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BEREICH DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geräte zur Verbesserung der Qualität von Datensignalen,
und insbesondere auf Geräte
zur Verbesserung der Qualität
von Datensignalen, die während
der Übertragung über eine
Verbindung verzerrt werden.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
Datenübertragungsnetzen
kommunizieren die Netzknoten anhand der Übertragung analoger Signale über Verbindungen,
wie z.B. ein Kabel der Kategorie 5. Der Empfangsknoten ist für die Wiederherstellung
der digitalen Datenbits aus dem analogen Signal verantwortlich.
Da während
der Übertragung über die
Verbindung Verzerrungen entstehen, muss der Empfangsknoten die Qualität des Signals
im Allgemeinen vor dem Versuch einer Datenwiederherstellung verbessern.
Die Signalqualität
wird typischerweise mit Hilfe eines als Entzerrung bekannten Prozesses
verbessert, der allgemein ausgedrückt, die Verzerrungen kompensiert,
die in einer Verbindung auftreten, und das Signal seiner ursprünglichen Wellenform
wieder näher
bringt. Ohne entsprechende Entzerrung kann die Verzerrung entweder
die vollständige
Unmöglichkeit
einer Wiederherstellung der übertragenen
Daten oder die Wiederherstellung von Daten mit einer unakzeptablen
hohen Bitfehlerrate zur Folge haben.
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Die
Entzerrung beinhaltet technische Herausforderungen, da Art und Umfang
der Verzerrung von Netzwerk zu Netzwerk und von Verbindung zu Verbindung
unterschiedlich sind. Die Art der Verzerrung kann durch zahlreiche
Faktoren beeinflusst werden, wie beispielsweise Kanallänge, Übertragungsfrequenz,
Impedanzfehlanpassung, elektromagnetische Interferenzen und, im
Allgemeinen in geringerem Umfang, Beeinträchtigungen durch Steckverbindungen,
Zwischentransformatoren, Produktionsschwankungen und Umweltfaktoren,
wie z.B. Temperatur. Zusätzliche
Komplikationen können
aus der Abhängigkeit
bestimmter Variablen, die Verzerrungen verursachen, von anderen
Variablen resultieren, wie z.B. die Frequenzabhängigkeit der Signaldämpfung bei
einer gegebenen Signallänge.
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Aufgrund
der häufig
komplexen Kombination von Faktoren, die Verzerrungen in existierenden
Verbindungen verursachen, wird die adaptive Entzerrung der statischen
Entzerrung zur Kompensation dieser Verzerrungen im Allgemeinen vorgezogen. Bei
der statischen Entzerrung wird eine Korrekturreaktion (oder „Tap") auf ein Signal
angelegt. Die statische Entzerrung ist daher nicht gut zur Kompensation
von Verzerrungen geeignet, die unvorhersehbar und zeitvariabel sind.
Bei der herkömmlichen
adaptiven Entzerrung (wie z.B. in den Patenten US-A-6 009 120 oder
EP-A-0 907 261 beschrieben) wird dagegen eine dynamische Korrekturreaktion
an ein Signal angelegt, wobei die Reaktion in Echtzeit auf der Basis einer
permanenten Signalabtastung aktualisiert wird, und ist daher besser
in der Lage, unvorhersagbare und zeitvariable Verzerrungen zu kompensieren. Daraus
resultieren eine bessere Signalqualität und eine geringere Bitfehlerrate.
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Die
herkömmliche
adaptive Entzerrung weist jedoch auch Unzulänglichkeiten auf. Die herkömmliche
adaptive Entzerrung erfordert im Allgemeinen einen erheblichen Overhead,
d.h. eine hohe Gate-Anzahl, die sich in hohen Chipkosten äußert. Für Verbindungen,
in denen die Verzerrung relativ vorhersagbar und zeitlich nur geringfügig veränderlich
ist, kann eine solche adaptive Entzerrung daher einen „Overkill" darstellen. Es hat
sich beispielsweise herausgestellt, dass die Verzerrung in Mehrkanal-Ethernetverbindungen über ein
Kabel der Kategorie 5 hauptsächlich
durch eine Impedanzfehlanpassung verursacht wird, die Reflexionen
innerhalb des Kanals und Nebensprechen zwischen den Kanälen erzeugt
und sich nicht sehr schnell ändert.
Für solche Mehrkanal-Verbindungen kann
ein Empfangsknoten, der eine neuartige Entzerrung implementiert,
bei der gemeinsame Entzerrungsressourcen zur Qualitätsverbesserung
von Mehrfachsignalen eingesetzt werden und bei der die Korrekturreaktion
für diese
Signale nur im Bedarfsfall (d.h. nicht in Echtzeit) umgesetzt wird,
eine akzeptable Bitfehlerrate mit erheblich weniger Overhead, als
bei der adaptiven Entzerrung erforderlich wäre, erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Als
grundlegende Funktion bietet die vorliegende Erfindung eine neuartige
Entzerrungsvorrichtung gemäß Anspruch
4 sowie ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch
6 zur Verbesserung der Qualität
von Signalen, die über
eine Mehrkanalverbindung empfangen werden.
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Dieser
und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der folgenden, detaillierten
Beschreibung deutlich, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
erfolgt, die im Folgenden kurz erläutert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein verallgemeinertes Blockdiagramm, das einen Übertragungsknoten darstellt,
der ein Datensignal über
eine Verbindung an einen Empfangsknoten überträgt.
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2 ist
ein verallgemeinertes Blockdiagramm, das die Entzerrung eines Signals
darstellt, das gemäß 1 übertragen
wird.
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3 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm der in 1 dargestellten
Entzerrungslogik.
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4 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des in 3 dargestellten
Entzerrungscontrollers.
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5 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des in 3 dargestellten
Signalfilters.
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6 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des in 3 dargestellten
Kontrollgeräts;
und
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7 ist
ein detaillierteres Blockdiagramm des in 3 dargestellten
Flusscontrollers.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSVARIANTE
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Wenden
wir uns nun den Zeichnungen, und dabei zunächst 1 zu, in
der ein Übertragungsknoten 110 und
ein Empfangsknoten 120 in einem Datenübertragungsnetz über eine
Verbindung 130 miteinander verbunden sind, z.B. über ein
Kabel der Kategorie 5. Der Übertragungsknoten 110 kommuniziert
mit dem Empfangsknoten 120 durch die Übertragung von Kanaldatensignalen über eine
Verbindung 130 in einem Datenübertragungsprotokoll, wie z.B.
Gigabit Ethernet. Bei den Knoten 110, 120 handelt
es sich um Datenübertragungs-Netzelemente, wie
z.B. Schalter, Brücken,
Hubs, Repeater, Server, Workstations oder PCs oder eine Kombination
daraus. Der Empfangsknoten 120 empfängt die Eingangssignale 141–144,
entzerrt die Eingangssignale 141–144 mit einer Entzerrungslogik 150 und überträgt die Ausgangssignale 161–164.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der Übertragungsknoten 110 Fähigkeiten
als Empfangsknoten beinhalten kann und dass der Empfangsknoten 120 Fähigkeiten
als Übertragungsknoten
beinhalten kann, so dass die Knoten 110, 120 zur
bidirektionalen Kommunikation eingesetzt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet hauptsächlich eine neuartige Entzerrungsmöglichkeit
im Empfangsknoten 120, insbesondere anhand der Entzerrungslogik 150,
zur Verbesserung der Qualität
der Ausgangssignale 141–144. In Bezug auf 2 ist eine äußerst verallgemeinerte
mathematische Darstellung der Entzerrung in Bezug auf das Signal
x(t) 210 dargestellt. Das Signal x(t) 210 wird
vom Übertragungsknoten 110 über eine
Verbindung 130 übertragen,
wobei das Signal x(t) 210 einer Kanalimpulsreaktion h(t) 220 unterzogen
wird, die ein verzerrtes Signal x'(t) 230 zur Folge hat. Das
verzerrte Signal x'(t) 230 wird
im Empfangsknoten 120 empfangen, wo das Signal x'(t) 230 einer
Korrektur-Impulsreaktion entsprechend h-1(t) 240 unterzogen
wird, die ein entzerrtes Signal x''(t) 250 zur
Folge hat, das in etwa dem Signal x(t) 210 entspricht.
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In
Bezug auf 3 ist die Entzerrungslogik 150 in
einer bevorzugten Ausführungsvariante
dargestellt. Die Logik 150 empfängt die Eingangssignale 141–144 an
den Eingängen 301–304 und überträgt die Ausgangsignale 161–164 an
die Ausgänge 311–314.
Die Logik 150 umfasst Analog-Digital-Umsetzer 321–324.
Die Umsetzer 321–324 sind
einfache, feste Elemente zur Umwandlung der Eingangssignale 141–144 von
einem analogen in ein digitales Format. Es sind vier Umsetzer 321–324 abgebildet, die
die vier Eingangssignale 141–144, einschließlich eines
Gigabit Ethernet-Signals, umwandeln, wobei jedes Eingangssignal
Daten mit einer Bitrate von zweihundertfünfzig Megabit pro Sekunde (Mbps) über eine
Verbindung 130 überträgt, obwohl
die Anzahl an Eingangssignalen und Umsetzern je nach Netzanforderungen
variiert. Die Eingangssignale 141–144 werden an den
Entzerrungscontroller 330 und die Signalfilter 341–344 übertragen.
Die Signalfilter 341–344 modifizieren
die Eingangssignale 141–144 und erzeugen
in Verbindung mit den vom Entzerrungscontroller 330 gelieferten
Koeffizienten die Ausgangssignale 161–164. Die Ausgangssignale 161–164 werden
an Analog-Digitalwandler 351–354 übertragen,
die die Ausgangssignale 161–164 in eine binäre Datenbitdarstellung „zwingen", z.B. Einsen und
Nullen, und die Ausgangssignale 161–164 vor der Übertragung
der Logik 150 an die Ausgänge 311–314 an
die Kontrollgeräte 361–364 übertragen.
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In
Bezug auf 4 ist ein Entzerrungscontroller 330 im
Detail dargestellt. Der Entzerrungscontroller 330 wird
von den Eingangssignalen 141–144 gemeinsam genutzt,
um Koeffizienten zu erzeugen, die in den Signalfiltern 341–344 eingesetzt
werden. Der Entzerrungscontroller 330 umfasst einen Multiplexer 410,
einen Flusscontroller 420, einen Speicher 430 und
einen Koeffizientenkalkulator 440. Bei dem Multiplexer 410 handelt
es sich um einen Vier-zu-Eins-Multiplexer, der entsprechend aufgebaut
ist, um die Eingangssignale 141–144 einzeln abzutasten
und die Abtastwerte im Speicher 430 abzulegen. Die Eingangssignale 141–144 werden
vorzugsweise beim Aufbau der Verbindung abgetastet sowie anschließend infolge
einer Verschlechterung der Qualität der entsprechenden Ausgangssignale 161–164.
Der Flusscontroller 420 steuert den Fluss innerhalb des
Entzerrungscontrollers 330, einschließlich der Auswahl von Eingangssignalen 141–144 zur Abtastung über den
Multiplexer 410, Ablage der Abtastwerte im Speicher 430, Übertragung der
Abtastwerte an den Koeffizientenkalkulator 440 und Anwendung
der im Koeffizientenkalkulator 440 berechneten Koeffizienten
auf die Signalfilter 341–344. Der Koeffizientenkalkulator 440 ist
ein gemeinsames Element, das dedizierte Koeffizienten für die Eingangssignale 141–144 berechnet,
indem er die Abtastwerte der Eingangssignale 141–144,
die im Speicher 430 abgelegt sind, dem gleichen Tap-Koeffizienten-Algorithmus
unterzieht. Der Tap-Koeffizienten-Algorithmus
implementiert vorzugsweise den allgemein bekannten LMS-Algorithmus
(Least Mean Square), um dedizierte Tap-Koeffizienten für die Eingangssignale 141–144 zu
berechnen, siehe beispielsweise Haykin, Adaptive Filter Theory (1995); Widrow & Stearns, Adaptive
Signal Processing (1985), obwohl auch andere Tap-Koeffizienten-Algorithmen eingesetzt
werden können.
Tap-Koeffizienten
sind dadurch „dediziert", dass die Koeffizienten auf
der Basis von Abtastwerten generiert werden, die aus bestimmten
Eingangssignalen 141–144 resultieren
und an bestimmte Signalfilter 341–344 angelegt werden,
die die bestimmten Eingangssignale 141–144 als Eingabe empfangen.
Somit werden die Koeffizienten, die aus der Abtastung des Eingangssignals 141 resultieren,
beispielsweise an den Signalfilter 341 angelegt, die aus
der Abtastung des Eingangssignals 142 resultierenden Koeffizienten
werden an den Signalfilter 342 angelegt usw. Für jedes Eingangssignal
werden vorzugsweise N Tap-Koeffizienten
generiert. Der Wert N in einer gegebenen Implementierung der vorliegenden
Erfindung variiert im Allgemeinen in Abhängigkeit von der gewünschten Abtastlänge des
Eingangssignals. Für
ein Gigabit Ethernet-Signal, das über ein Kabel der Kategorie
5 übertragen
wird, kann N beispielsweise fünfhundertzwölf betragen.
Der Speicher 430 ist vorzugsweise im RAM (Random Access
Memory) implementiert und die Abtastwerte der verschiedenen Eingangssignale 141–144 werden
an verschiedenen Orten im Speicher 430 abgelegt.
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In 5 sind
die Signalfilter 341–344 detaillierter
in Bezug auf einen repräsentativen
Signalfilter 510 dargestellt. Der Filter 510 „zapft" ein repräsentatives
Eingangssignal 520 entsprechend den jüngsten N Koeffizienten an,
die der Filter 510 vom Entzerrungscontroller 310 empfangen
hat, um ein repräsentatives
Ausgangssignal 530 zu erzeugen. Der Filter 510 umfasst
N Filterstufen, an die die N Koeffizienten angelegt werden. In jeder
Filterstufe werden ein Multiplizierer und ein unterschiedlicher
der N Koeffizienten an das Eingangssignal 520 angelegt,
um ein Produkt zu erhalten, das an den Akkumulator 540 angelegt
wird. Auf diese Weise werden in Filterstufe eins beispielsweise
der Multiplikator 551 und der Koeffizient 561 an
das Eingangssignal 520 angelegt, um das Produkt 571 zu
erhalten, das an den Akkumulator 540 angelegt wird. In
Filterstufe zwei werden der Multiplikator 552 (über das
Register 580) und der Koeffizient 562 an das Eingangssignal 520 angelegt,
um das Produkt 572 zu erhalten, das an den Akkumulator 540 angelegt
wird usw. Der Akkumulator 540 addiert die Produkte 571, 572 usw.,
um das Ausgangssignal 530 für die Übertragung zu erzeugen. Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Verzerrung des Eingangssignals 520 infolge
des „Taps", der auf die oben beschriebene
Weise an den Filter 510 angelegt wird, am Ausgangssignal 530 auf
vorteilhafte Weise reduziert werden kann. Des Weiteren kann die
Verzerrung infolge des Einsatzes eines gemeinsamen Entzerrungscontrollers
zur Erzeugung dedizierter Koeffizienten für die „Taps", die an unterschiedliche Signalfilter
angelegt werden, auf vorteilhafte Weise mit relativ geringem Entzerrungs-Overhead
reduziert werden.
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In 6 sind
die Kontrollgeräte 361–364 detaillierter
in Bezug auf ein repräsentatives
Kontrollgerät 610 dargestellt.
Das Gerät 610 überwacht
ein repräsentatives
Ausgangssignal 620 und meldet dem Entzerrungscontroller 310,
wenn die Bitfehlerrate des Ausgangssignals 620 einen zulässigen Grenzwert überschritten
hat. Das Gerät 610 umfasst
einen Fehlerdetektor 630 und einen Vergleicher 640.
Bei dem Fehlerdetektor 630 handelt es sich vorzugsweise
um eine Viterbi-Fehlererfassungs-/Korrekturschaltung, die die Wahrscheinlichkeit
eines Bitfehlerratenwerts (PBE) 650 erzeugt und einen PBE-Wert 650 an
den Eingang des Komparators 640 anlegt. Der PBE-Wert 650 ist
eine geschätzte
Bitfehlerrate für
das Ausgangssignal 620. Bei dem Vergleicher 640 handelt
es sich vorzugsweise um eine Vergleichsschaltung, die den PBE-Wert 650 mit
der im Vergleicher 640 gespeicherten, zulässigen Bitfehlerrate vergleicht.
Für ein Gigabit
Ethernet-Signal, das über
ein Kabel der Kategorie 5 übertragen
wird, beträgt
die im Vergleicher 640 gespeicherte, zulässige Bitfehlerrate
beispielsweise 1 × 10-6 Bit pro Fehler. Wenn der PBE-Wert 650 größer ist
als die zulässige
Bitfehlerrate, überträgt der Vergleicher 640 eine
Anfrage zur Koeffizientenaktualisierung an den Entzerrungscontroller 330,
die in einer eventuellen Neuberechnung der dedizierten Koeffizienten
für das
Eingangssignal entsprechend dem Ausgangssignal 620 resultiert.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante
umfasst die Anfrage einen Mehrbitwert, der eine Prioritätsstufe
angibt, die vom Vergleicher 640 in Bezug auf die Größenordnung
festgelegt wird, um die das Ausgangssignal 620 die zulässige Bitfehlerrate überschritten
hat. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass es sich bei der Anfrage
in anderen Ausführungsvarianten
um ein einfaches Kennzeichen handeln kann.
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In
Bezug auf 7 ist der Flusscontroller 420,
der zuerst in 4 dargestellt wurde, detaillierter
abgebildet. Der Flusscontroller 420 umfasst einen Zuteiler 710 und
einen Selektor 720. Der Zuteiler 710 empfängt die
Anfragen für
Koeffizientenaktualisierungen von den Überwachungsgeräten 361–364, wählt eine
der empfangenen Anfragen aus und übermittelt dem Selektor 720 die „siegreiche" Anfrage. Wenn nur
eine einzige Anfrage wartet, wählt
der Zuteiler 710 diese Anfrage aus. Wenn mehrere Anfragen
mit unterschiedlichen Prioritätsstufen
warten, wählt
der Zuteiler 710 die Anfrage mit der höchsten Prioritätsstufe
aus. Wenn mehrere Anfragen mit der gleichen Prioritätsstufe
warten, oder die wartenden Anfragen keine Prioritäten aufweisen,
kann eine Round-Robin-Auswahl erfolgen. Basierend auf den Informationen,
die vom Zuteiler 710 in Bezug auf die „siegreiche" Anfrage empfangen
werden, wählt
der Selektor 720 das entsprechende Eingangssignal 141–144 aus,
das über
den Multiplexer 410 abgetastet wird, dessen Abtastwerte
im Speicher 430 abgelegt, dessen Abtastwerte an den Koeffizientenkalkulator 440 angelegt
und dessen dedizierte Koeffizienten, die im Koeffizientenkalkulator 440 berechnet wurden,
an den entsprechenden Filter 341–344 angelegt werden.
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Dem
Fachmann ist zweifellos bewusst, dass der Gegenstand der Erfindung
in anderen Varianten umgesetzt werden kann, ohne vom wesentlichen Charakter
der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Beschreibung muss daher
in jeder Hinsicht als Beispiel ohne einschränkenden Charakter betrachtet werden.
Der Umfang der Erfindung wird in den beiliegenden Ansprüchen erläutert, alle Änderungen
im Hinblick auf Bedeutung und Umfang fallen in den Rahmen der vorliegenden
Erfindung.
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LEGENDE ZU
DEN ABBILDUNGEN
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- Analog-Digital-Converter – Analog-Digital-Umsetzer
- Arbiter – Zuteiler
- Coefficient calculator – Koeffizientenkalkulator
- Coefficients – Koeffizienten
- Comparator – Vergleicher
- Controller – Controller
- Equalization controller – Entzerrungscontroller
- Equalization logic – Entzerrungslogik
- Error detection/correction – Fehlererfassung/-korrektur
- Filter stage – Filterstufe
- Flow controller – Flusscontroller
- Input signals – Eingangssignale
- Memory – Speicher
- Monitor – Kontrollgerät
- MUX – Multiplexer
- Output signals – Ausgangssignale
- Performance monitor – Kontrollgerät
- Probability of bit error (PBE) – Bitfehlerwahrscheinlichkeit
- Quantizer – Analog-Digitalwandler
- Receiving node – Empfangsknoten
- Register – Register
- Selector – Selektor
- Signal filter – Signalfilter
- Transmitting node – Übertragungsknoten