ДУПЛЕКСНЫЙ МОДЕМ Российский патент 2000 года по МПК H04L5/14 H04B3/00 

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в системах передачи данных, обеспечивающих дуплексный режим работы по коммутируемым двухпроводным телефонным линиям.

Известен отечественный модем, описанный в работе [К.Ф. Астапкович и др. Результаты экспериментальных исследований цифрового УПС-9600. - Электросвязь, N7, 1986]. К числу его недостатков относится неспособность обеспечить дуплексную работу по двухпроводным телефонным линиям ввиду отсутствия в его составе устройства компенсации эхосигнала, т.е. эхокомпенсатора (ЭК).

Другой отечественный модем, описанный в работе [Л.Н. Афанасьев и др. Устройство преобразования сигнала на скорость 14,4 Кбит/с - Электросвязь, N6, 1988] , также не способен обеспечить дуплексную работу по двухпроводным телефонным линиям по той же самой причине.

Кроме того, при работе на линии с большим числом переприемных участков (наличие таких линий является спецификой отечественных каналов связи, обусловленной необходимостью передачи информации на большие расстояния), рассмотренные модемы не обеспечивают высокую надежность вхождения в связь. Неслучайно приводимые в названных выше работах результаты испытаний модемов даны лишь для каналов с числом переприемных участков не более трех, в то время как вполне реальной является ситуация, когда в состав отечественной линии связи входит до 12 таких участков. Как известно (см. например, В.О. Шварцман, Г.А. Емельянов. Теория передачи дискретной информации. М.: Связь, 1979, с. 74-82), в последнем случае необходимо использование предварительного корректора частотных характеристик канала. В работе [В.А. Кисель. Аналоговые и цифровые корректоры. Справочник, М. : Радио и связь, 1986] приводятся различные схемы построения предварительных регулируемых корректоров канала, однако использование их в составе модема предполагает либо ручную настройку корректора, либо крайне медленную автоматическую. При этом автоматизация процедуры настройки предполагает последовательное изменение структуры корректора, выражающееся во включении в ее состав тех или иных корректирующих звеньев, и оценку качества работы приемника при каждой из возможных конфигураций корректора. Поскольку при большом количестве переприемных участков в линии число перебираемых конфигураций корректора должно быть достаточно большим, а время оценки качества работы приемника (которая может быть осуществлена, например, по значению среднеквадратической ошибки на входе решающего устройства модема) при анализе каждой конфигурации - превышающим время установления рабочих режимов во всех узлах приемной части модема, то есть весьма длительным, общая продолжительность автоматической настройки подобного корректора является недопустимо высокой (несколько минут).

Таким образом, недостатками известных отечественных модемов являются невозможность их использования при работе в дуплексном режиме по двухпроводным линиям; низкая надежность вхождения в связь или чрезвычайно длительное время вхождения в связь.

В известном устройстве, описанном в работе [J.J.Werner. An echo-Cansellation - based 4800 bit/s full duplex DDD modem. - IEEE Journal on Selected Areas in communications, vol. SAC-2, N5, September, 1984], эхокомпенсатор имеется, чем обеспечивается возможность дуплексной работы по двухпроводным линиям. Однако при наличии ухода частоты несущей в тракте дальнего эха, имеющего место в реальных каналах [см., например, P.H.Wittke и др. Measurements of echo parameters pertinent to high-speed full-duplex data transmission on telephone circuits. - IEEE Journal on Selected Areas, in communications, vol. SAC-2, N5, September, 1984], такой модем оказывается практически неработоспособным, что объясняется отсутствием схемы слежения за частотой несущей дальнего эха в составе структуры ЭК дальнего эха (ЭК ДЭ).

При использовании в составе модемов известного ЭК со схемой слежения за частотой несущей дальнего эха, описанного, например, в работе [Патент США N4813073, МКИ H 04 L 5/14], последний недостаток устраняется, однако при этом имеет место чрезвычайно длительный процесс первоначальной настройки ЭК. Для установления надежной связи при передаче данных требуется высокий уровень подавления эха. Поэтому процедура настройки ЭК предшествует началу сеанса связи и во многом определяет время вхождения в связь. Длительность настройки ЭК зависит от величины частотного сдвига Δω несущей дальнего эха и является наибольшей, когда Δω максимальна (≈7 Гц).

В настоящее время известно устройство, позволяющее сократить длительность первоначальной инициализации ЭК, предложенное в работе [G.Long, F. Ling. Fast initialization of data-driven Nyquist in-band echo cancellers. - IEEE Trans. and commun., vol. 41, no. 6, June, 1993], однако оно работоспособно лишь в случае, когда уход частоты несущей дальнего эха практически отсутствует (< 0,5 Гц). Таким образом, в наиболее неблагоприятном, но вполне вероятном на практике случае, время инициализации ЭК известных устройств, а следовательно, и время вхождения в связь остается большим.

Кроме того, всем рассмотренным зарубежным аналогам присущ тот же подробно рассмотренный выше недостаток, что и известным отечественным модемам - невысокая надежность вхождения в связь, обусловленная отсутствием в их составе предварительного корректора частотных характеристик канала. Неслучайным поэтому является отмеченный в статье [А. Батырь. Модемы для России. PC-MAGAZIN, N1, 1996, с. 130-142] факт необходимости специальной адаптации зарубежных модемов для работы по российским каналам, которая, тем не менее, не обеспечивает 100% надежности вхождения в связь.

Известен дуплексный модем, описанный в работе [Патент США N4792940, МКИ H 04 L 5/14], наиболее близкий к предлагаемому изобретению. Схема этого устройства представлена на фиг. 1. Дуплексный модем содержит кодер 1, модулятор 2, выходной блок передатчика 3, дифференциальную систему 4, генератор тестовых сигналов 5, узел управления 6, входной блок 7, детектор совпадения кода 8, детектор качества сигналов 9, детектор гармоник 10, декодер 11 демодулятор 12, автоматический корректор сигнала 13, входной блок приемника 14, эхокомпенсатор 15, причем вход модема связан с входом кодера, второй вход которого соединен с выходом генератора тестовых сигналов, а третий - с выходом узла управления, второй выход которого подключен к входу генератора тестовых сигналов, третий выход узла управления соединен с входом модулятора, четвертый его выход связан с объединенными входами эхокомпенсатора и входного блока, пятый выход узла управления подключен к входу автоматического корректора сигнала; один из входов узла управления связан с выходом детектора совпадения кода, второй его вход соединен с выходом детектора качества сигналов и третий вход подключен к выходу детектора гармоник, выход кодера соединен с вторым входом модулятора, выход которого связан с входом выходного блока передатчика, выход последнего подключен к входу дифференциальной системы, выход которой соединен с входом входного блока, выход этого блока связан с вторым входом эхокомпенсатора, выход которого подключен к входу входного блока приемника, выход последнего связан с соединенными входом детектора гармоник и первым входом автоматического корректора сигнала, второй вход которого подключен к выходу демодулятора, выход автоматического корректора сигнала связан с соединенными входами демодулятора и детектора качества сигналов, второй вход которого подключен к выходу демодулятора, выход декодера соединен с входом детектора совпадения кода, вход декодера связан с выходом демодулятора.

Детальное описание таких узлов модема, как модулятор 2, демодулятор 12, эхокомпенсатор 15 и автоматический корректор сигнала 13, как указано в патенте США N4792940, дано в работе ["Silencing Echoes on the telephone network". Proceedings of the IEEE, vol. 68, no. 8, pp. 948-963, Aug. 1980], а узел управления представляет собой микропроцессор, управляемый программой, обеспечивающей работу устройства в соответствии с алгоритмом, задаваемым рекомендацией МСЭ-Т V. 32. Генератор тестовых сигналов выполняется в виде запоминающего устройства, в котором записаны таблицы значений сигналов нужной формы. Считывание требуемого сигнала осуществляется посредством адресации соответствующих ячеек, производимой с помощью воздействия узла управления 6. Выходной блок передатчика 3 включает в себя ЦАП и сглаживающий фильтр; входной блок 7 содержит входной фильтр и АЦП, входной блок приемника 14 - систему автоматической регулировки уровня и АЦП. Отметим, что узлы 3, 7 и 14 в схеме, представленной в описании патента N4792940, отдельно не выделены, а включены соответственно в состав узлов 2, 15 и 13. Однако представленное здесь начертание схемы прототипа является более предпочтительным с точки зрения выявления существенных признаков изобретения. Детектор гармоник 10 содержит фильтр, позволяющий обнаружить гармонику с заданной частотой. Детектор качества сигнала 9 включает компаратор, который сравнивает разницу между входным и выходным сигналами демодулятора с заранее установленным порогом. Детектор совпадения кодов 8 содержит несколько компараторов, позволяющих сравнить кодовую комбинацию на выходе декодера 11 с образцовой (шаблонной) кодовой комбинацией. Кодер 1 и декодер 11 предназначены соответственно для кодирования передаваемых данных с помощью кода, позволяющего устранить ошибки, и их обратного декодирования. Схемы построения этих узлов, как отмечено в описании патента США N4792940, даны в работе [Патент США N4077021]. Работа устройства - прототипа осуществляется следующим образом. В режимах вхождения в связь или переобучения модема на вход кодера 1 с генератора 5 под управлением узла 6 подаются необходимые тестовые сигналы, предусмотренные либо соответствующей рекомендацией МСЭТ, либо методом переобучения модема, защищенным патентом США N4792940. В режиме передачи данных по команде с узла 6 кодер переключается на обработку передаваемой информации. Выходной сигнал кодера подается на вход модулятора, в котором осуществляется формирование спектра передаваемого сигнала и сопряжение его с полосой пропускания телефонного канала (т.е. перенос спектра в область частот 300 - 3400 Гц). В выходном блоке передатчика 3 производится переход от цифрового сигнала к аналоговому, подаваемому затем на дифференциальную систему 4. Блок 4 осуществляет сопряжение четырехпроводного окончания канала (передатчик и приемник модема) с двухпроводной телефонной линией, т.е. пропускает выходной сигнал тракта передачи (блока 3) в линию; линейный сигнал - в тракт приема (на вход блока 7) и не допускает (в идеале) или существенно уменьшает (на практике) прохождение собственного сигнала из тракта передачи в тракт приема. Ввиду принципиальной невозможности точной балансировки дифференциальной системы, обусловленной априорной неопределенностью параметров коммутируемой телефонной линии, нежелательное прохождение собственного сигнала из тракта передачи в тракт приема имеет место. В результате на вход приемного тракта местного модема, т.е. на вход блока 7 поступает сумма сигнала, пришедшего из линии, и прошедшей через блок 4 части собственного передаваемого сигнала, называемого сигналом ближнего эха. Напомним, что линейный сигнал также представляет сумму полезного сигнала удаленного модема и возникающего аналогичным образом в удаленной дифференциальной системе сигнала дальнего эха (без учета шума).

В блоке 7 осуществляется фильтрация принятого сигнала и преобразование его в цифровую форму. В эхокомпенсаторе 15 осуществляется формирование копий сигналов ближнего и дальнего эха и вычитание их из линейного сигнала. Кроме того, выходной сигнал ЭК 15 вновь преобразуется в аналоговую форму. Последнее необходимо потому, что блок 7 и ЭК 15, управляемые узлом 6, тактируются тактовой частотой, используемой в передатчике местного модема, в то время как остальные узлы приемного тракта работают на тактовой частоте передатчика удаленного модема, определяемой не показанной на фиг. 1 схемой тактовой синхронизации.

Итак, выходной сигнал ЭК является освобожденным от мешающего воздействия эхо-сигналов и представляет собой (без учета шума) информационный сигнал удаленного модема. В блоке 14 осуществляется его преобразование в цифровую форму и автоматическая регулировка усиления, а затем в автоматическом адаптивном корректоре сигнала 13, управляемом сигналом с выхода демодулятора 12, устраняется влияние межсимвольной интерференции. После этого откорректированный сигнал демодулируется в узле 12 и декодируется узлом 11. Узлы 8, 9 и 10, входящие в состав схемы прототипа, необходимы для реализации защищаемого патентом США N4792940 метода автоматического переобучения модема: блок 9 позволяет обнаружить ухудшение качества передачи и передать информацию об этом в блок 6, который необходимым образом реагирует на длинное сообщение; блоки 8 и 10 осуществляют анализ принимаемых от удаленного модема сигналов. Результаты этого анализа также поступают в блок 6, а последний на их основе производит соответствующие действия, позволяющие реализовать защищаемый патентом метод переобучения. Более подробное рассмотрение данного метода не представляется целесообразным, поскольку он не имеет непосредственного отношения к сопоставлению прототипа с заявленным объектом. Прототипом является не метод переобучения модема, а сам модем, описанный в патенте N4792940 и в настоящей заявке.

Рассмотренный модем обладает теми же недостатками, что и перечисленные выше аналоги, а именно:
1) ввиду отсутствия предварительного корректора частотных характеристик канала не обеспечивает высокой надежности вхождения в связь (т.е. при определенных параметрах канала связи оказывается неработоспособным);
2) ввиду отсутствия в его схеме узлов и связей, обеспечивающих быструю первоначальную настройку эхокомпенсатора, характеризуется длительным временем вхождения в связь.

Задачей на решение, которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности вхождения в связь и уменьшение времени вхождения в связь.

Технический результат при этом выражается в
- автоматическом устранении влияния частотных и фазовых искажений канала связи при малой длительности процедуры настройки корректирующего фильтра;
- сокращении времени первоначальной настройки эхокомпенсатора при наличии частотной расстройки несущей в тракте дальнего эха.

Это достигается тем, что в схему устройства, содержащую кодер, модулятор, выходной блок передатчика, дифференциальную систему, входной блок, генератор тестовых сигналов, узел управления, эхокомпенсатор, детектор гармоник, входной блок приемника, автоматический корректор сигнала, демодулятор и декодер, причем вход модема связан с первым входом кодера, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тестовых сигналов, а третий - с первым выходом узла управления, второй выход которого подключен к входу генератора тестовых сигналов, третий выход узла управления соединен с первым входом модулятора, четвертый его выход связан с соединенными третьим входом эхокомпенсатора и первым входом входного блока, пятый выход узла управления подключен ко второму входу автоматического корректора сигнала, выход кодера соединен с вторым входом модулятора, выход выходного блока передатчика подключен к первому входу дифференциальной системы, выход которой соединен с вторым входом входного блока, выход этого блока связан с первым входом эхокомпенсатора, выход которого подключен к входу входного блока приемника, третий вход автоматического корректора сигнала связан с первым выходом демодулятора, вход которого соединен с выходом автоматического корректора сигнала, вход декодера связан с выходом демодулятора, введены переключатель, линия задержки, узел вычитания, узел оценки ухода несущей, согласованный фильтр, вычислитель комплексной частотной характеристики канала, вычислитель амплитудно-частотной характеристики канала, вычислитель группового времени замедления канала, два узла усреднения, вычислитель комплексной частотной характеристики корректора, вычислитель импульсной характеристики корректора и корректирующий фильтр, причем второй выход генератора тестовых сигналов связан с первым входом переключателя, второй вход которого соединен с выходом модулятора, управляющий вход переключателя связан с шестым выходом узла управления, выход переключателя подключен к входу выходного блока передатчика, выход кодера соединен с вторым входом эхокомпенсатора, первый вход которого связан с соединенными входом детектора гармоник и входом согласованного фильтра, четвертый вход эхокомпенсатора подключен к выходу узла оценки ухода несущей, первый вход которого связан с седьмым выходом узла управления, восьмой выход которого соединен с первым входом вычислителя комплексной частотной характеристики канала, девятый - с объединенными первыми входами вычислителей амплитудно-частотной характеристики канала и группового времени замедления канала, десятый - с объединенными первыми входами двух узлов усреднения, одиннадцатый - с первым входом вычислителя комплексной частотной характеристики корректора, двенадцатый - с первым входом вычислителя импульсной характеристики корректора, второй вход которого подключен к выходу вычислителя комплексной частотной характеристики корректора, второй и третий входы последнего соединены соответственно с выходами первого и второго узлов усреднения, второй вход первого узла усреднения связан с выходом вычислителя амплитудно-частотной характеристики канала, второй вход которого связан с выходом вычислителя комплексной частотной характеристики канала и соединенным с ним вторым входом вычислителя группового времени замедления канала, выход которого подключен ко второму входу второго узла усреднения, второй вход вычислителя комплексной частотной характеристики канала связан с выходом согласованного фильтра, второй вход узла оценки ухода несущей подключен к выходу узла вычитания, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первой ячейки линии задержки, а инвертирующий вход - с выходом последней ячейки линии задержки, вход линии задержки связан с выходом детектора гармоник, выход вычислителя импульсной характеристики корректора подключен к первому входу корректирующего фильтра, второй вход которого соединен с выходом входного блока приемника, а выход корректирующего фильтра связан с первым входом автоматического корректора сигнала.

Структурная схема заявленного устройства представлена на фиг. 2. Она включает в себя кодер 1, модулятор 2, переключатель 3, выходной блок передатчика 4, генератор тестовых сигналов 5, узел управления 6, дифференциальную систему 7, входной блок 8, линию задержки 9, детектор гармоник 10, узел вычитания 11, узел оценки ухода несущей 12, эхокомпенсатор 13, узлы усреднения 14 и 20, вычислитель амплитудно-частотной характеристики канала 15, вычислитель комплексной частотной характеристики канала 16, согласованный фильтр 17, вычислитель импульсной характеристики корректора 18, вычислитель комплексной частотной характеристики корректора 19, вычислитель группового времени замедления канала 21, декодер 22, демодулятор 23, автоматический корректор сигнала 24, корректирующий фильтр 25, входной блок приемника 26, причем вход модема связан с входом кодера 1, выход которого подключен к входу модулятора 2 и соединенному с ним входу эхокомпенсатора 13, второй вход кодера 1 связан с выходом генератора тестовых сигналов 5, а третий вход кодера подключен к выходу узла управления 6, второй выход которого связан с входом генератора тестовых сигналов 5, третий выход узла управления 6 соединен с вторым входом модулятора 2, четвертый выход узла 6 подключен к соединенным входу эхокомпенсатора 13 и входу входного блока 8, пятый выход узла 6 соединен с входом автоматического корректора сигнала 24, шестой выход узла 6 связан с входом узла оценки ухода несущей 12, седьмой выход узла 6 подключен к входу вычислителя комплексной частотной характеристики канала, восьмой выход узла 6 связан с объединенными входами вычислителя амплитудно-частотной характеристики 15 и группового времени замедления 21 канала, девятый выход узла 6 подключен к объединенным входам узлов усреднения 14 и 20, десятый выход узла 6 связан с входом вычислителя комплексной частотной характеристики корректора 19, одиннадцатый выход узла 6 соединен с входом вычислителя импульсной характеристики корректора 18, двенадцатый выход узла 6 связан с управляющим входом переключателя 3, второй выход генератора тестовых сигналов подключен к одному из входов переключателя 3, второй вход которого связан с выходом модулятора 2, выход переключателя 3 соединен с входом выходного блока передатчика 4, выход блока 4 связан с входом дифференциальной системы 7, выход которой подключен к входу входного блока 8, выход блока 8 связан с объединенными входами детектора гармоник 10, эхокомпенсатора 13 и согласованного фильтра 17, выход детектора гармоник 10 подключен к входу линии задержки 9, выход первой ячейки линии задержки 9 связан с неинвертирующим, а выход последней ячейки блока 9 - с инвертирующим входами блока вычитания 11, выход которого соединен с вторым входом узла оценки ухода несущей 12, выход узла 12 подключен еще к одному входу эхокомпенсатора 13, выход которого связан с входом входного блока приемника 26, выход блока 26 соединен с входом корректирующего фильтра 25, еще один вход которого подключен к входу вычислителя импульсной характеристики корректора 18, второй вход блока 18 соединен с выходом вычислителя комплексной частотной характеристики корректора 19, два входа узла 19 связаны с выходами узлов усреднения 14 и 20, вход узла усреднения 14 подключен к выходу вычислителя амплитудно-частотной характеристики канала 15, второй вход которого связан с выходом вычислителя комплексной частотной характеристики канала 16 и соединенным с ним вторым входом вычислителя группового времени замедления канала 21, выход которого подключен к входу узла усреднения 20, второй вход вычислителя комплексной частотной характеристики канала 16 связан с выходом согласованного фильтра 17, выход корректирующего фильтра 25 соединен с входом автоматического корректора сигнала 24, другой вход блока 24 подключен к выходу демодулятора 23, вход которого связан с выходом автоматического корректора сигнала 24, выход демодулятора 23 соединен с входом декодера 22.

Модулятор 2, демодулятор 23 и автоматический корректор сигнала 24 предполагаются выполненными так же, как одноименные узлы в устройстве-прототипе, поэтому, как упоминалось выше, их детальное описание можно найти в работе ["Silencing Echoes on the telephone networks". Proceedings of the IEEE, vol. 68, no. 8, pp948-963, Aug. 1980]. Возможный вариант реализации эхокомпенсатора 13 подробно описан в работе [Патент США N4813073 от 14 марта 19S9 г.] . Узел управления 6 также как и в устройстве-прототипе представляет собой микропроцессор, управляемый программой, обеспечивающей работу устройства в соответствии с алгоритмом, задаваемым рекомендацией МСЭ-Т, например, V.32. Генератор тестовых сигналов 5 также как и одноименный узел в прототипе представляет собой запоминающее устройство, в котором записаны таблицы значений сигналов нужной формы. Считывание требуемого сигнала осуществляется посредством адресации соответствующих ячеек, производимой с помощью воздействия узла управления 6. Выходной блок передатчика 4 включает в себя цифровой преобразователь и фильтр, входной блок 8 содержит входной фильтр и АЦП, входной блок приемника 26 - систему автоматической регулировки уровня и АЦП. Кодер 1 и декодер 22 предназначены для кодирования и декодирования передаваемых данных, осуществляемого с целью устранения ошибок. Эти узлы, также как и в устройстве-прототипе могут быть выполнены по схемам, описанным в работе [Патент США N4077021] . Детектор гармоник 10 представляет собой полосовой фильтр, позволяющий выделить одну или несколько гармоник, находящихся внутри некоторой узкой полосы частот. Согласованный фильтр 17 представляет собой трансверсальный цифровой фильтр, согласованный с тестовым сигналом заданной формы и длительности. Вычислитель комплексной частной характеристики канала 16 представляет собой узел, содержащий входной запоминающий блок и процессор, осуществляющий вычисление дискретного преобразования Фурье от сигнала, зафиксированного в виде кодов его отчетов во входном запоминающем блоке. При этом n-й отсчет комплексной частотной характеристики K(jω_n) на выходе этого узла представляется в виде пары чисел а_n и b_n, отражающих значение реальной и мнимой частей этого отсчета. Вычислитель амплитудно-частотной характеристики канала 15 представляет собой блок, в котором производится последовательное вычисление отсчетов АЧХ канала, причем n-й отсчет АЧХ определяется в соответствии с выражением

Структурная схема этого блока представлена на фиг. 3. Она включает в себя входные регистры 27 и 28, квадраторы 29 и 30, сумматор 31 и постоянно запоминающее устройство (ПЗУ) 32. В ПЗУ записана таблица значений функции С помощью квадраторов 29, 30 и сумматора 31 на выходе последнего образуется сумма а_n ² + b_n ², которая является адресом, управляющим считыванием значения из таблицы, записанной в ПЗУ.

Вычислитель группового времени замедления (ГВЗ) канала 21 представляет собой блок, в котором производится последовательное вычисление отсчетов ГВЗ канала, причем отсчеты ГВЗ находятся путем вычисления первой конечной разности (дискретного аналога первой производной) от отсчетов фазочастотной характеристики (ФЧХ) ϕ(ω) канала, n-й отсчет которой определяется в соответствии с выражением
(2)
Структурная схема блока 21 представлена на фиг. 4. Она включает в себя входные регистры 33 и 34, узел деления 35, ПЗУ 36, регистр задержки на такт 37 и блок вычитания 38. В ПЗУ записана таблица значений функции y=arctgx. С помощью узла деления 35 на выходе последнего образуется частное, b_n/A_n, которое является адресом, управляющим считыванием значения arctg (b_n/a_n) из таблицы, записанной в ПЗУ. Узел деления 35 выдает результат с определенной задержкой относительно задаваемого сигналом с узла управления момента начала вычисления n-го отсчета ФЧХ и синхронного с ним момента переписи числа с выхода ПЗУ, соответствующего (n-1)-му отсчету ФЧХ ϕ(ω_n-1), в регистр задержки 37. Поэтому в момент появления на выходе ПЗУ n-го отсчета ФЧХ ϕ(ω)_n, в регистре 37 будет записан (n-1)-й отсчет ФЧХ ϕ(ω_n-1) Благодаря этому на выходе блока вычитания образуется n-й отсчет ГВЗ(3).

t_гр(ω_n)=ϕ(ω_n)-ϕ(ω_n-1). (3)
Идентичные узлы усреднения 14 и 20 выполняются в виде накапливающего сумматора, складывающего N поступающих на его вход чисел, соответствующих отсчетам АЧХ и ГВЗ канала, причем N выбирается кратным целой степени числа 2. В результате необходимая для получения среднего арифметического операция деления накопленной суммы на число N слагаемых осуществляется простым сдвигом вправо числа в выходном регистре сумматора на log₂ N двоичных разрядов.

В вычислителе КЧХ корректора 19 производится:
1) определение значений АЧХ корректора выполняемое путем деления эталонного значения АЧХ К_эт на усредненные значения АЧХ канала поступающие с выхода узла усреднения 14, т.е. вычисляются значения

2) определение значений ГВЗ корректора t_гр.кор(ω_n), выполняемое путем вычисления из эталонного значения ГВЗ t_гр.эт усредненных значений ГВЗ канала t_гр.cp(ω_n) поступающих с выхода узла усреднения 14, т.е. вычисляются значения
t_гр.cp(ω_n) = t_гр.эт-t_гр.cp(ω_n); (5)
3) определение значений ФЧХ корректора ϕ_кор(ω_n), выполняемое в соответствии с рекурентным соотношением
ϕ_кор(ω_n) = ϕ_кор(ω_n-1)+t_гр(ω_n); (6)
4) определение реальной a_корn и мнимой b_корn частей n-го отсчета КЧХ корректора в соответствии с выражениями

При этом структурная схема вычислителя КЧХ корректора 19 имеет вид, показанный на фиг. 5. Она включает в себя узел деления 39, элемент задержки 40, переключатели 41 и 42, узел вычитания 43, сумматор 44, регистр 45, постоянное запоминающее устройство 46.

При поступлении на входы вычислителя n-х отсчетов усредненных АЧХ и ГВЗ t_гр.cp(ω_n) по сигналу с узла управления запускается узел деления 39, выполняющий операцию (4), а на выходе узла вычитания в соответствии с (5) появляется значение t_гр.кop(ω_n), которое в сумматоре 44 суммируется с содержимым регистра 45, представляющим собой накопленное ранее значение ϕ_кор(ω_n-1). Спустя некоторое время, задаваемое элементом задержки 40 и достаточное для надежного срабатывания узла вычитания 43 и сумматора 44, результат сложения с помощью сигнала с выхода элемента 40 записывается в регистр 45. Тем самым в соответствии с формулой (6) в регистре формируется значение ϕ_кор(ω_n). B ПЗУ 46 записаны таблицы значений cos(ϕ) и sin(ϕ). Выходной код регистра 45 является адресом, управляющим считыванием значений cos[ϕ_кор(ω_n)] и sin[ϕ_кор(ω_n)] из таблиц, записанных в ПЗУ 46. С помощью перемножителей 41 и 42 осуществляется определение реальной а_корn и мнимой b_корn частей n-го отсчета КЧХ корректора в соответствии с выражениями (7).

Вычислитель импульсной характеристики корректора 18 представляет собой узел, содержащий входной запоминающий блок и процессор, осуществляющий вычисление обратного дискретного преобразования Фурье (ОДПФ) от комплексного сигнала, зафиксированного в виде кодов реальной и мнимой частей его отсчетов во входном запоминающем блоке.

Корректирующий фильтр 25 представляет собой нерекурсивный трансверсальный цифровой фильтр, коэффициенты которого устанавливаются в соответствии с результатами вычислений, произведенных блоком 18.

Узел оценки ухода несущей 12 представляет собой цифровую систему фазовой автоподстройки частоты 2-го порядка и может быть выполнен, например, в виде устройства, защищенного а. с. СССР N12225034, опубл. в БИ N14, 1986 г. При этом целесообразно узел фазовой автоподстройки частоты 2-го порядка в эхокомпенсаторе (см. например, патент США N4813073, фиг. 2, узел 110) также выполнить в виде аналогичного устройства. Тогда результатом работы узла 12 предлагаемого изобретения будет являться значение числа в реверсивном счетчике 14 устройства по а.с. N1225034, содержащее в себе информацию об уходе частоты несущей дальнего эха от номинала. Записав это число в блок 18 задания начального кода устройства по а.с. СССР N1225034, используемого в эхокомпенсаторе, можно обеспечить старт узла фазовой подстройки частоты несущей дальнего эха в эхокомпенсаторе сразу в установившемся режиме.

Работа предлагаемого изобретения осуществляется следующим образом.

В режиме вхождения в связь в период обучения корректирующего фильтра по команде с узла управления 6 переключатель 3 подсоединяет выход генератора 5 к входу блока 4. При этом с генератора 5 под управлением узла 6 выдается несколько периодов специальной тестовой последовательности P(n) длительностью, заведомо превышающей максимальную ожидаемую длину импульсной характеристики канала. Особенностью данной последовательности является то, что ее корреляционная функция имеет вид, приближающийся к выражению

где N-число отсчетов, содержащихся в периоде этой последовательности.

Возможные типы последовательностей с подобной корреляционной функцией (или максимально приближающейся к ней), такие как М-последовательности, ЛЧМ-сигналы, амплитудно-фазо-манипулированные сигналы и т. д. , подробно описаны, например, в книге [Л. Е. Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. М. : Радио и связь, 1985]. Пройдя через блок 4, дифференциальную систему и канал модема, данный сигнал поступает на дифференциальную систему удаленного модема, а затем в его тракт приема. Структурная схема удаленного модема на фиг. 2 не показана, так как полностью идентична изображенной на фиг. 2 схеме местного модема. Поэтому дальнейшее описание работы модема в анализируемой ситуации мы будем продолжать, пользуясь структурой, приведенной на фиг. 2, предполагая при этом, что рассматривается приемная часть (все узлы схемы, кроме блоков 1, 2, 3, 4, 5 и частично 6) удаленного модема.

Итак, тестовый сигнал, прошедший через канал связи и через дифференциальную систему 7 удаленного модема, поступает на блок 8, где осуществляется его предварительная фильтрация и преобразование в цифровую форму, тактируемое с узла управления 6 удаленного модема, а затем - на вход цифрового трансверсального фильтра 17 порядка N, согласованного с одним периодом тестовой последовательности P(n), т.е. имеющего импульсную характеристику вида
h_сф(n)=P(N-n). (9)
При этом выходной сигнал r(n) фильтра 17, соответствующий приему одного периода пришедшего на его вход сигнала y(n), может быть определен как

где знак ^* означает свертку, а

В свою очередь отсчеты фигурирующего в (10) сигнала y(n) равны

где h_k(n) -импульсная характеристика канала.

Подставляя (11) в (10) имеем

или, с учетом (9),

Положим (l - k)_modN = m, тогда l = (k + m)_modN; (N-n+l)_modN = (N- n+(k+m)_modN)_modN =(N-n+k+m)_modN = (m+k-n)_modN,
при l и k изменяющихся от 0 до N-1, m также будет изменяться от 0 до N-1.

С учетом этого выражение (12) можно записать в виде

В соответствии с (8)

причем при значениях n и k, определяемых неравенствами 0≤n≤N-1; 0≤k≤N-1, что соответствует одному периоду сигнала y(n) и предполагаемой длительности импульсной характеристики h_k(k), из уравнения (k-n)_modN=0 следует, что k=n. Это означает, что при конкретном n в сумме (13) есть только одно k=n, для которого сумма (14) отлична от нуля, т.е.

r(n)=h_k(k)_ik=n. (15)
Таким образом, отсчеты сигнала r(n) на выходе согласованного фильтра 17 будут равны отсчетам импульсной характеристики канала h_k(k)_ik=n. Вычислив с помощью блока 16 дискретное преобразование Фурье от этого сигнала, получим отсчеты комплексной частотной характеристики (КЧХ) канала, по которым с помощью блоков 15 и 21 в соответствии с выражениями (1), (2) и (3) можно получить отсчеты АЧХ и ГВЗ канала.

Однако ввиду наличия шума канала, несфазированности тактовых сигналов, задаваемых узлами управления 6 местного и удаленного модемов, а также имеющей место в канале рассинхронизации по несущей частоте реальные значения сигнала r(n) могут существенно отличаться от тех, которые определяются равенством (15). Не приводя здесь математического анализа влияния перечисленных факторов на оценки частотных характеристик канала, выполняемые по сигналу r(n) блоками 16, 15 и 21 (при необходимости эти материалы могут быть представлены экспертизе), отметим, что несфазированность тактовых сигналов и рассинхронизация по несущей не влияют на оценку АЧХ, изменяют оценку ФЧХ и практически не влияют на оценку ГВЗ. Мешающее же действие шума канала может быть в необходимой степени устранено путем усреднения находимых описанным образом оценок АЧХ и ГВЗ канала при передаче нескольких периодов тестовой последовательности. Эта процедура и осуществляется с помощью узлов усреднения 14 и 20. Затем по усредненным характеристикам АЧХ и ГВЗ канала в узле 19 в соответствии с выражениями (4), (5), (6) и (7) определяется требуемая КЧХ корректирующего фильтра. В узле 18 вычисляются ОДПФ от отсчетов КЧХ корректирующего фильтра, и тем самым определяется его импульсная характеристика. Вычисленные отсчеты импульсной характеристики корректора затем устанавливаются в качестве коэффициентов нерекурсивного трансверсального корректирующего фильтра 25, выполняющего функции корректора канала. На этом процедура обучения корректирующего фильтра удаленного модема заканчивается. Аналогичным образом осуществляется процедура обучения корректирующего фильтра местного модема. Таким образом, совокупность узлов 3, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 и 25 позволяет достаточно быстро автоматически оценить реальные характеристики канала и в соответствии с ними установить необходимые характеристики корректирующего фильтра, обеспечивающего предварительную коррекцию линейных искажений. В результате модем оказывается работоспособным на таких каналах, на которых известные устройства не обеспечивают вхождения в связь, т. е. тем самым повышается надежность вхождения в связь. При этом длительность процедуры обучения корректирующего фильтра оказывается невысокой.

Во время остальных действий модема в режиме вхождения в связь, а также при передаче данных переключатель 3 по команде с узла 6 подсоединяет выход модулятора 2 к входу блока 4. При этом в режиме вхождения в связь на вход кодера 1 с генератора 5 под управлением узла 6 подаются необходимые тестовые сигналы. В частности, одной из необходимых процедур является определение длительности задержки Δ T_дэ дальнего эха, при осуществлении которой местный (вызывающий) и удаленный (отвечающий) модемы передают гармонические сигналы с фиксированными частотами. В частности, в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т V. 32, в рассматриваемой ситуации вызывающий модем передает гармонику с частотой 1800 Гц, а отвечающий - гармоники с частотой 600 Гц и 3000 Гц. При этом на входе приемника, (а следовательно, и на входе детектора гармоник 10), например, вызывающего модема будут присутствовать следующие гармоники:
1) сигнал ближнего эха с частотой f_бэ=1800 Гц;
2) сигнал дальнего эха с частотой f_д.э.=(1800±Δf) Гц, где Δf - значение частотной расстройки несущей в тракте дальнего эха;
3) принимаемые сигналы с частотами 600 и 3000 Гц.

С помощью детектора гармоник 10, реализованного на основе полосового фильтра с полосой пропускания (1800±Δf) Гц (Δf_max - максимальное ожидаемое значение ухода частоты несущей дальнего эха; в соответствии, например, с рекомендацией МСЭ-Т V.32, Δf = 7Гц) из совокупности перечисленных сигналов выделяется смесь (сумма) гармоник ближнего и дальнего эха. Для того, чтобы затем по сигналу дальнего эха можно было с помощью узла оценки ухода несущей 12 оценить величину Δf, необходимо каким-то образом избавиться от мешающего влияния гармоники ближнего эха. Данная проблема в предлагаемом изобретении решается с помощью узлов 9 и 11, представляющих собой в совокупности нерекурсивный цифровой фильтр M-го порядка (М-число ячеек линии задержки 9) с передаточной функцией вида
H(Z)=1-Z^-M. (16)
Нетрудно убедиться, что передаточной функции вида (16) соответствует АЧХ

где f_д - частота дискретизации.

График функции H(f) показан на фиг. 6.

Из графика видно, что на частотах, кратных значению f_д/M, H(f)=0.

Поскольку частота гармоники f_бэ ближнего эха определяется частотой несущей местного передатчика и может быть задана от того же генератора, что и частота дискретизации f_д, соответствующим выбором длины М линии задержки 9, можно абсолютно точно обеспечить нулевое значение H(f) на частоте f_бэ. Так, полагая f_бэ=1800 Гц и f_д=7200 Гц и решая тригонометрическое уравнение

нетрудно убедиться, что для этого достаточно выбрать М кратным 4.

Таким образом, совокупность узлов 9 и 11 позволяет из присутствующей на входе линии задержки 9 суммы гармоник ближнего и дальнего эха полностью устранить сигнал ближнего эха. Оставшаяся гармоника дальнего эха поступает на узел оценки ухода несущей 12, который определяет значение частотной расстройки Δf и передает эту информацию в схему фазовой автоподстройки эхокомпенсатора 13. Таким образом, совокупность узлов 9, 10, 11, 12 позволяет в процессе определения задержки дальнего эха (т.е. без дополнительных затрат времени) оценить уход частоты несущей в тракте дальнего эха, что эквивалентно предварительному обучению системы фазовой автоподстройки эхокомпенсатора дальнего эха и позволяет существенно сократить время первоначальной настройки эхокомпенсатора, а следовательно, и общее время вхождения в связь.

В режиме передачи данных под управлением блока 6 кодер переключается на обработку передаваемой информации, а переключатель 3 по-прежнему подключает выход модулятора 2 к входу блока 4. Передаваемый сигнал, формируемый блоками 2 и 4 через дифференциальную систему 7 подается в канал, а принимаемый сигнал, будучи отфильтрованным и преобразованным в цифровую форму в блоке 8, проходит через предварительно настроенный (но продолжающий отслеживать параметры тракта эха) эхокомпенсатор 13, устраняющий влияние эхосигналов, затем, пройдя через входной блок приемника 26, поступает на вход ранее настроенного описанным выше образом корректирующего фильтра 25, устраняющего влияние частотных и фазовых искажений канала связи, и далее традиционным образом обрабатывается в автоматическом корректоре сигнала (осуществляется точная коррекция)24, в демодуляторе 23 и декодере 22.

Таким образом, введенная совокупность новых узлов и связей позволяет получить технический результат, выражающийся в
- автоматическом устранении влияния частотных и фазовых искажений канала связи при малой длительности процедуры настройки корректирующего фильтра;
- сокращении времени первоначальной настройки эхокомпенсатора при наличии частотной расстройки несущей в тракте дальнего эха. В итоге за счет перечисленных факторов модем обеспечивает надежную передачу данных в каналах с большим числом переприемных участков и при наличии частотной расстройки несущей в тракте дальнего эха, сокращая при этом время вхождения в связь, то есть таким образом решается поставленная задача повышения надежности вхождения в связь и уменьшения общего времени вхождения в связь.

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в системах передачи данных, обеспечивающих дуплексный режим работы по коммутируемым двухпроводным телефонным линиям. Техническим результатом является повышение надежности вхождения в связь и уменьшение времени вхождения в нее. Устройство содержит кодер, модулятор, выходной блок передатчика, дифференциальную систему, входной блок, генератор тестовых сигналов, узел управления, эхокомпенсатор, детектор гармоник, автоматический корректор сигнала, демодулятор, декодер, переключатель, линию задержки, узел вычитания, узел оценки несущей, два узла усреднения, вычислители амплитудно-частотной характеристики канала, комплексной частотной характеристики канала, импульсной характеристики корректора, комплексной характеристики корректора, группового замедления канала, согласованный и корректирующий фильтры, входной блок приемника. 6 ил.

Дуплексный модем, содержащий кодер, модулятор, выходной блок передатчика, дифференциальную систему, входной блок, генератор тестовых сигналов, узел управления, эхокомпенсатор, детектор гармоник, входной блок приемника, автоматический корректор сигнала, демодулятор и декодер, причем вход модема связан с первым входом кодера, второй вход которого соединен с первым выходом генератора тестовых сигналов, а третий - с первым выходом узла управления, второй выход которого подключен к входу генератора тестовых сигналов, третий выход узла управления соединен с первым входом модулятора, четвертый его выход связан с соединенными третьим входом эхокомпенсатора и первым входом входного блока, пятый выход узла управления подключен к второму входу автоматического корректора сигнала, выход кодера соединен с вторым входом модулятора, выход выходного блока передатчика подключен к первому входу дифференциальной системы, выход которой соединен с вторым входом входного блока, выход этого блока связан с первым входом эхокомпенсатора, выход которого подключен к входу входного блока приемника, третий вход автоматического корректора сигнала связан с первым выходом демодулятора, вход которого соединен с выходом автоматического корректора сигнала, вход декодера связан с выходом демодулятора, отличающийся тем, что введены переключатель, линия задержки, узел вычитания, узел оценки ухода несущей, согласованный фильтр, вычислитель комплексной частотной характеристики канала, вычислитель амплитудно-частотной характеристики канала, вычислитель группового времени замедления канала, два узла усреднения, вычислитель комплексной частотной характеристики корректора, вычислитель импульсной характеристики корректора и корректирующий фильтр, причем второй выход генератора тестовых сигналов связан с первым входом переключателя, второй вход которого соединен с выходом модулятора, управляющий вход переключателя связан с шестым выходом узла управления, выход переключателя подключен к входу выходного блока передатчика, выход кодера соединен с вторым входом эхокомпенсатора, первый вход которого связан с соединенными входом детектора гармоник и входом согласованного фильтра, четвертый вход эхокомпенсатора подключен к выходу узла оценки ухода несущей, первый вход которого связан с седьмым выходом узла управления, восьмой выход которого соединен с первым входом вычислителя комплексной частотной характеристики канала, девятый - с объединенными первыми входами вычислителей амплитудно-частотной характеристики канала и группового времени замедления канала, десятый - с объединенными первыми входами двух узлов усреднения, одиннадцатый - с первым входом вычислителя комплексной частотной характеристики корректора, двенадцатый - с первым входом вычислителя импульсной характеристики корректора, второй вход которого подключен к выходу вычислителя комплексной частотной характеристики корректора, второй и третий входы последнего соединены соответственно с выходами первого и второго узлов усреднения, второй вход первого узла усреднения связан с выходом вычислителя амплитудно-частотной характеристики канала, второй вход которого связан с выходом вычислителя комплексной частотной характеристики канала и соединенным с ним вторым входом вычислителя группового времени замедления канала, выход которого подключен к второму входу второго узла усреднения, второй вход вычислителя комплексной частотной характеристики канала связан с выходом согласованного фильтра, второй вход узла оценки ухода несущей подключен к выходу узла вычитания, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первой ячейки линии задержки, а инвертирующий вход - с выходом последней ячейки линии задержки, вход линии задержки связан с выходом детектора гармоник, выход вычислителя импульсной характеристики корректора подключен к первому входу корректирующего фильтра, второй вход которого соединен с выходом входного блока приемника, а выход корректирующего фильтра - с первым входом автоматического корректора сигнала.