专利名称：在调制解调器中用于频率调制的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种在信道上传输信息的系统和方法，本发明尤其涉及一种在标准电话信道上传输信息的系统和方法。
使用诸如V.34或V.90或V.92标准协议的现有电话调制解调器仅在高质量的通信线路上提供最大的信息传输速率，其中对于V.34协议，信号功率与噪声功率之比(S/N比值)证实为大于32dB，对于V.90和V.92协议证实为大于52dB。对于质量较差的通信线路，诸如电话线路，标准是信噪(S/N)比约为38-40dB。在这种线路中，仍可获得V.34协议所规定的传输速率，但实际上从没达到过56kbit/s(协议V.90和V.92)的传输速率。在世界上广泛分布的诸如信噪比达到20-25dB的有噪通信线路中，传输速率不超过10-15kbit/s。
本发明的一个目的是提供一种用于传输数据的系统和方法，其中至少能消除上述缺点，且其提供一种在信道上的增强传输能力。
本发明的另一个目的是提供一种使用标准电话线路和现有系统(包括调制解调器，电话，等等)和使用标准通信协议(例如V.34，V.90和V.92)的具有增强传输能力的传输系统和传输方法。
根据本发明的第一个方面，提供一种经由第一个用户和第二个用户之间的信道，以双向信息流信号传输信息的方法，所述信道包括第一部分和第二部分，所述方法包括的步骤为在第一信道部分的第一个用户端，从双向信息流信号中提取由第一个用户传输的信息；用载频f1调制所述提取的信息，以提供调频(FM)信息信号；在第一信道部分的第一个用户端，将所述调频(FM)信息信号混频到所述双向信息流信号中；在第一信道部分的第二个用户端，从所述双向信息流信号中提取传输的调频(FM)信息信号；解调所述传输的提取调频(FM)信息信号，以提供作为由第一个用户传输的信息；在第二信道部分，将由第一个用户传输的信息混频到双向信息流信号中。
根据本发明的第二个方面，提供一种用于经由信道传输信息的系统，包括在第一信道部分的第二个用户端，从双向信息流信号中提取由第二个用户传输的信息；用第二个载频f2调制所述提取的另一信息，以提供调频(FM)信息信号；在所述信道，将所述调频(FM)信息信号混频到所述双向信息流信号中；在第一信道部分的第一个用户端，从双向信息流信号中提取传输的调频(FM)信息信号；解调所述传输的提取调频(FM)信息信号，以提供作为由第二个用户传输的信息；在第一信道部分的第一个用户端，将所述信息混频到双向信息中。
如上所述，本发明涉及电话通信领域，并且允许当使用标准电话装置和调制解调器时，通过增强具有相对低传输能力的那些信道部分的传输能力，而增强使用电话线路的信道的整体传输能力。尤其是，通过增强称为“最后一英里”的信道“末端”部分的传输能力，而增强信道的整体传输能力。
在本方法和系统中，通过采用调频(FM)的方法实现在电话通信线路上的信息传输，其中使用了由位于电话线路各末端的标准用户(电话、调制解调器)传输的作为调制信号的信息，由于这个事实，所述方法和系统在相似的条件下能以较高(与在先的信道相比)的速率实现信息传输。在电话线路的第二个末端，解调所传输的FM信号，并将其发送至第二个用户，其作用为标准自动电话站(ATS)装置，如本地交换机，但这些功能也可由电话、调制解调器等等产生。从第二个用户到第一个用户的信息传输同样地进行。
大多数情况下的标准用户将是现有的标准用户装置。通过在现有第一个用户装置和第二个用户装置附近安装第一和第二设备，本发明因此可保证信道的整体传输速率的增加，该信道包括如由现有标准电话和现有标准ATS形成的现有电话系统。优选地，第一和第二设备装在单独的外壳内，使得在不妨碍(如通过打开盖子)现有用户装置下完成其安装。
为了提供额外的区别，频率调制器的载频优选地选取，使得来自第一个和第二个用户的FM信号的频带不会重叠。
本发明另外的特征、特性和细节将在本发明以下几个优选具体实施例的描述中进行说明。描述参见
图1和图2，图1显示了根据本发明的系统的具体实施例的方框图，图2显示了部分系统的优选具体实施例的方框图，如频率调制器的优选具体实施例。图3显示了根据本发明的系统的一种第一和第二设备优选配置的示意图。
图1显示了通过增强称为“最后一英里”的信道的传输能力，实现增强交换电话信道传输能力的方法的系统。所述“最后一英里”是在用户(使用者)和电话信道的电话站部分之间的电话信道部分。
通常最后一英里为双绞线电话线的形式。如果通信部分长度超过2km，并且采用带宽约为4kHz的信息信号，通常很难，如果不是不可能，在最后一英里内提供52dB的信噪(S/N)比，这是用于获得至少56kbit/s传输速率的最小需求。电话信道的其余部分(主干线、电话站的设备，等等)可具有56kbit/s的传输能力。在标准电话信道上增强总体数据传输能力的任务可以通过充分增强最后一英里的传输能力得以解决。
图3显示了根据本发明的系统和电话线路的典型配置。第一个用户A通过“最后一英里”部分与第一交换机(ATS1)相连，而第二个用户B通过“最后一英里”部分与第二交换机(ATS2)相连。在两个交换机之间存在着另外的信道。根据图3所示的具体实施例，系统包括接入双线电话线断开处的两个第一设备1和两个第二设备2。第一设备1安装在用户A侧和用户B侧，而第二设备2安装在第一ATS处和第二ATS处。
图3显示了根据本发明安装在信道任何一端的第一和第二设备，在另一个优选具体实施例(没有显示)中，设备安装在信道端的其中一端。
在差接变压器1的帮助下，从来自第一个用户侧的双向信息流中提取由第一用户传输的信息。频率调制器2被此信息以载频f1调制。接收到的FM信号在差接变压器3的帮助下被引导(混频)到双绞线电话线路中，作为双向FM信息流10的组分。经过电话线路后，在差接变压器5的帮助下，从FM信息流11中提取来自第一用户的FM信号，且其进入频率解调器6，其中由第一个用户传输的信号以没有(基本上)其结构(频率带宽、调制类型等等)的改变而进行提取。在差接变压器7的帮助下，该信息混频到双向信息流12中，去向第二个用户2的信息输入/输出端。
同样地，由第二个用户传输的信息20在差接变压器7的帮助下进入频率调制器8，在此其调制载频f2。来自频率调制器8输出端的FM信号在差接变压器5的帮助下被引导到电话线路中，作为双向FM信息流11的组分(FM信息流11与以前提到的FM信息流10相同)。经过电话线路后，在差接变压器3的帮助下从FM信息流10中提取来自第二个用户的FM信号，且其进入频率解调器4，其中由第二个用户传输的信号以没有其结构的改变而进行提取。在差接变压器1的帮助下将该信息混频到双向信息流9中，去向第一个用户1的信息输入/输出端。
为了得到56kbit/s速率，需要频率解调器4(或6，取决于传输方向)输出端的S/N比不小于52dB，如其后所解释的。
4kHz带宽的信道中的信息采样能以8kHz的时钟频率进行。结果，为了得到56kbit/s的速率，需要以这种时钟频率一起传输7-位的信息采样。所谓的香农公式显示了对于在连续信道中的信号，可获得的传输速率C的阈值C＝B*log2(Ps+Pn)/Pn其中，B是信道的传输带宽，Ps为信号功率，Pn为噪声功率。
如果表达式C＝B*log2(Ps+Pn)/Pn等于14，那么4kHz带宽时能得到56kbit/s的速率。由此，比值(Ps+Pn)/Pn约等于16000。于是所需信噪比S/N＝10*log10(16000)约等于42dB。实际上，通过采用不同的编码方法可接近这个限制。然而，对于具有实际可接受误差概率的非编码7-位信息的传输，需要更大的信噪比(S/N)。例如为了提供不低于10-5的误差概率，需要不低于52dB的信噪比S/N。
这个需要对相应频率调制器(2或8)输出端的非线性失真度施加了相当严格的要求，该非线性失真度不超过0.03-0.05％(-66--70dB)。根据图2，通过频率调制器2和8的设计可提供这样的非线性失真度。
由用户1(用户2)传输的信息18(20)到达减法单元13的第一个输入端，其第二个输入端提供误差信号22(23)。误差信号22(23)由误差信号形成器16形成。信息18(20)与误差信号22(23)之间的差值用作压控振荡器(VCO)14的调制信号。来自VCO14输出端的FM信号19(21)传输至差接变压器3(5)输入端中的一个，同时传输至辅助频率解调器15的输入端，其优选与给定方向上各自的主解调器6(4)相同。解调器15的输出信号传输至误差信号形成器16的输入端中的一个，信息18(20)由用户1(用户2)传输至该误差信号形成器16的第二个输入端，该信息18(20)途经延迟线17。需要用延迟线来补偿经过调制器14和解调器15的信号延迟。误差信号形成器16输出端的误差信号22(23)形成为解调器15的输出信号和来自延迟线17的信号之间的差值。
与此方向上各自的主解调器相同的解调器6(4)用作此方案中的频率解调器15，由于这个事实，在所提供的方案中频率调制器输出端的非线性失真的补偿证实是可能的。
如果频率解调器4(6)输出端的S/N比等于52-53dB，如图2所示构建的各自的频率调制器2(8)使信噪比变差不超过0.5dB，从提供56kbit/s数据速率的观点来看，这是完全可接受的。
在所提供方法的帮助下，信道传输能力的增强基于这个事实，其为调频(FM)使得频率解调器输出端的S/N比的提高不小于3m2倍，其中m＝ωd/Ωmax-用高频率进行频率调制的指数，
ωd-频率偏移Ωmax-高调制频率在频率解调器的输出端，可观察到S/N比的增益为m超过0.6。如果对于Ωmax/2∏＝3.5kHz取m＝5，在频率解调器输出端，S/N比的增益不会差于18dB。结果，在所描述的系统中，对于协议V.34最大协议速率将维持为在线路上保持S/N比不差于14dB的标准电话信号的带宽，对于协议V.90和V.92在线路上保持S/N比不差于34dB的标准电话信号的带宽。对于这个频率，在电话线路中被FM信号所占据的带宽约等于35kHz。调制指数m增加到10使得增益增加到25dB，FM信号带宽扩展到70kHz。由于频率解调的阈值影响，调制指数的增加受到限制，对于达到一定临界值的FM信号其开始影响S/N的减少。m限制的开始与信道中电话线路的质量变坏同在早期发生。例如，调制指数增加到20使得在解调器输出端的增益增加到30dB，但FM信号在线路中的S/N比在线路中会变差16dB，这样就不允许在线路中使用这样的调制指数，其中电话信号带宽中的S/N比不超过20-22dB。
这样，电话通信中FM信号的应用可通过电话线显著地增强信道的实际传输能力。就这点可证实有可能使用所有现有的协议，而不进行任何改动。
所提供的系统在实施中相对简单，产品造价相对低廉。
表I对于普通电话线，误差概率为10-6的数据传输速率C对电话信道带宽中信号功率与噪声功率的比值(Ps/Pn)的依从关系
表II对于频率调制指数m＝4的增强传输能力的电话线，误差概率为10-6的数据传输速率C对电话信道带宽中信号功率与噪声功率的比值(Ps/Pn)的依从关系
本发明不局限于以上所描述的其优选具体实施例；在可设想到的多种调整的范围内，所要求的权利由下列权利要求进行界定。
权利要求
1.经由第一个用户(A)和第二个用户(B)之间的信道，用双向信息流信号传输信息的方法，所述信道包括第一部分和第二部分，所述方法包括的步骤为在所述第一信道部分的所述第一个用户(A)端，从所述双向信息流信号(9)中提取由所述第一个用户(A)传输的信息(18)；用载频f1调制所述提取信息(18)，以提供调频(FM)信息信号(19)；在所述第一信道部分的所述第一个用户(A)端，将所述调频(FM)信息信号(19)混频到所述双向信息流信号(10)中；在所述第一信道部分的所述第二个用户端，从所述双向信息流信号(10)中提取传输的调频(FM)信息信号；解调所述传输的提取调频(FM)信息信号，以提供作为由所述第一个用户(A)传输的所述信息；在所述第二信道部分，将由所述第一个用户(A)传输的信息混频到所述双向信息流信号(12)中。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括在所述第一信道部分的所述第二个用户(B)端，从双向信息流信号中提取由所述第二个用户(B)传输的信息(20)；用第二个载频f2调制所述提取的另一信息(20)，以提供调频(FM)信息信号(21)；在所述信道中将所述调频(FM)信息信号混频到所述双向信息流信号(21)中；在所述第一信道部分的所述第一用户端，从所述双向信息流信号中提取所述传输的调频(FM)信息信号；解调所述传输的提取调频(FM)信息信号，以提供作为由所述第二个用户传输的所述信息；在所述第一信道部分的所述第一个用户端，将所述信息混频至所述双向信息中。
3.根据权利要求1或2的方法，其中选择所述第一个载频f1和所述第二个载频f2，以避免来自所述第一个用户和所述第二个用户的所述调频信息信号的频带重叠。
4.根据权利要求1、2或3的方法，包括在标准的电话线路上传输所述信息。
5.根据权利要求4的方法，包括在电话和自动电话站(ATS)之间传输所述信息。
6.根据权利要求4的方法，包括在调制解调器和自动电话系统(ATS)之间传输所述信息。
7.根据在先权利要求中的任何一项权利要求的方法，其中所述信道的第一部分具有相对低的传输能力，以及所述信道第二部分具有相对大的传输能力。
8.根据权利要求7的方法，其中所述第一信道部分是电话信道的“最后一英里”。
9.经由第一个用户和第二个用户之间的信道传输信息的方法，所述信道包括具有相对低的传输能力的第一部分和具有相对高的传输能力的第二部分，所述方法包括的步骤为，将第一设备安装在所述第一信道部分的所述第一个用户(A)端，以及将第二设备安装在所述第一信道部分的所述第二个用户(B)端，所述第一和第二设备运行，以执行如在先权利要求中的任一项权利要求所描述的所述提取、调制、解调和混频步骤。
10.根据在先权利要求中的任何一项权利要求的方法，其中所述第一个和/或第二个用户是现有的电话装置或调制解调器装置。
11.经由第一个用户(A)和第二个用户(B)之间的信道，用双向信息流信号传输信息的系统，所述信道包括第一部分和第二部分，所述系统包括安装在所述第一信道部分的所述第一个用户(A)端的第一设备和安装在所述第一信道部分的所述第二个用户(B)端的第二设备，以增强所述信道第一部分的传输能力，所述第一设备包括第一提取器(1)，其用于从所述双向信息流信号(9)中提取由所述第一个用户传输的信息(18)；调制器(2)，其用载频f1调制所述信息(18)以提供调频(FM)信息信号(19)；第一混频器(3)，其在所述第一信道部分的所述第一用户(A)端将所述调频(FM)信息信号(19)引导到所述双向信息流信号(10)中；以及所述第二设备包括第二提取器(5)，其用于在所述第一信道部分的所述第二个用户(B)端，从所述双向信息流信号(10)中提取传输调频(FM)信息信号；解调器(6)，其从所述传输调频(FM)信息信号中解调出由所述第一个用户传输的所述信息；第二混频器(7)，其用于在所述第二信道部分中将由所述第一个用户(A)传输的所述信息引导到所述双向信息流信号(12)中。
12.根据权利要求10的系统，进一步包括安装在所述第一信道部分的所述第二个用户(B)端的第三设备，和安装在所述第一信道的所述第一个用户端的第四设备，所述第三设备包括第三提取器(7)，其用于从来自所述第二个用户的所述双向信息流信号中提取由所述第二个用户(B)传输的另一信息(20)；第二调制器(8)，其用载频f2调制所述的另一信息(20)以提供另一调频(FM)信息信号(21)；第三混频器(5)，其用于将所述另一调频信息信号(21)引导到存在于所述信道内的所述双向信息流信号(11)中；以及所述第四设备包括第四提取器(3)，其从存在于所述第一信道部分的所述双向信息流信号中提取所述传输的另一调频(FM)信息信号；第二解调器(4)，其解调所述调频(FM)信息信号以提供作为由所述第二个用户传输的所述另一信息；第四混频器(1)，其在所述第一信道部分的所述第一个用户(A)端，将由所述第二个用户传输的所述另一信息(9)混频到所述双向信息流信号中。
13.根据权利要求11或12的系统，其中所述信道第一部分具有相对低的传输能力，以及所述信道第二部分具有相对大的传输能力；
14.根据权利要求11或12的系统，其中所述第一提取器(1)和所述第四混频器(1)，所述第一混频器(3)和所述第四提取器(3)，所述第三混频器(5)和所述第二提取器(5)，和/或所述第三提取器(7)和所述第二混频器(7)是组合的。
15.根据权利要求11-14中的任何一项权利要求的系统，其中所述信道是标准的电话线。
16.根据权利要求11-15中的任何一项权利要求的系统，其中所述第一信道部分是电话信道的“最后一英里”部分。
17.根据权利要求11-16中的任何一项权利要求的系统，其中混频器包括安装在所述信道中的差接变压器。
18.根据权利要求9-17中的任何一项权利要求的系统，其中提取器包括安装在所述信道中的差接变压器。
19.根据权利要求9-18中的任何一项权利要求的系统，其中频率调制器包括压控振荡器(14)，其具有输入和输出端；辅助频率解调器(15)，其具有与所述压控振荡器(14)的输出端相连的输入端和输出端；误差信号形成器(16)，其具有与所述辅助频率解调器(15)的输出端相连的第一输入端，与所述提取器(1，7)相连的第二输入端和输出端；减法单元(13)，其具有与所述误差信号形成器(16)输入端相连的第一输入端，和与所述提取器(1，7)相连的第二输入端；其中来源于所述提取器(1，7)由所述第一个或第二个用户传输的信息(18，20)提供给所述减法单元(13)的第二个输入端，误差信号22(23)提供给其第一个输入端，误差信号由所述误差信号形成器(16)形成，为来自所述提取器(1，7)的信息(18，20)和所述辅助频率解调器(15)的输出端信号之间的差值，以及其中所述传输信息18(20)和所述误差信号22(23)之间的所述差值用作所述压控振荡器(14)的调制信号，以及其中所述压控振荡器的输出端19(21)传输至所述混频器3(5)输入端中的一个。
20.根据权利要求19的系统，其中所述辅助解调器(15)与所述解调器(6，4)相同。
21.根据权利要求19或20的系统，其中延迟线提供经过所述调制器(14)和所述解调器(15)的延迟补偿。
22.根据在先权利要求中的任何一项权利要求的系统，其中所述第一和第四设备串联连接至所述电话线路的所述第一个用户端，而所述第二和第三设备串联连接至所述电话线路的所述第二个用户端。
23.根据在先权利要求11-22中的任何一项权利要求的系统，其中所述第一个和/或第二个用户是现有的电话装置或调制解调器装置。
24.根据在先权利要求11-23中的任何一项权利要求的系统，其中所述第二个用户是自动电话站(ATS)。
25.根据在先权利要求1-10中的任何一项权利要求的方法，包括信噪比S/N至少为36dB的情况下以至少56kbit/s的传输速率，信噪比S/N至少为30dB的情况下以至少46kbit/s的传输速率，信噪比S/N至少为25dB的情况下以至少41kbit/s的传输速率，信噪比S/N至少为20dB的情况下以至少37kbit/s的传输速率，和/或信噪比S/N至少为16dB的情况下以至少33kbit/s的传输速率传输信息。
26.根据在先权利要求中的任何一项权利要求的方法或系统，其中所述第一和第二设备装在单独的外壳内。
全文摘要
本发明提供了一种经由信道传输信息的方法，包括步骤为在第一个用户侧从双向信息流信号中提取由第一个用户传输的信息；用载频f
文档编号H04B3/36GK1883174SQ200480034211
公开日2006年12月20日 申请日期2004年10月28日 优先权日2003年10月29日
发明者列奥尼德·勒托诺夫, 弗拉基米尔·莎拉叶斯基, 亚历山大·赫莱霍耶 申请人:纽尔沃泰尔道具公司