ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение в общем случае относится к ультраширокополосной связи. Более точно, в изобретении рассматривается способ передачи ультраширокополосных сигналов через проводную сеть.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настала информационная эра. Доступ к огромным объемам информации через множество различных систем связи изменил принципы работы людей, способы их развлечений и связей друг с другом. Например, в результате возросшей конкуренции в области телекоммуникации, начало которой положил конгресс в 1996 году в акте реформы телекоммуникации, традиционные провайдеры программ кабельного телевидения превратились в провайдеров, предоставляющих полный сервис в области расширенного видео, услуг передачи голоса и данных для дома и бизнеса. Некоторые количество конкурирующих кабельных компаний в настоящее время предлагают кабельные системы, которые обеспечивают вышеописанные услуги через одну широкополосную сеть.
Указанные услуги увеличивают потребность в полосе пропускания, которая представляет собой количество данных, передаваемых и принимаемых в единицу времени. Большая полоса пропускания становится все более важной, поскольку объем передачи данных непрерывно возрастает. Приложения, такие как домашнее кино по требованию и видеотелеконференции, требуют высоких скоростей передачи данных. Другим примером является интерактивное видео дома и в офисе.
Другие виды деятельности также накладывают требования на полосу пропускания для провайдеров Интернет услуг и других провайдеров данных. Например, госпитали передают рентгеновские снимки или результаты CAT сканирования удаленно расположенным врачам. Такие виды передачи требуют значительной полосы пропускания для передачи больших файлов данных за разумное время. Такие большие файлы данных, а также большие файлы данных, которые обеспечивают домашнее видео в реальном времени, являются слишком большими для того, чтобы их можно было без затруднения передать без увеличения полосы пропускания системы. Потребность в большей полосе пропускания подтверждается жалобами пользователей на медленный доступ в Интернет и разрывы линий связи, что является симптомами перегрузки сети.
Провайдер услуг Интернет кабельной телевизионной сети и другие провайдеры данных в общем случае используют провода и кабели для передачи и приема данных. Известные подходы к передаче сигнала (т.е. данных) через среду передачи, такую как провод или кабель, заключается в модуляции сигнала в среде на частоте, которая лежит в пределах, в которых среда может электрически проводить сигнал. Вследствие указанного известного подхода полоса пропускания определенной среды является ограниченной спектром, внутри которого среда способна электрически передавать сигнал при помощи модуляции, вызывающей протекание тока. В результате множество дорогих и сложных схем было разработано для увеличения полосы пропускания известных проводных и/или кабельных систем, используя изощренные переключающие схемы или системы организации сигнала с разделением времени. Каждый из этих способов оказывается дорогостоящим и сложным частично вследствие того, что система передачи данных основана на традиционном понимании того, что полоса пропускания провода или кабеля является ограниченной его проводящими свойствами.
Таким образом, существует потребность в способе увеличения полосы пропускания известных проводных сетей.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает способ передачи ультраширокополосных сигналов через любую проводную сеть, такую как сеть провайдера услуг Интернет, телефонная сеть, локальная сеть, персональная сеть или любая другая проводная сеть.
В одном из вариантов осуществления изобретения способ передачи ультраширокополосного сигнала содержит этапы, на которых обеспечивают проводную сеть и передают ультраширокополосный сигнал через проводную сеть. Другой вариант осуществления настоящего изобретения содержит способ увеличения полосы пропускания телевизионной сети общего доступа или любого другого типа сети, использующей проводную среду передачи сигналов, посредством комбинирования множества ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, с сетевым сигналом. Комбинированный сигнал, содержащий множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, и сетевой сигнал принимают и затем два сигнала разделяют на множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, и сетевой сигнал.
Одна из отличительных особенностей настоящего изобретения заключается в том, что ультраширокополосный сигнал может передаваться одновременно с обычным сигналом кабельного телевидения, сигнала Интернет-соединения или сигналом передачи голоса. Поскольку ультраширокополосный сигнал может передаваться по существу одновременно с другими сигналами, общая полоса пропускания или производительность сети при передаче данных чрезвычайно возрастает.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой иллюстрацию различных способов связи.
Фиг.2 представляет собой график двух ультраширокополосных импульсов.
Фиг.3 представляет собой схематическую иллюстрацию одного из вариантов осуществления системы ультраширокополосной связи, использующей проводной носитель.
Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию второго варианта осуществления системы ультраширокополосной связи, использующей проводной носитель.
Очевидно, что некоторые или все из данных фигур являются схематическими представлениями для целей иллюстрации и не описывают с необходимостью реальные относительные размеры или местоположения показанных элементов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующих параграфах настоящее изобретение будет описано подробно для целей иллюстрации со ссылками на прилагаемые чертежи. В настоящем описании предпочтительный вариант осуществления и приводимые примеры следует рассматривать в качестве иллюстративных, а не как ограничивающих для данного изобретения. Как используется в настоящем описании, "настоящее изобретение" относится к любому из вариантов осуществления изобретения, описанному в настоящем описании, и любым эквивалентом. Помимо этого, ссылки на различные признаки "настоящего изобретения" в настоящем документе не означают, что все заявленные варианты осуществления или способы должны включать в себя указанные признаки.
В общем случае, традиционный провайдер кабельного телевидения, провайдер телевизионных услуг через коллективную антенну, провайдер телевизионных услуг коллективного доступа, провайдер кабельного телевидения, провайдер телевизионных услуг через гибридный волоконно-оптический коаксиальный кабель, провайдер услуг Интернет или любой другой провайдер телевизионных, аудио, голосовых и/или Интернет данных принимает широковещательные сигналы на центральной станции либо через наземные кабели, и/либо через одну или несколько антенн, которые принимают сигналы от спутника связи. Широковещательные сигналы затем распространяют обычно по коаксиальному и/или волоконно-оптическому кабелю из центральной станции в узлы, расположенные в деловых или жилых районах.
Например, сети провайдера телевизионных услуг коллективного доступа (CATV) в настоящее время развернуты в нескольких различных топологиях и конфигурациях. Наиболее распространенные конфигурации в настоящее время представляют собой аналоговые сигналы, передаваемые по коаксиальному кабелю и гибридным волоконно-коаксиальным системам (HFCS), использующим как волоконно-оптические, так и коаксиальные кабели. Аналоговые коаксиальные системы обычно характеризуются как аналоговые системы. Чистые аналоговые системы CATV характеризуются использованием в них установленной NTSC/PAL (National Television Standards Committee/Phase Alternation Line) модуляции частоты несущей с интервалами 6 или 8 МГц.
HFCS представляет собой комбинацию аналоговой цифровой топологии, использующей как коаксиальные (аналоговые), так и волоконно-оптические (цифровые) носители, которые обычно поддерживают телевизионные каналы с цифровой модуляцией/кодированием с номером каналов, превышающим 78. Согласно ANSI/EIA-542-1997 Соединенных Штатов аналоговые каналы модулированы, занимая полосу 6 МГц для каналов от 2 до 78, используя частоты от 55 до 547 МГц. При использовании HFCS цифровые каналы обычно начинаются с канала 79 и заканчиваются каналом 136 и занимают промежуток частот от 553 до 865 МГц. В некоторых расширенных системах HFCS присвоение каналов может заканчиваться каналом 158 или 997 МГц. Текущий стандарт ANSI/EIA-542-1997 определяет и присваивает каналы только в этих пределах. Реальные проводные, кабельные носители сами по себе, в общем случае, способны к передаче частот до 3 ГГц.
Как в системах CATV, так и в системах HFCS обычно спутниковая нисходящая линия связи входит в головной узел кабельной компании и видео и/или другие потоки данных, демультиплексируются. Индивидуальные потоки видеоданных (NTSC, MPEG или любой другой подходящий протокол) извлекаются из потока спутниковой нисходящей линии связи и направляются в модуляторы, специфичные для отдельных телевизионных каналов. Выходные сигналы из каждого модулятора затем комбинируют в один широкополосный сигнал. После этого, комбинированные каналы усиливают и выдают наружу потребителям либо по коаксиальному, либо по волоконно-оптическому кабелю.
В HFCS перед тем, как комбинированный широкополосный сигнал покинет головной узел, широкополосный сигнал модулируется в оптоволоконном кабеле для распространения по региону, например в соседних жилых районах и деловых районах. Модуляция широкополосного сигнала обычно выполняется одним из двух способов. В первом способе весь широкополосный сигнал дискретизируют и оцифровывают, используя высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для выполнения надежной цифровой дискретизации данные должны быть дискретизированы с частотой, по меньшей мере вдвое превышающей самый высокочастотный компонент, чтобы удовлетворить условию Найквиста на минимальную частоту дискретизации. Для обеспечения потока данных более высокого качества сигнал должен быть дискретизирован с частотой, в 2,5-4 превышающей максимальную частоту, что подразумевает частоты дискретизации от 2 до 4 ГГц. Затем преобразователь параллельного кода в последовательный преобразуют параллельные выходные данные АЦП в последовательный формат. Затем последовательные данные управляют лазерным диодом для передачи через оптоволоконный кабель. Второй способ представляет собой блочное преобразование полосы пропускания, при котором весь спектр широкополосного сигнала модулируют в оптоволоконном кабеле.
Узлы доступа расположены в соседних жилых и деловых и других районах. Узлы доступа содержат высокоскоростной цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и последовательно-параллельный преобразователь. Последовательно-параллельный преобразователь преобразует последовательный код в параллельный, и он подается в высокоскоростной ЦАП. Затем данные выходят из узла доступа по стандартному 75 Ом, RG-6, или RG-8, или другому подходящему коаксиальному кабелю и распределяются по владениям заказчиков. Таким образом, в узле доступа широкополосный сигнал извлекают из оптоволокна и передают в коаксиальный кабель, подсоединенный к отдельным домам, квартирам, местам ведения бизнеса, университетам и другим заказчикам. Поддержка множества заказчиков обычно обеспечивается при помощи использования в поле распределительных коробок, например, на телефонных столбах или на уровне земли. Однако при непрерывном разделении сигнала в распределительных коробках принимаемая полоса уменьшается и качество сигнала ухудшается, тем самым ухудшая качество видео, аудио и других данных.
Цифровые каналы, которые в общем случае располагаются на каналах CATV с 79 и выше, принципиально отличаются от аналоговых каналов, которые обычно размещаются на каналах с 2 по 78. Аналоговые каналы содержат модулированные несущие частоты. Цифровые каналы, которые обычно используют 6 МГц систему размещения, модулирована цифровым способом, используя квадратурную амплитудную модуляцию (QAM). QAM представляет собой способ, комбинирующий два амплитудно-модулированных сигнала в один канал, тем самым удваивая эффективную полосу пропускания. В сигнале QAM присутствуют две несущие, причем каждая имеет одинаковую частоту, но отличается по фазе на 90 градусов. Две модулированных несущих комбинируют для передачи и разделяют после передачи. QAM 16 передает 16 бит на сигнал, QAM 32, 64 и 256 каждая передает 32, 64 и 256 бит на сигнал соответственно. QAM была разработана для поддержки дополнительных видеопотоков кодированных по схеме MPEG видеокомпрессии. Известные сети CATV и HFCS могут использовать QAM до уровня QAM 64, чтобы обеспечить передачу до 8 независимых, по существу одновременных видеопотоков MPEG.
В месте расположения заказчика коаксиальный кабель подсоединен либо к телевизионной приставке, либо непосредственно к телевизору. Затем приемное устройство демультиплексирует и демодулирует видео, аудио, Интернет или другие данные. Хотя телевизор может непосредственно принимать аналоговый сигнал, в общем случае необходима телевизионная приставка для приема каналов в цифровой кодировке, располагающихся в каналах CATV 79 и выше.
Описанные выше сети и другие сети и системы связи, использующие проводную среду передачи сигнала, такую как витая пара или коаксиальный кабель, имеют ограничения в производительности, вследствие интерференции сигналов, внешних шумов и паразитных шумов. В таких известных системах с проводной средой передачи сигнала указанные ограничения влияют на доступную полосу пропускания системы расстояние и передающую способность системы, поскольку уровень шума и интерференция сигналов в проводной среде передачи сигналов быстро перекрывает передаваемый сигнал. Таким образом, шум в проводных средах передачи сигнала значительно ограничивают доступную полосу пропускания любой проводной системы или сети.
В общем случае, известный способ преодоления указанного ограничения представляет собой увеличение мощности (т.е. увеличение напряжения сигнала) в передатчики для увеличения уровня напряжения сигнала относительно шума в приемнике. Без увеличения мощности в передатчике приемник не способен отделить шум от требуемого сигнала. Таким образом, общая производительность систем с проводной средой передачи сигнала в значительной степени ограничивается сопутствующим шумом, внутренне присущим проводным средам передачи сигналов.
Увеличение доступной полосы пропускания развернутых сетей с проводной средой передачи сигнала, параллельное с обычными сигналами данных, передаваемыми по сети, предоставляет возможность усилить существующую инфраструктуру сетей с проводной средой передачи сигналов, обеспечивает повышенную функциональность. Такие способы и технологии предлагались, но они обычно требуют интенсивных вычислений и, следовательно, дороги.
Настоящее изобретение может применяться в сети любого типа, которая использует проводную среду передачи сигнала, в целом или частично. То есть сеть может использовать как проводную среду передачи сигнала, такую как коаксиальный кабель, и беспроводные устройства, такие как спутники. Как определено в настоящем описании, сеть представляет собой группу точек или узлов соединенных коммуникационными путями. Коммуникационные пути могут быть соединены при помощи проводов или могут быть соединены беспроводным способом. Сеть, как определено в настоящем описании, может быть соединена с другими сетями и содержать подсети. Сеть, как определено в настоящем описании, может определяться, помимо прочего, в терминах пространственного расстояния, например локальная сеть (ЛС), городская сеть (МС) и глобальная сеть (ГС). Сеть, как определено в настоящем описании, также может определяться, помимо прочего, типом технологии передачи данных, используемой в ней, например сеть TCP/IP, сеть архитектуры System Network. Сеть, как определено в настоящем описании, также может определяться, помимо прочего, тем, кто может использовать указанную сеть, например телефонная коммутируемая сеть общего доступа (ТКСОД), другие типы сетей общего доступа и частная сеть (например, внутри одного дома или комнат). Сеть, как определено в настоящем описании, также может определяться, помимо прочего, природой ее соединений, например сеть с наборным доступом, сеть с коммутируемым доступом, сеть с выделенным доступом, сеть с некоммутируемым доступом. Сеть, как определено в настоящем описании, также может определяться, помимо прочего, типом физических соединений применяемых в ней, например оптоволокно, коаксиальный кабель, их сочетание, неэкранированная витая пара и экранированная витая пара.
Настоящее изобретение использует архитектуру "без несущей", которая не требует использования аппаратных средств для генерации высокочастотной несущей, аппаратных средств для модуляции несущей, стабилизаторов, аппаратных средств для фазовой и частотной дискриминации или других устройств, используемых в известных системах связи частотного домена. Настоящее изобретение чрезвычайно увеличивает полосу пропускания известных сетей, использующих проводную среду передачи сигнала, но может быть развернуто без больших затрат без дорогой модификации существующих сетей с проводной средой передачи сигнала.
Настоящее изобретение обеспечивает увеличенную полосу пропускания посредством ввода или наложения каким-либо другим способом ультраширокополосного сигнала (УШП) в существующий сигнал данных и последующего извлечения УШП в конечном узле, телевизионной приставке, шлюзе абонента или в другом подходящем месте. Ультраширокополосное, или импульсное радио использует импульсы электромагнитной энергии, которые излучаются в наносекундных или пикосекундных интервалах (в общем случае с длительностью от десятков пикосекунд до нескольких наносекунд). Именно поэтому ультраширокополосное радио часто называют "импульсным радио". Поскольку возбуждающий импульс не является модулированным сигналом, УШП также называют "без несущей", так как в радиочастотном (РФ) спектре отсутствует очевидная несущая частота. Таким образом, импульсы УШП передают без модуляции синусоидальной волны несущей частоты, в отличие от известной радиочастотной технологии. Ультраширокополосная система не требует ни выделенной частоты, ни усилителя мощности.
Известная радиочастотная технология использует непрерывные синусоидальные волны, которые передают с данными, встороенными в виде модуляции амплитуды или частоты синусоидальных волн. Например, известный сотовый телефон должен работать в определенной полосе частот определенной ширины всего спектра частот. Например, в США Федеральная Комиссия по Связи выделяет для сотовой телефонной связи полосу от 800 до 900 МГц. Операторы сотовой телефонии используют 25 МГц выделенной полосы для передачи сигналов сотовой телефонии и другие 25 МГц выделенной полосы для приема сигналов сотовой телефонии.
Другой пример известной радиочастотной технологии приведен на Фиг.1. 802.11а, протокол беспроводной локальной сети (ЛС), передает радиочастотные сигналы на частоте с центром 5 ГГц и шириной радиочастотного сигнала примерно 5 МГц.
Напротив, импульс УШП может иметь центр на частоте 1,8 ГГц с шириной приблизительно 4 ГГц, как показано на Фиг.2, который иллюстрирует два типичных УШП импульса. Фиг.2 показывает, что чем уже УШП импульс во времени, тем выше его центр по частоте и больше ширина его частотного спектра. Это происходит вследствие того, что частота является обратно пропорциональной временной продолжительности импульса. УШП импульс 600 пикосекунд будет иметь центральную частоту примерно 1,8 ГГц и ширину спектра примерно 4 ГГц. И УШП импульс 300 пикосекунд будет иметь центральную частоту примерно 3 ГГц и ширину спектра примерно 8 ГГц. Таким образом, УШП импульсы в общем случае не принадлежат определенной частоте, как показано на Фиг.1. И поскольку УШП импульсы распределены по чрезвычайно широкой области частот, УШП системы связи допускают связь на очень высоких скоростях передачи данных, например 100 мегабит в секунду или более.
Дополнительные подробности УШП технологии раскрыты в патенте США 3728632 (на имя Gerald F.Ross и озаглавленного: Transmission and Reception System for Generating and Receiving Base-Band Duration Pulse Signals without Distortion for Short Base-Band Pulse Communication System), который включен в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.
Помимо этого, поскольку УШП импульс распределен по чрезвычайно широкой области частот, мощность, заключенная в единичной или определенной частоте, очень мала. Например, УШП сигнал мощностью один ватт длительностью одну наносекунду распределяет один ватт по всей частоте, занимаемой импульсом. На любой единичной частоте, такой как несущая частота провайдера CATV, мощность УШП импульса присутствует на уровне одного нановатта (для полосы частот 1 ГГц). Это находится заведомо ниже уровня шума любой системы с проводной средой передачи сигнала и, следовательно, не создает помех при демодуляции и восстановлении исходных сигналов CATV. В общем случае множество УШП импульсов передают с относительно низкой мощностью (при выборке на единичной иди определенной частоте), например, менее чем от -30 децибел по мощности до -60 децибел по мощности, что минимизирует помехи на обычных радиочастотах. Однако УШП импульсы, передаваемые через большинство проводных сред, не создают помехи беспроводной радиочастотной передаче. Таким образом, мощность (с выборкой на единичной частоте) УШП импульсов, передаваемых через проводную среду, может лежать в пределах от примерно +30 дВ до примерно -90 дВ.
Например, система CATV обычно использует коаксиальный кабель, по которому передают аналоговые данные на несущей частоте. В общем случае для передачи аналоговых данных используют амплитудную модуляцию (АМ) или QAM (обсуждавшуюся выше). Поскольку при передаче данных используют либо АМ, либо QAM, УШП сигналы могут одновременно существовать в данной среде, не создавая помех. При АМ сигнал данных М(t) умножают на косинус с частотой несущей. Результирующий сигнал у(t) может быть представлен как:
y(t)=m(t)Cos(ωct).
В системах, основанных на QAM, сигналы множества несущих передают на одной частоте несущей, но с различными фазами. Это позволяет одновременную передачу множества сигналов данных. В случае двух несущих "фазные" и квадратурные несущие могут переносить сигналы данных Mc(t) и Ms(t). Результирующий сигнал у(t) может быть представлен как:
y(t)=Mc(t)Cos(ωct)+Ms(t)Sin(ωct).
Однако, как обсуждалось выше, УШП система передает узкие импульсы временного домена, и мощность сигнала в общем случае равномерно распределена по всей полосе частот, занимаемой сигналом. На любой мгновенной частоте, такой как частота несущей АМ и QAM, мощность УШП импульса присутствует на уровне одного нановатта (для полосы частот 1 ГГц). Это находится существенно ниже уровня шума для любой системы с проводной средой передачи сигнала и, следовательно, не создает помех при демодуляции и восстановлении исходных АМ и QAM сигналов данных.
Системы связи с проводной средой передачи данных имеют ограничения в производительности вследствие интерференции сигналов, внешних шумов и паразитных шумов. Указанные ограничения влияют на доступную полосу пропускания системы расстояние и передающую способность системы с проводной средой передачи сигнала. В случае систем связи с проводной средой передачи сигнала уровень шума и интерференция сигналов в проводной среде передачи сигналов быстро перекрывает передаваемый сигнал. Указанный шум в проводных средах передачи сигнала является существенным ограничением возможности увеличения пропускной способности системы. УШП технология использует уровень шумов для передачи данных без создания помех сигналу несущей. Более того, УШП, передаваемый через проводную среду, имеет существенные преимущества по сравнению с ее применением в беспроводной среде. В проводной среде не требуется учитывать межсимвольную интерференцию, не требуется учитывать помехи между пользователями.
Например, каналы CATV обычно занимают 6 МГц в США и 8 МГц в Европе. Каналы организованны в повторяющуюся структуру, начинающуюся от примерно 50 МГц и, в зависимости от системы CATV, простирающуюся вверх до 550 МГц, 750 МГц, 870 МГц, 1 ГГц и выше. Настоящее изобретение предоставляет возможность вводить УШП импульсы в существующую инфраструктуру CATV. УШП сигналы не создают помех и не ухудшают существующие сигналы частотного домена. Дополнительно, УШП сигналы могут переносить во временном домене огромные объемы информации с цифровым значением.
Настоящее изобретение предлагает устройство и способ, которые позволяют любой сети с проводной средой передачи данных расширить свою доступную пропускную способность. Предпочтительно, такая дополнительная пропускная способность получается при помощи введения УШП сигналов в существующую цепь передачи данных перед трансляцией из головного узла оператора системы. Как показано на Фиг.3 и 4, головной узел может включать в себя несколько компонентов, таких как антенное хозяйство 15, спутниковые приемники 20, канальный модулятор 25, сумматор 30 и волоконно-оптический передатчик/приемник 35. В качестве альтернативы, УШП сигналы могут быть введены в сеть с проводной средой передачи сигнала в других местах, таких как маршрутизатор 90 Интернет, или в основном цифровом терминале 80, или в любом другом подходящем месте.
Таким же образом операторы кабельных систем могут принимать больше данных от индивидуальных абонентов путем введения генерируемых абонентом данных в существующие восходящие каналы. Настоящее изобретение предлагает УШП связи через волоконно-оптические и коаксиальные кабели, витую пару или любой другой тип проводящих кабелей. Сеть с проводной средой передачи сигнала получает возможность как передавать, так и принимать цифровую информацию для целей телефонии, высокоскоростного обмена данными, распределения видео, видеоконференций, базовых операций беспроводной связи и других подобных целей.
По Фиг.3 система 10 проводной ультраширокополосной связи выполнена с возможностью передачи ультраширокополосных сигналов через существующую сеть или систему, которая включает в себя проводную среду передачи сигналов. Например, проводная ультраширокополосная (УШП) система 10 может передавать УШП сигналы через существующую сеть телевизионных услуг коллективного доступа (CATV), оптическую сеть, кабельную телевизионную сеть, телевизионную сеть с доступом через коллективные антенны, гибридную телевизионную сеть с использованием волоконно-оптических/коаксиальных кабелей, сеть провайдеров Интернет, коммутируемую телефонную сеть общего доступа, ГС, ЛС, МС, сеть TCP/IP, сеть кампуса колледжа, поселка, города или любой другой тип сети, описанный выше, который использует проводную среду передачи данных, целиком или частично.
Один из вариантов осуществления проводной УШП системы 10 связи показан на Фиг.3. Антенное хозяйство 15 принимает аудио, видео и данные от одного или нескольких спутников (не показаны). Дополнительные данные могут приниматься по наземным кабелям или проводам или от наземных беспроводных источников, например служба многоканального многоточечного распределения (СММР). Затем данные направляют в спутниковые приемники 20, которые демодулируют данные в отдельные потоки аудио, видео и данных. Эту информацию направляют в канальные модуляторы 25, которые принимают сигналы программ, таких как CNN и MTV. Канальные модуляторы 25 смешивают каждый сигнал с радиочастотой (РЧ) и назначают номер станции (например, от 2 до 99), под которым каждая программа будет приниматься абонентом.
Множество РЧ сигналов затем направляют в сумматор 30, который объединяет множество сигналов в один выходной сигнал. То есть сумматор 30 принимает сигналы программ от канальных модуляторов 25 и объединяет их в одном коаксиальном кабеле и направляет сигнал в оптоволоконный передатчик/приемник 35. Описанные выше организация и функции канальных модуляторов 25 и сумматора 30 могут меняться для каждого типа сети с проводной средой передачи сигнала.
Дополнительные аудио, видео или другие сигналы данных принимают либо от антенного хозяйства 15, либо наземных источников данных, таких как оптоволоконные или коаксиальные кабели, могут быть направлены из спутникового приемника 20 в ультраширокополосное (УШП) устройство 40 провайдера услуг. Ультраширокополосное (УШП) устройство 40 провайдера услуг может включать в себя несколько компонентов, в том числе контроллер, цифровой сигнальный процессор, аналоговый кодер/декодер, одно или несколько устройств для управления доступом к данным и соответствующие кабели и электронику. Ультраширокополосное (УШП) устройство 40 провайдера услуг может включать в себя некоторые или все из этих компонентов, другие необходимые компоненты или их эквиваленты. Контроллер может включать в себя функции контроля ошибок и сжатия данных. Аналоговый кодер/декодер может включать в себя функцию аналого-цифрового преобразования и обратную ей. Устройство или устройства для управления доступом к данным могут включать в себя функции различных интерфейсов для организации интерфейса с проводной средой передачи сигнала, такой как телефонные линии и коаксиальные кабели.
Цифровой сигнальный процессор в ультраширокополосном (УШП) устройстве 40 провайдера услуг модулирует аудио, видео или другие сигналы данных, принятые от спутникового приемника 20, во множество УШП электромагнитных импульсов, и также может демодулировать УШП импульсы, принятые от абонента. Как определено в настоящем описании, модуляция представляет собой специальную технологию, используемую для кодирования аудио, видео или других данных во множество УШП импульсов. Например, цифровой сигнальный процессор может модулировать принятые аудио, видео и другие сигналы данных во множество УШП импульсов, которые могут иметь длительность, лежащую в пределах от примерно 0,1 наносекунды до примерно 100 наносекунд, и могут быть переданы при относительно малой мощности, например менее чем примерно от -30 децибел по мощности до -60 децибел по мощности, при измерении по всем частотам передачи.
Длительность и мощность передачи УШП импульсов может меняться в зависимости от нескольких факторов. Различные способы модуляции используют различные временные параметры УШП импульсов, длительности и уровни мощности. Настоящее изобретение охватывает несколько различных технологий и способов передачи УШП сигналов через проводную среду. В одном из вариантов осуществления, например, может использоваться модуляция по положению импульсов, при которой изменяют временные параметры передачи УШП импульсов. В одном из примеров системы модуляции по положению импульсов передают примерно 10000 импульсов в секунду. Такая система может передавать группы импульсов на 100 пикосекунд раньше или на 100 пикосекунд позже для обозначения определенного цифрового бита, например "0" или "1". Таким образом, можно передавать большие объемы данных через проводную среду. В качестве альтернативы, УШП сигнал может быть передан способом, подобным описанному в заявке на патент США, озаглавленной "ENCODING AND DECODING ULTRA-WIDEBAND INFORMATION", № 09/802590 (на имя John H. Santhoff и Rodolfo T. Arrieta), которая включена в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.
Альтернативный способ модуляции может использовать модуляцию амплитуды импульсов для передачи УШП сигнала через проводную среду. Модуляция амплитуды импульсов использует для передачи данных импульсы с различной амплитудой. Импульсам с различной амплитудой могут быть присвоены различные цифровые значения "0" или "1". Другие охватываемые способы модуляции включают в себя манипулирование включено-выключено, при котором биты данных кодируют как импульс (1) или отсутствие импульса (0), и двоичную фазовую манипуляцию (BPSK), или двухфазную модуляцию. BPSK модулирует фазу сигнала (0 градусов или 180 градусов) вместо модуляции положения. Также может использоваться спектральная манипуляция, которая не является ни PPM, ни PAM способом модуляции. Очевидно, что также могут быть использованы другие способы модуляции, которые существуют в настоящее время или будут разработаны в будущем.
Предпочтительный способ модуляции оптимизирует совместное существование и надежность импульсов посредством управления мощностью передачи, формы огибающей импульса и частотой повторения импульсов (ЧПИ). Может использоваться как псевдослучайная, так и фиксированная ЧПИ, с учетом того, что фиксированная ЧПИ может создавать "частоту, подобную несущей", так что она и ее высшие гармоники могут создавать помехи данным, передаваемым по обычным каналам с РЧ несущей. Однако, в случае псевдослучайной ЧПИ, трудностей, появляющихся при фиксированной ЧПИ, обычно удается избегать. Один из вариантов осуществления способа модуляции с псевдослучайной ЧПИ может включать в себя огибающую УШП импульса, который имеет форму для предварительного усиления и компенсации высокочастотных компонентов, которые проводная среда может естественным образом ослаблять. Формирование огибающей УШП импульса имеет дополнительные преимущества в том, что управляют плотностью спектральной мощности передаваемого потока данных.
Несколько преимуществ существует при передаче УШП импульсов через проводную среду по сравнению с передачей УШП импульсов через беспроводную среду. Беспроводная УШП передача должна учитывать такие эффекты, как межсимвольная интерференция (МСИ) и помехи между пользователями (ПМП), каждый из которых чрезвычайно ограничивает пропускную способность УШП передачи. Некоторые способы модуляции, например импульсно-амплитудная модуляция (PAM), которая обеспечивает возможность высоких битовых плотностей, не является эффективной при больших дистанциях беспроводной связи. Указанные, а также другие эффекты не свойственны для передачи УШП импульсов через проводную среду. Дополнительно, в случае проводной среды не возникает проблема многолучевого распространения и отсутствуют проблемы, связанные с задержкой распространения. Таким образом, предполагается, что ультраширокополосные системы могут иметь возможность передачи данных через проводную среду со скоростями от 100 Мбит/сек до 1 Гбит/сек. Такие скорости передачи данных гарантируют удовлетворение потребности в пропускной способности любого провайдера услуг.
Предпочтительный вариант осуществления УШП устройства 40 провайдера услуг распределяет энергию сигнала УШП потока данных по полосе пропускания, которая может лежать в пределах от 50 МГц до примерно 870 МГц или, как обсуждалось выше, до 1 ГГц или выше. Это гарантирует, что энергия сигнала, присутствующая на любой частоте, находится значительно ниже нормального уровня шума для этой полосы частот, дополнительно гарантируя возможность совместного существования с обычными данными с РЧ несущей.
Например, УШП импульс может иметь длительность примерно 1 наносекунду в потоке УШП данных с полосой пропускания 1 ГГц. В качестве альтернативы, длительность может быть привязана для соответствия доступной частоте конкретной сети. Для сетей CATV или HFCS, расположенных в США, идеальным УШП импульсом является импульс с длительностью примерно 0,5-2 наносекунды. Это так вследствие того что обычные сети CATV или HFCS, расположенные в США, обычно используют максимальную частоту примерно 870 МГц, но могут использовать частоты до 1 ГГц. Такая полоса пропускания допускает длительность импульсов от 1 до 2 наносекунд. Узкие импульсы являются предпочтительными, поскольку может быть передано больше импульсов в единицу времени. Ширина импульсов до 2 наносекунд может использоваться для гарантии целостности импульса во время оцифровки, передачи, приема и преобразования в УШП устройстве 50 абонента. В общем случае, идеальная ширина импульса может быть вычислена, основываясь на частотной характеристике конкретной системы с проводной средой передачи сигнала.
По Фиг.3 множество генерируемых УШП импульсов посылают через УШП устройство 40 провайдера услуг в сумматор 30, который комбинирует УШП импульсы с сигналами обычной РЧ несущей. Один из способов решения этой задачи заключается в подсоединении провода, переносящего сигнал обычной РЧ несущей к стандартному коаксиальному разветвителю. Комбинированные сигналы направляют в оптоволоконный передатчик/приемник 35. Оптоволоконный передатчик/приемник 35 преобразует как множество УШП импульсов, так и обычные сигналы РЧ несущей из сумматора 30 в соответствующий оптический сигнал. Генератор оптических сигналов может представлять собой либо светодиод, твердотельный лазерный диод или другое подходящее устройство. Затем оптический сигнал распределяют по оптоволоконным кабелям в жилые и деловые районы, университеты, колледжи или другие места распространения абонентам и заказчикам. Также могут применяться другие способы и технологии для комбинирования потока УШП импульсов и обычного сигнала РЧ несущей. Например, поток УШП импульсов можно послать непосредственно в оптоволоконный передатчик/приемник 35, который затем скомбинирует два сигнала.
Как показано на Фиг.3, узел 45 оптоволоконного мультиплексора может быть расположен в любом месте, описанном выше. Оптический сигнал принимается мультиплексором 45 и преобразуется обратно в комбинированный сигнал РЧ несущей и УШП импульсов. Комбинированные сигналы направляют в УШП устройство 50 абонента. УШП устройство 50 абонента может рассматриваться в качестве шлюза или маршрутизатора, обеспечивающих доступ к комбинированным сигналам.
Один вариант осуществления УШП устройства 50 абонента демодулирует множество УШП электромагнитных импульсов обратно в обычный сигнал РЧ несущей. УШП устройство 50 абонента может включать в себя все, некоторые или дополнительные компоненты, входящие в состав УШП устройства 40 провайдера услуг. В этом случае в сети с проводной средой передачи сигнала будет доступна дополнительная полоса пропускания для предоставления дополнительных данных и функций, требуемых заказчиком.
Альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения показан на Фиг.4. Проводная УШП система 70 связи с полным набором услуг выполнена с возможностью чрезвычайно высокой скорости передачи данных видео, телефонии, Интернет и аудиосигналов.
Проводная УШП система 70 связи с полным набором услуг принимает видео, аудиоинформацию и данные от антенного хозяйства 15 или от наземных источников, таких как волоконно-оптические или коаксиальные кабели. Эти сигналы направляют в спутниковые приемники 20, как описано выше в связи с проводной УШП системой 10 связи. Дополнительно, сигналы из телефонной сети 75 общего доступа принимаются главным цифровым терминалом 80. Главный цифровой терминал 80 модулирует множество голосовых сигналов в двунаправленные РЧ сигналы восходящей и нисходящей линий. Голосовые сигналы от главного цифрового терминала 80 направляют в УШП устройство 40 провайдера услуг.
Провайдер 85 услуг Интернет направляет данные Интернет в Интернет-маршрутизатор 90. Интернет-маршрутизатор 90 генерирует пакеты, например пакеты TCP/IP, которые направляют в УШП устройство 40 провайдера услуг.
УШП устройство 40 провайдера услуг модулирует данные Интернет, данные телефонии и данные, принятые от спутниковых приемников 20, в множество электромагнитных импульсов, как описывалось выше, и направляет импульсы в сумматор 30. Сумматор комбинирует УШП импульсы и сигнал обычной РЧ несущей и направляет комбинированный сигнал в оптоволоконный передатчик/приемник 35. Затем сигналы преобразуют в оптический сигнал либо при помощи светодиода, твердотельного лазерного диода или другого подходящего устройства. Затем оптический сигнал распределяют по оптоволоконным кабелям в узлы 45 оптоволоконного мультиплексора, расположенные в жилых и деловых районах, университетах, колледжах или других местах.
Оптический сигнал принимается мультиплексором 45 и преобразуется обратно в комбинированный сигнал РЧ несущей и УШП импульсов. Комбинированные сигналы направляют в УШП устройство 50 абонента. УШП устройство 50 абонента может рассматриваться в качестве шлюза или маршрутизатора, обеспечивающих доступ к комбинированным сигналам. УШП устройство 50 абонента демодулирует множество УШП электромагнитных импульсов в РЧ сигналы и направляет РЧ сигналы в соответствующие места, такие как телевизоры, персональные компьютеры или телефоны. Альтернативный вариант осуществления УШП устройства 50 абонента может размещаться поблизости от телевизионного приемника подобно телевизионной приставке и использоваться для передачи фильмов по требованию, обеспечения доступа в Интернет или программ с оплатой за каждый просмотр. Еще один вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя УШП устройство 50, которое может быть расположено в телевизионном приемнике или компьютере. Указанное УШП устройство 50 выполнено с возможностью преобразовывать и распределять данные в компьютеры, сетевые серверы, цифровые или абонентские телевизоры, интерактивные медиаустройства, такие как телевизионные приставки и телефонное коммутационное оборудование.
УШП устройство 50 абонента также может быть выполнено с возможностью передачи УШП импульсов беспроводным способом для обеспечения аудио, видео и другого контента для персональных компьютеров, телевизоров, ПЦП (персональный цифровой помощник), телефонов и других устройств. Например, УШП устройство 50 может включать в себя необходимые компоненты для передачи и приема УШП или обычных сигналов РЧ несущей для обеспечения доступа к таким интерфейсам, как PCI, PCMCIA, USB, Ethernet, IEEE1394, или интерфейсам других стандартов.
Настоящее изобретение также позволяет передавать данные по "восходящей линии" в сторону провайдера услуг. Например, обычная сеть CATV или HFCS резервирует частоты ниже 50 МГц для восходящего трафика. Один из вариантов осуществления настоящего изобретения может включать в себя полосовой фильтр с полосой подавления выше 1 ГГц и ниже 50 Мгц для гарантии ослабления УШП импульсов таким образом, что они не будут создавать помех восходящему трафику. Такие фильтры также служат для ограничения искажений вследствие перекрестной модуляции, вносимых УШП импульсами.
Альтернативные варианты настоящего изобретения могут передавать УШП импульсы через традиционные телефонные провода. В зависимости от провайдера, а именно предоставляет ли он местные или дальние вызовы, УШП передатчик/приемник может быть расположен в региональном центре, центре сектора, главном центре, междугородней телефонной станции, оконечной станции или их эквивалентах.
Настоящее изобретение для передачи ультраширокополосных сигналов через проводную среду может использовать любой тип проводной среды. Например, проводная среда может включать с себя оптоволоконную ленту, оптоволоконный кабель, одномодовый оптоволоконный кабель, многомодовый оптоволоконный кабель, огнестойкий провод, ПВХ провод и коаксиальный кабель.
Дополнительно, проводная среда может включать в себя соединения витой парой, либо экранированной, либо неэкранированной. Витая пара может состоять из "пар" маркированных цветом проводов. Обычные размеры витой пары составляют 2 пары, 3 пары, 4 пары, 25 пар, и 100 пар. Витая пара обычно используется в телефонных и компьютерных сетях. Она ранжируется по категориям от категории 1 до категории 7. Витая пара также бывает неэкранированной. То есть проводное соединение не имеет фольги или оболочки другого типа вокруг проводников внутри изолирующей оболочки. Такой тип витой пары наиболее часто используют для соединений в голосовых сетях и сетях данных. Вышеприведенный список проводных сред является иллюстративным и не ограничивающим.
Как описано выше, настоящее изобретение может предоставить дополнительную полосу пропускания для обеспечения возможности передачи больших объемов данных через существующую сеть с проводной средой передачи сигнала, причем сеть с проводной средой может представлять собой провайдера услуг Интернет, провайдера кабельного телевидения или компьютерную сеть, расположенную в месте ведения бизнеса или университете. Дополнительная полоса пропускания позволяет заказчикам пользоваться высокоскоростным доступом в Интернет, интерактивным видео и другими необходимыми им возможностями.
Таким образом, предложены устройство и способ для передачи и приема ультраширокополосных сигналов через проводную среду. Специалисты в данной области техники признают, что настоящее изобретение может быть реализовано в вариантах осуществления, отличных от приведенных выше, которые изложены в настоящем описании для целей иллюстрации, а не ограничения. Описание и примеры, изложенные в настоящем документе, и соответствующие чертежи только определяют предпочтительный вариант (варианты) осуществления. Описание и чертежи не предназначены для ограничения объема настоящего патентного документа. Множество конструкций, отличных от изложенных выше, находятся в пределах объема нижеследующей формулы изобретения, и настоящее изобретение ограничено только указанной формулой изобретения. Также настоящее изобретение может быть реализовано в виде различных эквивалентов изложенных вариантов осуществления.
Изобретение относится к ультраширокополосной связи, осуществляемой через проводную сеть. Технический результат состоит в увеличении полосы пропускания. Для этого способ включает я передачу ультраширокополосного сигнала через проводную сеть. Один из вариантов изобретения выполнен с возможностью передачи множества ультраширокополосных сигналов через телевизионную сеть общего доступа. Изобретение может передавать ультраширокополосный сигнал через оптическую сеть, кабельную телевизионную сеть, телевизионную сеть с доступом через коллективные антенны, телевизионную сеть общего доступа, гибридную телевизионную сеть с использованием волоконно-оптических/коаксиальных кабелей, сеть провайдера услуг Интернет, и коммутируемую телефонную сеть общего доступа. 5 н. и 48 з.п. ф-лы, 4 ил.
предоставляют телевизионную сеть общего доступа; и
передают ультраширокополосный сигнал через телевизионную сеть общего доступа.
предоставляют телевизионную сеть общего доступа;
комбинируют множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, с сигналом телевизионной сети общего доступа перед передачей сигнала;
принимают комбинированный сигнал, содержащий множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, и сигнал телевизионной сети общего доступа; и
разделяют комбинированный сигнал на множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, и сигнал телевизионной сети общего доступа.
предоставляют гибридную телевизионную сеть с использованием волоконно-оптических/коаксиальных кабелей;
комбинируют множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, с сигналом гибридной телевизионной сети с использованием волоконно-оптических/коаксиальных кабелей, перед передачей сигнала;
принимают комбинированный сигнал, содержащий множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, и сигнал гибридной телевизионной сети с использованием волоконно-оптических/коаксиальных кабелей; и
разделяют комбинированный сигнал на множество ультраширокополосных сигналов, представляющих данные, и сигнал гибридной телевизионной сети с использованием волоконно-оптических/коаксиальных кабелей.
ультраширокополосный передатчик, расположенный в первом местоположении в сети, причем ультраширокополосный передатчик выполнен с возможностью передачи ультраширокополосного сигнала через проводную среду; и
ультраширокополосный приемник, расположенный во втором местоположении в сети, причем ультраширокополосный приемник выполнен с возможностью приема ультраширокополосного сигнала из проводной среды;
| 1992 |
|
RU2001528C1 | |
| RU 99116260 A1, 10.07.2001 | |||
| US 5523760 А, 04.06.1996. | |||
