JP3751203B2 - 多重搬送波受信機におけるカルマン等化 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、ディジタル通信システムに関し、より詳細には、ディスクリート・マルチトーン（ＤＭＴ）および直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムなどの多重搬送波ディジタル通信システムで、歪みを除去するための方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ディジタル通信システムにおいて最も重要な問題の１つが、通信チャネルによって導入される「チャネル効果」と呼ばれる歪みを最小限にすることである。図１は、従来のディジタル通信システムを示す構成図１００である。データは、通信チャネル（「チャネル」）１０６を介して送信機１０２から受信機１０４に伝送される。チャネル１０６は、送信機１０２と受信機１０４との間でデータを転送するための、いかなるタイプの通信媒体であってもよい。たとえばチャネル１０６は、１つまたは複数のネットワーク接続、ワイヤ、光ファイバ・リンク、または無線ディジタル通信リンクであってよい。
【０００３】
理論的に言えば、データは送信機１０２と受信機１０４との間で、チャネル１０６を介して歪みなく伝送される。すなわち、受信機１０４によってチャネル１０６から取り出されるデータは、送信機によってチャネル１０６上に配置されるデータと同一である。ただし実際には、チャネル１０６が、チャネル１０６を介して伝送されるデータを破損させる可能性のある歪みを導入する。チャネル１０６によって導入される歪みは、普通なら符号間干渉（ＩＳＩ）と呼ばれる、連続して伝送される符号を相互に干渉させる可能性がある。ＩＳＩによってディジタル・データが大幅に破損する可能性があり、その結果ビット誤り率（ＢＥＲ）が非常に高くなる。データの破損は、通信チャネル１０６上を伝送される間に発生する。多重搬送波システムＩＳＩは、ＩＳＩがすべての周波数ビン全体に広がって著しい信号対雑音劣化を発生させる可能性があるため、たとえば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して時間領域データを周波数領域データに変換する前に除去しなければならない。この問題の一般的な解決方法は、時間領域等化（ＴＤＥＱ）を使用して、サンプリング・データを時間領域データから周波数領域に伝送する前に、サンプリングされたデータからＩＳＩを除去することである。これによって、元のデータを通信チャネルから回復させることができる。
【０００４】
図２は、図１の送信機１０２および受信機１０４の一実施例を示す構成図２００である。送信機１０２は、典型的には符号器２０２、ディジタル／アナログ変換器２０４、および送信フィルタ２０６、ならびにライン・ドライバ２０７を含む。符号器２０２は、符号化ディジタル・データを生成するために、元のディジタル・データを符号化する。符号化ディジタル・データは、ディジタル／アナログ変換器２０４によってアナログ符号化データに変換される。送信フィルタ２０６は、フィルタ済みデータを生成するために、元のデータの望ましくない構成要素を符号化アナログ・データから除去する。ライン・ドライバ２０７は、チャネル１０６を介して信号を伝送するために信号を増幅する。フィルタ済みデータは、チャネル１０６を介して受信機１０４に伝送される。
【０００５】
受信機１０４は、差動増幅器２０８、１つまたは複数の受信フィルタ２０９、アナログ／ディジタル変換器２１０、およびイコライザ２１２を含む。受信機１０４によってチャネル１０６からデータが受信された後、チャネル１０６を介して送信機１０２から受信した符号化アナログ・データから、受信フィルタ２０９が望ましくない構成要素を除去する。アナログ／ディジタル変換器２１０は、送信機１０２から受信した符号化アナログ・データを符号化ディジタル・データに変換する。イコライザ２１２は、ＩＳＩを除去するために、符号化ディジタル・データを処理する。符号化ディジタル・データは、変調されたトーンを回復するために、高速フーリエ変換を利用してデータを周波数領域に変換することによって、さらに処理される。残留周波数領域の等化は、元のディジタル・データを回復する復号器２１４にデータが転送される前に、周波数領域内で実行される。復号器２１４は、図に示したように受信機１０４から分離するか、または受信機１０４に組み込むことができる。
【０００６】
ＩＳＩを除去するための従来のほとんどの方法には、結果的に性能を低下させる重大な制約がある。従来方法での制約の多くは、ＩＳＩの性質および他の外部雑音源の性質に起因するものである。従来方法は、それぞれの問題を独立したもの、すなわちＩＳＩ除去および雑音緩和として処理する。したがって、１つの問題を解決すると、他の効果を悪化させる場合がある。たとえば、ＴＤＥＱ機構の中には、熱雑音およびクロストークなどの雑音源を反映しないものがある。さらに、通信チャネルの特性（伝達関数）は静的とは限らず、経時的に変化する可能性がある。結果的に、従来のＴＤＥＱ機構には、通常、チャネル誘導ＩＳＩを全部は除去できないこと、または安定性に問題があることを含むいくつかの欠点がある。たとえば、判定帰還ＴＤＥＱ機構は、性能を向上させることができるが、その用途を制限するので、ディスクリート・マルチトーン（ＤＭＴ）伝送システムの応用例に適用することは困難である。さらに判定帰還ＴＤＥＱ機構には誤り伝播という問題があり、１つ誤りが発生すると、後続のデータ符号にも誤りが発生する可能性が増加してしまう可能性がある。他の例としては、知られているチャネル効果を補償するために、伝送事前符号化も使用されている。ただし、伝送事前符号化には、チャネルの正確な特徴付けおよび連動送信機が必要である。さらに、伝送事前符号化は、すべてのタイプの伝送システムで実施できるものではない。たとえば、伝送事前符号化は、現在の非同期ディジタル加入者回線（ＡＤＳＬ）標準であるＡＮＳＩ Ｔ１．４１３およびＩＴＵ９９２．２の範囲内で実施することができない。
【０００７】
したがって、ディジタル通信システム内でＩＳＩを減少させる必要性および従来の方法での制約に基づき、従来のＩＳＩ除去方法において固有の制約を受けることのない、ディジタル通信システム内、特にＤＳＬ通信システム内でＩＳＩを減少させるための方法が望ましい。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の一態様により、通信チャネルから受信したデータを処理するためのコンピュータ実装方法が提供される。最初に、通信チャネルからデータが受信されるが、この伝送されるデータが任意数の搬送波上で変調されたデータからなる。次いで、データが通信チャネル上で伝送される前の、データの最小平均二乗推定値が決定される。最後に、この最小平均二乗推定値を使用して、通信チャネルおよび外部雑音源によってデータに導入された歪みが補償される。
【０００９】
本発明の他の態様により、たとえばディジタル加入者回線などの通信チャネルに沿ってデータを伝送することにより導入されるデータ内の歪みを除去するために、ディジタル加入者回線、ＤＭＴまたはＯＦＤＭベースの通信システムから受信したデータを等化するためのコンピュータ実装方法が提供される。第１に、ディジタル加入者回線からデータが受信される。次いで、カルマン・フィルタを使用して、データの最小平均二乗推定値が決定される。ディジタル加入者回線上でデータを伝送することによって導入されるデータ内の歪みを補償するために、この最小平均二乗推定値が使用される。
【００１０】
本発明の他の態様により、通信チャネルから受信したアナログ・データを等化するための受信機が提供され、このアナログ・データには、通信チャネル上でアナログ・データを伝送することによって導入される歪みが含まれる。受信機は、アナログ・フロント・エンド（フィルタリングを含む）、アナログ／ディジタル変換器、およびイコライザを備える。アナログ／ディジタル変換器は、通信チャネルから受信したアナログ・データをディジタル・データに変換するように構成される。イコライザは、通信チャネルから受信したアナログ・データの最小平均二乗推定値を決定し、このアナログ・データの最小平均二乗推定値を使用して、通信チャネル上でアナログ・データを伝送することによってアナログ・データに導入される歪みを補償するように構成される。
【００１１】
【発明の実施形態の説明】
本発明の実施形態は、限定的なものではなく、例示的なものとして添付の図面に示され、同じ要素には同じ番号が付けられている。なお、本願明細書において、各数式中に現れる
【外１】
【外２】
【外３】
【外４】
【外５】
【外６】
【外７】
【外８】
は、本文中においてそれぞれ「A^」，「a^」，「B^」，「b^」，「H^」，「h^」，「x^」，「ξ^」と表記することとする。
【００１２】
以下の説明では、本発明を完全に理解するために、説明の目的で特定の詳細について記述する。ただし、本発明がこれら特定の詳細を使用しなくても実施可能であることは明らかであろう。その他の場合、本発明が必要以上に不明瞭にならないように、構成図の形式で周知の構造およびデバイスについて記述する。
【００１３】
本発明の例示的実施形態の様々な態様および特徴について、（１）機能の概要、（２）時間領域の等化、（３）適用可能なフィルタリング、（４）周波数領域の等化、および（５）実施機構の各セクションで、より詳細に説明する。
【００１４】
１．機能の概要
ディジタル通信システムで歪みを減少させるためのコンピュータ実装方法には、一般に、通信チャネルによって導入される歪みを補償するために、時間領域内で通信チャネル出力データを等化することが含まれる。本発明の一実施形態により、時間領域内でほぼすべてのＩＳＩを補償するためのカルマン・フィルタを使用して、元のデータの最小平均二乗推定値が得られる。増長状態のカルマン・フィルタを使用することで、追加の計算費用が比較的少ない平滑遅延が提供される。残留振幅および位相歪みを補正するために、周波数領域内で後続の等化を実行することもできる。
【００１５】
図３は、本発明の一実施形態による、通信チャネル１０６から受信したアナログ符号化データを処理する受信機３００の一例を示す構成図である。受信機３００は、受信フィルタ３０２、アナログ／ディジタル変換器３０４、時間領域イコライザ３０６、時間領域／周波数領域変換器３０８、および周波数領域イコライザ３１０を含む。ここで、通信チャネル１０６から受信したディジタル符号化データを処理するためにこれらの構成要素を使用する方法について、図４の流れ図４００を参照しながら説明する。
【００１６】
ステップ４０２で開始した後、ステップ４０４で、チャネル１０６からアナログ符号化データが受信される。
【００１７】
ステップ４０６では、受信されたアナログ符号化データから任意の望ましくない構成要素を除去するために、アナログ符号化データが受信フィルタ３０２によってフィルタリングされる。
【００１８】
ステップ４０８では、アナログ／ディジタル変換器３０４によって、アナログ符号化データがディジタル符号化データに変換される。
【００１９】
ステップ４１０では、ほぼすべてのＩＳＩを除去するために、時間領域イコライザ３０６によって、ディジタル符号化データで時間領域の等化が実行される。本発明の一実施形態によれば、時間領域等化の実行には、チャネル１０６によって導入されるＩＳＩを補償するために、カルマン・フィルタを使用して元のデータの最小平均二乗推定値（ＭＭＳＥ）を決定することが含まれる。ただし、本明細書では、本発明の実施形態がカルマン・フィルタを使用してＭＭＳＥを決定するという状況で開示されているが、この目的のために、いずれの機構も使用可能であり、本発明は任意の特定機構に限定されるものではない。一般項では、最小平均二乗推定値が以下のように定義される。
【００２０】
E[(x - x^)2|y]
min x^
上式で、Eは予測値であり、xは通信チャネル内で伝送された元のデータであり、x^はイコライザ機構の出力であり、|は通信チャネルの出力yでの条件付き平均である。
【００２１】
カルマン・フィルタの追加の詳細および例について、以下でより詳細に説明する。
【００２２】
ステップ４１２では、時間領域イコライザ３０６から受信されたディジタル符号化データが、時間領域／周波数領域変換器３０８によって周波数領域に変換される。時間領域／周波数領域変換器３０８は、高速フーリエ変換などのデータを変換するための任意の技法を組み込むことが可能であり、本発明は特定の変換技法に限定されるものではない。
【００２３】
ステップ４１４では、以下でより詳細に述べるように、任意の残留振幅および位相歪みを補正するために、周波数領域イコライザ３１０によってディジタル符号化データで周波数領域等化が実行される。このプロセスはステップ４１６で完了する。典型的には、次いでこのデータが元のディジタル・データを回復するために復号器に提供される。
【００２４】
２．時間領域の等化
本発明の一実施形態によれば、元のデータのＭＭＳＥを取得することによって、時間領域内の受信されたディジタル符号化データからほぼすべてのＩＳＩを除去するために、増長状態での、すなわち平滑子を使用したカルマン・フィルタリング技法が使用される。カルマン・フィルタリングは、これまで、図３に記載された状況では適用されておらず、またこの状況では考慮の対象とならなかったが、数学の分野における他の使用法では周知である。たとえば、B.D.O AndersonおよびJ.Mooreによる「Optimal Filtering」Englewood Cliffs、N.J.Prentice Hall社 1979年 ISBN 013631227を参照されたい。図２を参照すると、送信機１０２によって伝送されるデータは、ディジタル／アナログ変換器２０４および送信フィルタ２０６によって処理される、離散時間シーケンスx(k)で表すことができる。送信機１０２の出力時の信号をアナログ表現すると、x(t)となる。チャネル１０６は、そのインパルス応答h(t)で特徴付けられる。チャネル１０６の出力y(t)は、
【００２５】
【数１】
（１）
となり、上式でx(t)はチャネル入力であり、n(t)は、付加的なホワイト・ガウス・ノイズ、クロストーク、およびエコー・ノイズなどのすべてのチャネル妨害を反映する。受信機１０４では、離散時間受信信号y(k)を生成するためにチャネル出力y(k)がサンプリングされる。したがって、本発明の一実施形態によれば、元の離散時間信号x(k)の離散時間推定値x^(k)を取得することが目的である。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、伝送されるデータ・シーケンスx(k)は、ホワイト・ガウス・シーケンスによって近似できると判定されている。これは、データ・サンプルを生成するために逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を使用すること、およびＩＦＦＴに入力される符号が振幅および位相ではランダムであり、互いに独立しているという事実が原因である。データ・シーケンスのおおよそのガウス性質が、中心極限定理を適用することから導き出される。したがって、直交振幅変調（ＱＡＭ）コンステレーション・サイズが大きく通信サブチャネルの数が多い場合に、ホワイト・ガウス仮定条件は最良となる。いずれのチャネルも、実際のチャネル・インパルス応答を生み出すために、自己回帰移動平均（ＡＲＭＡ）パラメータを適切に選択することによってＡＲＭＡモデルとして表すことができる。チャネル出力は、カルマン・フィルタがＭＭＳＥの意味で入力シーケンスの最適な推定値を生み出す、ＡＲＭＡプロセスを駆動するホワイト・ガウス入力シーケンスによって、適切に近似される。
【００２７】
識別されたチャネルは、以下の数式により与えられるＡＲＭＡモデルによって表され、
【００２８】
【数２】
（２）
【数３】
（３）
上式で、定義上、a^0＝１であり、H^(z)は、サンプリングされたチャネル・インパルス応答h(k)の推定値としてインパルス応答h^(k)を有する。チャネル識別子は、チャネル応答を適応的に推定するためにイコライザ出力を使用することができる。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、カルマン・フィルタ・ベースの等化が以下のように実施される。第１に、状態ξ(k)が、データ入力と識別されたチャネルの分母との関数になるように定義される。次にこのチャネル出力が、中間状態ξ(k)と識別されたチャネルの分子との関数になるように定義される。これらの状態および観測の式は、以下の式によって与えられ、
【００３０】
【数４】
（４）
【数５】
（５）
上式で、A^およびB^は識別されたチャネル・パラメータa^(z)およびb^(z)から導出されるものであって、
【００３１】
【数６】
（６）
さらに、以下の式によって与えられる。
【数７】
（７）
【００３２】
a^(z)およびb^(z)は、同じ次数mであると想定される。必要であれば、これは適当な数の０でベクトルa^またはb^を穴埋めすることによって達成可能である。出力が実行される前に「L」個のサンプルの遅延を達成するために、A^の第１行は要素a^iに続いて「L＋1」個のゼロを有する。次いで、A^の残りの行は、「(L＋m)x(L＋m)」の単位行列および１つのゼロ列からなる。したがって、A^は、「(L＋m＋1)x(L＋m＋1)」の正方行列である。同様に、B^行列は、「1x(L＋m＋1)」行列を形成するために「L」個のゼロによって拡張される。
【００３３】
図５は、本発明の一実施形態による、増長状態のカルマン・フィルタを使用して、データ入力シーケンスx(k)の単一入力サンプルの最適な推定値x^(k)を決定するための方法を示す流れ図５００である。このプロセスは、連続する各入力サンプルに対して繰り返される。ステップ５０２で開始した後、ステップ５０４で、カルマン・フィルタの初期状態および共分散の推定値が以下のように設定される。
【００３４】
【数８】
（８）
【数９】
（９）
【００３５】
A^およびB^の定義との一貫性を維持するために、ξ＾(.|.)は次元「(L＋m＋1)x1」を有し、P(.|.)は次元「(L＋m＋1)x(L＋m＋1)」を有する。初期設定P(0|0)は、入力データがゼロ平均の単位分散ホワイト・ガウス・シーケンスであるという想定を反映している。入力データがゼロ平均の単位分散ホワイト・ガウス・シーケンスでない場合、初期設定はそれに応じて、すなわちξ＝ξmeanおよびP(0|0)＝P0に修正される。ステップ５０６では、状態推定値および共分散予測値が、以下のように決定され、
【００３６】
【数１０】
（１０）
【数１１】
（１１）
上式で、Qはデータ入力x(k)の共分散であって、この例ではスカラーである。
【００３７】
ステップ５０８では、データの実際の観測値と状態予測から予測されたデータとの差に基づいて、イノベーション型共分散が決定される。本発明の一実施形態によれば、イノベーション型共分散が以下のように決定される
【００３８】
【数１２】
（１２）
【００３９】
ステップ５１０では、カルマン・ゲインが以下のように算出される。
【００４０】
【数１３】
（１３）
【００４１】
ステップ５１２では、更新された状態推定値および共分散行列が以下のように算出される。
【００４２】
【数１４】
（１４）
【数１５】
（１５）
これは共分散更新の最も単純な形式である一方で、数値の不安定性による影響を受ける可能性がある。実際には、数値的に安定した更新形式、すなわち、
P(k|k) = [I - K(k)B^(k)]P(k|k - 1)[I - K(k)B^(k)] + K(k)R(k)K'(k)が使用される。詳細については、1979年、P.S.Maybeckによる「Stochastic Models,Estimation,and Control」Academic Press,Vol.1を参照されたい。
【００４３】
ステップ５１４では、データ推定値は中間状態推定値から以下のように計算され、
【００４４】
【数１６】
（１６）
上式で、
【数１７】
（１７）
は、データを「平滑化」するために「L」個のサンプル遅延を達成する「L」個の先行ゼロを有するa^からなる。
【００４５】
プロセスは、ステップ５１６で完了する。
【００４６】
データ推定値x^(k-L|k)は、時間kまでにデータが受信された場合のデータ入力x(k-L)のＭＭＳＥ推定値および入力データの最適な推定値である。時間が経過してもチャネル特性が変化しない場合、フィルタ・ゲインおよび共分散は定常状態値に収束する。この状況で、カルマン・フィルタは線形横軸フィルタと同等である。
【００４７】
３．適用可能なフィルタリング
状況によっては、チャネルの特性が経時的に変化する。たとえば、大気の状態またはチャネル構成の変化がチャネル特性を変化させる場合もある。したがって、本発明の一実施形態により、チャネル特性の変化を反映させるために、適用可能なカルマン・フィルタリングが採用される。詳細には、チャネル特性が経時的に変化している状況では、固定行列A^およびB^の代わりに、A^(k)およびB^(k)で示される更新されたチャネル・パラメータ推定値が使用される。さらにカルマン・フィルタは、推定値x^(k-L|k)が最適であることを確実にする最適ゲインK(k)を生み出す。
【００４８】
４．周波数領域の等化
状況によっては、カルマン・フィルタの等化によってすべての周波数で確実な等化が提供できないことがある。したがって、本発明の一実施形態により、周波数領域内で残留振幅および位相歪みが補正される。本発明の一実施形態によれば、周波数領域の等化には、第１にカルマン・フィルタの周波数応答の決定、次いで必要な周波数領域等化の決定が含まれる。他の実施形態には、あらゆるトーン内でそれぞれのＱＡＭコンステレーションに必要なゲインの拡大および位相の回転を確立するために、周波数領域内のトレーニング・データ・シーケンスを平均化し、その後各コンステレーションへのこの変換を受信および変換データ伝送に適用することが含まれる。
【００４９】
ａ．カルマン・フィルタの周波数応答の決定
周波数領域内の残留ゲインおよび歪みを補償する第１のステップは、定常状態にあるカルマン・フィルタの周波数応答を決定することである。第１に、反復によるか、またはリカッチの方程式の解によって、定常状態のカルマン・ゲインKssが算出される。次に、z領域内でのカルマン・フィルタ・イコライザの伝達関数が、以下のように算出される。
【００５０】
【数１８】
（１８）
次いで、数式１８のz＝ej2 π fを置換することにより、任意の所望の周波数fでの周波数応答の大きさおよび位相が算出される。その結果生じる複素数値化された伝達関数が、Heq(f)で示される。
【００５１】
ｂ．周波数領域等化の決定
必要な周波数領域等化を決定するために、伝送されたデータ・シーケンスから時間領域イコライザ出力までの伝達関数全体が、以下のように算出される。
【００５２】
【数１９】
（１９）
時間領域等化中にすべてのＩＳＩが除去された状況では、すべての周波数でHtotal(f)が均一であることに留意されたい。時間領域／周波数領域変換器３０８への複素数出力は、Xr(f)で示される。次いで、周波数領域等化出力が以下の式によって与えられる。
【００５３】
【数２０】
（２０）
上式で、Htotal(f)は、時間領域／周波数領域変換器３０８で採用された機構の周波数ビンに対応する周波数の離散セットで、数式（１９）のz＝ej2 π fを置換することによって得られる。XFDEQ(f)は、その後復号器２１４に渡される、回復されたＱＡＭ符号を表している。
【００５４】
５．実装メカニズム
通信システム内の歪みを除去するための方法は、どんなタイプの通信システムにも適用可能であり、詳細には、無線システム、ケーブル・モデム・システム、ＤＳＬアプリケーション、および特にＡＤＳＬアプリケーションを含む、ブロードバンドのディジタル通信システムに特に好適である。さらに、この方法は、受信機または通信システムの一部として、またはスタンドアロン型のイコライザ機構として実施することが可能である。本発明は、ハードウェア回路で、コンピュータ・ソフトウェアで、またはハードウェア回路とコンピュータ・ソフトウェアとの組合せで実施可能であり、特定のハードウェアまたはソフトウェアの実施に限定されるものではない。
【００５５】
図６に、本発明の一実施形態が少なくとも部分的にコンピュータ・ソフトウェアで実装され得るコンピュータ・システム６００を描写したブロック図を示す。コンピュータ・システム６００は、情報の通信を行うためのバス６０２またはその他のメカニズム、およびバス６０２に接続された、情報を処理するためのプロセッサ６０４を備える。またコンピュータ・システム６００には、バス６０２に接続された、情報およびプロセッサ６０４によって実行される命令を格納するためのランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）またはその他の動的ストレージ・デバイス等のメイン・メモリ６０６が備わる。メイン・メモリ６０６は、さらにプロセッサ６０４による命令の実行間において、一時変数またはその他の中間情報を格納するためにも使用される。さらにコンピュータ・システム６００は、プロセッサ６０４用の静的な情報ならびに命令を格納するための読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）６０８またはその他の静的ストレージ・デバイスを備え、それがバス６０２に接続されている。ストレージ・デバイス６１０は、磁気ディスクまたは光ディスク等であり、情報および命令を格納するために備えられ、バス６０２に接続されている。
【００５６】
コンピュータ・システム６００には、陰極線管（ＣＲＴ）等の、コンピュータ・ユーザに情報を表示するためのディスプレイ６１２がバス６０２を介して接続されることもある。入力デバイス６１４は、英数キーおよびその他のキーを備え、バス６０２に接続されてプロセッサ６０４に情報およびコマンドの選択を伝える。別のタイプのユーザ入力デバイスとして、マウス、トラックボール、またはカーソル移動キー等の、プロセッサ６０４に方向情報およびコマンドの選択を伝え、ディスプレイ６１２上におけるカーソルの移動をコントロールするためのカーソル・コントロール６１６が備わっている。この入力デバイスは、通常、第１の軸（たとえばｘ軸）および第２の軸（たとえばｙ軸）からなる２軸に自由度を有しており、それによってこのデバイスは平面内のポジションを指定することができる。
【００５７】
本発明は、ディジタル通信システムにおける歪みを除去するためのコンピュータ・システム６００の使用に関する。本発明の一実施形態によれば、ディジタル通信システムにおける歪みの除去は、メイン・メモリ６０６に収められた１ないしは複数の命令からなる１ないしは複数のシーケンスを実行するプロセッサ６０４に応じるシステム６００によって提供される。この種の命令は、ストレージ・デバイス６１０等の別のコンピュータ読み取り可能な媒体からメイン・メモリ６０６内に読み込んでもよい。メイン・メモリ６０６内に収められている命令のシーケンスを実行することにより、プロセッサ６０４は、ここに説明したプロセスのステップを実行する。また、多重プロセッシング配列の１又は複数のプロセッサを、メイン・メモリ６０６内に含まれる命令のシーケンスを実行するために採用してもよい。別の実施形態においては、ソフトウェア命令に代えて、あるいはそれと組み合わせてハード・ワイヤード回路を使用し、本発明を実装することもできる。このように本発明の実施態様は、ハードウェア回路およびソフトウェアの特定の組み合わせに限定されることがない。
【００５８】
ここで用いている「コンピュータ読み取り可能な媒体」という用語は、プロセッサ６０４が実行する命令の提供に与る任意の媒体を指す。その種の媒体は、限定する意図ではないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む各種の形式をとり得る。不揮発性媒体には、たとえば光または磁気ディスクが含まれ、ストレージ・デバイス６１０等がこれに該当する。揮発性媒体には、ダイナミック・メモリが含まれ、メイン・メモリ６０６等がこれに該当する。伝送媒体には、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバが含まれ、バス６０２を構成するワイヤーもこれに含まれる。伝送媒体もまた、音波または電磁波、たとえば電波、赤外線、および光データ通信の間に生成される電磁波といった形式をとり得る。
【００５９】
コンピュータ読み取り可能な媒体の一般的な形態には、たとえば、フロッピー（Ｒ）ディスク、フレキシブル・ディスク、ハードディスク、磁気テープ、またはその他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、その他の光媒体、パンチカード、さん孔テープ、その他孔のパターンを伴う物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、およびＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ、その他のメモリ・チップまたはカートリッジ、次に述べる搬送波、またはその他コンピュータによる読み取りが可能な任意の媒体が含まれる。
【００６０】
各種形式のコンピュータ読み取り可能な媒体が関係して１ないしは複数の命令からなる１ないしは複数のシーケンスがプロセッサ６０４に渡され、実行される。たとえば、当初は命令が、リモート・コンピュータの磁気ディスクに収められて運ばれる。リモート・コンピュータは、命令をダイナミック・メモリにロードし、モデムの使用により電話回線を介してその命令を送信することができる。コンピュータ・システム６００に備わるモデムは、電話回線上のデータを受信し、赤外線送信機を使用してそのデータを赤外線信号に変換する。バス６０２に接続された赤外線検出器は、この赤外線信号によって運ばれるデータを受信し、適切な回路がバス６０２上にそのデータを乗せる。バス６０２は、このデータをメイン・メモリ６０６に運び、プロセッサ６０４は、そこから命令を取り出して実行する。選択肢の１つとして、プロセッサ６０４による実行の前、もしくはその後に、メイン・メモリ６０６によって受信された命令をストレージ・デバイス６１０に格納してもよい。
【００６１】
コンピュータ・システム６００は、通信インターフェース６１８も備えており、それがバス６０２に接続されている。通信インターフェース６１８は、ローカル・ネットワーク６２２に接続されるネットワーク・リンク６２０に接続されて双方向データ通信を提供する。たとえば、通信インターフェース６１８を、対応するタイプの電話回線に接続されてデータ通信を提供する、統合ディジタル通信サービス・ネットワーク（ＩＳＤＮ）カードまたはモデムとすることができる。別の例においては、通信インターフェース６１８をローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）カードとし、互換性のあるＬＡＮにデータ通信接続を提供することもできる。ワイヤレス・リンクを実装してもよい。この種のいずれの実装においても、通信インターフェース６１８は、各種タイプの情報を表すディジタル・データ・ストリームを運ぶ電気的、電磁気的、または光学的信号を送受する。
【００６２】
ネットワーク・リンク６２０は、通常、１ないしは複数のネットワークを介して別のデータ・デバイスにデータ通信を提供する。たとえばネットワーク・リンク６２０は、ローカル・ネットワーク６２２を介してホスト・コンピュータ６２４への接続を提供し、あるいはインターネット・サービス・プロバイダ（ＩＳＰ）６２６によって運用されるデータ装置への接続を提供することができる。一方、ＩＳＰ６２６は、現在「インターネット」６２８と呼ばれているワールド・ワイド・パケット・データ通信ネットワークを介してデータ通信サービスを提供する。ローカル・ネットワーク６２２およびインターネット６２８は、いずれもディジタル・データ・ストリームを運ぶ電気的、電磁気的、または光学的信号を使用する。これらの各種ネットワークおよびネットワーク・リンク６２０上の信号を通り、かつ通信インターフェース６１８を通り、コンピュータ・システム６００から、またそこへディジタル・データを運ぶ信号は、情報を伝送する搬送波の一例として挙げた形式である。
【００６３】
コンピュータ・システム６００は、ネットワーク（１ないしは複数）、ネットワーク・リンク６２０および通信インターフェース６１８を介し、プログラム・コードを含めて、メッセージを送信しデータを受信する。インターネットの例においては、サーバ６３０がインターネット６２８、ＩＳＰ６２６、ローカル・ネットワーク６２２および通信インターフェース６１８を経由して、要求のあったアプリケーション・プログラム用のコードを送信することが考えられる。本発明に従えば、このようにしてダウンロードしたアプリケーションの１つが、ここに説明されたディジタル通信システムにおける歪みの除去のために提供される。
【００６４】
受信されたコードは、プロセッサ６０４によって受信時に実行され、かつ／またはその後に実行するためにストレージ・デバイス６１０、あるいはその他の不揮発性ストレージに格納される。このようにしてコンピュータ・システム６００は、搬送波の形式でアプリケーション・コードを獲得することができる。
【００６５】
ディジタル通信システムの歪みを減少させるための本明細書に記載された新規な方法には、従来の方法に比べていくつかの利点がある。重要な利点は、時間領域内でほぼすべてのＩＳＩを解消することによって、データ率を、シャノンの定理で定義されるような通信チャネルの理論上の容量に近づけることができるということである。他の利点は、この方法が、伝送機構をいっさい変更せずに、受信符号化データで動作するように実施できることである。この方法は、誤りをいっさい伝播せずに、固有の安定性も提供する。最終的にこの方法は、ＤＳＬプロトコル、ならびに特にＡＤＳＬおよびＶＤＳＬプロトコルに適用可能である。したがってこの方法は、ＡＤＳＬ／ＶＤＳＬ、ＤＭＴ、およびＯＦＤＭ送信機を変更する必要なしに、ＡＤＳＬ／ＶＤＳＬ、ＤＭＴ、およびＯＦＤＭ送信機に適合する。
【００６６】
以上、本発明についてその特有の実施形態を参照しながら述べてきた。ただし、本発明は、その広範な精神および範囲を逸脱することなく、様々な修正および変更が実行可能である。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のディジタル通信システムを示す構成図である。
【図２】図１に示された送信機および受信機の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態によって実施される通信システム受信機を示す構成図である。
【図４】本発明の一実施形態による通信システム内の歪みを除去するための方法を示す流れ図である。
【図５】本発明の一実施形態による、増長状態のカルマン・フィルタを使用して、データ入力シーケンスの単一入力サンプルの最適な推定値を決定するための方法を示す流れ図である。
【図６】本発明の実施形態が実施可能なコンピュータ・システムを示す構成図である。
【発明の技術分野】
本発明は、ディジタル通信システムに関し、より詳細には、ディスクリート・マルチトーン（ＤＭＴ）および直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）システムなどの多重搬送波ディジタル通信システムで、歪みを除去するための方法に関する。
【０００２】
【発明の背景】
ディジタル通信システムにおいて最も重要な問題の１つが、通信チャネルによって導入される「チャネル効果」と呼ばれる歪みを最小限にすることである。図１は、従来のディジタル通信システムを示す構成図１００である。データは、通信チャネル（「チャネル」）１０６を介して送信機１０２から受信機１０４に伝送される。チャネル１０６は、送信機１０２と受信機１０４との間でデータを転送するための、いかなるタイプの通信媒体であってもよい。たとえばチャネル１０６は、１つまたは複数のネットワーク接続、ワイヤ、光ファイバ・リンク、または無線ディジタル通信リンクであってよい。
【０００３】
理論的に言えば、データは送信機１０２と受信機１０４との間で、チャネル１０６を介して歪みなく伝送される。すなわち、受信機１０４によってチャネル１０６から取り出されるデータは、送信機によってチャネル１０６上に配置されるデータと同一である。ただし実際には、チャネル１０６が、チャネル１０６を介して伝送されるデータを破損させる可能性のある歪みを導入する。チャネル１０６によって導入される歪みは、普通なら符号間干渉（ＩＳＩ）と呼ばれる、連続して伝送される符号を相互に干渉させる可能性がある。ＩＳＩによってディジタル・データが大幅に破損する可能性があり、その結果ビット誤り率（ＢＥＲ）が非常に高くなる。データの破損は、通信チャネル１０６上を伝送される間に発生する。多重搬送波システムＩＳＩは、ＩＳＩがすべての周波数ビン全体に広がって著しい信号対雑音劣化を発生させる可能性があるため、たとえば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を利用して時間領域データを周波数領域データに変換する前に除去しなければならない。この問題の一般的な解決方法は、時間領域等化（ＴＤＥＱ）を使用して、サンプリング・データを時間領域データから周波数領域に伝送する前に、サンプリングされたデータからＩＳＩを除去することである。これによって、元のデータを通信チャネルから回復させることができる。
【０００４】
図２は、図１の送信機１０２および受信機１０４の一実施例を示す構成図２００である。送信機１０２は、典型的には符号器２０２、ディジタル／アナログ変換器２０４、および送信フィルタ２０６、ならびにライン・ドライバ２０７を含む。符号器２０２は、符号化ディジタル・データを生成するために、元のディジタル・データを符号化する。符号化ディジタル・データは、ディジタル／アナログ変換器２０４によってアナログ符号化データに変換される。送信フィルタ２０６は、フィルタ済みデータを生成するために、元のデータの望ましくない構成要素を符号化アナログ・データから除去する。ライン・ドライバ２０７は、チャネル１０６を介して信号を伝送するために信号を増幅する。フィルタ済みデータは、チャネル１０６を介して受信機１０４に伝送される。
【０００５】
受信機１０４は、差動増幅器２０８、１つまたは複数の受信フィルタ２０９、アナログ／ディジタル変換器２１０、およびイコライザ２１２を含む。受信機１０４によってチャネル１０６からデータが受信された後、チャネル１０６を介して送信機１０２から受信した符号化アナログ・データから、受信フィルタ２０９が望ましくない構成要素を除去する。アナログ／ディジタル変換器２１０は、送信機１０２から受信した符号化アナログ・データを符号化ディジタル・データに変換する。イコライザ２１２は、ＩＳＩを除去するために、符号化ディジタル・データを処理する。符号化ディジタル・データは、変調されたトーンを回復するために、高速フーリエ変換を利用してデータを周波数領域に変換することによって、さらに処理される。残留周波数領域の等化は、元のディジタル・データを回復する復号器２１４にデータが転送される前に、周波数領域内で実行される。復号器２１４は、図に示したように受信機１０４から分離するか、または受信機１０４に組み込むことができる。
【０００６】
ＩＳＩを除去するための従来のほとんどの方法には、結果的に性能を低下させる重大な制約がある。従来方法での制約の多くは、ＩＳＩの性質および他の外部雑音源の性質に起因するものである。従来方法は、それぞれの問題を独立したもの、すなわちＩＳＩ除去および雑音緩和として処理する。したがって、１つの問題を解決すると、他の効果を悪化させる場合がある。たとえば、ＴＤＥＱ機構の中には、熱雑音およびクロストークなどの雑音源を反映しないものがある。さらに、通信チャネルの特性（伝達関数）は静的とは限らず、経時的に変化する可能性がある。結果的に、従来のＴＤＥＱ機構には、通常、チャネル誘導ＩＳＩを全部は除去できないこと、または安定性に問題があることを含むいくつかの欠点がある。たとえば、判定帰還ＴＤＥＱ機構は、性能を向上させることができるが、その用途を制限するので、ディスクリート・マルチトーン（ＤＭＴ）伝送システムの応用例に適用することは困難である。さらに判定帰還ＴＤＥＱ機構には誤り伝播という問題があり、１つ誤りが発生すると、後続のデータ符号にも誤りが発生する可能性が増加してしまう可能性がある。他の例としては、知られているチャネル効果を補償するために、伝送事前符号化も使用されている。ただし、伝送事前符号化には、チャネルの正確な特徴付けおよび連動送信機が必要である。さらに、伝送事前符号化は、すべてのタイプの伝送システムで実施できるものではない。たとえば、伝送事前符号化は、現在の非同期ディジタル加入者回線（ＡＤＳＬ）標準であるＡＮＳＩ Ｔ１．４１３およびＩＴＵ９９２．２の範囲内で実施することができない。
【０００７】
したがって、ディジタル通信システム内でＩＳＩを減少させる必要性および従来の方法での制約に基づき、従来のＩＳＩ除去方法において固有の制約を受けることのない、ディジタル通信システム内、特にＤＳＬ通信システム内でＩＳＩを減少させるための方法が望ましい。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の一態様により、通信チャネルから受信したデータを処理するためのコンピュータ実装方法が提供される。最初に、通信チャネルからデータが受信されるが、この伝送されるデータが任意数の搬送波上で変調されたデータからなる。次いで、データが通信チャネル上で伝送される前の、データの最小平均二乗推定値が決定される。最後に、この最小平均二乗推定値を使用して、通信チャネルおよび外部雑音源によってデータに導入された歪みが補償される。
【０００９】
本発明の他の態様により、たとえばディジタル加入者回線などの通信チャネルに沿ってデータを伝送することにより導入されるデータ内の歪みを除去するために、ディジタル加入者回線、ＤＭＴまたはＯＦＤＭベースの通信システムから受信したデータを等化するためのコンピュータ実装方法が提供される。第１に、ディジタル加入者回線からデータが受信される。次いで、カルマン・フィルタを使用して、データの最小平均二乗推定値が決定される。ディジタル加入者回線上でデータを伝送することによって導入されるデータ内の歪みを補償するために、この最小平均二乗推定値が使用される。
【００１０】
本発明の他の態様により、通信チャネルから受信したアナログ・データを等化するための受信機が提供され、このアナログ・データには、通信チャネル上でアナログ・データを伝送することによって導入される歪みが含まれる。受信機は、アナログ・フロント・エンド（フィルタリングを含む）、アナログ／ディジタル変換器、およびイコライザを備える。アナログ／ディジタル変換器は、通信チャネルから受信したアナログ・データをディジタル・データに変換するように構成される。イコライザは、通信チャネルから受信したアナログ・データの最小平均二乗推定値を決定し、このアナログ・データの最小平均二乗推定値を使用して、通信チャネル上でアナログ・データを伝送することによってアナログ・データに導入される歪みを補償するように構成される。
【００１１】
【発明の実施形態の説明】
本発明の実施形態は、限定的なものではなく、例示的なものとして添付の図面に示され、同じ要素には同じ番号が付けられている。なお、本願明細書において、各数式中に現れる
【外１】
【００１２】
以下の説明では、本発明を完全に理解するために、説明の目的で特定の詳細について記述する。ただし、本発明がこれら特定の詳細を使用しなくても実施可能であることは明らかであろう。その他の場合、本発明が必要以上に不明瞭にならないように、構成図の形式で周知の構造およびデバイスについて記述する。
【００１３】
本発明の例示的実施形態の様々な態様および特徴について、（１）機能の概要、（２）時間領域の等化、（３）適用可能なフィルタリング、（４）周波数領域の等化、および（５）実施機構の各セクションで、より詳細に説明する。
【００１４】
１．機能の概要
ディジタル通信システムで歪みを減少させるためのコンピュータ実装方法には、一般に、通信チャネルによって導入される歪みを補償するために、時間領域内で通信チャネル出力データを等化することが含まれる。本発明の一実施形態により、時間領域内でほぼすべてのＩＳＩを補償するためのカルマン・フィルタを使用して、元のデータの最小平均二乗推定値が得られる。増長状態のカルマン・フィルタを使用することで、追加の計算費用が比較的少ない平滑遅延が提供される。残留振幅および位相歪みを補正するために、周波数領域内で後続の等化を実行することもできる。
【００１５】
図３は、本発明の一実施形態による、通信チャネル１０６から受信したアナログ符号化データを処理する受信機３００の一例を示す構成図である。受信機３００は、受信フィルタ３０２、アナログ／ディジタル変換器３０４、時間領域イコライザ３０６、時間領域／周波数領域変換器３０８、および周波数領域イコライザ３１０を含む。ここで、通信チャネル１０６から受信したディジタル符号化データを処理するためにこれらの構成要素を使用する方法について、図４の流れ図４００を参照しながら説明する。
【００１６】
ステップ４０２で開始した後、ステップ４０４で、チャネル１０６からアナログ符号化データが受信される。
【００１７】
ステップ４０６では、受信されたアナログ符号化データから任意の望ましくない構成要素を除去するために、アナログ符号化データが受信フィルタ３０２によってフィルタリングされる。
【００１８】
ステップ４０８では、アナログ／ディジタル変換器３０４によって、アナログ符号化データがディジタル符号化データに変換される。
【００１９】
ステップ４１０では、ほぼすべてのＩＳＩを除去するために、時間領域イコライザ３０６によって、ディジタル符号化データで時間領域の等化が実行される。本発明の一実施形態によれば、時間領域等化の実行には、チャネル１０６によって導入されるＩＳＩを補償するために、カルマン・フィルタを使用して元のデータの最小平均二乗推定値（ＭＭＳＥ）を決定することが含まれる。ただし、本明細書では、本発明の実施形態がカルマン・フィルタを使用してＭＭＳＥを決定するという状況で開示されているが、この目的のために、いずれの機構も使用可能であり、本発明は任意の特定機構に限定されるものではない。一般項では、最小平均二乗推定値が以下のように定義される。
【００２０】
E[(x - x^)2|y]
min x^
上式で、Eは予測値であり、xは通信チャネル内で伝送された元のデータであり、x^はイコライザ機構の出力であり、|は通信チャネルの出力yでの条件付き平均である。
【００２１】
カルマン・フィルタの追加の詳細および例について、以下でより詳細に説明する。
【００２２】
ステップ４１２では、時間領域イコライザ３０６から受信されたディジタル符号化データが、時間領域／周波数領域変換器３０８によって周波数領域に変換される。時間領域／周波数領域変換器３０８は、高速フーリエ変換などのデータを変換するための任意の技法を組み込むことが可能であり、本発明は特定の変換技法に限定されるものではない。
【００２３】
ステップ４１４では、以下でより詳細に述べるように、任意の残留振幅および位相歪みを補正するために、周波数領域イコライザ３１０によってディジタル符号化データで周波数領域等化が実行される。このプロセスはステップ４１６で完了する。典型的には、次いでこのデータが元のディジタル・データを回復するために復号器に提供される。
【００２４】
２．時間領域の等化
本発明の一実施形態によれば、元のデータのＭＭＳＥを取得することによって、時間領域内の受信されたディジタル符号化データからほぼすべてのＩＳＩを除去するために、増長状態での、すなわち平滑子を使用したカルマン・フィルタリング技法が使用される。カルマン・フィルタリングは、これまで、図３に記載された状況では適用されておらず、またこの状況では考慮の対象とならなかったが、数学の分野における他の使用法では周知である。たとえば、B.D.O AndersonおよびJ.Mooreによる「Optimal Filtering」Englewood Cliffs、N.J.Prentice Hall社 1979年 ISBN 013631227を参照されたい。図２を参照すると、送信機１０２によって伝送されるデータは、ディジタル／アナログ変換器２０４および送信フィルタ２０６によって処理される、離散時間シーケンスx(k)で表すことができる。送信機１０２の出力時の信号をアナログ表現すると、x(t)となる。チャネル１０６は、そのインパルス応答h(t)で特徴付けられる。チャネル１０６の出力y(t)は、
【００２５】
【数１】
となり、上式でx(t)はチャネル入力であり、n(t)は、付加的なホワイト・ガウス・ノイズ、クロストーク、およびエコー・ノイズなどのすべてのチャネル妨害を反映する。受信機１０４では、離散時間受信信号y(k)を生成するためにチャネル出力y(k)がサンプリングされる。したがって、本発明の一実施形態によれば、元の離散時間信号x(k)の離散時間推定値x^(k)を取得することが目的である。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、伝送されるデータ・シーケンスx(k)は、ホワイト・ガウス・シーケンスによって近似できると判定されている。これは、データ・サンプルを生成するために逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）を使用すること、およびＩＦＦＴに入力される符号が振幅および位相ではランダムであり、互いに独立しているという事実が原因である。データ・シーケンスのおおよそのガウス性質が、中心極限定理を適用することから導き出される。したがって、直交振幅変調（ＱＡＭ）コンステレーション・サイズが大きく通信サブチャネルの数が多い場合に、ホワイト・ガウス仮定条件は最良となる。いずれのチャネルも、実際のチャネル・インパルス応答を生み出すために、自己回帰移動平均（ＡＲＭＡ）パラメータを適切に選択することによってＡＲＭＡモデルとして表すことができる。チャネル出力は、カルマン・フィルタがＭＭＳＥの意味で入力シーケンスの最適な推定値を生み出す、ＡＲＭＡプロセスを駆動するホワイト・ガウス入力シーケンスによって、適切に近似される。
【００２７】
識別されたチャネルは、以下の数式により与えられるＡＲＭＡモデルによって表され、
【００２８】
【数２】
【数３】
上式で、定義上、a^0＝１であり、H^(z)は、サンプリングされたチャネル・インパルス応答h(k)の推定値としてインパルス応答h^(k)を有する。チャネル識別子は、チャネル応答を適応的に推定するためにイコライザ出力を使用することができる。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、カルマン・フィルタ・ベースの等化が以下のように実施される。第１に、状態ξ(k)が、データ入力と識別されたチャネルの分母との関数になるように定義される。次にこのチャネル出力が、中間状態ξ(k)と識別されたチャネルの分子との関数になるように定義される。これらの状態および観測の式は、以下の式によって与えられ、
【００３０】
【数４】
【数５】
上式で、A^およびB^は識別されたチャネル・パラメータa^(z)およびb^(z)から導出されるものであって、
【００３１】
【数６】
さらに、以下の式によって与えられる。
【数７】
【００３２】
a^(z)およびb^(z)は、同じ次数mであると想定される。必要であれば、これは適当な数の０でベクトルa^またはb^を穴埋めすることによって達成可能である。出力が実行される前に「L」個のサンプルの遅延を達成するために、A^の第１行は要素a^iに続いて「L＋1」個のゼロを有する。次いで、A^の残りの行は、「(L＋m)x(L＋m)」の単位行列および１つのゼロ列からなる。したがって、A^は、「(L＋m＋1)x(L＋m＋1)」の正方行列である。同様に、B^行列は、「1x(L＋m＋1)」行列を形成するために「L」個のゼロによって拡張される。
【００３３】
図５は、本発明の一実施形態による、増長状態のカルマン・フィルタを使用して、データ入力シーケンスx(k)の単一入力サンプルの最適な推定値x^(k)を決定するための方法を示す流れ図５００である。このプロセスは、連続する各入力サンプルに対して繰り返される。ステップ５０２で開始した後、ステップ５０４で、カルマン・フィルタの初期状態および共分散の推定値が以下のように設定される。
【００３４】
【数８】
【数９】
【００３５】
A^およびB^の定義との一貫性を維持するために、ξ＾(.|.)は次元「(L＋m＋1)x1」を有し、P(.|.)は次元「(L＋m＋1)x(L＋m＋1)」を有する。初期設定P(0|0)は、入力データがゼロ平均の単位分散ホワイト・ガウス・シーケンスであるという想定を反映している。入力データがゼロ平均の単位分散ホワイト・ガウス・シーケンスでない場合、初期設定はそれに応じて、すなわちξ＝ξmeanおよびP(0|0)＝P0に修正される。ステップ５０６では、状態推定値および共分散予測値が、以下のように決定され、
【００３６】
【数１０】
【数１１】
上式で、Qはデータ入力x(k)の共分散であって、この例ではスカラーである。
【００３７】
ステップ５０８では、データの実際の観測値と状態予測から予測されたデータとの差に基づいて、イノベーション型共分散が決定される。本発明の一実施形態によれば、イノベーション型共分散が以下のように決定される
【００３８】
【数１２】
【００３９】
ステップ５１０では、カルマン・ゲインが以下のように算出される。
【００４０】
【数１３】
【００４１】
ステップ５１２では、更新された状態推定値および共分散行列が以下のように算出される。
【００４２】
【数１４】
【数１５】
これは共分散更新の最も単純な形式である一方で、数値の不安定性による影響を受ける可能性がある。実際には、数値的に安定した更新形式、すなわち、
P(k|k) = [I - K(k)B^(k)]P(k|k - 1)[I - K(k)B^(k)] + K(k)R(k)K'(k)が使用される。詳細については、1979年、P.S.Maybeckによる「Stochastic Models,Estimation,and Control」Academic Press,Vol.1を参照されたい。
【００４３】
ステップ５１４では、データ推定値は中間状態推定値から以下のように計算され、
【００４４】
【数１６】
上式で、
【数１７】
は、データを「平滑化」するために「L」個のサンプル遅延を達成する「L」個の先行ゼロを有するa^からなる。
【００４５】
プロセスは、ステップ５１６で完了する。
【００４６】
データ推定値x^(k-L|k)は、時間kまでにデータが受信された場合のデータ入力x(k-L)のＭＭＳＥ推定値および入力データの最適な推定値である。時間が経過してもチャネル特性が変化しない場合、フィルタ・ゲインおよび共分散は定常状態値に収束する。この状況で、カルマン・フィルタは線形横軸フィルタと同等である。
【００４７】
３．適用可能なフィルタリング
状況によっては、チャネルの特性が経時的に変化する。たとえば、大気の状態またはチャネル構成の変化がチャネル特性を変化させる場合もある。したがって、本発明の一実施形態により、チャネル特性の変化を反映させるために、適用可能なカルマン・フィルタリングが採用される。詳細には、チャネル特性が経時的に変化している状況では、固定行列A^およびB^の代わりに、A^(k)およびB^(k)で示される更新されたチャネル・パラメータ推定値が使用される。さらにカルマン・フィルタは、推定値x^(k-L|k)が最適であることを確実にする最適ゲインK(k)を生み出す。
【００４８】
４．周波数領域の等化
状況によっては、カルマン・フィルタの等化によってすべての周波数で確実な等化が提供できないことがある。したがって、本発明の一実施形態により、周波数領域内で残留振幅および位相歪みが補正される。本発明の一実施形態によれば、周波数領域の等化には、第１にカルマン・フィルタの周波数応答の決定、次いで必要な周波数領域等化の決定が含まれる。他の実施形態には、あらゆるトーン内でそれぞれのＱＡＭコンステレーションに必要なゲインの拡大および位相の回転を確立するために、周波数領域内のトレーニング・データ・シーケンスを平均化し、その後各コンステレーションへのこの変換を受信および変換データ伝送に適用することが含まれる。
【００４９】
ａ．カルマン・フィルタの周波数応答の決定
周波数領域内の残留ゲインおよび歪みを補償する第１のステップは、定常状態にあるカルマン・フィルタの周波数応答を決定することである。第１に、反復によるか、またはリカッチの方程式の解によって、定常状態のカルマン・ゲインKssが算出される。次に、z領域内でのカルマン・フィルタ・イコライザの伝達関数が、以下のように算出される。
【００５０】
【数１８】
次いで、数式１８のz＝ej2 π fを置換することにより、任意の所望の周波数fでの周波数応答の大きさおよび位相が算出される。その結果生じる複素数値化された伝達関数が、Heq(f)で示される。
【００５１】
ｂ．周波数領域等化の決定
必要な周波数領域等化を決定するために、伝送されたデータ・シーケンスから時間領域イコライザ出力までの伝達関数全体が、以下のように算出される。
【００５２】
【数１９】
時間領域等化中にすべてのＩＳＩが除去された状況では、すべての周波数でHtotal(f)が均一であることに留意されたい。時間領域／周波数領域変換器３０８への複素数出力は、Xr(f)で示される。次いで、周波数領域等化出力が以下の式によって与えられる。
【００５３】
【数２０】
上式で、Htotal(f)は、時間領域／周波数領域変換器３０８で採用された機構の周波数ビンに対応する周波数の離散セットで、数式（１９）のz＝ej2 π fを置換することによって得られる。XFDEQ(f)は、その後復号器２１４に渡される、回復されたＱＡＭ符号を表している。
【００５４】
５．実装メカニズム
通信システム内の歪みを除去するための方法は、どんなタイプの通信システムにも適用可能であり、詳細には、無線システム、ケーブル・モデム・システム、ＤＳＬアプリケーション、および特にＡＤＳＬアプリケーションを含む、ブロードバンドのディジタル通信システムに特に好適である。さらに、この方法は、受信機または通信システムの一部として、またはスタンドアロン型のイコライザ機構として実施することが可能である。本発明は、ハードウェア回路で、コンピュータ・ソフトウェアで、またはハードウェア回路とコンピュータ・ソフトウェアとの組合せで実施可能であり、特定のハードウェアまたはソフトウェアの実施に限定されるものではない。
【００５５】
図６に、本発明の一実施形態が少なくとも部分的にコンピュータ・ソフトウェアで実装され得るコンピュータ・システム６００を描写したブロック図を示す。コンピュータ・システム６００は、情報の通信を行うためのバス６０２またはその他のメカニズム、およびバス６０２に接続された、情報を処理するためのプロセッサ６０４を備える。またコンピュータ・システム６００には、バス６０２に接続された、情報およびプロセッサ６０４によって実行される命令を格納するためのランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）またはその他の動的ストレージ・デバイス等のメイン・メモリ６０６が備わる。メイン・メモリ６０６は、さらにプロセッサ６０４による命令の実行間において、一時変数またはその他の中間情報を格納するためにも使用される。さらにコンピュータ・システム６００は、プロセッサ６０４用の静的な情報ならびに命令を格納するための読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）６０８またはその他の静的ストレージ・デバイスを備え、それがバス６０２に接続されている。ストレージ・デバイス６１０は、磁気ディスクまたは光ディスク等であり、情報および命令を格納するために備えられ、バス６０２に接続されている。
【００５６】
コンピュータ・システム６００には、陰極線管（ＣＲＴ）等の、コンピュータ・ユーザに情報を表示するためのディスプレイ６１２がバス６０２を介して接続されることもある。入力デバイス６１４は、英数キーおよびその他のキーを備え、バス６０２に接続されてプロセッサ６０４に情報およびコマンドの選択を伝える。別のタイプのユーザ入力デバイスとして、マウス、トラックボール、またはカーソル移動キー等の、プロセッサ６０４に方向情報およびコマンドの選択を伝え、ディスプレイ６１２上におけるカーソルの移動をコントロールするためのカーソル・コントロール６１６が備わっている。この入力デバイスは、通常、第１の軸（たとえばｘ軸）および第２の軸（たとえばｙ軸）からなる２軸に自由度を有しており、それによってこのデバイスは平面内のポジションを指定することができる。
【００５７】
本発明は、ディジタル通信システムにおける歪みを除去するためのコンピュータ・システム６００の使用に関する。本発明の一実施形態によれば、ディジタル通信システムにおける歪みの除去は、メイン・メモリ６０６に収められた１ないしは複数の命令からなる１ないしは複数のシーケンスを実行するプロセッサ６０４に応じるシステム６００によって提供される。この種の命令は、ストレージ・デバイス６１０等の別のコンピュータ読み取り可能な媒体からメイン・メモリ６０６内に読み込んでもよい。メイン・メモリ６０６内に収められている命令のシーケンスを実行することにより、プロセッサ６０４は、ここに説明したプロセスのステップを実行する。また、多重プロセッシング配列の１又は複数のプロセッサを、メイン・メモリ６０６内に含まれる命令のシーケンスを実行するために採用してもよい。別の実施形態においては、ソフトウェア命令に代えて、あるいはそれと組み合わせてハード・ワイヤード回路を使用し、本発明を実装することもできる。このように本発明の実施態様は、ハードウェア回路およびソフトウェアの特定の組み合わせに限定されることがない。
【００５８】
ここで用いている「コンピュータ読み取り可能な媒体」という用語は、プロセッサ６０４が実行する命令の提供に与る任意の媒体を指す。その種の媒体は、限定する意図ではないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む各種の形式をとり得る。不揮発性媒体には、たとえば光または磁気ディスクが含まれ、ストレージ・デバイス６１０等がこれに該当する。揮発性媒体には、ダイナミック・メモリが含まれ、メイン・メモリ６０６等がこれに該当する。伝送媒体には、同軸ケーブル、銅線、および光ファイバが含まれ、バス６０２を構成するワイヤーもこれに含まれる。伝送媒体もまた、音波または電磁波、たとえば電波、赤外線、および光データ通信の間に生成される電磁波といった形式をとり得る。
【００５９】
コンピュータ読み取り可能な媒体の一般的な形態には、たとえば、フロッピー（Ｒ）ディスク、フレキシブル・ディスク、ハードディスク、磁気テープ、またはその他の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、その他の光媒体、パンチカード、さん孔テープ、その他孔のパターンを伴う物理的媒体、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、およびＥＰＲＯＭ、フラッシュＥＰＲＯＭ、その他のメモリ・チップまたはカートリッジ、次に述べる搬送波、またはその他コンピュータによる読み取りが可能な任意の媒体が含まれる。
【００６０】
各種形式のコンピュータ読み取り可能な媒体が関係して１ないしは複数の命令からなる１ないしは複数のシーケンスがプロセッサ６０４に渡され、実行される。たとえば、当初は命令が、リモート・コンピュータの磁気ディスクに収められて運ばれる。リモート・コンピュータは、命令をダイナミック・メモリにロードし、モデムの使用により電話回線を介してその命令を送信することができる。コンピュータ・システム６００に備わるモデムは、電話回線上のデータを受信し、赤外線送信機を使用してそのデータを赤外線信号に変換する。バス６０２に接続された赤外線検出器は、この赤外線信号によって運ばれるデータを受信し、適切な回路がバス６０２上にそのデータを乗せる。バス６０２は、このデータをメイン・メモリ６０６に運び、プロセッサ６０４は、そこから命令を取り出して実行する。選択肢の１つとして、プロセッサ６０４による実行の前、もしくはその後に、メイン・メモリ６０６によって受信された命令をストレージ・デバイス６１０に格納してもよい。
【００６１】
コンピュータ・システム６００は、通信インターフェース６１８も備えており、それがバス６０２に接続されている。通信インターフェース６１８は、ローカル・ネットワーク６２２に接続されるネットワーク・リンク６２０に接続されて双方向データ通信を提供する。たとえば、通信インターフェース６１８を、対応するタイプの電話回線に接続されてデータ通信を提供する、統合ディジタル通信サービス・ネットワーク（ＩＳＤＮ）カードまたはモデムとすることができる。別の例においては、通信インターフェース６１８をローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）カードとし、互換性のあるＬＡＮにデータ通信接続を提供することもできる。ワイヤレス・リンクを実装してもよい。この種のいずれの実装においても、通信インターフェース６１８は、各種タイプの情報を表すディジタル・データ・ストリームを運ぶ電気的、電磁気的、または光学的信号を送受する。
【００６２】
ネットワーク・リンク６２０は、通常、１ないしは複数のネットワークを介して別のデータ・デバイスにデータ通信を提供する。たとえばネットワーク・リンク６２０は、ローカル・ネットワーク６２２を介してホスト・コンピュータ６２４への接続を提供し、あるいはインターネット・サービス・プロバイダ（ＩＳＰ）６２６によって運用されるデータ装置への接続を提供することができる。一方、ＩＳＰ６２６は、現在「インターネット」６２８と呼ばれているワールド・ワイド・パケット・データ通信ネットワークを介してデータ通信サービスを提供する。ローカル・ネットワーク６２２およびインターネット６２８は、いずれもディジタル・データ・ストリームを運ぶ電気的、電磁気的、または光学的信号を使用する。これらの各種ネットワークおよびネットワーク・リンク６２０上の信号を通り、かつ通信インターフェース６１８を通り、コンピュータ・システム６００から、またそこへディジタル・データを運ぶ信号は、情報を伝送する搬送波の一例として挙げた形式である。
【００６３】
コンピュータ・システム６００は、ネットワーク（１ないしは複数）、ネットワーク・リンク６２０および通信インターフェース６１８を介し、プログラム・コードを含めて、メッセージを送信しデータを受信する。インターネットの例においては、サーバ６３０がインターネット６２８、ＩＳＰ６２６、ローカル・ネットワーク６２２および通信インターフェース６１８を経由して、要求のあったアプリケーション・プログラム用のコードを送信することが考えられる。本発明に従えば、このようにしてダウンロードしたアプリケーションの１つが、ここに説明されたディジタル通信システムにおける歪みの除去のために提供される。
【００６４】
受信されたコードは、プロセッサ６０４によって受信時に実行され、かつ／またはその後に実行するためにストレージ・デバイス６１０、あるいはその他の不揮発性ストレージに格納される。このようにしてコンピュータ・システム６００は、搬送波の形式でアプリケーション・コードを獲得することができる。
【００６５】
ディジタル通信システムの歪みを減少させるための本明細書に記載された新規な方法には、従来の方法に比べていくつかの利点がある。重要な利点は、時間領域内でほぼすべてのＩＳＩを解消することによって、データ率を、シャノンの定理で定義されるような通信チャネルの理論上の容量に近づけることができるということである。他の利点は、この方法が、伝送機構をいっさい変更せずに、受信符号化データで動作するように実施できることである。この方法は、誤りをいっさい伝播せずに、固有の安定性も提供する。最終的にこの方法は、ＤＳＬプロトコル、ならびに特にＡＤＳＬおよびＶＤＳＬプロトコルに適用可能である。したがってこの方法は、ＡＤＳＬ／ＶＤＳＬ、ＤＭＴ、およびＯＦＤＭ送信機を変更する必要なしに、ＡＤＳＬ／ＶＤＳＬ、ＤＭＴ、およびＯＦＤＭ送信機に適合する。
【００６６】
以上、本発明についてその特有の実施形態を参照しながら述べてきた。ただし、本発明は、その広範な精神および範囲を逸脱することなく、様々な修正および変更が実行可能である。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のディジタル通信システムを示す構成図である。
【図２】図１に示された送信機および受信機の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の一実施形態によって実施される通信システム受信機を示す構成図である。
【図４】本発明の一実施形態による通信システム内の歪みを除去するための方法を示す流れ図である。
【図５】本発明の一実施形態による、増長状態のカルマン・フィルタを使用して、データ入力シーケンスの単一入力サンプルの最適な推定値を決定するための方法を示す流れ図である。
【図６】本発明の実施形態が実施可能なコンピュータ・システムを示す構成図である。
Claims (4)
- ディジタル加入者回線上でデータを伝送することによって導入されたデータの歪みを除去するために、前記ディジタル加入者回線から受信されたデータを等化するための方法であって、
前記ディジタル加入者回線から前記データを受信するステップと、
カルマン・フィルタを使用して、前記ディジタル加入者回線上で前記データが伝送される前の、該データの最小平均二乗推定値を決定するステップであって、
該カルマン・フィルタの使用が、
前記カルマン・フィルタの初期状態および共分散推定値を決定し、
状態推定値および共分散予測値を決定し、
イノベーション型共分散を決定し、
前記カルマン・フィルタのカルマン・ゲインを決定し、
更新された状態推定値および共分散行列を決定し、
前記更新された状態推定値に基づいてデータ推定値を決定することによるものである前記ステップと、
前記ディジタル加入者回線上で前記データを伝送することによって導入されたデータ内の前記歪みを補償するよう、時間領域等化の一部として前記最小平均二乗推定値を使用するステップと、
前記データ内の歪みを補償するよう前記最小平均二乗推定値を使用するステップの後に、周波数領域データを生成するために時間領域から周波数領域へデータを変換するステップと、
全てのトーン内でそれぞれのＱＡＭコンステレーションに必要なゲインの拡大および位相の回転を確立するために、周波数領域内のトレーニング・データ・シーケンスを平均化し、その後、この変換を、該受信されおよび変換されたデータ伝送における各コンステレーションへ適用することにより、前記周波数領域内の前記周波数領域データから、残留振幅および位相歪みを除去するステップと、
の各コンピュータ実装ステップを含む方法。 - ディジタル加入者回線上でデータを伝送することによって導入されたデータの歪みを除去するために、前記ディジタル加入者回線から受信されたデータを等化するための方法であって、
前記ディジタル加入者回線から前記データを受信するステップと、
カルマン・フィルタを使用して、前記ディジタル加入者回線上で前記データが伝送される前の、該データの最小平均二乗推定値を決定するステップであって、
該カルマン・フィルタの使用が、
前記カルマン・フィルタの初期状態および共分散推定値を決定し、
状態推定値および共分散予測値を決定し、
イノベーション型共分散を決定し、
前記カルマン・フィルタのカルマン・ゲインを決定し、
更新された状態推定値および共分散行列を決定し、
前記更新された状態推定値に基づいてデータ推定値を決定することによるものである前記ステップと、
前記ディジタル加入者回線上で前記データを伝送することによって導入されたデータ内の前記歪みを補償するよう、時間領域等化の一部として前記最小平均二乗推定値を使用するステップと、
前記データ内の歪みを補償するよう前記最小平均二乗推定値を使用するステップの後に、周波数領域データを生成するために時間領域から周波数領域へデータを変換するステップと、
前記カルマン・フィルタの周波数応答を決定し、前記ディジタル加入者回線上で伝送される前のデータから、前記ディジタル加入者回線から受信したデータへの伝達関数を決定 することにより、前記周波数領域内の前記周波数領域データから、残留振幅および位相歪みを除去するステップと、
の各コンピュータ実装ステップを含む方法。 - ディジタル加入者回線上でデータを伝送することによって導入されたデータの歪みを除去するために、前記ディジタル加入者回線から受信されたデータを等化するための１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスを保持しているコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記１つまたは複数の命令が１つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、前記１つまたは複数のプロセッサに、
前記ディジタル加入者回線から前記データを受信するステップと、
カルマン・フィルタを使用して、前記ディジタル加入者回線上で前記データが伝送される前の、該データの最小平均二乗推定値を決定するステップであって、
該カルマン・フィルタの使用が、
前記カルマン・フィルタの初期状態および共分散推定値を決定し、
状態推定値および共分散予測値を決定し、
イノベーション型共分散を決定し、
前記カルマン・フィルタのカルマン・ゲインを決定し、
更新された状態推定値および共分散行列を決定し、
前記更新された状態推定値に基づいてデータ推定値を決定することによるものである前記ステップと、
前記ディジタル加入者回線上で前記データを伝送することによって導入されたデータ内の前記歪みを補償するよう、時間領域等化の一部として前記最小平均二乗推定値を使用するステップと、
前記データ内の歪みを補償するよう前記最小平均二乗推定値を使用するステップの後に、周波数領域データを生成するために時間領域から周波数領域へデータを変換するステップと、
全てのトーン内でそれぞれのＱＡＭコンステレーションに必要なゲインの拡大および位相の回転を確立するために、周波数領域内のトレーニング・データ・シーケンスを平均化し、その後、この変換を、該受信されおよび変換されたデータ伝送における各コンステレーションへ適用することにより、前記周波数領域内の前記周波数領域データから、残留振幅および位相歪みを除去するステップと、
の各ステップを実行させるようにするものであるコンピュータ読み取り可能な媒体。 - ディジタル加入者回線上でデータを伝送することによって導入されたデータの歪みを除去するために、前記ディジタル加入者回線から受信されたデータを等化するための１つまたは複数の命令の１つまたは複数のシーケンスを保持しているコンピュータ読み取り可能な媒体であって、前記１つまたは複数の命令が１つまたは複数のプロセッサによって実行されたとき、前記１つまたは複数のプロセッサに、
前記ディジタル加入者回線から前記データを受信するステップと、
カルマン・フィルタを使用して、前記ディジタル加入者回線上で前記データが伝送される前の、該データの最小平均二乗推定値を決定するステップであって、
該カルマン・フィルタの使用が、
前記カルマン・フィルタの初期状態および共分散推定値を決定し、
状態推定値および共分散予測値を決定し、
イノベーション型共分散を決定し、
前記カルマン・フィルタのカルマン・ゲインを決定し、
更新された状態推定値および共分散行列を決定し、
前記更新された状態推定値に基づいてデータ推定値を決定することによるものである前記ステップと、
前記ディジタル加入者回線上で前記データを伝送することによって導入されたデータ内の前記歪みを補償するよう、時間領域等化の一部として前記最小平均二乗推定値を使用するステップと、
前記データ内の歪みを補償するよう前記最小平均二乗推定値を使用するステップの後に、周波数領域データを生成するために時間領域から周波数領域へデータを変換するステップと、
前記カルマン・フィルタの周波数応答を決定し、前記ディジタル加入者回線上で伝送される前のデータから、前記ディジタル加入者回線から受信したデータへの伝達関数を決定することによって、前記周波数領域内の前記周波数領域データから、残留振幅および位相歪みを除去するステップと、
の各ステップを実行させるようにするものであるコンピュータ読み取り可能な媒体。
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