信号，是干扰信号的测量，是通过，例如，利用变压器输入侧上的中心端并利用地作为标准获得的。将该差分信号和共模信号送到一个射频消除器，利用一个滤波器，产生干扰消除的差分信号，将其进行A/D变换并在数字信号处理器中处理，以便得到原先发送的数据。该数字信号处理器也产生一种更新的控制信号，将它回送到射频消除器，并在传输中所谓的“无声周期”期间，也就是在无数据发送期间被激活。
该射频消除器还包括一个减法器，从该差分信号中减去被估计的干扰信号并输出干扰消除的差分信号。该射频消除器还包括一个更新电路，接收更新控制信号并使干扰消除的差分信号在无声周期期间反馈传送到一个自适应滤波器，它接收共模信号和干扰消除差分信号并产生估计的干扰信号。
该自适应滤波器包括一个移相器，获得共模信号的0°和90°分量。将每个信号分量与干扰消除的差分信号相乘并积分。将其结果再次乘以各自的分量并相互迭加，从而获得估计的干扰信号。
这种方法的缺点是慢，只能在无声周期期间进行更新。
详述
WO97/40587中的解决方案的一个问题是更新只能在无声周期期间进行。另一个问题是WO97/40587中的解决方案只要干扰具有相同频率是工作得很好的，但当频率改变时，必须进行自适应，这要花些时间。
本发明的目的是通过根据干扰中的频率使干扰消除解决了以上的问题。本发明包括一种装置，例如，移相器，用于将标准信号分成具有不同相位的第一和第二信号，最好具有90°的相位差。本发明还包括两个乘法器，用于将一个加权系数与相移信号之一每个相乘，并用于输出每个乘得的信号。最好使用LMS-计算(最小均方值)，以获得加权系数。而且，本发明包括一个加法器，用于将两个乘得的信号相加，并输出被校正的标准信号，还包括一个减法器，用于从输入信号中减去校正的标准信号并输出误差信号。通过对于干扰的不同频率或频段使用不同的加权系数，使干扰消除与干扰频率有关。
其优点在于对于干扰的每个新频率或频段，适合于这个特定的频率或频段的加权系数的一个新的基本值可被迅速地选取。这可在任何时间进行，不仅在无声周期期间。然后可在这个频率或这个频段内进行细调谐，最佳的结果应该发生在无声周期期间，或者非常慢地发生在传输期间。当加权系数一旦已经设置为对一个特定频率的基本值，通常不大需要精细调谐，这使它成为一种相当快的方法，比起加权系数的自适应要连续进行快得多。
作为一种应用的例子，该标准信号可以是一个数据信号的共模信号，该数据信号，例如可以是电话，电视或纯数据，而输入信号可以是相同的数据信号的差分信号。而误差信号成为数据信号的干扰消除型。
现在将通过最佳实施方案并参照附图更详细地描述本发明。
附图描述
图1示出一种用于干扰消除的现有技术简图。
图2示出本发明第一实施方案的简图。
图3示出本发明第二实施方案的简图。
图4示出图2和3中细节的一种实施方案简图。
详述
在图1中示出依据WO97/40587的一种现有技术的简化型式。然而现有技术将利用新的术语，部分利用与WO97/40587中不同的其他术语。本发明的一部分认清它实际上是工作和不工作，这在WO97/40587中一直没有得到解释。
干扰信号n干扰连到变压器2的输入双扭线电话电缆1，该变压器将输入线路信号Sl变换成差分信号Sd和共模信号Sc。共模信号Sc，是干扰信号的量度，可以，例如通过选择变压器的输入侧的中心端并利用地作为参考，通过利用双扭线路之一或者通过利用地作为参考得到两条线路之和来得到。优先利用第一可选方案。
共模信号SC被送到移相器3，输出共模信号SC的0°和90°分量SCI,SCQ。据此，在乘法器4,5中分量SCI,SCQ每一个与加权系数I,Q相乘，以便最后在加法器6中相加。在WO97/45087中并未使用术语加权系数，但在此被引入，因为为了解释本发明该术语是需要的。
对于加权系数I,Q选取适当的值在相加以后得到被估计的干扰信号Sn，然后可在减法器7中从差分信号Sd减去，从而得到干扰消除信号Sc，由此可利用如信号处理器8抽取电话数据。
利用LMS-计算(最小均方值)可获得加权系数I,Q。是通过在传输的无声周期期间将干扰消除信号SC回送到两个乘法器9,10实现的，其中在每个乘法器中它被与两个共模信号分量SCI,SCQ中的一个相乘，然后在积分器11,12中被积分，从而获得加权系数I,Q。
对于为什么LMS-计算是适合的数学背景可在WO97/40587或“IEEE Journal of Solid-State Circuits”,Vol.30,No.12,Dec.1995,page1391-1398“Analog CMOS Implementation of HighFrequency Least Mean Square Error Learning Circuit”by Kub andJusth中找到。
无声周期是这样的周期，该时无数据在任何方向中被发送。可用于例如，区分两个不同方向中的通信。
在图2中所示的本发明是基于连同图1所描述的现有技术。然而，只是在无声周期期间更新的功能不需要采用相同的方法，这将在以下作更详细的解释。
在WO97/40587中，未被公开不必要特别地使用线路信号中0°和90°分量。只要得到两个具有不同相角向量。它就工作，如果它们每个首先与加权系数相乘，然后相互相加，就可抽取所有其他的相角和幅度。然而，实际上，结果是如果使用0°和90°分量，得到最佳结果。
而且，如WO97/40587中所描述的那样，只使用一个信号处理器，或者将它放在WO97/40587中所放的地方是不必要的，而某些形式的接收机被适当地提供，用种种方法接收干扰消除信号Se。因为在本发明中接收机的位置并不重要，在图2中未示出。
并且，应该指出，干扰问题可被一般化，如在以上引用的Kubs和Justh的文章中那样。在此共模信号Sc对应于标准信号Sc，差分信号Sd对应于输入信号和干扰消除信号Se对应于误差信号Se。因此这些一般性的术语将使用在以下的描述中。
还有在以上引用的现有技术中未提到，也可以利用实现LMS-算法的其他方法，甚至可以利用其他类型的算法。在基本的LMS-算法中系数C被按下式更新：
Ck+1=Ck+μ·Se·Sc                                     (1)
其中μ是一个自适应常数，并通常是2的小幂数。
然而，利用另一种类型的符号算法可能是合适的，这是由于这样的事实，少数的或实际上没有使它们容易实现的乘法被采用。这样一种算法的例子可像：
Ck+1=Ck+μ·Se·sign(Sc)                               (2)
符号算法的另一种形式可象：
Ck+1=Ck+μ·Se·sign(Se)                               (3)
最简单的LMS-算法是符号-符号算法。然后系数C被依据下式更新：
Ck+1=Ck+μ·sign(Se)·sign(Sc)                         (4)
在图2中示出本发明的一种实施方案。它包括除了信号处理器8以外图1的所有部件。而且，LMS-计算单元13,14被一般化。为了避免必须每次完成新的自适应干扰变化频率，加权系数I,Q是频率有关的，也就是，实际上它们对于干扰的不同频率或频段，成为不同的加权系数I(f),Q(f)。如果，作为一个例子，使用以上的符号-符号算法(4)，对于加权系数I(f),Q(f)的公式成为：
      Ik+1(f)=Ik(f)+μI·sign(sf)·sign(sc)
               (5a)
      Qk+1(f)=Qk(f)+μQ·sign(sf)·sign(Sc)
               (5b)
其中K=1,2,…
当然相应的变化也可以在公式(1),(2)或(3)，和可能觉得在这方面有用的其他公式中完成。一个该公式如何可被用在依据本发明的设备中的具体例子被较详细地描述于下。
对于干扰的每个新频率或频段f，可为加权系数I(f),Q(f)迅速地选择一个适合于这个特定频率或频段f的新的基本值。这可在任何时候进行，不仅在无声周期期间。可按照公式(5a)和(5b)或相应的公式，在该频率或频段f内进行细调谐，以便获得在无声周期期间应该发生的或在传输期间非常慢地实现的最佳结果。当加权系数I(f),Q(f)一旦已经设置为对于一个特定频率的基本值时，通常不需要较多的细调谐，这使它成为一种比较快速的方法，比起如果加权系数I,Q的自适应一直连续地进行要快得多。
改变对于每个频率的加权系数I(f),Q(f)的一种方法可以是对于所有频率的一个大滤波器。这将成为是复杂的和昂贵的，并需要量化和A/D变换。依据图2的解决方案是非常简单和成本较低，并可模拟各式各样的-移相器3，乘法器4、5，加法器6和减法器7-这是一个优点，因为量化噪声可在A/D和D/A变换期间被引入。
为了确定哪个加权系数I(f),Q(f)应该被采用，该设备被适当地提供一种频率估值器21，估计干扰n的频率f。每次干扰n改变频率f多于预置的频率差，选择新的加权系数I(f),Q(f)的值。不同的值可被存入存储器和频率估值器21产生一个被估计的频率，被用于频率地址产生单元22中，以便在存储器中选择一个或几个地址αI(f),αQ(f)。频率估值器21可以是，例如，一个简单的频率计数器或任何其他更精巧的设备，因而频率地址产生单元22，例如，可以利用一种频率和地址之间的简单的查寻表。这可能是一个优点，但不一定，使用参考信号/共模信号SC的两个分量SCI,SCQ。
因为只有当足够强的干扰出现在电平检测器31时才必须引入更新，见图3。电平检测器31读出参考信号/共模信号SC的电平L，当电平L已升到某个阈值值Lt以上时，电平检测器31对自适应控制器32指明应该进行更新，该控制器也从频率估值器21接收被估计的频率。当更新发生时，自适应控制器32对频率地址产生单元22指明这点，然后产生新的地址αI(f),αQ(f)。因为当电平已经在某个时间周期内高于阈值值时，另一个更新发生。这也可被综合到一种共同的控制中看看是否更新已发生。例如，可以有不同频率上和相同时间上不同电平的不同干扰，所以必须进行特别的考虑。如果接收机9被使用，当无声周期出现时，如果希望考虑的话，接收机9发信号给自适应控制器32也是可能的。
应该指出，图3也示出另一种可选的连接频率估值器21的方法，也就是直接连接标准信号/共模信号SC。
在图4中，示出公式(5b)可以如何在实践中实施。然后公式(5a)以相应的方法实现。本发明的这部分被以数字方式适当地实施。在LMS-计算单元14中标准信号/共模信号Sc的符号41在“乘法器”43中与误差信号/干扰消除信号Se的符号42相乘。当然，没有实际的乘法需要实施，只是改变符号的问题。所得到的符号在另一个假设的“乘法器”44中与自适应常数μQ相乘，也就是改变自适应常数μQ的符号。结果在加法器45中被相加，送入存储器46，其地址αQ(f)由频率地址发生单元22选择，在D/A变换器47中被D/A变换，由此获得加权系数Q(f)，可在乘法器5中与参考信号Sc相乘。乘法可，例如，利用异或门实现，与自适应常数μQ的乘法可，例如，作为移位操作实现。
以上所描述的本发明除了可以用于消除来自无线电业余爱好者，无线电偷播者等的干扰外，也可用于消除电磁干扰，特别是具有小带宽的干扰的其他领域中。

Claims (27)

1．一种用于消除电磁干扰(n)的设备包括装置(3)，用于将标准信号(Sc)分成具有不同相位的第一和第二信号(SCI,SCQ)，两个乘法器(4,5)，每一个用于将加权系数与已移相信号(SCI,SCQ)之一相乘，并每一个输出已乘信号，和加法器(6)，用于将两个已乘信号相加并输出被校正的标准信号(Sn)，和减法器(7)，用于从输入信号(Sd)减去被校正的标准信号(Sn)，并输出误差信号(Se)，其特征在于该设备包括装置(21,22)，用于对干扰(n)的不同频率或频段(f)产生不同的加权系数(I(f),Q(f))。
2．依据权利要求1的设备，其特征在于标准信号划分装置(Sc)，乘法器(4,5)，加法器(6)和减法器(7)是模拟的。
3．依据权利要求1-2中任一项的设备，其特征在于干扰消除器还包括两个最小均方值计算单元(13,14)，将每一个安排成对于干扰(n)的不同频率或频段(f)，接收误差信号(Se)和移相信号(SCI SCQ)，实施最小均方值算法和输出加权系数(I(f),Q(f))。
4．依据权利要求3的设备，其特征在于将该最小均方值计算单元(13,14)安排成通过利用将自适应常数(μ)与已移相信号(SCI,SCQ)和误差信号(Se)相乘并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
5．依据权利要求3的设备，其特征在于将该最小均方值计算单元安排成通过利用将自适应常数(μ)与误差信号(Se)和用移相信号(SCI,SCQ)的符号调节过的符号相乘，并加上老的加权系数(I(f),Q(f))的值，产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
6．依据权利要求3的设备，其特征在于将该最小均方值计算单元安排成通过利用将自适应常数(μ)与用移相信号(SCI,SCQ)的符号调节过的符号和误差信号(Se)的符号相乘，并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
7．依据权利要求3的设备，其特征在于将该最小均方值计算单元安排成通过利用将自适应常数(μ)与移相信号(SCI,SCQ)和用误差信号(Se)的符号调节过的符号相乘，并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
8．依据权利要求1-7中任一项的设备，其特征在于标准信号划分装置(3)是移相器。
9．依据权利要求1-8中任一项的设备，其特征在于移相信号(SCI,SCQ)之间的相位差是90°
10．依据权利要求9的设备，其特征在于移相信号(SCI,SCQ)是标准信号(Sc)的0°和90°分量。
11．依据权利要求1-10中任一项的设备，其特征在于加权系数产生装置(21,22)包括频率估值器(21)，用于估计干扰的频率或频段(f)，和频率地址产生单元(22)，用于根据干扰的频率或频段指明在至少一个加权系数存储器(46)中至少一个地址(αI(f),αQ(f))。
12．依据权利要求11的设备，其特征在于频率估值器(21)是一个零交叉频率计数器。
13．依据权利要求11-12中任一项的设备，其特征在于将频率估值器(21)安排成直接从标准信号(Sc)估计干扰的频率或频段(f)。
14．依据权利要求11-12中任一项的设备，其特征在于频率估值器(21)在至少一个移相信号(SCI,SCQ)中估计干扰的频率或频段(f)。
15．依据权利要求1-14中任一项的设备，其特征在于干扰消除器还包括一个电平检测器(31)和一个自适应控制器(32)，提供它们用以根据标准信号(Sc)的电平(L)能够改变加权系数(I(f),Q(f))。
16．依据权利要求1-15中任一项的设备，其特征在于标准信号(Sc)是数据信号(Sl)的共模信号，输入信号(Sd)是数据信号(Sl)的差分信号，误差信号(Se)是数据信号(Sl)的干扰消除型。
17．一种消除电磁干扰(n)的方法包括以下步骤：将标准信号(Sc)划分为具有不同相位(SCI,SCQ)的第一和第二信号；将每个相移信号(SCI,SCQ)与加权系数相乘，得到两个已乘的信号；将两个已乘的信号相加，得到被校正的标准信号(Sn)；从输入信号(Sd)减去被校正的信号(Sn)，得到误差信号(Se)，其特征在于将不同的加权系数(I(f),Q(f))用于干扰(n)的不同频率或频段(f)。
18．依据权利要求17的方法，其特征在于对于干扰(n)的每个频率或频段(f)，将最小均方值算法应用于误差信号(Se)和移相信号(SCI,SCQ)之一，得到加权系数(I(f),Q(f))之一。
19．依据权利要求18的方法，其特征在于，通过利用将自适应常数(μ)与移相信号(SCI,SCQ)和误差信号(Se)相乘并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，实现产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
20．依据权利要求18的方法，其特征在于，通过利用将自适应常数(μ)与误差信号(Se)和用移相信号(SCI,SCQ)的符号调节过的符号相乘，并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，实现产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
21．依据权利要求18的方法，其特征在于，通过利用将自适应常数(μ)与用移相信号(SCI,SCQ)的符号调节过的符号和误差信号(Se)的符号相乘并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，实现产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
22．依据权利要求18的方法，其特征在于通过利用将自适应常数(μ)与移相信号(SCI,SCQ)和用误差信号(Se)的符号调节过的符号相乘，并加上老的加权系数(I(f),Q(f))值，实现产生新的加权系数(I(f),Q(f))值。
23．依据权利要求17-22中任一项的方法，其特征在于根据干扰的频率或频段(f)对干扰的频率或频段(f)进行估算，和在至少一个加权系数存储器(4b)中指明两个地址(αI(f),αQ(f)。
24．依据权利要求23的方法，其特征在于直接从标准信号(Sc)实现对干扰的频率或频段(f)的估算。
25．依据权利要求23的方法，其特征在于从至少一个移相信号(SCI,SCQ)实现对于扰的频率或频段(f)的估算。
26．依据权利要求17-25中任一项的方法，其特征在于只有当标准信号(Sc)高于阈值值(Lc)时，才允许改变加权数据(I(f),Q(f))。
27．依据权利要求17-26中任一项的方法，其特征在于标准信号(Sc)是数据信号(Sl)的共模信号，输入信号(Sd)是数据信号(Sl)的差分信号，误差信号(Se)是数据信号(Sl)的干扰消除型。
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