Система и способ для формирования спектра передаваемых сигналов данных

1 Данная заявка связана со следующими патентными заявками США, все из которых принадлежат заявителю данной заявки, и все из которых используются здесь посредством ссылок: Предварительная заявка на патент США 60/042826, озаглавленная "Обобщенное формирование спектра", поданная 8 апреля 1997 г. изобретателями М. Vedat Eyuboglu, Pierre A.Humblet, Daeyoung Kim и David Tung; настоящая заявка основана на этой заявке на изобретение, и на общий объект заявляется приоритет; заявка на патент США 08/747840, озаглавленная "Устройство, система и способ формирования спектра передаваемых сигналов данных", поданная 13 ноября 1996 г. изобретателями Vedat Eyuboglu и Pierre A. Humblet; и заявка на патент США, номер дела поверенного СХ 096044 Р 02, озаглавленная "Устройство и способ для предкодирования сигналов данных",поданная 29 декабря 1997 г. изобретателями М.Kim. Область применения изобретения Данное изобретение относится к высокоскоростной передаче данных и, более конкретно, к системе и способу формирования спектра передаваемых сигналов данных. Предпосылки создания изобретения Телефонная коммутируемая сеть общего пользования (PSTN) содержит магистральную цифровую сеть и аналоговые абонентские контуры, которыми конечные пользователи подключаются к магистрали. При обычном телефонном звонке аналоговый сигнал от местного пользователя преобразовывается в цифровую форму в местной телефонной станции и конвертируется в 64 кбит/с поток данных, который передается по цифровой магистральной сети и затем преобразуется обратно в аналоговый в удаленной телефонной станции для передачи конечному пользователю через удаленный абонентский контур. Модемы для передачи по коммутируемой линии, например, модемы V.34,передают данные через PSTN путем модуляции цифровой информации в аналоговый сигнал для последующей передачи. Процесс цифроаналогового преобразования в точке входа в цифровую магистраль вносит шум квантования,что ограничивает скорость передачи данных до примерно 30 кбит/с. Были разработаны методики, обеспечивающие передачу данных со значительно более высокими скоростями, чем 30 кбит/с, потенциально до 56 кбит/с, когда один из пользователей имеет прямое подключение к цифровой сети,например, ISDN или Т 1. Более того, для случая такой передачи данных существует стандартизованный протокол, стандарт V.90 Международного Союза по Электросвязи (ITU), утверждение которого ожидается в ближайшее время. Согласно этой методики, случайная цифровая информация кодируется в виде октетов по r 001872 2 закону или А-закону (в зависимости от региона мира) цифровым модемом с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), с использованием кодирующего устройства канала. Октеты отображаются непосредственно в символы в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП), расположенном в телефонной станции конечного пользователя (если не указано противоположное, все приведенные ниже описания относятся к rзакону; их распространение на А-закон очевидно). Отображение могло бы использовать все или любое подмножество из 255 уровней ЦАП в зависимости от регулирующих ограничений на среднюю энергию. Поскольку информация передается по цифровой сети в форме октетов, кодированные данные сначала преобразуются в октеты, для передачи со скоростью 8000 октетов в секунду. Затем в телефонной станции конечного пользователя октеты преобразуются в ЦАП в соответствующие символы. Полученная в результате 8 кГц последовательность символов пропускается через фильтр нижних частот (ФНЧ) и передается по аналоговому контуру в аналоговый ИКМ модем конечного пользователя. Выход ЦАП может рассматриваться как последовательность импульсов, амплитуды которых соответствуют одному из уровней Ц/А преобразования. Аналоговый ИКМ модем восстанавливает исходную информацию, устанавливая вначале какие символы были переданы, и выполняя затем обратное отображение этих символов с целью получения оценки исходной цифровой информации. Когда информация передается случайным образом, спектральный анализ сигнала после Ц/А преобразования показывает, что спектр последовательности, выходящей из ЦАП, является по существу плоским. Следовательно, когда эта последовательность проходит через ФНЧ в телефонную станцию, спектр сигнала приобретает форму спектра ФНЧ. К сожалению, этот спектр содержит значительное количество энергии около частоты постоянной составляющей (DC)(частота f=0), который может перевести трансформаторы в системе в режим насыщения и внести в передаваемый сигнал нежелательное нелинейное искажение. Для рассматриваемых приложений искажение такого типа является недопустимым и, следовательно, существует необходимость его устранения. В более общем случае, при использовании ИКМ существует необходимость в способе, который обеспечивал бы формирование спектра сигнала, передаваемого от ЦАП. Кроме этого,существует необходимость в способе формирования спектра, который применим, в дополнение к ИКМ, в технологиях передачи данных различных типов. Краткое описание чертежей На фиг. 1 приведено упрощенное схематическое изображение типовой телефонной станции телефонной компании; 3 на фиг. 2 - график частотного спектра символов уk, выдаваемых преобразователем из rзакона в линейную форму, показанным на фиг. 1, и форма спектра фильтра нижних частот, показанного на фиг. 1; на фиг. 3 - график частей двух частотных спектров, каждый из которых имеет нуль при постоянной составляющей, при этом один из спектров убывает до нуля при постоянной составляющей очень круто, и второй убывает до нуля более плавно; на фиг. 4 - схематическое изображение передатчика цифрового ИКМ модема центрального узла, выполненного согласно данному изобретению; на фиг. 5 - схематическое изображение приемника аналогового ИКМ модема конечного пользователя, выполненного согласно данному изобретению; на фиг. 6 - схематическое изображение кодировщика знаковых битов передатчика, показанного на фиг. 4; на фиг. 7 - схематическое изображение генератора представления смежного класса, показанного на фиг. 6; на фиг. 8 - схематическое изображение селектора знаковых битов символов, показанного на фиг. 6; на фиг. 9 - решетчатая диаграмма, представляющая сверточный код; на фиг. 10 - блок-схема, иллюстрирующая обобщенную логику селектора знаковых битов символов, приведенного на фиг. 8; на фиг. 11 - схематическое изображение декодировщика знаковых битов, приведенного на фиг. 5, и на фиг. 12 - схематическое изображение данного изобретения, используемого в качестве прекодировщика в ИКМ передатчике абонента. Описание предпочтительной реализации Данное изобретение включает систему и способ для формирования спектра передаваемых сигналов данных, которые применимы к различным технологиям передачи данных. В целях наглядности предлагаемое изобретение описывается на основе системы передачи данных с ИКМ. Однако специалист с обычным уровнем знаний и опыта поймет, что изобретение может быть распространено на другие технологии передачи данных, и что описываемая здесь реализация ИКМ может быть легко распространена на эти технологии. Фиг. 1 и 2 иллюстрируют присутствие энергии в области постоянной составляющей в сигналах, передаваемых по аналоговому контуру в аналоговый ИКМ модем конечного пользователя. На фиг. 1 приведена часть типовой центральной телефонной станции 10 PSTN, которая принимает входные октеты 12 r-закона, передаваемые цифровым ИКМ модемом центрального узла (не показан), подключенного непосредственно к цифровой части телефонной системы. 4 Октеты конвертируются с помощью ЦАП 14,называемого также преобразователем из rзакона в линейную форму, в последовательность символов yk. Каждый из символов соответствует одному из 255 уровней г-закона. Символы выдаются по линии 16 в фильтр нижних частот (ФНЧ) 18, который выдает отфильтрованный аналоговый сигнал s(t) в приемник аналогового ИКМ модема конечного пользователя через аналоговый контур 20. Аналоговый сигнал демодулируется и декодируется принимающим модемом, который выдает цифровой поток битов. Этот цифровой поток битов является оценкой первоначально передаваемых данных. Последовательность символов уk в линии 16 от преобразователя из r-закона в линейную форму 14 имеет плоскую частотную характеристику 22, фиг. 2. Форма спектра 24 ФНЧ 18 содержит значительное количество энергии вблизи постоянной составляющей (f=0), как показано в точке 26. Поскольку последовательность уk имеет плоскую частотную характеристику,спектр сигнала s(t), выдаваемого фильтром 18,имеет такую же форму 24, как и у фильтра 18, и,следовательно, сигнал s(t) также содержит значительное количество энергии вблизи постоянной составляющей. Как упоминалось выше, эта энергия вблизи постоянной составляющей приводит к насыщению трансформаторов системы,которые вносят нежелательное нелинейное искажение в сигнал s(t), передаваемый в принимающий модем. В приложениях, подобных ИКМ, это искажение должно быть уменьшено. Это может быть достигнуто путем уменьшения энергии передаваемого сигнала вблизи постоянной составляющей до нуля. Такой нуль постоянной составляющей 28 показан на фиг. 3. Как известно из уровня техники, для получения в передаваемом сигнале нуля в спектре около постоянной составляющей необходимо текущую разность между числом нулей и единиц (RDS Running Digital Sum) передаваемых символов уk(а именно, алгебраическую сумму всех ранее переданных уровней) поддерживать близкой к нулю. Форма спектра около нуля при постоянной составляющей 28 может варьироваться от относительно плавно убывающего спектра 30 до спектра 32, резко убывающего около постоянной составляющей. "Острота" нуля зависит от точности управления RDS. Как показано ниже, данное изобретение кодирует передаваемые цифровые данные таким образом, что RDS поддерживается близкой к нулю. Этим обеспечивается спектральный нуль при постоянной составляющей, уменьшая таким образом нелинейное искажение, вызываемое насыщением трансформатора. В более общем случае, данное изобретение может также использоваться для кодирования передаваемых 5 цифровых данных с целью формирования спектра передаваемого сигнала желаемым образом. Передатчик 40 (фиг. 4) в цифровом ИКМ модеме принимает последовательный цифровой поток битов от терминала (не показан), такого как персональный компьютер, и кодирует принятые биты в октеты 44 для передачи по цифровой сети 46. Последовательный поток битов 42 преобразуется в параллельный формат последовательно-параллельным преобразователем 48. Схема передачи/кодирования данного изобретения основана на n-символьном фрейме данных,где k обозначает индекс (временной) фрейма данных. Например, в каждом фрейме данных могут быть переданы 2, 3, 4, 5 или 6 символов. Передаваемые символы соответствуют точкам"созвездий" r-закона, выбираемым для представления информационных битов. Для каждого фрейма данных последовательно-параллельный преобразователь 48 выдает (n-r)+m информационных битов, где r - число избыточных битов. Число избыточных битов, как предусмотрено стандартом V.90, может быть равно 0, 1, 2 или 3. Следует отметить, что в остальной части описания строчные буквы используются для обозначения скалярных величин, а прописные буквы обозначают матрицы. Кроме этого, векторы-строки обозначаются строчными буквами и выделяются жирным шрифтом, и все индексы начинаются с 0, например, хk=(хk0, хk1,).(n-r) битов, обозначаемых как k, представляют информацию, передаваемую с помощью знаковых битов (знаковых информационных битов), и m битов, обозначаемых как uk,представляют информацию, передаваемую с помощью модульных значений (значащих информационных битов). Число битов m может быть выбрано таким, чтобы удовлетворять следующему соотношению: где Mi - количество положительных точек созвездия для i-го символа фрейма данных. Этот процесс более полно описывается в стандартеm значащих информационных битов, uk,передаются в блок отображения значащих битов 50, который отображает m битов в n значений символов gk с помощью алгоритма отображения, такого как "шелл-отображение" (сферическое отображение), описанное в стандарте ITUV.34, или "остаточное отображение", описанное в стандарте ITU V.90. Значения, в которые отображаются значащие информационные биты,являются значениями точек r-закона, используемых в качестве точек созвездия при передаче информационных битов. Эти алгоритмы отображения и процесс выбора точек созвездия понятны для специалистов данной области, и дальнейшее их описание опущено. Остающиеся информационные биты фрейма данных, знако 001872 6 вые информационные биты k, подаются в кодировщик знаковых битов 52, который генерирует n знаковых битов sk (закодированные знаковые биты символов) в соответствии с приведенным ниже подробным описанием. n значений символов gk и n знаковых битов sk подаются в селектор сигнальной точки 54 и комбинируются с целью формирования n знаковых символов (т.е. символов со знаком) уk. n знаковых символов yk подаются затем в преобразователь октетов 56, который выбирает октет, соответствующий каждому знаковому символу, и передает эти октеты в цифровую сеть 46. В других технологиях передачи данных преобразователь октетов, который преобразует знаковые символы в формат, совместимый с цифровой частьюPSTN, может не использоваться, и селектор сигнальной точки выдает знаковые символы непосредственно в сеть. Октеты 44', выходящие из цифровой сети 46 (возможно, искаженные цифровыми помехами в сети), принимаются телефонной станцией(ТС) 60. Октеты 44' в ТС 60 преобразуются в символы с помощью ЦАП и передаются в виде 8 кГц последовательности уровней по аналоговому контуру 62 в приемник 64 аналогового ИКМ модема конечного пользователя. Аналоговые уровни принимаются входным каскадом приемника 66, который переводит аналоговые уровни в цифровую форму, выполняет восстановление синхронизации, выравнивание и выделение символов. Входной каскад приемника 66 выдает принятые символы yk в последовательном формате в последовательно-параллельный преобразователь 68, который преобразует последовательные символы во фреймы из n параллельных знаковых символов yk. n параллельных знаковых символов уk подаются в блок извлечения модуля(значения символа) и знака 70, который выделяет из уk значения символов gk и знаковые битыsk. Значения символов gk подаются в блок обратного отображения значащих битов 72, например, блок обратного остаточного отображения, с целью восстановления значащих информационных битов uk. Поскольку процесс обратного отображения очевиден для специалиста в данной области, он здесь не описывается. Знаковые биты sk подаются в декодировщик знаковых битов 74 с целью восстановления знаковых информационных битов k, как описано ниже. Декодированные информационные биты могут подвергаться дальнейшей обработке, и передаваться в терминал, например, в персональный компьютер. Кодирование знаковых битов Кодировщих знаковых битов 52 изображен более подробно на фиг. 6. Биты знаковой информации k подаются в генератор представления смежного класса 80, который генерирует для каждого фрейма n представляющих смеж 7 ный класс знаковых битов tk, и подает их в селектор знаковых битов символов 82. n представляющих смежный класс знаковых битов tk для каждого фрейма определяют представляющий смежный класс элемент для заданного сверточного кода G(D), который используется селектором знаковых битов символов 82, и вся последовательность представляющих смежный класс знаковых битов t(D) в совокупности определяет представление смежного класса для сверточного кода. n представляющих смежный класс знаковых битов tk также определяют смежный класс сверточного кода, который содержит кандидатные закодированные знаковые биты символов, как подробно описывается ниже. Используя n представляющих смежный класс знаковых битов tk, селектор знаковых битов символов 82 модифицирует представляющие смежный класс знаковые биты tk путем применения оператора ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ над этими битами и последовательностями допустимых сверточных кодов, определяемых решетчатой диаграммой (треллис-схемой), изображенной на фиг. 9 и описываемой ниже, с целью формирования кандидатных закодированных знаковых битов символов. Эти кандидаты являются элементами смежного класса, определяемого представляющими смежный класс знаковыми битами. С помощью значений символов селектор знаковых битов символов 82 выбирает для каждого фрейма кандидата sk из кандидатных закодированных знаковых битов символов, который обеспечивает желаемую форму спектра, и передает эти знаковые биты в селектор сигнальной точки 54, фиг. 4. Выход селектора знаковых битов символов 82 для всей последовательности, альтернативно пофреймовой выдаче, может быть представлен в видеs(D)=t(D)c(D), где s(D) - последовательность закодированных знаковых битов символов, t(D)- представление смежного класса для сверточного кода, и c(D) - кодовые последовательности,которые являются элементами сверточного кодаG(D). Следует отметить, что при этом процессе выбора может быть использован любой из кандидатных закодированных знаковых битов символов, и они могут быть декодированы, как это описывается ниже, в закодированные знаковые информационные биты k. Таким образом,предлагаемый способ формирования спектра не оказывает влияния на значения символов и следовательно не влияет на передаваемую мощность. В результате легко спроектировать систему, удовлетворяющую ограничениям на передаваемую мощность, накладываемым FCC, и при этом обеспечивающую необходимую форму спектра. Генератор представления смежного класса 80 более подробно изображен на фиг. 7; он со 001872 8 держит блок дифференциального кодирования 84 и матричный блок 86. Шум в канале данных может вызвать изменение полярности при воздействии на передаваемые знаковые биты. Путем задействования дифференциального кодирования с помощью блока дифференциального кодирования 84, и декодирования с помощью блока дифференциального декодирования 132(фиг. 11) знаковых битов в определенных битовых позициях, например, четных позициях 0, 2 и 4 для HT, Н-T и G(D), приведенных ниже, можно достигнуть инвариантности к изменению полярности. Дифференциально закодированные знаковые информационные биты k' умножаются (по модулю 2) (т.е. фильтруются) в матричном блоке 84 на матрицу Н-T(n-r)xn с целью получения n представляющих смежный класс знаковых битов tk, которые передаются в селектор знаковых битов символов 82. Пример этой матрицы для случая, когда в каждом фрейме передаются шесть символов и один избыточный бит, как определено согласно стандарту ITU V.90, приведен ниже: где D - запаздывание фрейма, которое является запаздыванием, определяемым на основе (временного) индекса фрейма k. Как показано на фиг. 8, селектор знаковых битов символов 82 содержит контроллер выбора 88, который принимает n представляющих смежный класс знаковых битов tk каждого фрейма из генератора представления смежного класса 80 и n значений символов от блока отображения значащих битов 50 (фиг. 4) и выдает закодированные знаковые биты символов sk для каждого фрейма. Контроллер выбора 88 объединяет кандидатные закодированные знаковые биты символов со значениями символов для формирования кандидатных закодированных знаковых символов, которые подаются в фильтр 90. Фильтр 90 вычисляет для каждого кандидата метрику, называемую здесь текущей суммой фильтра (RFS - Running Filter Sum), описываемую ниже, и передает результаты вычислений в контроллер выбора 88, который выбирает закодированные знаковые биты символов, соответствующие кандидатному закодированному знаковому символу, который минимизирует RFS. Работа селектора знаковых битов символов 82 описывается ниже с использованием фиг. 9 и 10. Контроллер выбора 88 модифицирует n представляющих смежный класс знаковых битов tk для каждого фрейма путем выполнения операции ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ над представляющими смежный класс знаковыми битами и допустимыми кодовыми последовательностями сверточного кода. Сверточный код представляет собой множество возможных последо 9 вательностей, определяемых решетчатой диаграммой, а допустимые кодовые последовательности - это последовательности, которые не нарушают ограничений решетчатой диаграммы. Из соображений наглядности контроллер выбора 88 будет использовать один избыточный битr и сверточный код G(D)=[1+D 1 1+D 1 1+D 1]. Для представления этого в терминах решетчатой диаграммы потребуется использования решетчатой диаграммы с двумя состояниями, такой как решетчатая диаграмма 100 (фиг. 9). Ограничения решетчатой диаграммы определяются описанным ниже образом. Для заданного фрейма k контроллер выбора 88 модифицирует n представляющих смежный класс знаковых битов tk путем выполнения операции ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ над ними и определенными последовательностями сверточного кода в соответствии с ограничениями решетчатой диаграммы 100. Последовательности сверточного кода для данного примера имеют следующий вид: А: 000000 (т.е. не делать ничего) В: 111111 (т.е., инвертировать все знаковые биты фрейма j) С: 101010 (т.е. инвертировать все нечетные знаковые биты фрейма j)D: 010101 (т.е. инвертировать все четные знаковые биты фрейма j) Таким образом, в начале фрейма k, если состояние Qk контроллера выбора 88 равно 0,допустимыми последовательностями во фреймеk являются только последовательности сверточного кода А 102 и В 104. В противном случае,если состояние Qk контроллера выбора 88 равно 1, допустимыми последовательностями во фрейме k являются только последовательности сверточного кода С 106 и D 108. Как описано выше, представляющие смежный класс знаковые биты подвергаются операции ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ над ними и каждой допустимой последовательностью сверточного кода,формируя таким образом кандидатные закодированные знаковые биты символов, например,tkА, tkB. Каждый из кандидатов является также элементом смежного класса сверточного кода, определяемого представляющими смежный класс знаковыми битами (или элементом представления смежного класса). Затем каждый из кандидатов комбинируется с значениями символов с целью формирования кандидатных закодированных знаковых символов, которые подаются в фильтр 90 (фиг. 8), где для каждого кандидата вычисляется RFS и возвращается в контроллер выбора 88. Контроллер выбора 88 выдает закодированные знаковые биты символов для фрейма j, которые минимизируют RFS. Текущее состояние Qk вместе с последовательностью сверточного кода закодированных знаковых битов символов, выбранных для фрейма k,используются для определения следующего состояния с учетом ограничений решетчатой диа 001872 10 граммы 100. Например, если для фрейма k выбран кандидат tkB, состояние контроллера выбора 88 в начале фрейма Qk+1 равно 1. Формирование спектра, получаемое с помощью данного изобретения, может быть улучшено путем введения упреждения. А именно, вместо выбора закодированных знаковых битов символов только на основе текущего фрейма, селектор знаковых битов символов 82 для принятия решения о том, какие закодированные знаковые биты символов обеспечивают оптимальное формирование спектра, может использовать значения символов,выдаваемые блоком отображения значащих битов 50 (фиг. 4), и представляющие смежный класс знаковые биты, для текущего фрейма и для будущих фреймов. Стандарт V.90 предусматривает, что возможно использование до трех будущих фреймов в зависимости от величины упреждающего запаздывания, установленной во время инициализации. Метрика формирования спектра RFS, основываясь на передаточной функции фильтраh(D), вычисляется для всех возможных маршрутов (или кандидатных последовательностей) решетчатой диаграммы до упреждающего запаздывания или глубиныфильтром 90, и контроллер выбора выбирает закодированные знаковые биты символов, соответствующие кандидатной последовательности для фрейма k, которая обеспечивает наименьшее значение RFS. Обратимся опять к решетчатой диаграмме 100 (фиг. 9), на которой представлены кандидатные последовательности для глубины упреждения 1. В начале фрейма k, если состояние Qk контроллера выбора 88 равно 0, для фрейма k являются допустимыми только последовательности сверточного кода А 102 и В 104. Однако должны также быть приняты во внимание кодовые последовательности для фрейма k+1. Поскольку для фрейма k кодовые последовательности А 102 и В 104 являются допустимыми, то для фрейма k+1 состояние Qk+1 может быть равно 0 или 1, и следовательно допустимыми являются кодовые последовательности А 102', В 104', С 106' и D 108'. Как описано выше, представляющие смежный класс знаковые биты подвергаются операции ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ над ними и допустимой последовательностью сверточного кода для формирования кандидатных закодированных знаковых битов символов. При использовании упреждения представляющие смежный класс знаковые биты для каждого фрейма k и k+1 подвергаются операции ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ над ними и допустимыми кодовыми последовательностями для каждого из возможных маршрутов решетчатой диаграммы, формируя таким образом кандидатные последовательности. Кандидатными последовательностями для данного примера являются следующие четыре последовательности: 1)tkA, tk+1 А; 2) tkA, tk+1B; 3) tkB,tk+1C и 4) tkB, tk+1D. Определяется зна 11 чение RFS для каждой последовательности и выбираются кандидатные закодированные знаковые биты символов для фрейма k. Работа селектора знаковых битов символов 82 описывается с помощью блок-схемы 120,приведенной на фиг. 10. На шаге 122 контроллер выбора 88 генерирует кандидатные закодированные знаковые биты символов (или кандидатные последовательности в случае упреждения) путем модификации представляющих смежный класс знаковых битов в соответствии с решетчатой диаграммой. Затем на шаге 124 контроллер выбора объединяет значения символов и кандидатные закодированные знаковые биты символов для формирования кандидатных закодированных знаковых символов (или кандидатных последовательностей) и передает их в фильтр 90. На шаге 126 фильтр 90 определяетRFS для каждого кандидата (или кандидатной последовательности) и передает RFS для каждого кандидата (или кандидатной последовательности) в контроллер выбора 88. И, наконец, на шаге 128, контроллер выбора 88 выбирает кандидатные закодированные знаковые биты символов (или кандидатные последовательности),которые минимизируют RFS, и отсылает выбранные закодированные знаковые биты символов. Следует отметить, что данное изобретение может использовать различные сверточные коды G(D), которые представляются с помощью различных решетчатых диаграмм и различных последовательностей сверточного кода. Расширение различных сверточных кодов и кодовых последовательностей в свете приведенного здесь описания может быть легко выполнено специалистом с обычным уровнем подготовки. В общем случае с помощью ИКМ способ формирования спектра согласно данному изобретению формирует спектр аналогового сигнала, передаваемого от ЦАП в ТС 60 (фиг. 5), путем установки характеристики фильтра 90 (фиг. 8) с целью достижения желаемой формы спектра и путем минимизации RFS. Характеристика h(D) фильтра 90,который определяет желаемую форму спектра, может быть описана следующим образом: где A(D) и B(D) - некоторые функции, и а и b вещественные числа, выбираемые с целью достижения желаемой формы спектра. NA и NB определяют количество коэффициентов, используемых в числителе и знаменателе соответственно для представления h(D). RFS может вычисляться посимвольно следующим образом: и RFS для каждого фрейма на примере фрейма k вычисляется как где j - индекс (временной) символа. При использовании кодировщика знакового бита по данному изобретению для обеспечения спектрального нуля при постоянной составляющей RFS представляет собой текущую разность между числом нулей и единиц в сигнале(RDS) и характеристика h(D) фильтра 90 выражается как На основе переданных знаковых символов уk фильтр 90 вычисляет RDS переданных знаковых символов уk в время символа i как где j - индекс (временной) символа, и RDS для каждого фрейма на примере фрейма k вычисляется как где j - индекс (временной) символа. Для упреждения при глубине упрежденияRDS вычисляется следующим образом: где LRDS представляет собой упрежденнуюRDS. Точно так же можно ввести упреждение для обобщенной минимизации RFS как Декодирование знаковых битов Декодировщик знаковых битов 74 в приемнике 64 (фиг. 5), изображенный на фиг. 11,содержит матричный блок 110. В матричном блоке 110 знаковые биты sk умножаются (по модулю 2) (т.е. фильтруются) на матрицу НTnx(nr) с целью восстановления дифференциально закодированных знаковых информационных битов . Пример матрицы HT для случая передачи шести символов во фрейме (n=6) и одного избыточного бита (r=1) приведен в формуле (11): Матрица HT спроектирована таким образом, чтобы ошибка разрешения k вследствие ошибки в принимаемом знаковом сигнале sk не распространялась более чем на один фрейм. Это обеспечивается тем, что HT является матрицей конечной импульсной характеристики (КИС), и имеет место только единичное запаздывание. Для того чтобы продемонстрировать, как каждый из кандидатных закодированных знаковых битов символов, сгенерированных кодировщиком знаковых битов 52 (фиг. 4) для каждого передаваемого фрейма символов, декодируется в те же самые знаковые информационные биты, 13 процесс кодирования и декодирования нужно описать математически. Восстановленные информационные биты (декодирование) могут быть выражены математически следующим образом: и знаковые биты sk (кодирование) могут быть выражены математически следующим образом: Если правую часть уравнения (13) подставить вместо sk в уравнение (12), можно получить следующее уравнение: Выбирая G, HT и Н-T, нужно обеспечить выполнение следующих условий: 1) HTH-T=I (где I - единичная матрица); и 2) GHT=0, и тогда =k будет выполнено независимо от значения rk. В приведенном выше примере решетчатой диаграммы 100 (фиг. 9) имеется один избыточный бит rk, и сверточный код G(D)=[1+D 1 1+D 1 1+D 1]. Поскольку 1rk=rk и Drk=rk-1, rkG(D) эквивалентно rk(1 1 1 1 1 1) + rk-1(1 0 1 0 1 0). Здесь rk-1 представляет собой состояния Qk решетчатой диаграммы, и rk представляет собой ветви или маршруты решетчатой диаграммы. Четыре последовательности сверточного кодаA-D могут быть отображены в rk, rk-1 следующим образом: где кодовые последовательности A-D могут рассматриваться как rkG(D). Поскольку значение rk не влияет на декодирование информационных битов, каждый набор из n знаковых битов, генерируемый различными допустимыми кодовыми последовательностями, может использоваться для получения одной и той же информации декодирования. В результате для выполнения желаемого формирования спектра может быть выбран такой набор из n знаковых битов, который минимизирует RFS/RDS. ИКМ-передача от абонента Способ формирования спектра в соответствии с данным изобретением может также использоваться при коррекции в передатчике аналогового ИКМ модема, используемого для ИКМ-передачи от абонента, с целью выполнения предкодирования. В этом случае характеристика h(D) представляет собой характеристику канала между передающим модемом и АЦП в плате линии телефонной станции (ТС) и обычно отражает влияние фильтрации во входном каскаде передающего модема, аналоговом контуре и плате линии ТС. 14 При использовании принципов данного изобретения выходная последовательность канала х(n) (z(n) с префильтрацией) может быть сгенерирована так, чтобы на входе АЦП получалась последовательность y(D), сигнальные точки которой имитируют уровни А/Ц преобразования. В этом случае целью является минимизация энергии передаваемого сигналаx(D)=y(D)/h(D) при поддержании на входе АЦП малого разброса в созвездиях. Разброс в созвездиях в данном случае нежелателен также потому, что больший разброс в созвездиях может привести к увеличению вызываемого эхом шума квантования и другим ухудшениям. В данной заявке характеристика каналаh(D) обычно будет определяться либо принимающим модемом, либо совместно принимающим и передающим модемами, на основе измерений в канале, выполняемых при инициализации (старт-ап) модема, и затем во время передачи данных передающий модем будет отображать поступающие биты в передаваемую последовательность x(D), которая после прохождения через канал преобразуется в выходную последовательность канала y(D). Характеристика каналаh(D) обычно выбирается минимально фазовой,что легко достигается, например, с помощью дополнительной фильтрации в передатчике. Передатчик 40' (фиг. 12) представляет собой передатчик в аналоговом ИКМ модеме, который может выполнять ИКМ-передачу от абонента. Передатчик 40' использует способ формирования спектра по данному изобретению для предкодирования с помощью блока предкодирования 140, битового потока входных данных 42'. Один из видов предкодирования ИКМпередачи от абонента (называемый одномерным предкодированием, при котором предкодирование осуществляется посимвольно) подробно описывается в заявке на патент США, номер патентного поверенного СХ 096044 Р 02, "Устройство и метод для предкодирования сигналов данных", поданная 29 декабря 1997 г. М. VedatEyuboglu, Pierre A. Humblet и Daeyoung Kim. Блок предкодирования 140 выполняет многомерное предкодирование, т.е. предкодирование осуществляется для каждого фрейма в целом. Данная реализация отличается от одномерного кодирования, но ее концепция аналогична одномерному случаю и с дополнительными подробностями можно ознакомиться в упомянутой выше родственной заявке. Блок предкодирования 140 содержит последовательно-параллельный преобразователь 48', блок отображения значащих битов 50', кодировщик знаковых битов 52' и селектор сигнальной точки 54'. Эти компоненты конфигурируются и функционируют как компоненты с аналогичными номерами на фиг. 4, лишь с небольшими изменениями. Например, функционирование кодировщика знаковых битов изменено с целью выполнения описываемого ниже 15 предкодирования, и селектор сигнальной точки выдает n предкодированных уровней хk для каждого фрейма в соответствии со знаковыми символами уk вместо самих знаковых символов,n предкодированных уровней хk подаются в параллельно-последовательный преобразователь 142, который выдает предкодированные уровни в последовательной форме в префильтр 144. Префильтр 144 фильтрует уровни и выдает отфильтрованные уровни в ЦАП 146, который, в свою очередь, передает предкодированные аналоговые уровни через аналоговый канал 148. Канал модифицирует предкодированные уровни хk и выдает уровни, идеально соответствующие знаковым символам уk, на квантователь в телефонной станции (ТС) 150. Другими словами,блок предкодирования выбирает предкодированные уровни хk, которые обеспечивают уровни, соответствующие желаемым знаковым символам уk, на квантователе, с учетом характеристики аналогового канала 148, или, точнее, целевой характеристики канала h(n). Целевая характеристика канала h(n) равна свертке характеристики префильтра 144 g(n) и характеристики аналогового канала 148 с(n), гдеh(0)=1. Эта взаимосвязь отражается следующим образом: Поскольку h(0) должна равняться 1, уравнение (15) может быть упрощено следующим образом: Значение h(n) в данный момент времени известно и предыдущие значения х(n) также известны. Фильтр 90 (фиг. 8) вычисляет слагаемое уравнения (16) как RFS и передает в контроллер выбора 88. Предшествующие значения х(n) определяются на основе предшествующих символов у(n) из известного соотношенияx(D)=y(D)/h(D) и записываются в фильтр 90, и контроллер выбора 88 работает согласно блоксхеме 120 (фиг. 10), выбирая закодированные знаковые биты символов, минимизирующие х(n). Вместо отсылки знаковых символов у(n) передаются предкодированные уровни. В дополнение к описанным выше операциям отображения необходимо также включить модули подавления эха, которые разделяют два направления передачи,интерполирующий фильтр синхронизации, который обеспечивает передачу символов в синхронизации с таймером. Этот интерполирующий фильтр синхронизации обычно управляется схемой восстановления синхронизации, используемой в приемнике,выполняющем прием данных. Передатчик может также содержать линейный фильтр, который отвечает в первую очередь за ограничение ширины полосы пропускания передачи до приблизительно 4 кГц и обеспечение необходимой 16 префильтрации, которая делала бы общую характеристику канала h(D) минимально фазовым. Далее, в практической системе для повышения устойчивости к шуму может использоваться один из видов треллис-кодирования. Например, могут использоваться способы треллискодирования, описанные в упомянутой выше заявке, озаглавленной "Система, устройство и способ связи с использованием треллис-кодов узкополосных сигналов, выбираемых из фиксированного набора точек узкополосных сигналов", поданной 14 ноября 1996 г., заявка на патент США 08/749040, (номер патентного поверенногоСХ 096050). Эта заявка включена сюда целиком путем ссылки. Функционирование системы, по существу, не затрагивается треллис-кодированием. Следует отметить, что данное изобретение может быть реализовано в виде программ или микропрограмм, которые могут храниться на компьютерном носителе, таком как компьютерный диск или микросхема памяти. Изобретение может принимать форму сигнала компьютерных данных, представляемого в виде несущей волны, как в случае, когда изобретение реализуется в виде программ/микропрограмм, которые передаются с помощью электрических сигналов,например, через Интернет. Данное изобретение может быть реализовано в других специфических формах без отклонения от его сущности или основных признаков. Описанные реализации могут рассматриваться во всех отношениях только как иллюстративные, а не ограничивающие. Таким образом, область действия изобретения указывается прилагаемой формулой изобретения, а не предшествующим описанием. Все изменения, которые производятся в пределах смысла и диапазона в пределах эквивалентности данной формуле,должны рассматриваться как охватываемые ее областью действия. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система для пофреймовой передачи от передатчика битов цифровой информации, которые кодируются в заранее заданное число знаковых символов на фрейм, для передачи по сети в приемник, в которой передаваемые знаковые символы имеют желаемую форму спектра, причем упомянутые биты цифровой информации являются разделенными на первое заранее заданное число значащих информационных битов и второе заранее заданное число знаковых информационных битов на фрейм, где упомянутый передатчик содержит: блок отображения значащих битов для отображения значащих информационных битов в заранее заданное число значений символов на фрейм; кодировщик знаковых битов для кодирования знаковых информационных битов в зара 17 нее заданное число закодированных знаковых битов символов на фрейм, и селектор сигнальной точки, функциониpующий в ответ на выходы блока отображения значащих битов и кодировщика знаковых битов, который объединяет значения символов и закодированные знаковые биты символов для формирования заранее заданного числа передаваемых знаковых символов на фрейм; и упомянутый кодировщик знаковых битов содержит: генератор представления смежного класса,который генерирует для каждого фрейма представляющие смежный класс знаковые биты для знаковых информационных битов, определяющие представляющий смежный класс элемент для сверточного кода, который определяет смежный класс сверточного кода, содержащий кандидатные закодированные знаковые биты символов, и селектор знаковых битов символов, функционирующий в ответ на представляющие смежный класс знаковые биты и значения символов, который выбирает из кандидатных закодированных знаковых битов символов такие закодированные знаковые биты символов, которые порождают передаваемые знаковые символы с желаемой формой спектра. 2. Система по п.1, в которой упомянутое первое заранее заданное число значащих информационных битов составляет m битов, и упомянутое второе заранее заданное число знаковых информационных битов составляет (n-r) битов, где n - упомянутое заранее заданное число символов во фрейме, и r - число избыточных битов, используемых кодировщиком знаковых битов. 3. Система по п.2, в которой генератор представления смежного класса содержит блок дифференциального кодирования для дифференциального кодирования заранее заданных позиций битов из (n-r) битов, подаваемых в кодировщик знаковых битов, для достижения инвариантности к инверсии полярности. 4. Система по п.3, в которой блок отображения значащих битов отображает m значащих информационных битов в n символов на фрейм с использованием алгоритма остаточного отображения. 5. Система по п.4, в которой генератор представления смежного класса содержит также матричный блок, который умножает (n-r) знаковых информационных битов на матрицу H-T для получения n представляющих смежный класс знаковых битов на фрейм. 6. Система по п.5, в которой селектор знаковых битов символов содержит контроллер выбора и фильтр, где контроллер выбора содержит: логические схемы для генерирования из представляющих смежный класс знаковых би 001872 18 тов кандидатных закодированных знаковых битов символов; логические схемы для объединения кандидатных закодированных знаковых битов символов со значениями символов с целью формирования кандидатных закодированных знаковых символов; и где фильтр содержит: логические схемы, функционирующие в ответ на кандидатные закодированные знаковые символы, для определения текущей суммы фильтра (RFS) для каждого из кандидатных закодированных знаковых символов, и логические схемы для подачи RFS для каждого из кандидатных закодированных знаковых символов в контроллер выбора; и где контроллер выбора дополнительно содержит: логические схемы, функционирующие в ответ на вычисленные RFS для каждого из кандидатных закодированных знаковых символов,для выбора закодированных знаковых битов символов, соответствующих закодированному кандидатному знаковому символу с минимальной вычисленной RFS. 7. Система по п.5, в которой селектор знаковых битов символов использует упреждение и содержит контроллер выбора и фильтр, где контроллер выбора содержит: логические схемы для генерирования из представляющих смежный класс знаковых битов кандидатных последовательностей закодированных знаковых битов символов; логические схемы для объединения кандидатных последовательностей со значениями символов с целью формирования кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов; где фильтр содержит: логические схемы, функционирующие в ответ на кандидатные последовательности закодированных знаковых символов, для определения RFS для каждой из кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов, и логические схемы для подачи RFS для каждой из кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов в контроллер выбора; и где контроллер выбора дополнительно содержит: логические схемы, функционирующие в ответ на вычисленные RFS для каждой из кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов, для выбора закодированных знаковых битов символов, соответствующих закодированному кандидатному знаковому символу с минимальной вычисленной RFS. 8. Система по п.7, в которой RFS для i-го символа определяется фильтром по следующей формуле где NA - первое количество коэффициентов, NB первое количество коэффициентов, у - символ сигнала, а и b - вещественные числа, выбираемые так,чтобы обеспечивать желаемую форму спектра. 9. Система по п.8, в которой RFS пофреймово для k-го фрейма определяется по формуле где j - индекс (временной) символа. 10. Система по п.9, в которой RFS определяется с использованием упреждения следующим образом: где- глубина упреждения. 11. Система по п.10, в которой приемник содержит блок извлечения значения символа и знака, который разделяет переданные знаковые символы на закодированные знаковые биты символов и значения символов, и декодировщик знаковых битов, который декодирует закодированные знаковые биты символов в знаковые информационные биты. 12. Система по п.11, в которой декодировщик знаковых битов содержит матричный блок,содержащий матрицу НT, на которую умножаются закодированные знаковые биты символов для восстановления знаковых информационных битов. 13. Система по п.12, которая дополнительно содержит блок дифференциального декодирования, который дифференциально декодирует заранее заданные позиции битов восстановленных знаковых информационных битов. 14. Система по п.13, которая дополнительно содержит преобразователь октетов, функционирующий в ответ на выход селектора сигнальной точки, для передачи по сети октетов,соответствующих знаковым символам. 15. Система по п.13, в которой n равно шести, r равно единице, и матрица H-T определяется следующим образом: где D - запаздывание фрейма. 16. Система из п.15, в которой сверточный код определяется следующим образом: 17. Система по п.16, в которой матрица HT определяется следующим образом: 18. Система по п.7, в которой RFS представляет собой текущую разность между числом 20 нулей и единиц в сигнале (RDS), и RDS для i-го символа определяется фильтром следующим образом: где j - индекс (временной) символа. 19. Система по п.18, в которой RDS пофреймово для k-го фрейма определяется фильтром следующим образом: где j - индекс (временной) символа. 20. Система по п.19, в которой RDS определяется с использованием упреждения следующим образом: где- глубина упреждения. 21. Способ пофреймовой передачи от передатчика битов цифровой информации, которые кодируются в заранее заданное число знаковых символов на фрейм, для передачи по сети в приемник, при этом символы имеют желаемую форму спектра, упомянутые биты цифровой информации являются разделенными на первое заранее заданное число значащих информационных битов и второе заранее заданное число знаковых информационных битов на фрейм, включающий: отображение значащих информационных битов в заранее заданное число значений символов на фрейм; кодирование знаковых информационных битов в заранее заданное число закодированных знаковых битов символов на фрейм, и объединение значений символов и закодированных знаковых битов символов для формирования заранее заданного числа передаваемых знаковых символов на фрейм; и операция кодирования включает: генерирование для каждого фрейма представляющих смежный класс знаковых битов для знаковых информационных битов, определяющих представляющий смежный класс элемент для сверточного кода, который определяет смежный класс сверточного кода, содержащий кандидатные закодированные знаковые биты символов, и осуществление выбора, используя представляющие смежный класс знаковые биты и значения символов, из кандидатных закодированных знаковых битов символов таких закодированных знаковых битов символов, которые порождают передаваемые знаковые символы с желаемой формой спектра. 22. Способ по п.21, в котором упомянутое первое заранее заданное число значащих информационных битов составляет m битов, и упомянутое второе заранее заданное число знаковых информационных битов составляет (n-r) битов, где n - упомянутое заранее заданное чис 21 ло символов во фрейме, и r - число избыточных битов, используемых на операции кодирования. 23. Способ по п.22, в котором операция генерирования включает дифференциальное кодирование заранее заданных позиций битов из(n-r) битов для достижения инвариантности к инверсии полярности. 24. Способ по п.23, в котором операция отображения значащих битов отображает m значащих информационных битов в n символов на фрейм с использованием алгоритма остаточного отображения. 25. Способ по п.24, в котором операция генерирования дополнительно включает умножение (n-r) знаковых информационных битов на матрицу Н-T для получения n представляющих смежный класс знаковых битов на фрейм. 26. Способ по п.25, в котором операция выбора включает: генерирование из представляющих смежный класс знаковых битов кандидатных закодированных знаковых битов символов; объединение кандидатных закодированных знаковых битов символов со значениями символов с целью формирования кандидатных закодированных знаковых символов; определение RFS для каждого из кандидатных закодированных знаковых символов и подачу RFS для каждого из кандидатных закодированных знаковых символов в контроллер выбора, и выбор закодированных знаковых битов символов, соответствующих закодированному кандидатному знаковому символу с минимальной вычисленной RFS. 27. Способ по п.25, в котором операция выбора использует упреждение и включает: генерирование из представляющих смежный класс знаковых битов кандидатных последовательностей закодированных знаковых битов символов; объединения кандидатных последовательностей со значениями символов с целью формирования кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов; определение RFS для каждой из кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов, и подача RFS для каждой из кандидатных последовательностей закодированных знаковых символов в контроллер выбора, и выбор закодированных знаковых битов символов, соответствующих закодированному кандидатному знаковому символу с минимальной вычисленной RFS. 28. Способ по п.27, в котором RFS для i-го символа определяется по следующей формуле 29. Способ по п.28, в котором RFS пофреймово для k-го фрейма определяется по формуле где j - индекс (временной) символа. 30. Способ по п.29, в котором RFS определяется с использованием упреждения следующим образом: где- глубина упреждения. 31. Способ по п.30, который дополнительно включает, в приемнике, разделение переданных знаковых символов на закодированные знаковые биты символов и значения символов и декодирование закодированных знаковых битов символов в знаковые информационные биты. 32. Способ по п.31, в котором операция декодирования включает умножение закодированных знаковых битов символов на матрицу НT для восстановления знаковых информационных битов. 33. Способ по п.32, который дополнительно включает дифференциальное декодирование заранее заданных позиций битов восстановленных знаковых информационных битов. 34. Способ по п.33, который дополнительно включает передачу по сети октетов, соответствующих знаковым символам. 35. Способ по п.33, в котором n равно шести, r равно единице, и матрица Н-T определяется следующим образом: 36. Способ по п.35, в котором сверточный код определяется следующим образом: 37. Способ по п.36, в котором матрица НT определяется следующим образом: 38. Способ по п.27, в котором RFS представляет собой текущую разность между числом нулей и единиц в сигнале (RDS), и RDS для i-го символа определяется фильтром следующим образом: где j - индекс (временной) символа. 39. Способ по п.38, в котором RDS пофреймово для k-го фрейма определяется фильтром следующим образом: где j - индекс (временной) символа. 23 40. Способ по п.39, в котором RDS определяется с использованием упреждения следующим образом: где- глубина упреждения. 41. Система пофреймового предкодирования в передатчике битов цифровой информации в заранее заданное число предкодированных уровней на фрейм, причем упомянутые биты цифровой информации являются разделенными на первое заранее заданное число значащих информационных битов и второе заранее заданное число знаковых информационных битов на фрейм, которая содержит: блок отображения значащих битов для отображения значащих информационных битов в заранее заданное число значений символов на фрейм; кодировщик знаковых битов для кодирования знаковых информационных битов в заранее заданное число закодированных знаковых битов символов на фрейм, и селектор сигнальной точки, функциониpующий в ответ на выходы блока отображения значащих битов и кодировщика знаковых битов, который объединяет значения символов и закодированные знаковые биты символов для формирования заранее заданного числа передаваемых знаковых символов на фрейм и выдает предкодированные уровни, соответствующие этим знаковым символам; и упомянутый кодировщик знаковых битов содержит: генератор представления смежного класса,который генерирует для каждого фрейма представляющие смежный класс знаковые биты для знаковых информационных битов, определяющие представляющий смежный класс элемент для сверточного кода, который определяет смежный класс сверточного кода, содержащий кандидатные закодированные знаковые биты символов, и селектор знаковых битов символов, функционирующий в ответ на представляющие смежный класс знаковые биты и значения символов, который выбирает закодированные знаковые биты символов из кандидатных закодированных знаковых битов символов. 42. Способ пофреймового предкодирования в передатчике битов цифровой информации в заранее заданное число предкодированных уровней на фрейм, причем упомянутые биты цифровой информации являются разделенными на первое заранее заданное число значащих информационных битов и второе заранее заданное 24 число знаковых информационных битов на фрейм, который включает: отображение значащих информационных битов в заранее заданное число значений символов на фрейм; кодирование знаковых информационных битов в заранее заданное число закодированных знаковых битов символов на фрейм, и объединение значений символов и закодированных знаковых битов символов для формирования заранее заданного числа передаваемых знаковых символов на фрейм и выдачу предкодированных уровней, соответствующих этим знаковым символам; и шаг кодирования включает: генерирование для каждого фрейма представляющих смежный класс знаковых битов для знаковых информационных битов, определяющих представляющий смежный класс элемент для сверточного кода, который определяет смежный класс сверточного кода, содержащий кандидатные закодированные знаковые биты символов; выбор, с использованием представляющих смежный класс знаковых битов и значений символов, закодированных знаковых битов символов из кандидатных закодированных знаковых битов символов. 43. Приемник для пофреймового приема из сети битов цифровой информации, закодированных передатчиком в заранее заданное число знаковых символов на фрейм, причем переданные знаковые символы имеют желаемую форму спектра, упомянутые биты цифровой информации являются разделенными на первое заранее заданное число значащих информационных битов и второе заранее заданное число знаковых информационных битов на фрейм, который содержит: блок извлечения значения символа и знака,который разделяет переданные знаковые символы на закодированные знаковые биты символов и значения символов; блок обратного отображения значащих битов, который декодирует закодированные значения символов в значащие информационные биты, и декодировщик знаковых битов, который декодирует закодированные знаковые биты символов в знаковые информационные биты; где декодировщик знаковых битов содержит матричный блок, содержащий матрицу НT,на которую умножаются закодированные знаковые биты символов для восстановления знаковых информационных битов. 44. Приемник по п.43, в котором матрица