KR100360576B1

KR100360576B1 - 데이터 최적화된 코덱

Info

Publication number: KR100360576B1
Application number: KR1019990014849A
Authority: KR
Inventors: 대그디바이런누리루히; 디티린에머리; 더트웨일러도날드라스; 페페넬라제랄드조셉; 스파이어스드웨인앨런
Original assignee: 루센트 테크놀러지스 인크
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-26
Publication date: 2002-11-13
Also published as: US6356593B1; EP0954158A3; JP2000059829A; KR19990083480A; EP0954158A2

Abstract

음성 신호를 전송하기 위해 필요한 μ-법칙(μ-law) 또는 A-법칙(A-law) 규칙들의 대수(logarithmic) 변환을 사용하여 아날로그 신호가 PCM 코드로 변환될 때, 양자화 잡음(quantization noise)이 데이터 전송내로 끼어드는데, 이러한 양자화 잡음으로 인하여 최대 데이터 전송 속도가 제한된다. 그러나, PCM 코드 신호가 (음성 신호가 아닌) 데이터를 나타낼 때, 아날로그 데이터 신호를 PCM 코드로 선형으로(linearly) 변환한다면, 그러한 대수의 양자화 잡음은 방지될 수 있을 것이다. 디지털 모뎀이 호출됨을 변환 코덱(translating CODEC)에 알리기 위해서, 디지털 모뎀은 2100 Hz의 위상 반전을 가진 응답 톤(answer-tone-with-phase-reversal)(ITU-T 추천(Recommendation) G.165에서 규정되어 있음)을 나타내는 코드의 하나 이상의 최하위 비트를 할당하여, 이 관련된 코덱에게 디지털 모뎀 연결이 이루어졌다는 것을 알리는 반복적인 패턴 "P1"을 전송한다. 코덱이 P1 패턴을 검출하면, 아날로그 데이터 신호를 PCM 코드로 선형으로 변환하게 되는데, 이에 의하여 대수의 양자화 잡음이 끼어드는 것을 감소시킬 수 있다.

Description

데이터 최적화된 코덱{Data optimized codec}

본 발명은 디지털 네트워크를 통하여 아날로그 모뎀과 디지털 모뎀 사이에 디지털 정보를 전송하는 향상된 코덱(codec)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 보다 고속의 데이터 전송을 용이하게 하는 코덱에 관한 것이다.

공중 교환 디지털 망(public switched digital network, PSTN)은 64 kb/s의 공칭 채널 용량을 제공하기 위하여, 음성 신호를 8 kHz의 속도로 샘플링하고 이 샘플링된 진폭을 8 비트 PCM 코드로 인코딩함으로써, 음성을 전송하기 위해 설계되었다. 그러나, 최대한 얻을 수 있는 데이터 전송 속도는 여러가지 이유로 더 느리다. 미국 특허 제5,394,437호에 개시된 것과 같이, 채널의 신호대 잡음비(SNR)를 증가시키는 방법을 사용함으로써, 더 빠른 속도의 전송이 이루어질 수 있다. 이 특허는, 클라이언트 모뎀의 슬라이싱 레벨(slicing levels)뿐 아니라 샘플링 시간을 네트워크의 PCM 코덱에 있는 것과 동기화함으로써, 어떻게 양자화 잡음의 영향이 극복될 수 있는지 설명하고 있다. 이에 의하면, 약 56 kb/s에 근접하는 속도가, T1과 같은 디지털 회선에 의하여 디지털 교환기에 직접 연결되어 있는 디지털 모뎀과 아날로그 모뎀 사이에서 얻어질 수 있다.

8 비트 PCM 코드가 PSTN을 통하여 8 kHz의 속도로 전송된다 하더라도, 이러한 비트들 중 일부는 신호 정보(signaling information)(예를 들어, 스위치 후크(switchhook) 상태, 다이얼을 돌리는 상태(dialing) 및 호출 진행(call progress) 상태)를 제공하는데 종종 사용된다. 신호 비트(signaling bit)가 여섯개의 샘플마다 한번씩 음성 신호의 최하위 비트를 대체하기 때문에, 그러한 신호는 "약탈 비트(robbed bit)" 또는 채널 관련 신호(channel-associated signaling)라고 불린다. 음질이 저하되는 것은 참을 수 있다 하더라도, 이 방법은 모뎀의 데이터 속도보다 약 1.33 kbps가 감소된 속도를 초래한다.

네트워크 인터페이스에서, 아날로그 음성 신호는 일반적으로 진폭의 범위가 넓은데, 이 아날로그 음성 신호는 코덱이라 불리는 A/D 변환기에 의해 8 비트 디지털 PCM 코드로 변환된다. 그러나, 음성 신호의 큰 진폭 변화를 적당히 처리하기 위해서, 준대수 변환 규칙(quasi-logarithmic rule of conversion)(μ-법칙 또는 A-법칙 규칙)이 사용된다. μ-법칙에 의하면, 단위 스텝 크기(unit step size)는 16개의 최소 진폭 신호를 변환하는데 사용되고, 128배나 큰 스텝 크기는 최대 진폭 음성 신호를 인코딩하는데 사용된다. μ-법칙에 사용되는 128개의 슬라이싱 레벨의 완전한 리스트는 미국 특허 제5,406,583호의 도1에 설명되어 있다. 이러한 방식은 신호대 잡음비를 음성 신호의 진폭에 관계없이 상대적으로 일정하게 유지시키는데 적합하지만, 이것은 "56k" 또는 "v.pcm" 모뎀의 가능한 데이터 속도를 56 kbps아래로 제한시킨다. 그 이유는 4000배나 진폭이 큰 이웃하는 심벌으로부터 잔류 심벌간 간섭(residual intersymbol interference)이 존재할 때, 아날로그 "v.pcm" 모뎀이 하나의 단위에 의해 분리되는 낮은 진폭의 신호를 구별하는 것은 극히 어렵기 때문이다.

네트워크의 PCM 코덱에 의해 생기는 양자화 잡음의 영향을 극복하고 이에 의하여 현재 "56k" 또는 "v.pcm" 모뎀에 의해 얻을 수 있는 56 kbps 미만의 속도보다 더 빠른 전송 속도를 얻는 것은 매우 이로울 것이다.

도1은 PCM 코덱이 아날로그 전화기 및 종래의 모뎀에 사용된 μ-법칙 또는 A-법칙 변환 대신에 선형 A/D 변환을 사용하기 위하여, 디지털 모뎀의 연결을 감지하는 전환 전송 경로(switched transmission path)의 블록도.

도2는 도1의 코덱과 디지털 모뎀을 상세히 도시하는 도면.

본 발명의 원리에 의하면, 본 발명의 한 실시예에서 네트워크 코덱의 양자화 레벨은 음성 통신보다는 데이터 통신에 적합하게 만들어져 있다. 디지털 모뎀은, 데이터 호출이 이루어졌다는 것을 코덱이 인식하도록 하는 신호를 디지털 모뎀에 연결된 네트워크 코덱에 보낼 것이다. 데이터 호출이 이루어졌다는 것을 인식하자 마자, 코덱은 작동 모드를 변환하여, 일반적인 음성 호출에 사용하는 μ-법칙(또는 A-법칙) 변환 규칙을 사용하는 것을 중지하고, 대신에 아날로그 데이터 신호의 진폭을 데이터 통신에서 더 일반적으로 사용되는 동등한 디지털 코드로 선형으로 변환한다. 유리하게는, 이러한 인식은 2100 Hz의 위상 반전을 가진 응답 톤(answer-tone-with-phase-reversal)(ITUT 추천 G.165에서 규정되어 있음)이 전송되는 동안에 일어날 수 있는데, 이 위상 반전을 가진 응답 톤은 호출에 사용하기 위해 흔히 연결되어 있는 모뎀에 의해 전송된다. 종래 기술에서 이 2100 Hz의 톤(tone)은, 네트워크가 호출하는 모뎀에 응답 신호를 제공하는 외에 반향 소거 장치(echo cancellers)의 연결을 끊거나(disconnect) 바이패스(bypass)하기 위한 신호로서, 모뎀에 의하여 전송된다. 본 발명에 의하면, 2100 Hz의 톤은 이 목적을 위하여 계속 사용될 것이다. 그러나, 2100 Hz의 톤의 순간적인 진폭을 나타내는 8 비트 디지털 PCM 코드가, 이 톤을 생성하는데 모두 사용되지는 않을 것이다. 대신에 디지털 모뎀이 연결되면, 2100 Hz의 톤을 나타내는 코드의 하나 이상의 최하위 비트의 자리는 2100 Hz의 톤의 정확도를 현저히 떨어뜨리지 않으면서, 디지털 모뎀 연결이 이루어졌다는 신호를 관련된 코덱에게 보내기 위해서 할당("약탈")될 수 있다. 이러한 비트들은, 코덱이 μ-법칙 또는 A-법칙 코딩에서 선형 코딩으로 변환할 수 있도록 PCM 모뎀 연결이 이루지고 있다는 표시를 네트워크 코덱에게 제공하는데 사용된다.

도 1에서, 중앙 교환국(200)은 다양한 가입자 댁내 및 멀리 떨어져 있는 사무실들로 연결되어 있는 다수의 아날로그 회선들 사이를 상호 연결하는 역할을 한다. 통상적인 아날로그 회선들은 종래의 아날로그 전화기(102) 및 고객의 모뎀(101)으로 연장되는 회선(104)이다. 모뎀(101) 또는 전화기(102)로부터 타임 슬롯 교환 교환기(time slot interchange switch)(204)를 통하여 접속을 연장시키기 위하여, 펄스 코드 변조(PCM) 및 4선식 경로(four wire path)가 사용된다. 회선 인터페이스 유닛(201)은 다수의 쌍방향 아날로그 회선을 수용할 수 있는데, 이러한 회선 인터페이스 유닛(201)은 그러한 각 아날로그 회선(104)을 단방향 "4선식" 경로로 변환하기 위한 각각의 하이브리드(hybrid)를 포함하고 있다. 잘 알려진 회선 인터페이스 유닛의 형태는 8명의 가입자 회선을 수용하는 루센트 테크놀러지스사(Lucent Technologies Inc)에 의해 제조된 T7536/L7585 칩 세트이다. 4선식 경로에서, 코덱(202)은 그러한 다수의 회선 인터페이스 유닛을 수용하도록 다중화될 수 있는데(도시되어 있지는 않음), 이 코덱(202)은 회선 인터페이스 유닛(201)에서 나오는 아날로그 신호를 교환기(204)를 통하여 전송하기 위해서 이 아날로그 신호를 PCM 코드로 변환한다. 코덱(202)은 또한 교환기(204)로부터 수신된 PCM 신호를 아날로그 회선(104)에 연결되어 있는 회선 인터페이스 유닛(201)을 통하여 전송하기 위해서, 이 PCM 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 잘 알려진 코덱의 형태는 루센트 테크놀러지스사에 의해 제조된 T7531인데, 이것은 개별의 전송 및 수신 이득 조정과 같은 프로그램 가능한 채널마다의 특징을 제공하고, 디지털 신호 프로세서의 제어 하에 아날로그 신호를 μ-법칙 또는 A-법칙에 의해 변환하는 기능을 제공한다. 전술한 회선 인터페이스 유닛 및 코덱은 1997년 1월 21일 발행된 D.G. 마쉬(Marsh)등에 의한 미국 특허 제5,596,322호에 간단히 기재되어 있다.

음성 호출(voice call)이 있자 마자, 회선 인터페이스 유닛(201) 및 코덱(202)은 회선(104)으로부터 아날로그 음성 신호를 받아들이기 위해 직렬로 동작하고, 교환기(204)를 통하여 전송하기 위해서 이러한 음성 신호를 μ-법칙 또는 A-법칙 변환 방법을 사용하여 PCM 코드로 변환한다. 마찬가지로, 종래의 아날로그 모뎀(102)으로부터 다른 아날로그 모뎀(도시되어 있지는 않음)으로 모뎀 호출이 있자 마자, 코덱(202)은 음성 호출에 사용되었던 것과 동일한 μ-법칙 또는 A-법칙 변환 방법을 사용한다. 그러나 본 발명에 의하면, 고객의 모뎀(101)로부터 중앙 교환국(200)을 통하여 디지털 모뎀(310)으로 접속하는 호출이 있자 마자, 코덱(202)은 상이한 코딩 방법을 사용한다. 디지털 모뎀(310)은 예를 들어 잘 알려진 T1 포맷을 사용하는 디지털 전송 회선(300)을 통하여 중앙국(200)에 연결되므로, 디지털 모뎀(310)에서 모뎀(101) 쪽으로 가는 신호는 아날로그에서 디지털로 변환할 필요가 없게 된다. 그러나, 고객의 모뎀(101)에서 오는 아날로그 신호는 교환기(204)를 통하여 전달되기 위해 디지털 형태로 변환되어야 한다. 지금까지 코덱(200)은 음성 호출에 사용된 것과 동일한 μ-법칙 또는 A-법칙 변환 방법을 사용했었다. 또한, 디지털 모뎀(310)이 호출한 모뎀(101)에게 그 호출이 응답되었다고 신호를 보내는 것 뿐만 아니라, 전송 경로에 있는 반향 소거 장치(echo canceller)(도시되어 있지는 않음)를 비활성화하기 위해서 위상 반전을 가진 2100Hz 의 음을 다시 보내는 것이 표준적인 관행이었다.

종래에는, 모뎀(310)이 450 +/- 25 밀리세컨드마다 주기적인 위상 반전을 가진 -12 +/- 6 dBm0의 레벨에서 2100 Hz 톤 +/- 15 Hz를 보냄으로써 응답하였다. 도 2를 보면 잘 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 원리에 의하면 2100 Hz 톤을 인가하기 위하여 2100 Hz 톤 생성기(320)가 전송 경로에 연결되어 있을 때, 패턴 P1 삽입 회로(330)가 작동하게 된다. 삽입 회로(330)는 유리하게는 2100 Hz 톤을 생성하는 8 비트 PCM 코드의 하나 이상의 비트 위치를 할당하기 위하여 "비트 약탈(bit robbing)" 방법을 사용한다. 상기 할당된 비트 위치, 유리하게는 8 비트 코드의 최하위 두 비트 위치에 미리 결정된 패턴 "P1"이 삽입된다. 유리하게는, 패턴 P1은 반복적인 16 비트 패턴일 수 있는데, 0xF0과 같은 패턴을 제공하는 처음 8 비트는 디지털 모뎀이 호출에 연결되어 있다는 것을 나타내고, 그 다음의 8 비트는 부호가 없는 정수(unsigned integer)로서 코딩될 수 있으며, 디지털 모뎀에 의해 지원되는 버전을 나타낸다. 이 패턴은 전송 경로에게 디지털 모뎀 연결이 이루어졌다는 것을 확인시켜준다. 본 발명에 의하면, 패턴 P2 삽입 회로(207)에 연결된 리드(lead)(206)를 활성화시키는 패턴 P1의 출현에 응답하는 패턴 P1 검출 회로를, 코덱(202)이 전송 경로 내에서 포함하고 있다. 리드(206)의 활성화로 인하여, 회로(207)는 P1 패턴을 수신하였음을 알리는 P2 패턴을 디지털 모뎀(310) 쪽으로 전송하고, 또한 모뎀(310)에게 선형인 PCM 코드 코덱이 존재한다는 것을 알린다. P2 패턴은 코덱으로부터 디지털 모뎀 쪽으로 전송된 신호에 대응하는 PCM 샘플들의 비트 위치 7 및 비트 위치 8에서 16 비트로 구성될 수 있는데, 이 디지털 모뎀은 디지털 모뎀에 의해 전송된 신호의 에코(echo)뿐만 아니라, 모뎀에 의해 보내진 톤을 포함할 수 있다. 이 P2 패턴의 처음 8 비트는 0xF1과 같은 확인 응답(acknowledgement) 패턴을 포함할 수 있고, 부호 없는 정수로서 코딩될 수 있는 그 다음의 8 비트는 코덱에 의해 지원되는 버전임을 나타내기 위해 사용될 수 있다. 디지털 모뎀(310)에서 P2 패턴은 P2 패턴 검출 회로(340)에 의해 검출된다. 이런 P1 패턴과 P2 패턴의 교환을 통하여, 디지털 모뎀(310)은 연결되어 있는 선형 모드 가능 코덱의 존재를 확립한다. 동시에, ITU-T 추천 v.8 및 v.8 bis에서 표준화된 일반적으로 사용되는 음성 대역 신호와 같은, 모뎀(101)과 모뎀(310) 사이에 사용된 초기의 핸드쉐이킹(handshaking) 신호를 사용하여, 디지털 모뎀(310)의 모뎀 수신 프로세스(350)가 선형 모드 가능 아날로그 모뎀(101)의 존재를 확인한다. 양 세그먼트의 연결, 즉 선형 모드 가능 아날로그 모뎀(101)으로부터 선형 모드 가능 코덱(202)으로의 연결 및 선형 모드 가능 코덱(202)으로부터 모뎀(310)으로의 연결을 적합하게 하면서, 디지털 모뎀 전송 프로세스(351)는 패턴 P3을 코덱(202)으로 보내기 위하여 패턴 P3 삽입 회로(360)를 활성화시킨다. 코덱(202)에서 패턴 P3 검출 회로(208)는, 선형 모드 동작이 회로(212)에 의한 D/A 변환 및 회로(210)에 의한 A/D 변환에서 사용되게 하는 리드(209)를, 트레이닝 시퀀스(training sequence)에서의 적당한 시점에서 활성화하기 위하여 P3 패턴에 응답한다. 코덱 또는 아날로그 모뎀으로부터 선형 모드에 대한 지원이 없으면, 디지털 모뎀(310)은 패턴 P3을 보내지 않고, 호출은 선행 기술에 따라 계속 진행된다.

상기한 바와 같이, P3 패턴의 수신에 응답하여, 코덱(202)은 선형 A/D 변환부(210b)를 활성화하여, 가입자로부터 수신한 업스트림(upstram) 아날로그 신호를 디지털 형태로 변환한다. 채널의 다운스트림(downstream) 쪽에서, 코덱(202)은 유리하게는 선형 D/A 변환부(212b)를 활성화하여, 최하위 바이트인 8개의 0을 시프트함으로써 디지털 모뎀(310)으로부터 수신된 보통의 8 비트 PCM 코드를 16 비트 선형 코드로 변환한다. 유리하게는, 코덱은 사전 코딩 보상(pre-coding compensation)을 위하여 16 비트 패턴을 톰린슨 필터(Tomlinson filter)(도시되어 있지는 않음)를 통해 통과시킬 수도 있다. 톰린슨 필터의 출력에서, 신호들은, 코덱이 정상 모드 동안에 μ-법칙 코드 워드의 16 비트 선형 등가물(16 bit linear equivalents)을 통상 처리하는 것과 마찬가지 방식으로 코덱의 수신 회로에 의해 더 처리될 것이다.

지금까지 실시예의 원리들에 대해 설명하였다. 당업자들은 본 발명의 의도 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러가지 수정과 변경을 가할 수 있을 것이다.

PCM 코드 신호가 (음성 신호가 아닌) 데이터를 나타내는 경우, 아날로그 데이터 신호를 PCM 코드로 선형 변환하는 것에 의해, 대수적 양자화 잡음이 방지될 수 있다. 이러한 양자화 잡음의 방지에 의하여 고속의 데이터 전송 속도가 얻어질 수 있다.

Claims

μ-법칙 또는 A-법칙과 같은 비선형 인코딩 법칙이나 선형 인코딩 법칙에 따라 인코딩할 수 있고 가입자 회선을 인터페이싱하는 코덱과, 상기 코덱으로부터 멀리 있는 디지털 모뎀을 구비하는 디지털 네트워크 시스템에 있어서,

a) 상기 디지털 모뎀이 상기 디지털 네트워크를 통해 상기 가입자 회선 상의 아날로그 모뎀과 연결된 상기 코덱에 전송하는 패턴 신호를 감지하는 수단과,

b) 상기 멀리 있는 디지털 모뎀 및 상기 아날로그 모뎀 사이에 교환된 신호들을 변환하기 위하여 상기 선형 인코딩 법칙을 사용하도록 상기 코덱을 제어하기 위해 상기 패턴 신호에 응답하는 수단을 포함하는 디지털 네트워크 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 모뎀은 상기 네트워크에서 접속될 때에 응답 톤을 나타내는 코드를 보내고,

상기 패턴 신호에 응답하는 수단은 데이터 호출이 이루어지고 있음을 표시하는 상기 응답 톤을 나타내는 코드의 하나 또는 그 이상의 최하위 비트 위치들을 검출하는 상기 코덱에서의 수단을 포함하는 디지털 네트워크 시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 감지 수단은 상기 코덱이 선형 PCM 인코딩 기능을 가짐을 상기 디지털 모뎀에 통지하는 신호를 상기 네트워크를 통해서 상기 디지털 모뎀에 리턴시키는, 상기 코덱에서의 수단을 포함하는 디지털 네트워크 시스템.
제 3 항에 있어서,

상기 데이터 호출 시에 상기 선형 PCM 인코딩 기능을 사용하도록 상기 디지털 모뎀으로부터의 또 다른 신호에 응답하는, 상기 코덱에서의 수단을 더 포함하는 디지털 네트워크 시스템.
제 1 항의 디지털 네트워크 시스템에 사용하기 위한 디지털 모뎀에 있어서,

상기 디지털 모뎀이 상기 네트워크에 연결되는 것에 부수하여 상기 코덱과 제어 신호들을 교환하는 그것의 기능을 식별하도록 디지털적으로 발생된 톤을 전송하는 수단을 포함하는 디지털 모뎀.
제 5 항에 있어서,

상기 디지털적으로 발생된 톤은 주기적 위상 반전들을 갖는 2100Hz인 디지털 모뎀.
제 5 항에 있어서,

상기 디지털 모뎀의 상기 기능들을 식별하도록 상기 디지털적으로 발생된 톤의 최하위 비트 위치들에 미리 결정된 패턴을 삽입하는 수단을 포함하는 디지털 모뎀.
제 7 항에 있어서,

상기 코덱이 상기 선형 인코딩 법칙에 따라 동작할 수 있음을 나타내는 상기 코덱으로부터의 신호에 응답하여 상기 코덱으로 하여금 선형 인코딩 법칙에 따라 동작하게 하도록 상기 코덱에 신호를 전송하는 수단을 더 포함하는 디지털 모뎀.
제 1 항의 디지털 네트워크 시스템에 사용하기 위한 코덱에 있어서,

선형 인코딩 법칙에 따라 인코딩하는 기능을 식별하는 신호를 상기 네트워크를 통해 전송하는 수단을 포함하는 코덱.
제 9 항에 있어서,

디지털 모뎀의 상기 코덱과의 접속에 부수하여 상기 네트워크를 통해 전송된 신호를 수신하는 검출 회로와,

상기 검출 회로에 응답해서 아날로그 데이터 신호들을 디지털 코드들로 변환하기 위해 상기 선형 인코딩 법칙을 채용하는 수단을 포함하는 코덱.
제 9 항에 있어서,

상기 검출 회로에 의해 감지된 상기 신호는 위상 반전을 갖는 응답 톤인 코덱.
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