專利名稱：頻譜整形傳輸數(shù)據(jù)信號的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高速數(shù)據(jù)通信，尤其涉及頻譜整形傳輸數(shù)據(jù)信號的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
公用交換電話網(wǎng)(PSTN)由包括一個數(shù)字主干網(wǎng)絡和將終端用戶連接到該主干網(wǎng)絡的模擬本地回路。在一個典型的電話呼叫中，本地用戶發(fā)送的模擬信號在本地市話局被數(shù)字化并被轉換為64k位/秒的位流，該位流通過數(shù)字主干網(wǎng)絡運載，然后在遠程市話局被轉換回模擬信號以便通過遠程本地回路傳輸給終端用戶。撥號調制解調器，例如V.34調制解調器，將數(shù)字信號調制為用于傳輸?shù)哪M信號經(jīng)由PSTN通信。
在數(shù)據(jù)主干入口點進行的數(shù)字到模擬轉換處理引入量化噪音使數(shù)據(jù)傳輸速度限制在30k位/秒左右。
已經(jīng)開發(fā)了一種技術能夠以大大高于30k位/秒的速度傳輸，在用戶直接連接到數(shù)字網(wǎng)，如通過ISDN或T1連接到數(shù)字網(wǎng)時，甚至可達到56k位/秒。而且，有這種類型傳輸?shù)臉藴驶瘏f(xié)議，國際電信聯(lián)合會(ITU)標準V.90，預計將很快獲得批準。用這種技術，數(shù)字脈沖編碼調制(PCM)調制解調器用一個信用編碼器將隨機數(shù)字信號(根據(jù)不同的地區(qū))編碼為μ律或A律八位組。該八位組在終端用戶市話局的數(shù)字到模擬(D/A)轉換器中被直接映射為碼元。(除非專門指明，否則所有以下討論都根據(jù)μ律；從μ律類推到A律是明顯的)。映射服從平均功率調節(jié)限制的限制，可以使用D/A轉換器的255級的所有或任意子集。
因為信息是以八位組的形式在數(shù)字網(wǎng)上運載，編碼數(shù)據(jù)首先被以每秒8000八位組的速度映射為傳輸用八位組。接著，在終端用戶市話局，八位組在D/A轉換器上被轉換為相應的碼元。結果8kHz碼元序列通過低通濾波器(LPF)并通過模擬回路傳輸給終端用戶的模擬PCM調制解調器。D/A轉換器的輸出可被視為一個脈沖序列每個有一個與一個D/A級相應的幅度。模擬PCM調制解調器通過首先檢測被傳輸?shù)氖悄男┐a元，接著反向映射這些碼元以獲得原數(shù)字信息的估計值來恢復原來信息。
當隨機地傳輸信息時、對D/A變換后的信號的頻譜分析表明D/A轉換器輸出的序列的頻譜基本是平的。因此，當這個序列通過市話局的LPF時，信號的頻譜保持LPF的頻譜形狀。不幸的是，這個頻譜在接近DC(f＝0)附近有一個大能量能夠驅動系統(tǒng)中的變壓器為飽和狀態(tài)并導致傳輸信號發(fā)生不想要的非線性時變。在本申請中，不能容忍這種類型的畸變因此需要消除它。
更廣泛地說，采用PCM后，需要一種對來自D/A轉換器的傳輸信號的頻譜進行整形的方案。進一步，需要一種適用于包括PCM在內(nèi)的各種不同的傳輸技術的頻譜整形方案。
附圖的簡述

圖1是一個典型的電話公司市話局的簡化框圖；圖2是從μ律輸出給圖1的線性轉換器的碼元，yk的頻譜平面圖和圖1的低通濾波器的頻譜形狀；圖3是兩個在DC為零的頻譜的一部分的平面圖，其中一個頻譜在DC點迅速下降為0，另一個下降比較緩慢；圖4是根據(jù)本發(fā)明配置的市話局數(shù)字PCM調制解調器中的發(fā)射機的概要框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明配置的終端用戶模擬PCM調制解調器中的接收機的概要框圖；圖6是圖4中所示的發(fā)射機的符號位編碼器的概要框圖；圖7是圖6中所示的陪集表示生成器的概要框圖；圖8是圖6中所示的碼元符號位選擇器的概要框圖；圖9是表示一個卷積碼的格式結構圖；圖10是說明圖8中所示的碼元符號位選擇器的概括邏輯的流程圖；圖11是圖5中所示的符號位解碼器的概要框圖；圖12是本發(fā)明的用作上流PCM發(fā)射機的預編碼器的一個概要框圖；首選實施例的描述本發(fā)明包含頻譜整形傳輸數(shù)據(jù)信號的系統(tǒng)和方法，適用于不同的傳輸技術。為了說明的目的，本發(fā)明針對PCM傳輸系統(tǒng)來講述。但是本技術領域的普通技術人員能夠認識到本發(fā)明可被擴展到其它傳輸技術，這里對PCM實現(xiàn)的講述亦可方便地擴展到其它技術。
圖1和圖2示出了通過模擬回路傳向終端用戶的模擬PCM調制解調器的信號中出現(xiàn)的接近DC的能量。在圖1中示出了PSTN上的一個典型的電話市話局10的一部分，該市話局在輸入12上接收從直接連接到電話系統(tǒng)數(shù)字部分的中央點數(shù)字PCM調制解調器(未示出)傳輸?shù)摩搪砂宋唤M。該八位組由一個D/A轉換器轉換并以μ律形式傳輸給線性轉換器14，和一個碼元序列yk。每個碼元對應255個μ律級中的一個。碼元通過線16輸出給低通濾波器LPF(18)，該濾波器通過模擬回路20輸出一個濾波模擬信號S(t)給終端用戶模擬PCM調制解調器的接收機。接收調制解調器解調和解碼該模擬信號后，輸出一個數(shù)字位流，該數(shù)字位流是原來傳輸數(shù)據(jù)的一個估計值。
在從μ律到線性轉換器14的線16上的碼元序列，yk具有如圖2所示的平坦的頻率響應22。LPF18的頻譜形狀24包括一個接近DC(f＝0)(如點26所示)的大能量。因為序列yk有一個平坦的頻率響應，由濾波器18所輸出的信號S(t)的頻譜與濾波器18的頻譜形狀24相同，因此信號S(t)也包含一個接近DC的大能量。如上所述，這個接近DC的能量將使系統(tǒng)中的變壓器飽和導致傳輸給接收調制解調器的信號S(t)中有不愉快的非線性畸變。
在諸如PCM的應用中，必須減少這種畸變。這可以通過減小接近DC的傳輸信號的信號能量以產(chǎn)生一個DC零的方法來實現(xiàn)。圖3中出示了這樣的一個DC零28。正如現(xiàn)有技術所知的那樣，為了在傳輸信號中在DC點產(chǎn)生這個頻譜0，傳輸碼元yk的運行數(shù)字和(RDS)(即，所有先前已傳輸?shù)碾娖降拇鷶?shù)和)必須被保持接近零。DC零28附近的頻譜形狀可以從相對坡度較緩的頻譜30到在DC點下降迅速的頻譜32。零的尖銳度取決于RDS被控制的緊密程度。
如下所述，本發(fā)明以保持RDS接近零的方式編碼傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)。這在DC點產(chǎn)生一個頻譜零因而減少由變壓器飽和導致的非線性畸變。更廣泛地說，本發(fā)明還可用于編碼傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)按要求對傳輸?shù)男盘柕念l譜進行整形。
圖4中的數(shù)字PCM調制解調器中的發(fā)射機40從數(shù)據(jù)終端設備(未示出)，例如一個個人計算機中接收一個串行數(shù)字位流42，并將接收到的位編碼為八位組44通過數(shù)字網(wǎng)46傳輸。串行位流42由串行到并行轉換器48轉換為并行格式。本發(fā)明的傳輸/編碼方案是基于一個n碼元數(shù)據(jù)幀，其中K表示數(shù)據(jù)幀(時間)索引。例如，每個數(shù)據(jù)幀可能傳輸2，3，4，5或6個碼元。該傳輸?shù)拇a元與選擇表示信息位的μ律構象點對應。對每一個數(shù)據(jù)幀，串行到并行轉換器48輸出(n-r)+m個信息位，其中r是冗余位的個數(shù)，V.90標準中指定的冗余位的個數(shù)可為0，1，2或3。
需要注意的是在以下的描述中小寫變量表示一個標量，而大寫變量表示一個矩陣。而且，行矢量由一個粗體小寫變量表示并且所有的索引都從0開始，例如，Xk＝(Xk，0，Xk，1…)。
n-r位，標注為位Vk，表示通過符號位(符號信息位)運載的信息，m位，標注為Uk，表示數(shù)值位(幅度信息位)運載的信息。位的個數(shù)，m可以通過選擇滿足下式的m來確定2m≤Πi=0n-1Mi---(1)]]>其中mi是數(shù)據(jù)幀中的第i個碼元的正的構象點。這個處理在V.90標準中有更詳細的描述。
m個幅度信息位，Uk，被提交給幅度映射器50，它將該m位映射為n個碼元幅度，gn通過諸如ITU V.34標準中描述的殼映射(shellmapping)方案或ITU V.90標準中描述的模數(shù)轉換(modulusconversion)。幅度信息位映射所得的幅度是作為傳輸信息位的構象點的μ律點的幅度。這些幅度映射方案和座標點選擇處理本技術領域的熱練技術人員都知道，在此不必提供進一步解釋。數(shù)據(jù)幀的其余信息位，符號信息位Vk，提供給生成n個符號位，Sk(被編碼的碼元符號位)的符號位編碼器52，下面進行詳細解說。n個碼元幅度，gk和n個符號位Sk，被提供經(jīng)信號點選擇器54并被組合起來形成n個帶符號的碼元yk。n個帶符號的碼元yk之后被提供給八位組轉換器56，它選擇一個對應于每個帶符號碼元的八位組并將該八位組傳輸給數(shù)字網(wǎng)46。如果用其它傳輸技術，可能用不著使用將帶符號的碼元轉換為與PSTN的數(shù)字部分兼容的形式的八位組轉換器，信號點選擇器直接將帶符號碼元輸出給網(wǎng)絡。
市話局(CO)60接收到從數(shù)字網(wǎng)46輸出的八位組44′(可能被網(wǎng)絡中的數(shù)字損壞修改)。八位組44′由CO60中的D/A轉換器轉換為碼元并被作為8kHz的電平序列通過模擬回路60傳輸給終端用戶模擬PCM調制解調器的接收機64。模擬電平由接收機前端66接收，接收機前端66數(shù)字化該模擬電平，完成時間恢復、均衡和碼元判定。
接收機前端66以串行格式將接收到的碼元yk輸出給串行到并行轉換器68，該轉換器將串行碼元轉換為n個并行帶符號碼元yk的幀。n個并行帶符號碼元yk被提供給從yk中抽取碼元幅度gk和符號位Sk的幅度和符號抽取器70。碼元幅度gk被提供給數(shù)值反映射器72，如模數(shù)轉換反映射器，以恢復幅度信息位Uk。因為熟練技術人員都知道該反映射處理，在此不再解說。符號位Sk被提供給符號位解碼器74以恢復符號信息位Vk如下所述。被解碼信息位可能進一步被處理并被提供給數(shù)據(jù)終端設備，如個人計算機。
符號位編碼在圖6中更詳細地示出了符號位編碼器52。符號信息位Vk被提供給陪集(coset)表示生成器80，該生成器為每個幀生成n個陪集表示符號位tk并將它們提供給碼元符號位選擇器82。在每個幀中的n個陪集表示符號位tk為已定義的由碼元符號位選擇器82使用的卷積碼，G(D)定義一個陪集表示元素，陪集表示符號位t(D)的整個序列集中地定義一個該卷積碼的陪集表示。n個陪集表示符號位tk還指定包含編碼碼元符號位的候選的卷積碼的一個陪集，詳見下文。
使用n個陪集表示符號位tk，碼元符號位選擇器82通過將該位與由結構圖(如圖9所示的結構圖)定義的有效的卷積碼序列執(zhí)行異或操作來修改陪集表示符號位tk以形成已編碼碼元符號位的候選者。這些候選者是由陪集表示符號位指定的陪集的元素。利用碼元幅度，碼元符號位選擇器82從產(chǎn)生所要求頻譜形狀的已編碼碼元符號位的候選者中為每個幀選擇已編碼碼元符號位Sk的候選者并將這些符號位提供給圖4中的信號點選擇器54。碼元符號位選擇器82為整個序列的輸出(假設以每幀為基礎)，可以表示為S(D)＝t(D)C(D)，其中S(D)是已編碼碼元符號位序列，t(D)是卷積碼的陪集表示，C(D)是卷積碼G(D)的元素的碼序列。
需要注意的是用這個選擇處理，編碼碼元符號位的任意候選者都可被使用并被解碼為編碼符號信息位Vk。如下文所述。這樣，本頻譜整形方案不影響碼元幅度，因而不影響傳輸功率。結果，設計一個滿足FCC的發(fā)射機功率限制并能夠實現(xiàn)頻譜整形的系統(tǒng)很容易。
在圖7中更詳細地示出了陪集表示生成器80，包括差分編碼器84和矩陣塊86。數(shù)據(jù)信道上的噪聲可能通過影響傳輸?shù)姆栁粊硪饦O性反轉。通過對符號位使用差分編碼84的差分編碼和圖11的差分解碼器132的解碼以確定位的位置，例如如下的H-1和G(D)HT的偶位置0，2，4，實現(xiàn)極性反轉不變性。差分編碼的符號信息位Vk’在矩陣塊84中與矩陣H-T(n-r)×n(以模數(shù)2)相乘(即被濾波)以產(chǎn)生提供給碼元符號位選擇器82的n個陪集表示符號位tk。
正如在ITU V.90標出指定的那樣，當每幀傳輸6個碼元和冗余位為1時該矩陣的一個例子如下H-T=000001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)0000---(2)]]>其中D是幀延遲，是基于幀(時間)索引K的延遲。
圖8所示，碼元符號位選擇器82包括選擇控制器88，它從陪集表示生成器80接收每個幀的n個陪集表示符號位tk，從圖4的幅度映射器50中接收n個碼元幅度并為每個幀輸出編碼的碼元符號位Sk。選擇控制器80將已編碼碼元符號位與幅度結合起來形成已編碼的帶符號碼元候選集提供給濾波器90。濾波器90為每個候選者計算一個在此稱為運行濾波器和(RFS)的度量，并將它們提供給選擇控制器88，該選擇控制器80選擇與具有最小RFS的編碼帶符號碼元候選關聯(lián)的編碼碼元符號位。下面根據(jù)圖9和圖10描述碼元符號位選擇器82的操作。
選擇控制器88通過異或操作陪集表示符號位和卷積碼的有效的碼序列來修改每個幀的n個陪集表示符號位tk。卷積碼是由結構圖定義的可能的序列的集合，有效的碼序列是不違反結構圖約束的序列。為了便于描述，選擇控制器88將使用一個冗余位r和一個卷積碼G(D)＝[1+D11+D11+D1]。以結構圖表示它要使用一個兩個狀態(tài)的結構圖，如圖9所示的結構圖100。該結構圖的約束如下文所述。
對于一個給定的幀K，選擇控制器88通過異或n個陪集表示符號位tk和根據(jù)結構圖100的約束的特定的卷積碼序列來修改n個陪集表示符號位。本例中的卷積碼序列如下A000000(即什么都不作)B111111(即反轉幀j中的所有符號位)C101010(即反轉幀j中的偶數(shù)位符號位)D010101(即反轉幀j中的奇數(shù)位符號位)這樣，在幀K開始時，如果選擇控制器的狀態(tài)Qk為0，在幀K中只有卷積碼序列A102和B104是有效序列。相反，如果選擇控制器的狀態(tài)為1，在幀K中只有卷積碼序列C106和D108是有效序列。如上所述，陪集表示符號位與每個有效碼序列異或，因此形成編碼碼元符號位的候選集如{tkA，tkB}。每個候選者也是由陪集表示符號位(或陪集表示的元素)指定的卷積碼的陪集的一個元素。然后，每個候選者與碼元幅度結合起來形成編碼帶符號碼元候選者提供給圖8的濾波器90，在那里計算每個RFS并將其返回給選擇控制器88。選擇控制器88輸出具有最小RFS的幀j的編碼碼元符號位。
當前狀態(tài)Qk和被選的幀K的編碼碼元符號位的卷積碼序列被用于通過下列結構圖100的約束確定下一個狀態(tài)。例如，如果為幀K選擇了候選者tkB，則選擇控制器84在幀Qk+1時的狀態(tài)為1。
用本發(fā)明實現(xiàn)的頻譜整形可以通過引入先行(look-ahead)方法得以改善。也就是說，不僅僅根據(jù)當前幀來選擇編碼碼元符號位，碼元符號位選擇器82可以使用由圖4的幅度映射器50產(chǎn)生的碼元幅度，當前幀和將來幀的陪集表示符號位來決定哪個編碼碼元符號位實現(xiàn)最佳頻譜整形。V.90標準規(guī)定，根據(jù)啟動時約定的先行延遲量最多可以使用未來的三個幀。
根據(jù)濾波傳送函數(shù)h(D)，由濾波器90計算穿過結構圖直到先行延遲或深度Δ的所有可能路徑(或候選序列)的頻譜整形尺寸RFS，選擇控制器選擇與為幀K產(chǎn)生最小RFS的候選序列關聯(lián)的編碼碼元符號位。
現(xiàn)在再看圖9的結構圖100，講述先行深度為1的候選序列。在幀K開始時，如果選擇控制器88的狀態(tài)為0，卷積碼序列A102和B104是幀K的有效序列。但是，還必須考慮幀K+1的碼序列。因為幀K碼序列A102和B104是有效的，在幀K+1中，狀態(tài)Qk+1可能是0或1，因此碼序列A102′B104′，C106′和D108′是有效的。如上所述，陪集表示符號位與每個有效碼序列排它或操作以形成編碼碼元符號位的候選。在先行方法中，每個幀K和K+1的陪集表示符號位與結構圖的每個路徑的有效碼序列排它或以形成候選序列。本例中的候選序列是以下四個序列{1)(tkA，tk+1A)；2)(tkA，tk+1B)；3)(tkB，tk+1C)；以及4)(tkB，tk+1D)}。確定每個序列的RFS并且選出確定序列中的幀K的候選編碼碼元符號位。
圖10中的流程圖120描述了碼元符號位選擇器82的操作。在步驟122，選擇控制器88通過根據(jù)結構圖修改陪集表示符號位來生成編碼碼元符號位的候選集(或先行情況下候選序列)。然后，在步驟124，選擇控制器將碼元幅度與編碼碼元符號位的候選集組合起來形成編碼帶符號碼元候選集(或候選序列)并將它們提供給濾波器90。在步驟126，濾波器90確定每個候選者(或候選序列)的RFS并將每個候選的RFS提供給選擇控制器88。最后，在步驟128，選擇控制器88選擇具有最小RFS的編碼碼元符號位的候選者(或候選序列)并發(fā)送該編碼碼元符號位。
必須注意的是本發(fā)明可使用不同的卷積碼，G(D)，它由不同的結構圖和不同的卷積碼序列表示。根據(jù)這里描述，對不同卷積碼和碼序列的擴展對本技術領域普通技術人員而言是淺顯的。
總體而言，對于PCM，根據(jù)本發(fā)明的頻譜整形方案通過設定圖8中的濾波器90的響應以實現(xiàn)所要求的頻譜形狀和通過最小化RFS對來自圖5中的CO60中的D/A轉換器的模擬信號的頻譜進行整形。濾波器90的響應h(D)定義所要求的頻譜形狀，可表示如下1/h(D)=B(D)/A(D)=Σi=0NBbiD-iΣi=1NAaiD-1,a0=1---(3)]]>其中A(D)和B(D)是函數(shù)，a和b是被選出用于實現(xiàn)所要求的頻譜形狀的實數(shù)。NA和NB分別是表示h(D)的分子和分母的系數(shù)的個數(shù)。基于每個碼元的RFS可如下計算RFSi=Σi=0NBbiyi-1-Σi=1NAaiRFSi-1---(4)]]>第K個幀的基于幀的RFS可計算如下RFSk=Σj=0n-1RFS2nk+j---(5)]]>其中j是碼元(時間)索引。
當使用本發(fā)明的符號位編碼器在DC點生成一個頻譜零時，RFS是運行數(shù)字和(RDS)，濾波器90的響應h(D)的表示如下h(D)＝1-D (6)根據(jù)傳輸?shù)膸Х柕拇a元yk，濾波器90計算傳輸?shù)膸Х柕拇a元yk在碼元時間i的RDS如下RDSi=Σj=0iyj---(7)]]>其中j是碼元(時間)索引，第K幀的基于幀的RDS可如下計算RDSk=Σj=0n-1RDS2nk+j---(8)]]>其中j是碼元(時間)索引。
對于先行深度為Δ的先行方法，RDS的計算如下LRDSk=Σi=0ΔRDSk+i---(9)]]>其中LRDS是先行RDS。類似地我們可以引入先行最小RFS，如下LRFSk=Σi=0ΔRFSk+i---(10)]]>符號位解碼圖5的接收器64中的符號位解碼器74在圖11中示出以包括一個矩陣塊110。在矩陣塊110中符號位Sk被矩陣HTnx(n-r)相乘(以模數(shù)2)(即被濾波)以恢復差分編碼的符號信號位
每個幀有六個傳輸碼元(n＝6)和一個冗余位(r＝1)的矩陣HT的例子在等式(11)中列出如下HT=11+D11+D100001+D0001+D0001+D0001+D0001+D0000---(11)]]>矩陣HT的設計使由于接收符號信號Sk中的錯誤引起的Vk的錯誤的傳播不會超過一幀。這是因為HT是一個有效脈沖響應(FIR)類型的矩陣，只有一個延遲。
為了說明由圖4中的符號位編碼器52生成的傳輸碼元的每個幀的每個編碼碼元符號位的候選者是如何被解碼為相同的符號信息位，必須數(shù)學地表示編碼和解碼過程。被恢復的信息位
(解碼)可被數(shù)學地表示如下V^k=SkHT---(12)]]>符號位Sk(編碼)可被數(shù)學地表示如下Sk＝VkH-T+rkG (13)如果將等式(13)的右邊的Sk代入等式(12)，那么推出下面的等式Vk＝VkH-THT+rkGHT(14)選擇G，HT和H-T使?jié)M足下列條件(1)HTH-T＝I(其中I是單位矩陣)；(2)GHT＝0，那么不管rk的值為多少
在上面的例子中，圖9中的結構圖100有一個冗余位rk是和卷積碼G(D)＝(1+D11+D11+D1)。因為1*rk＝rk，D*rk＝rK-1，所以rkG(D)等于rk(111111)+rK-1(101010)。這里，rK-1表示結構圖的狀態(tài)Qk，rk表示穿過結構圖上的分支或路徑。四個卷積碼序列A-D可被映射到rK-1、rk表示如下
A000000-rK-1＝0，rk＝0B111111-rK-1＝0，rk＝1C101010-rK-1＝1，rk＝0D010101-rK-1＝1，rk＝1其中碼序列A-D可被認為是rkG(D)。
因為rk的值不影響信息位的解碼，由不同的有效碼序列生成的n個符號位的每個集合可被用于產(chǎn)生相同的解碼信息。從而，可以選出最小的RFS/RDS的n個符號位的集合以按要求進行頻譜整形。
上行PCM傳輸根據(jù)本發(fā)明的頻譜整形方案還可用在如用于上行PCM傳輸以完成預編碼的模擬PCM調制解調器的發(fā)射機中的均衡中。在這種情況下響應h(D)表示傳輸調制解調器和市話局(CO)線卡上的模擬數(shù)字(A/D)轉換器之間的信道響應，一般包括傳輸調制解調器的前端，模擬本地回路和CO線卡的濾波的影響。
用本發(fā)明的原理可以生成一個信號輸出序列X(n)(帶預濾波的Z(n))，它在A/D轉換器輸入端產(chǎn)生一個序列y(D)，其信號點接近A/D量化電平。在這種情況下，目標是在保持A/D轉換器輸入的低構象擴大的同時，最小化傳輸信號X(D)＝Y(D)/h(D)的能量。在這種情形下構象擴大也是不受歡迎的因為較大的構象擴大可能導致回聲誘發(fā)的量化噪音的提高和其它損害。
在本應用中，通常情況下，信號響應h(D)由接收調制解調器或由傳輸和接收調制解調器共同根據(jù)在調制解調器起動時所做的信道測量確定，然后在數(shù)據(jù)傳輸過程中，傳輸調制解調器將把輸入位映射為傳輸序列X(D)，在穿過信道之后，它們被轉換為信道輸出序列Y(D)。信道響應h(D)一般被選為容易實現(xiàn)的最小相位。
圖10中的發(fā)射機40′是模擬PCM調制解調器中的發(fā)射機，它能夠進行上行PCM傳輸。發(fā)射機40′使用本發(fā)明的頻譜整形方案用預編碼器140對進入數(shù)據(jù)位流42′進行預編碼。在美國專利申請，代理人檔案編號為CX0960044P02，標題為預編碼數(shù)據(jù)信號的裝置和方法中詳細地描述了一種PCM上行預編碼稱為一維預編碼，它以碼元為單位進行預編碼，該專利申請于1997年12月29日提出，發(fā)明人為M.Vedat Eyuboglu，Pierre A.Humblet；Daeyoung Kim。預編碼器140完成多維預編碼，即，它以幀為單位進行預編碼。實現(xiàn)與一維預編碼不同，但概念與一維情況類似。詳細情況可參考上述未決申請。
預編碼器140包括串行到并行轉換器48′，幅度映射器50′，符號位編碼器52′和信號點選擇器54′。這些組件被設置并且其操作與圖4中相同編號的組件相似或只有很少改動。例如，如下文所述，符號位編碼器的操作被修改以完成預編碼，而信號點選擇器為每個幀輸出n個與編碼碼元Yk而不是帶符號的碼元自身對應的預編碼電平。n個預編碼電平Xk被提供給并行到串行轉換器142，該轉換器以串行形式將預編碼電平輸出給預濾波器144。預濾波器144濾波電平并將濾波后的電平輸出給數(shù)字到模擬轉換器146，該轉換器然后通過模擬信道148發(fā)送預編碼的模擬電平。該信道修改預編碼電平Xk，并且在理想情況下在市話局(CO)150的量化器產(chǎn)生與帶符號碼元Yk相對應的電平。換句話說，預編碼器選擇預編碼的電平Xk，通過考慮模擬信號148的響應或更確切地說是目標信道響應h(n)，會在量化器產(chǎn)生與所要求的帶符號碼元相對應的電平。
目標信道響應h(n)等于預濾波器144的響應g(n)與模擬信道148的響應c(n)的卷積，其中n是碼元時間索引并且h(0)＝1。其關系可表示如下y(n)＝h(0)x(n)+h(1)x(n-1)+…h(huán)(Nn)×(n-Nn) (15)由于h(0)被設計為1，等式(15)可被簡化如下x(n)=y(n)-Σi=1Nnh(i)×(n-i)---(16)]]>給定時間的h(n)的值是已知的，過去的x(n)的值也是已知的。圖8中的濾波器90計算等式(16)的求和項作為RFS并將其提供給選擇控制器88。x(n)的過去值可據(jù)已知的關系由過去的碼元y(n)確定；x(D)＝y(tǒng)(D)/h(D)并存儲在濾波器90中，選擇控制器88′根據(jù)圖10中的流程圖120通過選擇最小化x(n)的編碼碼元符號位來操作。不是發(fā)送帶符號的碼元y(n)，而是發(fā)送預編碼電平。
除了上述的映射操作，需要包括消除回聲的模塊，它分離兩個方向的傳輸，一個定時內(nèi)插濾波器保證傳輸?shù)拇a元與網(wǎng)絡時鐘同步。這個定時內(nèi)插濾波器將一般由下行接收器中使用的時鐘恢復電路驅動。發(fā)射機還可包括一個線性濾波器，主要負責限制傳輸帶寬為大約4KHz并提供保持總體信道響應h(D)為最小相位必要的預濾波。
進而，在一個實用的系統(tǒng)中還可包括一種形式的結構編碼以提高噪聲免疫力，例如，可以使用上面提到的申請中的結構編碼技術，該申請標題為根據(jù)從固定的基帶信號點選出的基帶信號結構碼通信的系統(tǒng)，裝置及方法，1996年11月14日提出，US.Apl.Ser.No.08/749040(代理人檔案CX096050)。該申請被整體引用至此以作參考。系統(tǒng)的操作基本不受結構編碼的影響。
應該注意的是本發(fā)明可用軟件和/或固件來實施，它可以被存儲在計算機可用的媒體上，如計算機磁盤或存儲芯片上。本發(fā)明還可采用以載波實現(xiàn)的計算機數(shù)據(jù)信號的形式，如當本發(fā)明以例如通過互聯(lián)網(wǎng)來電子地傳輸?shù)能浖?固件來實施。
本發(fā)明還可以其它不背離其精神和基本特征的特定形式來實施。上述的實施例被從各方面考慮都只是為了說明而并不僅限于此。因此，本發(fā)明的范圍是由所附的權利要求書而不是由上述描述指定。所有權利要求的意義之內(nèi)的和權利要求書同等范圍內(nèi)的變化都被包含在其范圍內(nèi)。
權利要求
1.一個系統(tǒng)用于從發(fā)射機以幀為基礎傳輸數(shù)字信息位，該數(shù)字信息位被編碼為每幀預定個數(shù)的帶符號碼元通過網(wǎng)絡傳輸給接收機，其中傳輸?shù)膸Х柎a元有所要求的頻譜形狀；數(shù)字信息位被分為每幀第一個預定個數(shù)的幅度信息位和第二個預定個數(shù)的符號信息位，該發(fā)射機包括一個幅度映射裝置，將幅度信息位映射到每幀預定個個數(shù)的碼元幅度；一個符號位編碼器，將符號信息位編碼為每幀預定個數(shù)的編碼碼元符號位；以及一個信號點選擇器，響應幅度映射裝置和符號位編碼器，它將碼元幅度和編碼碼元符號位組合起來形成每幀預定個數(shù)的傳輸帶符號碼元(transmitted signed symbol)；符號位編碼器包括一個陪集表示生成器，為每幀生成符號信息位的陪集表示符號位，為標識包括編碼碼元符號位(encoded symbol sign bit)的候選集的卷積碼的一個陪集的卷積碼定義一個陪集表示元素；以及一個碼元符號位選擇器，響應陪集表示符號位和碼元幅度，它從產(chǎn)生具有所要求形狀的傳輸帶符號碼元的編碼碼元符號位的候選集中選擇編碼碼元符號位。
2.權利要求1的系統(tǒng)，其中第一個預定個數(shù)的幅度信息位為m位，第二個預定個數(shù)的符號信息位為n-r位。其中n對應于每幀碼元的預定個數(shù)，r對應于符號位編碼器使用的冗余位的個數(shù)。
3.權利要求2的系統(tǒng)，其中陪集表示生成器包括一個差分編碼器，對提供給符號位編碼器的n-r位的預定的位位置進行差分編碼以實現(xiàn)極性反轉不變性。
4.權利要求3的系統(tǒng)，其中幅度映射器用模數(shù)轉換映射方案將m個幅度信息位映射到每幀n個碼元。
5.權利要求4的系統(tǒng)，其中陪集表示生成器進一步包括一個矩陣塊，它用矩陣H-T乘以n-r符號信息位以產(chǎn)生每幀n個陪集表示符號位。
6.權利要求5的系統(tǒng)，其中碼元符號位選擇器包括一個選擇控制器和一個濾波器，其中選擇控制器包括從陪集表示符號位生成編碼碼元符號位的候選集的邏輯；將編碼碼元符號位的候選集與碼元幅度組合起來形成編碼帶符號碼元的候選集的邏輯；其中濾波器包括響應編碼的帶符號碼元的候選者，為每個編碼的帶符號碼元候選者確定RFS的邏輯和將每個編碼的帶符號碼元候選者的RFS提供給選擇控制器的邏輯；以及其中選擇控制器進一步包括響應已確定的每個編碼的帶符號碼元候選者的RFS，選擇與具有最小RFS的編碼帶符號碼元候選者關聯(lián)的編碼碼元符號位的邏輯。
7.權利要求5的系統(tǒng)，其中碼元符號位選擇器采用先行方法并包括一個選擇控制器和一個濾波器，其中選擇控制器包括從陪集表示符號位生成編碼碼元符號位的候選序列的邏輯；將候選序列與碼元幅度組合起來形成編碼帶符號碼元候選序列的邏輯；其中濾波器包括響應編碼帶符號碼元候選序列，確定每個編碼帶符號碼元候選序列的RFS的邏輯和將每個編碼帶符號碼元候選序列的RFS提供給選擇控制器的邏輯；以及其中選擇控制器進一步包括響應每個編碼帶符號碼元候選序列已確定的RFS，從具有最小RFS的編碼帶符號碼元候選者中選擇編碼碼元符號位的邏輯。
8.權利要求7的系統(tǒng)，其中第i個碼元的RFS由濾波器如下確定RFSi=Σi=0NBbiyi-1-Σi=1NAaiRFSi-1]]>
9.權利要求8的系統(tǒng)，其中以幀為基礎的第K個幀的RFS由濾波器如下確定RFSk=Σj=0n-1RFS2nk+j]]>其中j是碼元(時間)索引。
10.權利要求9的系統(tǒng)，其中用先行方法如下確定RFSLRFSk=Σi=0ΔRFSk+i]]>其中Δ是先行深度。
11.權利要求10的系統(tǒng)，其中接收機包括一個數(shù)值和符號抽取器，將傳輸?shù)膸Х柎a元分離為編碼碼元符號位和碼元幅度，以及一個符號位解碼器將編碼碼元符號位解碼為符號信息位。
12.權利要求11的系統(tǒng)，其中符號位解碼器包括一個包含一個矩陣HT的矩陣塊，編碼碼元符號位與HT相乘以恢復符號信息位。
13.權利要求12的系統(tǒng)進一步包括一個差分解碼器差分地解碼已恢復符號信息位的預定義的位的位置。
14.權利要求13的系統(tǒng)進一步包括一個響應信號點選擇器的通過網(wǎng)絡傳輸與帶符號碼元相對應的八位組的八位組轉換器
15.權利要求13的系統(tǒng)其中n等6，r等于1，矩陣H-T定義如下H-T=000001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)0000]]>
16.權利要求15的系統(tǒng)其中卷積碼定義如下G(D)＝[1+D11+D11+D1]
17.權利要求16的系統(tǒng)其中矩陣HT定義如下HT=11+D11+D100001+D0001+D0001+D0001+D0001+D0000]]>
18.權利要求7的系統(tǒng)其中RFS是運行數(shù)字和(RDS)，第i個碼元的RDS由濾波器如下確定RDSj=Σj=0iyi]]>其中j是碼元(時間)索引。
19.權利要求18的系統(tǒng)其中第K個幀的以幀為基礎的RDS由等效類選擇器(equivalence class selector)如下確定RDSk=Σj=0n-1RDS2nk+j]]>其中j是碼元(時間)索引。
20.權利要求19的系統(tǒng)其中使用先行方法的RDS如下確定LRDSk=Σi=0ΔRDSk+i]]>其中Δ是先行深度。
21.一種方法，用于從發(fā)射機以幀為基礎傳輸數(shù)字信息位，其中該數(shù)字信息位被編碼為每幀預定個數(shù)的帶符號碼元通過網(wǎng)絡傳輸給接收機，其中碼元具有所要求的頻譜形狀，數(shù)字信息位被分為每幀第一個預定個數(shù)的幅度信息位和第二個預定個數(shù)的符號信息位，該方法包括將幅度信息位映射為每幀預定個數(shù)的碼元幅度；將符號信息位編碼為每幀預定個數(shù)的編碼碼元符號位；以及將碼元幅度和編碼碼元符號位組合起來形成每幀預定個數(shù)的傳輸帶符號碼元；編碼步驟包括為每幀生成符號信息位的陪集表示符號位，還為標識包括編碼碼元符號位的候選集的卷積碼的一個陪集的卷積碼定義一個陪集表示元素，以及使用陪集表示符號位和碼元值，從產(chǎn)生具有所要求形狀的傳輸帶符號碼元的編碼碼元符號位的候選集中選擇編碼碼元符號位。
22.權利要求21的方法，其中第一個預定個數(shù)的幅度信息位為m位，第二個預定個數(shù)的符號信息位為n-r位，其中n對應于每幀碼元的預定個數(shù)，r對應于符號位編碼器使用的冗余位的個數(shù)。
23.權利要求22的方法其中生成步驟包括對n-r位的預定的位置進行差分編碼以實現(xiàn)極性反轉不變性。
24.權利要求23的方法其中映射步驟用模數(shù)轉換映射方案將m個幅度信息位映射到每幀n個碼元。
25.權利要求24的方法其中生成步驟進一步包括用矩陣H-T乘以n-r符號信息位以產(chǎn)生每幀n個陪集表示符號。
26.權利要求25的方法其中選擇步驟包括從陪集表示符號位生成編碼碼元符號位的候選集；將編碼碼元符號位與碼元幅度組合起來形成編碼帶符號碼元候選集；確定每個編碼帶符號碼元候選者的RFS以及將每個編碼帶符號碼元候選者的RFS提供給選擇控制器的邏輯；以及選出與具有最小RFS的編碼帶符號碼元候選者關聯(lián)的編碼碼元符號位。
27.權利要求25的方法其中選擇步驟采用先行方法并包括從陪集表示符號位生成編碼碼元符號位的候選序列將候選序列與碼元幅度組合起來形成編碼帶符號碼元的候選序列；確定每個編碼帶符號碼元候選序列的RFS以及將每個編碼帶符號碼元候選序列的RFS提供給選擇控制器的邏輯；以及從具有最小RFS的編碼帶符號碼元候選者中選出編碼記號符號位。
28.權利要求27的方法其中第i個碼元的RFS如下確定RFSi=Σi=0NBbiyi-1-Σi=1NkaiRFSi-1]]>
29.權利要求28的方法其中第K個幀的以幀為基礎的RFS如下確定RFSk=Σj=0n-1RFS2nk+j]]>其中j是碼元(時間)索引。
30.權利要求29的方法其中用先行方法確定RFS如下LRFSk=Σi=0ΔRFSk+i]]>其中Δ是先行深度。
31.權利要求30的方法進一步包括在接收機中，將傳輸?shù)膸Х柎a元分離為編碼碼元符號位和碼元幅度并將編碼碼元符號位解碼為符號信息位。
32.權利要求31的方法其中解碼步驟包括用矩陣HT乘以編碼碼元符號位以恢復符號信息位。
33.權利要求32的方法進一步包括差分解碼恢復的符號信息位的預定的位位置。
34.權利要求33的方法進一步包括通過網(wǎng)絡傳輸與帶符號碼元對應的八位組。
35.權利要求33的方法其中n等于6，r等于1，矩陣H-T定義如下H-T=000001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)00001/(1+D)0000]]>
36.權利要求35的方法其中卷積碼定義如下G(D)＝[1+D11+D11+D1]。
37.權利要求36的方法其中矩陣HT定義如下HT=11+D11+D100001+D0001+D0001+D0001+D0001+D0000]]>
38.權利要求27的方法其中RFS是運行數(shù)字和(RDS)，第i個碼元的RDS如下確定RDSi=Σj=0iyj]]>其中j是碼元(時間)索引。
39.權利要求38的方法其中第K個幀的以幀為基礎的RDS如下確定RDSk=Σj=0n-1RDS2nk+j]]>其中j是碼元(時間)索引。
40.權利要求39的方法其中用先行方法的RDS如下確定LRDSk=Σi=0ΔRDSk+1]]>其中Δ是先行深度。
41.發(fā)射機中的一個系統(tǒng)用于以幀為基礎將數(shù)字信息位預編碼為每幀預定個數(shù)的預編碼電平；數(shù)字信息位被分為每幀第一個預定個數(shù)的幅度信息位和第二個預定個數(shù)的符號信息位，該系統(tǒng)包括一個幅度映射裝置將幅度信息位映射到每幀預定個數(shù)的碼元幅度；一個符號位編碼器將符號信息位編碼為每幀預定個數(shù)的編碼碼元符號位；以及一個信號點選擇器，響應幅度映射裝置和符號位編碼器，它將碼元幅度和編碼碼元符號位組合起來形成每幀預定個數(shù)的帶符號碼元并輸出與帶符號碼元對應的預編碼電平；符號位編碼器包括一個陪集表示生成器為每幀生成符號信息位的陪集表示符號位，為標識包括編碼碼元符號位的候選集的卷積碼的一個陪集的卷積碼定義一個陪集表示元素；以及一個碼元符號位選擇器，響應陪集表示符號位和碼元幅度，它從編碼碼元符號的候選集中選擇編碼碼元符號位。
42.用在發(fā)射機中的一個方法用于以幀為基礎將數(shù)字信息位預編碼為每幀預定個數(shù)的預編碼電平；數(shù)字信息位被分為每幀第一個預定個數(shù)的幅度信息位和第二個預定個數(shù)的符號信息位，該方法包括將幅度信息位映射到每幀預定個數(shù)的碼元幅度；將符號信息位編碼為每幀預定個數(shù)的編碼碼元符號位；將碼元幅度和編碼碼元符號位組合起來形成每幀預定個數(shù)的帶符號碼并輸出與帶符號碼元對應的預編碼電平；編碼步驟包括為每幀生成符號信息位的陪集表示符號位，為標識包括編碼碼元符號位的候選集的卷積碼的一個陪集的卷積碼定義一個陪集表示元素；以及用陪集表示符號位和碼元幅度，從編碼碼元符號的候選集中選擇編碼碼元符號位。
43.一個接收機以幀為基礎從網(wǎng)絡上接收已由發(fā)射機編碼為每幀預定個數(shù)的帶符號碼元的數(shù)字信息位，其中被傳輸?shù)膸Х柎a元具有所要求的頻譜形狀；數(shù)字信息位被分為每幀第一個預定個數(shù)的幅度信息位和第二個預定個數(shù)的符號信息位，該接收機包括一個數(shù)值和符號抽取器將傳輸?shù)膸Х柎a元分離為編碼碼元符號位和編碼碼元幅度；一個幅度映射器將編碼碼元幅度解碼為幅度信息位；以及一個符號位解碼器把編碼碼元符號位解碼為符號信息位；其中符號位解碼器包括具有矩陣HT的矩陣塊，編碼碼元符號位與其相乘以恢復符號信息位。
44.權利要求43的接收機，其中HT定義如下HT=11+D11+D100001+D0001+D0001+D0001+D0001+D0000]]>
全文摘要
一個系統(tǒng)從一個發(fā)射機通過網(wǎng)絡將編碼為每幀預定個數(shù)的帶符號碼元的數(shù)字信息位傳輸給一個接收機,其中被傳輸?shù)膸Х柎a元具有所要求的頻譜形狀;數(shù)字信息位被分為每幀第一個預定個數(shù)的幅度信息和第二個預定個數(shù)的符號信息位,該發(fā)射機包括:一個幅度映射裝置(50)將幅度信息位映射到預定個數(shù)的碼元;一個符號位編碼器(52)將符號信息位編碼為每幀預定個數(shù)的編碼碼元符號位;以及一個信號點選擇器(54),響應幅度映射裝置和符號位編碼器,將碼元幅度和編碼碼元符號位組合起來形成每幀預定個數(shù)的被傳輸帶符號碼元。
文檔編號H04B14/04GK1252195SQ98803983
公開日2000年5月3日 申請日期1998年4月3日 優(yōu)先權日1997年4月8日
發(fā)明者維達特·M·尤伯格路, 德永·金, 秦成·唐 申請人:摩托羅拉公司