专利名称：一种用连接到头端解调器的抽样射频字改进数字通信信号返回路径性能的系统的制作方法
相关申请的交叉引用本发明涉及题目为“使用数字转换和传输的HFC返回路径系统”的共同转让未决申请，于2000年4月21日提交并转让，序列号为09/556,731，在此引用作为参考。本发明还涉及2000年6月2日提交的美国临时申请60/208,748，在此结合并整个作为参考。
发明的领域本发明一般涉及有线电视同轴混合光纤(CATV HFC)返回路径系统，特别涉及，使用连接到头端的解调器的抽样RF字以改进数字通信信号的返回路径性能的系统。
本发明背景HFC系统的现有的技术返回路径CATV头端和集线器(hub)设备利用了线性光检测，随后在某些特别设计的接收机终止前进行放大和处理，所述接收机的特别设计是在那个特定的电缆设备实现回程通信特定的。在交叉的多重应用中，使用反方向中存在的带宽，能够存在多重的、同步的、不同的返回路径通信信号。对于北美的传统HFC，这个带宽是5-40兆赫。对付通过返回路径光纤传输的链接信号的常规方法是，处理模拟信号，以便到达在节点后尽可能接近地复制原始产生的波形。通过规范激光、接收机和RF系统保证获得足够性能，以确保信号不退化到成功通信必需的一定量之外。但是，存在很多设计和实施问题，其使得这个方法困难和不经济，它们包括模拟激光规范，激光二阶响应特性，光链路长度约束，昂贵的测试和规范-强化的模拟头端设备，模拟参数的校准和维护，对业务量敏感的设备的质量和现有设备的附加信号损坏。所有这些因素造成开发高性能的模拟设备的整个的高昂的费用问题。
这些问题以前一直存在于不断的改进模拟激光器和返回路径接收机性能、较高的功率的激光和HFC的结构改进的工作中。但是，上述的每个问题仍然存在。
因此，本发明针对该问题开发一种用于数字通信信号的返回路径系统，其使用连接到头端解调器的抽样的RF字接口，以提供费用较低的设备设计，在相同或低成本下能够获得较高性能的设备，具有复灵活的有效的接口和通信业务的多路复用。
发明概述本发明通过使用连接到头端解调器的抽样RF字接口，以改进数字通信信号的返回路径性能，即，将数字返回路径传递的抽样中含有的信息内容直接传递到，准备直接连接的适当实现的应用接收机，从而消除了典型的D/A转换步骤并且消除了可能由此引起的信号损坏。
根据本发明的一个实施例，在有线电视系统中，还原完全表示为1和0的返回路径信号的方法包括下列步骤(1)接收带有适当的同步信息的数字式字的串行流，以识别在字之间的边界，并还原位本身的定时；(2)解串数字式字的串行流和同步信息；(3)在需要数字连接到应用接收机时，处理解串的数字式字；和(4)向应用接收机传递处理的并行数字式字。
本发明另一个实施例提供一种在使用基带串行光传送的同轴混合光纤有线电视系统中的用于还原数字式字的返回路径信号的系统，其中从光纤的光学节点到头端/集线器的返回路径信号通过将其整个编码而表示为1和0。所述系统包括数字回程接收机，和任意数目的应用接收机。系统的数字回程接收机包括光学接收机，它从光纤接收光学1和0的串行流，并将光学数字信号转换成电数字信号；解串器，它将数字式字和同步信息的串行流解串；数字滤波器，它处理解串的数字式字，以数字连接到应用接收机；以及包括接口，它将处理的并行数字式字连接和发送到应用接收机中的至少一个。
在每个实施例中，数字滤波器或处理步骤消除了数字式字的前端模拟阶段，向应用接收机的解调器的数字接收机部分直接提供到数据总线的数字式字接口，并且用等同的数字功能代替前端模拟阶段的功能。
可以在CATV头端或集线器实现所述系统和/或方法。
在本发明的优选实施例中，如果数字接收机的数据总线字长小于并行字的长度，则数字滤波器或数字处理步骤截取最不重要的位，以接口到至少一个应用接收机。另外，如果数字接收机的字长度超过传输链路的长度，则并行字用零填充。
最后，可以使用逻辑变换(logical translation)设备作为应用接收机和发送链路之间的接口，或是作为应用接收机的一部分。一种现场可编程门阵列(Field Programmble Gate Array(FPGA))可以作为该设备使用。
附图的简要说明以下结合附图所作的详细说明将使得本发明的上述和其他目的和特征及优点更加清楚。
图1是根据本发明的具有直接数字切换到头端接收机的数字返回路径传送系统的基本元件图。
详细说明在图1的简化方框图中给出了使用连接到头端解调器的抽样RF字接口，用于改进数字通信信号的返回路径性能的系统基本元件和方法。
基本上，CATV头端或集线器的反向路径能够持续来自多重的，来自用户家里的多个不同的传输源的通信。本发明首先依靠可用的高级的返回路径设备。这样的系统从节点开始，采用完全与上述方法不同的方法传送信息。如上述在交叉参考引用的相关申请分别公开的所述先进的方法是从返回路径上的用户抽样到达节点的模拟波形。随后，将抽样数字化编码，以便从发射机到头端/集线器的链路能够由数字光学发射机和接收机构成。因此，其系统中传送的信息成为位串。
在先前说明的公开中概述了数字回程方法的多个优点。这个公开是最重要的是在节点模拟-数字转换(A/D)后实际消除信号的损坏。现在要求光学系统仅是起可靠的二进制的作用，再现两个模拟值之一。就数字来说，这些值是“0”和“1”，并且用两个不同的光能级(level)表示。这个方法应用到HFC的光学链路，消除或在很大程度上缓解了。由相关的激光发射机、光纤非线性、光接收机和RF放大器引起的相关的信号损坏问题。
如在相应的申请中所述的，在节点光发射机接收数字式字的串行流，并向光接收机传输这个数字式字。在RF-光转换点上的所有位流的实现，立即导入标准化的传送的理想方程式中，并简化了网络构成，加速了研究，并用它将令人满意的水平的经过验证的可靠的技术引入到HFC基础设施中。另外，因为距离的优点，使得能够使用无源设备或完全移掉集线器的中继设备。
但是，在节点外消除信号的损坏在没有信号损坏之下，依靠在头端还原传送的数字式字的能力。下面参照图1说明进行这种操作的系统和方法，即，在HFC返回路径通信链路和终端设备接收机之间提供数字式字的接口。
在前面提到的公开中，说明了几个优点。但是，在那个情况下数字光学系统进行的处理是使用数字-模拟转换器(D/A)复制宽带模拟输出信号为结束。从仍实施模拟接收机技术的传统系统的观点，这个方法是有价值的。但是，对于诸如电缆调制解调器等的先进的返回路径传输，最好是接口到解调设备的。
所提出的与头端终端设备连接的方法利用了，在应用特定的集成电路(ASIC)、超大规模集成电路(VISI)和数字信号处理的各种研究的优点。现代的调制解调器技术结合了数字接收机技术-芯片上的接收机-在单一数字集成电路上或芯片组内，实现多种复用同步(manycomplex synchronization)、均衡(equalization)和检测功能。这些功能能够数字地进行，因为典型的现代通信接收机将调谐到有兴趣的信道、将它滤波，然后在周期的增量上抽样滤波的波形。
如上述就节点的工作活动所述的，通过抽样表示的信息能够在接收机的其余部分中随后转换成用于数字处理的位。这是通过数字表示的具有N个位字的每个模拟抽样进行的。在此，N是在A/D转换器中的分辨率(resolution)的位数(如8、10、12)。目前，在设计通信应用的VLSI电路中已有很大的进展，并且高速设计的接收机正利用这些优点。现在HFC系统也能够利用这些处理的优点，以致(by)消除具有数字接收机的应用解调器的D/A转换步骤。除掉这个步骤，并且直接接口到具有可用的数字式字的数字接收机，提供能够消除信号损坏的一种机构，并且能够将在头端(或集线器)的模拟设备的结构简化成数字网络的总线和插卡装置。
参见图1，它清楚地示出一个完全的数字返回路径系统。本领域内的技术人员应理解，虽然就图1说明的技术是设置在图的“头端”部分，但是，根据使用中的整个HFC的结构，它也能够放置在集线器位置。在数字回程系统中的D/A转换器的功能是重构在节点上存在的宽带5-40兆赫输入。随后，在传统返回路径接收机(RPR)设备上处理返回路径信号时，处理这个RF信号。即，在连接到还原信息的应用接收机前，它被分离、放大、衰减等。但是，包括D/A本身的模拟处理造成信号退化，传送的信息的可能的损耗或损坏，以及复杂的电平设定问题。对于诸如电缆调制解调器之类的先进的接收机来说，RF信号被下变频到在接收机前端中的中频或基带频率。然后，使用在接收机内的A/D转换器抽样该信号并再转换成信息还原的数字信号。由于附加传递不希望的信号损坏的中间向模拟的转换，使得这个完整的头端处理-D/A转换、放大、分离、调谐、A/D转换-被不必要地复杂化了。
但是，根据高速数字处理的近来的研究进展，使得不再需要以前总是用常规的返回路径RF输入连接到接收机。因此，数字返回路径系统传送的抽样中含有的信息内容能够直接传送到准备好数字接口的适当配置的应用接收机。在图1中，通过将数字回程接收机扩大标记为“数字处理”的附加功能元件，在图1中的方框“头端”中示出这一点。具体地，在图1中，在光纤接收机10上接收光链路上传送的数字式字的串行流。串行到并行的转换器(SERDES)或解串器20将数字式字的串行流转换成并行数字式字，并将所述并行字传送到数字处理方框30。“数字处理”实际上指的是，完成在表示模拟抽样的数据字和应用接收机之间必须存在的，包括实际滤波功能的，各功能所需的每个处理阶段。这个方法要求所述数字回程接收机消除前端模拟阶段；向数字解调器100的数字接收机部分的数据总线(或缓冲器)提供数字式字的接口；和在需要时，用等同的数字功能代替前端模拟阶段的功能。
应注意，参照(3)，前端功能的一个重要项目是调节模拟信号电平，以正确驱动接收机的A/D转换器。应理解，这个关键的功能项已不再需要。另外，数字接收机已经在数字部分内实现同步的最后的细调谐阶段。因此，基带的最后转换已经是数字功能，并且数字调谐器的技术已获得很好的发展。因此，数字前端的核心功能是数字滤波和同步功能的扩充。
本领域内的技术人员应理解，正确地实现数字切换的重要考虑是在数字传送机制和应用接收机之间的“接口定义”。这个接口由表示有效信息的N个位并行字和在两个子系统(数字回程和数字接收机)之间通信所需的适当信号交换组成。另外，所述接口包括在每侧的必要的时钟信号同步。再有，返回路径的数字传送方法实现从节点到头端或集线器的串行基带传输。所述串行流是位和字同步的，并且在输出上出现数字表示在节点取的原始抽样的并行字。
取决于数字回程的具体实施，所述并行字的大小能够变化。为装置传送抽样的信息的数字接收机的数据总线一般是固定字长大小的。有可能这个总线字长的大小小于存在的并行字长。此时，从传送系统截断最不重要的位(LSB)，并接口到应用接收机。在这个处理中存在信息丢失，但是，因为它是在所述数字接收机IC中所设定的限制，所以它是在任何情况都会损失的信息。
另外，如果数字接收机本身的字尺寸超过传输链路的，那么通过在附加的位中用零填充，以切换并行字。在这个拓扑结构中，必须评估较低分辨率的效果。但是，这是典型情况，技术上通常是确保传输链路超过调制解调器的性能参数，以最小程度地损坏传输信号。
接口的另一重要事项是确保通信成功或有效的所说的“语言”或协议。应用接收机一般地具有特定的规范，特别是在接收机设计内的数字部分带有模拟和数字功能。这样的接收机能够通过逻辑变换(translation)设备被连接，如用现场可编程门阵列(FPGA)，它处理从传送链路来的通过它的数据字，并将它们格式化使得适合接收机数据总线。可以用FPGA实现数字处理(本领域内的技术人员应理解，FPGA可以是数字返回路径接收机的部分，如下所述，单独的FPGA也可以是应用接收机的部分，但是一般来说不是这样)。某些特征的接收机可以不具有可访问的数据总线，或完全是模拟接收机，在此情况，有必要重构带D/A的数字回程。但是，先进的接收机具有较多充分定义的结构接口，通过通常使用现有技术或通过委托开发实现，以确保标准化。此时，这个实现包括，在先进的接收机电路开发时，设计到接收机数据总线的接入，并且实现在接收机本身上的门阵列或变换装置，以向接收机传递数字回程字序列。
在现代的接收机开发中，能够将直接数字接口定义马上应用到新的设计，因为现有技术包括，在与传送链路和接收机数据总线之间需要的接口类型相一致的高速数据接收机内处理。在传统系统中，对接收机功能可访问性上的约束，会要求开发允许访问数字功能的另外的接口设备。最终，一些传统系统和特别是所有模拟接收机，如不完全重新设计，将不具有上述优势。在这样的情况中，D/A输出方法会是最适合的。但是，在大多数这样的情况，这样的接收机设计将在极简单的调制功能上操作，并且数字化的实施能够快速开发和部署。也有这样的情况，这些较简单的接收机将遇到从数字接口取得的最少性能效益，因为就这些典型的的调制方案来说，重构的附加的模拟损坏对于链路性能无关紧要。
本发明用连接到头端解调器的抽样RF字接口的数字通信信号系统和方法的短期效益是明显的在应用处理强化中极大的灵活性；能够灵活地连接CATV头端终端设备等。但是，在数年中会收到最大效益，因为返回路径向所有位的转换开放了与处理，传输，多路复用，和终端设备接口相关的很多连网的可能性。
虽然特定地说明和描述了各种实施例，但是应当理解，通过上述教导，本发明将包括各种修改和变化，而且在所附的权利要求的范围内而不会偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种在有线电视系统中还原完全表示为一和零的返回路径信号的方法，包括下列步骤接收带有适当的同步信息的数字式字的串行流，识别在字之间的边界，并还原位本身的定时；解串数字式字的串行流和同步信息；处理解串的数字式字，以数字式地接口到应用接收机；和向应用接收机传递处理的并行数字式字。
2.根据权利要求1的方法，其中所述处理步骤包括下列步骤消除数字式字的前端模拟阶段；直接向应用接收机的解调器的数字接收机部分的数据总线提供数字式字的接口；和用等同的数字功能代替前端模拟阶段的功能。
3.根据权利要求1的方法，其中所述方法在CATV的头端实现。
4.根据权利要求1的方法，其中所述方法在CATV的集线器实现。
5.根据权利要求1的方法，其中应用接收机包括带有数字接收机的数字解调器。
6.根据权利要求5的方法，其中如果数字接收机的数据总线字长小于并行字长，则数字滤波器截断最不重要的位以连接到应用接收机。
7.根据权利要求5的方法，其中如果数字接收机的字的尺寸超过传输链路的尺寸，则用零填充并行字。
8.根据权利要求1的方法，其中逻辑变换设备连接在应用接收机和传送链路之间。
9.根据权利要求8的方法，其中所述的逻辑变换设备是应用接收机的部分。
10.根据权利要求9的方法，其中所述的逻辑变换设备是现场可编程门阵列。
11.根据权利要求10的方法，其中在解串步骤解串数字式字的串行流和同步信息后，所述现场可编程门阵列处理数据字，并且格式化应用接收机的数据总线的所述数据。
12.一种还原数字式字的返回路径信号的系统，其使用在基带串行光传送的同轴混合光纤有线电视系统中，其中从光纤的光学节点到头端/集线器的返回路径信号通过整个编码被表示为一和零，所述系统包括数字回程接收机和多个应用接收机，该系统的数字返回接收机包括转换/接收装置，它从光纤接收光学一和零的串行流，并将光学数字信号转换成电数字信号；解串装置，它将数字式字和同步信息的串行流解串；数字处理装置，它处理解串的数字式字，以数字式接合到应用接收机；和接口装置，它将处理的并行数字式字连接和发送到多个应用接收机的至少一个。
13.根据权利要求12的系统，其中所述数字处理装置包括消除数字式字的前端模拟阶段的装置；向应用接收机的解调器的数字接收机部分的数据总线直接提供数字式字接口的装置；用等同数字功能代替前端模拟阶段功能的装置。
14.根据权利要求12的系统，，其中所述系统在CATV的头端实现。
15.根据权利要求12的系统，其中所述系统在CATV的集线器实现。
16.根据权利要求12的方法，其中至少一个应用接收机包括带有数字接收机的数字解调器。
17.根据权利要求16的系统，其中如果数字接收机的数据总线字长小于并行字长，则数字滤波器截断最不重要的位数，以连接到至少一个应用接收机。
18.根据权利要求16的系统，其中如果数字接收机的字的大小超过传输链路的大小，则用零填充并行字。
19.根据权利要求12的系统，其中逻辑变换装置连接在至少一个应用接收机和传送链路之间。
20.根据权利要求19的系统，其中所述的逻辑变换装置是应用接收机的部分。
21.根据权利要求20的系统，其中所述的逻辑变换装置是现场可编程门阵列。
22.根据权利要求21的系统，其中在解串装置解串数字式字和同步信息的串行流后，所述现场可编程门阵列处理数据字，并且格式化应用接收机的数据总线的所述数据。
全文摘要
一种使用连接到头端解调器的抽样RF字的数字通信信号的HFC返回路径系统，它提供在等同或较低费用下的较高性能设备，和较灵活和有效连接和业务多路复用。从光纤节点到头端/集线器的返回路径信号表示成一和零，在头端/集线器的数字接收机包括光接收机，它用于接收光学一和零的串行流，并将光学数字信号转换成电数字信号；解串装置，它将数字式字和同步信息的串行流解串成并行数字式字；数字滤波器，它处理解串的数字式字并数字式接合到应用接收机；以及数字接口，用于将处理的并行数字式字连接和发送到应用接收机。
文档编号H04N7/22GK1894969SQ01810606
公开日2007年1月10日 申请日期2001年6月1日 优先权日2001年6月1日
发明者罗伯特L·霍瓦尔德, 埃里克C·梅茨 申请人:通用仪表公司