CN1989700A - 子块域转换多路信号处理 - Google Patents
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Abstract
公开了一种以太网收发器的例子,该以太网收发器包括多个数字信号流(R1,R2,R3,R4),至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流(312,316,618)上。域转换器(420),用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到较低复杂度的域。处理器(430),用于对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响。反向转换器(440),用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
Description
技术领域
本发明通常涉及网络通信。尤其是,本发明涉及一种用于子块域转换多信号处理方法和装置。
发明背景
高速网络在不断地发展。其中包括在网络运行速度上的持续的加强。已经呈现的网络运行选择是通过未屏蔽的双绞线物理的连接以太网。10BASE-T形式的以太网是其中一种最普遍地高速LAN(局域网),其用于在个人计算机、工作站和服务器之间提供连通性。
高速LAN技术包括100BASE-T(快速以太网)和1000BASE-T(千兆以太网)。快速以太网技术已经提供了一种平稳的进展,其性能从10BASE-T的每秒10兆比特(Mbps)进展到100BASE-T的100Mbps。实质上单一的千兆以太网提供了每秒1千兆(Gbps)的带宽。并且期望把以太网的运行性能增加到更高的数据速率。
图1示出了根据现有技术,在双向传输信道上通信的以太网收发器对的框图。该收发器对包括第一收发器100和第二收发器105。第一收发器100包括发射部分110,其通过发射信道135接收用于发射的数字数据。第一收发器100还包括接收数据的接收部分120。收发器包括在发射中使用的数模转换器(DAC),和在接收时使用的模数转换器(ADC)。混合电路130设计成减小在接收信号路径上存在的发射信号的级别。该发射部分110和接收部分120连接到一个公共的双绞线上,其使得某些发射部分110的发射信号耦合到接收部分120的接收信号上。该耦合信号可以称作“回声”信号。
第二收发器105的混合电路140以与第一收发器100的混合电路130相同的方式运行。第二收发器105的发射部分150和接收部分160以与第一收发器100的发射部分110和接收部分120相同的方式运行。
高速以太网的运行包括同步、在所选的频带内双向全带宽发射(术语上称作全双工通信制)。当配置成以全双工通信制方式发射,通常需要以太网线路插件具有以太网收发器的发射和接收部分,该以太网收发器相互以并行的方式连接,配置成对于四对中的每一个允许发射和接收部分将连接到相同的双绞线对。
图2示出了几个并行的以太网双绞线LAN连接212,214,216,218。第一连接212是在第一发射机115a(S1A)和第一接收机125a(R1A)之间,以及在第二发射机115b(S1B)和第二接收机125b(R1B)之间。第二连接214是在第三发射机135a(S2A)和第三接收机145a(R2A)之间,以及在第四发射机135b(S2B)和第四接收机145b(R2B)之间。第三连接216是在第五发射机155a(S3A)和第五接收机165a(R3A)之间,以及在第六发射机155b(S3B)和第六接收机165b(R3B)之间。第四连接218是在第七发射机175a(S4A)和第七接收机185a(R4A)之间,以及在第八发射机175b(S4B)和第八接收机185b(R4B)之间。
双绞线LAN连接212,214,216,218物理上处于接近的位置,并且在双绞线212,214,216,218之间的干扰是由双绞线LAN连接212,214,216,218之间的信号交互引起的。干扰也可以由双绞线LAN连接引起。干扰是远端串音(FEXT)和近端串音(NEXT)的形式。干扰引起NEXT是由于在相邻双绞线连接的近端产生的信号。例如,NEXT干扰包括发射机115a,155a,175a的发射信号S1A、S3A、S4A干扰接收机145a的接收信号R2A。干扰引起的FEXT是由于相邻双绞线连接的远端产生的信号引起的。例如,FEXT干扰包括发射机115b,155b,175b的发射信号S1B、S3B、S4B干扰接收机145a的接收信号R2A。其他的干扰包括回音信号。例如,回音信号包括发射机135a的信号S2A对接收机145a的接收信号R2A的干扰。另外的干扰包括符号间干扰(ISI)。ISI是在接收机145a的输入R2A处的发射信号S2B的自干扰。其他的干扰还包括外来信号的干扰。外来信号干扰通常包括由于其他以太网电缆的双绞线LAN连接引起的干扰,其可能是最接近相关信号的双绞线电缆。
目前的以太网技术可以包括对数字信号流的时域处理来最小化信号干扰。由于数字信号流的数据频率增加,用来实现时域处理的电子硬件也显著的增加。
数字过滤通常用于减小以太信号的信号干扰。数字通信系统使用多种功能的过滤。这些功能包括滤去邻近的和信道间干扰、归一化、回音消除和串音消除。有限脉冲响应(FIR)过滤可以用来减小信号干扰。
FIR过滤可以要求复杂的电路设备。例如,如果FIR过滤器具有长度P(举例),那么每一次过滤输出信号需要P相乘并累加(MAC)操作。高性能通信系统(这通常称作高吞吐量的系统),FIR过滤器的长度可以更大。需要实现高性能FIR过滤器的电子电路可以变得非常大,并需要较大的成本和较高的能量消耗。高性能过滤器会需要50-1000抽头的长度(P),其中每一个抽头对一个采样信号从前一个抽头延迟一个(或者一的分数)符号周期操作。另外,高性能系统可能需要几个过滤器。
千兆以太网系统可能需要回音、NEXT和FEXT消除和归一化。另外,在每一个通信连接中以太网系统通常包括4个相邻的双绞线连接,对每一个双绞线需要NEXT和FEXT消除。由于接收自其他双绞线通信连接的干扰,通信连接到双绞线可以加上外来的NEXT消除。
期望具有一种用于高处理收发器的装置和方法,其提供用于预处理和后处理的数字信号流以用来最小化以太网LAN信号干扰。希望最小化预处理和后处理的潜在性。该处理应该需要最小量的电子硬件,并且消耗最小量的能量。可选的,处理应该允许较高的数据传输速率,并且允许在较长的传输信道上使用类似的硬件和功率消耗。
发明内容
本发明包括一种预处理和后处理数字信号流以最小化以太网LAN信号干扰(包括自干扰、ISI和串音干扰)的装置和方法。该处理装置和方法提供对潜在预处理和后处理的控制。该处理可以用最小量的电子硬件,消耗最小量的功能来实现,并提供较好的性能。
本发明的实施例包括以太网收发器。以太网收发器包括多个数字信号流,至少一个耦合到另一个数字信号流的数字信号流。域转换器把多个数字信号流中的每一个子块从原始域转换成较低复杂域。处理器接点处理数字信号流的转换子块,每一个接点所处理的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响。反向转换器把接点处理的信号流子块反向转换成原始域。
本发明的另一个实施例包括一种接点处理多个数字信号流的方法。该方法包括把多个数字信号流从原始域转换成较低的复杂处理域,数字信号流的转换子块的接点处理,每一个接点处理的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响,和把接点处理的信号流子块反向转换成原始域。
在下面的结合附图的详细描述中,通过本发明的例子的方式解释,本发明的其他方面和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1示出了根据现有技术,在双向传输信道上的收发器对通信的框图。
图2示出了根据现有技术的多个相邻的收发器对,并且经受在收发器对的信号流之间的串音。
图3示出了根据本发明的实施例的以太网收发器。
图4示出了根据本发明的实施例的以太网收发器。
图5示出了根据本发明的实施例的较详细的一部分以太网收发器,其包括子块处理。
图6示出了根据本发明的实施例的以太网收发器。
图7示出了较详细的以太网发射机,其包括临近信道子块处理。
图8示出了另一个较详细的以太网发射机,其包括远端信道子块处理。
图9示出了根据本发明的一个实施例,多个数字信号流子块接点处理的方法。
具体实施方式
为了解释的目的,如图中所示的,本发明具体表现为一种用于高吞吐量的收发器,其包括信号处理以最小化并行信号的干扰(自干扰、ISI和串音干扰),最小化信号的影响。收发器在信号处理的潜在期间可以提供相同的控制。
图3示出了几个并行的以太网双绞线LAN连接312,314,316,318。该实施例包括子块接点处理器301,391,其包括子块接点处理在双绞线LAN连接312,314,316,318上发射的和接收的信号。该子块接点处理有关通过双绞线连接312,314,316,318发射和接收的信号减少信号的干扰和回音。
第一连接312在第一发射机315a(S1A)和第一接收机325a(R1A),以及在第二发射机315b(S1A)和第二接收机325b(R1B)之间。第二连接314在第三发射机335a(S2A)和第三接收机345a(R2A),以及在第四发射机335b(S2B)和第四接收机345b(R2B)之间。第三连接316在第五发射机355a(S3A)和第五接收机365a(R3A),以及在第六发射机355b(S3B)和第四接收机365b(R3B)之间。第四连接318在第七发射机375a(S4A)和第七接收机385a(R4A),以及在第八发射机375b(S4B)和第八接收机385b(R4B)之间。
发射信号S1A,S1B,S2A,S2B,S3A,S3B,S4A,S4B包括数字信号流。由于发射信号S1A,S1B,S2A,S2B,S3A,S3B,S4A,S4B与R1A,R1B,R2A,R2B,R3A,R3B,R4A,R4B很靠近,数字信号流被耦合,在数字信号流内引起远端串音(FEXT)和近端串音(NEXT)干扰。另外,回音信号干扰每一个数字信号流。
干扰引起的NEXT是因为在相邻双绞线连接的近端产生信号。例如,NEXT干扰包括干扰接收机345a的接收信号R2A发射机315a,355a,375a的发射信号S1A,S3A,S4A。由干扰引起的FEXT归因于在相邻双绞线连接的远端产生的信号。例如,FEXT干扰包括干扰接收机345a的接收信号R2A的发射机315b,355b,375b的发射信号S1B,S3B,S4B。其他的干扰包括回音信号。例如,回音信号包括干扰接收机345a的接收信号R2A的发射机335a信号S2A的干扰。其他的干扰包括符号间干扰(ISI)。ISI是接收机345a的输入R2A处的发射信号S2B自干扰。其他的干扰还包括外来信号干扰。外来信号干扰通常包括由于其他以太网双绞线LAN连接引起的干扰。
图4示出了以太网接收机。图4的例子是一个接收机,其包括模拟前端410,转换部分420,子块接点处理部分430,和反向变换部分440。模拟前端410接收多个发射信号R1,R2,R3,R4(这里,那里是四个)。所收到的发射信号R1,R2,R3,R4可以代表先前描述的接收信号R1A,R2A,R3A,R4A或R1B,R2B,R3B,R4B。
转换部分420把每一个数字信号流从原始域转换到复杂性较小的域。转换的实现包括离散傅立叶变换(DFT),其把数字信号流从时域转换到新的域。有效的离散傅立叶变换是快速傅立叶变换(FFT)。然而,其他可能的转换例子包括离散余弦变换、离散波长变换、离散哈特利变换和多速率过滤变换。通常前提是转换提供不同的域,其中数字信号流的处理可以用不太复杂的电子电路来实现(例如,较少的乘法和加法,较慢的时钟,等等)。
转换部分420从数字信号流中选择采样时钟以用于转换。一个实施例包括持续的选择采样块,例如,768个采样,并且转换每一块数字信号流。对块的大小必然存在限制。如果快太小,基于块的处理会产生失真。因此,通常,块包括足够多的不会使失真发生的数字信号流采样。在一个块中所需要的最小采样数量通常由“过滤时间间隔”项来限定。包括在块的采样持续时间将比过滤时间采样间隔更多。应该注意到,所需的块大小可以在回音信号处理、NEXT信号处理之间变化,并且在FEXT信号处理和ISI信号处理之间变化。
回音干扰主要由反射或者混合(电路)、连接器或者双绞线的失谐所引起。大多数的回音信号能量包含信号的第一个包括第一个反射的回路。一个具有100米长度的双绞线,其回路距离大约是200米,并且花费1μs。在大多数10Gbit的应用中,典型的回音间隔时间在100μs和1000μs之间。典型的FEXT时间间隔是50ns到500ns之间。典型NEXT时间间隔在50到100ns之间。10Gbit的DAC/ADC大约在1GHz中采样,这使得耦合的FIR响应具有100到1000个用于回音干扰的采样块,100到1000个用于NEXT干扰的采样和10到100个用于FEXT干扰的采样。例如,如果,回音快大小是100个采样,并且回音块大小是300个采样,回音和NEXT的接点转换处理需要大于1000个采样的块大小。
另一个实施例包括把数字信号流分成较小的子块,例如128个采样,并且各自转换每一个子块。如下面将要描述的,划分的子块允许每一个子块各自连带的处理。在反向转换子块之前实现接点子块处理通常减少了整个接点处理的复杂性。这还大大减少了接点处理的等待时间。子块的处理在收到整个采样块之前开始,然而,块处理通常需要在块处理之前接收整个数字采样块。因此,子块处理减少了处理的等待时间,另外,子块处理可以提供更有效的多个数字信号流的处理。不同类型的干扰过滤时间采样间隔通常是不同的。对子块大小的适当选择允许不同类型失真的有效块大小改变,典型的,作为多路子块大小,其允许最小化所需的接点处理。
接点处理部分430接点处理经过转换的数字信号流子块。每一个处理过的接点数字信号流子块受各个其他数字信号流的影响。接点处理部分430的各种实施例包括处理减小NEXT和FEXT干扰的影响,并减少回音信号的影响。转换的数字信号流子块被联合处理。也就是说,每一个数字信号流的子块处理基于其他要处理的数字信号流的特性(干扰和回音)。更特别的,对于每一个电子的耦合到四个相邻的通信连接的双绞线上的包括四个数字信号流(四个发射流和四个接收流)的以太网系统,对每一个子块转换数字信号流接点处理是基于其他数字信号流所引起的干扰的。
子块接点处理可以包括对每一个转换的子块数字信号流子块矩阵乘法,该数字信号流具有适当的去耦合矩阵。四个转换的数字信号流的矩阵乘法产生联合产生四个子块化的处理输出。选择子块矩阵单元来减小由干扰引起的影响,所述的干扰是由于在通信链路上发射期间对数字信号流的耦合而引起的,并且减小自干扰的影响,例如ISI。元件还另外受回音信号的影响。
反向转换部分440把接点处理过的信号流子块转换回原始域。通常,原始域是时域。
图5示出了更详细的以太网收发器。该实施例比图3的实施例简单,因为该实施例只包括以太网收发器的两个数字信号流(S1,S2)。信号流(S1,S2)是经过处理的子块接点产生的数字信号流(S1’,S2’)。所有的信号流(S1,S2)用来估计每一个单独的信号流。收到的信号流的数量易于增加。经过处理的数字信号流(S1’,S2’)与接收机或者发射机的信号流总计在一起以最小化信号干扰的影响。如图5所示,经过处理的数字信号流S2’产生回音22和NEXT21干扰纠错信号。
数字信号流(S1,S2)被转换块522,524子块化并且转换成单一的域(需要较低复杂性电子电路)。
发射机的接点的实施例中包括回音处理。图5中的回音处理包括四个128采样子块的矩阵乘法。图3中的块包括四个子块,并且因此,一个块包括512个采样。512个采样的采样时间一定比先前描述的过滤采样时间间隔大。典型的,块大小是过滤时间采样间隔的两倍或者更多。
子块接点信号处理(ECHO11,NEXT12)部分包括四个存储器单元542,544,546,548(如FIFO所示)。每一个存储器单元542,544,546,548存储等价于数字信号流采样的子块。四个子块组合以生成(span)一个块的等价物。当收到新块的采样时,存储器单元542,544,546,548对存储的子块转移一个存储器单元。因此,接点子块处理总是对最新收到的数字信号流的四个子块处理。存储单元的数量是可选的,并且基于想要的块和子块的大小进行选择。
对于回声处理,每一个存储单元542,544,546,548的子块乘以相应的回音子块接点处理过滤。第一存储器单元542的第一子块乘以子块接点处理过滤H11I(k),第二存储器单元544的第二子块乘以子块接点处理过滤H11J(k),第三存储器单元546的第三子块乘以子块接点处理过滤H11K(k),第四存储器单元548的第四子块乘以子块接点处理过滤H11L(k)。经过处理的子块回音由加法器541,543,545,547相加输出。
对于NEXT(NEXT(12))处理,每一个存储器单元542,544的子块乘以相应的NEXT子块接点处理过滤。第一存储器单元542的第一子块乘以子块接点处理过滤H12I(k),第二存储器单元544的第二子块乘以子块接点处理过滤H12J(k)。对于NEXT处理,两个采样组合成生成块等价物。相比回音处理,NEXT处理在先前描述的过滤时间采样间隔上较小。因此,用于NEXT处理的块大小小于用于回音处理的(块大小)。
子块接点信号处理(ECHO22,NEXT21)部分包括四个存储器单元562,564,566,568(如FIFO所示)。每一个存储器单元562,564,566,568存储一个转换的数字信号流采样的子块。四个子块组成形成一个块。
对于回音处理,存储器单元562,564,566,568的每一个子块乘以相应的回音子块接点处理过滤。第一存储器单元562的第一子块乘以子块接点处理过滤H22I(k),第二存储器单元564的第二子块乘以子块接点处理过滤H22J(k),第三存储器单元566的第三子块乘以子块接点处理过滤H22K(k),以及第四存储器单元568的第四子块乘以子块接点处理过滤H22L(k)。处理过的子块回声由加法器561,563,565,567相加输出。
对于NEXT处理,每一个存储器单元562,564的子块乘以相应的NEXT子块接点处理过滤。第一存储器单元572的第一子块乘以子块接点处理过滤H21I(k),第二存储器单元574的第二子块乘以子块接点处理过滤H21J(k)。相比回音处理,NEXT处理在先前描述的过滤时间采样间隔上较小。因此,用于NEXT处理的块大小小于用于回音处理的(块大小)。
反向转换快580,582反向转换加法器547,567的输出。反向转换块580的输出是第一数字信号流S1的第一估计。另外的时间处理可以包括在内以改善第一估计,或者用来减小HijL矩阵项的数量。反向转换块582的输出是对第二数字信号流S2的第一估计。另外的时间处理可以包括在内以改善第一估计。
在图5中所示的接点处理可以用于接收处理和发射处理。一个实施例中包括相同大小的子块,其用来发射并接收接点处理。另一个实施例包括普通的子块转换以用于发射和接收接点处理。明显的,这可以减少用于组合发射和接收接点处理的电子硬件的数量。
每一个接点子块的精确度可以基于耦合的数量。更特别的,由于在较长的时间间隔上干扰耦合的能量减少了,子块接点处理的位宽度可以为子块接点处理链中的后续子块逐渐减少。例如,图5的回音干扰子块链可以包括存储器单元542,544,546,548,这些存储器单元相应于减少的信号能量而具有逐渐减少的位宽度。
接点处理的另一个实施例包括子块过滤的子集,当耦合低于阈值时,该子块过滤会失效。例如,回音信号在一个时间间隔上可以包括一个较高的能量信号成分,该时间间隔大于较低能量信号成分。如果较低的时间间隔,较低能量信号成分低于预定的阈值,那么相应的接点子块过滤会被除去。电缆长度和连接器类型会引起回音信号干扰发生很大的变化。典型的,短的电缆在较短的时间间隔上包括较高的能量干扰,然而,在较长的时间间隔上长电缆包括较高的能量干扰。
图6示出了根据本发明的一个实施例的以太网发射机。发射机接收数字信号流S1’,S2’,S3’,S4’用于在以太网信道上发送。在该实施例中,子块接点处理用于在发射数字信号流之前预处理数字信号流。该预处理减少了在以太网信道上发射之后,数字信号流之间的干扰。
转换块620把每一个数字信号流从原始域转换成较低的处理复杂度的域,并且形成子块。该较低复杂域允许数字信号流子块的处理更加易于实现。
以太网子块接点信号处理器630子块接点处理转换过的数字信号流子块,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响。子块接点处理矩阵的单元可以动态的确定,以便允许持续的减小发射干扰。
接点处理包括FEXT和ISI接点处理。FEXT和ISI处理的实现非常类似于图5中示出和描述的NEXT和回音子块接点处理。
反向转换块640把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
前端收发器610从处理过的数字信号流中产生模拟信号用于在以太信道上发射。
图7示出了较详细的以太网发射机,其包括近信道子块处理。该近信道处理包括NEXT子块处理和回音子块处理。该子块处理通常包括过滤发射信号S1’,S2’,S3’,S4’。经过过滤的(经过接点处理的)输出与收到的信号相加以减小NEXT和回音干扰的影响。
发射信号S1’,S2’,S3’,S4’再经过FEC(前向纠错)710。
DFT块720对发射信号执行离散傅立叶转换。
NEXT块730对发射信号执行近信道子块信号处理。近信道信号子块处理提供对发射信号的NEXT干扰的估计。
回音块740执行对发射信号的回音子块处理。近信道信号子块处理还提供对发射信号的回音信号干扰的估计。
处理过的子块信号流与收到的信号流R1A相加以减小对收到的信号流R1A的近信道干扰的影响。特别的,NEXT干扰和回音干扰的估计与收到的信号流R1A相加以最小化实际的NEXT和回音干扰。
反向离散转换(IDFT)725把校正信号(NEXT和回音)转换回原始域(通常是时域)。
DAC735把校正信号从数字信号转换成模拟信号,允许校正信号与收到的模拟信号流R1A相加。另一个实施例包括将与收到的信号流相加的校正信号作为数字信号而不是模拟信号。另一个实施例包括在被转换回原始域之前将与收到的信号流相加的校正信号。也就是说,在被IDFT725转换回原始域之前。
ADC790把收到的校正过的信号转换成数字信号流以用于另外的接收机处理。在ADC790之前,在模拟域中,ADC790可以通过对校正信号相加而简单化。
图8示出了另一个更详细的以太发射机,其包括远信道子块处理。该实施例包括FEXT子块处理器830,产生在被发射前将与发射信号S1A相加的远信道校正信号。该校正信号通过把校正信号与发射信号S1A相加减小了FEXT干扰的影响。
FEC710和DET720包括相同的如图7所示的指示器,其用来显示FEXT和NEXT处理。
发射信号S1A经过FIFO850和过滤器860。
通过以太网信道发射期间,FEXT处理器830的校正信号被IDFT770转换成原始域,并且接着与发射信号S1A相加,预处理发射信号S1A以减小发射信号承受的FEXT和ISI干扰的影响。
图8包括DAC715,其把预处理的发射信号转换成模拟信号以便通过以太网信道传输。
图9示出了根据本发明的一个实施例,多个数字信号流的接点处理的方法流程。
第一步910包括把每一个数字信号流子块从原始域转换成较低复杂度的域。
第二步920包括对转换的数字信号流子块的接点处理,每一个接点处理过的数字信号流将受其他数字信号流子块的特性的影响。
第三步930包括对把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。矩阵接点信号处理
本发明的接点矩阵信号处理包括估计以太网连接到以太网信号的发射特性。该特性包括干扰(NEXT,FEXT,ISI,ANEXT)和回音信号。
发射特性通常可以分成两个矩阵集合,一个近信道矩阵集合,和一个远信道矩阵集合。近信道矩阵和远信道矩阵的估计用于以太网信号的接点处理。近信道矩阵和远信道矩阵可以通过发送已知的数字信号流并且在预定的接收机上分析结果响应来估计
近信道矩阵
参考图3和5,当发射机315a,335a,355a,375a正在发射,并且发射机315b,335b,355b,375b还没有发射时,与收发器A相关联的接收机和接点处理器301接收以太网数字信号流R1A,R2A,R3A,R4A。对于图5中所示的两个流接收机,信道矩阵ha可以用于近似已经作为数字信号流S1A,S2A发送的信号流R1A,R2A。也就是说,收发器A在数字信号流经过近端以太网发射信号ha之后接收数字信号流S1A,S2A。该收到的数字信号流R1A,R2A可以按照下面(忽略噪声和外部串音)近似:
R1A=ha11S1A+ha12S2A
R2A=ha21S1A+ha22S2A
其中ha的hij元素是耦合的脉冲响应,其产生对收到的数字信号流R1A,R2A的干扰,并且其中符号表示回旋。
对于图5的两个信号流接收机,每一个发射信道的元件可以扩展成四个用于回音项的子块信道矩阵和两个用于NEXT项的子块信道矩阵。也即:
ha11=h11I+h11JD-M+h11kD-2M+h11LD-3M
ha12=h12I+h12JD-M+0+0
ha21=h21I+h21JD-M+0+0
ha22=h22J+h22JD-M+h22kD-2M+h22LD-3M
其中D表示延迟,而M是子块大小。
矢量ra可以用于表示这样的矢量,即其包括收到的数字信号流。更特别的,ra=[R1A,R2A]。矢量sa可以用来表示发射的数字信号流。更特别的,sa=[S1A,S2A]。对于这种表示方法,ra=hasa,并且
对于图5所示的接收机,ha可以用子块矩阵表示成:
ha的矩阵等式,提供了回音和NEXT干扰信号。该矩阵可以通过发射已知信号以及观察作为结果的收到的信号来生成。例如,在以太网收发器功率增加期间,可以实现对ha的估计。ha矩阵的估计允许确定子块接点处理以减小对回音和NEXT串音。
ha矩阵的对角线项hij表示回音信号耦合的脉冲响应,ha矩阵的偏离-对角线项hij(i≠j)表示NEXT耦合的脉冲。收发器(收发器A)具有关于ra和sa矢量的信息,并且可以使用该信息来近似ha。该收发器可以使用已知的信息ra和sa来产生处理(过滤)来近似ha。est_ha的估计可以适应性的通过最小化误差来确定:
est_hasa-ra=error
该误差最小化还可以在经过转换的域中确定,也就是说,上面的公式可以在把所有的元素反向变换回原始域之前被最小化。
该估计还可以自适应的使用最小均方(LMS)或者递归最小平方(RLS)算法来实现。在算法收敛期间和之后,收发器计算est_ha,并且基于est_ha过滤矢量信号sa。该收发器的接收机部分从收到的信号ra中减去接点聚集信号(est_hasa)。更特别的,接收机计算最小值:
ra-(est_hasa)=(hasa)-(est_hasa)
如先前所提到的,在校准期间,ra和sa是已知数量的。通过确定近端信道(est_ha)的估计值,可以对收到的和发射的信号流执行接点处理以最小化信号干扰。对于高吞吐量的以太网传输信道,通过在较小复杂度的域中实现接点处理而简化接点处理。
发送的数字信号流sa可以转换成(由sa表示)较低的处理复杂度的域。近端信道矩阵est_ha的估计转换成(由est_ha表示)低复杂度的域。近端校正信号(Ena)可以通过转换的信号流sa和转换的近端信道矩阵est_ha相乘来确定。近端校正信号(Ena)接着被转换回(ena)原始域。该反向转换的信号ena可以从收到的信号中减去以减少近信道干扰的影响。
对于典型的以太网数值P和N,高回音和NEXT干扰消除可以随着低复杂度的处理而实现。此外,如果接收机还在对收到的信号ra执行频域处理以减小ISI、FEXT和/或ANEXT,并且信号和转换具有相关的子块大小和延迟,那么发射机的反向转换可以与发射机的反向转换组合,允许更多的减少处理复杂度。
远信道矩阵
参考图3,当发射机315b,335b在发射时,并且在发射机315a,335a还未发射时,与收发器A和接点处理器301相关联的接收机接收数字信号流R1A,R2A。信道矩阵hb可以用来近似信号流R1A,R2A,已经作为数字信号流S1B,S2B发送。也就是说,在数字信号流经过远端以太网发射信道hb之后,发射机A接收数字信号流S1B,S2B。收到的数字信号流R1A,R2A可以按照下面近似(忽略噪声和外部串音):
R1A=hb11S1B+hb12S2B
R2A=hb21S1B+hb22S2B
其中hb矩阵的hij元素是耦合的脉冲响应,其产生对收到的数字信号流R1A,R2A的干扰。
对于两个信号流的收发器,每一个发射信号的元素可以扩展成四个用于ISI项的子块信道矩阵和两个用于FEXT项的子块信道矩阵。也即:
hb11=h11I+h11JD-M+h11kD-2M+h11LD-3M
hb12=h12I+h12JD-M+0+0
hb21=h21I+h21JD-M+0+0
hb22=h22I+h22JD-M+h22kD-2M+h22LD-3M
其中D表示延迟,M是子块大小。
矢量ra可以用来表示这样的矢量,即其包括收到的数字信号流。更特别的,ra=[R1A,R2A]。矢量sb可以用来表示发送的数字信号流。更特别的,sb=[S1B,S2B]。对于这种表示,ra=hbsb,并且
对于两个输入的收发器,其具有四个连续的接点处理子块,hb可以用子块矩阵表示为:
hb的矩阵方程,提供一种ISI和FEXT干扰信号的表示。例如,该矩阵可以通过发送已知信号,以及观察产生的接收信号来产生。可以实现对hb的估计,例如,在以太网收发器的能量上升期间,hb矩阵的估计允许确定子块接点处理(过滤)来减小ISI和FEXT串音的影响。
hb矩阵的对角线项hij表示ISI信号耦合的脉冲响应。矩阵hb的偏移对角线项Hij(i≠j)表示FEXT耦合的脉冲响应。收发器(收发器A)具有关于ra和sb矢量的信息,并且可以使用该信息来近似hb。典型的,发射信号sb是已知的(例如,是一个训练信号)或者可以从ra的解调中估计出来。收发器可以使用已知的ra和sb信息来产生处理(过滤)来近似hb。hb的估计,表示为est_hb,其可以适应性的通过最小化误差来估计:
est_hbsb-ra=error
该估计可以适应性的使用一个最小均方差(LMS)或者递归最小平方(RLS)算法来实现。在该算法聚敛期间和之后,收发器计算est_hb。接收机后处理est_hb,并计算接点矩阵均衡。可以实现est_hb的伪倒置(表示为Inv_est_hb)以提供用于est_hb的接点矩阵均衡的解决方案。对收到的矢量信号ra的接点矩阵均衡Inv_est_hb的应用可以产生从收发器B发送的信号sb的估计,表示为est_sb。接点矩阵联合的执行对收到的矢量的均衡,并且减小信号流上的FEXT耦合的影响。更特别的,接收机计算最小值:
sb-(Inv_est_hbra)=(Inv_est_hbest_hbsb)=sb-est_sb
如先前提到的,在校准期间,ra和sb是已知数量。确定远端信道(est_hb)的估计和接点均衡(Inv_est_hb),允许对收到的和发送的信号流进行接点处理以减小信号干扰。对于高吞吐量的以太网传输信道,可以通过在低复杂度的域中接点处理而简单化。
收到的数字信号流ra被转换到较低复杂度的域中。对远端矩阵均衡Inv_est_hb的估计被转换到低复杂度的域中。通过把转换的信号流Ra与转换的近端信道矩阵(Inv_est_hb)相乘来确定发射的数字流(est_sb)的估计。发射的数字流(est_sb)的估计接着转换回(est_sb)原始域。该估计可以在接收机的后续功能中后处理(限幅、纠错、扰频等)。
其他的极点处理接收机是可能的。例如,接点矩阵均衡Inv_est_hb可以直接从已知信号ra和sb中计算出,而不需要估计est_hb的中间步骤。
另外,非线性矩阵均衡是可能,例如DFE(判定反馈均衡)或者其他各种各样的多用户检测,其中est_sb的部分估计可以循环使用。
部分时域处理
在一些应用中,转换域处理可以与部分时域处理共享以更有效的全面处理。例如考虑到近信道ha的情况下,其中对角线元素ha,相比ha的偏离对角线元素haij(i≠j),hajj具有较长的耦合脉冲响应。这种情况对于以太网收发器是很普遍地,因为回音(对角线)经常比NEXT(偏移-对角线)长。如果转换域处理需要转换块处理器,其中用来处理的数据大小必须大于最长的耦合脉冲响应,那么所有的接点域转换可以使用比ha的对角线元素更长的块大小来完成。对角线脉冲响应可以分解成元素hajj=hajjD+hajjT,其中hajjD比hajj短,并且其长度类似于haij(i≠j)。该新的脉冲响应hajjD可以在接点转换域处理器中使用并且hajjT可以在是时域理中使用。也就是说,接点域转换可以在新的近信道上实现;
并且对hajjT的剩余处理可以在时域(或者其他域)中处理。另外一个可选的(方法)中包括对剩余的hajjT执行第二接点域转换处理。
第三矩阵hc可以用于对外来信号估计。然而,已知的信号桐城不能发射来估计外来信号的影响。因此,可以使用一些类型的盲目估计技术。
域转换处理提供的性能优点
可以提供一个例子来论证在时域接点处理以太网发射信号上,对以太网发射信号的域转换接点处理的优点。所提供的这个例子包括DFT转换,然而,也可以使用其他的域转换。
典型的以太网LAN连接忍受自干扰(ISI、回音干扰)和/或串音干扰(NEXT,FEXT),因干扰的类型,其在任何地方间隔10个采样到1000个采样不等。回音干扰和NEXT干扰典型的需要跟长的间隔100-1000个采样,并且FEXT和ISI需要较短的10-100个采样间隔。其他的影响所需采样数量的因素包括以太网电缆长度和电缆类型(cat5,5e,6,6e,7等)。为了简化,下面的例子中使用100个采样。
时域处理
为了实现单一的具有P实值系数的FIR,标准处理器必须执行P实值相乘并且对每一个期望的过滤输出采样相加。这个数量大大的增加了用于以太网的过滤,因为以太网收发器必须处理多个发送信号和多个接收信号。另外,以太网收发器减轻了信号多样性的耦合。
简单的域处理
可选的,信号可以转换到一个过滤简单的域中,例如DFT域。该经过过滤的结果可以反向转换回原始域中。所称的该实值DFT的复杂度是N*log2(N)级数(order),其中N是DFT的块大小。准确的复杂度依赖于真实或者复数数值和DFT的执行细节,例如FFT大小,基数大小,存储器对区域/速度/等待权衡。在DFT转换域中过滤通过DFT的经过处理的数据的N个采样与过滤的N个DFT采样点相乘表示一个点。当该应用允许对第一个级数每次处理N个采样,允许过滤N个真实采样需要N*log2(N)+2N+N*log2(N)个操作。使用大小为N的DFT计算长度P的过滤,对每一次转换产生N-P个经过过滤采样。每一个采样的复杂度是(2*log2(N)+2)/(1-N/P)的级数。只要FIR,P的长度比2*log2(N)足够的大,那么在复杂度上会有有效的简化,以及由此的硬件损耗和功率消耗。例如,如果在P=100的情况下N=256>2*P,转换的域需要大约(2*log2(256)+2)/(1-100/256)=30mult/adds,并且对于每一个采样,标准的实现需要100次乘法和加法。忽略其他的HW实现的细节,例如存储,精确度,时钟速率等等,这会导致在大约3倍的净利。
矩阵接点信号处理
在多个耦合的期望的和不期望的信号共享一个公用通信信道的情况下,硬件节约具有比较大的需求,例如,在CAT-5/5e/6上每个电缆具有4个双绞线的千兆位以太网。在这种情况下,在4个双绞线上发射的每一个4信号要忍受与相邻3个双绞线(回音/FEXT)上的干扰(串音),并且4个发送的信号干扰四个接收的信号(回音/NEXT)。在这种情况下,对于16个双绞线组合的每一个必须执行多个过滤操作。例如,第一双绞线干扰第一双绞线(回音),第一双绞线干扰第二双绞线(NEXT和FEXT),对于所有的双绞线都类似。因此,系统可能需要连续的执行更多比较长的FIR。对所有这些信号使用域转换和矩阵过滤的接点处理(例如,执行矩阵过滤)更大的减小在执行接点处理中使用的硬件。
考虑到两个信号源(x1,x2)和两个矩阵信号输出(y1,y2),该信号输出是两个信号源的函数。对于这种情况,输入-输出的关系是
y1=h11x1+h12x2
y2=h21x1+h22x2
其中“”表示回旋,并且hij是在输入“i”和输出“j”之间的过滤。hii或对角线项模块模仿耦合或者串音干扰(典型的,FEXT和NEXT和外来NEXT)。设计4个FIRhij的长度P,直接执行对这个矩阵的过滤,对于每一个输出采样矢量(y1,y2)需要4*P次MAC(乘法和加法)。该过滤的执行可以通过对DFT使用域转换大大的减小。在DFT域中的FIR过滤可以用接点方式执行。该系统首先计算每一个FIR的DFT,响应Hij=DFT(hij),并且存储这些数值。在稳定的状态,需要的操作是:
1.执行大小为N的两个DFT,更明确的:
X1=DFT(x1)
X2=DFT(x2)
2.DFT域过滤,其通过点与点相乘实现。例如
Y1=H11*X1+H12*X2
Y2=H21*X1+H22*X2
3.最后,期望的输出是:
y1=IDFT(Y1)
y2=IDFT(Y2)
一些次要的预/后处理需要用来解决边缘效应,例如“交叠和增加”或者“交叠和保存”。整个用于执行DFT域转换的稳定状态复杂度是大小为N的两个DFT,每个采样有4N个点态MAC,以及两个IDFT。在DFT的情况下,直接和反向转换的复杂度是相同的。在更通用的M个输入和N个输出的情况下,复杂度是大小为N并且对于DFT域过滤是2*M*L*N个点态MAC的M+L DFT/IDFT(其中2是对于实际信号的复杂算法)。包括交叠。接点过滤矢量的数量输出每个矩阵块转换的采样是(N-P)。这样,每一个输出采样的操作复杂度是
((M+L)*N*log2(N)+2*M*L*N)/(N-P)的级数
或者等同于
((M+L)*log2(N)+2*M*L)/(1-P/N)
每个大小为N的过滤矢量输出采样,直接FIR矩阵执行整个操作的复杂度是M*L*P。让高数据速率以太网系统的情况再次回来,其中M=L=4,并且对于在交叠和等待之间的一个好的平衡我们选择P=100,N=256。
接点域转换的操作性复杂度是
((4+4)*log2(256)+2*4*4)/(1-100/256)=157
并且标准执行是
4*4*100=1600
在HW复杂度,成本和用于这个结构的功率的节约是10倍的级数。该节约甚至大于用于消除回音/NEXT(的节约),其中P可以大于500系数。
用于这个结构的大的节约可以用来增加收发器的性能(吞吐量,范围)。对于P=100,消除回音和NEXT的性能是差的。建议的低复杂度的结构允许增加P以更好的消除串音,或者增加M或L来更好的消除串音。
消除外来串音的改善
类似的,接点转换处理可以用来缓解外来串音。可以包括另外的ADC以允许另外的信号流以便改善性能和提高消除能力。在这种情况下,输入到转换处理器的数量是较大的(M>4),但是输出的数量可以保持相同(L=4)。三个额外的ADC提供整个M=7的输入流。这个接点转换处理器的整个操作复杂度是:
((7+4)*log2(256)+2*4*4)/(1-100/256)=197
比起标准的具有M=4的消除器,具有接点转换处理的额外输入流的收发器具有更好的消除外来串音的处理,并且具有小于8倍的操作复杂度。
虽然描述和解释了本发明的特定实施例,但是本发明并不限制于所描述和解释的部分特定的形式和装置。本发明只通过所附的权利要求来限定。
Claims (51)
1、一种以太网收发器,包括:
多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
域转换器,用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到较低复杂度的域;
处理器,用于对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;以及
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
2、根据权利要求1所述的收发器,其中相比一个块而言,所述子块包括少的数字信号流采样,其中一个块包括足够的数字信号流采样,这些数字信号流转换和处理块不会产生失真。
3、根据权利要求1所述的收发器,其中相比一个块而言,所述子块包括少的数字信号流采样,其中一个块包括足够的数字信号流采样来超过数字信号流动接点过滤时间采样间隔。
4、根据权利要求1所述的收发器,其中相同大小的子块用来发送和接收接点处理。
5、根据权利要求1所述的收发器,其中所述域转换块使用公用的子块转换器来进行发射和接收处理。
6、根据权利要求1所述的收发器,其中每个接点子块的精确度依赖于耦合的数量。
7、根据权利要求1所述的收发器,其中所述接点处理包括子块过滤,并且当耦合低于阈值时,子块过滤的子集是无效的。
8、根据权利要求1所述的收发器,其中所述接点处理包括乘以每一个具有子块处理矩阵的数字信号流子块。
9、根据权利要求8所述的收发器,其中选择所述子块处理矩阵的对角线元素来减小数字信号流的符号间干扰。
10、根据权利要求9所述的收发器,其中适应性地选择子块处理矩阵的对角线元素。
11、根据权利要求10所述的收发器,其中适应性地选择所述子块处理矩阵的对角线元素是基于信号耦合和符号间干扰测量。
12、根据权利要求8所述的收发器,其中选择所述子块处理矩阵的偏移-对角线元素来减小数字信号流之间的串音干扰。
13、根据权利要求12所述的收发器,其中适应性地选择所述子块处理矩阵的偏移-对角线元素。
14、根据权利要求13所述的收发器,其中适应性地选择子块处理矩阵的偏移-对角线元素是基于信号耦合和符号间干扰测量。
15、根据权利要求8所述的收发器,其中所述收发器是发射数字信号流,并且选择所述子块处理矩阵的偏移-对角线元素提供处理数字信号流之间的串音,其消除数字信号流发射期间产生的数字信号流的发射串音。
16、根据权利要求8所述的收发器,其中所述收发器接收数字信号流,并且选择所述子块处理矩阵的对角线元素来消除数字信号流发射期间产生的数字信号流的发射串音。
17、根据权利要求8所述的收发器,其中所述收发器接收数字信号流,并且选择所述子块处理矩阵的偏移-对角线元素来消除数字信号流接收期间产生的数字信号流的发射串音。
18、根据权利要求5所述的收发器,其中至少一个数字信号流包括时间域处理。
19、根据权利要求5所述的收发器,其中转换的信号流的接点处理是基于将要发射的信号流。
20、根据权利要求5所述的收发器,其中转换的信号流的接点处理是基于收到的信号流。
21、根据权利要求5所述的收发器,包括N个数字信号流,和M个接点处理过的信号流。
22、根据权利要求5所述的收发器,包括N个数字信号流,和单个的接点处理过的信号流。
23、根据权利要求5所述的收发器,其中所述转换块另外转换过滤系数。
24、根据权利要求5所述的收发器,其中确定所述接点处理的过滤系数以减小以太网数字信号流之间的干扰。
25、根据权利要求24所述的收发器,其中所述过滤系数包括表示时间域过滤的转换域。
26、根据权利要求5所述的收发器,其中所述数字信号流在以太网上发射。
27、根据权利要求5所述的收发器,其中所述接点处理提供减小近端串音。
28、根据权利要求5所述的收发器,其中所述接点处理提供减小外来近端串音。
29、根据权利要求5所述的收发器,其中所述接点处理提供减小远端串音。
30、根据权利要求5所述的收发器,其中接点处理提供减小回音信号干扰。
31、根据权利要求5所述的收发器,其中接点处理提供减小符号间干扰。
32、一种以太网收发器,包括:
多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
转换器,用于把多个数字信号流的每一个的子块从原始域转换到允许较小处理复杂度的新的域;
处理器,用于在新域中对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;以及
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
33、一种以太网收发器,包括:
多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
转换器,用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到允许较小处理复杂度的新的域;
处理器,用于在新域中对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域;以及
模拟前端,用于发射接点处理过的数字信号。
34、一种以太网收发器,包括:
模拟前端,用于接收接点处理过的数字信号,以及产生多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
转换器,用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到允许较小处理复杂度的新的域;
处理器,用于在新域中对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
35、一种接点处理多个数字信号流的方法:
把多个数字信号流原始域转换到较低处理复杂度的域;
对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;
把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
36、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中相同大小的子块用来发送和接收接点处理。
37、根据权利要求35所述的接点处理方法,域转换块使用公用的子块转换器来执行发射和接收处理。
38、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中每个接点子块的精确度依赖于耦合的数量。
39、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中接点处理包括子块过滤,并且当耦合低于阈值时,子块过滤的子集是无效的。
40、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中转换另外包括转换过滤系数。
41、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中在较低复杂度的域中执行最大数量的以太网信号干扰最小化处理。
42、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中确定接点处理的过滤系数来减小以太网数字信号流间的干扰。
43、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中数字信号流在以太网上发射。
44、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中接点处理提供减小近端串音。
45、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中接点处理提供减小外来近端串音。
46、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中接点处理提供减小远端串音。
47、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中接点处理提供减小符号间干扰。
48、根据权利要求35所述的接点处理方法,其中接点处理提供减小回音信号干扰。
49、一种网络线路卡,网络线路卡包括双向收发器,双向收发器包括:
多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
域转换器,用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到较低复杂度的域;
处理器,用于对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;以及
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
50、一种服务器,包括双向收发器,双向收发器包括:
多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
域转换器,用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到较低复杂度的域;
处理器,用于对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;以及
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
51、一种LAN系统,包括双向收发器,该双向收发器包括:
多个数字信号流,至少一个数字信号流耦合到另一数字信号流;
域转换器,用于把多个数字信号流的每一个子块从原始域转换到较低复杂度的域;
处理器,用于对转换的数字信号流的子块进行接点处理,每一个接点处理过的数字信号流子块受其他数字信号流子块的影响;以及
反向转换器,用于把接点处理过的信号流子块反向转换回原始域。
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