JPWO2005027368A1 - デジタルデータ伝送装置 - Google Patents

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Abstract

送信データは送信回路10によって伝送に適した多値のアナログ信号に変換され、増幅器及びハイブリッド回路12を介してケーブル21に出力される。送信回路10では、ケーブル21での波形の劣化を補償する特性の波形を生成する。ケーブル21からの受信信号は、ハイブリッド回路12及び増幅器13を介して、合成器14に入力され、ここで、キャンセル信号生成回路17の出力のキャンセル信号と合成され、不要信号が除去される。その出力信号は、受信回路15において、複数のサンプルホールド回路によってサンプリングされ、歪みを補正するためにマトリクス回路によってアナログ積和演算が行われ、デジタル信号に変換される。デジタル信号は一括して並列直列変換等の処理が行われ、受信データおよび評価信号が得られる。調整制御回路18はCPUを内蔵し、評価信号に基づいてデータを正しく送受信できるように各回路を調整する。

Description

本発明は信号ケーブルを用いてデジタルデータを伝送する装置に関するものである。特に1ギガビット毎秒以上の高速データ伝送に好適な伝送装置に関するものである。
一般に、信号ケーブルを用いてデジタルデータを伝送して双方向に通信する場合にはハイブリッド回路が用いられ、このハイブリッド回路では送信信号と受信信号の分離が高周波トランスによって行われていた。また、ケーブルを信号が伝送することで著しく波形が劣化してしまうので、正確な受信データを得るために従来はデジタル信号処理(DSP)技術が用いられた。
上記したような従来のデジタルデータ伝送装置においては、例えば下記非特許文献1に示すような1000メガビットイーサーネット技術に代表されるように、通信速度は1つの通信チャネルあたり250メガビット毎秒が最高であり、1つの通信チャネルあたり1ギガビット毎秒以上の高速データ伝送は不可能であった。
1ギガビット毎秒以上の高速データ伝送が不可能である理由は以下による。即ち、高速通信に用いられる信号の周波数では、高周波トランスでの信号分離がきわめて困難であり、デジタル信号処理(DSP)に用いるアナログデジタル変換器(A/D変換器)およびデジタル処理回路が動作速度、回路規模、消費電力、およびコストの点で実用にならないという問題点があった。
IEEE802.3ab仕様書http://grouper.ieee.org/groups/802/3/ab/
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決し、1つの通信チャネルあたり1ギガビット毎秒以上の伝送が可能な高速データ伝送装置を提供することにある。
本発明のデジタルデータ伝送装置は、多値伝送方式によるデジタルデータ伝送装置において、調整可能なプリエンファシス回路を備えた送信手段と、受信信号から調整状態の評価信号を生成する評価信号生成手段を備えた受信手段と、前記評価信号を使用して、受信手段あるいは相手装置の送信手段の調整を行う調整手段とを備えたことを主要な特徴とする。
また、前記したデジタルデータ伝送装置において、更に、抵抗マトリクス回路によるバランス調整可能なハイブリッド回路を備え、前記受信手段は、更に、調整可能なエコーキャンセル回路を備えてもよい。
また、前記したデジタルデータ伝送装置において、前記評価信号生成手段は、受信信号が多値の各判定レベル範囲の中央付近にあるか境界付近に偏っているかを判定して、その頻度であるヒストグラム情報を出力するものであり、前記調整手段は、相手装置のプリエンファシス回路の調整を行ってもよい。また、前記したデジタルデータ伝送装置において、前記調整手段は、遺伝的アルゴリズムによって各回路の調整を行うようにしてもよい。
また、前記したデジタルデータ伝送装置において、前記受信手段は、更に、調整可能な、受信信号をアナログ処理する歪み除去回路を備えていてもよい。また、前記したデジタルデータ伝送装置において、前記受信手段は、更に、位相ロックループ回路の電圧制御発振器として電圧可変水晶発振回路を用いたクロック再生回路を備えていてもよい。
本発明のデジタルデータ伝送装置は、1つの通信チャネルあたり1ギガビット毎秒以上の伝送が可能である。
本発明の全二重送受信回路の構成を示すブロック図である。 本発明の伝送装置全体の構成を示すブロック図である。 本発明の送信回路の構成を示すブロック図である。 本発明のハイブリッド回路12の構成を示す回路図である。 本発明のキャンセル信号生成回路の構成を示すブロック図である。 本発明の復調回路15の構成を示すブロック図である。 単一パルスの場合の送信回路10の波形を示す波形図である。 連続データ送信時の送信回路10の波形を示す波形図である。 本発明の評価信号生成回路の構成を示すブロック図である。 本発明の調整処理の内容を示すフローチャートである。 本発明のマトリクス回路の構成を示すブロック図である。 本発明のクロック再生回路の要部構成を示すブロック図である。
符号の説明
10 送信回路
11、13 増幅器
12 ハイブリッド回路
21 ケーブル
22 相手装置
14 加算器
17 キャンセル信号生成回路
15 復調回路
16 クロック再生回路
18 調整制御回路
以下に、4本の同軸ケーブルを使用して、パルス振幅変調(PAM)方式により全二重で計10ギガビット毎秒(Gbps)の伝送が可能なデジタルデータ伝送装置について説明する。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明の全二重送受信回路20の構成を示すブロック図である。また、図2は、本発明の伝送装置全体の構成を示すブロック図である。この装置は、主にコンピュータで取り扱うデジタルデータをほかのコンピュータや外部装置、ネットワーク等と通信するものである。
本発明の伝送装置は、同じ構成の相手側伝送装置22とケーブル21で接続する。本発明においては、ケーブル21はツイストペア線の構造ではなく、同軸ケーブルを用いることが好ましい。複数(例えば4)チャネルの伝送においては、複数の同軸ケーブルを束ねた複合同軸ケーブルが好適である。この場合、それぞれの同軸ケーブルの外側導体は同一に束ねられる他の同軸ケーブルの外側導体と接触しても問題ない。この場合、複合同軸ケーブルの外径を細くできる効果がある。
伝送装置は4つの全2重送受信回路20、データ分配回路23およびデータ合成回路24からなる。データ分配回路23は、例えば送信データを8ビット毎に区切り、誤り検出/訂正が可能な4チャネルの5値のパルスに対応する各3ビットのデータであって、合計が12ビットのデータに変換し、4つの全2重送受信回路20にそれぞれ3ビットずつ分配する。また、データ合成回路24は、4チャネルの5値のパルスに対応する各3ビット、合計12ビットのデータを元の8ビットデータに復元する。なお、多値伝送する伝送レベルの数は5値に限らず、例えば8値あるいは12値など任意のレベル数を採用可能である。
以下、全2重送受信回路20の構成について説明する。送信データは送信回路10によって伝送に適した多値のアナログ信号に変換され、増幅器11により伝送に適した大きさに増幅され、ハイブリッド回路12によりケーブル21に出力される。送信回路10では、ケーブル21での波形の劣化を補償する特性の波形を後述の方法で生成する。
送信信号の一部は、ケーブル21に存在する接続点等での反射により「エコー」と呼ばれる不要信号を生ずる。正確なデータ伝送のためにはこの不要信号を適切に除去する必要がある。ケーブル21からの受信信号は、ハイブリッド回路12によって送信信号と分離され、増幅器13に接続する。キャンセル信号生成回路17は、送信データに基づいて不要信号を消去するためのキャンセル信号を生成する。
増幅器13の出力の受信信号とキャンセル信号生成回路17の出力のキャンセル信号は、合成器14によって合成され、不要信号が除去される。受信回路15においては、詳細は後述するが、合成器14の出力信号は複数のサンプルホールド回路によってサンプリングされ、歪みを補正するためにマトリクス回路によってアナログ積和演算が行われ、アナログデジタル変換器によりデジタル信号に変換される。デジタル信号は一括してロジック回路により並列直列変換等の処理が行われ、受信データおよび後述する評価信号が得られる。
上記の一連の動作のタイミングについては、クロック再生回路16によりクロック信号が抽出され、各種タイミング信号が生成される。調整制御回路18はCPUを内蔵し、詳細は後述するが、評価信号に基づいてデータを正しく送受信できるように各回路を調整する。
なお、伝送路21を全二重ではなく、単方向伝送路として使用するようにしてもよく、この場合には、増幅器11の出力は直接送信用ケーブル21に接続され、受信用ケーブル21が増幅器13に接続される。また、ハイブリッド回路12、キャンセル信号生成回路17、合成器14は不要となる。
図3は、本発明の送信回路10の構成を示すブロック図である。D/A変換器DAC1(32)〜DAC3(34)は差動電流出力型のD/A変換器であり、D/A変換器DAC1と3の出力は極性を逆にして、DAC2の出力は極性を同じにして並列接続される。送信データとクロックは、D/A変換器DAC1に対してはそのまま入力され、D/A変換器DAC2に対しては遅延回路30により一定時間(Td1とする)遅延した送信データとクロックが入力され、D/A変換器DAC3に対しては遅延回路30と31により一定時間(Td1+Td2とする)遅延した送信データとクロックが入力される。なお、Td1、Td2を可変とし、調整制御回路18によって調整してもよい。
図7は単一パルスを送信した場合、図8は連続データを送信した場合の送信回路10の要部の波形を示す波形図である。各波形は、送信データ(デジタル信号)、DAC1〜3の出力(電流値)、送信回路10の出力(電流値)を示している。(いずれも計算機シミュレーションの結果である。)D/A変換器1〜3は、それぞれ、バイアス電流を可変することにより出力電流値の倍率を可変可能な構成である。送信データが「1」であるときのD/A変換器1〜3の出力電流値をそれぞれa1〜a3とすると、送信回路10の出力波形は図7下段に示すようなプリエンファシス波形となる。これらa1〜a3の値を調整制御回路18によって調整することによって、ケーブルに最適なプリエンファシス波形に調整する。
図4は、本発明のハイブリッド回路12の構成を示す回路図である。前述のケーブル21に接続するコネクタ57は、抵抗42〜51からなる抵抗マトリクス回路58に接続し、また、抵抗マトリクス回路58は高周波トランス41、52、53に接続する。抵抗46の抵抗値はコネクタ57に接続するケーブル21の特性インピーダンスに等しくしてある。
増幅器11の出力は高周波トランス41の1次側に接続する。送信信号は増幅器11によって増幅され、高周波トランス41に出力される。高周波トランス41の2次側の一端は抵抗42を通してコネクタ57と抵抗47に接続する。高周波トランス41の2次側の他の一端は抵抗45を通して抵抗46と抵抗49に接続する。送信信号は、コネクタ57と抵抗42と抵抗47の接続点(接続点N1とする)、および、抵抗46と抵抗45と抵抗49の接続点(接続点N2とする)に逆相(逆極性の電圧)で出力される。
抵抗47は高周波トランス52の1次側に接続し、抵抗49は高周波トランス53の1次側に接続されることから、高周波トランス52と高周波トランス53の2次側において、送信信号の成分は逆相で発生する。
受信信号に関しては、コネクタ57からの受信信号は抵抗47を経由して高周波トランス52の1次側に接続し、抵抗47と48を経由して高周波トランス53の1次側に接続する。従って、高周波トランス52と高周波トランス53の2次側において、受信信号の成分は同相(同極性の電圧)で発生する。
高周波トランス52と高周波トランス53の2次側は、増幅器54と増幅器55にそれぞれ接続し、増幅器54と増幅器55の出力は加算合成されて受信信号が得られる。このとき、送信信号の成分は逆相で合成されることから、受信信号と送信信号の分離がなされる。抵抗43、抵抗44、抵抗50、抵抗51は、インピーダンス整合のために用いられる。
ケーブル21の特性インピーダンスと抵抗46の抵抗値のずれなどにより、増幅器54と増幅器55の出力における逆相の送信信号の成分の大きさは必ずしも一致しない。そこで、増幅器54と増幅器55の増幅率を調整することにより、受信信号から送信信号の成分を除去することが可能である。この増幅率は調整制御回路18によって遺伝的アルゴリズムにより最適化される。
このように、本発明のハイブリッド回路12は、増幅器54と増幅器55の2つの信号経路を有し、この2つの信号経路からの信号出力のバランスを調整することを大きな特徴とする。
図5は、本発明のキャンセル信号生成回路17の構成を示すブロック図である。送信データは、多段に接続されたシフトレジスタ60に入力され、送信データが順次シフトレジスタ60に一時的に記録される。シフトレジスタの出力はセレクター61に入力され、セレクター61によって送信データの履歴の一部が選択される。セレクター61の出力は、複数のA/D変換器62によってアナログ電流値に変換される。そして、すべてのA/D変換器62の出力が並列接続され、電流が加算合成されて、キャンセル信号が生成される。セレクター61(タップ位置)およびDAC62の電流値(極性および振幅)は調整制御回路18によって調整される。
図6は、本発明の受信回路15の構成を示すブロック図である。受信回路15においては、合成器14の出力信号は複数のサンプルホールド(S/H)回路70によってサンプリングされる。複数のADC73を順に並列動作させるためにS/H回路70はクロック信号に基づくタイミングで1つずつ順に動作する。このタイミングは調整制御回路18によって調整される。そして、S/H回路70の出力信号は、歪みを除去する目的でマトリクス回路71によってアナログ積和演算が行われる。
図11は、本発明のマトリクス回路71の構成を示すブロック図である。可変利得増幅器75および2つの可変利得可変極性増幅器76の出力信号はアナログ加算器77によって加算されて出力される。各増幅器の利得および極性は調整制御回路18によって調整される。
マトリクス回路71の出力は複数の増幅器72によってアナログデジタル変換に適した大きさに増幅され、アナログデジタル変換器73によりデジタル信号に変換される。受信波形の歪みが少ない場合はマトリクス回路71を省略して、S/H回路70の出力を増幅器72の入力に接続することも可能である。アナログデジタル変換器74の出力のデジタル信号は一括してロジック回路74により並列直列変換等の処理が行われ、受信データおよび評価信号が得られる。
図12は、クロック再生回路の要部を示すブロック図である。受信信号から受信データを復調するためには、受信されたデータに対応するクロック信号を再生する必要がある。多値の信号ではクロック再生が困難であるが、本願発明者は試行錯誤の結果、クロック再生回路16において、位相ロックループ(PLL)回路に用いる電圧可変型発振器に電圧可変水晶発振回路を用いると特に好適であることを知見した。
受信信号101はコンパレータによって2値化され、同期パターン検出回路103およびPLL(位相ロックループ)回路104に入力される。同期パターン検出回路の検出出力はPLL回路104のイネーブル端子に接続されており、PLL回路104の出力は電圧制御発振器105に接続されている。そして電圧制御発振器105の出力はPLL回路および外部にクロック信号として出力される。PLL回路104および電圧制御発振器105は、同期パターンが検出されている期間にのみ同期引き込み制御がなされ、その他の期間はフリーラン状態となる。電圧制御発振器105に電圧可変水晶発振回路を用いることで安定したクロック信号の同期が可能となる。
図9は、本発明の評価信号生成回路の構成を示すブロック図である。A/D変換器73によってアナログ信号の値からデジタル値を判定した結果を模式的に示している。アナログ値に対応して、「+2」、「+1」、「0」、「−1」、「−2」の5値の判定ができればデジタルデータを得ることができる。そして、受信したアナログ信号の値が多値のそれぞれの判定レベル範囲の中央にあるほど誤り率が低くなり、判定レベル範囲の上限あるいは下限のしきい値に近いほど誤り率が高くなる。そこで、本発明では、5値のそれぞれの判定内容をより細分化し、アナログ信号の値が判定レベル範囲の中央付近にある場合と、境界であるしきい値付近に偏っている場合を区別する。
入力信号は各コンパレータ80の+端子に入力され、−端子には比較するしきい値電圧が印加される。コンパレータ80は多値のそれぞれに対して3個づつ設けられており、3個の各コンパレータには、しきい値電圧として、多値のそれぞれの判定レベル範囲の下限、下限から1/3高、下限から2/3高(上限から1/3低)の電圧が印加されている。そして、入力信号よりしきい値が低いコンパレータからのみ1が出力され、ラッチ81に記憶される。
ANDゲート83の一方には、上段のラッチ出力がNOTゲート82を介して入力されているので、上段のラッチ出力が1の場合にはANDゲート83の出力は0となる。結局、入力信号より低い直近のしきい値に対応するANDゲート83の出力のみが1を出力する。図中、○の記号を付した判定出力信号はアナログ信号の値が判定レベル範囲の中央付近にあるものを示し、△の記号を付したものは、アナログ信号の値がしきい値付近に偏っているものを示している。各ORゲート85〜89は、多値のそれぞれのレベルに属するANDゲート出力を論理和して多値情報を出力する。バイナリ変換器90は多値情報を2進情報に変換する。
所定の期間にA/D変換器73での判定結果が○の判定となった数と△の判定となった数をORゲート92、93およびヒストグラムカウンター94、95を用いて計数して、頻度であるヒストグラム情報を出力する。ヒストグラム値は評価信号として調整制御回路18に出力される。
調整制御回路18は遺伝的アルゴリズムを使用して、ハイブリッド回路12における増幅器54、55の増幅率、キャンセル信号生成回路17の出力波形、マトリクス回路71におけるアナログ積和演算の係数などを調整すると共に、相手装置の送信回路の調整パラメータを相手装置に伝送し、相手装置の送信回路のプリエンファシス回路のレベルパラメータ等も調整する。
以下に、遺伝的アルゴリズムを用いた回路の調整方法について説明する。なお、遺伝的アルゴリズムの参考文献としては、例えば、出版社ADDISON−WESLEY PUBLISHING COMPANY,INC.が1989年に出版した、David E.Goldberg著の「Genetic Algorithms in Search,Optimization,and Machine Learning」がある。なお、本発明でいう遺伝的アルゴリズムとは、進化的計算手法のことをいい、進化的プログラミング(EP)の手法も含むものである。進化的プログラミングの参考文献としては、例えば、出版社IEEE Pressが1995年に出版した、D.B.Fogel著の「Evolutionary Computation:Toward a New Philosophy of Machine Intelligence」がある。
伝送装置1に接続するケーブル21の長さや中間の接続点の位置、特性インピーダンス、周波数特性などはケーブルの交換などによって変化する。そこでケーブル21の特性に合わせて、送信回路10で生成する送信信号の波形、キャンセル信号生成回路17の出力波形、ハイブリッド回路12における増幅器54、55の増幅率、マトリクス回路71におけるアナログ積和演算の係数などを最適な状態に調整する必要がある。この調整には遺伝的アルゴリズムが特に好適である。具体的な調整手順は、例えば特開2000−156627号公報「電子回路およびその調整方法」に詳述されているので、ここでは概要を説明する。
調整手順は、まず、装置の起動の際に、多値数を減少させたり伝送速度を低下させるなど、未調整でも通信可能なプロトコルを使用して送受信回路間での低速データ通信を確立する。次に、送信側からトレーニング信号を送信させて受信側において評価信号を得る。そして、この評価信号に基づいて調整制御回路18が遺伝的アルゴリズムを使用して受信回路を調整すると共に相手装置の送信回路の調整パラメータを低速データ通信チャネルを使用して相手装置に伝送し、相手装置の送信回路も調整する。このトレーニング処理により、ある程度広い調整範囲で調整を行い、調整後に伝送装置間での高速データ通信を確立する。その後は、実際のデータ伝送を行いながら、伝送装置の状態が最適に保たれるようにオンラインで微調整を行う。伝送中の調整範囲は、伝送装置の通信品質に大きな影響を与えないように、直前の良好であった調整結果を中心とした微少範囲に限定する。オンラインでの調整における遺伝的アルゴリズムの評価関数は、A/D変換器73での信号の判定結果(評価信号)を利用する。
図10は、本発明の調整処理の概要を示すフローチャートである。S10においては、初期化を行う。S11においては、初期集団である各個体の遺伝子を、評価値が高いと思われる部分を中心にして発生させる。実施例においては、遺伝的アルゴリズムの染色体として、調整値を格納するレジスタのレジスタ値を直接用いる。S12においては、各個体の適応度の生成を行う。即ち、評価値を測定していない個体について、個体の調整値を回路に設定して所定期間だけ信号を伝送し、前記した評価信号を得る。そして、遺伝的アルゴリズムの評価関数値Fを例えば次式で計算する。
F=(○の数)/{(○の数)+(△の数)}
ここで、○の数は、前記所定期間末のヒストグラムカウンタ95の計数値、△の数はヒストグラムカウンタ94の計数値である。S13においては、個体の選択、淘汰を実行する。即ち、個体を評価値順に並べて、下位の所定数の個体を削除する。S14においては遺伝子の交叉を実行する。即ち、二つの個体のペアを所定数だけランダムに選択(複写)し、染色体を組み変えて子の染色体を作る。
S15においては個体をランダムに所定数だけ選択(複写)してその遺伝子を変化させる突然変異を実行し、新たな個体を生成する。S16においては、評価基準を満たすか否か、即ち最も良い評価関数値Fが所定値以上か否かが判定され、結果が肯定であれば処理を終了するが、否定の場合にはS12に戻って、処理を繰り返す。終了する場合には、その時点での生物集団中で最も適応度の高い個体を、求める最適化問題の解とする。上述のようにして、伝送装置はオンラインの状態でも安定した通信品質が得られるように自動的に調整される。

Claims (6)

  1. 多値伝送方式によるデジタルデータ伝送装置において、
    調整可能なプリエンファシス回路を備えた送信手段と、
    受信信号から調整状態の評価信号を生成する評価信号生成手段を備えた受信手段と、
    前記評価信号を使用して、受信手段あるいは相手装置の送信手段の調整を行う調整手段と
    を備えたことを特徴とするデジタルデータ伝送装置。
  2. 前記デジタルデータ伝送装置は、更に、抵抗マトリクス回路によるバランス調整可能なハイブリッド回路を備え、
    前記受信手段は、更に、調整可能なエコーキャンセル回路を備えた
    ことを特徴とする請求項1に記載のデジタルデータ伝送装置。
  3. 前記評価信号生成手段は、受信信号が多値の各判定レベル範囲の中央付近にあるか境界付近に偏っているかを判定して、その頻度であるヒストグラム情報を出力するものであり、
    前記調整手段は、相手装置のプリエンファシス回路の調整を行う
    ことを特徴とする請求項1に記載のデジタルデータ伝送装置。
  4. 前記調整手段は、遺伝的アルゴリズムによって各回路の調整を行うことを特徴とする請求項1に記載のデジタルデータ伝送装置。
  5. 前記受信手段は、更に、調整可能な、受信信号をアナログ処理する歪み除去回路を備えたことを特徴とする請求項1に記載のデジタルデータ伝送装置。
  6. 前記受信手段は、更に、位相ロックループ回路の電圧制御発振器として電圧可変水晶発振回路を用いたクロック再生回路を備えたことを特徴とする請求項1に記載のデジタルデータ伝送装置。
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