专利名称：多通道多进制数字信号的脉冲组持续时间编码及解码方法
技术领域：
本发明涉及数字信号传输领域，具体地说，本发明涉及一种多通道多进制数字信号的 编码传输技术，以及采用该编码技术传输的数字信号的滤波和解码技术。
背景技术：
非对称数字用户线(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL)作为当代重要的宽带技 术之一，在国内外已经开展了广泛的应用。ADSL技术采用电话电缆为传输介质，在未来将 与光纤通信、无线通信、电视电缆通信等技术长期同时存在。
当前的ADSL采用离散多音(Discrete Multitone， DMT)为其核心技术。DMT得到美 国国家标准研究所(ANSI, American National Standards Institute),欧洲电信标准研究所(ETSI, European Telecommunications Standards Institute)，禾口国际电信联合会(ITU， International Telecommunications Union)的接受，国际和国内重要的通信设备制造商纷纷采用DMT标准 开发和生产ADSL产品。
按照DMT的ANSI T1.413标准，将整个频带划分为256个子频道，每个子频道的带宽 是4kHz，每个子频道最高的数字传输速率是60 kpbs，在信噪比较好的线路上，每个子频道 通常的传输速率是40kpbs，当线路信噪比差时，每个子频道的传输速率大约为16kpbs，甚 至更低。通常传输线路长度在2km以内时可以达到较高速率，线路长度超过2km时传输速 率下降很多，在线路长度超过6km时不能正常传输信息。
2006年7月中国国家知识产权局授予了《二进制数字信号的编码方法及其信号传输方 法和电路》的发明专利权(专利号ZL03149904X)，上述发明专利公开了一种称为脉冲组 持续时间(PGD)编码的数字编码及解码传输技术，表现出在传输距离和速率上对于当前相 关技术的改进。该发明专利公开的是一种单通道二进制的数字传输技术。
发明内容
本发明在发明专利《二进制数字信号的编妈方法及其，f言号传输^^^和1^路》(专利号 ZL03149卯4X)的基础上，提供一种多通道多进制数字编码传输技术，同时提供相应的信号 滤波技术和解码技术。
在发明专利ZL03149卯4X中公开了一种二进制数字的编码方法，该编码方法将二进制 数字信号对应为一个脉冲组序列，其中二进制数字信号中的"0"和"1"分别对应于两个具 有不同特征频率且具有固定脉冲数的脉冲组，所述两个脉冲组包含有至少为2的相同的固定 脉冲W。该编码方法称为脉冲组持续时间(PGD)编码。
为了提高数字传输速率，本专利提供了在信号传输介质的工作频率范围内采用多个子 通道同时传输多进制数的PGD编码方法，多进制PGD编码方法与发明专利ZL03149904X 提供的二进制PGD编码方法类似。在一个子通道内进行M进制PGD编码，首先要在该子
通道中心频率/ e附近选取M个特征频率/ 、/ ， 、 / 2…分别对应于一位M进制数
字"0" 、 "1" 、 "2" ... "M-1",然后将编码的M进制数对应为一个具有与该数字相 对应的特征频率并且具有固定脉冲数的脉冲组，所述脉冲组的固定脉冲数JV至少为两个。 这样， 一个M进制数就对应为一个具有相应的特征频率并且具有固定脉冲数的脉冲组，一 个M进制数的序列就对应为一个上述的脉冲组序列。上述编码方法称为多进制脉冲组持续 时间编码(MPGD)。
为了进行多通道数据传输，需要对传输介质的工作频率范围进行正确的子通道划分，各 个子通道在同时进行数据传输时应避免子通道信号之间的相互信号干扰，为此需要知道传输 信号的频带宽度。根据发明专利(专利号ZL03149904X)所公开的脉冲组持续时间编码方 法，二进制PGD编码信号可以用下述数学公式表示
<formula>complex formula see original document page 5</formula>。是被传输的二进制数为"0"时PGD编码的工作频率;
1=2;ry;， y;是被传输的二进制数为"r'时PGD编码的工作频率;
"n是fl。的反码；
a"=l, 5 =0 (概率为尸)；a =0， ； =1 (概率为l-尸)；
r = ￡("7。是第"次pgd编码的起始时间;
g。(^是单个矩形脉冲的时间函数，其脉冲宽度为7;=^， 7;是被传输数为"o"时
的编码时间；
^(0是单个矩形脉冲的时间函数，其脉冲宽度为？;=^， ^是被传输数为"r'时
的编码时间；
w是pgd编码脉冲组所包含的固定脉冲数。 上述数学表示说明二进制pgd信号与通常的fsk信号类似，只是被传输的二进制数为
"o"时编码时间为7;=，，被传输的二进制数为"r时编码时间为7;=*，这是pgd
编码方法的特点。通常fsk在传输二进制数"0"和"1"时所用的编码时间是相同的，并
且没有规定所用的编码时间是单个载波周期的整数倍。
pgd —般采用相互接近的特征频率，这时|乂—/Q|《/ ，因此r。 《 ;，类似于fsk
的窄带传输，由此可以推导出pgd编码信号的带宽^^d近似为两倍基带信号带宽b:
5， 《 25 (2)
通常被传输的二进制数是不确定的，数字"o"和"1"交替发生是基带信号带宽最宽的
情况，同时假定7; 7;，这时的基带信号的带宽为5=1=^,因此，pgd编码信号的
带宽可以用如下公式表示
"尸gd w "^" (3)
二进制PGD编码的数据传输率i = A ，因此，
&GD 2i (4)
传输mpgd编码信号时，被传输的数同样是不确定的，在m进制数的最小数字"0" 和最大数字"m-1"交替传输的特殊情况下，基带信号带宽最宽。通常mpgd采用窄带
传输，对应于似进制数的M个特征频率相互非赏接近，在1W啬况:F，在t个吁通道内MPGD 编码信号的带宽与二进制PGD编码信号的带魂湘似，可映用下述公式表示.
(5)
这里，7V是脉冲组的固定脉冲数，厶e是子通道中心频率。B^⑩是MPGD编码信号的
带宽。公式(5)说明MPGD编码信号的带宽与子通道中心频率成正比例，子通道中心频率
/^越高，编码信号的带宽越宽。同时编码信号的带宽与脉冲组固定脉冲数iV成反比例，选
定的脉冲组固定脉冲数iV越大则编码信号的带宽越窄，选定小的脉冲组固定脉冲数W则编 码信号的带宽会加宽。
5^③是在传输介质工作频率范围内进行子通道划分依据的重要参数。采用MPGD编码 传输数字信号的传输速率为
可以看到釆用MPGD编码信号的传输速率比二进制PGD编码的传输速率提高了 bg2M倍。
本发明还提供了一种对应于上述多进制脉冲组持续时间编码方法的解码方法。对于一个 经过MPGD编码的脉冲组序列，按照固定脉冲数将脉冲组序列分割为脉冲组的集合，测量 所述集合中每个脉冲组的持续时间，根据所述脉冲组持续时间的差别判定脉冲组的特征工作 频率，根据其脉冲组的特征工作频率将该脉冲组对应回原来编码的多进制数。所述的持续时 间为所述脉冲组中全部脉冲的周期的累积时间，或者为脉冲组中特定的部分脉冲周期的累积 时间。
为了能够正确的接收多个子通道同时传输的MPGD编码数据，需要对每个子通道信号 进行带通滤波，将该子通道的MPGD编码信号与其他通道的编码信号区分开来，这样才能 够进行有效的MPGD信号解码。本专利提供了多级RLC滤波电路，实现了对子通道信号进 行有效的带通滤波。所述每一级的RLC滤波电路可以是RLC并联电路，也可以是RLC串 联电路，在选取所述的RLC电路的参数时，使其谐振频率与MPGD编码的中心频率具有一
定的频率偏移A/，将A/选取在接收信号频率特性曲线的直线部分，由于信号频率特性曲
线是相对于中心频率对称的，因此A/可以是正偏移也可以是负偏移，经过上述多级RLC 电路的滤波，接收信号的频率变化呈现出与编码信号相对应的关系，测量该信号每个脉冲的
工作周期，并对于每个脉冲组的iV个脉冲的工M乍周鄉进,^^J，邸可45W悬到该脉冲组 脉冲的平均周期，由此可以推算出该脉冲组时特征频率和脉沖^5的持续时f司，嚇该脉冲组的 持续时间对应为MPGD编码的多进制数，即达到了信号解码的目的。我们称上述的子通道 滤波和解码的方法为《谐振频率偏移滤波解码》方法。
本发明提供了将上述RLC滤波电路数字化的方法,对所述RLC滤波电路进行数学模拟， 计算出随输入量变化的输出量，使用上述计数学计算结果进行计算机编程，即实现了 RLC 滤波电路数字化。经过数字化以后的RLC滤波电路与模拟的RLC滤波电路对于输入信号具 有相同的滤波作用，不同之处在于模拟的RLC滤波电路处理模拟的输入信号,而数字化RLC 滤波电路处理的是经过数字化的输入信号。
前述一个M进制数序列可以用一个脉冲组序列来表示，如果相邻近的脉冲组表示不同 的多进制数，它们相应的特征频率会互不相同，在两个脉冲组交界处的脉冲难于出现特征频 率的突变，脉冲组的特征频率变化需要一个过渡时间，为了准确的测量脉冲组的特征频率， 可以舍弃脉冲组与前后脉冲组交界处的各一个或几个脉冲，仅测量脉冲组中间部分各个脉冲 的周期，然后进行算术平均可以得到该脉冲组各个脉冲的平均周期，由此可以推算出该脉冲 组的特征频率和脉冲组的持续时间，将该脉冲组的持续时间对应为MPGD编码的多进制数， 可以更准确的达到了信号解码的目的。
前述MPGD编码信号的带宽B^③是对传输介质工作频率范围进行子通道划分的重要
参数。注意到 5Mpe/)3,， 5^③与厶e成正比例，不同的子通道有不同的带宽，同 时Aff③与W成反比例，W的数值越大，子通道的带宽越窄，MPGD编码信号的频带划分
不能按照简单的等分划分。本发明提供一种多通道频带划分的方法。考虑到经过滤波以后的 信号频率特性的改善，同时利用前述的《谐振频率偏移滤波解码》方法中滤波电路谐振频率 偏离编码中心频率的特点，可以使两个相邻近子通道在带宽上可以有一定的相互重叠，对于 相邻近的两个子通道，分别采用电路谐振频率对于编码中心特征频率的正偏移和负偏移，使 得滤波电路的谐振频率处于邻近子通道的带宽之外，这样两个子通道带宽上的重叠不会引起 信号的相互干扰，在进行有效的编码信号滤波和解码的同时，可以在传输介质工作频率范围 内划分出较多的子通道，从而提高总的传输速率。
图1:多通道多进制MPGD编码传输及多il货数字滤^&解碣系统框园；
图2:多通道MPGD数字传输频道划分示例。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细描述。
多通道多进制MPGD编码传输及相应的数字滤波和解码系统的工作过程参看图1。被 传输的二进制数首先要根据数据传输协议进行数据打包和通道分配，经过打包和通道分配的 数据按照各子通道选定的频率分别进行多进制的MPGD编码，编码后的各个子通道数据相 加后经过D/A转换成为模拟信号，该模拟信号通过驱动送入传输介质。在数据接收方，由 传输介质传来的信号根据上行或下行信号进行分频滤波和信号放大，并通过A/D转换成为 数字信号，对该数字信号进行分通道的数字滤波，各个子通道分别对滤波后的信号进行 MPGD解码，最后对所有子通道的数据进行解包和重新装配，得到接收数据。
在一个中心频率为/"e的子通道内进行4进制PGD编码，首先要在该子通道中心频率fe
附近选取4个特征频率fn0。 、 fn1 、 fn2、fn3分别对应于一位4进制数字"0"或"1" 、 "2"、
"3"，然后将进行编码的4进制数对应为一个具有与该数字相对应的特征频率并且具有固 定脉冲数的脉冲组。这样， 一个4进制数就对应为一个具有相应的特征频率并且具有固定脉 冲数的脉冲组， 一个4进制数的序列就对应于一个上述脉冲组的序列。
多通道MPGD数字传输子通道划分的方法请参看图2。图2中选择了脉冲组的固定脉 冲数iV为8，在给定的频率范围内(1100kHz到2000kHz)划分了4个子通道，4个子通道
分的中心频率分别为f1c、f2c ，f3c、 f4c，子通道的划分首先是要确定最高端子频道的中
心频率，图2.示例中首先要选定_4 ，然后选取第i个子通道的滤波电路的谐振频率f1d ，本
发明书前述了 RLC滤波电路的谐振频率选择在频率特性曲线两侧的直线部分，在此例中选 择f1d> d1c 。第2个子通道的中心频率/2￡的选择应使得第2个子通道的带宽的最高端频率
低于f1d，这样可以避免第2个子通道信号对于第1个子通道信号的干扰，同时选择
f2d< f2c ,在前次选择f2c的基础上再次调整第2个子通道的中心频率f2c以及相应的滤波
电路的谐振频率f2d，使得第1个子通道的带宽的低端频率高于f2d,避免第1个子通道信号对于第2个子通道信号的干扰。这样,第l縛'2吁通道的带宽就可a有"定的重叠，但 是这样的带宽重叠不会造成上述两个子通道為g之拘的賴互午觀。从图&^映看到第2和3 子通道的距离相对要宽一些，这是因为选择了 /2rf </2￡，同时又选择了/^ >/3e,第3个
子通道的中心频率/^的选择应使得第3个子通道的带宽的最高端频率低于/2(/，调整第3
个子通道的中心频率/3e ，使得第2个子通道的带宽的低端频率高于/3(/,避免第2个子通道
信号对于第3个子通道信号的干扰。按照上述方法同样可以确定第4个子通道的中心频率
/4￡和滤波电路的谐振频率/4(/。这样就确定了 4个子频道的中心频率。在图中1100kHz以
下的频率范围还可以按照上述方法继续划分更多的子频道。选取较大的M进制数进行数字 传输，可以得到较高的传输速率，但是会在实际传输过程中增加解码的难度。选取较大的脉 冲组固定脉冲数W，可以减少每个子通道的带宽，在同样的频率范围内划分出更多的子通 道，但是每个子通道的速率却要按比例减小，因此在实际通道划分的过程中可以权衡上述参 数的选择。
权利要求
1、一种多进制数字信号的编码方法，对于M进制数字，首先要在数字传输通道中心频率附近选取M个特征频率f0、f1、f2...fM-1，使之分别对应于一位M进制数字“0”、“1”、“2”...“M-1”，然后将编码的M进制数对应为一个具有与该数字相对应的特征频率并且具有固定脉冲数的脉冲组，所述脉冲组的固定脉冲数N至少为两个。这样，一个M进制数就对应为一个具有相应的特征频率并且具有固定脉冲数的脉冲组，一个M进制数的序列就对应为一个上述的脉冲组的序列。
2、 一种将权利要求1所述方法编码的数字信号通过多个通道同时传输的方法，其特征在于 将传输介质的工作频率范围划分为多个子通道，各个子通道具有不同的通道中心频率， 在每通道中心频率附近分别选取多个特征频率使之分别对应于多进制的各个数字，然后 将编码的多进制数对应为一个具有与该数字相对应的特征频率并且具有固定脉冲数的 脉冲组。这样，在各个子通道内的多进制数分别对应为具有相应的特征频率并且具有各 自的固定脉冲数的脉冲组，在各个子通道内的多进制数的序列就对应为相应的脉冲组的 序列，将上述所有子通道的脉冲组信号进行迭加以后发送到传输介质，进行多个子通道 多进制数的同时传输。所述多个子通道可以分别传输不同的多进制数，所述多个子通道 可以分别选定不同的脉冲组固定脉冲数。
3、 一种对权利要求2传输的多个通道信号进行指定子通道带通滤波的方法，其特征在于釆 用RLC电路进行多级谐振滤波，所述的RLC电路的谐振频率与该子通道的中心频率具 有一定的频率偏移，所述频率偏移选取在接收信号频率特性曲线的直线部分，由于信号 频率特性曲线是相对于中心频率对称的，因此频率偏移可以是正偏移也可以是负偏移， 经过上述RLC电路的滤波，所述接收信号的频率变化呈现出与编码信号相对应的关系。
4、 一种将权利要求3中使用的RLC电路数字化的方法，其特征在于该数字化以后的滤波 电路对于多通道信号的滤波作用与模拟的RLC电路的滤波作用相同。
5、 一种对于权力要求3对指定子通道带通滤波以后的信号进行对应于权力要求1的多进制 编码信号的解码方法，其特征在于对于指定子通道带通滤波以后的信号按照固定脉冲数 对脉冲组序列进行脉冲组的分割，得到脉冲组的集合，根据所述脉冲组具有相同的脉冲 个数和不同的脉冲频率进行脉冲组持续时间的测量，将所测量的脉冲组持续时间按照它 们差异分为多个不同的脉冲组持续时间，将上述多个不同的脉冲组持续时间分别对应为多进制数。
6、 根据权利要求5所述的解码方法，其特征在于所述脉冲组持续时间为脉冲组中全部脉冲 的周期的累加时间，或者为所述脉冲组中特定部分脉冲的周期的累加时间。
7、 一种多通道频带划分的方法，其特征在于利用权利要求3中滤波电路谐振频率偏离编码 中心频率的特点，使两个相邻近子通道在带宽上可以有一定的相互重叠，对于相邻近的 两个子通道，采用电路谐振频率对于编码中心特征频率的正偏移和负偏移，使得滤波电 路谐振频率处于邻近子通道的带宽之外，这样两个子通道带宽上的重叠不会引起信号的相互干扰，在进行有效的编码信号滤波和解码的同时提高总的传输速率。
全文摘要
本发明公开了一种多通道多进制数字信号的编码及解码技术。该技术在单通道二进制数字信号脉冲组持续时间编码方法专利技术的基础上，提供了多通道传输信道划分和多进制数字编码的技术，同时提供了相应的信号滤波和解码技术。该编码方法表现出在数字传输距离和速率两个方面对于当前相关技术的改进。本发明可用于电话电缆和其他介质传输数字信号。
文档编号H04L1/00GK101345529SQ20071011864
公开日2009年1月14日 申请日期2007年7月11日 优先权日2007年7月11日
发明者杨章远, 力 郭 申请人:中国科学院过程工程研究所