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Die
vorliegende Erfindung betrifft die DMT-Übertragung. Eine solche Übertragung
ist nach dem Stand der Technik bereits bekannt, beispielsweise aus
dem Beitrag zum ADSL-Standard T1E1.4 mit der Referenznummer T1E1.4/93-025
und dem Titel ,VLSI DMT Implementation for ADSL' von John M. Cioffi und Po T. Tong.
In diesem Beitrag wird eine Implementierung eines diskreten Multitone
(DMT) Modulator/Demodulators zur Verwendung in einer ADSL-Umgebung
(Asymmetric Digital Subscriber Line) beschrieben. Das DMT-Modem
umfasst einen Sendeteil und einen Empfangsteil, kombiniert in einem
so genannten Vermittlungsstellen-ADSL-Transceiver auf Seite 1 und
einem fernen ADSL-Transceiver auf Seite 2. Wie in 1 und 2 des
Beitrags zu sehen ist, umfassen diese Transceiver einen digitalen
Signalprozessor. Dieser digitale Signalprozessor (siehe Seite 5,
Absatz 2.2 und 4, oder Seite 12 Absatz
3.2 und 7) umfasst Modulationsmittel, die
als Complex-to-Real IFFT (Inverse Fast Fourier Transformer) bezeichnet
werden, und Demodulationsmittel, die als Real-to-Complex FFT (Fast
Fourier Transformer) bezeichnet werden. Wie in 4 gezeigt,
sind die Modulationsmittel IFFT mit einem Digital-Analog-Wandler
(Digital-Analog-Converter,
DAC) gekoppelt, während
den Demodulationsmitteln FFT ein Analog-Digital-Wandler vorgeschaltet
ist, der in 4 zwar nicht dargestellt,
aber aus nahe liegenden Gründen
vorhanden ist. Der Analog-Digital-Wandler im Empfangsteil und der
Digital-Analog-Wandler im Sendeteil können unter der Steuerung eines
einzigen Taktgebers oder mehrerer synchronisierter Taktgeber arbeiten.
Zum Löschen
von Echos der Sendedatensymbole innerhalb der empfangenen Datensymbole,
die im zitierten Dokument als DMT-Symbole bezeichnet werden, ist
der Transceiver in 4 des Weiteren
mit einer Echo-Löscheinheit
ausgestattet. Wenn Sendedatensymbole und empfangene Datensymbole
beim Eingang in die Echo-Löscheinheit nicht
ausgerichtet sind, wird die Echo-Löschung sehr komplex, da die Echos
mehrerer Sendedatensymbole dann innerhalb eines empfangenen Datensymbols
gelöscht
werden müssen.
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Dieses
Problem der mangelnden Ausrichtung zwischen Sendedatensymbolen und
empfangenen Datensymbolen ist auch aus einem anderen Beitrag zum
ADSL-Standard mit dem Titel ,Modification to DMT Synchronization
Pattern Insertion' bekannt. Dieser
Beitrag mit der Referenznummer T1E1.4/93-089 wurde von John M. Cioffi
und James T. Aslanis verfasst. In Absatz 3 dieses Beitrags wird empfohlen,
die Symbolgrenzen gesendeter DMT-Symbole so zu justieren, dass sie
mit den Symbolgrenzen der eingehenden DMT-Symbole übereinstimmen.
Eines der Argumente für
diese Empfehlung ist, dass die Komplexität einer Echo-Löscheinheit
dadurch erheblich reduziert werden kann (siehe Seite 4, Zeile 2
und 3).
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Die
mangelnde Ausrichtung der Datensendesymbole und der empfangenen
Datensymbole tritt auf, wenn zwei miteinander kommunizierende Modems
mit voneinander unabhängigen
festen Taktgebern zur Steuerung ihrer Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler ausgestattet
sind. Wegen der Differenz zwischen den Taktperioden zweier fester Taktgeber
sind die Grenzen der Sendedatensymbole und der empfangenen Datensymbole
relativ beweglich. Das Problem tritt jedoch nicht nur auf, wenn
zwei kommunizierende Modems mit festen Taktgebern ausgestattet sind,
sondern auch, wenn diese Modems steuerbare Taktgeber verwenden,
z. B. spannungsgesteuerte Kristall-Oszillatoren, deren Taktperioden
nur grob abgestimmt werden können.
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Gegenstand
der Erfindung ist es, einen Sender und ein Verfahren des obigen
bekannten Typs bereitzustellen, bei dem jedoch die Sendedatensymbole
und die empfangenen Datensymbole ausgerichtet sind und das somit
für eine
reduzierte Komplexität der
Echo-Löschung
sorgt.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ziel durch den in Anspruch 1 definierten Sender und
das in Anspruch 3 beschriebene Verfahren erreicht.
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Durch
Drehen der Phase der Träger,
auf denen digitale Übertragungsdaten
proportional zu ihren entsprechenden Trägerfrequenzen und proportional zu
der Differenz der Taktfrequenz zwischen dem Übertragungstakt und dem Empfängertakt
moduliert werden, und durch Duplizieren oder Löschen von Samples in den Sendedatensymbolen
werden diese Symbole auf diese Weise entlang der Zeitachse nach vorwärts oder
rückwärts verschoben.
Somit können Begrenzungen
der Datensymbole und der Sendedatensymbole ausgerichtet werden.
Die auf die Sendedatensymbole angewendete Phasendrehung verstärkt oder
verringert sich im Lauf der Zeit allmählich bei aufeinander folgenden
Sendedatensymbolen, da die mangelnde Ausrichtung zwischen den Sendedatensymbolen
und den empfangenen Datensymbolen sich im Lauf der Zeit allmählich verändert durch
eine Differenz der Taktfrequenz zwischen den Taktgebern zweier miteinander
kommunizierender Modems. In einer zweidimensionalen Vektorebene
drehen sich die Träger
der Sendedatensymbole, wenn die Träger der empfangenen Datensymbole
fixiert sind, und umgekehrt. Diese Drehung wird durch die Sende-Drehungsmittel
kompensiert. Wenn die durch die Sende-Drehungsmittel anzuwendende
Drehung einer Zeitverschiebung von der halben Periode am Sender entspricht,
werden die Sprung- bzw. Füllmittel
zum Duplizieren oder Löschen
eines Samples in einem Sendedatensymbol aktiviert, sodass sich die
durch die Sende-Drehungsmittel anzuwendende Drehung wiederum um
einen äquivalenten
Betrag verringert.
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Es
ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht nur für Umgebungen
zur Echolöschung gedacht
ist, sondern sich auch sehr gut für Systeme eignet, in denen
eine Übertragung
in Auf- oder Abwärtsrichtung
in separaten Zeitintervallen erfolgt. In solchen TDD-Systemen (Time
Division Duplexing) wird, wie vom Fachmann leicht nachzuvollziehen,
die Ausrichtung von Sendesymbolen in Auf- oder Abwärtsrichtung
empfohlen. Darüber
hinaus ist eventuell auch in Mehrpunkt-zu-Punkt-Systemen, bei denen eine Zentralstation
ein Broadcasting von Informationen in Abwärtsrichtung an eine Vielzahl
von Endgeräten
durchführt,
die die Kapazität
in Aufwärtsrichtung
zur Zentralstation hin über
ein Time Division Multiplexing (TDM) gemeinsam nutzen, die Synchronisation
der Sendepakete in Auf- oder Abwärtsrichtung
zu empfehlen.
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Des
Weiteren ist zu beachten, dass die Ausrichtung von Sender/Empfänger für die Reduzierung der
Komplexität
der Echo-Löscheinheit
bereits aus der Publikation ,Frequency Domain Echo Cancellation
for Discrete Multitone Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers' von Autor David
C. Jones bekannt ist. Diese Publikation in IEEE Transactions an Communications,
Vol. 43, No. 2/4, Februar 1995, Seite 1663-1672, beschreibt die
Kompensation der Anzahl von Samples, um die die Sendesymbole den empfangenen
Symbolen durch die im Parallel-Seriell-Wandler
integrierten Sprung- bzw. Füllmittel
vorauseilen. Die durch dieses Verfahren erzielbare Genauigkeit beträgt 1/2 Sample.
Dieses Verfahren ist somit nicht geeignet zur Kompensation der Taktgeberdifferenzen
zwischen dem Sender und dem Empfänger.
Dazu wird ein Phasenrotor benötigt
und Sprung-/Füllmittel
zum Duplizieren oder Löschen
von Samples in der richtigen Relation mit der Drehung der Träger.
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Darüber hinaus
ist es ein optionales Merkmal des Senders gemäß der vorliegenden Erfindung, dass
der Sender des Weiteren mit Aktivierungsmitteln gemäß der Definition
in Anspruch 2 ausgerüstet sein
kann.
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Zum
Ausrichten von empfangenen und gesendeten Datensymbolen reicht es
aus, dass einer der Sender der beiden Kommunikationsmodems aktiviert
wird. Daher wird die Möglichkeit
zum Aktivieren und Inaktivieren der Drehungsmittel und der Sprung-/Füllmittel
zur Verfügung
gestellt. Wenn es in einem bestimmten System beispielsweise ausreicht, dass
nur ferne End-Modems mit Drehungs- sowie Sprung-/Füllmitteln
ausgestattet sein sollen, die Sender der Vermittlungsstelle dagegen
nicht, brauchen diese Mittel natürlich
nicht inaktiviert zu werden. In solchen Systemen sind die Aktivierungsmittel
nicht erforderlich.
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Ein
zusätzliches
charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass
der Modulator/Demodulator außerdem
Mittel zur Drehung beim Empfang und Mittel zum Überspringen/Füllen beim Empfang
umfassen kann.
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Die
Differenzen zwischen den Geschwindigkeiten der beiden Taktgeber
der beiden miteinander kommunizierenden Modems werden außerdem in den
empfangenen Datensymbolen in ähnlicher
Weise kompensiert wie in dem oben zitierten Beitrag mit der Referenznummer
T1E1.4/93-025 und dem Artikel ,Echo Cancellation for Asymmetric
Digital Subscriber Lines' von
den Autoren Richard C. Younce, Peter J. W. Melsa und Samir Kapoor
(Supercomm/ICC, 1.-5. Mai 1994, Seite 301-306), in dem die empfangenen Symbole
ebenfalls zu Synchronisationszwecken im Empfänger verzögert werden, in dem jedoch
keine gesendeten Symbole verzögert
oder gedreht werden, wie gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagen. Da jedoch die bekannten Drehungsmittel und
Empfangs-Sprung-/Füllmittel
keine Auswirkung auf die Ausrichtung der Sende- und der empfangenen
Symbole in der Leitung haben, können
sie nicht zur Synchronisierung der Sende- und der empfangenen Datensymbole
verwendet werden.
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Ein
Merkmal des vorliegenden Modulator/Demodulators ist, dass er auch
mit Aktivierungsmitteln gemäß Anspruch
2 ausgestattet sein kann.
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Wie
oben erwähnt
sollten, wenn zwei miteinander kommunizierende Modems in ihren Sende- und
Empfangsteilen jeweils mit Drehungsmitteln und mit Sprung-/Füllmitteln ausgestattet
sind, diese Mittel in einem der Modems aktiviert und im anderen
inaktiviert werden.
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Ein
weiteres Merkmal des Modulator/Demodulators gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, dass er des Weiteren Kommunikationsmittel und Entscheidungsmittel
umfassen kann.
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Auf
diese Weise kann bei der Initialisierung des Systems eine Kommunikation
zwischen zwei miteinander verbundenen Modems eingerichtet werden, um
zu entscheiden, in welchem Modem die Drehungsmittel und die Sprung-/Füllmittel
aktiviert werden. Von den Entscheidungsmitteln können unterschiedliche Entscheidungskriterien
verwendet werden. Eine erste mögliche
Strategie kann auf der Regel basieren, dass das Modem an der Vermittlungsstelle
immer als Master des fernen End-Modems agiert. Das ferne End-Modem
muss daher immer seine Drehungs- und
Sprung-/Füllmittel
aktivieren, um seine empfangenen Datensymbole und Sendedatensymbole
gemäß dem Taktgeber
der Vermittlungsstelle anzupassen. Eine zweite Strategie kann sein,
dass das Modem der Vermittlungsstelle gegenüber dem fernen Modem als Slave
arbeitet und daher seine Drehungs- und Sprung-/Füllmittel aktiviert.
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Darüber hinaus
ist es ein charakteristisches Merkmal des vorliegenden Modulator/Demodulators, dass
er mit Mitteln zu Messung der Phasendifferenz ausgestattet sein
kann.
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Die
gemessene Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Pilot-Ton und
dem erwarteten Empfangs-Pilot-Ton dient als Maß für die Phasendrehung, die auf
den Träger
der Sendedaten angewendet werden soll. Tatsächlich ist diese Abweichung
der Phasendifferenz ein Maß für die Differenz
der Taktgeschwindigkeit zwischen den Taktgebern der beiden miteinander
kommunizierenden Modems. Es ist jedoch klar ersichtlich, dass die
Mittel zur Messung der Phasendifferenz durch beliebige andere Schätzungen
der Differenz der Taktgeschwindigkeit und entsprechende andere Mittel
zur Durchführung
dieser Schätzung
ersetzt werden können.
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Ein
weiteres Merkmal des vorliegenden Modulator/Demodulators ist, dass
die Mittel zur Messung der Phasendifferenz auch die Mittel zur Empfangsdrehung
und die Sprung-/Füllmittel
steuern können.
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Auf
diese Weise kann die auf die empfangenen Datensymbole angewendete
Phasendrehung auch proportional zu der gemessenen Phasendifferenz
gestaltet werden.
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Das
oben beschriebene Verfahren sowie weitere Aufgaben und Merkmale
der Erfindung werden verdeutlicht und die Erfindung selbst wird
am besten verständlich
mit Bezug auf die folgende Beschreibung einer Ausführungsform
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, wobei gilt:
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1 zeigt
ein Funktionsblockschema einer Ausführungsform des Modulator/Demodulator-MODEMS
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 zeigt
ein Funktionsblockschema einer Ausführungsform eines Kommunikationssystems einschließlich zweier
Modulator/Demodulatoren MODEM1 und MODEM2 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der
Modulator/Demodulator MODEM in 1 umfasst
einen Sendeteil (Transmitting Part, TP) und einen Empfangsteil (Receiving
Part, RP). Der Sendeteil TP umfasst einen Seriell-Parallel-Wandler
SP, eine Zuordnungseinheit (Mapper, MAP), Sende-Drehungsmittel (Transmit
Rotation Means, TROT), einen Invers Fast Fourier-Wandler (Inverse
Fast Fourier Transformer, IFFT), eine Erweiterungseinheit für zyklische
Präfixe
(Cyclic Prefix Extender, CPEX), Sende-Sprung-/Füllmittel (Transmit Skip/Stuff
Means, TSS), einen Parallel-Seriell-Wandler PS und einen Digital-Analog-Wandler
DA. Der Empfangsteil RP umfasst einen Analog-Digital-Wandler AD,
eine Zeitbereichs-Ausgleichseinheit (Time
Domain Equaliser, TEQ), einen Seriell-Parallel-Wandler SP', Empfangs-Sprung-/Füllmittel (Receive Skip/Stuff
Means, RSS), eine Löscheinheit
für zyklische Präfixe (Cyclic
Prefix Eraser, CPER), einen Fast Fourier-Wandler (Fast Fourier Transformer, FFT),
eine Frequenzbereichs-Ausgleichseinheit (Frequency Domain Equaliser,
FEQ), Empfangs-Drehungsmittel (Receive Rotation Means RROT), eine Zuordnungsaufhebungseinheit
(Demapper, DMAP) und einen Parallel-Seriell-Wandler PS'. Es ist zu beachten,
dass die Reihenfolge der Empfangs-Drehungsmittel RROT und der Frequenzbereichs-Ausgleichseinheit
FEQ umgekehrt sein kann, und dass die Zeitbereichs-Ausgleichseinheit
TEQ fehlen kann. Der Modulator/Demodulator MODEM ist des Weiteren
mit einem analogen Frontend AFE, Hybridmitteln H, Kommunikationsmitteln
COM, Entscheidungsmitteln DEC, Aktivierungsmitteln ACT, einem Phasenregelkreis
(Phase Locked Loop, PLL) und einem Taktgeber (Clock, CLK) ausgestattet.
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Im
Sendeteil TP sind der Seriell-Parallel-Wandler SP, die Zuordnungseinheit
MAP, die Sende-Drehungsmittel TROT, der Invers Fast Fourier-Wandler
IFFT, die Erweiterungseinheit für
zyklische Präfixe
CPEX, die Sende-Sprung-/Füllmittel TSS,
der Parallel-Seriell-Wandler PS und der Digital-Analog-Wandler DA
zwischen einem digitalen Dateneingang D und einem analogen Signalausgang
S kaskadiert angeschlossen. Der analoge Signalausgang S ist über das
analoge Frontend AFE und die Hybridmittel H mit einer Übertragungsleitung
L gekoppelt. Über
diese Hybridmittel H und das analoge Frontend AFE ist die Übertragungsleitung
L auch mit einem analogen Signaleingang S' des Empfangsteils RP gekoppelt. Im
Inneren des Empfangsteils RP sind der Analog-Digital-Wandler AD,
die Zeitbereichs-Ausgleichseinheit
TEQ, der Seriell-Parallel-Wandler SP', die Empfangs-Sprung-/Füllmittel RSS,
die Löscheinheit
für zyklische
Präfixe
CPER, der Fast Fourier-Wandler FFT, die Frequenzbereichs-Ausgleichseinheit
FEQ, die Empfangs-Drehungsmittel
RROT, die Zuordnungsaufhebungseinheit DMAP und der Parallel-Seriell-Wandler
PS' zwischen dem
analogen Signaleingang S' und
einem digitalen Datenausgang D' seriell angeschlossen.
Ein Ausgang der Empfangs-Drehungsmittel RROT ist außerdem mit
einem Pilot-Ton-Eingang PT des Phasenregelkreises PLL gekoppelt,
von dem ein zweiter Eingang, der so genannte erwartete Pilot-Ton-Eingang
PT_E, mit einem in 1 nicht dargestellten erwarteten
Pilot-Ton-Generator gekoppelt ist. Ausgangsverbindungen des Phasenregelkreises
PLL sind jeweils mit Steuereingängen
der Sende-Drehungsmittel TROT, der Sende-Sprung-/Füllmittel TSS,
der Empfangs-Drehungsmittel
RROT und der Empfangs-Sprung-/Füllmittel
RSS verbunden. Über eine
bidirektionale Verbindung sind die Kommunikationsmittel COM mit
dem analogen Frontend AFE gekoppelt. In 1 ist diese
bidirektionale Verbindung durch eine einzelne Linie dargestellt,
die die Kommunikationsmittel COM und das analoge Frontend AFE direkt
miteinander verbindet. Der Fachmann erkennt dabei, dass in einer
realistischeren Implementierung des Modems MODEM ein Ausgang der
Kommunikationsmittel COM als zusätzlicher
Eingang für
den Sendeteil TP dient, und dass ein Eingang der Kommunikationsmittel
COM mit einem zusätzlichen
Ausgang des Empfangsteils RP verbunden ist. Mit anderen Worten,
die Kommunikationsmittel COM sind nicht direkt mit dem analogen
Frontend AFE verbunden, sondern kommunizieren mit diesem analogen Frontend
AFE über
den Empfangsteil RP und den Sendeteil TP des Modems MODEM. Darüber hinaus sind
ein Endgerät
der Kommunikationsmittel COM und ein Endgerät der Entscheidungsmittel DEC
bidirektional miteinander verbunden, und ein Ausgang der Entscheidungsmittel
DEC ist mit einem Eingang der Aktivierungsmittel ACT gekoppelt.
Die Aktivierungsmittel ACT umfassen eine Vielzahl von Ausgangsverbindungen
zu den Sende-Drehungsmitteln TROT und den Sende-Sprung-/Füllmitteln
TSS bzw. zu den Empfangs-Drehungsmitteln
RROT und den Empfangs-Sprung-/Füllmitteln
RSS. Ein Ausgang des Taktgebers CLK ist mit den Takteingängen des Digital-Analog-Wandlers
DA und des Analog-Digital-Wandlers AD verbunden. Der Taktgeber CLK
in 1 sollte ein fester Taktgeber oder ein spannungsgesteuerter
Oszillator für
eine Grobabstimmung der Taktperiode sein.
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Wie
in 2 zu sehen ist, umfasst das darin dargestellte
Kommunikationssystem einen ersten Modulator/Demodulator MODEM1,
der Teil einer Vermittlungsstelle (Central Office, CO) ist, und
einen zweiten Modulator/Demodulator MODEM2, der Teil eines fernen
Endgeräts
(Remote Terminal, RT) ist. Beide Modems MODEM1 und MODEM2 sind über eine Übertragungsleitung
TL miteinander gekoppelt.
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In
den folgenden Abschnitten ist die Arbeitsweise des in 2 dargestellten
Kommunikationssystem ausführlich
beschrieben. Hierzu wird davon ausgegangen, dass beide Modems MODEM1
und MODEM2 den Typ des in 1 gezeigten
Modulator/Demodulators MODEM haben. Zuerst wird die Arbeitsweise
der verschiedenen Funktionsblöcke
beschrieben unter der Annahme, dass die Sende-Drehungsmittel TROT,
die Sende-Sprung-/Füllmittel TSS,
die Empfangs-Drehungsmittel RROT und die Empfangs-Sprung-/Füllmittel
RSS im Modem MODEM2 des fernen Endgeräts RT sowie im Modem MODEM1
der Vermittlungsstelle CO inaktiviert sind. Aus der Beschreibung
der Arbeitsweise wird für
den Fachmann deutlich, wie die verschiedenen in 1 dargestellten
Funktionsblöcke
zu implementieren sind. In einer zweiten Phase werden die Sende-Drehungsmittel TROT,
die Sende-Sprung-/Füllmittel TSS,
die Empfangs-Drehungsmittel RROT und die Empfangs-Sprung-/Füllmittel
RSS im Modem MODEM2 des fernen Endgeräts RT aktiviert, und die Funktionalität dieser
Blöcke
wird beschrieben.
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Die Übertragungsleitung
TL in 2 zeigt eine Twisted-Pair-Telefonleitung. Eine Entwicklung, die
es ermöglicht,
Informationen über
eine solche Telefonleitung an die Anwender zu Hause zu übertragen
und einen dedizierten Rückkanal
von dort an die Vermittlungsstelle zu unterstützen, wird als ADSL (Asymmetric
Digital Subscriber Line) bezeichnet. Dabei wird eine diskrete Mehrton-Modulation
(DMT) zur Modulation digitaler Informationen in einem Träger-Set
mit einheitlichem Frequenzabstand verwendet. Auch wenn dies keine
Einschränkung
des Anwendungsgebiets der vorliegenden Erfindung darstellt, wird
davon ausgegangen, dass die Vermittlungsstelle CO und das Endgerät RT aus 2 mit DMT-Modems
(diskreter Multiton) MODEM1 und MODEM2 vergleichbar dem in 1 dargestellten MODEM
ausgestattet sind. Gemäß dem ANSI-Standard
in ADSL mit dem Titel ,Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)
Metallic Interface Specification', herausgegeben
im April 1994 vom American National Standards Institute, Inc. (ANSI),
können
die Kanäle
in Auf- oder Abwärtsrichtung
durch ein FDM-Verfahren (Frequency Division Multiplexing) oder durch
Echolöschung
getrennt werden. Dabei ist zu beachten, dass die zugelassene Version
des oben genannten ANSI-Standards in ADSL als ANSI T1.413 bezeichnet
wird und den Titel ,Network and Customer Installation Interfaces,
Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Metallic Interface' trägt. Alternativ
dazu kann auch Time Division Duplexing (TDM) verwendet werden. Bei
Verwendung der Echolöschung
oder des TDD-Verfahrens (Time Division Duplexing) können einige
oder alle Träger
für die Modulation
von Daten darin in Aufwärtsrichtung
wie auch in Abwärtsrichtung
verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist hilfreicher bei
Echolöschungs- und
TDD-Umgebungen (Time Division Duplexing), auch wenn ihre Anwendung
in FDM-Systemen (Frequency Division Multiplexing) nicht ausgeschlossen ist.
Auch wenn dies in 1 nicht dargestellt ist, wird davon
ausgegangen, dass der Modulator/Demodulator MODEM mit einer Echolöschungseinheit
zwischen seinem Sendeteil TP und seinem Empfangsteil RP ausgestattet
ist.
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Der
Schwerpunkt der folgenden Abschnitte liegt auf der Struktur und
Funktionsweise des Modems MODEM2 im fernen Endgerät RT. Es
wird davon ausgegangen, dass dieses Modem den Typ des in 1 gezeigten
MODEM hat, wobei die Aktivierungsmittel ACT die Sende-Drehungsmittel
TROT, die Sende-Sprung-/Füllmittel
TSS, die Empfangs-Drehungsmittel RROT und die Empfangs-Sprung-/Füllmittel
RSS inaktivieren. In Aufwärtsrichtung,
d. h. in Richtung vom fernen Endgerät RT zur Vermittlungsstelle
CO moduliert MODEM2 digitale Daten D in einem Set von Trägern, die
alle über eine
QAM-Modulation (Qudrature Amplitude Modulation) moduliert werden.
Natürlich
könnten
auch andere Modulationsschemata verwendet werden. Der digitale Datenstrom
D, bei dem es sich um eine serielle Bitsequenz handelt, wird dabei
vom Seriell-Parallel-Wandler SP parallelisiert. Die Zuordnungseinheit MAP
ordnet anschließend
jedem der Träger
eine dedizierte Anzahl von Bits zu, die dabei moduliert werden sollen.
Diese unterschiedliche Mengen werden berechnet unter Berücksichtigung
von Parametern wie beispielsweise dem Signalrauschen (Signal to Noise
Ratio) und der Leitungsdämpfung
an den einzelnen Trägern.
Dabei ist es klar, dass ein von der Leitung weniger stark gedämpfter Träger mehr
Bits übertragen
kann als ein stark gedämpfter
oder gestörter
Träger.
Als Ergebnis werden beispielsweise drei Bits von der 8 QAM Modulation
am ersten Träger moduliert,
9 Bits beispielsweise von der 512 QAM Modulation am zweiten Träger usw.,
wodurch Frequenzbereichs-DMT-Symbole erzeugt werden. Vom Invers
Fast Fourier-Wandler werden diese DMT-Symbole von Frequenzbereich
in Zeitbereich umgewandelt. Die Erweiterungseinheit für zyklische Präfixe CPEX
erweitert anschließend
jedes DMT-Symbol um ein Präfix
fester Länge,
um DMT-Sendesymbole präventiv
gegen Symbol- und Träger-Interferenzen auf
Grund der Übertragung über die
Telefonleitung TL zu schützen.
Die folgenden DMT-Symbole werden anschließend vom Parallel-Seriell-Wandler
PS serialisiert und vom Digital-Analog-Wandler DA in ein analoges
Signal S umgewandelt.
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In
umgekehrter Richtung, d. h. in Abwärtsrichtung von der Vermittlungsstelle
CO in Richtung auf das ferne Endgerät RT wird ein an MODEM2 ankommendes
analoges Signal S' vom
Empfangsteil RP dieses Modems demoduliert und in ein digitales Ausgangssignal
D' umgewandelt.
Das analoge Signal S' wird
im Analog-Digital-Wandler AD digitalisiert. Zur Kompensation der
Symbol-Interferenz an der Übertragungsleitung
TL filtert die Zeitbereichs-Ausgleichseinheit die empfangenen Samples
mithilfe eines Digitalfilters, der so konstruiert ist, dass er die
Impulsreaktion der Übertragungsleitung
verkürzt.
Die folgenden, zum gleichen DMT-Symbol gehörenden Samples in dem digitalisierten
Strom werden vom Seriell-Parallel-Wandler SP' parallelisiert. Das zyklische Präfix wird
von der Löscheinheit
für zyklische Präfixe CPER
aus den DMT-Symbolen eliminiert, und der Fast Fourier-Wandler FFT
wandelt die Zeitbereichs-DMT-Symbole
in Frequenzbereichs-DMT-Symbole um. Die Zuordnungsaufhebungseinheit
DMAP kennt die Bitkonstellationen der verschiedenen Träger, und
QAM demoduliert die verschiedenen Träger, um die genaue Anzahl von
Bits daraus zu erhalten. Über
den Parallel-Seriell-Wandler PS' werden
die demodulierten Bits anschließend serialisiert
und auf den digitalen Ausgang D' des Empfangsteils
RP angewendet.
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Das
analoge Frontend AFE und die Hybridmittel H wandeln die Signale
S und S' in die
und aus der Übertragungsleitung
um und konditionieren sie. Die Frontend-Filterung und die Kopplung
der Übertragungsleitung
werden beispielsweise mit den entsprechenden Linearitäts- und
Rausch-Levels durchgeführt.
Einfache analoge Telefonsignale, die im unteren Frequenzband übertragen
werden, werden mithilfe eines hierzu bereitgestellten Splitters
von den digitalen Daten getrennt.
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Die
Funktionsblöcke,
die das DMT-Modem MODEM2 bilden, sind in dieser Patentanmeldung nicht
ausführlich
beschrieben, da solche Details hinsichtlich der vorliegenden Erfindung
nicht relevant sind. Für
weitere Einzelheiten zur Implementierung und Arbeitsweise der Modem-Komponenten
wird auf den Artikel ,A Multicarrier E1-HDSL Transceiver System
with Coded Modulation' von
Peter S. Chow, Naofal Al-Dhahir, John M. Cioffi und John A. C. Bingham verwiesen,
veröffentlicht
in Ausgabe Nr. 3, Mai/Juni 1993 des Journal of European Transactions
an Telecommunications and Related Technologies (ETT), Seite 257-266, sowie auf den
Artikel ,Performance Evaluation of a Multichannel Transceiver System
for ADSL and VHDSL Services' von
Peter S. Chow et. al., veröffentlicht
in Ausgabe Nr. 6, August 1991 des Journal of European Transactions
an Telecommunications and Related Technologies (ETT), Seite 909-919.
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Für das Modem
MODEM1 in der Vermittlungsstelle CO lässt sich eine ähnliche
Struktur beschreiben. Ihre Arbeitsweise in Auf- und Abwärtsrichtung
ist vollständig äquivalent
mit der des DMT-Modems MODEM2 im fernen Endgerät RT. Lediglich der in der
Vermittlungsstelle CO zur Steuerung des Digital-Analog-Wandlers DA und des
Analog-Digital-Wandlers AD verwendete Taktgeber unterscheidet sich
von dem im fernen Endgerät
RT verwendeten. Es wird davon ausgegangen, dass in jedem der Modems
MODEM1 und MODEM2 der gleiche Taktgeber für den Analog-Digital-Wandler und
für den
Digital-Analog-Wandler verwendet wird. Alternativ dazu kann in jedem
Modem der Taktgeber für
den Analog-Digital-Wandler aus dem Taktgeber für den Digital-Analog-Wandler abgeleitet
werden und umgekehrt. Als Ergebnis werden in Auf- und Abwärtsrichtung übertragene
DMT-Symbole unterschiedlich gesampelt. Bei der Übertragung werden in Aufwärtsrichtung übertragene
DMT-Symbole unter der Steuerung des fernen Endgerät-Taktgebers
gesampelt, während
in Abwärtsrichtung übertragene
DMT-Symbole unter der Steuerung des Vermittlungs-Taktgebers gesampelt
werden. Bei der Ankunft am fernen Endgerät RT werden in Abwärtsrichtung übertragene DMT-Symbole
unter der Steuerung des fernen Endgerät-Taktgebers gesampelt, der
langsamer oder schneller ist als der Vermittlungs-Taktgeber. Das Gleiche
gilt für
die in Aufwärtsrichtung übertragenen DMT-Symbole
beim Sampling an der Vermittlungsstelle CO. Ohne weitere Aktionen
werden die empfangenen DMT-Symbole zu schnell oder zu langsam gesampelt.
Dies bewirkt einen Verlust der DMT-Symbolausrichtung und eine Drehung
der empfangenen QAM-modulierten Symbole. Im folgenden Abschnitt wird
daher davon ausgegangen, dass die Aktivierungsmittel ACT im fernen
Endgerät
RT die Empfangs-Drehungsmittel
RROT und die Empfangs-Sprung-/Füllmittel
RSS aktivieren.
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Die
Differenz der Sample-Taktgeschwindigkeit wird kompensiert durch
die Empfangs-Drehungsmittel RROT und die Empfangs-Sprung-/Füllmittel RSS
im Modem MODEM2 des fernen Endgeräts, wobei davon ausgegangen
wird, dass diese Mittel aktiviert sind. Wiederum entsprechend dem
bereits zitierten ADSL-Standard wird einer der Träger von DMT-Symbolen
als Pilot-Ton reserviert. Dieser Pilot-Ton wird in den empfangenen
DMT-Symbolen als Ausgang der Empfangs-Drehungsmittel RROT betrachtet
und auf den Pilot-Ton-Eingang PT des Phasenregelkreises PLL angewendet.
Der Phasenregelkreis PLL misst anschließend die Phasendifferenz zwischen
diesem Pilot-Ton
PT und einem erwarteten Empfangs-Pilot-Ton PT_E. Die resultierende
Abweichung der Phasendifferenz ist ein Maß für die Differenz der Taktgeschwindigkeit
zwischen den Taktgebern des Modems MODEM1 in der Vermittlungsstelle CO
und dem Modem MODEM2 im fernen Endgerät RT. Zur Kompensation dieser
Differenz der Taktgeschwindigkeit in den empfangenen DMT-Symbolen muss jeder
dieser Träger über eine
Phase gedreht werden, die proportional zu der gemessenen Phasendifferenz
ist und proportional zu seiner eigenen Frequenz. Tatsächlich muss
zum Verschieben der empfangenen DMT-Symbole über einen Zeitbereich, der
der Differenz zwischen der Taktperiode des Taktgebers der Vermittlungsstelle
und des Taktgebers des fernen Endgeräts entspricht, der Träger 1 eine Phasendrehung über eine
Phase α durchlaufen,
Träger
2, der gegenüber
Träger
1 die doppelte Frequenz hat, muss eine Phasendrehung über Phase
2α durchlaufen,
usw. Der Faktor α hängt von
der gemessenen Phasendifferenz zwischen dem Pilot-Ton PT und dem
erwarteten Pilot-Ton PT_E ab und steigt allmählich an, da diese Phasendifferenz
schrittweise für jedes
sukzessive empfangene DMT-Symbol wächst. Die Größe des Schritts
hängt von
der bereits erwähnten
Differenz der Taktgeschwindigkeiten ab. Die Empfangs-Drehungsmittel
RROT unter der Steuerung des Phasenregelkreises PLL können daher, wenn
sie von den Aktivierungsmitteln ACT aktiviert wurden, die Differenz
der Taktgeschwindigkeiten zwischen der Vermittlungsstelle und dem
fernen Endgerät
RT kompensieren. Sobald das Voraus- oder Nacheilen der Vermittlungsstelle
im Vergleich zum Taktgeber des fernen Endgeräts die halbe Sample-Periode
erreicht, werden die Empfangs-Sprung-/Füllmittel RSS aktiviert zum
Duplizieren oder Löschen
eines Samples im empfangenen DMT-Symbol, sodass sich die Phasenrotation,
die von den RROT auf die verschiedenen Träger angewendet werden muss,
erneut reduziert. Dabei ist anzumerken, dass die Präsenz von
Empfangs-Drehungsmitteln
wie beispielsweise RROT und von Empfangs-Sprung-/Füllmitteln wie beispielsweise RSS
zur Kompensation der Differenzen der Taktgeschwindigkeiten in empfangenen
DMT-Symbolen bereits
in dem eingangs dieser Patentschrift zitierten Beitrag zum ADSL-Standard
beschrieben wurde, konkret im Absatz 2.2.7, 2.2.8 und 4 für
die Vermittlungsstelle, und in Absatz 3.2.7, 3.2.8 und 7 für
das ferne End-Modem.
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Neben
der Kompensation der Differenzen der Taktgeschwindigkeiten in empfangenen DMT-Symbolen
empfiehlt es sich auch, in Auf- und Abwärtsrichtung übertragene
DMT-Symbole auszurichten, um die Komplexität der Echolöschung zu reduzieren. Zum Ausrichten
der übertragenen DMT-Symbole
an den empfangenen DMT-Symbolen müssen die übertragenen Symbole verarbeitet
werden, bevor sie auf die Übertragungsleitung
TL angewendet werden. Da diese Ausrichtung eine zeitliche Vorwärts- oder
Rückwärtsverschiebung
impliziert sowie eine Phasendrehung proportional zu der Differenz
der Taktgeschwindigkeit zwischen dem fernen Endgerät RT und
der Vermittlungsstelle und proportional zu der Frequenz des entsprechenden
Trägers, kann
die Verarbeitung wiederum über
Sende-Drehungsmittel und Sende-Sprung-/Füllmittel durchgeführt werden.
In 1 sind die Sende-Drehungsmittel TROT und die Sende-Sprung-/Füllmittel
TSS hierzu eingefügt.
Wenn sie über
die Aktivierungsmittel ACT aktiviert werden, wenden die Sende-Drehungsmittel TROT
und die Sende-Sprung-/Füllmittel
TSS des fernen Endgeräts
RT eine Phasendrehung auf die verschiedenen Träger an, auf denen die Übertragungsdaten
D moduliert werden, sodass die Sende-DMT-Symbole in S praktisch
an den empfangenen DMT-Symbolen in S' an der Übertragungsleitung TL ausgerichtet
werden. Samples der übertragenen DMT-Symbole
werden von den Sende-Sprung-/Füllmitteln
TSS dupliziert oder gelöscht,
wenn die auf die Sende-DMT-Symbole anzuwendende Zeitverschiebung
eine halbe Sample-Periode des Taktgebers der Vermittlungsstelle
erreicht.
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Es
ist zu beachten, dass die Synchronisation und die Grobausrichtung
der DMT-Symbole im Verlauf der Systeminitialisierung vorgenommen
wird. Dazu sendet das Vermittlungsstellen-Modem MODEM1 beispielsweise
einen Pilot-Ton
an das ferne End-Modem MODEM2. Dieses MODEM2 sperrt diesen Pilot-Ton
durch Justierung seines Empfangs-Taktgebers. Als Nächstes justiert
es seinen Sende-Taktgeber entsprechend der gemessenen Taktdifferenz
zwischen MODEM1 und MODEM2. Des Weiteren misst jedes Modem die Übertragungsleitung
und berechnet eine optimale DMT-Symbolausrichtung. Dazu kann jedes
Modem bekannte Datensequenzen senden. Jedes Modem justiert anschließend seine
Symbolausrichtung entsprechend dem gemessenen Wert.
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Wie
oben beschrieben, wird davon ausgegangen, dass beide Modems MODEM1
in der Vermittlungsstelle CO und MODEM2 im fernen Endgerät RT mit
Sende-Drehungsmitteln TROT, Sende-Sprung-/Füllmitteln TSS, Empfangs-Drehungsmitteln
RROT und Empfangs-Sprung-/Füllmitteln RSS
ausgestattet sind. Dabei ist klar, dass zum Kompensieren der Differenzen
der Taktgeschwindigkeiten und zum Ausrichten der übertragenen
DMT-Symbole in Auf-
und Abwärtsrichtung
diese Mittel RROT, TROT, RSS und TSS nur in einem der beiden Modems
MODEM1 und MODEM2 aktiviert werden müssen. Aus diesem Grund umfassen
die Modems MODEM1 und MODEM2 Kommunikationsmittel COM, die den beiden
Modems MODEM1 und MODEM2 die Kommunikation bei der Initialisierung des
Systems ermöglichen.
Nach dieser ersten Kommunikation sind die Entscheidungsmittel DEC
in den beiden Modems MODEM1 und MODEM2 in der Lage zu entscheiden,
welches Modem seine Drehungs- und Sprung-/Füllmittel RROT, TROT, RSS und
TSS aktivieren soll und welches Modem diese Mittel RROT, TROT, RSS
und TSS inaktivieren soll. Diese Entscheidung kann anhand verschiedener
Kriterien getroffen werden, wie bereits oben in der einleitenden
Beschreibung angegeben. Es sollte klar sein, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf ein bestimmtes von den Entscheidungsmitteln
DEC verwendetes Entscheidungskriterium begrenzt ist.
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Es
ist anzumerken, dass die oben beschriebene Ausführungsform eines Modulator/Demodulators
gemäß der vorliegenden
Erfindung zwar in einer ADSL-Umgebung verwendet wird, jedoch nicht
hierauf begrenzt ist. Für
den Fachmann ist klar, dass geringfügige Veränderungen der beschriebenen
Ausführungsform
die Implementierung in einer beliebigen Anwendung ermöglichen,
in der aus irgendwelchen Gründen
bidirektional übertragene
Zellen oder Symbole ausgerichtet werden müssen. Wenn diese Symbole digitale
modulierte Daten an mindestens einem Träger umfassen, lässt sich
die vorliegende Erfindung einsetzen.
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Des
Weiteren ist anzumerken, dass die Datensymbole in der oben beschriebenen
Ausführungsform
zwar über
eine Telefonleitung TL übertragen werden,
dass aber die Anwendung der vorliegenden Erfindung nicht durch das Übertragungsmedium, über das
die Daten transportiert werden, begrenzt ist. Konkret kann an jeder
Verbindung zwischen zwei miteinander kommunizierenden Modems MODEM1
und MODEM2, beispielsweise an einer Kabelverbindung, einer optischen
Verbindung, einer Satellitenverbindung, einer Funkverbindung usw.
eine Ausrichtung von transportierten Paketen in Auf- und Abwärtsrichtung
empfohlen und durch die vorliegende Erfindung umgesetzt werden.
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Darüber hinaus
ist zu beachten, dass der Fachmann in der Lage ist, die oben beschriebene Ausführungsform
so anzupassen, dass sie beispielsweise auch auf Systeme angewendet
werden kann, bei denen eine DWMT-Modulation (Discrete Wavelet Multi
Tone) statt der DMT-Modulation (Discrete Multi Tone) verwendet wird.
Dabei werden die oben beschriebenen Fourier-Wandler und Invers Fourier-Wandler
durch Filterbänke
und Wavelet-Wandler ersetzt.
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Als
weitere Anmerkung ist festzuhalten, dass der Modulationstyp hinsichtlich
der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht von Bedeutung
ist. In der oben beschriebenen Ausführungsform werden Daten aus
dem Träger-Set über eine
QAM-Modulation (Quadrature
Amplitude Modulation) und -Demodulation moduliert bzw. demoduliert.
Alternativ dazu können
auch andere Modulationsverfahren wie beispielsweise Phasenmodulationen
verwendet werden.
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Als
weitere Anmerkung ist festzuhalten, dass die Datensymbole in Auf-
und Abwärtsrichtung
durch die Sende-Drehungsmittel
und die Sprung-/Füllmittel am
fernen Endgerät
RT oder an der Vermittlungsstelle CO vollständig ausgerichtet werden können. Die Ausrichtung
kann auch auf beiden Seiten teilweise umgesetzt werden, beispielsweise
zu 50% auf der Seite der Vermittlungsstelle CO und zu 50% auf der Seite
des fernen Endgeräts
RT.
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Während das
Prinzip der Erfindung oben in Verbindung mit einem spezifischen
Gerät beschrieben
wurde, sollte klar sein, dass diese Beschreibung lediglich ein Beispiel
darstellt, ohne den Anwendungsbereich der Erfindung einzuschränken.