JP4394755B2 - ワイヤを通じた広帯域伝送 - Google Patents

Description

背景
本発明は、金属製ワイヤを通じた伝送に関する。
普通電話システム（Plain Old Telephone System）（ＰＯＴＳ）の環境下では、銅のツイストペア線は通常は約４ＫＨｚの帯域幅に用いるが、使用可能な帯域幅を広げるいくつかの技術が最近開発された。これらの技術は、デジタル加入者ループ（Digital Subscriber Loop）変調技術の部類に含まれ、一般的にＤＳＬ、ＨＤＳＬ、ＳＤＳＬ、ＡＤＳＬなど（部類としてはｘＤＳＬ）と略される。
ＡＤＳＬ（非対称デジタル加入者ライン（Asymmetric Digital Subscriber Line））は、ｘＤＳＬ技術の中で最もよく知られているものの一つである。ＢＥＬＣＯＲＥに推奨される「テンプレート」に従い、０から４０ＫＨｚの低周波帯域が、ＰＯＴＳまたはＩＳＤＮサービスに使用できる二重チャンネルに割り当てられる。許可された帯域幅の残り部分、すなわち４０ＫＨｚから１ＭＨｚは、広帯域利用のための単方向性チャンネルに割り当てられる。元々のＡＤＳＬの実施形態では、１９６０年代にベル研究所で開発された変調技術を使用した。その変調技術は、低レートにて変調された一連の個別キャリヤを用いて高レートの情報を伝達するものである（広い側波帯を有する一つの変調されたキャリヤを用いるものではなく）。この技術は集中的な計算を要するため、強力な信号処理用ＩＣの到来までは基本的に使用されなかった。そのようなＩＣによって、高速フーリエ変換および逆高速フーリエ変換信号プロセッサを各々、受信および発信に使用できるようになった。その結果可能となった技術は、ＡＮＳＩ（米国規格協会）によってＴ１．４１３−１９９５において実施され、離散的マルチトーン変調（Discrete Multitone Modulation）またはＤＭＴとして知られる。
広帯域チャンネルを通じた伝送における名目上の達成可能なデータレートは、１．５から６．１Ｍｂｐｓの範囲である。しかし実際には、マルチペアケーブルを通じて、そのレートは実質的にさらに低い。実際の達成可能なデータレートは、銅線の長さ、そのワイヤゲージ、ブリッジタップの存在、変化する湿度、時間の経過と共に発生する特性の変化、および干渉などを含む数々の要因に依存する。干渉は、ケーブル内の隣接するワイヤを通る類似の信号、ＡＭラジオ伝送などの遠く離れた外部源、並びに近くの等時性および非同期通信に起因する。明白なのは、ｘＤＳＬ技術ではこのような干渉への対応が不十分だということであり、等時性および非同期通信を伝送する多数のワイヤペアを含むケーブルという環境内においてどのようなデータレートが実際に達成可能であるかは、実施してみないことにはわからない。
概要
金属製ワイヤを通じた従来技術の広帯域伝送における問題点は、他の信号からのワイヤへの干渉に対する不安を一掃することにより克服される。その克服は、例えば信号を干渉の存在下で混合する複数のワイヤからなるケーブルを含む伝送媒体は、空中インタフェースと比較して少しも劣らないという発想に基づいて達成される。この発想に従い、ワイヤを通じた広帯域通信が、そのワイヤ内または隣接するワイヤ内に他の広帯域信号が存在する中で実現される。ワイヤを通じた広帯域通信は、広帯域通信信号に対して変調手法または技術を実施することにより、そのワイヤ内に存在する他の全ての信号に対して直交するまたはほぼ直交する信号を生成することによって達成される。その際、それらの他の全ての信号は、直接印加されたか電磁的に誘発されたかを問わない。例証する一つの実施形態によれば、使用手法はＣＤＭＡ（符号分割多重接続）である。すなわち、所定のワイヤを通じて通信される広帯域信号にＣＤＭＡコードを適用するが、その適用するコードは、そのワイヤまたはそのワイヤに隣接する他のワイヤを通る他の信号に対して使用するＣＤＭＡコードに直交する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本明細書に開示される概念に従って例証するブロック図を示す。
図２は、プロセッサ２１にて実施される機能を示すブロック図である。
図３は、プロセッサ５３にて実施される機能を示すブロック図である。
図４は、エコー消去の典型的な実施形態を示す。
図５は、図１に示す構成の逆順構成を示す。
詳細な説明
金属製ワイヤペアは高周波を減衰させるため、ローパスフィルタとして機能する。また、他のワイヤペアに隣接する時は、容量的および誘導的の両手段によって、それ自体の信号の一部を近接するワイヤに結合させる。現在までは、このように密結合する状態に互いに近接するワイヤペア間の信号のクロス結合は、克服しなければならない欠点と考えられていた。一つの典型的な解決策は、ワイヤペアをツイストすることである。ツイストによって、各ツイストペアを通る信号に対する外部信号からの干渉の低減に、かなりの効果が得られる。
外部源から誘発される干渉を低減するよう努めるという考えが当業者間にあまりに染み込んでいたので、ワイヤペアのケーブルからなる通信チャンネルは実質的な干渉が存在する場合でも、空中と比較して少しも劣らないということを、誰も十分に理解しようとしなかった。空中は、多くの利用例で好結果にて使用されている通信媒体である。
この発想に基づき我々は、信号が他の全ての信号に対して直交するよう変調するいずれかの構成を、干渉を制限したケーブルにおいて良好に用いることができると気づいた。この構成には、周波数分割多重化、時間分割多重化、およびＣＤＭＡ変調などを含む。二つの信号が直交すると言った場合、一方の信号の処理の過程で、他方の信号の影響が入力時に存在していても出力時にはゼロに近いということを意味する。
図１に、考案された構成を、例としてＣＤＭＡを用いて示す。要素１０は、複数のワイヤペアを含むケーブルである。要素２１は、ポート５への入力信号に対して反応するプレ符号化プロセッサである。要素２１の出力は、ＣＤＭＡエンコーダ２０に送られ、その後Ｄ／Ａコンバータ２５に送られる。コンバータ２５の出力は、ハイブリッド２６を通じて要素１０の一つのワイヤペアに印加される。ポート５に向けられた信号は、ハイブリッド２６に受信されＡ／Ｄコンバータ２４に送信される。コンバータ２４の出力は、ＣＤＭＡデコーダ２２に送られ、デコーダ２２の出力はポスト復号化プロセッサ２３に送られる。ケーブル１０を他のポートに接続する要素は、ポート５に関連して説明したものと例示的には同一であり、相応じて類似の名称を有する。
プロセッサ２１に印加される信号は、アナログ信号でもよいしデジタル信号でもよい。アナログ信号を処理するつもりであれば、プロセッサ２１はＡ／Ｄコンバータを含む。ＣＤＭＡエンコーダに印加されるデジタル信号は通常、ビットの単純なストリームではなく（そうであってもよいが）、ビットのグループのストリームである。具体例としては、ＤＭＴ（デジタルメッセージ端末）システムのために生成されるデジタルストリームが挙げられる。それを、図２に示す。ビットストリームは、エラー修正ビットを注入するブロック１０１（例えばリードソロモンエンコーダ（Reed Solomon encoder））に送られる。その結果得られるビットストリームはビットのグループに分割されており、それらのグループはブロック１０２によって、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）プロセッサ１０３へ向けて多重化される。ＤＭＴ変調技術に従って、ＩＦＦＴの特定の入力端子に印加される一つのビットグループ内のビット数は、その入力端子に対応する周波数サブチャンネル（例えば、２５６個のサブチャンネルが選択されるかもしれない）内に予想される信号対雑音比の関数となっている。ＩＦＦＴプロセッサからの出力は、デジタル化されたタイムサンプルを構成する。このタイムサンプルはパラレル−シリアルコンバータ１０４にて逆多重化され（デマルチプレクサ）、図１のエンコーダ２０へ送られる。
エンコーダ２０は入力される信号を、コードＣ₂₁を用いて符号化すなわち変調し（ＣＤＭＡでは、これは通常「拡散」と呼ばれる）、変調した信号をケーブル１０のワイヤペアに印加する。
受信側では、デコーダ５２に到達した信号は、コードＣ₅₂の助力を得て復号化すなわち復調され（ＣＤＭＡでは、これは通常「逆拡散」と呼ばれる）、ポスト復号化プロセッサ５３に送られる。プロセッサ５３は、プロセッサ２１の機能の逆を実施し、それによりポート５によって送信された信号を回収する。プロセッサ２１が図２の構成を有する場合、プロセッサ５３は図３に示すように構築できる。詳細には、入力される信号はマルチプレクサ２０４に印加され、マルチプレクサ２０４の出力はＦＦＴプロセッサ２０３に送られ、ＦＦＴプロセッサ２０３の出力はパラレル−シリアルコンバータ２０２にて非多重化される。コンバータ２０２の出力は、エラー修正ブロック２０１で処理され、それによりポート１５への出力が生成される。
他のポートの信号も、同様に処理される。例えば、ポート６に向けられたポート１６の信号は、プレ符号化プロセッサ６１で処理され、エンコーダ６０によってコードＣ₆₂を用いて拡散され、さらにケーブル１０に含まれるワイヤペアに印加される。
ポート５、６、および７に接続された装置は、適用例によっては、電話通信の顧客の領域内に位置することができ、同時にポート１５、１６、および１７は中央局などの電話通信のプロバイダの領域に位置することができる。
図１の構成において重要な側面は、一つのワイヤペアを通る信号に関連して実施される符号化と、隣接するワイヤペアを通る信号に関連して実施される符号化とは、その一つのワイヤペアで実施される符号化が隣接するワイヤペアの信号にに干渉されないような関係にあるという点である。この非干渉性はさまざまな手段によって実現されるが、それらの全ての手段は直交性という概念に包含される。図１においてその非干渉性は、互いに直交し互いに同期する複数のコードＣ_ij（ここで、ｉ＝１，２，３，４であり、ｊ＝１，２）によって達成される。他の実施形態においては、直交性は時間分割多重化および周波数分割多重化などによって実現され得る。また、それらを混合してもよい。他の視点から見れば、ケーブル１０内の全てのワイヤは、互いに直交するよう変調された信号である限りどのような信号でも全て伝送できる。この場合、特定のワイヤペアに直接印加される信号をも含む。それにより例えば、一つのワイヤペアに二つのＣＤＭＡ変調された信号を印加することができ、それらの信号は、互いに直交するよう変調されている限り、互いからおよび他の全ての干渉し得る信号から完全に分離できる。
複数のワイヤペアを有するケーブルにおける実際の状況では、全てのワイヤペアが他の全てのワイヤペアと隣接するわけではない。隣接するワイヤペアからの干渉は非常に好ましくないと考えられるが、同ケーブル内のワイヤペアがいくらか物理的に分離していることによって、干渉は許容範囲内の背景雑音を多少増加させるのみであることは明白である。したがって、ワイヤケーブル内の全てのワイヤを互いに直交する変調信号によって符号化する必要はない。ケーブル内のどのワイヤに関連していずれのＣＤＭＡコードを使用するかを（もし手法としてＣＤＭＡを利用するならば）賢明に選択すれば、互いに直交するコードの一群を、そのコード群のメンバであるコードの数より多数のワイヤペアを含む一つのケーブル内にて、使用および再使用することができる。これは、携帯電話の環境における周波数の再使用を彷彿させるものである。
太いケーブル内において全てのワイヤペアを互いに直交する信号を用いて変調する必要はないという事実に加え、本開示における直交性の必要性はある意味では量的であるということに留意されたい。すなわち、システム（例えばエラー修正コーディングを通じてエラーを補正する機能を含む）の許容範囲内においてコードが直交すると認められ得る場合は、一対のコードは（互いに）十分に直交すると考えられる。例えば１９９５年１０月２４日にウィーラコディ（Weerackody）に発行された米国特許第５，４６１，６１０号には、空中インタフェースの状況において、プレ符号化され互いに完全には直交しないコードによって信号を拡散し、逆拡散はプレ符号化されていないコードを用いて実施する構成が記載されている。
したがって、本明細書に添付される請求の範囲の文脈において、「直交する」という用語は、「干渉性ノイズを所定の限界値を下回る範囲で発生させるのに十分なだけ直交する」ことを意味する。
ポート１５、１６、および１７が共通の場所に設置される適用例においては、同期の問題の解決は難しいことではない。その共通場所に設置されるプロセッサ１８内の同期信号源が、全てのローカルエンコーダを同期させる。唯一の問題は、遠隔のエンコーダをどのようにして同期させるかであるが、それはプロセッサ５１、６１、および７１がプロセッサ１８に制御されることによって達成される。プロセッサ１８はトレーニングモードに入り、残りのプロセッサに同様にトレーニングモードに入るよう指示する。その時点で、プロセッサ５１によって既知の信号が送信され、例えばデコーダ２２が、その既知の信号の受信レベルを最大限にするよう自身のＣＤＭＡコードの開始を調節する。デコーダ２２の開始時間が設定されると、エンコーダ２０の開始時間も設定される。トレーニングモードは、エラーレートがある所定の限界を超えて増大した時に随時、または規則的な間隔にて実施できる。同様の手順が、全ての遠隔のエンコーダおよびデコーダに対して適用される。同期が完全に維持されないことは、単に直交性の度合いに影響するのみであって、致命的な状況ではないと理解される。
ケーブル内の全てのワイヤペアが固有のＣＤＭＡコードを有する必要はないという上述の所見に関連して、ＣＤＭＡコードの選択は、実際に測定した干渉のレベルに基づいて実施することが道理に適っている。その実施のために準備期間を設けるが、この期間もまた同期プロセッサ１８に制御される。準備期間において、同期プロセッサ１８は一つのワイヤペアを選択し、一式のコードから第一のコードを選択し、選択されたワイヤペア上のエンコーダの一つ（例えばエンコーダ５０）をその第一のコードに設定する。（エンコーダ５０によって）発生した干渉のレベルは、全てのポスト復号化プロセッサ（すなわち図１のプロセッサ３３、４３、６３、および７３）によって測定され、測定結果は同期プロセッサ１８へ送られる。その一式の直交するＣＤＭＡコードがＮ個のコードからなる場合、同期プロセッサ１８は、（エンコーダ５０の信号によって）最も高いレベルの干渉を受けるＮ個のポスト復号化プロセッサを特定する。そして同期プロセッサ１８は、最も高いレベルの干渉を被るポスト復号化プロセッサと関係するＮ−１個のエンコーダに対して、Ｎ個のコードのうち、送信されていたものと異なるコードを指定する。さらに同期プロセッサ１８は、特定されたＮ個のポスト復号化プロセッサのグループのうち、最も少ない量の干渉を受けるポスト復号化プロセッサと関係するエンコーダに対して、選択されたコードの指定を繰り返す。全てのエンコーダにコードが指定されるまで、この工程を繰り返す。
コード選択の工程は、ワイヤペアにコードを指定する必要性がでてきた場合に随時実施することを基本に実行することもできる。すなわち、いずれかの時点において、ケーブル内のワイヤペアのうち全てのペアは本明細書に説明するような信号の伝送に使用していない状態が有り得る。その場合、ある時点で一つのワイヤペアに信号を伝送するよう指定することがあり、それによってそのワイヤペアにＣＤＭＡコードを指定する必要がでてくる。同期プロセッサ１８は、そのワイヤペアが受けるクロストーク信号を監視し、相関技術により最少の干渉を示すＣＤＭＡコードを特定することができる。そしてそのコードを、そのワイヤペアのＣＤＭＡコードとして選択できる。上述は同期プロセッサ１８の使用を示唆するが、ワイヤペアの端末部に処理能力を有するデバイスが配置されるため、ＣＤＭＡコードの選択作業をローカルプロセッサに担当させることも可能である。
コードの選択に関する上記の説明において、エンコーダ５０に対してコードを選択したとき、プロセッサ５３は干渉のレベルを測定する箇所の一つとして挙げなかった。これは、干渉が全く予想されないからではなく、ここでの干渉は害を及ぼさない程度まで低減できることが予想されるからである。エンコーダ５０が発生させる干渉のプロセッサ５３における測定では、インピーダンスが、ハイブリッド２６とハイブリッド５６とにて等しくならない。しかし、Ｄ／Ａコンバータ５５に送信される信号は既知であり、したがってそれをＡ／Ｄコンバータ５４からの出力時に差し引くことができる。これは標準的なエコー消去の問題であり、図４にそれに対する処置の典型的な実施形態を示す。この実施形態には、エコー経路（近端および遠端の両方）をエミュレートする（emulates）調節可能な有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ２７、フィルタ２７を制御するエコープロセッサ２８、およびフィルタ２７の出力をＡ／Ｄコンバータ２４の出力から差し引く要素２９を含む。要素２９の出力は、エコープロセッサ２８への入力を構成する。エコー消去が効果的である利用例においては、ＣＤＭＡコードの再利用が促進される。それは例えば、もしエンコーダ５０で使用する所定のコードからの干渉がデコーダ５２で問題とならない場合、エンコーダ５０で使用するものと同じコードをエンコーダ２０においても使用できるからである。
図１には、プロセッサ２１をＣＤＭＡエンコーダ２０の前に配置する構成を示す。実際にはそれは必要事項ではなく、順序を逆にすること、すなわちエンコーダ２１をプロセッサ２０の前に配置することはもちろん可能である。その構成を図５に示す。

Claims (21)

1. 複数の他の信号を伝送する複数の他のワイヤを含む束の中にあって、情報信号（２０）を伝送する第一のワイヤを通じて通信する方法において、
   前記他のワイヤで伝送される複数の他の信号に直交する第一の符号化信号を生成するよう選択された変調技術を前記情報信号（２０）に適用し、変調信号を生成するステップと、
   前記変調信号を前記第一のワイヤ（２５，２６）に印加するステップと、
   を有し、
   前記束は、電磁的クロストークが前記第一のワイヤと前記複数の他のワイヤの間で生じ得る束である方法。
2. 前記変調技術では第一のＣＤＭＡコードを用いて前記情報信号をＣＤＭＡ変調することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
3. 前記第一のワイヤに、前記第一のＣＤＭＡコードに直交する第二のＣＤＭＡコードによってＣＤＭＡ変調された別の信号を印加するステップをさらに含むことを特徴とする請求の範囲２に記載の方法。
4. 前記他のワイヤに存在する信号が、前記第一のＣＤＭＡコードに直交するＣＤＭＡコードによってＣＤＭＡ変調されている信号であることを特徴とする請求の範囲２に記載の方法。
5. 前記第一のワイヤに印加する前記情報信号が広帯域信号であり、前記他のワイヤ内の信号が広帯域信号であり、前記他のワイヤが、前記第一のワイヤにて実質的な電磁的結合を発生させる状態で前記第一のワイヤに近接することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
6. 前記他のワイヤが前記第一のワイヤを含むケーブル内に位置することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
7. 前記第一のワイヤおよび前記他のワイヤがワイヤからなるケーブル内にてサブセットを構成することを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
8. 前記他のワイヤが前記第一のワイヤの近隣に位置することを特徴とする請求の範囲６に記載の方法。
9. 前記他のワイヤが前記第一のワイヤに密結合する状態で近接することを特徴とする請求の範囲６に記載の方法。
10. 前記ケーブルが前記第一のワイヤに密結合する状態で近接しないさらに他のワイヤを含み、そのさらに他のワイヤの一つが前記第一の符号化信号に直交しない第二の符号化信号を生成するよう変調された信号を伝送することを特徴とする請求の範囲８に記載の方法。
11. 前記他のワイヤにて伝送される信号が前記変調技術と同じ技術によって変調されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
12. 前記他のワイヤにて伝送される信号が異なる変調技術によって変調されていることを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
13. 前記変調技術を前記情報信号に適用して前記第一の符号化信号を生成する前記ステップが第一の場所にて実施され、前記第一のワイヤが前記第一の符号化信号を第二の場所へ伝送し、さらに前記第一の符号化信号を復調するステップを含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
14. 前記第一の場所が顧客の領域であり、前記第二の場所が通信ネットワークプロバイダの領域であることを特徴とする請求の範囲１３に記載の方法。
15. 前記変調技術を前記情報信号に適用するステップの前に、前記情報信号を処理して干渉ノイズの存在下における情報回収能力を増大するステップを含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
16. 前記変調技術を前記情報信号に適用するステップの後に、前記第一の符号化信号を処理して干渉ノイズの存在下における情報回収能力を増大するステップを含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
17. 前記印加するステップでは、前記変調信号を前記ハイブリッドの第一のポートに接続するとともに、前記第一のワイヤを前記ハイブリッドの第三のポートに接続することによって、前記変調信号をハイブリッドを介して前記第一のワイヤに印加し、
    前記ハイブリッドは、前記第一のワイヤに印加する前記変調信号を除外して前記第三のポートを介し第一のワイヤからの受信した信号を出力する第二のポートを含むことを特徴とする請求の範囲１に記載の方法。
18. 前記変調技術を前記情報信号に適用するステップの前記変調信号が第一の変調信号を構成し、さらに、
    前記ハイブリッドにて前記第一のワイヤから第二の変調信号を受信し、前記ハイブリッドポートにて受信信号を生成するステップと、
    前記第一の変調信号から派生するエコー信号を前記受信信号から除去するステップと、
    を含むことを特徴とする請求の範囲１７に記載の方法。
19. 前記除去するステップが、調節可能な有限インパルス応答フィルタを前記第一の変調信号が通過することから派生するエコー経路をエミュレートして得られた信号を前記受信信号から差し引くことによりエコー消去済信号を生成することを含むことを特徴とする請求の範囲１８に記載の方法。
20. 前記有限インパルス応答フィルタが、前記エコー消去済信号における前記第一の変調信号のレベルを最小限に押さえるステップを用いて調節されることを特徴とする請求の範囲１９に記載の方法。
21. 第一のワイヤおよび第二のワイヤを電磁的クロストークが生じ得る状態で含む束であって、第二ワイヤは他の信号を伝送する束の中において、情報信号（２０）を第一のワイヤを通じて通信する方法において、
    第一のＣＤＭＡコードを使用する第一のＣＤＭＡ変調を前記情報信号（２０）に適用し、第一の符号化信号を生成するステップと、
    第二のＣＤＭＡコードを使用する第二のＣＤＭＡ変調を前記他の信号に適用して、第二の符号化信号を生成するステップと、
    第一の符号信号を第一のワイヤに印加するステップと、
    第二の符号化信号を第二のワイヤに印加するステップと、
    を含み、
    前記第一のＣＤＭＡコードと前記第二のＣＤＭＡコードは直交する方法。

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