DE3719591A1 - Verfahren zur echounterdrueckung fuer eine gabelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Echounterdrückung für die Gabelschaltung zum Anschließen einer Vierdraht­ leitung an eine Zweidrahtleitung, wobei im Vierdrahtausgangszweig der Gabelschaltung die infolge des unvollkommenen Abgleichs der Gabelschaltung vom ankommenden Vierdrahtzweig in den abgehenden Vierdrahtzweig gelangenden Nachrichtensignale mittels eines entsprechenden Korrektursignals unterdrückt werden, mit einem Steuersignalgenerator für die Erzeugung eines auf den ankommenden Vierdrahtzweig gegebenen Prüfimpulses zur Bestimmung der analogen Übertragungsfunktion der Echokomponente der Vierdrahteingangssignale über die Gabelschaltung auf die Vierdrahtausgangsseite und mit einem Speicher zur Speicherung der Übertragungsfunktion in digitaler Form zur Berechnung des Korrektursignals.

Ein derartiges Verfahren ist bereits bekannt. So wird in der DE-AS 12 83 293 eine Echounterdrückungsschaltung für eine Weitverkehrsnachrichtenverbindung beschrieben, bei welcher ein Prüfimpuls auf den ankommenden Vierdrahtzweig gegeben wird, um die analoge Übertragungs­ funktion der Echokomponente der Vierdrahteingangssignale über die Gabelschaltung auf die Vierdrahtausgangsseite zu bestimmen. Dabei wird die Übertragungsfunktion in digitaler Form in einer Speicherstufe gespeichert. Mit Hilfe des Speicherinhalts der Speicherstufe wird ein Korrektursignal errechnet, mit Hilfe dessen das Echosignal unterdrückt wird. Evtl. Offset-Fehler durch Verstärker, welche im Echozweig liegen, sowie Nichtlinearitäten, werden bei der bekannten Einrichtung nicht berücksichtigt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, bei welchem derartige Fehler berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zunächst ein positiver und dann ein negativer isolierter Prüfimpuls bzw. umgekehrt ausgesendet wird, daß aus dem jeweils am Vierdrahtausgang entstehende Echosignal eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten ermittelt wird, daß jeweils aus dem zeitlichen gleichen Abtastwert der Echosignale der bei den Prüfimpulsen nach Invertierung des einen ein Mittelwert errechnet wird und daß die Mittelwerte in dem Speicher eingespeichert werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden quasi in einem modifizierten Lernvorgang evtl. Offset-Fehler und ein Teil der Nichtlinearitäten der im Echozweig liegenden Einrichtungen berücksichtigt.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mehrmals hintereinander positive und negative Prüfimpulse ausgesendet werden und von den jeweils zeitlichen gleichen Abtastwerten ein Mittelwert zur Eintragung in den Speicher gebildet wird.

Damit wird auch der Einfluß stochastischer Störsignale stark verringert, welche das durch ein Prüfsignal hervorgerufene Echosignal verfälschen könnten.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Vierdrahteingangssignale in einen Zwischenspeicher eingeschrieben werden, welcher ebensoviele Speicherplätze aufweist, wie Abtastwerte im ersten Speicher vorhanden sind, wobei jeweils das zuletzt eingetroffene Digital­ signal eingetragen und das am längsten inzwischen im Speicher enthaltene Digitalsignal gelöscht wird, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Digitalsignalen sämtliche im Zwischenspeicher enthaltene Digitalsignale nacheinander einem Rechenwerk zugeführt werden, welches aus dem jeweiligen Digitalsignal und den entsprechenden Mittelwert aus dem Speicher die jeweilige Summe im Rahmen einer Faltungsoperation errechnet, welche zur Korrektur des Vierdrahtausgangssignals dient.

Zur Durchführung der Faltungsoperation im Rechenwerk werden diesem die Mittelwerte aus dem Speicher und die im Zwischenspeicher abgespeicherte Symbolfolge zugeführt. Im Rechenwerk wird dann ein Korrektursignal errechnet, welches vom Vierdrahtausgangssignal subtrahiert wird. Das Vierdrahtausgangssignal wird somit um den Echoanteil veringert und gelangt anschließend auf die Vierdrahtleitung in abgehender Richtung.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, welches in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine Vierdraht/Zweidraht-Gabel in Verbindung mit den Einrichtungen zur Echounterdrückung,

Fig. 2 das Blockschaltbild der Einrichtung zur Echounterdrückung und

Fig. 3 die Darstellung der Impulsform eines durch ein Prüfsignal hervorgerufenen Echosignals.

Die auf dem ankommenden Zweig ank der Vierdrahtleitung VL eintreffenden Daten, die beispielsweise in einem binären oder ternären oder beispielsweise auch in einem quaternären Code übertragen werden und beispielsweise PCM-Worte darstellen, werden nach der Impulsformung im Sendefilter SF von dem Digital/Analog-Wandler D/A in analoge Signale umgewandelt und gelangen über einen Verstärker V über die Gabelschaltung G auf die Zweidrahtleitung L. In umgekehrter Weise werden die auf der Zweidrahtleitung L eintreffenden Analogsignale über ein analoges Empfangsfilter AF einem Analog/Digital-Wandler A/D zugeführt, wo diese dann in digitale Datenworte umgewandelt und jeweils nach Subtraktion eines Korrektur­ datenwortes auf die abgehende Leitung abg der Vierdrahtleitung VL ausgesendet werden.

Im Ruhezustand des Leitungssystems, also wenn keine Signale auf der ankommenden Leitung ank der Vierdrahtleitung VL und keine Signale von der Zweidraht­ leitung L eintreffen oder auch anstelle der Synchronisierworte zur Rahmensynchronisierung wird die Sendeeinrichtung S von der Steuereinrichtung ST veranlaßt, Prüfsignale in den Vierdrahteingangszweig zu senden. Das Prüfsignal gelangt über die Gabelschaltung G auf die Zweidrahtleitung L und ein Signalanteil des Prüfsignals infolge der nicht vollständig angepaßten Leitungsnachbildung L in den Vierdrahtausgangszweig als sogenanntes Echosignal. Dieses Signal gelangt über das analoge Empfangsfilter AF und über den Analog/Digital-Wandler A/D in die Einrichtung EL. Hier erfolgt, wie nachfolgend noch ausführlich erläutert, die Gewinnung der Stützwerte, welche durch Abtastung des Echosignals gewonnen werden. Diese Stützwerte werden in einem sogenannten Koeffizientenspeicher abgespeichert.

Zur Vermeidung von Offset-Fehlern in den im Signalverlauf vorhandenen Einrichtungen wird zunächst ein positives Prüfsignal und anschließend ein negatives Prüfsignal oder umgekehrt von der Sendeeinrichtung S ausgesendet. Dabei werden die jeweils zeitlich gleichen Abtastwerte der beiden Echosignale berücksichtigt, indem von dem Echosignal des negativen Prüfsignals nach einer Invertierung zusammen mit dem Echosignal des positiven Prüfsignals ein Mittelwert gebildet wird. Dieser Mittelwert wird dann in den Koeffizientenspeicher eingespeichert. Es ist auch denkbar, jeweils mehrere positive und negative Prüfsignale hintereinander auszusenden und von diesen dann in der bereits beschriebenen Weise Mittelwerte zu bilden, wodurch sich der Einfluß von Störsignalen vermeiden läßt. Weiterhin ist es auch denkbar, in regelmäßigen Abständen die Aussendung von Prüfsignalen durchzuführen, um auf diese Weise langzeitliche Veränderungen im Übertragungssystem zu erfassen.

Wie bereits erwähnt, erfolgt die Aussendung der Prüfsignale durch die Sendeeinrichtung S auf Veranlassung der Steuereinrichtung ST, welche z. B. auch die Berechnung der Stützwerte vornimmt.

Die Echounterdrückung erfolgt dadurch, daß die auf der ankommenden Leitung ank der Vierdrahtleitung VL eintreffende Symbolfolge dem Eingang EG der Einrichtung EL zugeführt wird. Das am Vierdrahtausgangszweig entstehende Datenwort wird der Einrichtung EL und zwar dem Eingang E zugeführt. In der Einrichtung EL erfolgt dann anschließend die Erzeugung eines Echounterdrückungssignals, welches aus der ankommenden Symbolfolge und dem Inhalt des Koeffizientenspeichers berechnet und von dem Wert des augenblicklich eingespeicherten Datenwortes subtrahiert wird. Anschließend erfolgt die Aussendung desselben am Ausgang A der Einrichtung EL auf die abgehende Leitung abg der Vierdrahtleitung VL (Fig. 1).

Der Aufbau und die Wirkungsweise der Einrichtung EL wird anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 beschrieben. Die auf der ankommenden Leitung ank der Vierdrahtleitung VL eintreffende Symbolfolge gelangt über den Eingang EG in die beiden Schieberegister SR. Bei dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß die Symbolfolge in einem ternären Code übertragen wird, wobei in diesem Fall zwei Schieberegister zur Darstellung der drei möglichen Zustände eines Symbols benötigt werden. Bei einem quaternären Code sind drei Schieberegister vorhanden. Die Symbole wandern durch die Schieberegister SR hindurch und zwar derart, daß das neueste Symbol einge­ tragen und das am längsten in den Schieberegistern enthaltene Symbol gelöscht wird. Bei dem Ausführungs­ beispiel wird davon ausgegangen, daß die Schieberegister SR jeweils 23 Schritte aufweisen.

Der Koeffizientenspeicher KSP weist ebensoviele Speicherplätze auf, wie Abtastschritte des Echosignals berücksichtigt werden. Bei dem vorliegenden Beispiel wird davon ausgegangen, daß es sich dabei um 23 Abtastschritte handelt. Während der Übertragungsdauer eines Symbols erzeugt der Adreßgenerator AG nacheinander die Adressen zur Ansteuerung der Speicherplätze des Koeffizientenspeichers KSP und die Steuersignale für die beiden Multiplexer M, welche nacheinander die einzelnen Speicherstellen der Schieberegister SR abtasten. Die Ausgänge der Multiplexer M sind mit einem Schalter S verbunden, welcher die von den Multiplexern M abgetasteten Inhalte der Schieberegister SR dem Rechenwerk RW zuführt. Die beschriebenen Steuervorgänge laufen derart ab, daß gleichzeitig mit dem Vorliegen des aus dem Koeffizientenspeicher KSP ausgelesenen Mittelwerts eines Stützwertes die betreffende Symbolinformation aus den Schieberegistern dem Rechenwerk RW zugeführt wird, so daß dort der entsprechende Mittelwert des Stützwertes für eine Rechenoperation zur Verfügung steht, so z. B. der Mittelwert des Stützwertes des ersten Abtastschrittes und die Information des dazugehörigen Symbols. Gleichzeitig enthält das Rechenwerk RW das zuletzt eingetroffene Datenwort, welches vom Vierdrahtausgangszweig der Gabel zum Eingang E übermittelt wurde. Im Rechenwerk wird nun während der Verweildauer des Datenwortes eine Faltungsoperation durchgeführt, wobei der Inhalt sämtlicher Speicherplätze des Koeffizientenspeichers KSP nacheinander ausgelesen und für das Rechenwerk bereitgestellt wird und gleichzeitig der Inhalt sämtlicher Speicherstellen der beiden Schieberegister RS nacheinander zur Verfügung gestellt wird. Der hierbei errechnete Korrekturwert wird vom zuletzt eingetroffenen Datenwort subtrahiert. Das korrigierte, d. h. von seinem Echoanteil weitgehend befreite Datenwort steht am Ausgang A zur Verfügung.

Da bei der hier betrachteten Basisbandübertragung (d. h. modulationsfreien Übertragung) der Echokanal nahezu vollständig durch ein lineares, zeitinvariantes (langsam- zeitvariantes) und asymptotisch stabiles (h(t)≈0 für t M T _S ) Übertragungssystem beschrieben werden kann, gilt:

Hierbei entsprechen die Koeffizienten h _µ, µ=0,1 . . ., M-1, den Stützwerten der diskreten Echokanalimpulsantwort. Daher wird durch Subtraktion der im Rechenwerk RW berechneten Schätzwerte

das durch s(t) (Sendesignal) hervorgerufene Echo eq(k) kompensiert. Diese Lösung ist insbesondere bei binären und ternären Leitungscodes sehr vorteilhaft, da dann gemäß G1.(2) anstatt hardwareintensiver Multiplikationen nur Additionen und Subtraktionen durchgeführt werden müssen.

Das Rechenwerk arbeitet somit als digitales Transversal­ filter. Dabei representiert a(k) eine durch Codierung aus den binären Sendedaten gewonnene binäre, ternäre oder auch quaternäre Symbolfolge.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Echosignal, welches, wie bereits beschrieben, durch einen Prüfimpuls erzeugt worden ist, sind die einzelnen Abtastwerte mit V, HW, N 1, N 2, usw. bezeichnet. Von den jeweils zeitgleichen Abtastschritten der Echosignale jeweils eines positiven und eines negativen Prüfimpulses wird nach Invertierung der Abtastwerte des durch den negativen Prüfimpuls hervorgerufenen Echosignals jeweils ein Mittelwert gebildet, bzw. es wird aus den durch eine Folge von positiven und negativen Prüfimpulsen hervorgerufenen Echosignalen jeweils ein Mittelwert gebildet, welcher im Koeffizientenspeicher KSP eingespeichert wird. Da während der Verweildauer eines Datenwortes im Rechenwerk RW (siehe Fig. 2) mittels des Inhalts sämtlicher Speicherplätze des Koeffizientenspeichers KSP und des Inhalts der Schieberegister SR im Rechenwerk ein Korrekturwert berechnet werden muß, sollte zur Vermeidung eines hohen Realisierungsaufwands bei paralleler Verarbeitung bzw. zur Vermeidung einer zu hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit bei serieller Verarbeitung die Zahl der Speicherplätze des Koeffizientenspeichers KSP und der Schieberegister SR und damit die Zahl der bei der Berechnung zu benutzenden Filgerkoeffizienten möglichst gering sein. Ein nicht kompensierbarer Echoschweif tritt auf, wenn die Anzahl N der Koeffizienten der Echolöscheinrichtung EL kleiner ist als die Anzahl M der bei einer gegebenen A/D-Wandler­ auflösung zu berücksichtigenden Impulsantwortstützwerte n _µ. Für N M vermindert ein nichtkompensierbarer Echoschweif die Echounterdrückung. Eine deutliche Verbesserung kann in diesem Fall bei bei geeigneter Autokorrelationsfunktion der codierten Symbolfolge (beispielsweise AMI-Code, PST, usw.) und cosinus-quadratförmigen oder ähnlichen Sendeimpulsfolgen durch Multiplikation der gemessenen Stützwerte h _µ mit einer sehr einfachen suboptimalen Fensterfunktion w erzielt werden:

c _µ = w _µ h _µ.

w _µ nimmt im Bereich N-L+αµ<N linear ab, d. h. sie repräsentiert in abgewandelter Form die aus dem Digitalfilterentwurf bekannte Bartlett-Funktion. Simulationen und Messungen haben gezeigt, daß die besten Ergebnisse erzielt werden können, wenn die gefenstere Filterimpulsantwort auf den Wert-K, K<0, und nicht auf Null abklingt, d. h. bezüglich w _N-1 muß die Bedingung W _N-1. |h _N-1|≈K erfüllt werden. Die geforderte Phasenverschiebung erhält man durch die ganzzahlige Rundung des Ausdrucks K · L/|h _N-1|-1.
Beispielsweise klingt die Impulsanwort h(t) eines beidseitig mit Übertragern (Parallelinduktivität ca. 6,2 mH) und 150 Ohm abgeschlossenen, 6 km langen Ortskabels (Drahtstärke 0,6 mm, Kapazitätsbelag: 42 nF/km) in einer Zeit von 40 T _S auf Null ab (ADU (Analog/Digital- Umwandlung)-Auflösung=12 Bit). Wird das bei AMI-Kodierung und 160 kbd Übertragungsgeschwindigkeit resultierende Echosignal anstatt mit N=40 mit N=23 Koeffizienten kompensiert, so wird eine Echounterdrückung von ca. 39 dB und nach Anwendung der Fensterung eine Echounterdrückung von fast 45 dB erreicht.

Es wäre auch denkbar, daß die Substraktion des Korrektursignals analog erfolgt. In diesem Fall würde in Fig. 1 der Analog/Digital-Wandler A/D entfallen, die Einrichtung EL müßte dafür einen weiteren Digital-/Analog- Wandler D/A und den Schaltungsteil für die analoge Subtraktion enthalten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Echounterdrückung für eine Gabelschaltung zum Anschließen einer Vierdrahtleitung an eine Zweidrahtleitung, wobei im Vierdrahtausgangszweig der Gabelschaltung die infolge des unvollkommenen Abgleichs der Gabelschaltung vom ankommenden Vierdrahtzweig in den abgehenden Vierdrahtzweig gelangenden Nachrichtensignale mittels eines entsprechenden Korrektursignals unterdrückt werden, mit einem Steuersignalgenerator für die Erzeugung eines auf den ankommenden Vierdrahtzweig gegebenen Prüfimpulses zur Bestimmung der analogen Übertragungs­ funktion der Echokomponente der Vierdrahteingangssignale über die Gabelschaltung auf die Vierdrahtausgangsseite, mit einem Speicher zur Speicherung der Übertragungsfunktion in digitaler Form zur Berechnung des Korrektursignals, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein positiver und dann ein negativer isolierter Prüfimpuls bzw. umgekehrt ausgesendet wird, daß aus dem jeweils am Vierdrahtausgang entstehenden Echosignal eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten ermittelt wird, daß jeweils aus dem zeitlichen Abtastwert der Echsosignale der beiden Prüfimpulse nach Invertierung des einen ein Mittelwert errechnet wird und daß die Mittelwerte in dem Speicher eingespeichert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrmals hintereinander positive und negative Prüfimpulse ausgesendet werden und von den jeweils zeitlich gleichen Abtastwerten ein Mittelwert zur Eintragung in den Speicher (KSP) gebildet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierdrahteingangssignale in einem Zwischen­ speicher (ZSP) eingeschrieben werden, welcher ebensoviele Speicherplätze aufweist, wie Abtastwerte im ersten Speicher (KSP) vorhanden sind, wobei jeweils das zuletzt eingetroffene Digitalsignal eingetragen und das am längsten im Zwischenspeicher (ZSP) erhaltene digitale Signal gelöscht wird, daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Digitalsignalen sämtliche im Zwischenspeicher (SP) enthaltene Digitalsignale nacheinander einem Rechenwerk (RW) zugeführt werden, welches aus dem jeweiligen Digitalsignal und den entsprechenden Mittelwerten aus dem ersten Speicher (KSP) die jeweilige Summe im Rahmen einer Faltungsoperation errechnet, welche zur Korrektur des Vierdrahtausgangs­ signals dient.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspeicher (ZSP) aus einem oder mehreren Schieberegistern gebildet ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Speicherplätze des Zwischenspeichers (ZSP) durch einen oder mehrere Multiplexer (MX) abgetastet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Abtastwerte bzw. der Mittelwerte im ersten Speicher (KSP) durch Anwendung einer Fensterfunktion begrenzt wird.