JP3988802B2 - 無線周波数ノイズ・キャンセラ - Google Patents
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Description
本発明は、データ伝送システムに関し、より詳しくは、受信機での無線周波数ノイズの軽減に関する。
背景技術
現在、高速データ通信用の双方向ディジタル・データ伝送システムが開発されている。ツイスト・ペア電話回線を介した高速データ通信用として開発された標準の1つは非対称ディジタル加入者線(ADSL)である。ツイスト・ペア電話回線を介した高速データ通信用として現在提案されている別の標準は、超高速ディジタル加入者線(VDSL)である。
ANSI(米国規格協会)標準グループにより認定されたグループである電気通信情報解決連合(ATIS)は、ADSLを介したディジタル・データの伝送用の離散多重トーンに基づく方式を最終的に確立した。この標準は、主として、通常の電話回線を介したビデオ・データの伝送と高速インターネット・アクセス用であるが、他の種々の応用にも用いられるものである。この北米標準をANSI T1.413ADSL標準(以後、ADSL標準)と呼ぶ。ADSL標準下での伝送速度は、ツイスト・ペア電話回線を介した最大毎秒800万ビットの速度での情報の伝送を可能にするものである。標準化されたシステムは、下り(ダウン・ストリーム)方向にそれぞれ4.3125kHz幅の256「トーン」すなわち「サブチャンネル」を用いる離散多重トーン(DMT)システムの使用を定義している。電話システムでは、ダウン・ストリーム方向は中央局(一般に、電話会社が所有する)からエンド・ユーザ(すなわち、住居またはビジネス・ユーザ)である遠隔地への伝送と定義される。他のシステムでは、用いられるトーン数の種類は非常に多い。しかし、逆高速フーリエ変換(IFFT)を用いて変調を効果的に行うときは、使用可能なサブチャンネル(トーン)の一般的な数は2の整数べきであり、例えば128,256,512,1024または2048サブチャンネルである。
また、ADSL標準は、16〜800Kビット/秒の範囲のデータ速度の上り信号の使用を定義している。上り信号は、例えば遠隔地から中央局へのアップ・ストリーム方向の伝送に対応する。したがって、ADSLという用語は、アップ・ストリーム方向よりダウン・ストリーム方向のデータ伝送速度の方がかなり大きいことからきている。これは、ビデオ・プログラミングまたはビデオ会議情報を電話回線を介して遠隔地に伝送するシステムに特に有用である。
ダウン・ストリーム信号もアップ・ストリーム信号も同じ対の線を通る(すなわち、二重化されている)ので、何らかの方法で互いに分離しなければならない。ADSL標準で用いられている二重化法は、周波数分割二重化(FDD)すなわちエコー消去である。周波数分割二重化システムでは、アップ・ストリーム信号とダウン・ストリーム信号とは異なる周波数帯域を占め、送信機と受信機とでフィルタにより分離される。エコー消去システムでは、アップ・ストリーム信号とダウン・ストリーム信号とは同じ周波数帯域を占め、信号処理により分離される。
ANSIは、加入者線に基づく伝送システム用に別の標準を作っている。これをVDSL標準と呼ぶ。VDSL標準は、ダウン・ストリーム方向で少なくとも25.96Mビット/秒好ましくは少なくとも51.92Mビット/秒の伝送速度を可能にするものである。この速度を得るには、ツイスト・ペア電話回線を介した伝送距離は、一般に、ADSL用に許容される距離より短くなければならない。同様に、ディジタル・オーディオ・ビデオ委員会(DAVIC)は、ファイバー・ツー・ザ・カーブ(FTTC)と呼ぶ同様なシステムについて作業中である。「カーブ」から顧客の構内までの伝送媒体は、標準の非シールド・ツイスト・ペア(UPT)電話回線である。
VDSLおよびFTTC標準(以後、VDSL/FTTCと呼ぶ)用の多数の変調方式が提案されている。提案されたVDSL/FTTC変調方式の多くは、アップ・ストリーム信号およびダウン・ストリーム信号の周波数分割二重化を用いている。提案されている別の有望なVDSL/FTTC変調方式は、互いに重ならない周期的な同期されたアップ・ストリームおよびダウン・ストリーム通信期間を用いる。すなわち、バインダを共用する全ての線のアップ・ストリームおよびダウン・ストリーム通信期間は同期される。この方式では、同じバインダ内の全ての超高速伝送は同期され時分割二重化されて、アップ・ストリーム通信の伝送と重なるときはダウン・ストリーム通信は伝送されない。これを「ピンポン」に基づくデータ伝送方式と呼ぶ。どちらの方向にもデータが伝送されない沈黙期間により、アップ・ストリームおよびダウン・ストリーム通信期間を分離する。例えば、20記号スーパー・フレームでは、スーパー・フレーム内の2つのDMT記号は、電話回線で伝送方向を逆転させるために無音(すなわち、沈黙期間)である。この場合は、伝送方向の逆転は毎秒約4000回の割合で起こる。例えば、約10〜25μ秒の沈黙期間が提案されている。同期方式は、各種の変調方式、例えば離散多重トーン変調(DMT)などの多重搬送波送信方式や、直交振幅変調(QAM)や搬送波なし振幅および位相変調(CAP)や4相位相偏移変調(QPSK)や残留側波帯変調などの単一搬送波伝送方式に用いることができる。同期された時分割二重化方式をDMTと共に用いるときは、同期DMT(SDMT)と呼ぶ。
上に述べた伝送システムに共通する特徴は、中央局(例えば、電話会社)とユーザ(例えば、住居)を接続する伝送媒体の少なくとも一部にツイスト・ペア電話回線を用いることである。相互接続する伝送媒体の全ての部分からツイスト・ペア線を除くことは難しい。中央局からユーザの住居の近くのカーブまで光ファイバを使うことができる場合でも、カーブからユーザの家庭またはビジネス・ユーザまでは信号を運ぶのにツイスト・ペア電話回線が用いられる。
ツイスト・ペア電話回線の撚りによって外部の混信はいくらか防げるが、混信はまだ存在する。伝送の周波数が高くなるに従って、撚りでは軽減されない混信が大きくなる。そのため、ツイスト・ペア電話回線を介して高速伝送されるデータ信号の品質は、混信により大幅に低下する。データ伝送の速度が大きくなるに従って、問題は一層深刻になる。例えば、VDSL信号をツイスト・ペア電話回線を介して伝送する場合は、混信によりVDSL信号の品質は大幅に低下する。測定した結果、無線周波数妨害振幅は300mVにもなるので、実際上、入来するVDSL信号は混信により完全に判別できなくなる。このように問題になる混信を無線周波数ノイズと呼ぶ。
望ましくない混信は種々の信号源から来る。混信の信号源の1つはアマチュア(すなわち、ハム)無線通信者である。アマチュア無線は広範囲の周波数にわたってかなりのパワー・スペクトルで放送する。また、アマチュア無線通信者は頻繁に(例えば、2分毎に)放送周波数を変えることが多い。高速データ伝送では、アマチュア無線または他の信号源が作る混信(ノイズ)により、ツイスト・ペア電話回線で伝送される所望のデータ信号の品質が非常に低下する。
したがって、ADSLやVDSLなどの高周波データ伝送速度でツイスト・ペア電話回線を用いる場合の問題は、混信が大きな障害になって、伝送されるデータ信号を受信機が正しく受信することができないことである。したがって、無線周波数妨害を除去しまたは補償する方法を提供する必要がある。
発明の開示
一般的に言って、本発明は、データが実際に伝送されていないときに得られる情報を用いてデータ伝送中に無線周波数ノイズを適応的に推定することにより、受信信号から無線周波数ノイズを除去する方法である。一般に、伝送されたデータは、受信機または受信システムによりこの新規な方法を用いて受信される。この新規な方法は、VDSLやADSLなどの高速データ伝送において、伝送されたデータを正しく受信するのにアマチュア無線またはその他の信号源(例えば、ブリッジ・タップや漏話)によって生成される無線周波数ノイズ(妨害)が非常に障害になる場合に、特に有用である。
本発明は、装置やシステムや方法など多くの方法で実現することができる。本発明のいくつかの実施形態を以下に説明する。
第1の信号から無線周波数ノイズを除去して第2の信号を生成する無線周波数ノイズ・キャンセラとして、本発明の一実施形態は、フィルタ・パラメータに基づいて基準ノイズ信号を濾波することによりノイズ・キャンセル信号を作る適応フィルタと、第1の信号からノイズ・キャンセル信号を引いて第2の信号を作る減算器と、そのときに存在する第2の信号に基づいて前記適応フィルタのパラメータを所定の時に修正する更新回路とを含む。
データ通信システムの受信機として、本発明の一実施形態は、伝送媒体に結合された少なくとも1個の入力端子と差分信号を出力する出力端子と基準ノイズ信号を出力する基準端子とを有する変圧器と、前記変圧器に結合された、差分信号から無線周波数ノイズを打ち消してノイズ・キャンセル差分信号を作る無線周波数ノイズ・キャンセラと、ノイズ・キャンセル差分信号を復号してデータを得る処理回路とを含む。無線周波数ノイズ・キャンセラは、フィルタ・パラメータに基づいて基準ノイズ信号を濾波することによりノイズ・キャンセル信号を作る少なくとも1個の適応フィルタと、差分信号からノイズ・キャンセル信号を引いてノイズ・キャンセル差分信号を作る減算器と、そのときに存在するノイズ・キャンセル差分信号に基づいて前記適応フィルタのパラメータを所定の時に修正する更新回路とを含む。
時分割多重化データ伝送を用いる同期DMTシステムでは、全てのチャンネルのデータ伝送の方向が周期的に切り替わり、各方向変更の間にデータがどちらの方向にも伝送されない沈黙期間がある。この同期DMTシステムにおいて、本発明の受信装置は、伝送媒体に結合された少なくとも1個の入力端子と差分信号を出力する出力端子とコモン・モード信号を出力するコモン・モード端子とを有する変圧器と、差分信号から無線周波数ノイズを打ち消してノイズ・キャンセル差分信号を作る無線周波数ノイズ・キャンセラと、ノイズ・キャンセル差分信号を復号してデータを得る処理回路とを含む。無線周波数ノイズ・キャンセラは、フィルタ・パラメータに従ってコモン・モード信号を濾波することによりノイズ・キャンセル信号を作る少なくとも1個の適応フィルタと、差分信号からノイズ・キャンセル信号を引いてノイズ・キャンセル差分信号を作る減算器と、沈黙期間中の一部または全てにそのときに存在するノイズ・キャンセル差分信号に基づいて前記適応フィルタのパラメータを修正する更新回路とを備える。好ましくは、伝送媒体はツイスト・ペア電話回線である。
伝送媒体に結合することによって伝送媒体を介して伝送されるデータの受信を妨害する無線周波数源からの無線周波数妨害を除去する方法として、本発明の一実施形態は、差分データ信号と基準ノイズ信号とを受信し、推定ノイズ信号を作り、差分データ信号から推定ノイズ信号を引いて無線周波数妨害を実質的に除去したノイズ・キャンセル差分信号を作り、データ伝送の沈黙期間中に推定ノイズ信号の推定値を更新する。
本発明の1つの利点は、妨害する無線周波数ノイズの推定が非常に正確であるだけでなく適応的であることである。それは、データ伝送中であるがデータが実際に伝送されていない所定の短い時間に推定値を更新するからである。本発明の別の利点は、無線周波数ノイズが受信機のフロント・エンドで除去されることである。すなわち、無線周波数ノイズは受信機内のアナログ/ディジタル変換器を飽和させる前に除去される。
本発明の他の態様や利点は、本発明の原理の例として示す添付の図面に関連して以下の詳細な説明を読めば明らかになる。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面に関して以下の詳細な説明を読めば容易に理解できる。図中、同じ参照番号は同じ構成要素を示す。
図1は、本発明の一実施形態の受信機システムのブロック図である。
図2は、本発明の第1の実施形態の無線周波数(RF)キャンセラのブロック図である。
図3は、図2に示すRFキャンセラの更新回路および適応フィルタの詳細な実施形態のブロック図である。
図4は、図2に示すRFキャンセラの更新回路および適応フィルタの一部の別の詳細な実施形態のブロック図である。
図5は、本発明の第2の実施形態のRFキャンセラのブロック図である。
図6は、第3の実施形態のRFキャンセラのブロック図である。
発明を実施する最良のモード
本発明の実施形態を図1〜図6を参照して以下に説明する。しかし、当業者が容易に理解するように、これらの図に関して行う詳細な説明は例示の目的であって、本発明はこれらの限定された実施形態を超えるものである。
本発明は、データが実際に伝送されていない短い時間に得られる情報を用いてデータ伝送中に無線周波数ノイズを適応的に推定することにより、受信信号から無線周波数ノイズを除去する方法に関する。好ましくは、データ伝送はこの新規な手法を用いる受信機または受信システムで受信される。本発明は、VDSLやADSLなどの高速データ伝送において、伝送データを正しく受信するのに無線周波数ノイズが非常に障害になる場合に特に有用である。本発明について、いくつかの実施形態を参照して以下に詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態の受信機システム100のブロック図である。受信機システム100は、ツイスト・ペア線104に結合された変圧器102を含む。一般に、ツイスト・ペア線104はツイスト・ペア電話回線である。変圧器102は、入来するデータ信号をツイスト・ペア線104を介して受信する。例えば、入来するデータ信号は任意の書式またはプロトコルでよいが、受信機システム100はADSLやVDSLで与えられる高速システムに特に適している。
また、ノイズ源106がツイスト・ペア線104の近くで動作していると仮定する。ノイズ源106は無線信号を作る。したがって、ノイズ源106は、受信機システム100が受信中のデータ信号を妨害する無線信号を作るものを全て含む。ADSLやVDSLなどの高速データ伝送の場合、アマチュア無線ユーザは使用する周波数範囲が重なるので、ノイズ源106の候補である。ノイズ源106が作る無線信号は有用な信号かも知れないが、受信機システム100にとっては、この信号は無線周波数ノイズである。ノイズ源106が作る無線周波数ノイズは望ましくないものであるが、ツイスト・ペア線104に結合して入るので、受信機システム100はこれを受信する。無線周波数ノイズは無線周波数妨害とも呼ばれる。
変圧器102は、これに結合されたツイスト・ペア線104を有する入力側と、差分出力信号(νd)108を出力する出力側とを含む。変圧器102は、コモン・モード信号(νc)110も出力する。コモン・モード信号(νc)110は、好ましくは、変圧器102の入力側の中央タップから接地(シャーシ接地)を基準として得る。または、コモン・モード信号(νc)110は、線104の1つまたは線104全体から接地に対して得てよい。より一般的には、コモン・モード信号(νc)110は基準ノイズ信号である。
受信機システム100はまた、差分信号(νd)108とコモン・モード信号(νc)110とを受ける無線周波数(RF)キャンセラ112を含む。これらの入力を受け、RFキャンセラ112は、差分信号(νd)108から望ましくないノイズ成分を打ち消して、その結果をノイズ・キャンセル差分信号(νf)114として出力する。その後、濾波差分信号(νf)114はアナログ/ディジタル変換器(ADC)116に送られる。ADC116は、入力するノイズ・キャンセル差分信号(νf)114をディジタル・ノイズ・キャンセル差分信号(νfD)118に変換する。
次に、ディジタル・ノイズ・キャンセル差分信号(νfD)118は、受信機システム100内にあってその一部であるディジタル信号プロセッサ(DSP)120に送られる。DSP120は、従来の方法で動作し、ディジタル差分濾波信号(νfD)118を復号して、送信機システム(図示せず)から本来送信されたデータ122を回復する。従来の復号に加えて、DSP120は、RFキャンセラ112にフィードバックする更新制御信号124を作る。更新制御信号124は、RFキャンセラ112を使用可能および使用不能にして、ツイスト・ペア線104を介したデータの受信中にそのノイズ・キャンセル特性の更新を制御する。好ましくは、RFキャンセラ112によるノイズ・キャンセル特性は、無線周波数ノイズの打消しを行う内部フィルタ・パラメータにより決定される。後で詳細に説明するように、好ましくは、更新制御信号124は、入来するデータ信号の受信の中断(「沈黙期間」)の間に周期的に活動状態になり、これにより、RFキャンセラ112は内部濾波パラメータを更新して無線周波数ノイズの打消し効果を上げる。この中断の間に内部濾波パラメータを更新することにより、RFキャンセラ112は無線周波数ノイズの変化に迅速に適応することができる。
図2は、本発明の第1の実施形態のRFキャンセラ200のブロック図である。RFキャンセラ200は、図1のRFキャンセラ112として用いるのに適したいくつかの実際のRFキャンセラのうちの1つである。
RFキャンセラ200は減算器202を含む。減算器202は、差分信号(νd)108を受け、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)を出力する。好ましくは、減算器202はアナログ減算器である。RFキャンセラ200はまた、更新回路204を含む。更新回路204は、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114と更新制御信号124とを受ける。更新回路204は、更新制御信号124のレベルに基づいて動作し、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114をフィードバック信号(νfb)206として適応フィルタ208にフィードバックさせ、または、させない。適応フィルタ208は、コモン・モード信号(νc)110(より一般的に、基準ノイズ信号)とフィードバック信号(νfb)206とを受け、推定ノイズ信号(νn)210を作る。推定ノイズ信号(νn)210は減算器202に送られる。減算器202は、差分信号(νd)108から推定ノイズ信号(νn)210を引いて、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114を作る。
効果的に動作するには、図2に示すRFキャンセラ200は、RF源106によって発生された無線周波数ノイズ(妨害)を正確に推定する必要がある。従来は、データの受信中に無線周波数ノイズを正確に推定することができなかったので、データの受信中に無線周波数ノイズを推定することは不可能であった。無線周波数ノイズをデータ伝送が始まる直前に推定することはできるが、これでは正しく動作しない。その理由は、一般的なRF源106は周波数がかなり頻繁に(約2分毎に)変わるという性質を持つので、ノイズの推定を誤る可能性があるからである。また、無線周波数ノイズに相関しかつ受信中のデータ信号に相関しないフィルタ用の基準信号を生成することが従来の問題である。
無線周波数ノイズを正確に推定できるのは、差分信号(νd)がゼロのときだけである。ノイズ・キャンセラ200は、データ受信の中断の間に無線周波数ノイズを周期的に推定することにより、無線周波数ノイズを正確に推定することができる。この中断の間は、データを受信しない、すなわち、差分信号(νd)はゼロである。したがって、データ伝送中に(すなわち、データ伝送の中断の間に)無線周波数ノイズの推定を更新することができるので、RF源106が作る無線周波数ノイズのどんな変化も推定ノイズ信号(νn)210により密接に追跡することができる。また、中断の間は、データ信号は短い時間受信されない。したがって、基準ノイズ信号(νc)は、実際上、データ信号と(同様に、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114と)相関しない。VDSLの場合は、更新制御信号124により適応フィルタ208は、VDSL伝送の「沈黙期間」中に、そのとき存在する無線周波数ノイズに適応することができる。なお、「沈黙期間」は、約10〜25μsの短時間であって、同期DMT(SDMT)中に毎秒約4,000回起こる。この場合でも、毎秒2,000回の割合で更新するだけで恐らく十分と考えられる。
適応フィルタ208の内部パラメータの更新を中断の間に行うことができることは数学的に示すことができる。数学的証明では、適応フィルタ208は一定複素利得ωである。差分信号(νd)は、
νd=s+kc・n
であり、基準ノイズ信号(νc)は、
νc=kd・s+n
である。ただし、sはデータ信号、kcおよびkdは結合係数、nは無線周波数ノイズである。誤り信号eは、
e=νd−ω・νc=(1−ω・kd)・s+(kc−ω)・n (1)
である。式(1)から、ωの良い設定値は、ω=kcである。誤り信号eは、差分信号(νd)がゼロのときのノイズ・キャンセラ200の出力(すなわち、ノイズ・キャンセル差分信号(νf))である。ωの最小平均二乗誤差(MMSE)設定を用いると、誤り信号eの平均二乗値は最小になる。全ての信号の平均値はゼロ(DC成分がない)でなければならない。また、sの分散(パワーまたはパワー・スペクトル密度)はEsであり、ノイズnの分散はσ2である。ωのMMSE設定を決定するのに用いる基本計算式は、
であり、これは、一般に、kcに等しくない。したがって、対応するMMSEは、
である。これらの設定は、平均二乗誤差を最小にすることにより、また、多くの既知の適応アルゴリズムにより得られるが、リンク上の伝送では、好ましくは、ω=kcであり、したがって、MMSE=Es(1−kckd)である。この設定になるのは、Es=0のときか無線周波数ノイズが非常に大きいときであるが、Es=0はデータ信号がないことに対応するので、望ましい状態ではないし、非常に大きいノイズは全ての線で保証されるわけではなく、また、それ自身、伝送(R−Fキャンセラでない)の観点から望ましくない。
また、平均最小二乗(LMS)アルゴリズムを用いて例えばVDSLの沈黙期間中に更新する場合、ノイズ・キャンセラ200は、平均値ω=kcに収束することを示すことができる。すなわち、LMSアルゴリズムを用いてVDSLスーパー・フレーム毎に1度(したがって、スーパー・フレーム内の沈黙期間の1つだけを用いて)無線周波数キャンセラを更新すると仮定する。この更新時刻を時間的にkで指標化する。LMSアルゴリズムは(J. R. Treichler, C. R. Johnson, M. G. Larimoreの「適応フィルタの理論と設計」、John Wiley & Sons, New York, 1987(以後、Treichler他、と書く)に記述されている。)、
ek=νk−ωk・νc,k
ωk+1=ωk+μ・ek・νc,k
であり、沈黙期間中だけ更新する場合は、平均値ω=kcに収束する。
図3は、図2に示すRFキャンセラ200の更新回路204と適応フィルタ208の詳細な実施形態のブロック図である。図から分かるように、減算器(例えば、図2に示す減算器202)を除くと、図3に示す回路はRFキャンセラの詳細な実施形態である。したがって、図3に示す回路をRFキャンセラ300として説明する。入力として、RFキャンセラ300は、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114と、コモン・モード信号(νc)110(より一般的に、基準ノイズ信号)と、更新制御信号124とを受ける。
ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114は、アナログ/ディジタル変換器(ADC)302に送られてディジタル・ノイズ・キャンセル差分信号に変換される。この信号は、更新制御信号124のレベルに基づいてスイッチ304を通過しまたは通過しない。スイッチ304の出力はディジタル・フィードバック信号306であって、これは適応フィルタを実現するRFキャンセラ300の残りの回路にフィードバックされる。
コモン・モード信号(νc)110は移相器308に送られ、移相器308はコモン・モード信号(νc)110の同相(IF)成分(νc-I)312と直交(Q)成分(νc-Q)316とを作る。一例として、移相器308は、コイルまたはヒルベルト変換回路でよく、90度の移相を誘導して直交部(νc-Q)316を作る。
また、RFキャンセラ300は第1の乗算器318を含み、第1の乗算器318はディジタル・フィードバック信号306と同相コモン・モード信号(νc-Q)312を乗算して同相信号320を作る。次に、同相信号320は積分器322に送られ、積分器322は同相信号320を積分して同相利得調整信号324を出力する。次に、第2の乗算器326により、同相利得調整信号324と同相コモン・モード信号(νc-I)312とを乗算する。第2の乗算器326の出力は同相ノイズ信号328である。
RFキャンセラ300はまた、第3の乗算器330を含む。第3の乗算器330はディジタル・フィードバック信号306と直角コモン・モード信号(νc-Q)316とを乗算して直交信号322を作る。直交信号332は積分器334に送られ、積分器334は直交信号332を積分して直交利得調整信号336を出力する。次に、第4の乗算器338により直交利得調整信号336と直交コモン・モード信号(νc-Q)316とを乗算する。第4の乗算器338の出力は直交ノイズ信号340である。
さらに、RFキャンセラ300は加算器342を含む。加算器342は同相ノイズ信号328と直交ノイズ信号340とを加算して推定ノイズ信号(νn)210を作る。また、上に述べたように、RFキャンセラ300は、加算器342の出力である推定ノイズ信号(νn)210を差分信号(νd)108から引いてノイズ・キャンセル差分信号(νf)114を作る。得られたノイズ・キャンセル差分信号(νf)114には、無線周波数ノイズが実質的にない。
RFキャンセラ300は2個の乗算器326,338を含むが、一般に、タップ付き遅延線を用いる場合はより多くの乗算器が必要である。より詳しくは、タップ付き遅延線を用いる場合は、移相器308の代わりにタップ付き遅延線を用い、タップ付き遅延線毎に回路(前に同相および直交成分毎に設けられた)が設けられる。
図3に示すRFキャンセラ300(より一般的に、本発明のRFキャンセラ)は、アナログ式でも、ディジタル式でも、またはその組合わせでもよい。乗算器326,338は、適応フィルタの設定ωにより決定されるディジタル・プログラムされた利得を有するMDAC(乗算ディジタル/アナログ変換器)で実現してよい。MDACでは、1つの入力はディジタルであり、他の入力はアナログであって、2つの入力を乗算した結果はやはりディジタルである。また、加算器342としてディジタル加算器を用いると共に、RFキャンセラ300は加算器342の前に低域フィルタを含んでよく、また、入力ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114にエイリアス除去フィルタを設けてよい。
図4は、図2に示すRFキャンセラ200の更新回路204と適応フィルタ208の一部との別の詳細な実施形態のブロック図である。図から分かるように、図4に示す回路は、図3に示すRFキャンセラ300のADC302,スイッチ304,乗算器318および積分器322を置換することができる。したがって、図4に示す回路をRFキャンセラ400として説明する。キャンセラ400に必要であるが図示していない回路は、このまたは他の実施形態に説明されたものと同じである。
RFキャンセラ400は、乗算器326の前のRFキャンセラ300の片側(同相側)を実現したものである。図4に示すRFキャンセラ400は、ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114と、コモン・モード信号(νc)110(より一般的に、基準ノイズ信号)と、更新制御信号124と、クロック信号(CLK)402とを受ける。RFキャンセラ400は、更新制御信号124により制御されるスイッチ404を含む。スイッチ404の出力はゼロかまたはノイズ・キャンセル差分信号(νf)114である。スイッチ404の出力はアナログ・フィードバック信号406である。次に、アナログ乗算器408によりアナログ・フィードバック信号406とコモン・モード信号(νc)110とを乗算して、アナログ同相信号410を作る。コンデンサ411はアナログ・フィードバック信号406からDC信号を濾波すなわち阻止する。アナログ乗算器408から出力されるアナログ同相信号410は、デルタ・シグマ型のアナログ/ディジタル変換器412に送られる。デルタ・シグマ型のアナログ/ディジタル変換器412はアナログ同相信号410をディジタル1ビット信号413に変換する。
デルタ・シグマ型のアナログ/ディジタル変換器412は加算器/減算器414を含む。加算器/減算器414は、アナログ乗算器408から送られるアナログ同相信号410からフィードバック信号416を引き、調整アナログ同相信号418を作る。調整アナログ同相信号418はアナログ積分器420により積分されて、積分アナログ信号422を作る。積分アナログ信号422は1ビットのアナログ/ディジタル変換器(ADC)424に送られ、ディジタル信号426として出力される。次に、ディジタル信号426はフリップフロップ回路428のデータ入力端子(D)に入る。フリップフロップ回路428は、クロック信号(CLK)402をクロック端子(CLK)に受けて、クロック信号(CLK)402に従ってディジタル信号426を同期させる。フリップフロップ428の出力端子(Q)はディジタル1ビット信号413を出力する。ディジタル1ビット信号413は同相信号320に対応するので積分してよい。しかし、ディジタル1ビット信号413のDCオフセットを全て除去するため、RFキャンセラ400にDCオフセット・キャンセラ432を設けるのが好ましい。
DCオフセット・キャンセラ432は、加算器/減算器434を含み、ディジタル1ビット信号413からDCオフセット信号436を引いて調整ディジタル信号438を作る。調整ディジタル信号438は、この場合は、2ビット幅である。次に、調整ディジタル信号438は更新制御信号124により制御されるスイッチ440に送られる。スイッチ404がノイズ・キャンセル差分信号(νf)114を通すときは、スイッチ440は調整ディジタル信号438をディジタル積分器442に通す。この実施形態では、ディジタル積分器442は、カウンタ(例えば、12ビット・カウンタ)として動作し、調整ディジタル信号438を所定の時間カウントして適応フィルタ208用のパラメータ情報を作る。言い換えると、ディジタル積分器442から出力されるパラメータ情報は、例えば同相利得調整信号324に対応し、図3の乗算器326に送られる。
他方、スイッチ404がノイズ・キャンセル差分信号(νf)114を通さないときは、スイッチ440は調整ディジタル信号438をディジタル積分器444に通す。この場合は、スイッチ440は回復すべきデータ信号を受ける。ディジタル積分器444は、カウンタ(例えば、12ビット・カウンタ)として動作し、調整ディジタル信号438を所定の時間カウントしてDCオフセット・キャンセラ432用のDCオフセット情報を作る。ディジタル積分器444のDCオフセット情報はディジタル・レート乗算器446に送られ、クロック信号402に従ってDCオフセット信号436のレートを決定する。このようにして、データの受信中はDCオフセット・キャンセラ432は活動状態であって全てのDCオフセットを打ち消し、更新期間中(データを受信しない)はDCオフセット・キャンセラ432は活動状態でない。
ADC412(および恐らくADC310,314)から出力されるディジタル1ビット信号413は、好ましくは、いわゆる符号付きLMSアルゴリズムを用いて適応的に更新を行うのに十分である。符号付きLMSアルゴリズムはJ. R. Treichler他に述べられている次の式で、
ek=νk−ωk・νc,k
ωk+1=ωk+μ・ek・sgn{νc,k}
LMSと同じ設定に収束する。ただし、収束は遅い。符号付きLMSアルゴリズムは、実際は、2度行う。1度は同相で、1度は直交相で行い、どちらの場合も同じ誤り信号eを用いてよい。この1ビット符号付きLMSの収束が遅いことは、特にVDSLに基づくSDMTで毎秒4000回もの更新を行う場合は、精度が低いこととのトレードオフとして許容できる。主な余分のコストは乗算DACである。これは12ビットDACとプログラマブル利得増幅器のカスケードとして実現してよい(SDMT受信機の後の段の10ビットADCに相当する)。
RFキャンセラは、一般に、高固有値拡散と呼ばれる問題を抱えている(J. R. Treichler他を参照のこと)。高固有値拡散は収束を遅らせ、内部信号処理のダイナミック・レンジの必要を悪化させる。この問題をなくすには、十分な精度、漏れを用いるか(J. M. Cioffiの「適応濾波における制限された精度効果,Special Issue of IEEE Transactions on Circuits and Systems on Adaptive Filtering, July 1987を参照のこと)、または、小さな白色雑音を信号νcに故意に加える。しかし、上に述べたDCオフセット・キャンセラ432などのDCオフセット・キャンセラを用いると、漏れが過剰になる可能性がある。
図5は、本発明の第2の実施形態のRFキャンセラ500のブロック図である。図5に示すRFキャンセラ500の動作は、前の実施形態で説明したRFキャンセラと同じであるが、異なる点は、図5に示す実施形態ではRFキャンセラ500は主としてディジタル領域で動作して無線周波数ノイズを推定し(すなわち、推定ノイズ信号(νn)210)、次に、差分信号(νd)108から推定無線周波数ノイズを除去してノイズ・キャンセル差分信号(νf)114を作ることである。しかし、高速度データ通信においてRFキャンセラを用いる場合に推定無線周波数ノイズを応答的に作るには、かなりの量の信号処理計算能力が必要である。
RFキャンセラ500は減算器502を含む。減算器502は、差分信号(νd)108を受け、これから推定ノイズ信号(νn)210を引いてノイズ・キャンセル差分信号(νf)を作る。ノイズ・キャンセル差分信号(νf)114はアナログ/ディジタル変換器(ADC)504に送られてディジタル・ノイズ・キャンセル差分信号(νfD)118が作られる。次に、ディジタル・ノイズ・キャンセル差分信号(νfD)118はフィードバック信号としてディジタル信号プロセッサ(DSP)506に送られる。また、RFキャンセラ500はコモン・モード信号(νc)110(より一般的に、基準ノイズ信号)を受ける。コモン・モード信号(νc)110はアナログ/ディジタル変換器(ADC)510によりディジタル・コモン・モード信号(νcD)508に変換される。次に、ディジタル・コモン・モード信号(νcD)はDSP506に送られる。DSP506は、前の実施形態で上に述べた操作(例えば、乗算、加算、減算、積分)を行ってディジタル・ノイズ信号512を作る。次に、アナログ/ディジタル変換器(ADC)514はディジタル・ノイズ信号512を推定ノイズ信号(νn)210に変換する。
図6は、本発明の第3の実施形態のRFキャンセラ600のブロック図である。RFキャンセラ600は図5に示すRFキャンセラ500と同じ設計であるが、異なる点は、減算器502がここではディジタル減算器602であり、アナログ/ディジタル変換器(ADC)は差分信号(νd)108を受けてディジタル減算器602の前にディジタル信号に変換し、アナログ/ディジタル変換器(ADC)504,514は必要ないことである。したがって、本発明のこの実施形態は完全にディジタルの実施形態である。注目すべきことは、第3の実施形態のアナログ/ディジタル変換器(ADC)604はより大きな信号範囲(すなわち、より多くのビット)を支援する必要があることである。その理由は、無線周波数ノイズは(差分信号(νd)108と共に)アナログ/ディジタル変換器(ADC)604によりディジタル形式に変換されるからである。
上に述べたDCオフセット・キャンセラも、本発明の任意の異なる実施形態で用いることができる。例えば、図5と図6とに関して、DSP506はDCオフセット・キャンセラの上述の動作も行う。
概念的には、無線周波数打消しによりアマチュア無線信号などの任意の数の無線周波数ノイズを、それらが異なる周波数である限り、理論的に除去することができる。一般に、RFキャンセラは一種の漏話キャンセラであって、漏話ノイズ・レベルを減少させることもできる。ただし、任意の所定の周波数で大幅に打ち消されるのは主な漏話信号だけである。
実現されるものは、1つの無線信号のレベルを減少させるだけの非常に簡単なキャンセラから、多数の無線ノイズ妨害を除去する高級なキャンセラまでいろいろある。
複雑でないRFキャンセラにはRF妨害の周波数に重点を置くものがある。結合係数kcが周波数の関数すなわちkc=kc(f)の場合は、ω=kc(frf)である。ただし、frfは無線周波数ノイズのほぼ中心周波数である。無線周波数ノイズがない他の周波数では、キャンセラを用いることにより信号の品質がいくらか低下したり他のノイズが増加したりすることがある。無限長さの適応ディジタル・フィルタであれば、ωは固定の複素定数ではなく全フィルタ応答なので、この問題はない。しかし、完全なフィルタを避けて複雑でなくしたものは、興味が持てるし望ましい。
さらに、上に述べた実施形態はツイスト・ペア電話回線によるデータ伝送に適しているが、本発明はツイスト・ペア電話回線で用いることに限られるものではない。例えば、本発明は同軸ケーブルでデータを伝送する場合にも用いられる。この場合は、中心導体はデータ信号を運び、シールド(接地に対する)はノイズ基準信号として動作する。
本発明の1つの利点は、妨害する無線周波数ノイズの推定が非常に正確であるだけでなく適応的であることである。それは、データ伝送中であるがデータが実際に伝送されていない所定の短い時間に推定値を更新するからである。本発明の別の利点は、無線周波数ノイズが受信機のフロント・エンドで除去されることである。すなわち、無線周波数ノイズは受信機内のアナログ/ディジタル変換器を飽和させる前に除去される。本発明は、高速データ伝送において、アマチュア無線またはその他の信号源(例えば、ブリッジ・タップや漏話)によって作られる無線妨害(ノイズ)が伝送中の所望のデータ信号の品質を大幅に低下させる可能性のある場合に特に有用である。
共に譲渡された、John A. C. BinghamとPo Tongの米国特許出願番号第08/501,250号、1995年7月11日出願を引例としてここに挙げる。また、Cioffi他の「SDMTでのアナログRF打消し」、米国規格協会(ANSI)T1E1.4/96−084提案、1996年4月22日を引例としてここに挙げる。
本発明の多くの特徴と利点はこの説明から明らかであって、請求の範囲は本発明の全ての特徴と利点をカバーするものである。更に当業者は種々の修正や変更を容易に考えられるので、ここに図示して説明した構成と動作に本発明を制限するのは望ましくない。したがって、全ての適当な修正と同等なものは本発明の範囲内に入るものとする。
Claims (34)
- 第1の信号から無線周波数ノイズを除去して第2の信号を作る高速データ伝送システムの無線周波数ノイズ・キャンセラであって、
フィルタ・パラメータに基づいて無線周波数ノイズ信号を濾波することによりノイズ・キャンセル信号を作る適応フィルタと、
前記第1の信号から前記ノイズ・キャンセル信号を引いて前記第2の信号を作る減算器と、
そのときに存在する前記第2の信号に基づいて前記適応フィルタのパラメータをデータ伝送内の沈黙期間中に修正する更新回路と、
を備える、無線周波数ノイズ・キャンセラ。 - 前記無線周波数ノイズ・キャンセラはデータ通信システム内で用いられ、前記所定の時は約500回/秒より大きい割合で周期的に起こる、
請求項1記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。 - 前記第1の信号はデータ伝送により作られる
請求項1記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。 - 前記沈黙期間は前記第1の信号の部分の間に散在する、請求項3記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 前記適応フィルタは前記基準ノイズ信号にある係数を乗算して前記ノイズ・キャンセル信号の少なくとも1つの成分を決定し、前記係数は前記基準ノイズ信号と前記第2の信号との積分された積により決定される、請求項4記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 前記第1の信号はツイスト・ペア線で受信される、請求項4記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 前記無線周波数ノイズ・キャンセラは、前記第1の信号に関連するDCオフセットを打ち消すDCオフセット・キャンセラを更に備える、請求項4記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 前記DCオフセット・キャンセラは、データ伝送中に、前記基準ノイズ信号と前記第1の信号との積分された積によりDCオフセット打消し信号のレートを決定する、請求項4記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 前記DCオフセット打消し信号が決定されるのは、前記データ伝送中に前記第1の信号の部分を受信したときであって前記沈黙期間中ではない、請求項8記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 少なくとも前記適応フィルタはディジタル信号プロセッサにより実現される、請求項4記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。
- 前記第1の信号は時分割二重化方式で受信され、
前記所定の時はデータ伝送の方向を切り換えるときに起こる、
請求項1記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。 - 前記第1の信号はSDMTによるVDSLまたはADSL書式を有し、ツイスト・ペア線で受信され、
前記所定の時はデータ伝送の方向を切り換えるときの沈黙期間中に起こる、
請求項1記載の無線周波数ノイズ・キャンセラ。 - 高速データ伝送システムのデータ通信用の受信機であって、
伝送媒体に結合された少なくとも1個の入力端子と、差分信号を出力する出力端子と、無線周波数ノイズ信号を出力する基準端子とを有する変圧器と、
該変圧器に結合されて前記差分信号と前記無線周波数ノイズ信号を受け、前記差分信号からある無線周波数ノイズを打ち消してノイズ・キャンセル差分信号を作る、無線周波数ノイズ・キャンセラであって、
フィルタ・パラメータに基づいて無線周波数ノイズ信号を濾波することによりノイズ・キャンセル信号を作る適応フィルタと、
前記差分信号から前記ノイズ・キャンセル信号を引いて前記ノイズ・キャンセル差分信号を作る減算器と、
そのときに存在する前記ノイズ・キャンセル差分信号に基づいて前記適応フィルタのパラメータを沈黙期間中に修正する更新回路と、
を少なくとも含む無線周波数ノイズ・キャンセラと、
前記ノイズ・キャンセル差分信号を復号してデータを得る処理回路と、
を備える、データ通信用の受信機。 - 前記基準ノイズ信号は前記変圧器からのコモン・モード信号である、請求項13記載のデータ通信用の受信機。
- 前記伝送媒体はツイスト・ペア電話回線であり、
前記変圧器は前記ツイスト・ペア電話回線にそれぞれ結合された第1および第2の入力端子を有する、
請求項14記載のデータ通信用の受信機。 - 前記コモン・モード信号は前記変圧器の入力側の中央タップから得られる、請求項15記載のデータ通信用の受信機。
- 前記所定の時は周期的に起こり、前記所定の時の間は前記伝送媒体でデータが伝送されない、請求項13記載のデータ通信用の受信機。
- 前記沈黙期間は前記伝送媒体で伝送されるデータのブロックの部分の間に散在する、請求項17記載のデータ通信用の受信機。
- 前記適応フィルタは前記基準ノイズ信号にある係数を乗算してノイズ・キャンセル信号の少なくとも1つの成分を決定し、前記係数は前記基準ノイズ信号と前記差分信号との積分された積により決定される、請求項17記載のデータ通信用の受信機。
- 前記無線周波数ノイズ・キャンセラは、前記差分信号に関連するDCオフセットを打ち消すDCオフセット・キャンセラを更に備える、請求項17記載のデータ通信用の受信機。
- 前記DCオフセット・キャンセラは、データ伝送中に前記基準ノイズ信号と前記差分信号との積分された積によりDCオフセット打消し信号のレートを決定する、請求項20記載のデータ通信用の受信機。
- 前記DCオフセット打消し信号が決定されるのは、前記データ伝送中に前記変圧器により前記差分信号の部分が出力されたときであって前記沈黙期間中ではない、請求項21記載のデータ通信用の受信機。
- 前記差分信号は前記伝送媒体で時分割二重方式により受信する第1および第2信号から形成され、
前記所定の時はデータ伝送の方向を切り換えるときに起こる、
請求項17記載のデータ通信用の受信機。 - 前記適応ファイルは、
前記基準ノイズ信号にある係数を乗算して前記ノイズ・キャンセル信号の少なくとも1つの成分を決定する第1の乗算器と、
前記差分信号と前記基準ノイズ信号とを乗算して積信号を作る第2の乗算器と、
前記積信号を積分して前記係数を決定する積分器と、
を少なくとも含む、請求項13記載のデータ通信用の受信機。 - 全てのチャンネルのデータ伝送の方向が周期的に切り換わり、各方向変化の間にデータがどちらの方向にも伝送されない沈黙期間がある、時分割多重化データ伝送を用いる同期DMTシステムにおいて、受信装置であって、
伝送媒体に結合された少なくとも1個の入力端子と、差分信号を出力する出力端子と、コモン・モード信号を出力するコモン・モード端子とを有する変圧器と、
該変圧器に結合されて前記差分信号と前記コモン・モード信号を受け、前記差分信号からある無線周波数ノイズを打ち消してノイズ・キャンセル差分信号を作る、無線周波数ノイズ・キャンセラであって、
フィルタ・パラメータに従って前記コモン・モード信号を濾波することによりノイズ・キャンセル信号を作る適応フィルタと、
前記差分信号から前記ノイズ・キャンセル信号を引いて前記ノイズ・キャンセル差分信号を作る減算器と、
そのときに存在する前記ノイズ・キャンセル差分信号に基づいて前記適応フィルタのパラメータを前記沈黙期間の一部または全ての間に修正する更新回路と、
を少なくとも含む無線周波数ノイズ・キャンセラと、
前記ノイズ・キャンセル差分信号を復号してデータを得る処理回路と、
を備える受信装置。 - 前記伝送媒体はツイスト・ペア電話回線である、請求項25記載の受信装置。
- 前記無線周波数ノイズ・キャンセラにより打ち消される前記ある無線周波数ノイズは、その周波数を頻繁に変える無線周波数ノイズ源により作られ、
前記更新回路による前記フィルタ・パラメータの更新の頻度は十分であって、前記適応フィルタは前記無線周波数ノイズ源の周波数のいかなる変化にも応答して適応することができる、
請求項26記載の受信装置。 - 前記適応フィルタは、
同相回路であって、
前記コモン・モード信号に同相係数を乗算して前記ノイズ・キャンセル信号の同相成分を決定する第1の乗算器と、
前記差分信号と前記コモン・モード信号とを乗算して同相信号を作る第2の乗算器と、
前記同相信号を積分して前記同相係数を決定する第1の積分器と、
を少なくとも含む同期回路と、
直交位相回路であって、
前記コモン・モード信号から直交位相コモン・モード信号を作る移相器と、
前記直交位相コモン・モード信号に直交位相係数を乗算して前記ノイズ・キャンセル信号の直交位相成分を決定する第3の乗算器と、
前記差分信号と直交位相コモン・モード信号とを乗算して直交信号を作る第4の乗算器と、
前記直交信号を積分して前記直交位相係数を決定する第2の積分器と、
を少なくとも含む直交位相回路と、
前記同相成分と前記直交位相成分とを加算して前記ノイズ・キャンセル信号を得る加算器と、
を備える、請求項27記載の受信装置。 - 前記受信装置は、前記差分信号に関連するDCオフセットを打ち消すDCオフセット・キャンセラを更に備え、
前記DCオフセット・キャンセラは、
前記同相信号および/または前記直交信号からDCオフセット打消し信号を引いて調整ディジタル信号を作る減算器と、
沈黙期間でない間に前記調整ディジタル信号を積分してDCオフセット情報を作る第3の積分器と、
前記DCオフセット情報に基づいて前記DCオフセット打消し信号を決定するレート乗算器とを少なくとも含む、
請求項28記載の受信装置。 - 前記適応フィルタはディジタル信号プロセッサにより実現される、請求項27記載の受信装置。
- 高速データ伝送システムの伝送媒体に結合することによって該伝送媒体を介して伝送されるデータの受信を妨害する望ましくない無線周波数源に起因する無線周波数妨害を除去する方法であって、
(a)差分データ信号と無線周波数ノイズ信号とを受信し、
(b)推定ノイズ信号を作り、
(c)前記差分データ信号から前記推定ノイズ信号を引いて、無線周波数妨害が実質的に除去されたノイズ・キャンセル差分データ信号を作り、
(d)データ伝送の沈黙期間中に前記推定ノイズ信号の推定値を更新する、
無線周波数妨害を除去する方法。 - 前記更新(d)は、前記沈黙期間中に前記基準ノイズ信号と前記ノイズ・キャンセル差分出力とに基づいて前記推定ノイズ信号を更新する、請求項31記載の無線周波数妨害を除去する方法。
- 前記沈黙期間中は前記差分データ信号は主として無線周波数妨害からなり、
前記データ伝送中の前記沈黙期間以外の時は、前記差分データ信号はデータと前記無線周波数ノイズからなる、
請求項32記載の無線周波数妨害を除去する方法。 - 前記方法は、(e)DCオフセット推定値に従って前記ノイズ・キャンセル差分信号からDCオフセットを除去し、
前記DCオフセット推定値は前記データ伝送中の前記沈黙期間以外の時に更新される、
請求項32記載の無線周波数妨害を除去する方法。
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