CN1056197A - 多载波高速调制/解调器 - Google Patents

Abstract

调制/解调系统包括一个含有振荡器和调制器 和发送部分，它包括一个连续地相互连接每组已调制 信号以产生一帧波形的加法器，一个快速富立叶反变 换电路，一个旋转和匹配缓冲电路和一个发射机。调 制/解调系统还包括含有电路的接收部分，它包括一 个再旋转电路，一个快速富立叶变换电路和一个解调 器用以再现需传送的数字资料。

Description

本发明叙述一个高速数据调制/解调器，它用来在普通的有限带宽的电话通道及类似的通道上传送和接收数据，並详细讨论了通过减小码间间隙和延迟的方法达到高速度並不存在附加失真的调制/解调器。

调制/解调器被开发为能在低挡的但通行的模拟电话声音通道上传送数字资料。具有在电话通道上传送数据的能力不仅可以取消专门设计的数据传送网络（至少可以减少），而且使起始站和终点站的数量大大增加，只受到电话线路的利用率（确切地说是不使用率）的限制。

调制/解调器通过把二进制数字信号转换成适合在电话通道上传送的模拟信号来工作的，然后，发送以后，再将模拟信号转变回数字信号。这种转换包括在发送端将数字信号调制或者编码到载波信号上，和在接收端将收到的信号解调或解码使得能再现数字信号。

由于引入了调制/解调器，发展结果已经改进了它们的速度和精度，导致系统能传送9600比特/每秒，（见美国专利4，206，320和4，771，417），最近达到14，400比特/每秒（见美国专利4，646，305）。另外参见美国专利3，955，141，4，085，449，4，355，397，4，514，825，4，653，044，4，686，690，4，734，920和4，796，279。

在电话通道上传送数据的速度和精度受到抑制的一个问题（至少对使用多载波的系统来说）是称为“群延时失真”。引起这种失真是由于不同频率的相位延迟是不相同的。这种失真的结果是被传送的合成的模拟信号的不同频率到达接收端的时间不同，某些频率滞后于其他的频率，因此，一个信号符号或者帧可以与先前的或者以后的符号相干涉，例如，符号的后到的频率与后面符号的先出现的频率相干涉。

使用多载波的系统的另一个问题来自符号波形（被传送的合成模拟信号）是周期性的，因此，如果连续地传送（一个接着一个），常常引起符号之间的突然中断。这些中断也在后面的符号中产生严重失真（从中断的谐波）。

一种克服群延时失真问题和码间中断问题的方法（在美国专利4，206，320中有披露）是在符号之间规定一个间隙或者保护时间以减小码间及中断失真。那就是，在接收端解调器对波特时间的某一段安排解调器不管接收到的信号。当然，这也增加了发送时间（即增加延时），换句话说，就是降低了发送率。

本发明的一个目的是提供一种通过电话通道高速和可靠的发送数据的改进的系统。

本发明的另一目的是提供这样一种系统，它至少每秒能准确地发送19，200比特的数据。

本发明还有一个目的就是提供这样一种系统，它能减小码间失真而不增加延时或降低发送率。

本发明的上述或其他目的在多载波高速调制/解调器的具体的实例中可得到了解，该实例在发送端产生一组载波信号，该组内的每一个载波信号的频率不同于该组的其他载波信号的频率;用要传送的数字资料的不同部分调制一组中的每一个载波信号，用作调制载波信号组的所有这样的部分构成数字资料的一个帧;依次合成每组已调制的载波信号以产生一帧波形。每帧波形按照快速富主叶反变换函数从一个频率域信号转换成一个时间域信号。然后，每个已变换的波形被旋转（线性的相位移动）因此它的起始点和斜率基本上与先前的已变换的波形的起始点和斜率相匹配。然后，已旋转的波形被波形间无间隙地传送到一个接收站。在接收站，接收到的波形基本上被再旋转到旋转前的原来的状态。接收后再旋转的波形按照快速富主叶变换函数从时间域变换回频率域。最后，收到的並再旋转的以及变换后的波形被解调以再现数字资料信息。

按照本发明的一种样子，在发送端一些参考频率被加到旋转前的波形上而另一些被加到旋转后的波形上。然后，在接收端，参考频率的相位和幅度（从帧到帧它们是常数），用来确定每个波形上已经旋转过的量。因此，每个波形可以被正确地再旋转。

本发明的上述目的、特点和优点在参照附图作详细说明后将是十分明显的。

图1和图2分别是调制/解调器发射机和调制/解调器接收机的方框图，它们都是按照本发明的原理构成的;

图3显示的是适用于本发明的典型的构象（Constellation）和点分配。

如前面指出的那样，本发明的系统被设计为通过一般的电话通道例如在开关电话网络上可使用的通道发送数字资料。本发明的系统一个典型的具体实例通过使用固定频率载波信号组或帧，例如每帧18b，允许以每秒19.2千比特的速度发送。载波信号被幅度和相位用二进制数据调制或编码，例如每载波信号7比特，于是每帧是1302比特。载波信号之间的频率间隔是一些固定的值（例如15.625Hz），对于最低载波信号频率组在312.5Hz，而最高载波信号频率组在3203Hz。调制以后，一帧的载波信号总加起来得到一帧波形最终发送到接收站，在接收站数字资料可以被恢复。

图1展示的是按照本发明构造的调制/解调器发射机的具体实例。发射机包括一个帧缓冲器4，用来接收、暂存和分组或者组织输入的一串二进制数据。输入数据的分组或者组织是在微处理机8控制下实现的，微机8比如可能是得克萨斯仪器公司的数字信号处理芯片320c255。关于上面给出的典型的速率和特性，为了送数字资料的速率为在帧中每秒19.2千比特，每秒15.625帧，在每帧中需要包括1228.8比特。但是，上面指定的编码或者调制能力是每帧1302比特，因此如果要发送的每帧确定为1229数据比特，则每帧还余73比特可以利用。这些剩余的比特将用作误差检测和校正，以后将会叙述。在任何情况下，如决定每帧发送1229比特数据，帧缓冲器4应该具有至少暂存1229比特数据的能力。然而，由于时钟通常存在不准确性1帧缓冲器4应该存储一些额外的比特，例如存1232比特，以补偿定时的不准确。

帧缓冲器4将它存储的数据转储到密码器8，一次一帧，密码器使数据以众所周知的方式随机化以避免固定的或不变的数据长序列发送。加密后的数据送到一个误差检测/校正编码器12，在12中加进作为误差检测和校正用的冗余位。例如，根据上面的规定的参数，如果每帧包括1232比特数据，加上冗余的70比特就提供每帧1302比特总量，达到要发送的每秒19.2千比特的速率。利用各种周知的编码技术能够实现误差的检测和校正编码，如字组奇偶或者卷积编码法就是一种方法。虽然编码功能以及密码功能被表示为在这里是由单个单元实现的，但这种功能也能用微机8来实现。

编码数据加到QAM（正交幅度调制）调制器16，它将每帧（1302比特）分成7比特的子集，然后在不同的载波频率中的一个上编码。QAM按照图3所示的等距信号星座用数据比特子集来调制每一个载波频率的幅度和相位。图3中框线的每个交点加上中心垂直线300和中心水平线304的四个端点共为128点中的每一个7位数据字规定了128个不同相位（点的角度位置）和幅度（星座中心到点的距离）。那就是按照星座每7位数据字指定一个不同的相位和幅度並且当相应的7位字要发送时该相位和幅度用来调制一个载波频率。这128个不同的点除了每隔一点外尽可能的在相位和幅度上隔开。当然，这种星座的应用是大家熟知的。QAM调制也是众所周知的，比如，可参看美国专利4，085，449。

用调制器16的调制已经叙述过了，好象连续波或者载波信号在被调制（这将是最基本的结果），但是，在图1中的发射机工作的这一阶段，是用数字的方法实现的，以后将提到，这数字信息将转换成模拟信号。

调制以后，载波信号与参考频率1产品器24和参考频率2产生器28产生的两个参考频率一起送到加法器20，加法器将所有的频率加起来形成一个合成帧（或符号）信号。参考频率1和2是相互不同的並且被提供来便于合成帧信号的旋转和反旋转或“再旋转”，以后将会提到。

加法器20把每个合成帧信号送到自适应均衡器电路32，它对要发送的合成信号“予补偿”以补偿典型的电话通讯通道的衰减。这种予补偿包括改进载频信号的幅度，事先解决幅度的失真，这种失真在电话通讯通道中是会产生的。事实上，对于通讯通道平均衰减作为频率的函数是能够被确定的，並且用调制信号的实部和虚部乘这个函数的倒数，因此，经传送和预期的衰减以后，接收机将收到比没有予补偿过的信号更接近所发送的频率信号。

自适应均衡器32把合成帧信号加到一个快速富立叶反变换电路44，该电路将信号从频率域转换到时间域。图1和图2的调制/解调系统具有以上说明过的特性，选择8KHz的发送时钟（因而配备一个8KHz的振荡器），用每一个帧组成512个时钟周期（每一帧的开始和结束时分频器40向微机8提供一个信号，也就是每512个时钟周期提供一个）。具有这些特性，自适应均衡器32向快速富立叶反变换电路44提供顺序的合成帧信号，该信号由512个频率域样本组成，它们是由256个真的和假的频率分量组成。这些合成的帧信号被电路44变换成每帧512个数字式时间域样本並将它们送到旋转和匹配缓冲电路48。

电路48在微机8的控制之下顺序将合成帧信号（由512个时间域样本代表）储存在缓冲器中，作为使每个帧信号端点的幅度和斜率与下一个随后的帧信号的幅度和斜率匹配之用。通过旋转（相位移动）每一个随后的帧信号直到十分接近匹配才完成。如果帧信号被看作连续的帧波形（最终它们将是），那末，每帧波形的起始点能够被看到正在移动一直到波形中的点到达那个点处的幅度和斜率与刚才产生的帧波形的端点的幅度斜率和精密地匹配为止。这样做的理由是从任何帧波形的末端到下一个帧波形的起始的正常移动时幅度上会急剧地下落和升高，当从数字到模拟转换时，这种急剧变化对在发送会产生瞬时的频率和码间帧间的干扰。在老的技艺中解决这个问题的方法是提供一段码间或帧间的间隙，因此在信号幅度中急剧地下落和升高将被一段间隙所分开，使这种变化较缓慢的产生。例如，见美国专利4，206，320，然而，这会带来延迟和降低发送率。

由于快速富立叶变换信号是周期性的，每个合成的帧信号将开始和结束在同样的幅度上。所以信号可以被旋转，以规定一个此信号的新的起始和结束，这新的起点和终点本质上具有同样的幅度和斜率。因而，合成的帧信号可以被旋转（连续的相位移动），所以，它们的新起点在幅度和斜率上与前一个帧信号的终点是匹配的;然后，发送的帧信号在接收端可以被反向旋转或者“再旋转”以恢复原来的帧信号或者波形。

因为每个合成帧信号已经被随机化了（用密码器8）统计地说在时间域帧信号中总存在几个点，那里的幅度和斜率将与先前一帧信号的终点幅度和斜率相匹配。旋转和匹配缓冲电路48仅仅旋转每个帧信号直到帧信号的起始两至三个样本（512个总数中）的幅度和斜率与先前一帧信号的末端两至三个样本相匹配。另外，虽然均衡电路、FFT和旋转和匹配功能图示为由单独单元来实现的，这些功能也都可由微机8来实现，如果想这么做的话。

当以上叙述的匹配达到时，被旋转的帧信号准备加到加法器52上。加法器52将已旋转的帧信号（假定要求旋转）加上第三个参考频率（由参考频率3产生器56送来的）。这个参考频率用作同步目的，也就是指示每帧的起始和终止。由于参考频率3加到旋转后的合成帧信号上，所以可以用它作为接收与发送的同步。选择参考频率3的频率使得在一帧时间内包含周期的一个整数倍。例如，对于8KHz的时钟率和512个时钟周期组成一帧，如果参考频率选为296.875Hz，则对参考频率3来说每帧有19个周期。参考频率3产生器56提供参考频率信号到加法器52，因此，随着每一帧而改变信号的极性。在这种方法中，在接收机中作为参考频率3信号极性改变的点就很容易确定每帧的起始和结束，因此就可与发射机同步了。参考频率3连同参考频率1和2还可用作确定每一合成帧信号的旋转量。

加法器52给出的合成帧信号加到数字/模拟转换器60，它产生一个模拟波形体显了适于通过电话通道发送的每个帧信号。数字/模拟转换器60把波形送到数据存取排列电路64，它将图1的发射机连到电话通道68上。DAA电路64包括与电话系统接口所必需的电路，其中包括系统保护和常规的装置。

图2画的是按照本发明构成的调制/解调器接收机的一个具体实例。该接收机包括一个数据存取排列电路72用来将接收机的部分电路连到电话通道68上，数据信号是通过此电话通道传送过来的。DAA电路72把接收到的信号提供给数字控制的放大器76，该放大器的增益由从微机80收到的输入数字决定。微机80和图1中的微机8一样可以用得克萨斯仪器公司的数字信号处理芯片320C255。

放大器76将收到的信号放大到模/数转换器80所要求的电平並且将信号加到模/数转换器。这可以通过计算先前转换的一帧波形的采样组的功率电平来完成，然后算出下一帧波形的新的增益值。放大器76的增益只是在帧变换时才改变，也就是在两帧之间。模/数转换器80限制输入信号的频带並且以8KHz的采样率将输入信号转变为一串数字量，它由从微机8收到的采样门来确定。

采样后的数字信号被加到群延时均衡电路84上，该电路从收到的符号或帧中去除群延时效应。这种均衡是大家熟知的，用从以前传送的一列已知相位的帧来确定对于所传送的不同频率将发生何种延时的方法来实现。

然后，收到的信号送到频率校正电路88，这电路以一般的方式校正在传送期间信号已经发生的任何频率偏移和相位误差。频率校正过的数据被频率校正电路88送到再旋转电路92，把这些数据缓存到512个采样块中去，这些采样块是由来自帧信号检测器94经微机确定的接收机帧定时所规定的。具体地说，参考频率3信号的极性的每一个改变都被帧信号检测器94检出，例如利用哥斯特斯回路（Costas  loop）检测排列以指示一帧的结束和另一帧的起始。帧信号检测器94通知微机80指示每一帧的起始和终止，也通知微机参考频率3中的任何频率移动。后一个信息由微机80送到频校正电路88让它对合成信号的频率偏移给予校正。

随着数据帧正确地同步，旋转的量能够很容易地通过对参考频率1和2的检验而被确定，参考频率1和2是在图1的发射机中被加到旋转以前的发送信号上的，因此也被旋转了。由于这两个参考频率是不同的，並且在一帧时间周期内两个频率之间相对相位差以相同的式样变化，这种相位差的检测将表示每帧波形旋转的量。例如，如果把两个频率加到发射机的每帧波形上，如果是在每帧的起始是同相的（当然在这帧的末端相位相差一个预定的量），然后，每一收到的帧波形就被旋转直到到达波形中参考频率1和2的相位差为零一那个点就表示符号或帧的未被旋转的起始点。

每一再旋转的帧波形被再旋转电路92加到快速富立叶变换电路96，该电路将数据从时间域返回到频率域中，使用的方法是普通的快速富立叶算法。然后转换数据被送到幅度和相位校正电路100。这个电路以常规的方法用一列最初传送的信号波形确定的量校正收到信号的幅度和相位。采用从最初传送的一列信号中得出的检查表的方法可以实现这种校正。然后，校正过的信息被加到QAM解调器104，解调器104用把单个载波的实部和虚部与存储的信号构象（图3）相比较並且选出与收到的点最接近的信号点的7位字。然后解调后的信号送到一个误差检测/校正检测器108以确定和校正任何位误差，在1232总字长中除去冗余的70位后的合成字送到解密器112。解密器112执行的只是与发射机中执行的加密功能相反的功能，以恢复要传送的真正的数据位。然后数据送到一个输出帧缓冲器116，它执行图1中帧缓冲器4的相反的功能，即开放此数据，然后将数据串行位流加到一个接收或者应用装置去（图中未画出）。

在叙述过的方法中，提供了一种传送数据的字符间或帧间不需要插入延时或间隙的调制/解调系统，因此避免了其他方面引起的延时。码间或者帧间的干涉（这种干涉一般由传送帧序列中帧间幅度突然改变引起的）通过旋转每帧波形而避免了，因此，它的起始点在幅度和斜率方面基本上与前一帧波形的末端点的幅度和斜率相匹配。在接收端，再旋转帧波形以恢复原来的信号。

应该明白，上述装置只是本发明的原理应用的一个例证。大量的修改和替代装置可以由精通此技术的人提出而並不脱离本发明的精神和范围，並且所附的权利要求同样适用于所有这些修改和装置。

Claims (8)

1、在电话通道或者类似的通道上传送数字资料信息的调制/解调系统包括：

连续产生载波信号组的装置，一组中的载波信号的频率与该组中其他载波信号的频率不同，

用数字资料的不同部分调制一组中的每一载波信号的装置，用来调制一组载波信号的所有这些部分组成数字资料的一帧，

连续地将每组的已调制信号组合在一起以产生一帧波形的装置，

连续地变换每个波形的装置，按照快速富立叶反变换函数从频率域信号变成时间域信号，

旋转每个已变换的波形的装置，因而使它的起始点和斜率基本上与先变换的波形的末点和斜率相匹配，

从发送站连续地向接收站发送已变换和已旋转的波形的装置，

接收已发送的波形的装置，

再旋转每个收到的波形使它基本上到达旋转前的原来的状态的装置，

变换每个已收到的、已再旋转的波形的装置，按照快速富立叶变换函数从时间域信号变成频率域信号，

对每个收到的、再旋转过的波形解调的装置，恢复数字资料信息。

2、按照权利要求1的系统还包括：

将第一和第二固定频率参考信号加到每个波形上的装置，这两个参考信号的频率彼此相差一个预定的值，並且与载波信号的频率不同，

将第三固定频率参考信号加到已变换的、已旋转的波形上的装置，第三参考信号的频率与载波信号的频率不同，並且和第一、第二参考信号的频率也不同，

其中所述的再旋转装置包括处理第一、第二、第三参考信号以确定每帧波形的起始和所述的每帧波形旋转的角度的装置。

3、按照权利要求2的系统，其中所述的第三参考信号加入装置包括产生比先前刚产生的第三参考信号相位超出180°的每个第三参考信号的装置。

4、按照权利要求3的一个系统，其中载波信号间的频率空隙为15.625Hz，而最低载波信号频率为312.5Hz，第三参考信号频率为296.875Hz。

5、按照权利要求4的一个系统，其中每组的载波信号数为186，数字资料是二进制的，每个载波信号的二进制数字数为7。

6、按照权利要求2的一个系统，其中所述的调制装置包括对一组中的每个载波的幅度和相位调制的装置，其中所述的解调装置包括对每个收到的和已再旋转的波形的幅度和相位解调的装置。

7、从发送站通过电话通道或者类似的有限带宽的通讯通道传送二进制数字资料到接收站的方法，在发送站包括以下步骤：

把数字资料组合到连续的数据帧中，每一帧具有一定数量的数据群，而每一群又包含预定数量的位。

用各自的一个帧、位、群来调制一组中的每个固定频率载波信号，一组中的每个载波信号具有与该组中的其它载波信号的频率不同的频率，每个已调制的载波信号代表位的不同群，

综合一组中的已调制信号产生一个帧波形，

按照快速富立叶反变换函数连续地变换每个帧波形，从频率域信号变成时间域信号，

旋转每个已变换的波形，因此使它的起始点和斜率基本上与先前变换的帧的终止点和斜率相匹配，

在接收站，接收已发送的波形的步骤是：

再旋转每个收到的波形到它们原来没旋转的配置，

按照快速富立叶变换函数变换每个已收到的、再旋转过的波形，从时间域信号变成频率域信号，

解调每个频率域信号波形以恢复数字资料对应的帧。

8、按照权利要求7的方法还包括，

在发送站的步骤还有：

加第一和第二固定频率参考信号到每个帧波形上，第一和第二参考信号的频率彼此不同並且与载波信号的频率也不相同，

加第三固定频率参考信号到每个已变换的和已旋转的波形上，第三参考信号的频率与载波信号的频率以及第一、第二参考信号的频率不同，

在接收站的步骤还有：

从第三参考信号确定每帧的起开点，

从第一和第二参考信号确定每帧中旋转的角度。

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