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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Datenkommunikation, insbesondere
ein System und ein Verfahren zum dynamischen Optimieren einer Symboltabelle
und eines von dem System oder dem Verfahren Gebrauch machenden Modulators/Demodulators
("Modem").
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Der
allgemein mögliche öffentliche
Zugriff auf das Internet hat die Verbreitung von Online-Informationsdiensten
beschleunigt. Nahezu jeder denkbare Typ von Information lässt sich
derzeit "online" auffinden, darunter
Text, Grafik, Audioinformation und sogar voll-bewegliche Videoinformation.
Die Möglichkeit,
die unterschiedlichen Datentypen zu empfangen oder zu senden, ist
allerdings begrenzt durch die Unfähigkeit des Netzwerks oder
des Benutzer-Modems, die Daten mit einer ausreichend hohen Rate
zu empfangen oder zu senden.
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Für die meisten
Anwender erfolgt der Internet-Zugang über ein Modem, welches an das öffentliche
Fernsprechwählnetz
(PSTN; public switched telephone network) angeschlossen ist. Da
das ursprüngliche
Wählnetz
ein Analogsystem war, machten herkömmliche Modems von Analogverfahren
Gebrauch, um mit entfernten, an das Wählnetz angeschlossenen Systemen
zu kommunizieren. Das ursprüngliche
Analog-Fernsprechwählnetz
wird allerdings in zunehmendem Maße durch ein digitales Netzwerk
ersetzt. In den meisten Gebieten sind die einzigen verbleibenden
Bereiche des Netzwerks, die von analoger Übertragung Gebrauch machen,
die Teilnehmer oder "lokalen" Ortsleitungen, die
jeden Benutzer mit einer Vermittlungszentrale ("CO";
central office) verbinden, wobei jede Verbindungszentrale mit Hilfe
eines digitalen Netzwerks mit anderen Vermittlungsstellen kommuniziert
und in zunehmendem Maße
auch mit einem zentralen Ort (beispielsweise einem Internet-Serviceprovider)
und Geräten (beispielsweise
digitalen "Modems") kommuniziert, die über eine
digitale Verbindung mit dem Fern sprechwählnetz verbunden sind. Allerdings
sehen herkömmliche
Analog-Modems das gesamte Fernsprechwählnetz als Analogsystem, obwohl
die Signale für
die Übertragung
durch den größten Teil
des Netzwerks digitalisiert sind.
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Wenn
ein Benutzer eine digital an ein Modem angeschlossene Zentrale anruft,
werden die von dem Modem des Kunden (d.h. Benutzers) gesendeten
Analogsignale mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers ("ADC") in einer Analog-Schnittstelle
zu einem digitalen Teil des Fernsprechwählnetzes digitalisiert. In
den Vereinigten Staaten und in Japan macht der ADC Gebrauch von
einem sog. "My-Law"-Quantisierungsalgorithmus
Gebrauch, benannt nach der Methode, die die Analog-Digital-Abtastpunkte
beabstandet. In Europa wird von einer anderen Quantisierungsmethode
Gebrauch gemacht, bezeichnet als "A-Law". Sowohl My-Law als auch A-Law sind Signalkompressionsalgorithmen,
die in digitalen Kommunikationssystemen dazu dienen, den dynamischen
Bereich eines Analogsignals vor der Digitalisierung zu optimieren,
d.h. zu modifizieren.
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Die
My-Law- (und die A-Law-) Kompression dient zum Optimieren des Fernsprechwählnetzes
für traditionelle
Sprachübertragungen.
Der große
dynamische Bereich der Sprache eignet sich nicht besonders gut für eine effiziente
lineare digitale Codierung. Die My-Law-Codierung allerdings reduziert
in wirksamer Weise den dynamischen Bereich des Signals und steigert
damit den Codierungs-Wirkungsgrad, was
zu einem Signal-Stör-Verhältnis führt, welches größer ist
als dasjenige, welches man durch lineare Codierung erreicht. Durch
künstliches
Beschränken des
Schallspektrums auf die Bandbreite der normalen menschlichen Sprache
wird die für
jeden Anruf benötigten
Netzwerkbandbreite verkleinert, mithin die Anzahl möglicher
gleichzeitiger Gespräche
erhöht.
Obwohl diese Vorgehensweise bei Sprachübertragungen gut funktioniert,
stellt sie beträchtliche
Beschränkungen
für die
Datenübertragungen
dar.
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Wenn
ein Kunden-Modem Daten sendet, macht es von einem Digital-Analog-Wandler ("DAC") Gebrauch, um das
digitale in ein analoges Signal umzuwandeln. Anschließend wird
das Analogsignal von einem ADC in dem Fernsprechwählnetz empfangen und
in digitale Form zurückverwandelt.
Wenn die Analogsignalpegel im DAC des Kunden-Modems nicht exakt
den Quantisierungsintervallen entsprechen, die für den ADC im Fernsprechwählnetz gelten, lassen
sich allerdings die übertragenen
Daten nicht korrekt mit Hilfe des ADC in digitale Form zurückver wandeln.
Wenn der ADC das von dem Kunden-Modem gesendete Analogsignal nicht
korrekt umwandelt, empfängt
das Modem in der Zentrale nicht die gleichen Daten, die gesendet
wurden, was zu Kommunikationsfehlern führt. In einigen Fällen können Fehlerprüf-Protokolle
einen Übertragungsfehler
erkennen und das Kunden-Modem auffordern, die gestörten Daten
erneut zu senden. Das Erfordernis, in periodischer Weise erneut
Daten zu senden, kann allerdings in großem Maß die durchschnittliche Datenübertragungsrate
verringern und dadurch die Fähigkeit
eines Benutzers einschränken,
in effizienter Weise Daten zu senden. Herkömmliche Analog-Modems machen
von einer "Symbol"-Tabelle Gebrauch,
welche digitale Bitmuster enthält,
die jedem Signalpegel oder Quantisierungsintervall entsprechen.
Wenn Daten von einem Kunden-Modem gesendet werden, werden spezifische
Bitmuster in dem Datenstrom mit verschiedenen Symbolen korreliert,
wobei jedes verschiedene Symbol einen DAC im Kunden-Modem veranlasst,
ein einzigartiges Analogsignal an das Fernsprechwählnetz zu
senden. Damit das Modem in der Zentrale die gesendeten Daten exakt
empfangen kann, muss allerdings der ADC im Fernsprechwählnetz die
von dem Kunden-Modem empfangenen Analogsignale in die ursprünglichen
digitalen Bitmuster zurückverwandeln.
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Das
US-Patent
US 5 999 564 (DAGDUIREN NURI
RUHI) vom 7. Dezember 1999 mit dem Titel SYSTEM AND METHOD FOR ITERATIVELY
DETERMINING QUANTIZATION INTERVALS OF A REMOTE ADC AND MODEM EMPLOYING
THE SAME, des Anmelders der vorliegenden Erfindung, zeigt ein System
und ein Verfahren zum Bestimmen aktueller Quantisierungsintervalle
eines ADC an einer Analogschnittstelle zu dem öffentlichen Fernsprechwählnetz,
außerdem
ein davon Gebrauch machendes Modem. Bei der Festlegung der Quantisierungsintervalle
eines ADC an der Analogschnittstelle zu dem Fernsprechwählnetz kann
ein Kunden-Modem die Genauigkeit der Datenübertragung über die Analogschnittstelle
dadurch verbessern, dass die Analogsignalpegel des DAC so eingestellt
werden, dass sie den aktuellen und weniger idealen Quantisierungsintervallen
des ADC entsprechen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind
allerdings nicht beschränkt
auf spezielle Mittel oder Verfahren zum Bestimmen der aktuellen
Quantisierungsintervalle eines entfernten ADC oder die aktuellen
Signalgebungspegel eines entfernten DAC, die erfindungsgemäßen Prinzipien
sind auf die dynamische Auswahl einer Symboltabelle gerichtet, die
in Bezug auf die vorbestimmen aktuellen Quantisierungsintervalle und
Signalgebungspegel optimiert ist.
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Die üblicherweise
von Analog-Modems verwendeten Symboltabellen sind statisch, d.h.
die Signalpegel des DAC in einem Kunden-Modem sind nicht konfigurierbar
als eine Funktion der Quantisierungsintervalle, die von einem ADC
im Fernsprechwählnetz
benutzt werden, sondern sie sind vorbestimmt anhand von idealen
Referenzwerten, die z.B. von der My-Law-Norm (ITU Recommendation
G.711) definiert sind. Weil die aktuellen Quantisierungsintervalle
jedes My-Law-ADC
in dem öffentlichen
Fernsprechwählnetz
nicht gleich groß sind,
sondern typischerweise von idealen Referenzpegeln abweichen, ist
eine statische Symboltabelle nicht imstande, stets eine passende
Menge oder "Konstellation" von Symbolen für eine optimale
Datenübertragung
bereitzustellen.
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Die
EP 0 725 487 A2 (AT&T Corp.) vom 07.08.96,
S. 3, zeigt ein Modem, bei dem die Anpassung (sowohl von Pegel als
auch von Abtastzeiten) eines Pegelselektors an den Quantisierer
eines My-Law-CODEC in einer Zentrale mittels Rückkopplung von der Zentralstelle
erreicht wird, wodurch es möglich
ist, die Pegel a-priori in der Fertigungsstätte oder aber dynamisch einzustellen.
Die dynamische Einstellung kann kontinuierlich erfolgen oder nur
zu Beginn einer Übertragung.
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Die
FR 2 740 286 A1 (INSTITUT
EURECOM GROUPEMENT D'INTERET
ECO-NOMIQUE) vom 24.04.97,
Zusammenfassung, Seiten 9-10 zeigt eine Vorrichtung zur Kommunikation
zwischen einem digitalen, an eine Vermittlungsstelle über eine
digitale Schnittstelle angeschlossenen Adapter, insbesondere einer
ISDN-Schnittstelle,
und einem analogen Adapter, der an eine Vermittlungsstelle über eine
analoge Schnittstelle angeschlossen ist. Die Vermittlungsstellen
sind über
das Telekommunikationsnetzwerk verbunden. Das Übertragungsverfahren versucht nicht,
ein Analogsignal für
die Übertragung über die Leitung
zu dem analogen Adapter zu rekonstruieren. Die Bytes, die die digitale
Information darstellen, werden direkt in Spannungspegel umgesetzt.
Beispielsweise wandelt zur Übertragung
mit 48 kb/s der digitale Adapter die von dem Kunden empfangenen
Bits in Gruppen von 6 Bits um, die repräsentativ für Spannungspegel sind, und
die 8000 Mal pro Sekunde gesendet werden, um einen von 256 Pegeln
des Umwandlungsgesetzes darzustellen. Die in diesem Beispiel verwendeten
64 Pegel sind derart gewählt,
dass sie voneinander möglichst
weit entfernt sind, um eine gute Rauschunempfindlichkeit zu erreichen.
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Im
Stand der Technik besteht also Bedarf an einem System und einem
Verfahren zum dynamischen Optimieren einer Symboltabelle, wodurch
ein von dem System oder dem Verfahren Gebrauch machendes Modell
seine Fähigkeit
steigern kann, Daten zu einem entfernten System, welches digital
mit dem Fernsprechwählnetz
gekoppelt ist, zu senden oder Daten von diesem zu empfangen.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die oben diskutierten Unzulänglichkeiten des
Stands der Technik zu beheben, schafft die vorliegende Erfindung
zur Verwendung in Verbindung mit einer Analog-Kommunikationseinrichtung,
die an eine analoge Schnittstelle eines digitalen Telekommunikationsnetzwerks
angeschlossen ist, wobei die Analogschnittstelle Signalumwandlungswerte
entsprechend einer n-stufigen Symboltabelle aufweist, ein System
und ein Verfahren, welches in dynamischer Weise eine Konstellation
von Symbolen aus der n-stufigen Symboltabelle auswählt, ferner
einen Modulator/Demodulator ("Modem"), der von diesem System
oder dem Verfahren Gebrauch macht. Das System enthält (1) eine
Logikschaltung, die m Symbole mit m kleiner oder gleich n, aus der
n-stufigen Symboltabelle auswählt,
wobei die m Symbole eine Funktion der Signalumwandlungswerte sind,
und (2) eine Übertragungsschaltung,
die Daten zu einem entfernten Gerät überträgt, welches digital an das
digitale Telekommunikationsnetzwerk gekoppelt ist, um die m Symbole
zu identifizieren, wobei die Daten dem analogen Kommunikationsgerät und dem
entfernten Gerät
erlauben, mit einer gemeinsamen Symboltabelle zu kommunizieren,
die dynamisch an die Signalumwandlungswerte der Analogschnittstelle des
digitalen Telekommunikationsnetzwerks angepasst ist. In einer Ausführungsform
sind die m Symbole Symbole in der n-stufigen Symboltabelle, die den
Signalumwandlungswerten entsprechen, welche den größten minimalen
Abstand zwischen benachbarten Werten in der Signalumwandlungstabelle
haben.
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In
einer Ausführungsform
enthält
die Analogschnittstelle einen Analog-Digital-Wandler (ADC), wobei die Signalumwandlungswerte
oder "Kennwerte" die Quantisierungs-Schwellenwerte
sind, welche die Quantisierungsintervalle des ADC de finieren, wobei
jedes Quantisierungsintervall einem Symbol in der n-stufigen Symboltabelle
entspricht. In einer verwandten Ausführungsform enthält die Analogschnittstelle
einen Digital-Analog-Wandler (DAC), wobei die Signalumwandlungswerte
oder "Kennwerte" die Analogsignalpegel
des DAC sind, die jeweils einem Symbol in der n-stufigen Symboltabelle
entsprechen.
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Aus
diesem Grund führt
die vorliegende Erfindung ein breites Konzept der dynamischen Anpassung
einer Symboltabelle (d.h. eine "Konstellation" von Symbolen) in
die Signalumwandlungskennwerte einer Analogschnittstelle mit einem
digitalen Telekommunikationsnetzwerk ein. Wie im Folgenden detailliert
beschrieben wird, lassen sich durch dynamisches Anpassen einer Symboltabelle
an die Signalumwandlungskennwerte einer Analogschnittstelle mit
einem Digital-Telekommunikationsnetzwerk die Analogsignalpegel,
die von einem analogen Kommunikationsgerät, beispielsweise einem Modem,
verwendet werden, in Bezug auf die Quantisierungsintervalle eines
ADC in der Analogschnittstelle optimieren, wodurch sich eine "stromaufwärtige" Kommunikation verbessern
lässt.
In ähnlicher
Weise kann eine Menge von Quantisierungsintervallen eines ADC in einem
Analog-Kommunikationsgerät
ausgewählt werden,
bei der es sich um optimierte Werte in Bezug auf Analogsignalpegel
eines DAC in einer Analogschnittstelle mit einem digitalen Telekommunikationsnetzwerk
handelt, wodurch sich die "stromabwärtige" Kommunikation verbessern
lässt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Um
ein besseres Verständnis
der Erfindung zu erlangen und deren Vorteil zu begreifen, wird im Folgenden
auf die Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
Bezug genommen. Es zeigen:
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1 eine
stark abstrahierte schematische Darstellung eines Kunden-Modems,
welches mit einem entfernten Kommunikationsgerät (oder einem "Zentralstellengerät") über ein öffentliches
Fernsprechwählnetz
("PSTN") kommuniziert;
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2 die
erforderliche Anzahl von Analogsignalpegeln und die entsprechenden
Bits pro Pegel (das sind Bits pro Symbol) für verschiedene Datenübertragungsraten;
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3 beispielhafte
ideale Quantisierungs-Schwellenwerte für einen Analog-Digital-Wandler
(ADC) in einer Analogschnittstelle mit einem öffentlichen Fernsprechwählnetz,
beispielhafte aktuelle Quantisierungs-Schwellenwerte für einen ADC,
eine beispielhafte Konstellation, die auf den idealen Quantisierungs-Schwellenwerten beruht,
und eine beispielhafte optimale Konstellation, die auf aktuellen
Quantisierungs-Schwellenwerten beruht;
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4 beispielhafte
ideale Signalpegel für
einen Digital-Analog-Wandler (DAC) in einer Analogschnittstelle
eines öffentlichen
Fernsprechwählnetzes,
beispielhafte aktuelle Signalpegel für einen DAC, eine beispielhafte
Konstellation, die auf den idealen Signalpegeln basiert, und eine
beispielhafte optimale Konstellation, die auf den aktuellen Signalpegeln
beruht; und
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5 eine
beispielhafte funktionelle Darstellung eines von den Prinzipien
der Erfindung Gebrauch machenden Modems.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Zunächst auf 1 Bezug
nehmend, ist dort eine stark abstrahierte schematische Darstellung
eines Kunden-Modems 110 dargestellt, welches mit einem
entfernten Kommunikationsgerät
(oder einem Zentralstellengerät) 170 über ein öffentliches
Fernsprechwählnetz
(PSTN) 150 kommuniziert. Der Begriff "Kunde" bezieht sich hier allgemein auf eine
Einrichtung, die mit dem Fernsprechwählnetz über eine örtliche analoge Schaltung gekoppelt
ist, und der Begriff "zentral" bezieht sich auf
eine Einrichtung, die mit dem Fernsprechwählnetz zur Kommunikation mit einem
oder mehreren Kundengeräten
digital gekoppelt ist. In 1 ist ein
Computer 100 über
ein Kunden-Modem 110 zur Kommunikation mit einem Zentralstellengerät 170 an
das öffentliche
Fernsprechwählnetz 150 gekoppelt.
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In
einer Ausführungsform
enthält
das Kunden-Modem 110 einen digitalen Signalprozessor ("DSP") 113 und
einen Codierer/Decodierer ("CODEC") 112. Der
CO-DEC 112 enthält einen
Digital-Analog-Wandler (DAC) 115 zum Umwandeln digitaler
Signale in Analogsignale zwecks Übertragung über eine
analoge lokale (Orts-) Leitung 115, und einen Analog-Digital-Wandler
(ADC) 116 zum Um wandeln von über die analoge lokale Leitung 115 empfangenen
Analogsignalen in digitale Signale.
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Das
Kunden-Modem 110 ist über
ein Hybrid 114 an eine analoge Ortsleitung 153 des öffentlichen Fernsprechwählnetzes 150 angeschlossen.
Ein "Hybrid" ist ein passives
Bauelement, welches dazu dient, ein duales Analogsignal (beispielsweise
ein Gespräch
zwischen voneinander entfernten Telefonbenutzern) umzuwandeln, welches über ein
Leiterpaar (d.h. die analoge Ortsverbindung oder Ortsleitung 151) übertragen
wird, um Analogsignale zu separieren, die auf zwei Leiterpaaren übertragen
werden. Der Fachmann ist vertraut mit dem Einsatz und der Arbeitsweise
von Hybrid-Bauelementen, so dass deren detaillierte Beschreibung
hier nicht erforderlich ist, damit der Fachmann in der Lage ist,
die vorliegende Erfindung auszuführen.
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Eine
herkömmliche
Analogschnittstelle in dem Fernsprechwählnetz 150 enthält einen
Hybrid 154 und einen CODEC 152. In einer Ausführungsform
der Erfindung ist der CODEC 152 ein My-Law-CODEC. Der Fachmann
ist mit den nicht-linearen My-Law- und A-Law-Signalkompressionsalgorithmen
vertraut. Der My-Law-Algorithmus beinhaltet 255 diskrete Signalumwandlungswerte,
das A-Law verwendet 256 Werte. Die grundlegenden Prinzipien der
Erfindung sind allerdings nicht auf ein spezifisches Quantisierungsschema
beschränkt.
Der My-Law-CODEC 152 enthält einen ADC 155 zum Umwandeln
von seitens des Kunden-Modems 110 über die Ortsleitung 151 empfangenen
Analogsignalen in digitale Signale zwecks Übertragung über den digitalen Teil 159 des
Fernsprechwählnetzes
zu der Zentralstellen-Einrichtung 170, ferner einen DAC 156 zum
Umwandeln von über
den digitalen Teil 153 von dem Zentralstellengerät 150 empfangenen
Digitalsignalen in Analogsignale zwecks Übertragung über eine Ortsleitung 151 zu
dem Kunden-Modem 110.
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Der
ADC 155 verwendet üblicherweise
255 nicht gleichmäßig beabstandete
Quantisierungsintervalle, die enger zusammenliegen bei kleinen Analogsignalwerten
und weiter aufgespreizt sind bei großen Signalwerten, um ein von
dem Kunden-Modem 110 über
die analoge Ortsleitung 151 empfangenes Analogsignal in
ein von 255 einzigartigen digitalen Bitmustern oder "Symbolen" umzuwandeln zwecks Übertragung über den
digitalen Teil 153 des Fernsprechwählnetzes hin zu dem Zentralstellengerät 170.
Jedes Quantisierungsintervall wird definiert durch einen unteren
und einen oberen Schwellenwert, d.h. Analogspannungspegel. Die obere
Schwelle für
ein Intervall bildet auch die untere Schwelle für das nächst höhere Quantisierungsintervall.
Wenn von dem ADC 155 ein Analogsignal empfangen wird, so
wird dieses Signal in ein einzigartiges Symbol umgewandelt, welches
dem Quantisierungsintervall entspricht, innerhalb dem das Analogsignal
liegt. In ähnlicher
Weise wandelt der DAC 156 ein von dem Zentralstellengerät 170 empfangenes
Symbol um in einem von 255 unterschiedlichen Analogsignalpegel zwecks Übertragung über die
analoge Ortsleitung 151 zum Kunden-Modem 110.
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Wie
oben beschrieben, ist das Kunden-Modem 110 über das
zentrale Fernsprechwählnetz 150 (PSTN)
an das Zentralstellengerät 170 angeschlossen.
Zur Übermittlung
von Daten zwischen dem Kunden-Modem 110 und dem Zentralstellengerät 170 macht
jedes Gerät
Gebrauch von einer Symboltabelle 111 bzw. 171.
Der Fachmann ist mit der Verwendung solcher "Symboltabellen" zum Speichern vordefinierter Symbole,
die zur effizienten Übertragung digitaler
Daten verwendet werden können,
vertraut. In einer Ausführungsform,
bei der Daten von dem Kunden-Modem 110 zu dem Zentralstellengerät 170 (d.h. "stromaufwärts") übertragen
werden sollen, wählt
der DSP 113 Symbole zur Darstellung der Daten aus der Symboltabelle 111 aus
und sendet die Symbole an den DAC 115. Der DAC 115 wandelt
die Symbole um in diskrete Analog-Signalpegel um, die von dem ADC 155 in
der Analogschnittstelle des öffentlichen
Fernsprechwählnetzes
(PSTN) 150 in der oben beschriebenen Weise empfangen und
zurückverwandelt
werden. In einer Ausführungsform
enthält das
Zentralstellengerät 170,
welches man als "digitales
Modem" bezeichnen
kann, einen DSP 172 zum Empfangen der Symbole von dem digitalen
Teil 153 des Fernsprechwählnetzes 150. Allerdings
sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht auf eine spezielle
Hardware oder eine spezielle Software-Implementierung des Zentralstellengeräts 170 beschränkt. Dieses
kann ebenfalls eine Symboltabelle 171 enthalten, die von
dem DSP 172 dazu verwendet wird, das empfangene Symbol
zurück
zu verwandeln in die Daten, die von dem Kunden-Modem 110 gesendet
wurden.
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Wenn
Daten von dem Zentralstellengerät 170 zu
dem Kunden-Modem 110 gesendet werden sollen (d.h. "Stromabwärts"-Daten), so wählt in ähnlicher
Weise der DSP 172 Symbole zur Darstellung der Daten aus
der Symboltabelle 171 aus und sendet die Symbole über den
digitalen Teil 153 des PSTN 150. Die Symbole werden
von dem DAC 156 in der Analogschnittstelle des PSTN 150 empfangen
und umgewandelt in diskrete Analogsignalwerte, wie es oben erläutert wurde.
Dann werden die diskreten Analogsignalwerte von dem ADC 116 im
Kunden-Modem 110 empfangen
und in die Symbole zurückverwandelt.
Der DSP 113 im Kunden-Modem 110 verwendet dann
die Symboltabelle 111 dazu, das jeweils empfangene Symbol
zurück
zu wandeln in die Daten, die seitens des Zentralstellengeräts 170 gesendet
wurden.
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Die
exakte Übertragung
von Daten aus dem Kunden-Modem 130 zu dem Zentralstellengerät 170 gemäß obiger
Beschreibung geht von der Annahme aus, dass jedes von dem Kunden-Modem 110 über das
analoge Ortsnetz 151 gesendete Analogsignal von dem ADC 155 korrekt
in dasjenige (digitale) Symbol umgesetzt wurde, welches auch von
dem DAC 115 in das übertragene
Analogsignal umgewandelt wird. Um also sicherzustellen, dass die
richtige Übertragung
jedes Symbols in der Richtung "stromaufwärts" erfolgt, müssen die
Analogsignalpegel des DAC 115 in den richtigen Quantisierungsintervallen des
DAC 155 liegen, was es erforderlich macht, für jedes
Intervall des ADC 150 in der Analogschnittstelle des PSTN 150 die
aktuellen Quantisierungsschwellen zu bestimmen. In ähnlicher
Weise gilt: Um die richtige Übertragung
jedes Symbols in der Richtung "stromabwärts" zu garantieren,
müssen
die aktuellen Analogsignalpegel des DAC 156 in der Analogschnittstelle
zu dem PSTN 150 bestimmt werden. Im vorliegenden Zusammenhang
werden die Quantisierungsstellen des ADC 155 und die Analogsignalpegel
des DAC 156 alternativ als "Signalumwandlungswerte" bezeichnet. Bei
einer Ausführungsform der
Erfindung entsprechen die Signalumwandlungswerte einer n-stufigen
Symboltabelle, d.h. jeder einzigartige Signalumwandlungswert entspricht
einem einzigen Symbol in einer n-stufigen Symboltabelle.
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Das
US-Patent 5 999 564 zeigt ein System und ein Verfahren, mit dem
das Kunden-Modem 110 iterativ die Quantisierungsintervalle
des ADC 155 bestimmen kann. um die Analog-Signalpegel des
DAC 156 zu bestimmen, wird beispielsweise von einer Übungssequenz
Gebrauch gemacht, bei der das Zentralstellengerät 170 die 255 Symbole
sendet, die dem 255 My-Law-Signalpegel des DAC 156 entsprechen.
Der DAC 156 wandelt jedes der 255 Symbole in einen Analogsignalpegel
(d.h. eine Spannung) um, die empfangen und umgewandelt wurden von
dem ADC 116 in dem Kunden-Modem 110. Der Fachmann kann
andere Systeme und Verfahren zum Bestimmen der Quantisierungspegel
eines entfernten ADC oder zum Bestimmen der Analogsignalpegel eines entfernten
DAC ausgestalten. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind
allerdings nicht beschränkt durch
ein spezielles System oder Verfahren zum Bestimmen der Betriebskennwerte
entfernter ADCs oder DACs.
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In
einer Ausführungsform
entspricht jedes der Quantisierungsintervalle des ADC 155 (und
in ähnlicher
Weise jeder der Signalpegel des DAC 156) einem einzigartigen
Symbol, welches dazu eingesetzt werden kann, Daten über das öffentliche
Fernsprechwählnetz 150 (PSTN)
zu vertragen. Es sei z.B. angenommen, dass das Kunden-Modem 110 nur zwei
diskrete Analogsignalpegel (beispielsweise Spannungen) betragen
kann, die zur Darstellung von zwei binären Werten (101) benutzt werden
können. Während die
Netzwerk-Taktgeschwindigkeit (oder Abtastrate) des PSDN einen Wert
von 8000 Hz hat, kann das Kunden-Modem 110 binäre Daten
mit einer Rate von 8000 Bits/Sekunde ("bps") übertragen. Wenn
das Kunden-Modem 110 vier diskrete Analogsignalpegel senden
kann, können
hingegen zwei Bits (d.h. 00, 01, 10 und 11) jedem Pegel zugeordnet
werden, so dass das Modem mit 16.000 bps (2 Bits/Abtastung × 8.000
Abtastungen/Sekunde) kommunizieren kann.
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2 veranschaulicht
die erforderliche Anzahl von Analogsignalpegeln und den jeweils
dazu gehörigen
Bits pro Pegel (d.h. Bits pro Symbol) für unterschiedliche Datenraten.
Wenn das PSTN optimal arbeitet, besteht die Möglichkeit, mit 64 Kbps zu kommunizieren.
Es gibt allerdings eine Reihe von Probleme, die die Fähigkeit
eines mit dem PSTN verbundenen Modems beschränken, mit dieser Geschwindigkeit
zu arbeiten. In der Vereinigten Staaten beispielsweise kann der
digitale Teil 153 des PSDN 150 eine T1-Leitung
sein, die von einem sog. "robbed bit
signaling" Gebrauch
macht, um eine Anzeige über einen
stattfindenden Anruf zu erhalten. Dieses "robbed bit signaling" "stielt" das Abtast-Bit niedriger
Ordnung in zwei der Abtastungen pro Rahmen, um den Status des ankommenden
(oder des abgehenden) Anrufs anzugeben. Die Verwendung dieses Bits durch
das Netzwerk bedeutet, dass das Zentralstellengerät 170 nicht
immer auf acht Bis pro Abtastung zugreifen kann, was die maximal
verfügbare
Datenrate beschränkt.
Darüber
hinaus können
Leitungsrauschen und andere passive und nicht-lineare Kennwerte
der Analogsignalortsleitung 151 die übertragenen Signale stören, was
die Fähigkeit
des ADC 155 und des ADC 160, korrekt zwischen
eng benach barten Analogsignalpegeln des DAC 115 bzw. des DAC 156 zu
unterscheiden, beeinträchtigt.
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Weil
es typischerweise nicht möglich
ist, sämtliche
verfügbaren
Signalumwandlungswerte und die dazugehörigen Symbole zu nutzen, besteht
die Notwendigkeit, eine Untermenge verfügbarer Symbole auszuwählen. Herkömmliche
Modems haben von vorab definierten (d.h. statischen) Symbolmengen
(das sind "Konstellationen") Gebrauch gemacht, die
Kombinationen von idealen Signalumwandlungswerten entsprechen; unterschiedliche
Symbolmengen oder -sätze
entsprechen dabei verschiedenen Datenübertragungsraten. Da die aktuellen
Signalumwandlungswerte eines typischen ADC 155 oder DAC 156 in
einem im My-Law-CODEC 152 von
den Idealwerten allerdings abweichen, kann eine vordefinierte Konstellation
nicht zu optimalen Übertragungen
führen.
Die Erkenntnis, dass die Möglichkeit
besteht, aus der Ferne die aktuellen Signalumwandlungswerte eines
ADC 155 und eines DAC 156 in einer Analogschnittstelle
des PSTN 150 zu bestimmen, nutzt die vorliegende Erfindung
zur Schaffung eines Systems und eines Verfahrens zur dynamischen
Optimierung einer Konstellation (d.h. einer "Symboltabelle"), die abträgliche Einflüsse auf
die Datenkommunikation minimiert, die sich aus Abweichungen von
den idealen Signalumwandlungswerten des ADC 155 oder des
DAC 156 in der Analogschnittstelle an dem PSTN 150 ergeben.
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Nunmehr
auf 3 Bezug nehmend, sind dort beispielhafte ideale
Quantisierungsschwellen für einen
ADC 155 in einer Analogschnittstelle des PSTN 150,
beispielhafte aktuelle Quantisierungsschwellen für einen ADC 155, eine
beispielhafte Konstellation, die auf den idealen Quantisierungsschwellen
beruht, und eine beispielhafte optimale Konstellation basierend
auf den aktuellen Quantisierungsschwellen dargestellt. Zum Zweck
der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung in "Stromaufwärts"-Richtung wird eine
Grundkonstellation mit lediglich acht (8) Pegeln verwendet. In der
Praxis jedoch entspricht eine Grundkonstellation typischerweise
den 255 My-Law- (oder 256 A-Law-) Quantisierungspegeln (definiert
durch die ITU-Empfehlung G.711). Zum Zweck der Darstellung soll
also angenommen werden, dass ein ADC 155 in der Analogschnittstelle
des PSTN 150 gekennzeichnet ist durch acht (8) Quantisierungsintervalle,
die durch neun (9) beispielhafte ideale Quantisierungsschwellen 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308 und 309 gemäß 3 definiert
sind. Wie oben angemerkt, ist der My-Law-Algorithmus nicht-linear,
und folglich ist die Trennung zwischen benachbarten Quantisierungspegeln
nicht gleichförmig.
Wie ebenfalls oben angemerkt, weichen die aktuellen Quantisierungsschwellen
eines ADC typischerweise von den Idealwerten ab. Die Quantisierungsschwellen
eines ADC 155 können
also den beispielhaften aktuellen Quantisierungsschwellen 301', 302', 303', 304', 305', 306', 307', 308' und 309' entsprechen.
Wie man sieht, können
die aktuellen Quantisierungsschwellen wesentlich oberhalb oder unterhalb
der Idealwerte liegen.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist es typischerweise nicht möglich, sämtliche
möglichen Quantisierungsintervalle
zu nutzen, und folglich wird eine Untermenge solcher Intervalle
ausgewählt,
d.h. eine Untermenge der Grundkonstellation von Symbolen für die Übertragung
in Stromaufwärts-Richtung wird
ausgewählt.
In einer Ausführungsform
wird, wenn ein Intervall nicht ausgewählt wird, dessen Quantisierungsintervall
mit einem benachbarten ausgewählten
Intervall kombiniert, um ein breiteres Quantisierungsintervall zu
bilden. Das heißt:
Wenn ein einem nicht ausgewählten
Intervall entsprechendes Symbol von einem Zentralstellengerät 170 empfangen
wird, so wird das Symbol so behandelt, als wäre es das gleich Symbol, welches
dem benachbarten ausgewählten
Intervall entspricht. In einer Ausführungsform werden die Intervalle
aus sämtlichen möglichen
Intervallen derart ausgewählt,
dass der kleinste Trendabstand zwischen benachbarten Schwellenwerten
(d(t)min) maximiert ist.
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Als
Beispiel sei angenommen, dass eine Untermenge aus sechs (6) von
acht (8) Intervallen gemäß 3 auszuwählen ist.
Unter Verwendung der idealen Quantisierungsschwelle 301 bis 309 würden, wie
der Fachmann erkennt, die Schwellenwerte 303 und 305 vorzugsweise
eliminiert, so dass eine Konstellation von sechs von acht möglichen
Intervallen bestehen würde
aus den Intervallen, die definiert werden durch ideale Quantisierungsschwellen 301, 302, 304, 406, 307, 308 und 309.
Da die aktuellen Quantisierungsschwellen 301', 302', 304', 306', 307', 308' und 309' sich von den Idealwerten unterscheiden,
lässt sich
allerdings, wenn die Auswahl vorab anhand der idealen Quantisierungsschwellen
erfolgt, aus 3 erkennen, dass die resultierende
Konstellation aus unerwünscht
schmalen Intervallen besteht, so z.B. das Intervall, welches durch
die aktuellen Quantisierungsschwellen 307' und 308' definiert wird, die einen Abstand
von "d(t)min" haben.
Wenn hingegen die aktuellen Quantisierungsschwellen 301' bis 309' zur Auswahl
der Konstellation verwendet werden, werden die Schwellen 304' und 307' vorzugsweise
eliminiert, so dass es eine Konstellation mit sechs von acht möglichen
Intervallen gäbe,
bestehend aus den Intervallen, die definiert sind durch die aktuellen
Quantisierungsschwellen 301', 302', 303', 305', 306', 308' und 309', was eine minimale Trennung
zwischen benachbarten Schwellen von "d'(t)min'" ergäbe, wobei
d'(t)min' größer als
d(t)min ist.
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Um
den Nachteil einer Vorab-Auswahl einer Konstellation weiter zu veranschaulichen,
erkennt der Fachmann, dass jeder der Analogsignalpegel des Kunden-Modems 110 vorzugsweise
auf den Mittelpunkt des zugehörigen
Quantisierungsintervalls des ADC 155 eingestellt wird,
d.h. jede Signalspannung befindet sich in der Mitte zwischen dem
oberen und dem unteren Schwellenwert des entsprechenden Quantisierungsintervalls.
Wie in 3 dargestellt ist, würden folglich bei Verwendung
von idealen Quantisierungsschwellen die Analogsignalpegel den Pegeln 3A, 3B, 3C, 3D, 3E und 3F entsprechen,
die in der Mitte zwischen den idealen Quantisierungsschwellen 301-302, 203-304, 304-306, 306-307, 307-308 bzw. 308-309 liegen.
Weil die tatsächlichen Quantisierungsschwellen 301', 302', 304', 306', 307', 308' und 309' allerdings
von den Idealwerten abweichen, lässt
sich erkennen, dass die Signalpegel 3A bis 3F nicht
den tatsächlichen
Mittelpunkten der jeweiligen Intervalle entsprechen. Wenn hingegen
die aktuellen Quantisierungsschwellen 301' bis 109' zur Auswahl der Konstellation
und Einstellen der analogen Signalisierpegel des Kunden-Modems 110 verwendet
werden, entsprechen die analogen signalisierten Pegel den Pegeln 3A', 3B', 3C', 3D', 3E' und 3F', die in der
Mitte zwischen den aktuellen Quantisierungsschwellen 301'-302', 302-303', 303'-305', 305'-306', 306'-308' bzw. 308'-309' liegen.
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Nunmehr
auf 4 Bezug nehmend, sind dort beispielhafte ideale
Signalisierpegel 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G und 4H für einen
Digital-Analog-Wandler ("DAC") in einer Analogschnittstelle
eines PSTN dargestellt, ferner beispielhafte aktuelle Signalisierpegel 4A', 4B', 4C', 4D', 4E', 4F', 4G' und 4H' für einen
DAC, eine beispielhafte Konstellation basierend auf den idealen
Signalisierpegeln, und eine beispielhafte optimale Konstellation,
die auf den aktuellen Signalisierpegeln beruht. Zum Zweck der Veranschaulichung
der Prinzipien der Erfindung in "Stromabwärts"-Richtung dient eine
Grundkonstellation mit lediglich acht (8) Pegeln. In der Praxis
allerdings entspricht eine Grundkonstellation typischerweise 255
My-Law- (oder 256 A-Law-) Pegeln (definiert durch die ITU-Empfehlung G.711).
Zum Zweck der Darstellung wird also hier davon ausgegangen, dass
ein DAC 156 in der Analogschnittstelle zu dem PSTN 150 gekennzeichnet
ist durch die acht (8) beispielhaften idealen Signalisierpegel 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 3F, 4G und 4H gemäß 4.
Wie oben angemerkt, ist der My-Law-Algorithmus nicht linear, demzufolge
die Trennung zwischen benachbarten Signalisierpegeln nicht gleichmäßig ist.
Wie ebenfalls oben angemerkt, weichen die aktuellen Signalpegel
eines DAC typischerweise von den Idealwerten ab, so dass die aktuellen
Signalisierpegel eines DAC 156 den beispielhaften aktuellen
Signalisierpegeln 4A', 4B', 4C', 4D', 4E', 4F', 4G' und 4H' entsprechen.
Wie man sieht, können
die aktuellen Signalisierpegel beträchtlich nach oben oder nach
unten von den Idealwerten abweichen.
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Wie
oben beschrieben wurde, ist es typischerweise nicht möglich, sämtliche
Signalisierpegel zu nutzen, weshalb eine Untermenge dieser Pegel ausgewählt wird,
d.h. eine Untermenge der Grundkonstellation für Symbole zum Übertragen
in Stromabwärts-Richtung.
Bei einer Ausführungsform
werden die Signalisierpegel von sämtlichen möglichen Signalisierpegel derart
ausgewählt,
dass die kleinste Trennung zwischen benachbarten Pegeln möglichst groß ist.
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Es
sei z.B. angenommen, dass eine Untermenge aus sechs (6) von acht
(8) Signalisierpegeln gemäß 4 ausgewählt werde.
Unter Verwendung der idealen Signalisierpegel 4A bis 4H würden, wie der
Fachmann sieht, die Pegel 4C und 4E eliminiert, so
dass eine Konstellation von sechs der acht möglichen Signalpegel bestehen
würde aus
den Pegeln, die definiert sind durch die idealen Signalisierpegel 4A, 4B, 4D, 4F, 4G und 4H.
Weil die aktuellen Signalpegel 4A', 4B', 4C', 4D', 4E', 4F', 4G' und 4H' von den idealen Werten abweichen,
könnte
allerdings, wenn die Auswahl vorab basierend auf den idealen Signalisierpegeln
erfolgt, gemäß 4 die
resultierende Konstellation aus den gleichen eng beabstandeten Signalpegeln
bestehen, so dass zwischen aktuellen Signalpegeln 4G' und 4H' ein Abstand "d(s)min" vorhanden ist. Wenn
hingegen die aktuellen Signalpegel 4A' bis 4H' zum Auswählen der Konstellation verwendet
werden, werden vorzugsweise die Signalpegel 4C' und 4G' eliminiert,
so dass eine Konstellation von sechs der acht möglichen Signalpegel bestehen
würde aus
den Pegeln, die durch die aktuellen Signalisierpegel 4A', 4B', 4D', 4E', 4F' und 4H' definiert sind,
was zu einem kleinsten Abstand zwischen benachbarten Pegeln von "d'(s)min" führt, wobei d'(s)min größer als
d(s)min ist.
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Der
Konstellations-Auswahlvorgang für
beide Richtungen, d.h. "stromaufwärts" und "stromabwärts", lässt sich
näherungsweise
lösen als
ein kombinatorisches Optimierungsproblem, welches sich durch eine
Vielfalt von Methoden lösen
lässt.
Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung allerdings sind nicht
auf ein spezifisches Verfahren zur dynamischen Adaption einer Konstellation
an die aktuellen Signalumwandlungskennwerte einer Analogschnittstelle des
PSTN 150 beschränkt.
In einer Ausführungsform werden
die betrachteten (d.h. aktuellen) Signalumwandlungswerte (beispielsweise
Quantisierungsschwellen des ADC 155 in Richtung "stromaufwärts" oder Signalisierpegel
des DAC 156 in Richtung "stromabwärts") in der Grundkonstellation mit Xi (i = 1, n) bezeichnet und derart geordnet,
dass Xi ≤ Xj für i ≤ j. Das Ziel
besteht darin, m dieser Pegel Xj (j = 1, m)
derart auszuwählen,
dass die kleinste Differenz (das ist der Abstand zwischen benachbarten
Werten) dj = |Xj+1 – Xj| der maximal mögliche Wert ist. Beginnend
bei einer Grundkonstellation, die sämtliche n Pegel Xn enthält, bestimmt
sich eine Konstellation mit n-1 Pegeln folgendermaßen:
- 1. Identifizieren von j derart, dass d; minimiert
ist; und
- 2. Eliminieren von Xj, wenn dj-1 < dj+1; ansonsten Eliminieren von Xj+1.
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Der
Vorgang lässt
sich n-m Mal wiederholen, um zu einer Konstellation mit m Pegeln
zu gelangen, die die maximal mögliche
Minimum-Beabstandung zwischen benachbarten Werten aufweist.
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Damit
das Kunden-Modem 110 und das Zentralstellengerät 170 über eine
gemeinsame Symboltabelle kommunizieren können, sendet, nachdem die aktuellen
Signalumwandlungswerte des ADC 155 und das DAC 156 bestimmt
sind und optimale Konstellationen für die Richtung "stromauf' und "stromab" basierend auf diesen
Werten ausgewählt
sind, das Kunden-Modem 110 die optimalen Konstellationen an
das Zentralstellengerät 170.
In einer Ausführungsform
wird ein Einzelbit-Feld, welches die m Symbole identifiziert, die
aus jeder Grundkonstellation für
die Richtung stromaufwärts
und stromabwärts
ausgewählt
wurden, von dem Kunden-Modem 110 an das Zentralstellengerät 170 gesendet.
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Nunmehr
auf 5 Bezug nehmend, ist dort eine beispielhafte funktionelle
schematische Darstellung eines Kunden-Modems 102 veranschaulicht, welches
von den Prinzipien der Erfindung Gebrauch macht. Obwohl ein Modem
ein herkömmliches
Gerät ist,
welches zur Datenübertragung über das öffentliche
Fernsprechwählnetz
(PSTN) 150 dient, können auch
andere Geräte
vorteilhaft von den Prinzipien der Erfindung Gebrauch machen. Die
Prinzipien der Erfindung sind nicht beschränkt auf ein spezielles Kommunikationsgerät. Das Kunden-Modem 110 enthält eine
Telefonschnittstelle 450 zum Ankoppeln des Modems an das öffentliche
Fernsprechwählnetz 150, eine Übungsschaltung 410,
wie sie oben beschrieben wurde, die dazu dient, die Signalumwandlungswerte
von einem ADC 155 und einem DAC 156 in der Analogschnittstelle
zu dem PSTN 150 zu bestimmen, eine Symboltabelle 111 zum
Speichern der Konstellation von Symbolen für die Stromaufwärts- und Stromabwärts-Kanäle, eine
Logikschaltung 420 zum Auswählen optimaler Konstellationen
aus Grundkonstellationen, und eine Sendeschaltung 440,
die dazu ausgebildet ist, die optimalen Konstellationen an ein Zentralstellengerät 170 zu
senden. Obwohl das Modem 110 als mit diskreten Schaltungen
für jede
Funktion ausgestattet dargestellt ist, sieht der Fachmann, dass
ein Modem, welches von den Prinzipien der Erfindung Gebrauch macht,
auf einem oder mehreren Halbleiterbauelementen ausgebildet sein
kann, darunter – ohne
Beschränkung – digitale
Signalprozessoren (DSP), Mikroprozessoren (μp), anwendungsspezifische integrierte
Schaltkreise (ASIC) und programmierbare Festspeicher (PROM).
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Wenn
ein System, welches von dem Modem 110 Gebrauch macht, an
ein Zentralstellengerät 170 angeschlossen
wird, arbeitet die Übungsschaltung 410 mit
dem Zweck, die Signalumwandlungswerte des ADC 155 und des
DAC 156 in der Analogschnittstelle zu dem PSTN 150 zu
bestimmen, ferner die Signalumwandlungswerte, die einer n-stufigen
Symboltabelle einer Grundkonstellation entsprechen. Die Grundkonstellation
kann in der Symboltabelle 111 gespeichert werden, die für eine Logikschaltung 420 zugänglich ist.
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Die
Logikschaltung 420 dient zum Auswählen einer optimalen Konstellation,
wie es oben erläutert
wurde, und zum Modifizieren der Symboltabelle 111 derart,
dass die m Symbole einer optimalen Konstellation gegeben sind. In
einer Ausführungsform der
Erfindung ist die Logikschaltung ausgebildet als eine Sequenz ausführbarer
Softwarebefehle und arbeitet zum Auswählen einer optimalen Konstellation (beispielsweise
einer m-stufigen Symboltabelle) aus einer Grundkonstellation (z.B.
einer n-stufigen Symboltabelle, n ? m), die aus Symbolen besteht,
die den Signalumwandlungswerten des CODEC 152 entsprechen.
Der Fachmann ist mit dem Gebrauch von Software zum Verarbeiten digitaler
Information und zum Steuern der Betriebskennwerte der elektronischen
Hardware vertraut und erkennt mithin die Vorteile beim Implementieren
der logischen Schaltung in Software.
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Die
Sendeschaltung 240 arbeitet so, dass sie die Symboltabelle 111 liest
und ein Einzelbit-Feld sendet, welches die m Symbole in einer optimalen Konstellation
definiert, an das Zentralstellengerät 170 sendet, wodurch
das Modem 110 und das Zentralstellengerät 170 eine gemeinsame
Symboltabelle verwenden können,
die dynamisch angepasst ist an die Signalumwandlungswerte der Analogschnittstelle des
PSTN 150. Der Fachmann erkennt weitere mögliche Mittel
zum Übertragen
der optimalen Konstellationsdaten an das Hauptstellengerät 170.
Die allgemeinen Prinzipien der Erfindung beinhaltet alle diese Mittel.
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Die
oben beschriebenen sowie dazu alternative Merkmale der Erfindung
sind Gegenstand der beigefügten
Ansprüche.