NO831190L - Fremgangsmaate og innretning for samtidig overfoering av datasignaler i to retninger over en felles telefonkrets med en gitt, utnyttbar baandbredde - Google Patents

Description

l Oppfinnelsen angår generelt metoder for digital dataoverføring hvor oppringnings-telefonlinjer benyttes som overføringsmedia, og særlig et forbedret modem for utførelse av sådan transmisjon

Transmisjon av digitale data mellom fjerntliggende steder ved benyttelse av oppringnings-telefonlinjer (engelsk: dial-up telephone circuits) er i ferd med å bli stadig mer populært. Telefonsystemet benyttes" på grunn av bekvemheten med et eksisterende system eller anlegg som sammenkopler steder mellom hvilke man ønsker å overføre data. På grunn

av at hovedformålet med telefonsystemet er å overføre bare taleforbindelser, er telefonlinjer meget begrensede i sin

evne til å overføre data. Det har følgelig vært rettet en betydelig oppmerksomhet mot å gjøre maksimal bruk av tilgjengelige telefonlinjer for datatransmisjon. En prinsi-piell begrensning ved telefonlinjer for datatransmisjon er deres smale båndbredde, i hovedsaken innenfor et område på

ca. 100 - 3200 Hz. Modemer er blitt utviklet for å kople digitalt utstyr til telefonlinjene på passende måte for utnyttelse av disse linjer. Da den hastighet med hvilken digitale data kan overføres, avhenger av den telefonlinjebåndbredde som kan utnyttes, har modemutvikling i hovedsaken vært rettet mot å gjøre bedre bruk av de tilgjengelige linje-båndbredder.

Bruken av vanlige totråds-telefonlinjer som over-fører signaler i begge retninger på samme tid, skaper problemer ved full dupleks-datatransmisjon. Ekkoer av data som utsendes i den ene ende av en linje, opptrer vanligvis og returnerer for å" mottas sammen med de ønskede datasignaler i denne ende. To komponenter av sådanne uønskede ekkoer anerkjennes: For det første finnes et ekko fra et fjerntliggende sted som dempes i betydelig grad av telefonlinjen, men som også er høyst uberegnelig på grunn av de tidsvarierende egenskaper av.rikstelefon-bærefrekvenslinjer. Det andre er et lokalt ekko som opptrer i det parti av telefonlinjen som ligger nær sendestedet, idet et lokalt ekko er meget sterkt i signalnivå, men vanligvis lettere å forutsi på grunn av at det er behandlet av bare lineære, tids- invariante elementer. Målet ved behandling av disse ekkoer er å redusere de datafeil som, forårsakes av disse, til et akseptabelt nivå. Problemet elimineres dersom separate telefonlinjer (dvs. fireveis, leide.linjekretser) benyttes for uavhengig overføring av data i hver retning mellom to steder, men imidlertid er det vanligvis mer ønskelig å være i stand til å benytte en eneste oppringnings-telefonlinje av den type som er installert alle steder, og derfor må disse ekkoproblemer behandles. Overføring av data over en eneste totråds-telefonlinje i bare én retning ad gangen (halv dupleksdrift) eliminerer også disse problemer, men man ønsker vanligvis å være i stand til å overføre data samtidig i begge retninger (full dupleksdrift).

En vanlig teknikk med eksisterende telefonmodemer er å utnytte separate deler eller partier av telefonlinje-båndbredden for sending og mottagning. For å unngå ekkopro-blemene, er disse to båndbredder betydelig adskilt ved hjelp av filtre for å være uavhengige, slik at en betydelig del av den tilgjengelige telefonlinjebåndbredde ikke benyttes. Dette resulterer i en vesentlig begrensning av den data-mengde • som kan overføres på grunn av den begrensede båndbredde av sende- og mottagningskanalene.

Den tekniske litteratur foreslår som et alternativ

å utnytte hele båndbredden av telefonlinjen for samtidig over-føring av data i begge retninger. De uønskede ekkoer som vil forårsake forstyrrelse mellom de to kanaler, foreslås elimi-nert ved å forutsi i hvert modem det ekko som vil bli mottatt

'i

av dette som et resultat av de data som utsendes fra dette modem, idet det forutsagte ekkosignal da subtraheres fra det mottatte signal for å eliminere virkningene av ekkoet. Ekko-opphevelsesteknikken er generelt tilfredsstillende for å eliminere virkninger av det lokale ekko, men fjernekkoer er høyst uberegnelige og meget vanskelige å eliminere på grunn av at de har passert gjennom tidsvarierende elementer i telefonbærefrekvenssystemet. Som et resultat er denne foreslåtte teknikk ikke blitt funnet å være benyttet i noe praktisk utstyr som er i stand til å overføre data med en akseptabelt lav feilhyppighet. 1 Det er derfor et hovedformål ved.oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret teknikk for overføring av.digitale data i full dupleks via oppringnings-telefonlinjer med høy hastighet ved hjelp av en effektiv benyttelse av den tilgjengelige telefonlinjebåndbredde, men også med en akseptabelt lav feilhyppighet.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et telefonmodem av enkel konstruksjon for utførelse av sådan datatransmisjon.

Disse og ytterligere formål oppnås ved hjelp av de forskjellige sider ved den foreliggende oppfinnelse ved hvilken, kort sammenfattet, datasignaler overføres i begge retninger over vanlige oppringnings-telefonlinjer i separate båndbreddepartier som til sammen fyller hele den utnyttbare telefonlinjebåndbredde i den grad at- de overlapper hverandre rundt midten av denne båndbredde. Graden av overlapping er tilstrekkelig stor til at signalforstyrrelser forårsaket av det lokale ekko når det virker alene, resulterer i en uak-septabelt høy datafeLlhyppighet, men på samme tid gjøres overlappingen tilstrekkelig liten til at signalforstyrrelser forårsaket av fjernekkoet når det virker alene, normalt er akseptable. De uforutsigelige fjernekkosignaler reduseres til et akseptabelt nivå ved en kombinasjon av dempningen av telefonbærefrekvenssystemet og dempningen av modemets båndsplittende filter. De forutsigelige lokalekkosignaler, som normalt ville være et problem, blir i hovedsaken elimi-nert ved hjelp av en ekkoopphevelsesteknikk. Resultatet er et kommunikasjonssystem som fullt ut utnytter de begrensede båndbreddemuligheter til ordinære telefonlinjer. Full dupleks datatransmisjon med en hastighet på 4800 bits pr. sekund med en meget liten datafeilhyppighet er mulig ved benyttelse av disse teknikker.

Lokalekko-opphevelsen utføres i hvert modem ved å overvåke de data som'overføres i det ene av de to båndbreddepartier, og ved ut fra dette, idet man kjenner lokalekko-banens egenskaper, å forhåndsberegne den komponent av data som mottas i det andre båndbreddeparti som forårsakes ved sådan transmisjon. Det forhåndsberegnede ekkosignal subtra heres detfetter fra det mottatte signal. Anvendelse av den tidligere kjente ekkoopphevelsesteknikk på det foreliggende problem er komplisert ved sending og mottagning av data på nominelt adskilte frekvensbånd. De digitale signalbehand-lingsoperasjoner som inngår i modulering av det utsendte signal og demodulering av det mottatte signal, må utføres ved en samplingshastighet som er flere ganger større enn baud-hastigheten. En ekko-opphever ifølge den kjente teknikk ville også trenge å arbeide med denne hastighet, hvilket resulterer i en meget kostbar realisering. Den foreliggende oppfinnelse er overlegen ved at all ekko-opphevelse •(iberegnet korreksjon for modulasjons/demodulasjons-operasjoner) utføres med baud-hastigheten. Ekko-oppheveren omfatter et filter som.har egenskapene til de tids-invariante komponenter av lokalbanen, og i kaskade med dette en tidsvarierende komponent som er utledet av differansen mellom de to bærefrekvenser. Fordelen med denne teknikk er dens enkelhet. Selv om den er særlig fordelaktig ved den spesielle dataoverfø-ringsteknikk som .her er beskrevet, er den også nyttig i forbindelse med andre transmisjonsstrukturer.

Ytterligere formål, fordeler og. særtrekk ved de forskjellige sider av den foreliggende oppfinnelse vil frem-gå av den etterfølgende nærmere .beskrivelse av en foretrukket utførelse under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av et digitalt-dataoverførings-system som utnytter telefonlinjer i overensstemmelse med de forskjellige sider av,oppfinnelsen, fig. 2 viser båndbredde-fordelingen i overføringssystemet på fig. 1, fig. 3 er et blokkskjema som viser én utførelse av et modem i kommunikasjonssystemet på fig. 1, fig. 4 er et programvare-blokkskjema som viser hovedbehandlingsfuriksjoner i modemet på fig. 3, og fig. 5 viser en variasjon av programvare-blokkskjemaet på fig. 4 for å vise trening eller innstilling av ekko-oppheveren.

Et kommunikasjonssystem som utnytter forskjellige sider av den foreliggende oppfinnelse, skal beskrives generelt under henvisning til fig. 1. Hensikten med systemet er . å tilveiebringe kommunikasjon mellom et digitalt system 11 på ett sted, og et andre digitalt system 13 på et annet sted. På en utgJang . 15 presenterer det digitale system 11 data som skal overføres til.det digitale system 13 i kretser 17. På liknende måte presenterer systemet 13 i en krets 19 data

som skal overføres til systemet 11 i en krets 21. Det digitale system 11 omfatter et modem 23 for sammenkopling av det digitale system 11 med en standard totråds-telefonlinje 25.

På det fjerntliggende sted inneholder systemet 13 på liknende måte et modem 2 7 for sammenkopling av modemet med en tbtråds-telefonlinje 29.

Telefonlinjene 25 og 2 9 danner som et typisk eksempel forbindelse fra en abonnents hjem eller forretning, hvor det respektive digitale system og modem er beliggende, til telefonkompani-telefonsentraler 31 og 33. Mellom telefonsentraler kommuniserer de fleste telefonsystemer ved hjelp av separate totrådskretser eller totrådslinjer 35 og 37 som hver fører signaler i bare én retning. En hybridkrets 3 9 benyttes spesielt for å forbinde de separate transmisjons-kretser 35 og 37 med totrådslinjen 25 i hvilken kommunikasjon finner sted i begge retninger samtidig. På liknende måte er en hybridkrets 41 anordnet i telefonsentralen 33 for å forbinde de separate kretser 35 og 37 med den eneste totråds-linje 29. Beskaffenheten av sådanne telefonlinjer er slik at det er et signaltap i hver retning mellom kommunikasjons-systemets endepunkter, fra noen få decibel:opp til så mye som 35 decibel og kanskje mer i noen linjer.

Modemene 23 og 27 har lik utforming bortsett fra at området av overførte frekvenser for det ene er området av de mottatte frekvenser for det andre. Idet modemet 2 3 betraktes som typisk, mottar en sender 4 3 digitale data for sending i kretsene 15 og omformer dataene til .talebåndsig-naler i to ledere 45. En mottaker 4 7 mottar talebånddata-signaler i to ledere 4 9 og omformer disse signaler til digitale data i en krets 21. En hybridkrets 51 forbinder de to lederpar 45 og 4 9 med den eneste telefonkomrnunikasjons-totrådskrets 25. En ekko-opphevelseskrets 53 som skal beskrives inngående i det følgende, mottar som inngangssignal data som overføres i telefonlinjen 25 via senderen 43, og utvikler ut fra disse data et signal som subtraheres fra mot takerens 47 signal for å fjerne en eventuell del av det mottatte signal som skyldes utsendelse fra den samme ende av kommunikasjonssystemet.

Idet det henvises til fig. 2, skal et eksempel på sende- og mottagningsbåndbredder for modemene 23 og 27 på fig.

1 beskrives. Den maksimale, utnyttbare båndbredde for en

typisk telefonlinje er vist mellom en lav frekvens 57 på ca. 100 Hz, og en maksimal frekvens vist ved 5 9 på<f->ca. 3200 Hz. Et parti 61 av denne båndbredde overfører datasignaler på telefonlinjen i den ene retning, mens et annet parti 63 over-fører sådanne signaler i en motsatt retning. Båndbreddepartiene 61 og 63 er formet ved hjelp av filtre som utgjør en del av senderen 43 og.mottakeren 47. Båndbreddepartiene har hellende sider da praktiske filtre, enten de er i analog eller digital form, ikke tilveiebringer steile båndflanker. Dersom maksimalverdien av kurvene 61 og 6 3 antas å være null • dB, ligger den på fig. 2 viste basislinje i nærheten av minus 6 0 dB i det eksempel som skal beskrives.

Det vil innses av fig. 2 at sende- og mottagnings-båndene som er angitt med kurvene 61 og 63, overlapper hverandre noe i den midtre del av telefonbåndbredden, og dette skal nå beskrives ytterligere. Anta f.eks. at senderen 4 3

på fig. 1 arbeider i båndbreddepartiet 63 og at mottakeren 47 arbeider i båndbreddepartiet 61. I modemet 27 ved den motsatte ende av kommunikasjonskanalen arbeider senderen i båndbreddepartiet 61 og mottakeren arbeider i båndbreddepartiet 63. På grunn av overlappingen av kurvene 61 og 63, må ekkovirkninger av telefonlinjene tas i betraktning og behandles. Idet det igjen henvises til fig. 1, går en fjern-ekkobane for signaler som oppstår i modemet 23, fra dette langs telefonlinjene 25 og 37 til hybridkretsen 4l og tilbake til modemet 23 via telefonlinjepartiene 35 og 25. Dersom telefonlinjen mellom sentralene 31 og 33 omfatter et bærefrekvenssystem, er dettes egenskaper utsatt for store endringer, og det er videre vanligvis til stede en god del fasedirring. Fjernekkosignaler som utgår fra senderen 4 3 og returnerer til mottakeren 47, dempes i betydelig grad på grunn av telefonlinjenes beskaffenhet. Ytterligere dempning

i et filiier i mottakeren kan derfor redusere f jernekkosignal-styrken til et akseptabelt nivå. En lokalekkobane strekker seg fra modemet 23 til hybridkretsen 39 og tilbake til. modemet 23 over totrådskretsen 25. Lokalekkobanen har bare liten dempning, og lokalekkoet, som returnerer til modemet,

er derfor meget sterkt i forhold til nivået av. et signal fradel fjerntliggende modem som blir kraftig dempet. Da lokalekkobanen imidlertid ikke inneholder noen tidsvarierende elementer, kan lokalekkosignalet forutsies med stor nøyaktighet og fjernes fra det mottatte signal ved hjelp av ekkooppheveren 53.

Den måte på hvilken lokal- og fjernekkoene behandles avhenger av den feilhyppighet i de mottatte data som er aksepterbar. Dersom en stor andel av dataene kan være feil-aktige ved en spesiell anvendelse, kan et høyt nivå av ekkosignaler være igjen. I de fleste tilfeller er det imidlertid ønskelig å holde datafeilhyppigheten meget lav, og ekkosignalene kan derfor være et virkelig problem og må elimineres eller reduseres betydelig. Overlappingen av båndbreddepartiene 61 og 63, såvel som bruken av en ekkoopphevende krets i hvert av modemene, reduserer ekkosignalene til akseptable nivåer for datatransmisjon med høy kvalitet og gjør også maksimal bruk av den tilgjengelige telefonlinjebåndbredde, hvilket har som resultat at det tillates, overføring av disse data med høy hastighet.

Graden av overlapping 65 av kurvene 61 og 6 3 er begrenset av den grad av fjernekko som kan tillates. Da mottakeren 47 i modemet 2 3 aksepterer alle signaler i f.eks. båndbreddepartiet 63, kan en del av disse signaler som opptrer i overlappingspartiet 65, skrive seg fra senderen som sender signaler i båndbreddepartiet 61. Mottakeren i modemet 2 3 er selvsagt ikke interessert i dette ekkosignal, men ønsker bare å motta hva som sendes av senderen i det motsatte modem 27. Overlappingspartiet 65 av kurvene 61 og 6 3 kan opprettholdes på eller under et nivå ved hvilket fjernekkoet vil forårsake at datafeilhyppigheten overskrider et gitt, ønsket maksimumsnivå.<1>Fjernekkosignalet kan således håndteres hovedsake-lig ved å holde effekten:av et sådant signal.under et nivå på hvilket det ikke kan gjøre noen skade. På grunn av at lokalekkoet. er mye sterkere i signalnivå når det reflekteres tilbake til modemets mottaker, elimineres det ikke så lett-vint. Slik som foran beskrevet, tillater imidlertid lokal-ekkoets forutsigelighet at det kan.behandles eller bearbeides ut av det mottatte signal, slik som beskrevet nedenfor.

Digitale data som behandles av hvert av systemene

11 og 13, overføres i et basisbåndsignal. Dette signal over-føres fra dette basisbånd til et av basisbåndene 61 eller 6 3 ved benyttelse av en bærefrekvens fl hhv. f2 i modemene. Frekvensen fl er senterfrekvensen i båndet 61, og frekvensen f2 er senterfrekvensen i båndet 6 3. I et spesielt eksempel er disse senterfrekvenser henholdsvis 975 Hz og 2325 Hz. I dette eksempel er 3- dB-punkt-båndbredden for hvert av pass-båndene 61 og 63 lik 1200 Hz. Bredden av hvert overgangsom-råde fra 3 dB^punkt-responsen til et nivå som ligger 60 dB under dette nivå, er 300 Hz. Hellingen i dette område gjøres slik at den er så steil som mulig med akseptabel kompleksitet i maskinvare og programvare.

Det finnes mange måter :på.hvilke et sådant modem kan konstrueres, både i maskinvare og i programvare. Pro-gramvarerealisering av en betydelig del av modemet foretrekkes. Et system som tillater en sådan utførelse, er vist på fig. 3. Selv om sende- og mottagningskanalene har felles behandlingselementer, kan de fremdeles betraktes som separate med henblikk på denne beskrivelse.

Idet det innledningsvis refereres til sendebanen, mottas digitale data i serie i en krets 15 fra en datamaskin eller et annet digitalt system for overføring til et fjerntliggende steid. Dataene tilføres til en styreprosessor 71

som utfører et programvareprogram for å utføre operasjonene med omkasting (for å "hvitgjøre" dataene), gråkoding og differensialkoding av dataene. Disse operasjoner såvel som hensikten med disse og teknikkene for å utføre operasjonene er velkjente. Seriedatainnmatningen til styreprosessoren 71 på linjen 15 skjer med en hastighet på 4800 bitspr. sekund

(skrevet ipå en annen måte som 4800 s . En krets 73 over-fører binære data i parallelle grupper på fire bits (hver gruppe kalt en firerbit) til en signalprosessor 75. Denne firerbit-dataoverføring skjer i synkronisme med en baud-klokkefrekvens med hastigheten 1200 s Passende styresignaler overføres også fra styreprosessoren 71 til signalprosessoren 75 via en krets 77. Ytterligere styrekretser 79 overfører styresignaler fra prosessoren 71 til senere elementer.

Ved hjelp av sin maskinvare og styrende programvare reagerer signalprosessoren 75 på en firerbit-datainn-matning i kretsen 73 ved å generere digitale signaler i en utgangskrets 81 på en måte som skal beskrives mer detaljert i det etterfølgende i forbindelse med fig. 4. Disse signaler, som svarer nøyaktig til analoge signaler som skal avgis til en telefonkanal for overføring til et fjerntliggende modem, tar form av digitale sampler som avgis asynkront i serier på åtte til inngangen av et skiftregister 83 av først-inn-først-ut- eller FIFO-typen. Disse serier avgis én gang pr. baud (med en hastighet, på 1200 s"<1>), slik at den midlere hastighet med hvilken utgangssampler genereres av signalprosessoren 75 i kretsene 81, er 9600 s ^.

Et utgangssignal fra skiftregisteret 83 i kretsene 85 strobes til en digital/analog-omformer 87 med en ensartet hastighet på 9600 s i 8:1-synkronisme med en klokke"med en baud-hastighet på 1200 s"<1>(ikke vist). Et utgangssignal i kretser 89 fra D/A-omformeren 87 er i form av puls-amplitude-modulerte (PAM) pulser som hver har en varighet på 1/9600 sekund. Disse pulser tilføres til et analogt lavpassfilter og en forsterker 91 som har en grensefrekvens nær 3400 Hz for å redusere høyfrekvens-spektralkomponenter av det overførte signal til et nivå under det som er fastsatt av. telefonsel-skapet. En utgang fra filter- og forsterkerenheten 91 er koplet til kretsen 4 5 og derfra til hybridkretsen 51, slik som foran, beskrevet i forbindelse med fig. 1. Hensikten med hybridkretsen 51 er å hindre for store mengder av overført signalenergi fra å gå inn på inngangen av modemets mottaker-enhet- som selvsagt deler telefonlinjen 25 med senderen.

i Mottakerkretsen i modemet på fig. 3 skal nå beskrives. Banen 4 9 for det mottatte signal fra hybridkretsen 51

er forbundet med. et analogt lavpassfilter 93. Filteret 93

er nominelt identisk med senderens lavpassfilter 91 og har et liknende formål å redusere utenfor-bånd-støyen til det laveste praktiske nivå før sampling av det innkommende signal og omforming av dette til digital form. Denne prosess er i overensstemmelse med veletablerte metoder ved digital signal-behandling. Det signal som tilføres til filteret 93, er en kombinasjon av det ønskede signal som sendes fra et fjerntliggende modem, og forstyrrende signaler. Disse forstyrrende signaler omfatter i det minste støy, inter-symbol-forstyrrelse, bærefrekvensfasedirring forårsaket av telefonkanalen, og både lokalekko- og fjernekkosignaler. Disse ekkosignaler, som er beskrevet foran, fremkommer på. inngangen til filteret 93 som reaksjon på utgangssignalet fra senderdelen av modemet 23

som er beskrevet foran. Disse ekkoer forårsakes av de uunn-gåelige, ikke-ideelle hybridkretser som benyttes som del av modemet og på flere steder i telefonlinjen mellom fjerntliggende .modemer. Det. lokale ekko kan ha et effektforhold til et signal som mottas fra det fjerntliggende modem, i.nærheten av 46 dB på grunn av.at det fjernoverførte signal kan være sterkt dempet av telefonlinjen mens det lokale ekko som genereres som et resultat av lokal overføring, ikke dempes på denne måte. Slik som.tidligere beskrevet, må således dette lokale ekko i det mottatte signal oppheves eller utslettes, for hvilket en metode skal beskrives nedenfor i forbindelse med fig. 4.

Et utgangssignal fra filteret 93 på fig. 3 tilføres via en krets 95 til en analog/digital-omformer 97 hvis utgangssignal i kretser 99 er en rekke digitale sampler. A/D-omformeren 97 sampler det analoge signal i kretsen 95 med en hastighet på 9600 s ^ i 8:l-synkronisme med baud-klokken. A/D-omformeren 97 må ha minst 12 bits oppløsning for å ta hen-syn til det store dynamikkområde som opptas av det meget store ekkosignalnivå og det meget lille ønskede , sicrnal fra det fjerntliggende modem. De digitale signalsampler i kretsene 99 strobes deretter inn på inngangen til et FIFO-register

101 som fikner på registeret 83. Disse sampler overføres

fra FIFO-registeret 101 via kretser 103 til signalprosessoren 75 én gang pr. baud i grupper på åtte. Overføringshas-tigheten for disse grupper er da 1200 s<-1>.

Signalprosessoren 75 foretar operasjoner på disse sampler på en måte som skal beskrives nedenfor i forbindelse med fig. 4, og overfører utgangsinformasjon via kretser 105 til styreprosessoren 71. Denne utgangsinformasjon er i form av firerbits i synkronisme med baud-klokken. Styreprosessoren 71 utfører differensialdekodings-, grådekodings- og omkastingsopphevelsesoperasjoner på dataene, slik at den effektivt opphever virkningen av tilsvarende operasjoner som allerede ble utført i det fjerntliggende modems sender. Styrekretser 107 kopler også signalprosessoren 75 til styreprosessoren .71. Styrekretser 10 9 strekker seg mellom styreprosessoren 71 og andre maskinvareelementer i mottakeren. Styrekretser 111 danner forbindelse med styresystemet i data-maskinen eller et annet digitalt system med hvilket modemet kommuniserer. De data som mottas fra den fjerntliggende ende, overføres i serie i binær form i kretsen 21 til data-maskinen eller et annet digitalt utnyttelsessystem med en hastighet på 4800 s"1.

De primære funksjoner i modemet på fig. 3 som skal beskrives, ligger i signalprosessoren 75. Denne kan selvsagt være en fast oppkoplet anordning, men det foretrekkes å benytte en programvarestyrt mikroprosessor. Fig. 4 viser i skjematisk blokkskjemaform den foretrukne programvarebehandling av signaler i både senderen og mottakeren, slik de utføres av signalprosessoren 75. Denne behandling i signalprosessoren 75 trenger ikke nødvendigvis å utføres i noen spesiell rekkefølge, og det er heller ikke nødvendig å opprettholde noen tidssynkronisme i selve signalprosessoren så lenge baud-synkronisme opprettholdes mellom signalprosessoren 75 og styreprosessoren 71, og med mellomkoplingene til signalprosessoren 75 og FIFO-registrene 83 og 101. Ikke desto mindre er midlere overføringshastigheter i signalprosessoren 75 belysende, og disse er de hastigheter som er vist i behand-lingsdiagrammet på fig. 4. I denne beskrivelse er "k" et

helt tall som inkrementeres med en hastighet på 1200 s ^,

og det kan derfor betraktes som en baud-tidsindeks, mens "n" er et helt tall som inkrementeres med en hastighet på 9600

s (8 ganger pr. baud) og som derfor kan betraktes som en sampel-tidsinnstillingsindeks.

Firerbits i inngangskretsene 73 danner inngangssignalet til en data-til-signal-omformingstabell 121. Et utgangssignal 123 fra tabellen 121 er ett av 16 spesielle, komplekse tall som utgjør inngangssignalet til programvare-senderen. Det komplekse sender-inngangssignal ved det k'te baud-tidspunkt kalles a (k) . Programmet for beregning av senderinngangssignalet er gitt i leseinngangsprosedyren (betegnet "PROCedure") i et Tillegg (på engelsk) til denne beskrivelse. For å være i stand til å overføre datasignal-frekvensen til ett av de ønskede båndbreddepartier 61 eller 63, innføres sju nullsignalverdier mellom hvert komplekst inngangssampél ved 125. Denne kombinasjon i 127 blir deretter digitalt lavpassfiltrert ved 129. Elementene 125 og 12 9 omfatter et interpolerende lavpassfilter som har en frekvens-respons som svarer til kvadratroten av et "Nyquist opphøyet-cosinus"-lavpassfilter med en halvamplitude-responsfrekvens på 6 00 Hz og en avrullingsparameter på 50 %. Funksjonen av elementet 125 uttrykkes matematisk som

hvor de fortolkninger som skal anvendes på k og n, er gitt foran. Dersom koeffisientene for det digitale lavpassfilter 129 betegnes med dlpf(m) for m=0,1,...,63, er det komplekse filterutgangssignal, c (n), definert ved

Besparelser er tilgjengelige ved realiseringen av likning (2) da bare 1/8 av de {b(n)}-verdier som opptar filterhukom-melsen, er ikke-null. Programvarealgoritmen for realisering av de behandlingstrinn som er vist ved 125 og 129, som er angitt i 'Tillegget som sende-prosedyren, drar fordel av dette faktum.

Sender-lavpassfilterutgangssignalet 131, c(n), tilføres til inngangen av en kompleks modulator. Et annet inngangssignal 137 er exp (j 2tt (txf rq) n) 512) , et bære f rekvens-signal. Modulatorutgangssignalet er d(n), et signal med et spektrum som er sentrert om en bærefrekvens på (txfrq)(9600)/ 512 Hz. I dette eksempel er txf r jj=124 slik at bæref rekvensen er (124)(9600)/512=2325 Hz, f2 på fig. 2. Imaginærdelen av d.(n) ved 135 kasseres i 139, og resultatet lagres i en 8-elements buffer 143 som kalles outdt. Bufferen 143 tømmes én gang pr. baud ved å innskrive dens innhold i FIFO-registeret 83. Den midlere hastighet av denne overføring er 9600 s . Mod-prosedyren i Tillegget angir programvarerealise-ringen av trinnene 133 og 13 9 ved hjelp av hvilke modulerte datasampler beregnes og lagres i outdt-bufferen 143. Over-føring av data ifra outdt-buf feren 143 til FIFO-registeret 83 via kretsen 81 utføres i synkroniserings-prosedyren i Tillegget.

På modemets mottakerside overføres reelle data fra FIFO-registeret 101 (ved hjelp av synkroniserings-prosedyren i Tillegget) til en 8-elements buffer 145, som "kalles indat, med en midlere hastighet på 9600 s ^. Samplene fra denne buffer innmates ett ad gangen i en kompleks demodulator 149 med en annen inngang 153 som er exp (-j2tt (rxf rq)n/512) . I dette eksempel er rxfrq=52, slik at bærefrekvensen er (52)(9600)/512=975 Hz, fl på fig. 2. (Se demod-prosedyren i Tillegget når det gjelder tilsvarende programvare:;) Demodulator-utgangssignalet 151, e (n), et signal med kompleks verdi, lavpassfiltreres deretter med et digitalt lavpassfilter 155 med endelig impulsrespons (FIR), hvilket filter har koeffisienter som er identiske med de som benyttes i sender-filteret 129. (Se mottaker-prosedyren i Tillegget.) Resultatet kan uttrykkes matematisk i tidsplanet som

i Denne filtreringsoperasjon tjener den funksjon å redusere f jernmende-ekkosignålet til et akseptabelt nivå (ca. 30 dB under nivået av det ønskede signal), og begrenser også utgangssignalet fra filteret til Nyquist-båndbredden på 600 Hz, slik at ytterligere behandling i mottakeren kan utføres ved 1200 s ^. Mens likning (3) antyder at filterets utgangssignal beregnes åtte ganger pr. baud, er bare ett sampel av filterutgangssignalet pr. baud nødvendig for senere behandlingstrinn. I virkeligheten trenger derfor bare ett filterutgangssignal pr. baud å beregnes, og ett sampel velges ved 159 av hvert åttende sampel som présenteres ved 157. Baud-hastighet-filterutgangssignalet ved 161 er gitt ved

hvor tid er et helt tall som tilfredsstiller l_<tid<8. Verdien av tiden velges under modeminnstillingsprosedyren (modem training procedure).

Signalet w(k) inneholder både det ønskede signal fra det fjerntliggende modem og en signifikant komponent av det lokale ekko. En etterligning eller kopi 165 av det lokale ekko, kalt v(k), subtraheres derfor fra w(k) i 163 for å oppnå x(k) i 16 7, det mottatte nettosignal som benyttes i ytterligere signalbehandlingstrinn i moderamottakeren. Lokalekkokopien, v(k), generes i ekko-oppheveren 53 ut fra inngangssignalet ved 123, a(k), slik det skal beskrives i det følgende.

Signalet ved 123, a(k),.filtreres ved hjelp av en lineær, tidsinvariant del 175 av ekko-oppheveren 53 som har filterkoeffisienter som er betegnet som {eccoef(m); m=0,l,... 35}. Det tilsvarende matematiske uttrykk for signaleti;ved

177 er

Filterfunksjonen 175 settes å være lik den lineære, tidsinvariante del av telefon- og modemkretsene mellom ste-dene 123, frem til telefonsystemets hybridkrets 3 9 (fig. 1) og.tilbake til stedet 161 (fig. 4) i modemets 23 behandling. Bestemmelfeen av eccoef-koeffisientene utføres under en inn-stillings- eller treningsprosedyre som skal beskrives nedenfor. Denne filterfunksjon oppdateres fortrinnsvis på perio-disk basis for å tillate eventuelle endringer i denne lokale ekkobane som kan finne sted over tid.

Signalet u(k) ved 177 må viderebehandles for å kompensere for modulasjons/demodulasjons-operasjonene 133 og 14 9 som eksisterer i lokalekkobanen. Dette skyldes at modemets modulasjons/demodulasjonsfunksjoner innfører en tidsvarierende komponent som ikke kan representeres ved den tids-invariante filterfunksjon 175. Denne behandling finner sted i 179 og 183 og kan beskrives som

hvor en stjerne er benyttet til å betegne multiplikasjon.

De komplekse modulasjonstrinn 179 og 183 utgjør en tidsvarierende komponent av ekko-oppheveren som styres av differansen i modulasjonsfrekvensene txfrq (proporsjonal med f2) og rxfrq (proporsjonal med fl) via trinnene 181 og 185. Eksisterende forslag til ekko-opphevelsesmetoder innfører ikke noen sådan tidsvarierende funksjon. I virkeligheten synes det i første omgang å være mulig eller ønskelig å utvikle og anvende et opphevelsessignal med baudhastigheten på grunn av at de modulasjons/demodulasjonsoperasjoner som er nødvendige, normalt utføres med sampelhastigheten, og ikke baudhastigheten. Det kan vises at de nødvendige ekko-opphever-utgangssignaler ved baudtidspunktene kan beregnes ved å benytte bare baud-hastighetsfiltrering og modulasjons/demodulasjonssignaler. Eksisterende prosedyrer foreslår å utføre ekko-opphevelse,på telefonlinjesiden av modulasjons/demodulasjonsfunksjonene, enten i digitale eller analoge deler av modemet. Det har imidlertid vist seg å være å foretrekke å realisere den foreliggende ekko-opphever med baudhastigheten, som vist, på grunn av en mindre kompleks og raskere behandlingstid. Den i Tillegget angitte,ecancel-prosedyre angir programvarebeskriv velsen av de trinn som svarer til likningene (5) og (6), iberegnet innstillingen av filterets 175 {eccoef}-koeffisienter.

i Resten av behandlingstrinnene 16 9 i modemet består av algoritmer for adaptiv utjevning for å redusere intersym-bol-forstyrrelse, for å spore endringer i bærefrekvensfase og baud-tidsinnstilling, og for å tildele det behandlede signal 171 som mottas i hvert baud-intervall, y(k), til én av seksten mulige, mottatte komplekse verdier. Til slutt velges én av seksten kombinasjoner av fire databits ved 173 basert på y(k), og disse fire bits overføres til styreprosessoren. Den i Tillegget angitte utgangssignalskriveprosedyre (writeout-put PROCedure) sammenfatter programvaren for disse behandlingstrinn.

Før modemet drives i datamodusen, er det nødvendig å utføre en trenings- eller innstillingsprosedyre i løpet av hvilken ekko-oppheverens filterkoeffisienter læres for første gang. For å utføre denne prosedyre, er det ved hjelp av én eller annen anordning nødvendig å plassere fjernmodemet i en hviletilstand, slik at de eneste signaler som observeres på lokalmodemets inngang, er kanalstøy og signaler som utgår lokalt. Med modemet i denne tilstand, med tidspunktet allerede valgt, og med alle filterhukommelsesoppstillinger inn-stilt på null, innmates et eneste enhetssampel, 6 (k) , ved 123 i senderinngangen, som vist på fig. 5. Det baud-tidspunkt ved hvilket enhetssampelet tilføres, defineres som k=0. Modemet drives for k=0, 135 som vist på fig. 5, slik som beskrevet i treningsmodusprosedyren (trainingmode PROCedure) i Tillegget. Dette innebærer at alle behandlingstrinn utføres som fører det utsendte signal rundt ekkobanen frem til det punkt hvor w(k) velges på utgangen 161 av mottakerens digitale lavpassfilter 155, 159. Samtidig samples senderens og mottakerens bærefrekvenssignaler i øyeblikkene

for k=0, 1, 1., .,35, signalene multipliseres i en blander 201, og den komplekse konjugerte av resultatet beregnes ved end-ring av fortegnet av den imaginære del i 203. Det resulterende signal er exp ( j2iT (rxfrq-txfrq) (8k+tid)/512) . Deretter beregnes den k1 te komplekse ekkoopphever-koeffisient som

eccoef (k)=w(k)*exp (j 2ir (rxf rq-txf rq)'( 8k+tid)512 (8)

for k=0, 1,...,35, og de resulterende 36. komplekse koeffi-

sienter blir ekkoopphever-koeffisientene "eccoef" som benyttes i datamodusen i ekkoopphéverdelen 175 på fig. 4.

Under datamodusoperasjon fortsetter modemet å inn-stille eller justere ekkooppheverens koeffisienter for å spore eventuelle langsomme endringer som kan inntreffe i lokalekkobanen under en lang periode med sending, og mottagning av data. På grunn av at ekkoopphever-koeffisientene læres før datamodusen begynner, trenger oppdateringsalgoritmen bare å ha evne til å svare på langsomme endringer i ekkobanen, og derfor kan minste-midlere-kvadrat.(LMS)-algoritmen, som er velkjent for fagfolk på området modemkonstruksjon, benyttes til å oppdatere koeffisientene. Den tidsvarierende beskaffenhet av den ekko-opphever som benyttes i den foreliggende oppfinnelse, krever imidlertid at den grunnleggende LMS-algoritme modifiseres tilsvarende. De fire elementer som er innblandet i LMS-algoritmen, er feilsignalet, x(k), dataene, a(k), de koeffisienter som oppdateres, {.eccoef (k) ; " k=0, 1,...,35}, og en oppdateringsparameter, A, vanligvis et lite positivt tall. I det foreliggende tilfelle må det grunnleggende feilsignal, x(k), reflekteres gjennom de tidsvarierende elementer av ekko-oppheveren, med det resultat at et modifisert feilsignal, x' (k) , utledes. Dette betyr at x' (k) er gitt ved

x' (k)=x(k)*exp ( j2Tr(rxfrq.) (8k+tid)/512)

Når dette er utført, antar oppdateringsalgoritmen følgende form: La eccoef '(k;m) være verdien av den m'te ekko-opphever-koef f isient etter at k baud er blitt overført. eccoef (k+l;m) er da gitt ved

På grunn av at f eilsignalet, x* (k), i kretsene 167 (fig. 4), påvirkes av mange signaler (spesielt det fjerngene-rerte datasignal -selv) i tillegg til.rest-ekkosignalet, må parameteren A velges slik at den.er meget liten, slik at opp-dateringen skjer meget langsomt og derfor i hovedsaken på virkes avl det som hender i løpet av lang tid i ekkobanen. Den her beskrevne prosedyre er angitt i programvareform i ekkooppdateringsprosedyren (ecupdate PROCeduré) i Tillegget.

Claims (6)

1.. Telefonmodem for samtidig sending og mottagning av datasignaler med mindre enn en.gitt feilhyppighet over en vanlig oppringnings-telefonlinje med en gitt, utnyttbar båndbredde, karakterisert ved at det omfatter en anordning for omforming av digitale data til analoge signaler for overføring av de analoge signaler via telefonlinjen i et første parti av den utnyttbare båndbredde, en anordning for mottagning av analoge signaler fra telefonlinjen for omforming av disse:.signaler innenfor et andre, parti av den utnyttbare båndbredde.til digitale data, idet hvert av de første og andre båndbreddepartier utgjør i hovedsaken en forskjellig halvpart av telefonlinjebåndbredden og er innrettet til å oppta i hovedsaken hele telefonlinjebåndbredden, idet de første og andre båndbreddepartier overlapper hverandre i et frekvenspassbånd i omtrent midten av den utnyttbare båndbredde og i en slik grad at lokalsignalekko normalt vil resultere i en feilhyppighet over den gitte feilhyppighet, men fjernsignalekko normalt vil resultere i en feilhyppighet som er mindre enn den gitte feilhyppighet, og.en anordning som er innkoplet mellom den sendende og den mottagende anordning for å subtrahere fra et mottatt signal enhver del av et overført signal innenfor det overlappende parti av de første og andre båndbreddepartier, for derved å undertrykke det lokale ekko og redusere feilhyppigheten fra ekkoer til en verdi som er mindre enn den gitte hyppighet, slik at utnyttelse av den gitte telefonlinjebåndbredde for hurtig data-kommunikasjon maksimeres.

2. Modem ifølge krav 1, karakterisert ved at den sendende anordning omfatter en anordning som reagerer på digitale datasignaler i et basisbånd for forskyvning av de nevnte signalers frekvens til det første passbåndparti ved hjelp av en første bærefrekvens som ligger i hovedsaken i midten av det første båndbreddeparti, at den mottagende anordning omfatter en anordning som reagerer på analoge signaler i et andre passbåndparti som mottas fra en telefonlinje, for forskyvning av signalenes frekvens til et passbånd lved hjelp av en andre bære "f rekvens som ligger i hovedsaken i midten av.det andre båndbreddeparti, og at den subtraherende anordning omfatter en anordning som reagerer på digitale basisbånd-datasignaler i den sendende anordning, for å subtrahere fra et mottatt digitalt basisbånd-datasignal et opphevelsessignal som utledes fra et tidsvarierende system i avhengighet av de første og andre bærefrekvenser.

3. Telefonmodem for samtidig sending og mottagning av datasignaler over en felles telefonlinje med en gitt utnyttbar båndbredde, karakterisert ved at det omfatter en anordning for omforming av digitale signaler til analoge signaler for overføring av de analoge signaler over telefonlinjen, idet den. sendende anordning omfatter en anordning som reagerer på digitale datasignaler i et basisbånd for å forskyve signalenes frekvens ved benyttelse av eh før-ste bærefrekvens, en anordning som mottar analoge signaler fra telefonlinjen for omforming av disse signaler til digitale signaler, idet den mottagende anordning omfatter en anordning som reagerer på analoge signaler fra telefonlinjen og forskyver disses frekvens til et basisbånd ved hjelp av en andre bærefrekvens, og en anordning som reagerer på digitale basisbånd-datasignaler i den sendende anordning for fra et mottatt digitalt basisbånd-datasignal å subtrahere partier av et overført signal som opptrer i det mottatte signal, for . derved å undertrykke et eventuelt lokalekko og redusere feilhyppigheten på grunn av.sådanne ekkoer, idet den subtraherende^ anordning omfatter en anordning for å multiplisere basisbåndsignalene fra den sendende anordning med en tidsvarierende funksjon som utledes av de første og andre bærefrekvenser.

4. Fremgangsmåte for samtidig overføring, av datasignaler i to retninger mellom terminaler over en vanlig telefonlinje med en gitt båndbredde, karakterisert ved at den omfatter de trinn å begrense datasignalene i den ene retning til et første båndbreddeparti og'datasignalene i den andre retning til et andre båndbreddeparti av telefonlinjebåndbredden, idet båndbreddepartiene kumulativt i hovedsaken -fyller telefonlinje- båndbredden og overlapper hverandre i en grad i omtrent midten av båndet, å dempe tilstrekkelig på hver terminal alle- frekvenser utenfor det ene av båndbreddepartiene i en grad i hvilken signaler som reflekteres fra den motsatte terminal innenfor det nevnte ene båndbreddeparti, dempes til nivåer som ikke i overdreven grad forstyrrer mottagningen av et signal innenfor det nevnte ene båndbreddeparti, og å utslette fra det signal som mottas på hver terminal i ett av båndbreddepartiene, ethvert signal som utsendes på denne terminal og som ligger innenfor det visse område som således mottas, for derved å oppheve lokale ekkoer, slik at telefonlinjens gitte båndbredde utnyttes fullt ut, hvilket resulterer i høyhastighets, full dupleks dataover-føring over rtelef onlin jen..

5. Fremgangsmåte for overføring av digitale data med mindre enn en gitt feilhyppighet i to retninger over en oppringnings-telefonlinje som har en gitt båndbredde og omfatter i det minste et parti i hvilket signaler vandrer i begge retninger over en felles krets, karakterisert ved at den omfatter de trinn å omforme de digitale data som utgår i den ene ende av telefonlinjen, til analoge signaler innenfor et første passbånd, og motta og dekode disse signaler til digitale data i en annen ende av telefonlinjen, å omforme de digitale data som utgår i den andre ende av telefonlinjen, til analoge signaler i et andre passbånd, og motta og.dekode disse signaler til digitale data i den nevnte ene ende av telefonlinjen, idet hvert av de første og andre passbåndpartier utgjør i hovedsaken en forskjellig halvpart, av telefonlinjebåndbredden og er innrettet til å oppta i hovedsaken hele telefon-lin jebåndbredden , idet de første og andre båndbreddepartier overlapper hverandre i et frekvenspassbånd i omtrent midten av den utnyttbare båndbredde og i en slik grad at lokalsignalekko normalt ville resultere i en feilhyppighet over den gitte feilhyppighet, men fjernsignalekko normalt vil resultere i en feilhyppighet som er mindre enn den gitte feilhyppighet , å utslette fra det digitale signal som mottas ved den nevnte ene ende, komponenter av dette signal som utgår i denne ende, for derved i hovedsaken å eliminere lokalekkosignaler i den nevnte ene ende, og å utslette fra det digitale signal som mottas i den nevnte andre ende, komponenter av dette signal som utgår i den andre ende, for derved i hovedsaken å eliminere lokalekkosignaler ved den andre ende, slik at utnyttelse av telefonlinjens gitte båndbredde maksimeres for høyhastighets, full dupleks dataoverføring.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at hvert av utslettingstrinnene omfatter det trinn å utlede et opphevelsessignal ut fra det digitale signal som utsendes i den respektive ende av telefonlinjen, og utfra en forskjell i frekvens i de første og andre passbåndpartier.