回音与近端串扰消除系统
阅读说明：本技术 回音与近端串扰消除系统 (Echo and near-end crosstalk elimination system ) 是由 吴佳龙 庄栋明 于 2019-04-17 设计创作，主要内容包括：一种回音(ECHO)与近端串扰(NEXT)消除系统,包括一时域处理模块及一频域处理模块。该时域处理模块是组态成接收经过模拟至数字转换的一处理前信号,并自该处理前信号消除干扰的至少一时域主要成分,而产生一时域处理后信号。该频域处理模块是连接至该时域处理模块,并组态成接收该时域处理后信号,且自该处理前信号消除干扰的至少一频域成分,而产生一处理后信号。(An ECHO (ECHO) and near-end crosstalk (NEXT) cancellation system includes a time domain processing module and a frequency domain processing module. The time domain processing module is configured to receive a pre-processing signal that is analog-to-digital converted and to generate a time domain processed signal by canceling at least one time domain principal component of interference from the pre-processing signal. The frequency domain processing module is coupled to the time domain processing module and configured to receive the time domain processed signal and to generate a processed signal by canceling at least one frequency domain component of interference from the pre-processed signal.)
技术领域
本发明涉及以太网(Ethernet)的技术领域，特别涉及回音(ECHO)与近端串扰(NEXT)消除系统。
背景技术
高速网路的演进包括数据传输速度的提升。已实现的网路形态是通过双绞线来物理连接的以太网(Ethernet)，其中，以太网10G BASE-T或以太网1000BASE-T是最常用的高速区域网(local area network，LAN)，以便连接个人电脑、工作站及伺服器。近来，以太网2.5G BASE-T或以太网5G BASE-T亦问世。
图1显示一种以太网收发器系统1。
作为一例，以太网收发器系统1可包括一第一收发器11、一第二收发器12、一第三收发器13、及一第四收发器14，其在双向传输通道(bidirectional transmissionchannel)上通信。
该第一收发器11包括一第一发送器111，其接收一待发送数字数据(digitaldata)，并将该待发送数字数据处理并转换成一待发送模拟信号(analog signal)，用于通过该传输通道来发送给该第二收发器12。该第一收发器11还包括一第二接收器112，其接收来自该第二收发器12的一经接收模拟信号，并将该经接收模拟信号处理并转换成一经接收数字数据。该混合电路113是连接到一第一公共双绞线(common twisted pair)151。该第一收发器11的一混合电路113是组态成具有适合的模拟电路，可分离通过该第一公共双绞线151的一发送信号(即，该待发送模拟信号)及一接收信号(即，该经接收模拟信号)。
其他收发器12、13、及14也是以相同或相似于该第一收发器11的方式来收发数据。
然而，该第一收发器11的该第一发送器111的一发送信号可能耦合到该第一收发器11的该第一接收器112的一接收信号。由同一收发器的一发射信号与一接收信号彼此耦合所生的这种耦合信号称为“回音”(ECHO)信号。
另外，该第三收发器13与该第四收发器14也通过一第二公共双绞线152而在双向传输通道上通信。由于该第一公共双绞线151邻近于该第二公共双绞线152，在两者之间可能发生干扰。干扰包括近端串扰(near-end cross-talk，NEXT)及远端串扰(far endcross-talk，FEXT)。NEXT是在相邻双绞线的近端所发生的干扰，例如，该第一收发器11的该第一发送器111干扰该第三收发器13的一第三接收器132。FEXT是在相邻双绞线的远端所发生的干扰，例如，该第一收发器11的该第一发送器111干扰该第四收发器14的一第四接收器142。
目前，在以太网10G BASE-T或以太网1000BASE-T这两种现有标准之间，新建立两种中间速度，即：2.5Gbit/s及5Gbit/s的传输速度，而由此而生的两种标准称为2.5GBASE-T和5GBASE-T。
然而，在以太网2.5G BASE-T或以太网5G BASE-T进行全双工(full-duplex)传输时，回音(TX ECHO)与NEXT干扰的通道响应(channel response)相当长，例如，抽头(tap)数大于500。因此，如何快速且便利的估计TX ECHO与NEXT相关的多个通道参数是重要的技术课题。
发明内容
本发明依序包括一时域(time domain)处理机制及一频域(frequency domain)处理机制，而实现在低硬件复杂度的条件下，快速且最佳化完成TX ECHO及NEXT的消除。换句话说，本发明的回音(ECHO)与近端串扰(NEXT)消除系统是将经过模拟至数字转换(A/D)的一处理前信号，先传送至一时域处理模块，进行训练(training)及消除(cancellation)，再传送至一频域处理模块，进行后续的残余干扰消除(residueinterferencecancellation)。
具体而言，该时域处理模块是用于每次处理N个A/D输出值。其中，N即是后续的该频域处理模块(具体而言，其频域通道)所使用的快速傅立叶转换(fast Fouriertransform，FFT)的点数(或取样数)，N可为64、128、256、512或以此类推的数字。
首先，该时域处理模块的一时域ECHO与NEXT消除单元可配合一般的通道估计(channel estimation)技术，例如：最小平方通道估计(lea st square channelestimation)或基于互相关的通道估计(cross-correlation-based channel estimation)等技术，来获得初步的N个时域通道参数(time domain coefficient)。
接着，可搜寻时域通道参数的数值相对大的抽头(tap)，适当地选择与其对应的K个通道参数，即可在该时域处理模块中消除干扰的大部分能量(或多个时域主要成分)。其中，K为正整数，其数值正比于该时域ECHO与NEXT消除单元所需的硬件复杂度。若K越小，则该时域ECHO与NEXT消除单元所需的硬件复杂度越低。根据本发明，对于以太网2.5G BASE-T或以太网5G BASE-T的通道而言，K等于1至8将是适当的选择。
在通过该时域处理模块后，残余的干扰会自一时域形式转换成一频域形式，作为一频域自适应滤波器(adaptive filter)的多个参数的多个初始值。该自适应滤波器例如是一最小均方滤波器(least mean squares filter，LMS filter)。该频域自适应滤波器可由一频域自适应滤波更新器及一频域ECHO与NEXT消除单元所组成。
该频域自适应滤波更新器会持续进行训练，并更新该频域ECHO与NEXT消除单元的多个频域通道参数(frequency domain coefficient)。该频域ECHO与NEXT消除单元的该些频域通道参数是用于计算残余的干扰，并加以消除。
由于先前的该时域处理模块已消除干扰的该些时域主要成分，该些时域主要成分便不会进入该频域处理机制。因而，该频域ECHO与NEXT消除单元所需的该些频域通道参数即可快速收敛。同时，可使用更少的位宽度(bit width)来实现该些频域通道参数，并减少相关的内部运算(例如，乘法器)。
从而，该频域ECHO与NEXT消除单元的硬件复杂度随着该些时域通道参数的位宽度的缩减而大幅降低。由此可见，本发明确实可降低该频域ECHO与NEXT消除单元的硬件复杂度。
因此，根据本发明的上述观点所涉及的架构及原理，在此提供一种ECHO与NEXT消除系统，其包括一时域处理模块及一频域处理模块。该时域处理模块是组态成接收经过模拟至数字转换的一处理前信号，并自该处理前信号消除干扰的至少一时域主要成分，而产生一时域处理后信号。该频域处理模块是直接或间接连接至该时域处理模块，并组态成接收该时域处理后信号，且自该处理前信号消除干扰的至少一频域成分，而产生一处理后信号。
选择性地或较佳地，本发明的ECHO与NEXT消除系统更包括用于接收该处理前信号的一端(one pair)，及用于接收发送数据的另一端(another pair)，干扰是耦合自该发送数据。
选择性地或较佳地，该时域处理模块还包括一时域通道估计单元及一时域ECHO与NEXT消除单元。该时域通道估计单元是组态成接收该处理前信号及该发送数据，并执行一通道估计演算法，来获得初步的(N个)时域通道参数。该时域ECHO与NEXT消除单元是连接至该时域通道估计单元。
选择性地或较佳地，该时域ECHO与NEXT消除单元是组态成接收该发送数据及该(N个)时域通道参数，并通过自该(N个)时域通道参数所选择的K个通道参数运算该发送数据的多个时域主要成分。
选择性地或较佳地，K是选自1至N，特别是选自1至8的一正整数。
选择性地或较佳地，该时域处理模块还包括一第一加法器，其连接至该时域ECHO与NEXT消除单元，以自该处理前信号减去该些时域主要成分，而产生该时域处理后信号。
选择性地或较佳地，该频域处理模块还包括一第一快速傅立叶转换器、一第二快速傅立叶转换器、一频域自适应滤波更新器、及一频域ECHO与NEXT消除单元。该第一快速傅立叶转换器是组态成接收该时域处理后信号，并将该时域处理后信号转换成一频域处理前信号。该第二快速傅立叶转换器是组态成接收该发送数据，并将该发送数据转换成频域发送数据。该频域自适应滤波更新器是连接至该第一快速傅立叶转换器及该第二快速傅立叶转换器，并组态成接收该频域处理前信号及该频域发送数据，以训练或更新多个频域通道参数。该频域ECHO与NEXT消除单元是连接至该频域自适应滤波更新器。
选择性地或较佳地，该频域ECHO与NEXT消除单元是组态成接收该频域发送数据及该些频域通道参数，并通过该些频域通道参数来运算该频域发送数据的多个频域残余成分。
选择性地或较佳地，该频域处理模块还包括一第二加法器，其连接至该频域ECHO与NEXT消除单元，以自该时域处理后信号减去该些时域残余成分，而产生该处理后信号。
选择性地或较佳地，该第一快速傅立叶转换器是经由该第二加法器来接收该时域处理后信号，或接收一其他模块所输出而可用于该频域自适应滤波更新器的一其他时域信号，例如：一等化器(equalizer)的一切片器误差信号(slicer error)。
综上所述，本发明通过该时域处理模块，先消除干扰的时域主要成分，在后续的该频域处理模块只需要计算及消除残余的干扰，因而可缩短计算时间，并降低整体系统的硬件复杂度。
附图说明
图1是一种以太网收发器系统。
图2是本发明的一实施例的ECHO与NEXT消除系统的方块图。
图3是图2的ECHO与NEXT消除系统的详细的内部架构。
图4是一实施例的频域自适应滤波器。
图5是本发明的一实施例的ECHO与NEXT消除方法的流程图。
【符号说明】
1 以太网收发器系统
11 第一收发器
111 第一发送器
112 第一接收器
113 混合电路
12 第二收发器
121 第二发送器
122 第二接收器
13 第三收发器
131 第三发送器
132 第三接收器
14 第四收发器
141 第四发送器
142 第四接收器
151 第一公共双绞线
152 第二公共双绞线
2 回音ECHO与近端串扰NEXT消除系统
21 时域处理模块
211 时域通道估计单元
212 时域ECHO与NEXT消除单元
213 第一加法器
22 频域处理模块
221 第一快速傅立叶转换器(FFT)
222 第二快速傅立叶转换器(FFT)
223 频域自适应滤波更新器
224 频域ECHO与NEXT消除单元
225 反快速傅立叶转换器(IFFT)
226 第二加法器
6 频域自适应滤波器
61 通道估计器
62 误差计算器
63 更新器
S1～S6 步骤
具体实施方式
以下提供本发明的不同实施例。这些实施例是用于说明本发明的技术内容，而非用于限制本发明的权利范围。可将本发明的特征进行修饰、置换、组合、分离、或设计，以应用于其他实施例。
值得注意的是，在本发明中，所谓的“第一”或“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件(element)，并不表示其等位阶、执行、排列、或制程的先后顺序。
除了特别指明者之外，各个元件可以适合的方式来实现，可分别是一单独电路，亦可整合为一积体电路，且可包括一个或多个主动元件，例如，电晶体或逻辑闸，或一个或多个被动元件，例如，电阻、电容、或电感，但不限于此。各个元件可以适合的方式来彼此连接，例如，配合其等各自的输入信号及输出信号，使用一条或多条线路来形成串联或并联。此外，各个元件可允许输入信号及输出信号依序或并列进出。上述设计皆是依照实际应用而定。
在本发明中，所谓的“系统”、“设备”、“装置”、“模块”、或“单元”等用语，是指一电子元件或由多个电子元件所组成的一数字电路、一模拟电路、或其他更广义的电路，且除了特别指明者之外，它们不必然有阶层或从属关系。除了特别指明者之外，一特征是指一个或一个以上的该特征。
实施例1
图2是本发明的一实施例的回音(ECHO)与近端串扰(NEXT)消除系统2的方块图。
本发明的ECHO与NEXT消除系统2包括依序连接的一时域处理模块21及一频域处理模块22。经过模拟至数字转换(A/D)的一处理前信号是先传送至该ECHO与NEXT消除系统2的该时域处理模块21，进行训练及消除，再传送至该频域处理模块22，进行后续的残余干扰消除。最后，该ECHO与NEXT消除系统2的该频域处理模块22输出一处理后信号。
图3显示图2的ECHO与NEXT消除系统2的详细的内部架构。
本发明的ECHO与NEXT消除系统2具有一端是用于接收该处理前信号，并具有另一端是用于接收发送数据，而该发送数据即是该ECHO与NEXT消除系统2所在的一收发器或邻近的另一收发器想要发送的数据。可理解的是，干扰是因该发送数据耦合至该处理前信号而发生的，故该ECHO与NEXT消除系统2的目的即是自该处理前信号消除该发送数据。
该时域处理模块21是用于每次处理N个处理前信号(即，A/D输出值)。其中，N即是后续的该频域时域处理模块所使用的快速傅立叶转换(fast Fourier transform，FFT)的点数(或取样数)，N可为64、128、256、512或以此类推的数字。
该时域处理模块21包括一时域通道估计单元211、一时域ECHO与NEXT消除单元212、及一第一加法器213。
该时域通道估计单元211会接收该处理前信号及该发送数据。该时域通道估计模块211是组态成执行一最小平方通道估计演算法或一基于互相关的通道估计演算法，来获得初步的N个时域通道参数。此外，也可指定一组特定固定值当作该些时域通道参数的多个初始值。该时域通道估计单元211是连接至该时域ECHO与NEXT消除单元212，以将该N个时域通道参数提供给该时域ECHO与NEXT消除单元212。该时域通道估计单元211可组态成每组N个取样点皆启动并更新该些时域通道参数，或M组N个取样点(亦即N×M个取样点)才启动并更新该些时域通道参数，或只有第一组N个取样点才启动并更新该些时域通道参数。
回到图3。然而，不必然使用所有该N个时域通道参数，而可自该N个时域通道参数，适当地选择K个通道参数。其中，K为一正整数，其数值正比于该时域ECHO与NEXT消除单元212所需的硬件复杂度。K越小，该时域ECHO与NEXT消除单元212所需的硬件复杂度越低。选择性地或较佳地，该K个通道参数是对应至数值相对大的抽头。根据本发明，对于以太网2.5G BASE-T或以太网5G BASE-T的通道而言，K等于1至8将是适当的选择。
该时域ECHO与NEXT消除单元212会接收该发送数据及该N个时域通道参数，并通过自该N个时域通道参数所选择的该K个通道参数运算该发送数据的多个时域主要成分。
该第一加法器213是连接至该时域ECHO与NEXT消除单元212，以自该处理前信号减去该时域ECHO与NEXT消除单元212所输出的该些时域主要成分，而产生一时域处理后信号。在图3中，该第一加法器213标示有减号(-)的一端即表示减去来自该端的一信号。
该频域处理模块22包括一第一快速傅立叶转换器(FFT)221、一第二快速傅立叶转换器(FFT)222、一频域自适应滤波更新器223、一频域ECHO与NEXT消除单元224、一反快速傅立叶转换器(IFFT)225、及一第二加法器226。
该第一快速傅立叶转换器221会经由该第二加法器226来接收该时域处理后信号，并将该时域处理后信号通过快速傅立叶转换而转换成一频域处理前信号。
该第二快速傅立叶转换器222会接收该发送数据，并将该发送数据通过快速傅立叶转换而转换成频域发送数据。
该频域自适应滤波更新器223是连接至该第一快速傅立叶转换器221及该第二快速傅立叶转换器222，以接收该频域处理前信号及该频域发送数据。该频域自适应滤波更新器223是组态成根据该频域处理前信号及该频域发送数据持续进行训练，并更新该频域ECHO与NEXT消除单元224所需的多个频域通道参数。该频域自适应滤波更新器223是连接至该频域ECHO与NEXT消除单元224，以将该些频域通道参数提供给该频域ECHO与NEXT消除单元224。因而，该频域自适应滤波更新器223及该频域ECHO与NEXT消除单元224的结合具有一自适应滤波器的形式，而该自适应滤波器例如是一最小均方滤波器。
图4显示实施例1的频域自适应滤波器6的形式。
该频域自适应滤波器6包括通道估计器(channel estimator)61、一误差计算器(error calculator)62、及一更新器(updater)63。该通道估计器61可为一频域单头(one-tap)通道估计器，特别是一多音单头(multi-tone one-tap)通道估计器。该通道估计器61会将多个输入值及多个参数进行计算卷积而产生多个输出值。由于各个输入值皆已转换至一频域形式，该通道估计器61是组态成执行(N/2+1)次复数乘法。该误差计算器62会自该些输出值计算出多个误差项(error term)，并将它们提供给该更新器63。该更新器63会根据该些误差项，通过自适应演算法，例如：最小均方(least mean square，LMS)、正规化最小均方(normalized least mean square，NLMS)、递回最小平方(recursive least squares，RLS)等演算法，来更新该些参数。该频域自适应滤波器5的具体设计是依照实际应用而定，本领域技术人员可针对它进行修饰或变化而适用于本发明的图3的架构，特别是，将各个元件拆解或组合成该频域自适应滤波更新器223及该频域ECHO与NEXT消除单元224。
回到图3。该频域ECHO与NEXT消除单元224会接收该频域发送数据及该些频域通道参数，并通过该些频域通道参数来运算该频域发送数据的多个频域残余成分。
该反快速傅立叶转换器225是连接至该频域ECHO与NEXT消除单元224，以接收该频域发送数据的该些频域成分，并将它们通过反快速傅立叶转换(inverse fast Fouriertransform，IFFT)而转换成多个时域残余成分。
该第二加法器226是连接至该频域ECHO与NEXT消除单元224，以自该时域处理后信号减去该频域ECHO与NEXT消除单元224所输出的该些时域残余成分，而产生该处理后信号。在图3中，该第二加法器226标示有减号(-)的一端即表示减去来自该端的一信号。
据此消除干扰，该ECHO与NEXT消除系统2的该频域处理模块22即可输出该处理后信号。
因此，在本发明的ECHO与NEXT消除系统2中，该时域处理模块21已消除干扰的该些时域主要成分，干扰的该些时域主要成分即不会进入该频域处理机制。因而，该频域处理模块22的该频域ECHO与NEXT消除单元224所需的该些频域通道参数即可快速收敛。同时，可使用更少的位宽度(bit width)来实现该些频域通道参数，并减少相关(例如，乘法器)的内部运算。
图5显示本发明的ECHO与NEXT消除方法的流程图。
本发明的该ECHO与NEXT消除方法包括下列步骤：
步骤S1是启动一时域通道估计单元，以执行通道脉冲响应(impulseresponse)估计，例如通过一最小平方通道估计演算法或一基于互相关的通道估计演算法来进行。
步骤S2是启动一时域ECHO与NEXT消除单元212，以消除干扰的时域成分。选择性地或较佳地，消除的是K个时域主要抽头。根据本发明，对于以太网2.5G BASE-T或以太网5GBASE-T的通道而言，K等于1至8将是适当的选择。
步骤S3是根据步骤2的结果，计算多个时域残余通道参数，并将该些时域残余通道参数转换成多个频域残余成分。
步骤S4是将该些频域残余成分输入一频域自适应滤波器，作为它的多个参数的多个初始值。在此，由于该些时域主要抽头已在步骤S2中消除，其不会反映在频域处理机制中，故可缩减该频域自适应滤波器的参数训练收敛过程。该自适应滤波器例如是一最小均方滤波器。该频域自适应滤波器是由一频域自适应滤波更新器及一频域ECHO与NEXT消除单元所组成。
步骤S5是消除干扰的频域成分，而在消除该频域干扰的过程中，该频域自适应滤波更新器会持续进行训练，并更新该频域ECHO与NEXT消除单元的多个频域通道参数。诚如前述，由于最大的几个抽头已在步骤S2的时域处理机制中消除，该些频域通道参数即可快速收敛。
步骤S6是输出一处理后信号。
测试结果
模拟结果显示ECHO与NEXT估计及该频域自适应滤波器(例如，LMS滤波器)的参数训练期间皆缩短。
第一比较例
第一比较例的干扰消除系统是完全在频域上消除干扰。然而，由于干扰的时域主要成分在经过傅立叶转换而自一时域形式转换成一频域形式时，该频域形式的成分会占据频域的一大范围。为了处理干扰的该频域形式的成分，需要较高复杂度的乘法运算。
相较于此，本发明的实施例是在以一频域处理模块来消除干扰前，串接一时域处理模块，如此，对于该频域处理模块，即可加速多个频域通道参数的收敛，并缩减该些频域通道参数运算的复杂度。
第二比较例
第二比较例的干扰消除系统首先是确定一第一收发器与一第二收发器之间的一通道的多个通道参数。接着是基于该些估测得出的通道参数，将信号处理作业分配给一低延迟时域处理单元及一高延迟频域处理单元。该低延迟时域处理单元及该高延迟频域处理单元是以并联的方式同时进行信号处理。
相较于此，本发明的实施例是在以一频域处理模块来消除干扰前，串接一时域处理模块，因而，该时域处理模块及该频域处理模块是呈现为串连，并先后进行信号处理。从而，本发明的实施例亦不需要基于该些估测得出的通道参数来分派信号处理作业。
第三比较例
第三比较例的干扰消除系统只是在时域上处理多端口(multiport)的串扰。
相较于此，本发明的实施例除了涉及一时域处理机制之外，更采用一频域处理机制，且通过安排该二机制的先后顺序，可缩短计算时间，并降低整体系统的硬件复杂度。
尽管本发明已通过其较佳实施例加以说明，应该理解的是，只要不背离本发明的精神及权利要求范围所主张者，可作出许多其他可能的修饰及变化。