CN1263652A - 用于测量电话线路上回波参数的方法和设备 - Google Patents

Abstract

测试信号注入到线路(L)上,并检测因回波效应由线路本身产生的相应返回信号。使用具有双凸状包络的信号作为测试信号,并且该信号最好开始于用第二正弦波调幅的具有第一给定频率的第一正弦波,该第二正弦波具有低于所述第一给定频率的第二给定频率。

Description

用于测量电话线路上回波 参数的方法和设备

本发明涉及测量电话线上回波参数的问题。回波现象，尤其对说话者的回波，可以发生在例如当连接两个用户的电话线超过一定长度的时候。这种现象导致了通信质量的降低，这种降低随着回波的返回时间和电平的增加变得越来越难以忍受。由于这个原因，数年来，回波抑制器的使用，尤其在卫星连接方面的使用，逐渐变得普及起来，并且，最后国际标准化组织对它作了规定。为了正确地工作，这些回波抑制器必须知道待对照的负面现象的特性参数，并且回波特性的测量越精确和越准确，这种抑制作用就越有效。

为此目的，在现有技术中，测量注入到线路中的测试信号的往返传播时间和残余电平是众所周知的。

如果发射信道是理想的，即具有无限宽频带和没有噪声，那么，从被接收回波中辨认要提取的最重要信息-例如回波与发送到线路上的测试信号(或激励信号)之间的时间间隔-的问题将容易得到解决。实际上，在这样的情况下，所有需要做的事情是确定被接收回波相对于发送到线路上的激励信号到达其峰值的时刻。无限宽频带，或至少非常宽频带的可用性也将允许赋予(confer to)测试信号以脉冲(impulsive)信号的特性，具有非常陡的波前，及随之而来的以高精度测量基本上相同的返回信号的到达时刻的可能性。

在电话信道(即其频带大体上限制在从300至3400Hz的信道)上工作的需要使测量变得更加关键，并且考虑到线路受噪声的影响这一事实，致使经常发生回波和高电平背景噪声同时出现。

经常被采用来测量电话线路上的回波参数的解决方案是使用在一定时间间隔注入列线路中然后停止的正弦波信号作为测试信号，然后，将回波的测量结果与测试信号停止那一时刻与在线路上检测到的相应返回信号停止那一时刻之间所经历的时间间隔的持续时间的测量结果相比较。

由于下列几方面原因，这种解决方案发现是不能令人满意的。

首先，前面所述的时间间隔的持续时间不但由回波现象来确定，而且由信号沿着线路的传播效应引起的测试信号的畸变(从持续时间的延长这个意义上来说，是由于处理窄的带宽的信道)来确定。

在这样的解决方案中使用的测试信号可以看作是正弦波和其持续时间与测试信号开始被注入到线路之中的时刻与该信号中断的时刻之间的时间间隔相等的矩形窗的乘积。

为了限制源自信号波前的谐波成分，该窗的宽度最好必须是正弦波的半周期的倍数，并且与正弦波保持同相。真实电话信道对这样的激励信号的响应包括一串由信道效应引起畸变的、并且以一种偏置(接收信号相对于理想垂直幅值大小的偏移)的形式出现的正弦波。这种可以归因于电话信道上典型的、频率低于大约300Hz的低频截止的现象使得正确地检测返回信号的跃变(transition)变得甚至更为关键。前述的现象可以得到恢复，但是，相关的恢复时间常数相对于所要求的正常测量时间太长以致难以进行有效的干预。在这一点上，值得提醒的是，对于地面电话连接来说，传播延迟(事实上，这是识别回波现象的量值)通常不超过30ms，但如果连接包含了卫星链路，那么为大约260ms(单向延迟，因此，信号的往返传播延迟为大约520ms)。

因此，考虑到如下的要求，需要提供允许以精确和准确的方式测量出现在电话线路上的回波的解决方案：

-为了避免上面提及的信号变动现象，测试信号必须具有与电话信道的模板(template)相适应的有限频带占用；

-为了即使是用测试信号和返回信号之间没有重叠的减小的持续时间也能识别回波时间，测试信号必须具有有限的持续时间；

-必须获得可接收幅度的回波信号，以便能由此测量其电平(指测试信号的电平，它最好应该出现一个最大值电平)，以便清楚地识别噪声电平之上的回波信号。

本发明的目的是提供能够以良好的方式满足上面提及的要求，尤其满足上面所述的前面两点的要求的解决方案，事实上这两点是相互对照的。

根据本发明，由于具有在其后的权利要求书中所述的特征的方法，这样的目的是能达到的。本发明还涉及相关的设备。

以下，将结合附图，通过非限定性实例对本发明进行描述，其中附图包括：

图1示意性显示了根据用来测量电话线路上回波参数的本发明的设备的可能连接布局；

图2显示了根据本发明的可使用测试信号的典型波形图；

图3和图4以方块图的形式显示了根据本发明的设备的各个组成部分；知

图5显示了在图4所示的设备部分中产生的一些信号的典型波形图，图5包括两个分别由5A和5B表示的重叠图。

在图1中，参考标号1整体表示用来测量电话线路上回波的设备。根据本发明的一个可能实施例，设备1可以与通过所谓的输出端口B连接在电话线路L上的、并受回波现象影响的电话终端T相联系，回波现象的特性，特别地是回波返回时间和强度有待测量。设备1通常还装有用来显示测量结果的单元2，以及，例如，用来连接到诸如用于数据获取和/或用于设备控制的处理单元(典型地是一台个人计算机)的接口模块3。

根据本发明的设备1适合于插在终端T和与其相关的听筒T1之间。

当然，这样的一种连接布局只用作实例来解释。它对应于这种一种条件，其中根据本发明的设备1能容易地与任何类型的电话终端相配接(interface)，而不管其与各种交换机的连接类型，所述的配接是通过切断手机和电话终端之间的连接来完成的。图1所示的解决方案适合于通常通过利用与正常安装在终端上的线路相同的第二线路来付诸实施。

尽管以下这一点(这与对本发明的理解并不实际相关)将不再明确地提及，但设备1能够以甚至完全不同于上面所述的方式的方式相连接。例如，它可以通过声音耦合器与手机T1的麦克风(测试信号的注入端)和耳机(回波信号的接收端)相连接，从而允许在其中与手机T1和终端T相连的电缆(电线)不能轻易被去除的传统电话接收机上进行“现场”干预，和/或根据ITU-T推荐标准利用麦克风上的声压进行测量。在任何情况下，根据本发明的解决方案都适合于使用在交换机层次上，或者移动无线电系统的基站层次上，在这种情况下允许与通常位于其中的回波抑制器直接合并。还应该说明的是，根据本发明的解决方案适合于无差别地应用在传统模拟网络(PSTN，或公共电话交换网)上或在数字网络(ISDN，或称综合业务数字网)上。

图2所示的示意图显示了在适合于用作根据本发明的解决方案中的测试信号的信号在时间上的典型波形图。

一般来说，这样的一种信号可以被确定为具有双凸状(lenticular)(或眼状)包络线的特征，这种双凸状包络线一般可以根据如下类型的关系式来表达；

x(t)＝sin(ω_pt)·(ω_mt)·u(t)·u(t-a)   (1)

因此，在所显示的实施例中，这样的一种信号是具有第一频率(f_p＝ω_p/π)的正弦波信号，这个正弦波信号由具有低于第一频率的第二频率(f_m＝ω_m/2π)的正弦波来调制，并具有其半周期时间等于用作窗的矩形信号u(t)·u(t-a)(这里u(t)表示具有单位幅值的阶跃函数)的持续时间，以赋予信号x(t)具有持续时间为a的脉冲信号的特征。

这个信号呈现出对称的双凸状包络线，但是，仅由本实例显示在这里的这样的波形图并不能解释为将本发明限制在此范围之内。本发明还可以通过使用具有非对称双凸状包络线，例如，向上和向下跃变是不对称的包络线，的信号，或其中调幅的正弦波具有可变的频率(例如，渐减的频率或渐增的频率，即带有通常称之为“啾声(chirp)”这种类型的波形)的信号来实施。

作为参考，列目前为止由本申请人完成的测试已经证明，值ω_p和ω_m的选择分别对应于大约2kHz(高频，调幅正弦波角频率)和125Hz(调制正弦波，具有较低频率)的频率，以及相应选择矩形信号或高的时间持续长度等于大约4ms是尤为有利的。

在任何情况下，前面所述的数值都可以根据具体的应用要求改变，甚至变化很大。

当在频域内观测激励信号时，图2所示的激励信号呈现出其频率占用大致等于带有整个矩形包络线的信号的频率占用的一半的主瓣。

导致前述双凸状波形的幅度调制也许使得能够在激励信号和返回信号中识别出包络线的局部极大值，这允许精确地测量两个信号之间的时间距离，甚至在两个信号出现部分重叠的情况下也是如此。

同时，值得注意的是，象上面所述的激励信号的使用使得能够获得带有可接受的峰值幅度的短回波，因而能清楚地与背景噪声区分开，而不导致不希望有的信道饱和现象。

图3中的方块图显示了用于生成和在线路L上注入的如图2所示的信号那样的激励信号的设备1的部分的可能结构图。

在此图中，参考标号10表示用来生成被调制正弦波(具有较高频率ω_p＝2πf_p，即第一频率的正弦波)并且配备有输入端口10′的发生器(振荡器)，调制正弦波(具有较低频率ω_m＝2πf_m，即第二频率的正弦波)通过另一个振荡器电路11施加到输入端口10′中。

标号10所指的方块能够通过任何商用类型的、可以是调幅的集成电路函数发生器容易地获得。这种可能的选择提供了额外的优点，即在这种电路中，包含在调制正弦波的半周期之中的被调制正弦波的周期数(即包含在每个激励脉冲之中的被调制正弦波的周期数)简单地通过改变来自电路11的调制信号的幅度来获得，因此使得计数器的使用变得实际上是多余的，尽管这样的计数器可以配备在其它可能的实施例之中。

信号输出振荡器10连接到乘法节点12上，乘法节点12在另一输入端口上接收矩形窗信号，这个矩形窗信号确定激励信号的持续时间。在所示的实施例中，这个信号作为JK触发器电路13的输出产生，JK触发器电路13的两个输入分别是：

-由振荡器11产生的被调制正弦波信号，它在分频器14中频率被除以2和使之通过一可编程除法器15，其用来简单地允许有选择地改变相关信号的占空比(duty cycle)。因而有选择地改变激励信号的重复率，例如：100ms(在地面电话连接中对回波特性足够的持续时间)甚至更大(例如，当在连接之中涉及卫星链路时)，和

-从振荡器10引出的并使之通过限幅(clipping)电路16的相同信号。

正如后面将要更详细说明的，在用于返回信号提取的设备部分中方块13和15的输出信号也被输送到方块26中(图4)。

在通过阻抗适配器17注入到线路L上之前，为了让发送到线路上的信号回到选择性确定的电平(例如：-12.8dBm)上，还要使在乘法节点12中产生的信号通过放大器18或等效的增益调整电路。

而图4中的方块图显示了来自线路L的返回信号通过其中的电路单元的级联。

检测给定返回信号的到达时刻的最常用技术之一(在与这里所考虑的领域截然不同的领域中也被采用的技术，例如雷达或声纳技术)包括使用由其到达时刻待确定的信号来启动的阈值检测器。

当使用正弦波信号时，这种类型的检测可能因由下列事实产生不精确性：运个事实是指，在被接收信号中的相邻峰之间幅值的差异，即使非常小，也能引起所确定到达时刻的时间偏移。这是因为阈值比较器可能在错误的周期内被触发。这种不确定性很明显与激励信号的周期相关联，因此，不确定性越小，就能确定越靠近的相邻峰。在任何情况下，噪声状况，尤其当信噪比为大约或低于10dB时，都能在实际上使测量变得非常关键(critical)。

适合于消除这个缺点的，也属本发明的范围之内的解决方案是对返回信号作数字处理技术(也称作DSP(数字信号处理))处理，例如，在被接收信号和各种取样信号之间进行自相关计算。然而，就所要求的时间和硬件而论，这些解决方案可能是麻烦的工作。

由于这个原因，此时优选的本发明的实施例似乎应该采纳图4中所示意的解决方案，它呈现了结构极为简单的优点，并且从电路这方面来看亦是如此。

在这个解决方案中，从线路L中提取的返回信号(通常从不包括在电路之中的耳机电路中提取)通常在电路20中得到调整(例如，通过使用与允许使经放大的输入信号失衡的发生器的线圈相类似的线圈的方法)，随后经由带通滤波器21滤波。这个带通滤波器21可以是，例如，调谐在大约2kHz(其值大约对应于传统电话信道的中心频率)的第一级滤波器，其主要用于降低信号的噪声成分的滤波作用可通过进一步的滤波来改善，该进一步滤波在带有附加可调谐滤波器的22中进行，该可调谐滤波器也调谐在或大约在第一滤波器21的中心频率上。

经如此处理的信号馈入到最好是全波整流器的整流器23中，它允许恢复被接收信号的大部分能量，并还可能将随后的低通滤波器24的时间常数值减半。后者提取随后一定被发送到限幅电路25中的返回信号的包络线。

需指出，全波整流器固有地执行倍频(frequency duplication)功能，其结果使返回信号的上升沿变得更陡，因而作为限幅作用的结果在时间上能够被更清晰地甄别出来。

在各种解决方案中，根据本发明的解决方案呈现出如下有益的特征：它使回波信号的返回时间的测量回到返回信号的上升沿(尤其是包络线的上升沿)的时间位置的测量，并由此消除在测试信号在信道上传播的过程中可能经受的时间拉长效应。

图5A中的示意图显示了与激励信号的发射相对应的信号S(实际上信号S可以被看作图3中的触发器13的输出信号)和另一个基本上与限幅电路25的输出信号相对应的，用R标示的信号二者之间的典型的可能的相对时间位置，从而获得作为在被接收返回信号的包络线上进行限幅操作的结果的信号。前述的两个信号被输送到其操作由图5B中的示意图示意地显示出来的计数和测量电路26的输入端。

电路26通常由计数开始于信号S的上升沿和终止于信号R的上升沿的计数器构成。

计数持续时间(事实上指被计数的值，由图5B中的信号示意地表示出来)对应于待确定的回波的返回时间。从数据获取的观点来看，被测量值可以通过使用在本发明的详细说明书的开始部分所描述的单元2和3被外在地表示出来和/或被收集起来。然后，计数器26由复位信号K复位，开始新的计数，其中复位信号K是通过用来控制激励脉冲的重复周期并由此控制测量循环的重复周期的可编程除法器15来获得的。

回波信号的其它参数，例如，回波信号的电平的测量是根据已知的规范和利用已知的电路部件来处理的，在此省略对其的详细说明。

当然，除了让本发明的原理保持不变之外，可以参照这里所说明的和所显示的对本发明的结构细节和实施例作广泛的改变，而并不偏离本发明的范围。例如，如果设备与能够接收关于线路特性的信息的控制处理单元相连接，则根据所述的特征，通过作用在例如图3中所示的生成链(例如，10到16)的各种单元上，可以使激励信号变得合乎需要。

Claims (24)

1.一种测量电话线路上回波参数的方法，包括将测试信号注入到线路(L)上并检测因回波效应由线路(L)本身产生的相应返回信号的操作，其特征在于，使用带有双凸状包络线的信号作为测试信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试信号是从具有第一给定频率(ω_p)的第一正弦波开始产生的，该第一正弦波的幅度由具有低于所述第一给定频率(ω_p)的第二给定频率(ω_m)的第二正弦波进行调制。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测试信号是一个其持续时间(a)与所述第二正弦波的周期相关联的脉冲信号。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述持续时间(a)等于所述第二正弦波的周期的一半。

5.如权利要求2至4的任何之一所述的方法，其特征在于，所述测试信号x(t)可以用以下形式表达出来：

x(t)＝sin(ω_pt)·(ω_mt)·u(t)·u(t-a)

这里：ω_p是所述第一给定频率，ω_m是所述第二给定频率和u(t)是单位阶跃函数。

6.如前面权利要求的任何之一所述的方法，其特征在于，该方法包括通过检测所述返回信号的包络线的上升沿来确定所述返回信号的返回时刻的操作。

7.如权利要求1或权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法包括全波整流所述返回信号的操作。

8.如权利要求1至7的任何之一所述的方法，其特征在于，该方法包括以自适应方式选择性地改变所述测试信号的操作。

9.一种用于测量电话线路上回波参数的设备，包括用来将测试信号注入到线路(L)上的装置(17、18)以及用来检测因回波效应由线路(L)本身产生的相应返回信号的装置(20至26)，其特征在于，该设备包括被配置成产生作为测试信号的、具有双凸状包络线的信号的信号产生装置(10至16)。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，用来产生测试信号的所述装置包括：

-用来以第一给定频率(ω_p)产生第一正弦波的第一发生器(10)，

-用来以低于所述第一频率的第二给定频率(ω_m)产生第二正弦波的第二发生器(11)，和

-用来用所述第二正弦波调幅所述第一正弦波的调制装置(10)。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，用来产生测试信号的所述装置包括用来产生窗信号的装置(13至16)，以及用来将所述窗信号施加到所述测试信号上以给测试信号本身赋予与所述第二正弦波的周期相关的持续时间(a)的脉冲信号的特性的装置(12)。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，用来产生窗信号的所述装置包括赋予所述窗信号与所述第二正弦波的半周期相等的持续时间(a)的除法器单元(14)。

13.如权利要求11或权利要求12所述的设备，其特征在于，用来产生窗信号的所述装置包括控制所述测试信号的重复率的控制电路(15)。

14.如权利要求9至13的任何之一所述的设备，其特征在于，该设备包括响应于所述返回信号并被配置成检测返回信号本身的包络线的上升沿的接收装置(20至26)。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述接收装置(20至26)包括作用在所述返回信号上的整流器电路(23)，最好是全波整流器。

16.如权利要求14或权利要求15所述的设备，其特征在于，所述接收装置(20至26)包括降低所述返回信号的噪声成分的滤波器装置(21，22)。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述滤波器装置(21，22)包括以级联方式排列的第一滤波器(21)和第二可调谐滤波器(22)。

18.如权利要求15和权利要求16和17的任何之一所述的设备，其特征在于，所述滤波器装置(21，22)位于所述整流器电路的上游。

19.如权利要求9至18的任何之一所述的设备，其特征在于，该设备包括将所述返回信号转换成方波信号的限幅电路(25)。

20.如权利要求15或权利要求19所述的设备，其特征在于，该设备包括设在所述整流器电路(23)和所述限幅电路(25)之间的低通滤波器(24)。

21.如权利要求9至20的任何之一所述的设备，其特征在于，该设备包括从发射所述测试信号开始计数到检测到所述返回信号时停止计数的计数器单元(26)，在停止计数时刻该计数器单元(26)的计数值表示待测回波的返回时间。

22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述计数器单元(26)相应于所述测试信号的包络线的上升沿开始计数。

23.如权利要求21或权利要求22所述的设备，其特征在于，所述计数器单元(26)相应于所述返回信号的包络线的上升沿停止计数。

24.如权利要求9至23的任何之一所述的设备，其特征在于，所述信号产生装置(10至16)选择性地适应于使所述测试信号选择性可变。

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