DE3906284A1 - Einrichtung und verfahren fuer die adaptive, insbesondere selbstanpassende, amplitudenentzerrung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Amplitudenentzerrung von Signalkanälen, wie beispielsweise Telefonleitungen.

Für Übertragungskanäle und verschiedene andere Signalüber­ tragungsschaltungen ist es oft wünschenswert, einen im we­ sentlichen konstanten oder "flachen" Amplituden-Frequenz­ gang über einen speziellen Durchlaßbereich zu haben. Im Kontext der vorliegenden Erfindung bezieht sich "Amplituden- Frequenzgang" eines Übertragungskanals, wie beispielsweise einer Telefonleitung, auf die Amplitude der Dämpfung (oder Verstärkung) des Kanals als Funktion der Frequenz. Aufgrund der nichtidealen Charakteristika bzw. Kenndaten der norma­ lerweise für den Aufbau und die Ausführung von Signal­ übertragungsschaltungen verfügbaren elektronischen Bauteile können unannehmbare Variationen im Amplituden-Frequenzgang über den Durchlaßbereich vorhanden sein. Zum Beispiel kann eine Telefonleitung, die für Sprach- oder Datenübertragung verwendet wird, üblicherweise mehr als 10 dB Variation über ihren gewünschten Durchlaßbereich von 300 bis 3000 Hertz wegen der inhärenten Charakteristika bzw. Kenndaten der Übertragungsleitungen haben.

Die Bezeichnung "Amplitudenentzerrung" bezieht sich auf die Technik zum Erzeugen eines nahezu flachen Frequenz-Anspre­ chens bzw. Amplituden-Frequenzgangs über einen bestimmten Durchlaßbereich. Die Standardtelefonindustrielösung für das Ausführen einer Amplitudenentzerrung auf einer Telefonlei­ tung war die manuelle Einstellung eines Filternetzwerks auf der Kanalendkarte in der Kundenanlage. Diese Aufgabe muß ausgeführt werden, wenn die Leitung anfänglich installiert wird, wenn Änderungen in der Leitung ausgeführt werden, oder wenn Beschwerden über die Qualität der Übertragungen erhoben werden. Obwohl das generell ein akzeptables Ver­ fahren gewesen ist, ist es erforderlich, daß ein erfahre­ ner Handwerker in den Räumlichkeiten des Kunden die Ein­ stellungen durchführt, was ein zeitaufwendiger und teurer Vorgang ist. Manuelle Prozeduren dieser Art beinhalten außerdem die Möglichkeit von menschlichen Irrtümern und Fehlern. Obwohl eine automatische Amplitudenentzerrung im Prinzip unter Verwendung von Computern und komplizierten iterativen Algorithmen ausgeführt werden könnte, sind der­ artige Techniken für einen Telefonleitungs-Übertragungs­ kanal nicht angemessen, weil die Mittel zum Ausführen der Entzerrung auf der Kanalend- bzw. -abschlußschaltungskarte eingebaut sein müssen.

In Fig. 3A ist der Amplituden-Frequenzgang eines typischen Telefonleitungs-Übertragungskanals gezeigt, wie es bei­ spielsweise der Übertragungskanal einer Leitung ist, die zum Verbinden eines Amtstelefons oder eines Datenterminals mit dem Zentralamt einer Telefongesellschaft dient. Wie aus Fig. 3A ersichtlich ist, besteht eine weite Variation in der spezifischen Form des Frequenzgangs, und zwar insbesondere aufgrund von Variationen in der Länge einer Leitung, der Drahtgröße, der optimalen Verwendung von Belastungsspulen, und aufgrund von kurzen Abzweigleitungen. Jedoch ist die Verstärkung im 300- bis 3000-Hertz-Kanal in nahezu jedem Fall von praktischer Wichtigkeit stets am niederen Ende bzw. am niedrigfrequenten Ende am höchsten und am hohen Ende bzw. am Ende mit der hohen Frequenz am kleinsten.

Gegenwärtig benutzte Amplitudenentzerrungsnetzwerke für Te­ lefonleitungskanäle sind in der in Fig. 1 gegebenen Tabel­ le gezeigt. In jeder waagerechten Spalte der Tabelle ist in der ersten senkrechten Spalte ein Netzwerk gezeigt, das in Reihe mit der Telefonleitung geschaltet werden kann, wäh­ rend die zweite senkrechte Spalte ein äquivalentes Netz­ werk zeigt, das parallel zur Telefonleitung geschaltet werden kann, und die dritte senkrechte Spalte zeigt die Form des Amplituden-Frequenzgangs (Dämpfung oder Verluste in Abhängigkeit von der Frequenz) der Netzwerke, die in der ersten und zweiten senkrechten Spalte dargestellt sind. Die­ se Netzwerke werden von einem Handwerker manuell installiert und eingestellt. Üblicherweise werden zwei Netzwerke verwen­ det, nämlich eines für das niedrigfrequente Ende des Kanals und das andere für das hochfrequente Ende des Kanals. Die Netz­ werke A bis D sind von erster Ordnung, indem sie nur eine reaktive Komponente haben, während die Netzwerke E bis H zwei reaktive Komponenten haben und daher Netzwerke zwei­ ter Ordnung sind. Die Netzwerke E bis H können daher ge­ nauere und scharf definierte Korrekturen erzeugen.

Das Netzwerk B, C, G oder H wird typischerweise zusammen mit einer ohmschen Last benutzt, um die Verluste bei Fre­ quenzen, bei denen der Amplituden-Frequenzgang zu hoch ist, das heißt zwischen 300 und 1000 Hz zu erhöhen. Durch In­ stallieren von einem dieser Netzwerke mit geeigneten Bau­ teilwerten kann eine Verlustformkurve erhalten werden, die, wenn sie zu dem Telefonkanal-Frequenzgang hinzugefügt wird, zu einer Approximation des gewünschten flachen Amplituden- Frequenzgangs für Frequenzen unter 1000 Hz führt. Um den oberen Teil des Kanals zwischen angenähert 1000 bis 3000 Hz zu entzerren, wird gegenwärtig allgemein das Netzwerk F ver­ wendet. Dieses Netzwerk wird als ein Nebenschluß- bzw. Quer­ glied in der Entzerrerschaltung verwendet, wo das Signal von einer ohmschen Quelle zugeführt wird. Das Netzwerk E erzeugt ähnliche Ergebnisse, wenn es in dem Reihenglied der Schaltung verwendet wird. Die reaktiven Komponenten dieser Netzwerke bilden einen Resonanzkreis, der auf angenähert 3000 Hz abgestimmt ist, wo es erforderlich ist, daß der Betrag an hinzugefügten Verlusten ein Minimum ist. Wenn der Handwerker eine manuelle Entzerrung ausführt, stellt er den Wert des Widerstands ein. Geht man davon aus, daß ein konstanter Signalquellenwiderstand vorhanden ist, dann be­ stimmt der Wert des Widerstands den Betrag an Verlustva­ riation.

Mit der vorliegenden Erfindung werden eine verbesserte Ein­ richtung und ein verbessertes Verfahren zum Ausführen bzw. Bewirken einer Amplitudenentzerrung eines Signalkanals zur Verfügung gestellt. Auf ein Telefonsystem angewandt, ermög­ licht es die Technik nach der vorliegenden Erfindung, eine Entzerrung durch Vorgänge zu erzielen, die im Zentralamt des Telefonsystems ausgeführt werden, und die Technik nach der vorliegenden Erfindung erfordert es nicht, daß Einstel­ lungen von einem erfahrenen Handwerker in den Räumlichkei­ ten des Kunden bzw. Telefonteilnehmers ausgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit der Erfindung eine Schaltung zur Verbindung mit einem Signalkanal für eine adaptive, insbesondere selbstanpassende Amplituden­ entzerrung des Signalkanals über einen vorbestimmten Kanal­ frequenzbereich zur Verfügung gestellt. Die Schaltung um­ faßt eine Einrichtung zum Empfangen einer Mehrzahl von Eichungs- bzw. Abgleichsignalenvon dem Signalkanal, und eine Einrichtung zum Messen der Amplitude von jedem Ei­ chungs- bzw. Abgleichsignal. Jedes Eichungs- bzw. Abgleich­ signal befindet sich auf einer vorbestimmten Eichungs- bzw. Abgleichfrequenz. Basierend auf den Eichungs- bzw. Abgleichs­ signalamplituden werden dann Filterdaten bestimmt, und es ist eine Einrichtung zum Speichern der Filterdaten vorge­ sehen. Danach filtert die adaptive, insbesondere selbstan­ passende, Filtereinrichtung ein auf dem Kanal vorhandenes Eingangssignal, um ein gefiltertes Ausgangssignal zu erzeu­ gen. Die Filtereinrichtung stellt ihren Amplitudenfrequenz­ gang in Ansprechung auf die Filterdaten derart ein, daß der kombinierte Amplituden-Frequenzgang des Signalkanals und der Filtereinrichtung im wesentlichen flach über den Kanalfre­ quenzbereich hinweg ist.

In einer bevorzugten Anordnung für die Anwendung in einem Telefonsystem umfaßt die Filtereinrichtung eine Mehrzahl von adaptiven, insbesondere selbstanpassenden Filterab­ schnitten, wobei jeder Filterabschnitt eine Einrichtung bzw. Mittel zum Erzeugen eines flachen kombinierten Amplituden- Frequenzgangs über einen Unterbereich von Frequenzen, der den Kanalfrequenzbereich wenigstens teilsweise überlappt, aufweist. Vorzugsweise hat jeder Filterabschnitt eine bi­ quadratische Filtertransferfunktion, die Koeffizienten auf­ weist, welche derart bestimmt sind, daß der kombinierte Amplituden-Frequenzgang des Signalkanals und des Filterab­ schnitts einen vorbestimmten Wert bei 3 Eichungs- bzw. Ab­ gleichfrequenzen hat. In dieser Ausführungsform umfaßt oder ist die Filtereinrichtung vorzugsweise eine digitale Filter­ einrichtung, und die Schaltung weist vorzugsweise eine Ein­ richtung zum Empfangen eines Analogsignals von dem Signal­ kanal her und zum Umwandeln desselben in eine entsprechende Reihe von Digitalsignalen, die der digitalen Filtereinrich­ tung eingegeben werden, auf. In Ansprechung hierauf erzeugt die digitale Filtereinrichtung eine entsprechende Reihe von gefilterten Digitalsignalen, die in das gefilterte Ausgangs­ signal umgewandelt werden. Das Filtern und Entzerren kann wahlweise auch mit adaptiven, insbesondere selbstanpassen­ den Analogfilterfunktionen und -schaltungen ohne Umwand­ lung in Digitalsignale ausgeführt werden.

Vorstehende sowie weitere Vorteile und Merkmale der Erfin­ dung seien nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungs­ formen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Tabelle, welche Amplitudenentzerrungsnetzwer­ ke nach dem Stande der Technik und ihre Amplituden- Frequenzgänge veranschaulicht;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltung zum Ausführen der Amplitudenentzerrung gemäß der vorliegenden Er­ findung;

Fig. 3A bis 3D Kurvendarstellungen, welche die Kombi­ nation des Amplituden-Frequenzgangs eines nicht­ entzerrten Kanals mit den Amplituden-Frequenzgängen von Filterabschnitten gemäß der vorliegenden Er­ findung zum Erzeugen eines im wesentlichen flachen Amplituden-Frequenzgangs veranschaulichen;

Fig. 4A und 4B Kurvendarstellungen, welche die Ablei­ tung der Filterkoeffizienten für den Abschnitt hoher Frequenzen veranschaulichen; und

Fig. 5A und 5B Kurvendarstellungen, welche die Ablei­ tung der Filterkoeffizienten für den Abschnitt niedriger Frequenzen veranschaulichen.

In der nun folgenden detaillierten Beschreibung der Erfin­ dung sei zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen, die ein Block­ schaltbild einer bevorzugten Entzerrungsschaltung 10 für die Verwendung in einem Telefonsystem darstellt. Die Ent­ zerrungsschaltung 10 ist in eine Zweidraht-Telefonleitung 12 eingefügt, welche sich zwischen dem Zentralamt 14 und dem Gerät bzw. Apparat 16, der sich in den Räumlichkeiten des Kunden bzw. des Teilnehmers befindet, erstreckt (die­ ses Gerät bzw. dieser Apparat, der sich in den Räumlich­ keiten des Kunden bzw. Teilnehmers befindet, wird nach­ stehend abgekürzt als "Teilnehmerapparat" bezeichnet). Die Entzerrungsschaltung befindet sich an dem Teilnehmerappa­ rat-Ende der Leitung 12 und kompensiert Variationen des Amplituden-Frequenzgangs der Leitung 12 zwischen dem Zen­ tralamt und der Entzerrungsschaltung. Die Entzerrungs­ schaltung ist durch die Leitung 18, von der angenommen wird, daß sie genügend kurz ist, so daß sie keine Ent­ zerrung erfordert, mit dem Teilnehmerapparat 16 verbunden. Die Leitung 12 umfaßt eine Sendeleitung 20 zum Übertragen von Information vom Zentralamt zu den Räumlichkeiten des Teilnehmers bzw. zum Teilnehmerapparat und eine Empfangs­ leitung 22 zum Übertragen von Information von den Teil­ nehmerräumlichkeiten bzw. dem Teilnehmerapparat zurück zum Zentralamt. Die Leitung 18 weist in entsprechender Weise eine Sendeleitung 24 und eine Empfangsleitung 26 auf.

Die Entzerrungsschaltung 10 weist einen Verstärker 30 mit variablem Verstärkungsfaktor und einen Codierer-Decodierer 34 auf, die in Reihe zwischen die Sendeleitungen 20 und 24 eingefügt sind. Die Entzerrungsschaltung 10 umfaßt weiter eine Steuereinrichtung 40, eine Digitalsignalverarbeitungs­ einrichtung 42, einen Dualport-RAM-Speicher 44 (RAM-Spei­ cher = Speicher mit wahlfreiem Zugriff), einen DTMF-Deco­ dierer 46 (DTMF-Decodierer = Wählzeichen-Mittelfrequenz- Decodierer) und ein Zurückschleifungsrelais 48. Das Zurück­ schleifungsrelais 48 verbindet entweder die Leitung 24 oder die Leitung 26 mit der Empfangsleitung 22. Die Steuerein­ richtung 40, der Codierer-Decodierer 34, der DTMF-Decodie­ rer 46 und der Speicher 44 sind über den Systembus 50 mit­ einander verbunden. Die Digitalsignalverarbeitungseinrich­ tung 42 ist mit der Steuereinrichtung 40 über einen Bus 52 und mit dem Speicher 44 über einen Bus 54 verbunden. Die Entzerrungsschaltung 10 bildet vorzugsweise einen Teil einer Einrichtung, die in der Telefonindustrie als Netzwerkkanal­ abschluß- bzw. -endausrüstung (NCTE) bekannt ist. Allgemein bezieht sich diese Netzwerkkanalabschluß- bzw. -endaus­ rüstung (NCTE) auf die Ausrüstung in den Räumlichkeiten eines Kunden bzw. Teilnehmers für den Abschluß von Verbindungs­ leitungen, Fernleitungen, Vielfachleitungen od. dgl. und Spezialserviceleitungen, und diese Ausrüstung ist so ausge­ legt bzw. ausgebildet, daß eine angemessene Sprachfrequenz­ übertragung und Signalisierung auf der Leitung 12, welche die Räumlichkeiten des Kunden bzw. Teilnehmers mit dem Netz­ werk verbindet, sichergestellt wird.

Ein über die Leitung 20 von dem Zentralamt 14 empfangenes Signal wird in den Verstärker 30 mit variablem Verstärkungs­ faktor eingegeben. Der Verstärkungsfaktor dieses Verstär­ kers wird mittels eines über die Leitung 32 von der Steuer­ einrichtung 40 empfangenen Steuersignals in einer Art und Weise eingestellt, die weiter unten in näheren Einzelhei­ ten beschrieben ist. Die Ausgangsgröße des Verstärkers 30 mit variablem Verstärkungsfaktor auf der Leitung 28 wird in den Codierer-Decodierer 34 und den DTMF-Decodierer 46 ein­ gegeben. Der Codierer-Decodierer 34 umfaßt einen Analog-zu- Digital-Umsetzer, der das Analogsignal auf der Leitung 28 in eine Folge von Digitalabtastwerten umsetzt, und zwar mit einer geeigneten Abtastrate, die beispielsweise 8000 Hz be­ trägt. Die resultierenden Digitalsignale werden über den Codierer-Decodierer-Bus 58 und den Systembus 50 zum Spei­ cher 44 übertragen. Diese digitalen Abtastwerte werden durch die Digitalsignalverarbeitungseinrichtung 42, wie un­ ten beschrieben, gefiltert, und die erhaltenen gefilterten Digitalwerte werden im Speicher 44 gespeichert und über die Busse 50 und 58 zum Codierer-Decodierer 34 zurückgeführt. Die zurückgeführten Digitalwerte werden mittels des Codie­ rers-Decodierers 34 in ein Analogsignal auf der Leitung 24 umgesetzt, die mit dem Teilnehmerapparat 16 (dieser Begriff soll auch eine ganze Teilnehmerausrüstung, die auch aus mehreren Apparaten bestehen kann, etc. umfassen) verbunden ist.

Die von dem Teilnehmerapparat 16 erzeugten Signale verlau­ fen über die Leitung 26 zur Entzerrungsschaltung 10 und werden auf den einen Eingang des Zurückschleifungsrelais 48 gegeben, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist. Während des normalen Betriebs verbindet das Zurückschleifungsrelais 48 diesen Eingang mit der Leitung 22 derart, daß das Signal von dem Teilnehmerapparat zum Zentralamt 14 zurückgeleitet wird. Jedoch ist es in der Zurückschleifungsbetriebsweise, die weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben ist, so, daß das Zurückschleifungsrelais 48 unter der Steuerung durch ein Signal (nicht gezeigt), das von der Steuerein­ richtung 40 geliefert wird, umschaltet, derart, daß das von dem Codierer-Decodierer 34 auf der Leitung 24 erzeug­ te Signal mit der Leitung 22 verbunden und zum Zentralamt 14 zurückgeleitet wird.

Die Verwendung der Amplitudenentzerrungsschaltung 10 umfaßt drei prinzipielle Schritte. In dem ersten Schnitt überträgt bzw. sendet das Zentralamt 14 eine Reihe von Eichungs- bzw. Abgleichsignalen mit vorbestimmten Frequenzen und vorbe­ stimmten (das heißt konstanten) Relativamplituden zu der Entzerrungsschaltung 10. Die Entzerrungsschaltung 10 mißt die empfangenen Amplituden der Eichungs- bzw. Abgleichsig­ nale, und dadurch bestimmt sie Leitungs-Frequenzgang-Daten, welche den aktuellen Amplituden-Frequenzgang der Leitung 12 bei einer Mehrzahl von Frequenzen repräsentieren. In einem zweiten Schritt wandelt die Entzerrungsschaltung 10 die Leitungs-Frequenzgang-Daten in Digitalfilterkoeffizien­ ten für die Verwendung durch die Digitalsignalverarbeitungs­ schaltung 42 um. Die Filterdaten, welche die Digitalfilter­ koeffizienten repräsentieren, werden im Speicher 44 gespei­ chert, der für diesen Zweck ein elektronisch löschbares PROM (EPROM) für die nichtflüchtige Speicherung dieser Da­ ten aufweisen kann (PROM = programmierbarer Festspeicher, EPROM = löschbarer programmierbarer Festspeicher bzw. elek­ trisch änderbarer Festwertspeicher). In einem dritten Schritt filtert die Digitalsignalverarbeitungseinrichtung 42 von dem Zentralamt über die Leitung 20 empfangene Signale unter Verwendung der vorbestimmten Filterkoeffizienten. Das digi­ tale Filtern kompensiert den nichtflachen Amplituden-Fre­ quenzgang der Leitung 12, so daß ein flacher Amplituden- Frequenzgang für die Kombination aus der Leitung 12 und der Entzerrungsschaltung 10 über den interessierenden Frequenz­ bereich erzeugt wird. Wahlweise kann eine Analogentzerrung durchgeführt werden, da, wie oben beschrieben, geeignete Analogfilterkoeffizienten des Entzerrers auch an diesem Punkt bekannt sind, da sie zur Ableitung der Digitalfilter­ koeffizienten verwendet werden.

Zur Durchführung des Erzeugens von Eichungs- bzw. Abgleich­ signalen durch das Zentralamt 14 für die Verwendung mittels der Entzerrungsschaltung 10 kann jede geeignete Prozedur benutzt werden. In einer der geeigneten Anordnungen sen­ det eine Bedienungsperson im Zentralamt 14 einen Eich- bzw. Justierbefehl über die Leitung 12 zu der Entzerrungs­ schaltung 10. Der Eich- bzw. Justierbefehl wird von dem DTMF-Decodierer 46 erfaßt bzw. detektiert und über den Bus 50 zur Steuereinrichtung 40 gegeben. In Ansprechung auf den Eich- bzw. Justierbefehl tritt die Steuereinrichtung 40 in eine Eich- bzw. Justierbetriebsweise ein, in welcher sie das Zurückschleifungsrelais 48 so aktiviert, daß die­ ses die Leitung 22 mit der Leitung 24 verbindet, und dann sendet die Steuereinrichtung 40 eine Reihe von Testsigna­ len über den Codierer-Decodierer 46 und das Zurückschlei­ fungsrelais 48. Jedes Testsignal ist ein Ton einer einzi­ gen Frequenz, und zwar in einer vorbestimmten Frequenz, die entweder in oder in der Nähe des Nenn-Kanaldurchlaß­ bereichs liegt. Das Zentralamt 14 erzeugt beim Empfang von jedem Testton einen Eichungs- bzw. Abgleichton mit der iden­ tischen Frequenz und einem vorherdefinierten Amplituden­ niveau und sendet den Eichungs- bzw. Abgleichton über die Leitung 12 zurück zur Entzerrungsschaltung 10. Die Ent­ zerrungsschaltung 10 mißt und speichert die Amplitude des Eichungs- bzw. Abgleichtons, um die gewünschten Leitungs- Frequenzgang-Daten zu liefern.

Es sei nun der Betrieb einer speziell bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung beschrieben. Hierzu sei anfäng­ lich auf die Fig. 3A Bezug genommen, deren Kurve 60 den Amplituden-Frequenzgang (Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz) einer typischen Telefonleitung in dem Fre­ quenzbereich von 300 bis 3000 Hz repräsentiert. Im allge­ meinen kann für eine gegebene Anwendung der Gesamtfrequenz­ bereich, über den eine Entzerrung stattfinden muß, in Ab­ schnitte unterteilt werden, wobei jeder Abschnitt einem speziellen Teil des Gesamtfrequenzbereichs entspricht. Für jeden Abschnitt wird dann ein separates Digitalfilter ab­ gezweigt, und die Filter werden durch die Digitalsignal­ verarbeitungseinrichtung 42 in Kaskade angewandt bzw. vor­ gesehen. Für Telefonanwendungsfälle wurde gefunden, daß die Verwendung von zwei Entzerrungsabschnitten am geeig­ netsten für eine Anwendung ist, in welcher der Toleranz­ bereich für den resultierenden Amplituden-Frequenzgang 2 dB beträgt. Der erste Abschnitt deckt den Bereich von 300 bis 1000 Hz ab, während der zweite Abschnitt den Bereich von 1000 bis 3000 Hz abdeckt. Anwendungen bei einem breiteren Frequenzbereich oder kleineren Toleranzen können mehr als 2 Abschnitte umfassen, während ein einziger Abschnitt für andere Anwendungen genügt.

Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird der Amplituden- Frequenzgang des Kanals an drei Frequenzpunkten pro Ab­ schnitt bestimmt. Diese Punkte sind in Fig. 3A mit A, B, C, D und E bezeichnet, wobei der Punkt C beiden Abschnit­ ten gemeinsam ist. Die Frequenzen dieser Punkte sind je­ weils 254 Hz, 504 Hz, 1014 Hz, 2054 Hz und 3304 Hz. Die exakten Frequenzwerte können mit beträchtlichem Spielraum gewählt werden. Vorzugsweise wird der Verstärkungsfaktor im Punkt C mittels der manuellen oder automatischen Ein­ stellung des Verstärkers 30 mit veränderbarem Verstärkungs­ faktor auf ein geeignetes Niveau eingestellt, und der Punkt C dient danach als ein Bezugsniveau (0 dB) für die Filter­ auslegung. Eine Digitalfilterübertragungsfunktion (für den Begriff "Übertragungsfunktion" wird hier auch der Begriff "Transferfunktion" verwendet) wird dann für jeden Abschnitt abgeleitet. Das Frequenzansprechen eines Filters entspre­ chend dem ersten Abschnitt (niedrige Frequenzen) wird durch die Kurve 62 in Fig. 3B veranschaulicht, während das Fre­ quenzansprechen eines Filters, das dem zweiten Abschnitt (hohe Frequenzen) entspricht, durch die Kurve 64 in Fig. 3C veranschaulicht ist. Der resultierende Amplituden-Fre­ quenzgang des Kanals plus beider Filter wird durch die Kur­ ve 66 in Fig. 3D veranschaulicht. Generell werden die Fil­ ter derart definiert, daß der resultierende Amplituden- Frequenzgang in eine spezifizierte Toleranz 68 fällt bzw. innerhalb einer spezifizierten Toleranz 68 bleibt.

In einer bevorzugten Ausführung wird hier angenommen, daß jeder Digitalfilterabschnitt eine Charakteristik der Däm­ pfung in Abhängigkeit von der Frequenz hat, welche dieje­ nige eines Analogfilters approximiert, das eine biquadrati­ sche Übertragungsfunktion zweiter Ordnung hat. Die Berech­ nung der Analogübertragungsfunktion des Abschnitts der hohen Frequenzen ist in den Fig. 4A und 4B veranschau­ licht. Die Kreisfrequenzen in den Punkten C, D und E seien mit ω _ref bzw. ω ₁ bzw. ω ₀ bezeichnet, und der nichtentzerrte Amplituden-(Verstärkungsfaktor-)Frequenzgang der Telefon­ leitung ist mit G( ω) bezeichnet und in Fig. 4A durch die Kurve 60 veranschaulicht. Der Verstärkungsfaktor-Frequenz­ gang der Analogfilterübertragungsfunktion für den Abschnitt hoher Frequenzen ist mit T ₁ (s) bezeichnet, wobei s die normali­ sierte komplexe Frequenz j ω/ω ₀ ist. T ₁ (s) ist durch die Kurve 64 in Fig. 4B veranschaulicht. Unter der Annahme einer ohmschen Signalquelle kann die biquadratische Über­ tragungsfunktion T ₁ (s) wie folgt geschrieben werden:

und die Bedingung für die Entzerrung ist

| T₁(s) | · | G( ω) | = konstant (2)

bei ω _ref , ω₁ und ω₀. Wenn ω₂ als ω₀²/ω₁ definiert wird, und wenn ω _c als ω₂-w₁ definiert wird, dann kann man schreiben

Eine geschlossene Form der Lösung kann für die Koeffizien­ ten A und B in Gleichung (1) dadurch gefunden werden, daß man zunächst die Verhältnisse X und Y wie folgt bildet:

worin die zweite Gleichheit in der Gleichung (4) aus der Normalisierungsbedingung folgt, das heißt T ₁(ω ₀)=1, und worin die zweite Gleichheit in der Gleichung (5) eine An­ näherung ist und auf der bekannten Form der biquadratischen Übertragungsfunktion basiert. Die Größen der X- und Y-Werte sind in den Fig. 4A und 4B graphisch eingezeichnet. Aus den Gleichungen 1 und 3 bis 5 erhält man

woraus folgt, daß

Eine algebraische Manipulation der Gleichungen (7) und (8) ergibt dann die gewünschten Lösungen in geschlossener Form:

Eine Messung des nichtentzerrten Amplituden-Frequenzgangs in den Punkten C, D und E liefert Werte für G( ω _ref ), G( ω ₁) und G( ω ₀). Diese Messungen können über die Gleichungen (4) und (5) in Werte für X und Y umgewandelt werden, und durch die Gleichungen (9) und (10) in Filterkoeffizienten A und B. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gleichung (9) nicht verwendet werden kann, wenn X den Wert 1 hat, oder wenn das Argument der Quadratwurzelfunktion bzw. der Aus­ druck unter der Quadratwurzel negativ ist. Aus den Defini­ tionen von X und Y ist ersichtlich, daß diese Bedingungen auftreten, wenn der Kanal eine geringe Entzerrung erfordert, oder wenn der Verstärkungsfaktor des Kanals nicht monoton mit der Frequenz in dem interessierenden Band abnimmt. In dem ersteren Fall ist keine Entzerrung erforderlich. In dem letzteren Fall muß eine Übertragungsfunktion höherer Ordnung verwendet werden, um den Abschnitt zu entzerren, oder das interessierende Band muß geändert werden.

Für die bevorzugte Ausführungsform, in welcher ein Digi­ talfilter für die Amplitudenentzerrung verwendet wird, können die Digitalfilterkoeffizienten aus der Übertra­ gungsfunktion der Fig. 1 unter Verwendung der an sich bekannten bilinearen Transformation erhalten werden. Das Ergebnis ist ein Digitalfilter, das die folgende biqua­ dratische Form zweiter Ordnung hat:

wobei die Koeffizienten R, R, Q, M und N direkt aus den Analogkoeffizienten A und B mittels Methoden berechnet werden, die an sich auf dem Fachgebiet bekannt sind. Die Gleichung (11) kann direkt durch eine geeignete Digital­ signalverarbeitungseinrichtung 42, die in Fig. 2 gezeigt ist, implementiert bzw. durchgeführt werden, zum Beispiel durch den Ein-Chip-Prozessor TMS-320, der von der Firma Texas Instruments erhältlich ist. Ein signifikanter Vor­ teil der beschriebenen Ausführungsform ist die Existenz von Lösungen in geschlossener Form für die Filterkoeffi­ zienten. Dieses Merkmal ermöglicht es, die Koeffizienten leicht wieder bzw. erneut zu berechnen, wenn sich die Ka­ nalbedingungen in der Netzwerkkanalabschlußausrüstung (NCTE), welche die Entzerrungsschaltung 10 enthält, ändern, und zwar kann dieses Wiederberechnen bzw. erneute Berech­ nen mittels eines eingebauten Mikroprozessors erfolgen.

Die Berechnung der Analogübertragungsfunktion T ₂ (s) für den Abschnitt niedriger Frequenzen ist in den Fig. 5A und 5B veranschaulicht. Die Frequenzen in den Punkten A, B und C werden als ω ₀, ω ₂ und ω _ref genommen, und ω ₁ und ω _c sind derart definiert, daß ω ₀ ²=ω ₁ ω ₂ ist, und daß ω _c =ω ₂-ω ₁ ist. Bei diesen Definitionen sind die Berechnungen nahe­ zu gleichartig wie diejenigen, die für den Abschnitt der oberen Frequenzen gegeben worden sind, und zwar mit den folgenden Variationen bzw. Abweichungen:

Aus den Werten von X und Y, die mittels der Gleichung (12) bzw. (13) berechnet worden sind, ergibt sich die Übertra­ gungsfunktion T ₂ (S) durch die Gleichung (14)

und zwar normalisiert auf ω ₀. Die Koeffizienten A und B werden wie vorher aus den Gleichungen (9) und (10) be­ rechnet.

Wie bei dem Abschnitt T ₁ (s) wird die bilineare Transforma­ tion dazu benutzt, die Analogfilterkoeffizienten in Digi­ talfilterkoeffizienten zu transformieren, wie in Gleichung (11) gezeigt, und zwar zur Implementierung bzw. Durchfüh­ rung durch die Digitalsignalverarbeitungseinrichtung 42 bzw. den Digitalsignalprozessor 42.

Zusammengefaßt ist zu sagen, daß es für jeden Entzerrerab­ schnitt zunächst gewünscht ist, eine Übertragungsfunktion im kontinuierlichen Zeitbereich (analog) zu finden, die vorteilhafterweise eine Funktion zweiter Ordnung von S (S=j ω) ist, wie in Gleichung (1) veranschaulicht. Funktionen erster Ordnung können bei weniger genauer Entzerrungsfähig­ keit verwendet werden, während Funktionen höherer Ordnung bei erhöhten Berechnungserfordernissen bzw. unter Inkauf­ nahme von erhöhten Berechnungserfordernissen verwendet wer­ den können. Für die biquadratische Übertragungsfunktion der Gleichung (1) werden die Koeffizienten A und B in der Art und Weise einer geschlossenen Form berechnet, welche eine nahezu exakte Entzerrung bei zwei Frequenzen erzwingt. Da­ her kompensiert die Größe von T ₁ (S) in den Punkten D und E sehr eng die beiden entsprechenden Punkte von G( ω) in Fig. 3A. In entsprechender Weise kompensieren die Punkte A und B des Entzerrers T ₂ (S), der in Fig. 3B gezeigt ist, sehr eng die beiden entsprechenden Punkte von G( ω). Der resultierende entzerrte Frequenzgang der Fig. 3D ist da­ her nahezu exakt bei den fünf Frequenzen, die zur Bemes­ sung der Punkte A, B, C, D und E verwendet worden sind, und zwar mit einem gewissen Fehlerbetrag bei zwischenlie­ genden Frequenzen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschrie­ benen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, son­ dern sie läßt sich im Rahmen des Gegenstandes der Erfin­ dung, wie er in den Patentansprüchen angegeben ist, sowie im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens, wie er den gesamten Unterlagen zu entnehmen ist, in vielfältiger Weise abwandeln und mit Erfolg ausführen.

Claims (26)

1. Schaltungsanordnung zur Verbindung mit einem Si­ gnalkanal für adaptive, insbesondere selbstanpassende Amplitudenentzerrung des Signalkanals über einen vorbestimmten Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung folgendes umfaßt:
eine Einrichtung zum Empfangen einer Mehrzahl von Eichungs- bzw. Abgleichssignalen von dem Signalkanal, wobei jedes Eichungs- bzw. Abgleichsignal auf einer vorbestimmten Eichungs- bzw. Abgleichfrequenz ist bzw. eine vorbestimmte Eichungs- bzw. Abgleichfrequenz hat;
eine Einrichtung zum Messen der Amplitude von jedem Eichungs- bzw. Abgleichsignal und zum Bestimmen von Filterdaten auf der Basis der Eichungs- bzw. Abgleichsignalamplituden;
eine Einrichtung zum Speichern der Filterdaten; und
eine adaptive, insbesondere selbstanpassende Filterein­ richtung zum Filtern eines auf dem Kanal vorhandenen Ein­ gangssignals zum Erzeugen eines gefilterten Ausgangssi­ nals, wobei die Filtereinrichtung eine Einrichtung zum Einstellen ihres Amplituden-Frequenzgangs in Ansprechung auf die Filterdaten derart hat, daß der kombinierte Am­ plituden-Frequenzgang des Signalkanals und der Filterein­ richtung im wesentlichen flach über den Kanalfrequenzbe­ reich ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine Filterübertragungsfunktion zweiter Ordnung hat.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine biquadratische Filterübertragungsfunktion hat.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die biquadratische Filterüber­ tragungsfunktion Koeffizienten aufweist, die derart be­ stimmt sind, daß der kombinierte Amplituden-Frequenzgang des Signalkanals und der Filtereinrichtung einen vorbestimmten Wert bei drei Eichungs- bzw. Abgleichfrequenzen hat.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filterübertragungsfunktion innerhalb des Kanalfrequenzbereichs einen Amplituden-Fre­ quenzgang hat, der im wesentlichen gleichartig dem Amplitu­ den-Frequenzgang eines Analogfilters ist, das eine Übertra­ gungsfunktion der Form hat und worin die Koeffizienten A und B den Filterdaten entsprechen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie weiter eine Einrichtung zum Emp­ fangen eines Analogsignals von dem Signalkanal und eine Einrichtung zum Umwandeln des Analogsignals in eine ent­ sprechende Reihe von Digitalsignalen umfaßt, worin bzw. wobei die Filtereinrichtung eine Digitalfiltereinrichtung zum Empfangen der Reihe von Digitalsignalen und zum Er­ zeugen einer entsprechenden Reihe von gefilterten Digital­ signalen umfaßt oder ist, und worin bzw. wobei die Schal­ tungsanordnung weiter eine Einrichtung zum Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in das gefilterte Ausgangs­ signal umfaßt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine Mehrzahl von adaptiven, insbesondere selbstanpassenden Filterabschnitten umfaßt, wobei jeder Filterabschnitt eine Einrichtung bzw. Mittel zum Erzeugen eines flachen kombinierten Amplituden-Frequenzgangs über einen Unter­ bereich von Frequenzen, der den Kanalfrequenzbereich wenigstens teilweise überlappt, aufweist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Filterabschnitt eine Filterübertragungsfunktion zweiter Ordnung hat.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Filterabschnitt eine biquadratische Filterübertragungsfunktion hat.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede biquadratische Filter­ übertragungsfunktion Koeffizienten aufweist, die derart bestimmt sind, daß der kombinierte Amplituden-Frequenzgang des Signalkanals und des Filterabschnitts einen vorbe­ stimmten Wert bei drei Eichungs- bzw. Abgleichfrequenzen hat.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine einzige Eichungs- bzw. Abgleichfrequenz zwei Filterabschnitten und ihren zu­ gehörigen Unterbereichen gemeinsam ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, insbesondere nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filterübertragungsfunktion in jedem Unterbereich einen Amplituden-Frequenzgang hat, der im wesentlichen gleichartig dem Amplituden-Frequenzgang eines Analogfilters ist, das eine Übertragungsfunktion der Form hat und worin die Koeffizienten A und B den Filterdaten für den zugehörigen Filterabschnitt entsprechen.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, ins­ besondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß sie weiter eine Einrichtung zum Empfangen eines Analogsignals von dem Siganalkanal und zum Umwandeln des Analogsignals in eine entsprechende Reihe von Digital­ signalen umfaßt, worin bzw. wobei die Filtereinrichtung eine digitale Filtereinrichtung zum Empfangen der Reihe von Digitalsignalen und zum Erzeugen einer entsprechenden Reihe von gefilterten Digitalsignalen umfaßt oder ist, und worin bzw. wobei die Schaltung weiter eine Einrichtung zum Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in das ge­ filterte Ausgangssignal umfaßt.

14. Verfahren zur adaptiven, insbesondere selbstanpassenden Amplitudenentzerrung eines Signalkanals über einen vorbe­ stimmten Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgendes umfaßt:
Empfangen einer Mehrzahl von Eichungs- bzw. Abgleichsignalen von dem Signalkanal, wobei jedes Eichungs- bzw. Abgleich­ signal auf einer vorbestimmten Eichungs- bzw. Abgleichfrequenz ist bzw. eine vorbestimmte Eichungs- bzw. Abgleichungsfrequenz hat;
Messen der Amplitude von jedem Eichungs- bzw. Abgleichsignal und Bestimmen von Filterdaten auf der Basis der Eichungs- bzw. Abgleichsignalamplituden;
Speichern der Filterdaten; und
Filtern eines auf dem Kanal vorhandenen Eingangsignals zum Erzeugen eines gefilterten Ausgangsignals, und Einstellen des Amplituden-Frequenzgangs der adaptiven, insbesondere selbstanpassenden Filtereinrichtung in Ansprechung auf die Filterdaten derart, daß der kombinierte Amplituden-Frequenz­ gang des Signalkanals und der Filtereinrichtung im wesent­ lichen flach über den Kanalfrequenzbereich ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filtereinrichtung eine Filterüber­ tragungsfunktion zweiter Ordnung hat.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Filtereinrichtung eine biquadratische Filterübertragungsfunktion hat.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die biquadratische Filterübertragungs­ funktion Koeffizienten aufweist, die derart bestimmt sind, daß der kombinierte Amplituden-Frequenzgang des Signal­ kanals und der Filtereinrichtung einen vorbestimmten Wert bei drei Eichungs- bzw. Abgleichfrequenzen hat.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, ins­ besondere nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß die Filterübertragungsfunktion innerhalb des Kanalfrequenzbereichs einen Amplituden-Frequenzgang hat, der im wesentlichen gleichartig dem Amplituden-Frequenz­ gang eines Analogfilters ist, das eine Übertragungsfunk­ tion der Form hat und worin die Koeffizienten A und B den Filterdaten entsprechen.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, ins­ besondere nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß der Filterungsschritt das Empfangen eines Analog­ signals von dem Signalkanal, das Umwandeln des Analogsignals in eine entsprechende Reihe von Digitalsignalen, das digi­ tale Filtern der Reihe von Digitalsignalen und das Er­ zeugen einer entsprechenden Reihe von gefilterten Digital­ signalen, sowie das Umwandeln der gefilterten Digitalsi­ gnale in das gefilterte Ausgangssignal umfaßt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine Mehrzahl von adaptiven, insbesondere selbstanpassenden Filterabschnitten umfaßt, wobei jeder Filterabschnitt eine Einrichtung bzw. Mittel zum Erzeugen eines flachen kom­ binierten Amplituden-Frequenzgangs über einen Unterbe­ reich von Frequenzen, der den Kanalfrequenzbereich wenigstens teilweise überlappt, aufweist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Filterabschnitt eine Filterüber­ tragungsfunktion zweiter Ordnung hat.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Filterabschnitt eine biquadratische Filterübertragungsfunktion hat.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede biquadratische Filterübertragungs­ funktion Koeffizienten aufweist, die derart bestimmt sind, daß der kombinierte Amplituden-Frequenzgang des Signal­ kanals und des Filterabschnitts einen vorbestimmten Wert bei drei Eichungs- bzw. Abgleichfrequenzen hat.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine einzige Eichungs- bzw. Abgleich­ frequenz den beiden Filterabschnitten und ihren zugehörigen Unterbereichen gemeinsam ist.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, ins­ besondere nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die Filterübertragungsfunktion in jedem Unterbe­ reich einen Amplituden-Frequenzgang hat, der im wesentlichen gleichartig dem Amplituden-Frequenzgang eines Analogfilters ist, das eine Übertragungsfunktion der Form hat und worin die Koeffizienten A und B den Filterdaten des zugehörigen Filterabschnitts entsprechen.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, ins­ besondere nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich­ net, daß der Filterungsschritt das Empfangen eines Analog­ signals von dem Signalkanal, das Umwandeln des Analogsignals in eine entsprechende Reihe von Digitalsignalen, das digi­ tale Filtern der Reihe von Digitalsignalen und das Erzeugen einer entsprechenden Reihe von gefilterten Digitalsignalen, sowie das Umwandeln der gefilterten Digitalsignale in das gefilterte Ausgangsignal umfaßt.