专利名称：由模拟调制解调器进行采样相位调整的系统和方法
技术领域：
本发明涉及通过电信网络发送数据，更确切地说，涉及调整模拟调制解调器发送器的相位和/或符号频率的系统和方法。
背景技术：
随着计算机系统用于支持数据密集的应用，如传递声音、图像、视频和其它媒体，数据传输变得越来越重要。今天的电信网络主要是数字式的。例如，共用交换电话网络(PSTN)几乎完全是数字式的。该网络仅有的模拟部分是从电话中心站交换系统到住宅的客户回路。
通过电信网络传送模拟数据时，电话中心站(CO)的编解码器设备对通过模拟回路传输的模拟信号以8kHz的频率进行采样和量化。在电信网络的整个数字部分完全使用这种8kHz的采样率标准。CO编解码器的采样时钟具有网络设置的8000采样/秒的固定频率。
模拟信号采样的速率(每秒采样的采样数目)是重要的，因为它确定了数字信号转换回模拟形式时产生的信号的质量。奈奎斯特定理宣称，为了从其数字采样准确地重建模拟信号，使用的采样率必须大于或等于带限信号中最大频率分量的两倍。例如，若是某个模拟信号中的最大频率分量是250kHz，该信号必须以最小500kHz来采样，以便能够在信息损失最小的情况下从其采样恢复信号。
由于奈奎斯特限制，电话中心站交换设备使用的采样率(8kHz)迫使从模拟回路通过电信网络的信号的最大频率为4kHz。4kHz的带宽提供了可接受的优质语音传输，无需更高速度的采样需求和设备。不过，对于数据传输，比如从某个调制解调器，这个带宽限制是有问题的。在上行方向(从某个模拟客户回路向电信网络)能够成功地传送的信号的最大频率是4kHz。在上行方向，因为编解码器的采样率锁定在8kHz，没有可用的额外带宽。在4kHz低通滤波器截至频带范围内的任何信号能量，按照称为“假频”的现象，都会折叠到数字化的信号中。较旧的调制解调器协议如国际电信联盟(ITU)的V.90和V.34，在上行方向的额外带宽(名义频带以外的能量)非常小。V.34支持低得多的位速率，它使用的正交调幅法(QAM)方案编码框架导致非常小的额外带宽。
在下行方向，锁定8kHz采样率的这个问题不存在。因为下行模拟调制解调器使用的模数(A/D)转换器没有限制为8kHz数字化，其采样率在限度之内可以随时升降。
在上行方向使用如ITU-V.92的脉冲编码调制(PCM)调制解调器快速传送数据时，模拟调制解调器的发送器必须使用某个预均衡器来补偿本地回路的信道失真。采样率低于奈奎斯特速率时，接收到的符号流相对于编解码器时钟的分数采样相位偏离会严重影响(预)均衡器的性能。如果符号间隔的均衡器处理的是接收到的、带有显著额外带宽的模拟信号，这种影响可能很大。因为电信网络的采样率固定在8kHz，对于使用高速(宽带)PCM上行调制方案的电信网络，其中运行的数字调制解调器落在这个范畴。数字调制解调器(中心站线路卡编解码器)收到的信号的初始相位，由模拟调制解调器和回路信道的随机调用计时确定。模拟调制解调器的数模转换器按独立的时钟运行。
然而，由于数字调制解调器使用的实际的编解码器锁定在网络计时，不受数字调制解调器的控制，所以数字调制解调器不可能调整上行数字化设备的采样相位。因此，可能会降低数据吞吐量。
从模拟调制解调器的分离时钟信号产生了另一个问题。如上所述，模拟调制解调器的数模转换器按照独立于网络的时钟运行。这个时钟的频率假设为8000采样/秒。不过，根据模拟调制解调器中使用的石英类型，该频率可能稍有偏差。由于数字调制解调器必须锁定在网络计时，模拟调制解调器的时钟信号和数字调制解调器的时钟信号之间，即使微小的频率差异也将会导致数据损失。
虽然是在模拟回路电话信号的条件下介绍这个问题，但是在许多信号传输系统中，如果接收到了超出的带宽，而接收器不能改变编解码器(或其它类型的A/D转换器)的采样率和/或相位，也会发生同样的问题。
发明内容
一种系统和方法，用于调整模拟信号的频率和/或相位，该信号是由某个模拟调制解调器产生的，它通过电话网络连接到某个数字调制解调器。电话网络的数字部分锁定在网络时钟，编解码器对模拟信号进行采样和量化时，调制解调器无法控制采样计时和/或速率。如果模拟信号发生失真比如相位移，那么编解码器可能在模拟信号“不可分辨的”过渡点上进行采样，从而造成错误并使数据传输可用带宽的下降。使用环回计时，把模拟调制解调器的频率锁定在数字网络的时钟上。使用数字调制解调器已知的某个参考信号的量化采样，计算相位估计值。接着，通过对比相位估计值和某个最优相位值，计算一个“相位偏移量”。然后数字调制解调器向模拟调制解调器发送计算出的相位偏移量信息。模拟调制解调器再按照相位偏移量延迟或提前它发送的信号。模拟调制解调器的发送器相位调整之后，模拟信号以数字调制解调器需要的相位到达编解码器。另外，或者连同相位调整，模拟调制解调器使用下行方向上通过计时恢复/追踪算法(了解网络计时)得知的信息调整其频率。然后模拟调制解调器的发送器在传输中使用这个计时。
依据本发明的一个实施例，提供了一种方法来调整发送器产生并通过模拟电路发送的模拟信号，其中模拟信号被接收并被转换为锁定在固定时钟的数字信号，然后由某个接收器接收该数字信号。步骤包括把发送器的频率锁定在固定时钟，以及使用接收器提供的信息，把模拟信号的相位调整到与固定时钟对齐。调整相位包括计算收到的模拟信号的相位估计值，计算相位偏移值，用于偏移收到的所述模拟信号的相位，以及向发送器提供相位偏移值。然后发送器按照相位偏移值调整模拟信号的相位。
本发明包括一种模拟调制解调器，用于通过模拟电路传送作为模拟信号的数据，其特征在于，所述模拟信号被接收并被锁定为固定时钟的某个A/D转换器转换为数字信号。由某个数字调制解调器接收该数字信号。该模拟调制解调器包括耦合到模拟电路的某个发送器，该发送器把数据转换为模拟信号；某个发送器时钟组件，向发送器提供发送器时钟信号，使发送器能够把数据转换为模拟信号；以及耦合到模拟电路的某个接收组件，该接收组件接收来自数字调制解调器的信息，该信息包括固定时钟的计时。发送器时钟组件然后根据接收组件收到的信息，调整发送器时钟信号的频率和相位。发送器时钟组件把发送器时钟信号锁定在该固定时钟，并进一步调整发送器时钟信号的相位，使之与该固定时钟对齐。
本发明的一个优点包括通过改善在数据模式期间使用的预均衡器的性能，在连接期间降低错误率和/或提高数据传输速度。
本发明的另一个优点是，它使数字调制解调器指导远程模拟调制解调器调整其发送器的相对相位。
本发明的另一个优点是，它使数字调制解调器指导远程模拟调制解调器调整其发送器的相对频率。
附图简要说明由以下说明性实施例的详细描述，连同附图，本发明前面的和其它的特性和优点将会得到更加全面的理解，其中
图1是某个实例电信网络的框图；图2是通过图1中电信网络把某个模拟调制解调器上行连接到某个数字调制解调器的框图；以及图3说明了依据本发明，调整某个模拟调制解调器发送器的相位的方法。
具体实施例方式
本发明能够用于电信网络中，比如图1中显示的实例。数字调制解调器20由数字线路21连接到某个编解码器位置，比如电话公司中心站(CO)22。模拟客户回路24把CO22连接到远程放置的模拟调制解调器26。模拟调制解调器26通过模拟回路24向CO22发送和接收模拟信号，在CO22处某个编解码器把模拟信号转换为数字PCM值，或者把数字PCM值转换为模拟信号。PCM信号沿着数字线路21传送到数字调制解调器20的位置，它在PCM信号和数据之间进行转换。
数字线路21通常是T1或T3线路。不过，虽然数字调制解调器20显示为由数字线路21连接到CO22，该数字调制解调器也可以位于CO22，而不需要数字线路21的连接。
图2中显示了一个上行数据传输对话的实例。模拟调制解调器26接收要发送的信息30。模拟调制解调器26处理该信息，以产生模拟信号34，如箭头32所示。此类处理包括框架编码和其它处理，比如1999年9月3日提交的、共同等待批准的专利申请书序列号09/390,106中公开的处理，其标题为“METHOD AND APPARATUS FOR ASTART-UP PROCEDURE FOR DIGITAL AND ANALOG MODEMSUTILIZING PULSE CODE MODULATION FOR DATATRANSMISSION(利用脉冲码调制进行数据传输的数字和模拟调制解调器启动操作方法和装置)”，已转让给摩托罗拉公司，这里引用作为参考。为了提供最高的吞吐量，模拟调制解调器最好以A/D转换器容许的最高的符号至采样速率将数字信息编码成模拟信号34，对于PSTN编解码器该速率是8kHz(每采样一个符号)。向编码系统以适当的频率提供时钟信号33。
通过模拟回路24向编解码器23发送模拟信号34。收到模拟信号34’之时，信道已经按照信道的响应和噪音使它产生了失真。编解码器23采用与网络时钟25同步的8kHz对模拟信号34’进行采样，并产生模拟信号34’的数字化PCM描述。因为采样相位对模拟调制解调器是未知的，PCM采样不能准确地表示模拟调制解调器发送的符号。以通过数字线路21传输的格式对PCM数据进行编码，正如业内周知。编码后的PCM数据40由数字调制解调器20接收，它对编码后的PCM数据40进行解码，如箭头42所示，以产生模拟调制解调器26最初接收到的原始信息30，假设采样相位正确。
没有因为未知相位和其它因素造成的失真，在模拟信号34’的可分辨部分，编解码器23将能够对模拟信号34’进行采样，如36a和36b所示。不过，在时间方向模拟信号34’的某些数量漂移可能导致编解码器23在不可分辨的部分对模拟信号34’进行采样，如38a和38b所示，该处模拟信号34’正在改变幅度。这就导致了编解码器23不可预测的数字化结果，从而在编码后的PCM数据40中造成错误，并最终在数字调制解调器20解码的信息30中造成错误。
另外，如果模拟调制解调器26中解码32所用的时钟信号33的频率被断开，那么将会发生失真和数据损失。该频率需要接近精确和锁定，使得频率的任何漂移都能够被追踪。
在下行方向，图2中显示的路径和步骤本质上反向(未显示)执行。在这个方向上的调制解调器编码协议是由ITU推荐的V.90规定的。编解码器23从数字调制解调器20接收PCM数据，并把数据转换成模拟信号，通过模拟回路24发送到模拟调制解调器26。模拟调制解调器26然后对模拟信号进行采样并分析数字采样以产生原始信息。通过模拟回路24发送的下行模拟信号也会发生失真，包括相位失真。不过，在下行方向，模拟调制解调器26并不限制为8kHz的采样率。模拟调制解调器26可以提高其采样率，从而重建符号而不论采样相位如何，正如业内周知。所以，模拟回路24造成的相位失真对下行方向的信息吞吐量并不是一个限制。不过，由于数字调制解调器既不能调整编解码器23的采样率，也不能调整它的相位，在上行方向它是一个问题。
这个问题是在说明性实例的条件下介绍的，涉及带有模拟和数字组件的电信电路。不过，在收到的模拟信号具有相对于A/D转换器采样率的额外带宽，而且A/D转换器的采样率和/或相位不受控制的任何系统中都会发生这种问题。
本发明提供一种方法，通过调整模拟调制解调器26传输的相位和/或频率，以确保尽可能高的数据传输率，从而使信息损失降至最小。图3显示了本发明一个说明性实施例执行的方法。通常这种方法是调制解调器26和20在训练阶段执行的。在步骤101中，模拟调制解调器26的发送器频率使用环回计时锁定在数字网络时钟25。在下行方向，模拟调制解调器26使用由计时恢复/追踪算法了解的信息调整其频率。在标题为“First and Second Digital Rate ConverterSynchronization Device and Method(第一和第二数字率转换器同步设备和方法)”的美国专利5,199,046和转让给摩托罗拉的、2000年1月26日提交的、标题为“Method and Apparatus for Synchronizationof Digital Rate Converters to Avoid Error Accumulation(同步数字转换器以避免误差累积的方法和装置)”(摩托罗拉案例号CX097031)的等待批准的美国专利申请书中公开了适当的环回计时方法，二者都在这里引用作为参考。锁定在数字网络时钟25防止了频率的任何漂移。
在步骤103中，计算相位估计值。该相位估计值可以由数字调制解调器20计算，例如转让给摩托罗拉的、标题为METHOD ANDAPPARATUS FOR ADJUSTMENT OF THE SAMPLING PHASE INA PCM MODEM SYSTEM USING A DUAL-PHASE PROBINGSIGNAL(使用双相位探测信号调整PCM调制解调器系统中采样相位的方法和装置)(摩托罗拉案例号CX099049)的共同等待批准的美国专利申请书中的介绍，这里引用作为参考。
在步骤105中，通过对比前面步骤中计算出的相位估计值和某个最优值，计算相位偏移量。对于采用的任何具体的数字均衡方法和调制方案，或者通过实验，或者通过分析，可以确定哪个分数符号相位偏移量将会产生最佳的性能。“相位偏移量”可以采取任何值，但是采用1个符号波特(1/8000Hz)的单位，只需要采取
之间的值。在调制解调器的训练期间，可以确定随机相位从最佳相位偏离了多少。在以上介绍和引用的摩托罗拉专利申请书CX099049中公开了一种适当的相位估计技术。
在步骤107中，数字调制解调器20对相位偏移量信息进行编码，并将它发送到模拟调制解调器26。例如，该数字信息可能向模拟调制解调器26发送信息，告诉它调整其相位0.11符号。在训练期间，相位偏移量信息可以与其它参数一起发送到模拟调制解调器26。
在另一个实施例中，未处理的或部分处理的相位信息从数字调制解调器20传送到模拟调制解调器26，由模拟调制解调器26处理。这样做的效果是改变步骤103、105和107的次序。
在步骤109中，在训练序列中某个后来的、预先指定的点上，模拟调制解调器以相位偏移量延迟其发送的信号。完成实际的相位调整可以通过模拟调制解调器的D/A转换器的硬件调整，或者通过软件方法，比如插值等。模拟调制解调器的发送器相位已经调整之后，发送的信号34将以数字调制解调器20所需的采样时间到达网络编解码器23。如果需要，可以重复以上的步骤来执行进一步的调整。
本发明在数据传输对话期间，通过改善数据模式期间采用的预均衡器的性能，降低错误率和/或提高连接速度。
任何通信技术，只要其中接收器A/D转换器的采样率和/或相位的调整不能达到所需的程度，本发明都将改善其性能。无论何时，只要相对于接收器的采样率有额外的带宽(A/D转换器的速率小于或等于发送信号带宽的两倍)，性能的改善尤为显著。
尽管说明性的实施例已经展示和介绍了本发明，在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可以对本发明在形式和细节上作出多种改变、省略和增添。
权利要求
1.一种方法，调整发送器产生并通过模拟电路发送的模拟信号，其特征在于，所述模拟信号被接收并被转换为锁定在固定时钟的数字信号，所述数字信号由某个接收器接收，所述方法包括把所述发送器的频率锁定在所述固定时钟；使用所述接收器提供的信息，把所述模拟信号的相位调整到与所述固定时钟对准。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，使用所述接收器提供的信息，把所述模拟信号的相位调整到与所述固定时钟对准的所述步骤进一步包括计算接收到的所述模拟信号的相位估计值；计算相位偏移值，用于偏移所接收到的所述模拟信号的所述相位；向所述发送器提供所述相位偏移值，其中，所述发送器按照所述相位偏移值调整所述模拟信号的相位。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，把所述发送器锁定在所述数字网络时钟的所述步骤包括使用环回计时。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，计算接收到的所述模拟信号的相位估计值的所述步骤，是使用所述发送器发送的某个已知参考信号的量化采样来执行的。
5.一种模拟调制解调器，用于通过模拟电路把数据作为模拟信号传送，其特征在于，所述模拟信号被接收并被锁定到固定时钟的某个A/D转换器转换为数字信号，所述数字信号由某个数字调制解调器接收，所述模拟调制解调器包括耦合到所述模拟电路的某个发送器，所述发送器把所述数据转换为所述模拟信号；某个发送器时钟组件，向所述发送器提供发送器时钟信号，使所述发送器能够把所述数据转换为所述模拟信号；耦合到所述模拟电路的某个接收组件，所述接收组件接收来自所述数字调制解调器的信息，所述信息包括所述固定时钟的计时；其中，所述发送器时钟组件根据所述接收组件收到的所述信息，调整所述发送器时钟信号的频率和相位。
6.根据权利要求5的模拟调制解调器，其特征在于，所述发送器时钟组件把所述发送器时钟信号锁定在所述固定时钟。
7.根据权利要求5的模拟调制解调器，其特征在于，所述发送器时钟组件调整所述发送器时钟信号的相位，使之与所述固定时钟对准。
全文摘要
一种系统和方法，用于调整模拟信号的相位，该信号是由某个模拟调制解调器产生的，它通过电话网络连接到某个数字调制解调器。电话网络的数字部分锁定在网络时钟，编解码器对模拟信号进行采样和量化时，调制解调器无法控制采样计时或速率。如果模拟信号发生相对于网络时钟的相位漂移，那么编解码器可能在模拟信号不可分辨的点上进行采样，从而造成错误并使数据传输可用带宽的下降。使用环回计时，把模拟调制解调器的符号频率锁定在数字网络的时钟上。使用已知的某个参考信号的量化采样，计算相位估计值。接着，通过对比相位估计值和某个最优相位值，计算一个“相位偏移量”。然后数字调制解调器向模拟调制解调器发送计算出的相位偏移量信息。模拟调制解调器再按照相位偏移量延迟它发送的信号。模拟调制解调器的发送器经相位调整之后，模拟信号以数字调制解调器需要的相位到达编解码器。
文档编号H04L25/49GK1398466SQ01804501
公开日2003年2月19日 申请日期2001年2月1日 优先权日2000年2月4日
发明者约翰·皮罗兹, 金大勇, 瑟博尔·莫拉班扎德, 杰克·刘, S·阿里夫·阿莫德, 乌拉迪莫·帕里兹斯基 申请人:摩托罗拉公司