CN1135777C - 允许高比特率的用户线路的数字*** - Google Patents

Abstract

电信网中甚高比特率的用户线路连接包含一个与线路单元(1)相连的用户线路(5)以及通过双绞线(7)连接到的用户单元(9)。通过使用频率复用和正交载波在电缆中双向地交换信息。每一个线路和用户单元都包含有对输入符号确定反傅立叶变换的调制单元(19、37)和对电缆(7)中传输的信号流样值进行离散傅立叶变换的解调单元(29、43)。在一个方向上用于传输的变换单元(19、29)中使用与相反方向上的变换单元(37、43)中所使用的载波不相同的载波。选择载波时要使得至少在一个方向上可以通过利用变换的特定特性来减少所要求的计算量。在从用户(3)出发的方向上，在变换单元(37)中只使用偶数标号的载波，然后，被送到电缆(7)上的输出信号将会由一个其长度只有使用所有载波时的一半长度的被重复的序列组成，使得只需计算和重复具有一半长度的序列。在接收这种重复两次的信号的变换单元(43)中，接收的符号被分割成相等的两段，再将其相互相加，然后进行压缩的变换操作。在相反方向上，总是可以计算使用所有载波的变换。还有，最低的频率总可被分配给指向用户的方向，这是由于：在相反的方向上，低频段的传输对于噪声和干扰特别敏感，应该被避免使用。

Description

允许高比特率的用户线路的数字***

发明技术领域

本发明涉及允许以高比特速率、特别是甚高比特速率通信的用户线路的数字***。

发明背景

目前在电信网中存在着把高比特率通信延伸到线路用户端的需求，以及提供高速数字通信到公寓、私人家庭和住宅等的需求。延伸到该相应地理位置的电缆***的造价不应该太高，并且要尽量使用现有通信中的普通双绞线。

实现这种高速通信的建议方法在Telia AB和Mikeal Isaksson的已经公开的国际专利申请WO97/06619中有阐述。该方法还在Telia Research AB的Mikael Isaksson等人的文献“滑链--一种用于基于DMT的VDSL的双工方案建议(Zipper-a Duplex SchemeProposal for VDSL Based on DMT)”(ANSI T1E1.4/97-137，T1E1.4技术分委员会工作组)中有简要描述。在适用于VDSL(甚高比特速率数字用户线路)的先有***中，双工或双向通信是通过使用DMT(离散多音调制)来完成的，其中信号在相同的两根线上被双向地发送。在这种方法中，在每一个方向上信息都被调制到多个频率互不相同的载波上，在总体上是根据一种使用正交载波且被称为OFDM(正交频分复用)的方法来选择调制方式和载波的。在通信中，载波频率以这种方式被分开：其中一些被用于下行方向即指向用户的方向，而其它一些则被用于上行方向即从用户到交换机方向。这样就获得了真正的双工通信，其中在任何时刻信息都是双向传送的。这种方法可以被称做OFDD(正交频分双工)。在优选实施例中，每隔一个的载波频率被用到一个方向上，而余下的另外一些，当然也是每隔一个地被用在相反的方向上的传播信号。这样，偶数载波可以被用到下行方向，而奇数载波可以被用于上行方向。

这建议方法的缺点在于，通信信道的每一端都必须要同时计算FFT(快速傅立叶变换)和IFFT(反快速傅立叶变换)，但是在与之相竞争的TDD(时分双工)方案中就避免了该计算。这就要求通信信道两端的处理器要工作在很高的时钟频率上。

正交载波的使用和在数字电视广播领域内的相关变换方法在1995年3月的IEEE Transanctions on Broadcasting第41卷第1期第1到6页的William Y.Zou等人的文章“COFDM:概述(COFDM:Anoverview)”中有描述。其基本原理在1985年7月的IEEETransactions on Communications第33卷第7期第665到675页的Leonard J.Cimini的文章“对应用正交频分复用的数字移动信道的分析和仿真(Analysis and simulation of a digital mobilechannel using orthogonal frequency division multiplexing)”中和已公开的欧洲专利申请EP-A1 0 616 445中也有讨论。

使用正交频分复用的***在欧洲专利申请0 668 678中有阐述，其中双数的信道可以被用于发送和接收而不会明显地增加处理的复杂程度。该***和相应的方法并不考虑去简化所必要的计算，而相反是使用可利用的处理器去传送更多的信息。该***并没有使用在刚才所引用的国际专利申请WO97/06619和Mikael Isaksson等人的文献中所提出来的“滑链”载波频率方案。

发明概要

本发明的一个目的在于提供一种在例如真双工线路的单一线路或通信信道上双向地传送信息的方法，同时允许在线路或通信信道两端所必须的运算量可以达到最小。

本发明的另一个目的在于当信息在线路或通信信道上被发送时适当地选择载波频率，以使得OFDD可以被有效地利用。

本发明还有一个目的就是选择在线路上发送信息的载波，以使得在使用OFDD时，噪声和干扰能够得到减小。

这样，如果在上、下行方向上以合适的方式选择载波，DFT(离散傅立叶变换)和IDFT(反离散傅立叶变换)的某些特性就可以被利用来减少所要求的计算量。因此可以看出，如果DMT发射机只使用偶数标号的载波，则时域输出的信号会包含只有原始序列长度一半的重复序列。这一点可以通过如下方式被利用：计算一半长度的序列，然后对其进行重复。以相同的方式，如果DMT发射机只使用标号是4的倍数的载波，则一个序列要被重复四次，DFT和IDFT的长度只有原始序列的四分之一，且输出的信号也必须要被重复四次，等等。

就这样，总体上可根据在所引用的国际专利申请WO97/06619和Telia Research AB的Mikael Isaksson等人的文献中所建议的方式来设计电信网络。该网络一般至少要包含两个相互之间可以双向地交换信息节点。每一个节点包含第一变换装置，它被设计用来把发送到另外一个节点的数字信息从频域变换到时域，且第一变换装置在该变换中使用时域正交载波，然后生成变换后的信息。每一个节点还包含与第一变换装置相连的传递装置，该传递装置可以向另外一个节点传送变换后的信息。而且在每一个节点中都有一个用于接收来自另一节点信息的接收装置，以及每一个节点还包含与接收装置相连的第二变换装置。第二变换装置被设计用来把接收装置所接收的信息从时域变换到频域。第一变换装置和第二变换装置被设计成可根据离散傅立叶变换或反离散傅立叶变换来变换信息。一个节点中的第一变换装置中使用的载波频率与另一个节点中使用的载波是不相同的，并且第一变换装置只对一部分载波确定傅立叶变换或反傅立叶变换，然后当进行所需要的或适当次数的变换时，它实际上重复所获得的变换值。另外或在此附加说明，用于在一个方向上通信的载波可以包含低频段内所有的频率。

另一节点中的第二变换装置通过把接收信号分割成段，从而确定分别进行反离散傅立叶变换或离散傅立叶变换，然后必须至少将两个连续段相互相加，并且最后根据相加的结果来计算变换值。

有益的是，一个节点中的第一变换装置与另外一个节点中的第二变换装置仅仅使用偶数标号的载波。

节点中的第一变换装置可以包含编码器装置，它被设计用来把要变换的信息编码成适于根据使用一部分载波的离散傅立叶变换或反离散傅立叶变换来进行变换的符号。被包含在该一部分中的载波有这样的优选标号，即为2，4或8等的2的多个幂次的标号。

本发明附加的目的和优点将要在随后的描述中给出，其中的一些可以在描述中明显地看到，或者可以在本发明的应用中得到体会。本发明的目的和优点可以通过在附属的权利要求中具体指出的该方法、过程、手段和组合来实现。

附图简述

参考附图并且考虑随后给出的非限制的实施例的详细描述，可以更好地理解在附属的权利要求中特别提出的本发明的创新特性，并且完整地理解本发明的组织结构和内容以及从发明中所得到的上述及其它的一些特性，其中：

图1是用于与用户进行通信的网络部分的框图，

图2是描述用于调制要被发送的信息的高效变换单元工作的框图，

图3a和3b是描述用于恢复被发送的短序列的加法操作的简图，

图4是描述用于解调已接收信息的高效变换单元的工作的原理图，

图5a和5b是描述用于分配非对称通信的载波频率的原理图。

发明详述

图1中框图所描述的***是电信网的一部分，它描述了通过对发送的信息使用DMT(离散多音)调制以便实现从传输网1到用户3的连接。比特流分别从传输网1到达线路单元5或者从线路单元5到达传输网1。一对铜双绞线7从线路单元5延伸到用户单元9，该用户单元9可以与由用户3使用的电话机11、计算机13、传真设备15和其它输入输出电子设备相连接。从传输网1到达线路单元5的比特流在编码器17中被编码组成合适的符号，这些符号被输入到与编码器17的输出端相连的IFFT单元19。IFFT单元19的输出端与数/模转换器21相连，该转换器的输出通过混合电路23连接到双绞线7。在用户单元9中双绞线7以同样的方式连接到混合电路25。混合电路25的输出信号被送到模/数转换器27，该转换器的输出连接到用于执行计算功能的FFT单元29，该计算结果被送到与FFT单元29输出相连的译码器31。译码器31的输出连接到用户接口33，在其中，根据该单元所要接收的例如是语音消息还是数据信号的比特流来处理接收到的且已被译码的比特。就这样，用户接口33要有用来连接各种的用户设备11、13、15等的终端。

同样地，从用户设备11、13、15等之一输出的、传送到用户单元9的信号可由用户接口33处理，所得到的比特流在编码器35中被编码。被编码的符号然后在IFFT单元37中得到处理，所变换后的数据在数/模转换器39中被转换成模拟形式。由数/模转换器39的输出的信号被送到混合电路25，再由该电路把模拟信号传送到双绞线7上。所传送的信号由线路单元5中相应的混合电路23接收，且在模/数转换器41中被转换成数字形式。在FFT单元43中处理该数字信号，所得到的符号在译码器45中被译码，从而产生比特流以便从线路送到传输网。编码器、译码器、数/模和模/数转换器以及混合电路分别是采用正交载波的通信***和双线用户连接的信号传输领域内所熟知的组成单元。混合电路23、25从线路或用户单元接收信号，并把该信号通过双绞线7进行传输，从而生成非理想状态的、偏差可能最小的信号，该信号被同时或自动地送到与各个相应的线路和用户单元的内部部分相连(例如与在其中所提供的模/数转换器相连)的混合电路的输出端。

图1所示的用户连接中使用的DMT(离散多音)调制和解调过程一般包含：首先，编码器17、35把串行到达的输入符号变换到适当的并行形式；然后由变换或IFFT单元19、37对多个载波进行调制。被调制的载波在IFFT单元中在最后一步中相互相加，其所得到的结果被送到数/模转换器21、23。当对接收的采样信号进行解调时，进行相应的处理。

通过在调制中使用反离散傅立叶变换(IDFT)和解调中使用直接离散傅立叶变换(DFT)可以有效地实施调制和解调过程。如图中给出的IFFT单元19、37和FFT单元29、43那样，IDFT和DFT的计算方案可以被改进成各种形式的用于调制的反快速傅立叶变换IFFT和用于解调的直接快速傅立叶变换FFT。

下面讨论单方向上的通信。对输入比特流进行编码(在17或35中)可得到符号矢量{X₀，X₁，…，X_2N-1}，由下式通过反离散傅立叶变换(在19或37中)计算时域的序列{x₀，x₁，…，x_2N-1}： $x_n=\frac{1}{2N}\underset{m=0}{\overset{2N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_m{W}_{2N}^{-\mathrm{mn}}.......\left(1\right)$ 对于n＝0，1，…，2N-1，其中 $W_N=e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}}........\left(2\right)$

如果我们假设原始信号中只出现偶数成分，即X_2k+1＝0，k＝0，1，…，N-1，这就意味着必须要调整在编码器17、35中进行的前面的编码过程，得到如下的公式： $x_n=\frac{1}{2N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{2k}\·W_N^{-\mathrm{kn}}......\left(3\right)$

然而，W_N是以N为周期的，所以x_n也是以相同间隔为周期的，即：

x_n＝x_n+N                                              (4)

这样，时域序列{x₀，x₁，…，x_2N-1}可以由重复序列{x₀，x₁，…，x_N-1}而得到，该序列为去掉零的该符号矢量的反离散傅立叶变换，即，此时域序列实际上为{x₀，x₁，…，x_N-1，x₀，x₁，…，x_N-1}。

当原始符号矢量中只包含标号为4的倍数的载波的情况下，时间序列中就会有相应的4次重复，其中第一组成部分在时域序列中被重复4次。对于标号为8、16等倍数的载波成分来说，相应的情况也成立，于是变换导致第一部分变换值分别做8次、16次的重复。这在图2中有说明，其中在装置201中实行一次其长度被减缩R倍的IFFT操作，从而产生这样一序列值，该序列值在接收装置203中被重复R次，以便产生出用于传送到数/模转换器去的值。

当只有奇数载波在单方向上用于传输的情况下，即X_2k＝0，k＝0，1，…，N-1，则与上面所简述相应的计算会更加复杂一些。不同的是，信号必须被重复但同时被取反。这种情况下，每个采样必须要在时域内做额外的复数乘法。

通过只具有N点的FFT来计算2N个实输入信号点的FFT的方法是存在的，这可以参见1992年MacMillan出版公司出版的J.G.Proakis和D.G.Manolakis的著作“数字信号处理”第708页到714页。用于2N个点的实输出信号的IFFT的相似的方法也可以得到。在只有奇数标号载波的情况下，由于更加复杂的重复过程，不能够直接应用这些分别适用于实输入和输出信号的方法。因此，在最简单实用的方案中，在单方向上对传输来说，载波标号应该优选2、4、8等的倍数。对于其它用于反方向上信号传输的频率来说，要计算使用所有载波频率的离散傅立叶变换。

与上面所描述的反傅立叶变换相对应，由于离散傅立叶变换也具有周期性，所以在接收机中也可能减少解调的计算量。如图3a和3b中所示，接收到的符号被分成相应数量的相同长度的较小部分，并且会把这些部分相加起来。然后计算具有较小数量的标号的压缩的FFT。例如，对于含有偶数标号的载波来说，每个接收符号被分成两个等长度的部分，这两部分要相互相加。而且，加法操作导致所有的非需要的载波被清除掉，并且进而可以减少接收机中的噪声和干扰，并且例如当只使用偶数标号的载波时，在接收机中只计算一半标号数的FFT。

在图4中给出进行加法计算的简单电路。输入样值流被传送通过求和节点401，即从它的一个输入端到输出端，再到具有只能容纳适当被分割的较短长度的存储器403。输入的时域样值的第一部分被传送通过存储器403，并由开关405的控制返回到求和节点401的第二输入端，并且在此与输入样值流的下一部分相加。按所要求的次数重复这个过程，然后开关405拨到另一个位置上以便把相加过的、平滑的样值流输入到FFT单元407去计算压缩了数量的输入值的频域值。

在通信信道中的对称全双工的通信中，特别是在双绞线7中，信息可以在两个方向上以相同的速率传输。如现有技术所建议的那样，偶数标号的载波可以被用到一个方向上，而奇数标号的载波可以被用到相反方向上。在使用偶数标号载波的方向上，调制和解调所需要的计算量可以被减到通常情况下对所有载波计算离散傅立叶变换的计算量的一半。在使用奇数标号载波的方向上，最好考虑使用计算所有载波的变换，这样总体来说，与应在两个方向上都使用计算所有载波的变换相比，计算量会节省(1-(1+1/2)/2＝)1/4。在有些情况下并不要求对称的通信(例如发送如电影等的视频数据到家庭)，这样可以例如以不对称的方式来分配可用的载波频率，从而在总的载波数量中，每4个或每8个载波频率中就有一个被用来发送来自用户端的信息。于是在来自用户的方向上在变换单元37和43中所要求的计算量将是使用所有载波的变换所要求的计算量的1/4和1/8，这分别节省计算量3/8和7/16。

在优选的非限制的实施例中，总是在下行方向上、也就是指向用户的方向上计算使用所有载波的变换。这就进一步导致了在上行方向上(也就是来自用户的方向上)被使用的一部分载波并不应在该方向上被用来传送信息，而是在相反的方向上被用于传输。这一点可以在规划使用频率的选择中被加以利用。例如，如果考虑干扰因素，在上行的方向上应该避免低载波频率，这些频率可以通过相应地修改在编码器17、35中进行的编码过程而被用于下行方向传输。

在图5a中，可用的频率被图示为被安排成一排的并列的矩形，矩形在一排中的位置表示所代表的频率的索引号或标号。在使用标号为4的倍数的载波的上行通信的情况下，每四个频率中的第4个被用于上行信令，如图中由标有交叉粗实线的矩形来表示的那样。如图5b中所示，它们中的低频载波被转移到用于下行方向上的传输，如图中由标有交叉细实线的矩形来表示的那样。

这样，已经描述了一种允许使用例如功能不很强大的处理器的、具有简化的计算需求的电信网。可以通过使用的对称或非对称的数学变换的特性来实现这一点。

虽然在此给出并描述了本发明的特定实施例，但是对本领域的技术人员来说，许多附加的优点、修改和变化都将很容易地得到。因此，本发明在其较宽范围上并不局限于某些特定细节、有代表性的设备和在此给出并描述的实例。相应地，所做出的各种修改没有脱离附属的权利要求及其对等同物中所定义的总的发明构思的精神或范围。因此附属的权利要求应涵盖所有落入本发明的精神实质范围之内的修改和变化。

Claims (7)

1.一种电信网，至少包含两个可以相互双向地交换信息的节点，每一个节点包含：

用于对发送到另一个节点的数字信息进行变换的第一变换装置，所述第一变换装置被设置为通过使用时域的正交载波把数字信息从频域变换到时域，从而产生变换的信息，

与第一变换装置相连的传递装置，该传递装置被设置为向另一个节点传递变换后的信息，以及

用于从另一个节点接收信息的接收装置，

与接收装置相连、并且用于把从接收装置接收到的信息从时域变换到频域的第二变换装置，

该电信网的特征在于：

第一变换装置和第二变换装置被设置为根据离散傅立叶变换或反离散傅立叶变换来变换信息，

其中一个节点中第一变换装置使用与另一个节点中使用的正交载波频率不同的正交载波频率，

第一节点中的第一变换装置，被设置为决定对部分正交载波实行的离散傅立叶变换或者反离散傅立叶变换，从而生成变换值，然后重复变换值。

2.权利要求1中的网络，其特征在于第二节点中的第二变换装置与第一节点中的不同，它被设计成通过把接收信息分割成段，以便确定分别实行反离散傅立叶变换或离散傅立叶变换，必须至少把连续两个段相互相加，然后根据相加的结果计算变换值。

3.权利要求1或2所述的网络，其特征在于第一节点中的第一变换装置和另一个节点中的第二变换装置被设计成只使用偶数标号的正交载波。

4.权利要求1或2所述的网络，其特征在于第一节点中的第一变换装置包含编码器装置，它被设计用来把要变换的信息编码成适于根据使用一部分正交载波的离散傅立叶变换或反离散傅立叶变换来进行变换的符号。

5.权利要求1或2所述的网络，其特征在于，包含在所述部分正交载波中的正交载波的标号是2的多个幂次。

6.权利要求1或2所述的网络，其特征在于用于在一个方向上通信的正交载波包含低频段中的所有频率。

7.一种电信网，至少包含两个可以相互双向地交换信息的节点，每一个节点包含：

用于对发送到另一个节点的数字信息进行变换的第一变换装置，所述第一变换装置被设置为在变换过程中，使用时域的正交载波来把数字信息从频域变换到时域，从而产生变换的信息，

与第一变换装置相连的传递装置，该传递装置被被设置为向另一个节点传递变换后的信息，以及

用于从另一个节点接收信息的接收装置，

与接收装置相连、用于把从接收装置接收到的信息从时域变换到频域的第二变换装置，

电信网的特征在于：

第一变换装置和第二变换装置被设置为可根据离散傅立叶变换或反离散傅立叶变换来变换信息，

其中在一个节点中第一变换装置被设置为使用与另一个节点中使用的正交载波频率不同的正交载波频率，

用于在一个方向上通信的正交载波包含低频段中的所有频率。

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