Brevet FR2524742A1 — publié le 19831007

$ 2474 t La présente invention concerne de façon générale les techniques de transmission de données numériques, dans lesquelles on utilise des circuits téléphoniques commutés en tant que supports de transmission, et elle porte plus parti- culièrement sur un modem perfectionné pour réaliser une telle transmission. La transmission de données numériques entre des em- placements distants au moyen de circuits téléphoniques commu- tés se répand de plus en plus On utilise le réseau télépho- nique à cause de la commodité qu'offre un système existant qui interconnecte des emplacements entre lesquels on désire transmettre des données Du fait que le but principal du ré- seau téléphonique est de transmettre uniquement des communi- cations vocales, les circuits téléphoniques sont très limités en ce qui concerne leur aptitude à transmettre des données. Par conséquent, une attention considérable a été portée au problème d'utiliser au maximum les circuits téléphoniques dis- ponibles pour la transmission de données Une limitation de principe des circuits téléphoniques pour la transmission de données réside dans leur largeur de bande étroite, correspon- dant essentiellement à une gamme qui s'étend environ de 100 Hz à 3200 Hz On a développé des modems pour interconnecter des équipements numériques aux circuits téléphoniques de manière à utiliser ces circuits Du fait que la cadence des données numériques qui peuvent 4 tre transmises dépend de la largeur de bande du circuit téléphonique qui peut être utilisé, le dé- veloppement des modems a visé dans une large mesure à mieux utiliser les largeurs de bande de circuit disponibles L'uti- lisation des circuits téléphoniques bifilaires courants, qui transmettent simultanément des signaux dans les deux direc- tions,crée des problèmes dans la transmission de données en duplex Il appara t généralement des échos des données émises à une extrémité d'un circuit et ces échos sont reçus à cette extrémité avec les signaux de données désirés On distingue deux composantes de tels échos indésirables: premièrement, il y a un écho provenant d'un emplacement éloigné qui est no- tablement atténué par le circuit téléphonique mais qui est également fortement imprévisible, à cause des caractéristiques t St 6 ? 42 variant au cours du temps des circuits téléphoniques inter- urbains La seconde composante est un écho local qui se pro- duit dars la partie du circuit téléphonique située à l'em- placement émetteur, et cet écho local a un niveau de signal très élevé mais il est généralement plus aisément prévisible, du fait qu'il n'a été traité que par des éléments linéaires invariants dans le temps Le but recherché en ce qui concer- ne le traitement de ces échos est de réduire à un niveau to- lérable les erreurs de données qu'ils prcduisent On élimine le problème en utilisant des circuits téléphoniques séparés (c'est-à-dire des circuits à ligne louée à quatre fils), pour transmettre indéDendan=ert les données dans chaque direction entre deux emplacements, mais il est cependant généralement plus souhaitable d'être capable d'utiliser un seul circuit téléphonique commuté du type installé n'importe o, ce qui fait qu'on doit résoudre ces problèmes d'écho La transmis- sion de données sur un seul circuit téléphonique bifilaire dans une seule direction à la fois (fonctionnement à l'alter- nat) élimine également ces problèmes, mais on désire égale- ment être capable de transmettre des données simultanément dans les deux directions (fonctionnement en duplex). Une technique couramment utilisée avec les modems téléphoniques existants consiste à utiliser des parties sépa- rées de la largeur de bande des circuits téléphoniques pour l'émission et la réception Pour éviter les problèmes d'écho, ces deux bandes sont fortement séparées par des filtres de façon à être indépendantes ce qui fait qu'on n'utilise pas une partie importante de la largeur de bande disponible des circuits téléphoniques Ceci entraîne une limitation importan- te de la cadence de données utilisable, à cause de la largeur de bande limitée des canaux d'émission et de réception. Il est également suggéré dans la littérature tech- nique d'utiliser la largeur de bande complète du circuit téléphonique pour la transmission simultanée de données dans les deux directions Il est suggéré d'éliminer les échos in- désirables qui entraînent un brouillage entre les deux canaux, par la prédiction à chaque modem de l'écho qui sera reçu par ce modem sous l'effet des données qu'il émet, le signal d'écho ?é? 42 prédit étant ensuite soustrait du signal reçu pour éliminer les effets de l'écho La technique d'annulation d'écho est généralement satisfaisante pour éliminer les effets de l'écho local, mais les échos lointains sont très imprévisibles et extrêmement difficiles à éliminer, du fait qu'ils ont passé dans des éléments qui varient au cours du temps, dans le ré- seau de transmission téléphonique Il en résulte que cette technique proposée n'a été employée dans aucun équipement pratique capable de transmettre des données avec un taux d'er- reurs suffisamment bas pour 9 tre acceptable. Un but essentiel de l'invention est donc d'offrir une technique perfectionnée pour transmettre à grande vitesse des données numériques en duplex par des circuits téléphoni- ques commutés, par une utilisation efficace de la largeur de bande disponible des circuits téléphoniques, avec également avec un taux d'erreur suffisamment bas pour 9 tre acceptable. L'invention a également pour but de procurer un mo- dem téléphonique de structure simple pour accomplir une telle transmission de données. Les divers aspects de l'invention permettent d'at- teindre ces buts ainsi que d'autres On peut dire succinctement que l'invention consiste à transmettre des données dans les deux directions sur des lignes téléphoniques commutées ordinai- res, dans des parties séparées de la bande qui occupent con- jointement la totalité de la bande utilisable des circuits téléphoniques, au point de se chevaucher mutuellement vers le milieu de cette bande La valeur du chevauchement est suffi- samment grande pour que des perturbations des signaux produi- tes par l'écho local agissant seul conduisent à un taux d'er- reurs de données inacceptablement élevé, mais, simultanément, le chevauchement est suffisamment faible pour que les pertur- bations des signaux produites par l'écho lointain agissant seul soient normalement acceptables Les signaux d'écho loin- tain qu'il est impossible de prédire sont réduits à un niveau acceptable par une combinaison de l'atténuation du réseau de transmission téléphonique et de l'atténuation des filtres de séparation de bandes du modem Les signaux d'écho local qu'on peut prédire, qui poseraient normalement un problème, sont 24 t I 4741 - rratique-ent éliminés -ar une technique d'annulation d'écho. Il en res:lte un disp;ositif de télécommunication qui utilise pleine:-ent la large-ur de bande limitée des circuits télépho- rniques ordinaires TL'utilisation de ces techniques permet de réaliser une transmission de données en duplex à 4800 bits par seconde avec un très faible taux d'erreurs des données. L'ar Lulation de l'écho local est accomplie dans cha- que modem en contrôlant les données émises dans l'une des deux parties de la bande et en prévoyant à partir d'elles, connaissant les caractéristiques du chemin d'écho local, la composante de données reçue dans l'autre partie de la bande qui est produite par une telle émission On soustrait ensuite le signal d'écho prévu du signal reçu L'application au pro- blème présent de la technique d'annulationd'écho de l'art antérieur est compliquée par le fait que les données sont émi- ses et reçues dans des bandes de fréquence nominalement sé- parées Les opérations de traitement numérique des signaux qui interviennent dans la modulation du signal émis et la dé- modulation du signal reçu doivent être effectuées à une ca- dence d'échantillonnage égale à plusieurs fois la cadence de baud Un annuleur d'écho de l'art antérieur devrait également fonctionner à cette cadence, conduisant ainsi à une réalisa- tion très coûteuse L'invention offre une supériorité dans la mesure o la totalité de l'annulation d'écho (y compris la correction pour tenir compte des opérations de modulation/dé- modulation) est accomplie à la cadence de baud L'annuleur d'écho comprend un filtre ayant des caractéristiques corres- pondant aux composantes invariantes dans le temps du chemin local et, en cascade, des caractéristiques qui correspondent à une composante variant dans le temps qui est obtenue à par- tir d'une différence entre les deux fréquences porteuses. L'avantage de cette technique réside dans sa simplicité Bien que cette configuration soit particulièrement avantageuse dans la technique particulière de transmission de données décrite ici, elle est également utile avec d'autres architecturesde transmission. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se ^ 25 t 4 ? 43 référant aux dessins a:nexés sur lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de transmission de données numériques qui utilise des circuits téléphoniques, conformément aux divers aspects de l'invention; La figure 2 montre la répartition des bandes dans le dispositif de transmission de la figure 1; La figure 3 est un schéma synoptique montrant un mode de réalisation d'un modem utilisé dans le dispositif de transmission de la figure l; La figure 4 est un organigramme montrant les prin- cipales fonctions de traitement du modem de la figure 3; et La figure 5 est une variante de l'organigramme de la figure 4 montrant le mode d'apprentissage de l'annuleur d'écho. On va maintenant considérer la figure 1 pour décri- re de façon générale un dispositif de transmission qui utili- se les divers aspects de l'invention Le dispositif a pour but d'assurer la communication entre un équipement numérique 11 situé à un premier emplacement et un second équipement nu- mérique 13 situé à un autre emplacement L'équipement numéri- que 11 présente sur une sortie 15 des données destinées à être transmises vers l'équipement numérique 13 par des circuits 17. De façon similaire, l'équipement 13 présente à un circuit 19 des données destinées à être transmises vers l'équipement 11, par-un circuit 21 L'équipement numérique 11 comprend un modem 23 destiné à assurer l'interface entre l'équipement numérique il et un circuit téléphonique bifilaire classique 25 De façon similaire, à l'emplacement lointain, l'équipement 13 comprend un modem 27 destiné à assurer l'interface avec un circuit téléphonique bifilaire 290 De façon caractéristique, les circuits téléphoniques et 29 assurent la connexion entre les locaux d'habitation ou professionnels d'un abonné, o se trouvent les équipements numériques et les modems respectifs, et des centraux télépho- niques 31 et 33 Entre centraux téléphoniques, la plupart des réseaux téléphoniques communiquent au moyen de circuits bifilaires séparés 35 et 37, chacun d'eux acheminant les si- t 5 t 4742 gnaux dans une seule direction On utilise spécifiquement un transformateur différentiel 39 pour connecter les circuits de transmission séparés 35 et 37 ait circuit bifilaire 25, dans lequel la transmission s'effectue simultanément dans les deux directions De façon similaire, un transformateur différentiel 41 est placé au central téléphonique 33 pour connecter les circuits séparés 35 et 37 au circuit bifilaire unique 29 Ces circuits téléphoniques sont d'une nature telle qu'il existe dans chaque direction, entre les points extrêmes du dispositif de transmission, une atténuation du signal qui va de quelques décibels jusqu'à 35 décibels et peut-Ctre méme plus dans cer- tains circuits. les modems 23 et 27 ont une configuration similaire, à l'exception du fait que la plage des fréquences émises de l'un est la plage des fréquences reçues de l'autre En exami- nant le modem 23, considéré comme caractéristique, on voit qu'un émetteur 43 reçoit les données numériques à émettre, ap- pliquées par les circuits 15, et les convertit en signaux en bande vocale qui sont appliqués à une paire de conducteurs 45. Un récepteur 47 reçoit les signaux de données en bande vocale présents sur une paire de conducteurs 49 et il convertit ces signaux en données numériques dans le circuit 21 Un transfor- mateur différentiel 51 connecte les deux paires de conducteurs et 49 au circuit de transmission téléphonique bifilaire unique 25 Un circuit annuleur d'écho 53, qu'on décrira en détail par la suite, reçoit en entrée les données qui sont émises sur le circuit téléphonique 25, par l'émetteur 43, et il élabore à partir d'elles un signal qui est soustrait de celui du récepteur 47, dans le but de supprimer toute partie du signal reçu qui est due à une émission à partir de la même extrémité du dispositif de transmission. On va maintenant considérer la figure 2 pour expli- quer un exemple de bande d'émission et de réception pour les modems 23 et 27 de la figure 1 La largeur de bande utilisable maximale d'un circuit téléphonique caractéristique est repré- sentée entre une fréquence basse 57 d'environ 100 Hz et une fréquence maximale indiquée en 59, d'environ 3200 Hz Une partie 61 de cette bande achemine des signaux de données dans t 5 t? 4743, le circuit téléphonique dans une première direction, tandis qu'une autre partie 63 achemine de tels signaux dans une di- rection opposée Les parties de bande 61 et 63 sont modelées par des filtres qui font partie de l'émetteur 43 et du récep- teur 47 Elles ont des côtés inclinés du fait que des filtres pratiques, qu'ils soient sous forme analogique ou numérique, ne produisent pas des flancs de bande abrupts Si on affecte la valeur zéro décibel au maximum des courbes 61 et 63, la ligne de base représentée sur la figure 2 est au voisinage de -60 décibels, pour l'exemple décrit. On notera sur la figure 2 que les bandes d'émission et de réception indiquées par les courbes 61 et 63 se chevau- chent quelque peu vers le milieu de la bande téléphonique, et on va maintenant expliquer davantage ceci On va considérer par exemple que l'émetteur 43 de la figure 1 fonctionne dans la partie de bande 63 et que son récepteur 47 fonctionne dans la partie de bande 61 Dans le modem 27 situé à l'extrémité opposée de la voie de transmission, l'émetteur fonctionne dans la partie de bande 61 et le récepteur fonctionne dans la par- tie de bande 63 A cause du chevauchement des courbes 61 et 63, on doit prendre en considération et traiter des effets d'écho des circuits téléphoniques En retournant à la figure 1, on note qu'un chemin d'écho lointain pour des signaux émis par le modem 23 s'étend depuis ce modem jusqu'au transforma- teur différentiel 41, en passant par les circuits téléphoni- ques 25 et 37, puis retourne vers le modem 23 par les parties de circuits téléphoniques 35 et 25 Si le circuit téléphonique entre les centraux téléphoniques 31 et 33 comporte une instal- lation à courants porteurs, ses caractéristiques sont sujettes à de fortes variations, et il y a en outre habituellement un niveau élevé de gigue de phase Les signaux d'écho lointain provenant de l'émetteur 43 et retournant vers le récepteur 47 sont notablement atténués, du fait de la nature des circuits téléphoniques Une atténuation supplémentaire par un filtre incorporé au récepteur peut donc réduire les signaux d'écho lointain à un niveau tolérable Un chemin d'écho local s'étend du modem 23 vers le transformateur différentiel 39 et retourne vers le modem 23 par le circuit bifilaire 25 Le chemin d'écho ast 2 ? 43 local n'a qu'unie faible aténuation, ce qui fait que l'écho local qui re-+c:*e v-ers le mode;+ est extre::ent ort par rapport au niveau d'un signal provenant du modern lointain, qui est fortement atténué Cependant, du fait que le chemin d'écho local ne contient pas d'éléments qui varient dans le temps, on peut prédire le signal d'écho local avec une gran- de précision et on peut l'éliminer du signal reçu au moyen de l'annuleur d'écho 53. La manière selon laquelle on traite les échos local et lointain dépend du taux d'erreurs acceptable dans les don- nées reçues Si une fraction élevée des données peut 4 tre er- ronée dans une application particulière, il peut demeurer un niveau élevé de signaux d'écho Cependant, dans la plupart des cas, on désire maintenir le taux d'erreurs des données à un niveau très bas, ce qui fait que les signaux d'écho peu- vent être un problème effectif et on doit les éliminer ou les réduire notablement Le chevauchement des parties de bande 61 et 63, ainsi que l'utilisation d'un circuit d'annulation d'écho dans chacun des modems, réduisent les signaux d'écho à des niveaux tolérables pour une transmission de données de haute qualité, et font également une utilisation maximale de la largeur de bande disponible des circuits téléphoniques, ce qui a pour résultat de permettre une transmission à grande vitesse de ces données. La valeur du chevauchement 65 des courbes 61 et 63 est limitée par la valeur d'écho lointain qu'on peut tolérer. Du fait que le récepteur 47 du modem 23 accepte tous les si- gnaux compris dans la partie de bande 63, par exemple, une partie de ces signaux se trouvant dans la partie de chevauche- ment 65 peut provenir de l'émetteur qui émet des signaux dans la partie de bande 61 Naturellement, le récepteur du modem 23 ne désire pas recevoir ce signal d'écho, mais désire seule- ment recevoir ce qui est émis par l'émetteur du modem opposé 27 On peut maintenir la partie de chavauchement 65 des cour- bes 61 et 63 à un niveau inférieurouéglcealiauqull'g Sholoin- tain fait que le taux d'erreurs des données dépasse un niveau maximal désiré. Ainsi, on peut traiter essentiellement le signal * 524742 d'écho lointain en maintenant la puissance d'un tel signal au-dessous d'un niveau auquel il n'est pas nuisible L'écho local n'est pas éliminé aussi aisément, du fait que -on ni- veau de signal est beaucoup plus élevé, lorsqu'il est réflé- chi vers le récepteur du modem Cependant, son caractère pré- visible, comme on l'a envisagé précédemment, permet de l'éli- miner du signal reçu, comme on l'envisage ci-dessous. Les données numériques traitées par chacun des équipements 11 et 13 sont acheminées dans un signal en bande de base Ce signal est transposé dans les modems de cette barde de base vers l'une des bandes passantes 61 ou 63, par l'utilisation d'une fréquence porteuse respective fl ou f 2. La fréquence fl est la fréquence centrale de la bande 61 et la fréquence f 2 est la fréquence centrale de la bande 63 Dans un exemple particulier, ces fréquences centrales sont respec- tivement de 975 Hz et 2325 Hz Dans cet exemple, la largeur de bande à 3 d B de chacune des courbes 61 et 63 est de 1200 Hz La largeur de chaque région de transition depuis le point correspondant à la réponse à 3 d B, jusqu'à un niveau inférieur de 60 d B;est de 300 Hz On donne à cette région une pente aus- si raide que possible, compte tenu d'une complexité tolérable du matériel et du logiciel. Il existe de nombreuses manières de réaliser un tel modem,aussi bien par matériel que par logiciel Il est préférable de réaliser par logiciel une partie importante du modem La figure 3 montre un dispositif qui permet une telle réalisation Bien que les canaux d'émission et de réception aient des éléments de traitement communs, on peut toujours les considérer comme séparés, pour les besoins de la descrip- tion. En considérant initialement le chemin d'émission, on voit que des données numériques sous forme série sont re- çues par un circuit 15 à partir d'un ordinateur ou d'un autre dispositif numérique, pour être transmises vers un emplacement lointain Les données sont appliquées à un processeur de com- mande 71 qui exécute un programme pour accomplir les opéra- tior S d'embrouillage (pour "blanchir" les données), de codage en code Gray, et de codage différentiel des données Ces opé- Z 56 t 4 Z 2 rations, ainsi que leurs buts et les techniques pour les ac- cc: lir sont bien connus Le signal d'entrée de données sé- rie apllioué au prccesse-ur de commande 71, par la ligne 15, est à zne cadence de 4800 bits par seconde (ce qu'on peut également écrire 4800 s-1) Le circuit 73 achemine vers un -rocesseur de signal 75 des données binaires en groupes de quatre bits en parallèle (chaque groupe est appelé un qua- druplet) Ce transfert de données en quadruplets s'effectue en synchronisme avec une horloge de baud à la cadenca de -1 1200 S 1 Des signaux de conmmande appropriés sont également trans:mis du processeur de conmmande 71 vers le processeur de signal 75 par le circuit 77 Des circuits de commande supplé- mentaires 79 transmettent des signaux de commande du proces- seur 71 vers des éléments ultérieurs. Grâce à son matériel et son logiciel de commande, le processeur de signal 75 réagit à un signal d'entrée de données sous forme de quadruplets dans le circuit 73 en gé- nérant des signaux numériques dans un circuit de sortie 81, d'une manière qu'on décrira ci-après de façon plus détaillée en relation avec la figure 4 Ces signaux, qui correspondent exactement aux signaux analogiques à appliquer à une voie téléphonique pour la transmission vers un modem distant, se présentent sous la forme d'échantillons numériques qui sont appliqués de manière asynchrone, par paquets de huit, à l'en- trée d'un registre à décalage 83 du type premier entré-pre- mier sorti Ces paquets sont appliqués une fois par baud (à une cadence de 1200 s-1), ce qui fait que la cadence moyenne à laquelle le processeur de signal 75 applique des échantil- lons de sortie aux circuits 81 est de 9600 s-1. Un signal de sortie du registre à décalage 83, dans les circuits 85, est échantillonné et appliqué à un conver- tisseur numérique-analogique 87 à une cadence uniforme de 9600 S 1, en synchronisme dans le rapport 8/1 avec une hor- loge de cadence de baud à 1200 S 1 (non représentée) Un si- gnal de sortie du convertisseur numérique-analogique 87, dans les circuits 89, se présente sous la forme d'impulsions en modulation d'impulsions en amplitude (MIA), dans lesquelles chaque impulsion a une durée de 1/9600 seconde Ces impulsions Z$ 474 U 1 1 sont appliquées à un circuit 91 consistant en un filtre pas- se-bas analogique et u, amplificateur, qui a une fréquence de coupure voisine de 3400 Hz, afin de réduire les composan- tes spectrales de haute fréquence du signal émis à un niveau inférieur à celui spécifié par l'exploitant du réseau télé- phonique Une sortie du filtre/amplificateur 91 est cornectée au circuit 45 et donc au transformateur différentiel 51, com- me décrit précédemment en relation avec la figure 1 Le trans- formateur différentiel 51 a pour but d'empocher qu'une partie excessive de la puissance du signal émis soit appliquée à l'entrée du récepteur du modem qui, bien entendu, utilise le circuit téléphonique 25 en commun avec l'émetteur. On va maintenant décrire le circuit du récepteur du modem de la figure 3 Le chemin du signal reçu 49, prove- nant du transfolrmeteur différentiel 51, est connecté à un filtre passebas analogique 93 Le filtre 93 est nominalement identique au filtre passebas 91 de l'émetteur et il a un but similaire qui est de réduire le bruit hors bande au niveau le plus bas qu'on peut atteindre en pratique, avant l'échantil- lonnage du signal entrant et sa conversion sous forme numéri- que Cette procédure est conforme aux pratiques bien établies dans le traitement des signaux numériques le signal d'entrée du filtre 93 est une combinaison du signal désiré transmis à partir d'un modem lointain, et de signaux brouilleurs Ces signaux brouilleurs comprennent au moins du bruit, du brouil- lage intersymbole, de la gigue de phase de porteuse apportée par la voie téléphonique et des signaux d'écho local et loin- tain Ces signaux d'écho, décrits précédemment, apparaissent à l'entrée du filtre 93 sous l'effet du signal qui est émis par la partie émettrice du modem 23, décrite précédemment. Ces échos sont produits par les transformateurs différentiels inévitablement imparfaits qui sont utilisés dans le modem et à plusieurs emplacements dans le circuit téléphonique entre modems distants L'écho local peut avoir un rapport de puis- sance voisin de 35 décibels par rapport à un signal reçu à partir du modem lointain, du fait que le signal émis à dis- tance peut 4 tre fortement atténué par le circuit téléphonique, tandis que l'écho local qui résulte de l'émission locale n'est 2 " 24 ? 42- * -nas attnuê de la sorte Ainsi, corée on l'a envisagé précé- ie ent, cet écho local preésent dans la bande du signal reçu doit être atténué, et zun procédé d'atténuation est décrit ci- dessous en relation avec la figure 4. Un signal de sortie du filtre 93 de la figure 3, présent dans un circuit 95, est appliqué à un convertisseur analogique-numérique 97 dont le signal de sortie, dans les circuits 99, consiste en une série d'échantillons numériques. Le convertisseur numérique-analogique 97 échantillonne le si- gnal analogique dans le circuit 95 à une cadence de 9600 S 7 en synchronisme dans le rapport 8/1 avec l'horloge de baud. Le convertisseur analogique-numérique 97 doit avoir une réso- lution d'au moins douze-bits pour accepter la dynamique éle- vée occupée par le niveau très élevé du signal d'écho et par le signal désiré, très faible, provenant du modem lointain. Les échantillons de signal numérique dans les circuits 99 sont ensuite chargés à l'entrée d'un registre "premier entré pre- mier sorti", 101, qui est similaire au registre 83 Ces échan- tillons sont transférés du registre "premier entré premier sorti" 101 vers le processeur de signal 75, par les circuits 103, une fois par baud, par groupes de huit La cadence de transfert de ces groupes est alors de 1200 S 1. Le processeur de signal 75 travaille sur ces échan- tillons de la manière décrite ci-après en relation avec la figure 4, et il transmet l'information de sortie vers le pro- cesseur de commande 71, par les circuits 105 Cette informa- tion de sortie se présente sous la forme de quadruplets, en synchronisme avec l'horloge de baud Le processeur de comman- de 71 effectue sur les données des opérations de décodage dif- fêrentiel, de décodage de code Gray et de désembrouillage, ce oui annule effectivement l'effet des opérations correspondan- tes déjà accomplies dans l'émetteur du modem lointain Les circuits de commande 107 font également communiquer le pro- cesseur de signal avec le processeur de commande 71 Des cir- cuits de commande 109 s'étendent entre le processeur de com- mande 71 et d'autres éléments de matériel du récepteur Des circuits de commande 111 sont connectés à l'unité de commande de l'ordinateur ou d'un autre dispositif numérique avec lequel i 924742 le modem est en communication Les données reçues à partir de l'extrémité lointaine sont émises en série sous forme binaire, par le circuit 21, vers l'ordinateur ou un autre dispositif numérique utilisateur, à une cadence de 4800 S O Les fonctions essentielles du modem de la figure 3, qu'on décrira ciaprès, sont accomplies dans le processeur de signal 75 Celui-ci pourrait naturellement Ctre un dispo- sitif ceblé, mais il est préférable d'utiliser un micropro- cesseur commandé par logiciel La figure 4 montre, sous for- me de schéma synoptique, le traitement préféré des signaux, par logiciel, aussi bien dans l'émetteur que dans le récep- teur, tel que l'accomplit le processeur de signal 75 Il n'est pas nécessaire que ce traitement dans le processeur de signal 75 soit effectué selon un ordre particulier, pas plus qu'il n'est nécessaire de maintenir un synchronisme quelcon- que dans le processeur de signal lui-même, aussi longtemps que le synchronisme de baud est maintenu entre le processeur de signal 75 et le processeur de commande 71, et avec les interfaces du processeur de signal 75 et des registres "premier entré premier sorti", 83 et 101 Néanamoins, il est instructif de connattre les cadences de transfert moyen- nes à l'intérieur du processeur de signal 75, et ces cadences sont celles qui sont indiquées sur l'organigramme de la figu- re 4 Dans cette explication "k" est un nombre entier qui est incrémenté à une cadence de 1200 S 1, et on peut donc le con- sidérer comme un index de cadence de baud, tandis que "n" est un nombre entier qui est incrémenté à une cadence de 9600 S 1 ( 8 fois par baud) et on peut donc le considérer comme un index de cadence d'échantillon. Des quadruplets présents dans les circuits d'entrée 73 forment le signal d'entrée d'une table de conversion don- nées signal, 121 Un signal de sortie 123 de la table 121 est constitué par l'un des 16 nombres complexes particuliers formant le signal d'entrée de l'émetteur réalisé par logiciel. Le signal d'entrée de l'émetteur complexe à l'instant de baud de rang k est appelé a (k)0 Le programme destiné à calculer le signal d'entrée de l'émetteur est donné dans la procédure READINPUT qui figure en annexe Pour pouvoir transposer la fréquence du signal de données dans l'une des parties de ban- de désirées 61 ou 63, on introduit sept valeurs de signal égales à zéro entre chaque échantillon d'entrée complexe, en Cette combinaison, présente en 127, est ensuite sourise à un filtrage passe-bas numérique en 129 Les éléments 125 et 129 constituent un filtre passe-bas à interpolation qui a une réponse en fréquence correspondant à la racine carrée de cel- le d'un filtre passe-bas de Nyquist, en cosinus augmen- téa d'-;:e constantqavec une fréquence de réponse à demi-ampli- tude de 600 Hz, et un paramètre de pente d'atténuation de 50 %. La fonction de l'élément 125 s'exprime mathématiquement sous la forma: b(n) = a(k), si N = 8 k (Equation 1) = 0, dans le cas contraire, les interprétations à appliquer à k et N étant celles données ci-dessus Si on désigne par dlpf(m) les coefficients du fil- tre passe-bas numérique 129, pour m= 0, 1,, 63, le signal de sortie complexe du filtre, c(n), est défini par: 63 c(n) = dlpf(m)b(n-m) (Equation 2) m= O Des économies sont possibles dans la mise en oeuvre de l'équa- tion 2, du fait que 1/8 seulement des valeurs {b(n)) qui oc- cupent la mémoire dui filtre sont différentes de zéro L'algo- rithme de logiciel destiné à mettre en oeuvre les étapes de traitement indiquées en 125 et 129, qui correspond à la pro- cédure TRANSMIT figurant en annexe, tire profit de ce fait. Le signal de sortie 131 du filtre passe-bas de l'émetteur, soit c(n), est appliqué à l'entrée d'un modulateur complexe. Un autre signal d'entrée 137 est exp( j 21 '(txfrq)n/512), c'est- à-dire un signal porteur Le signal de sortie du modulateur est d(n), c'est-à-dire un signal dort le spectre est centré sur une fréquence porteuse de (txfrq)( 9600)/512 Hz Dans cet exemple, txfrq= 124, ce qui fait que la fréquence porteuse est ( 124)( 9600)/512 = 2325 Hz, soit f 2 de la figure 2 La partie ima- ginaire de d(n), obtenue en 135, est négligée en 139, et le 252 &? 42 résultat est enregistré dans une mémoire tampon à 8 éléments, 143, appelée OUTDT Le contenu de la mémoire tampon OUTDT 143 est effacé une fois par baud en écrivant ce contenu dans le registre "premier entré premier sorti", 83 La cadence moyenne de ce transfert est de 9600 s 1 La procédure MOD qui figure en annexe indique la réalisation par logiciel des éta- pes 133 et 139, par lesquelles des échantillons de données modulés sont calculés et enregistrés dans la mémoire tampon OUTDT, 143 Le transfert de données de la mémoire tanmpon OUTDT 143 vers le registre "premier entré premier sorti" 83, par le circuit 81, est accompli par la procédure SYNCHRONIZE, qui figure en annexe. Du côté récepteur du modem, les données réelles provenant du registre "premier entré premier sorti" 101 sont transférées (au moyen de la procédure SYNCHRCNIZE figurant en annexe) vers une mémoire tampon à 8 éléments, 145, appelée INDAT à une cadence moyenne de 9600 s-1 Les échantillons provenant de cette mémoire tampon sont appliqués un par un à un démodulateur complexe 149, dont un autre signal d'entrée 153 est exp(j 2 Tr(rxfrq)n/51 g) Dans cet exemple, rxfrq= 52, ce qui fait que la fréquence porteuse est ( 52)( 9600)/512 = 975 Hz, soit la fréquence fl de la figure 2 (Pour le logiciel corres- pondant, voir la procédure DEMOD en annexe) Le signal de sor- tie 151 du démodulateur, e(n), qui est un signal à valeurs complexes, est ensuite soumis à un filtrage passe-bas par un filtre passe-bas 155 du type à réponse impulsionn Dlle finie, qui a des coefficients identiques à ceux utilisés dans le fil- tre 129 de l'émetteur (Voir la procédure RECEIVE, en annexe) On peut exprimer mathématiquement le résultat dans le domaine des temps sous la forme: 6 '3 f(n) = 1 O dlpf(m)e(n-m) (Equation 3) m= O Cette opération de filtrage a pour fonction de ré- duire le signal d'écho de l'extrémité lointaine à un niveau tolérable (environ 30 d B au-dessous de celui du signal désiré) et elle limite également le signal de sortie du filtre à la largeur de bande de Nyquist de 600 Hz, de façon qu'un traite- zent ultérieur dans le recepteur puisse être accompli à 1200 -1 s o Bien que 11 équation 3 suggère que le signal de sortie du filtre est calculé huit fois par baud, un seul échantillon du signal de sortie du filtre par baud est nécessaire pour les étapes de traitement ultérieures Par conséquent, il suffit de calculer effectivement un seul sigrnal de sortie du filtre par baud, et un échantillon est sélectionné en 159 tous les huits échantillons présentés en 157 Le signal de sortie du filtre à la cadence de baud, en 161, est donné par l'équation: w(k) = f( 8 k + temps) (Equation 4) dans laquelle "temps" désigne un nombre entier satisfaisant la condition 1 sélectionnée pendant la procédure d'apprentissage du modem. Le signal w(k) contient à la fois le signal désiré provenant du modem lointain et une composante importante de l'écho local Une version reproduite 165 de l'écho local, ap- pelée v(k) est donc soustraite de w(k) en 163, pour obtenir en 167 x(k), c'est-à-dire le signal reçu net qui est utilisé dans des étapes ultérieures de traitement de signal dans le récepteur du modem La version reproduite de l'écho local, v(k) est générée dans l'anruleur d'écho 53 à partir du signal d'entrée en 123, a(k), comme on va maintenant le décrire. Le signal en 123, a(k), est filtré par la partie lindaire, invariante dans le temps, 175, de l'annuleur d'écho 53, ayant des coefficients de filtre désignés par teccoef(m) $ M=O, 1, o,35} L'expression mathématique correspondante pour le signal en 177 est: u(k) =)eccoef(m)a(k-m) (Equation 5) = la fonction de filtre 175 est établie de façon à 4 tre égale à la partie linéaire, invariante dans le temps, des circuits téléphoniques et des modems entre les emplacements 123, jus- qu'au transformateur différentiel 39 du réseau téléphonique (figure 1), avec retour à l'emplacement 161 (figure 4) dans le traitement du modem 23 La détermination des coefficients 252474 Z eccoef est effectuée,endant une procédure d Caprrertissage qui est décrite ci-desous Cette fonction de filtre est de préférence mise à jour périodiquement pour tenir compte des changements dans ce chemin d'écho local qui peuvent avoir lieu au cours du temps. Le sigrnal u(k) en 177 doit etre soumis à un trai- tement supplémentaire pour compenser les opérations de modu- lation/démodulation 133 et 149 qui existent dans le chemin d'écho local Ceci résulte du fait que les fonctions de mo- dulation/démodulation du modem introduisent une composante variable dans le temps qui ne peut pas être représentée par la fonction de filtre 175, invariante dans le temps Ce trai- tement a lieu en 179 et 183 et il peut être décrit par l'équa- tion: v(k)=u(k)*exp( J 21 r(txfrq) ( 8 k-Ftemps)/512) (Equation 6) *exp( j 21 (rxfrq)( 8 k+temp$/512) (Equation 6) dans laquelle on utilise un astérisque pour indiquer la mul- tiplication Des étapes de modulation complexes 179 et 183 correspondent à une composante variable dans le temps de l'annuleur d'écho qui est définie par la différence entre les fréquences de modulation txfrq (proportionnelle à f 2) et rxfrq (proportionnelle à fl), dans les étapes 181 et 185 Les te- chniques d'annulation d'écho existantes n'introduisent pas une telle fonction variable dans le temps En fait, il semble au premier abord qu'il ne soit pas possible ou souhaitable de générer et d'utiliser un signal d'annulation à la cadence de baud, du fait que les opérations de modulation/démodulation nécessaires sont normalement accomplies à la cadence d'échan- tillon, et non à la cadence de baud On peut montrer que les signaux de sortie exigés de l'annuleur d'écho aux instants de baud peuvent être caluulés en utilisant seulement un fil- trage à la cadence de baud et des signaux de modulation/dé- modulation Les procédures existantes suggèrent d'effectuer l'annulation d'écho du coté circuit téléphonique des fonc- tions de modulation/démodulation, dans les parties numériques et analogiques du modem On a trouvé qu'il était préférable de réaliser l'annuleur d'écho de l'invention à la cadence de baud, cormne il est représenté, du fait que ceci permet un traitement moins complexe et plus rapideo La procédure ECAIICEL en annexe donne la description du logiciel pour les étapes correspondant auy équations 5 et 6, y compris la dé- termination des coefficients {eccoef} du filtre 175. La partie restante des étapes de traitement 169 dans le modem consiste en algorithmes destinés à l'égalisa- tion adaptative, pour réduire le brcuillage intersymbole, pour suivre des variations dans la phase de la porteuse et dans les instants caractéristiques de baud, et pour affecter le signal traité 171 reçu dans chaque intervalle de baud, y(k) à l'une des 16 valeurs complexes reçues possibles Enfin, une des 16 combinaisons de 4 bits de données est sélectionnée en 173 sur la base de y(k) et ces 4 bits sont transmis au proces- seur de commande La procédure WRITEOUTPUT en annexe résume le logiciel pour ces étapes de traitement. Avant de faire fonctionner le modem dans le mode de données, il est nécessaire d'exécuter une procédure d'appren- tissage pendant laquelle les coefficients du filtre de l'an- nuleur d'écho sont déterminés pour la première fois Pour exécuter cette procédure, il est nécessaire de placer par un moyen quelconque le modem lointain dans un état de repos, de façon que les seuls signaux observés à l'entrée du modem local soient le bruit de la voie et des signaux d'origine locale. Avec le modem dans cet état, avec les instants déjà sélection- nés et avec tous les réseaux de mémoire de filtre placés à zéro, on injecte un seul échantillon unité, S(k) en 123, à l'entrée de l'émetteur, comme le montre la figure 5 L'instant de baud auquel l'échantillon unité est appliqué définit k-O. On fait fonctionner le modem pour k= 0,1, O, 35,comme le montre la figure 5, de la manière décrite dans la procédure TRAININGMODE dans l'annexe Ainsi sont accomplies toutes les étapes de traitement qui acheminent le signal émis dans le chemin d'écho jusqu'au point auquel w(k) est sélectionné à la sortie 161 du filtre numérique passe-bas 155, 159, du ré- cepteuro Simultanément, les signaux porteurs de l'émetteur et du récepteur sont échantillonnés aux instants: n = 8 k+temps (Equation 7) pour k= 0,1, ,35, les signaux sont multipliés dars un iré- langeur 201, et le conjugué complexe du résultat est calculé en changeant le signe de la partie imaginaire en 203 Tle si- gnal résultant est ex?(j 2 r (rxfrq-txfrq) ( 8 k + temps)/512). Le coefficient complexe de rang k de l'annuleur d'écho est alors calculé par la relation suivante: eccoef (k)=w(k)*exp(j 2 ir (rxfrq-txfrq) 8 k+ temps)512 (Equation 8) pour k = 0, 1,, 35, et les 36 coefficients complexes ré- sultants deviennent les coefficients de l'annuleur d'écho, "eccoef", utilisés dans le mode de données dans la partie d'an- nuleur d'écho 175 de la figure 4. Pendant le fonctionnement dans le mode de données, le modem continue à ajuster les coefficients de l'annuleur d'écho afin de suivre les changements lents qui peuvent éven- tuellement se produire dans le chemin d'écho local,pendant une longue séquence d'émission et de réception de données Du fait que les coefficients de l'annuleur d'écho sont appris avant le commencement du mode de données, l'algorithme de mi- se à jour doit seulement 9 tre capable de réagir à des change- ments lents dans le chemin d'écho, ce qui fait qu'on peut utiliser pour mettre à jour les coefficients l'algorithme du moindre carré moyen, qui est bien connu des spécialistes de la conception des modems La nature variable au cours du temps de l'annuleur d'écho utilisé dans l'invention nécessite cependant de modifier de façon correspondante la forme fonda- mentale de l'algorithme du moindre carré moyen Les quatre éléments qui interviennent dans l'algorithme du moindre carré moyen sont le signal d'erreur, x(k), les données,a(k), les coefficients qui sont mis à jour, eccoef(k); k= 0, 1,, 35}, et un paramètre de mise à jour, L, qui est habituellement un nombre positif peu élevé Dans le cas présent, le signal d'erreur de base, x(k), doit être répercuté dans les éléments de l'annuleur d'écho qui varient dans le temps, ce qui conduit au calcul d'un signal d'erreur modifié, x'(k) Ainsi, x'(k) est donné par la relation: x'I(k)=x(k)*exp( j 2 r (rxfrq) ( 8 k+temps)/512) *exp( j 2 r I (x(Equationfr) 9) *exp( j 21 (txfrq) ( 8 k+temps)/512). Ceci '-wnt effectué, l'algorit me de mise à jour prend la forme -iv-ante soit eccoef (k;m) la valez: du coefficient de rang m de l'amnnleur d'écho après l'éeiis- sion de k bauds; eccoef (k+l;m) est alors donné par: eccoef(k+ 1;m) = eccoef (k;m) a x' (k)a*(k-m) pour m = 0, 1,, 35 (Equation 10) Du fait que le signal d'erreur, x'(k) dans les circuits 167 (i$gure 4) est influencé par de nombreux signaux (notamment le signal de données généré à distance, lui-même), en plus du signal d'écho résiduel, le paramètre A doit être choisi très faible de façon que la mise à jour s'effectue très lente- ment et soit donc influencée principalement par les phénomènes à long terme dans le chemin d'écho. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent 9 tre apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. L 3 VEIMICATIONS Modem téléphonique capable d'émettre et de re- cevoir simultanément des signaux de données avec un taux d'erreurs inférieur à une valeur donnée, sur un circuit té- léphonique commuté commun ayant une largeur de bande utili- sable donnée, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 43) destinés à convertir des données numériques en signaux analogiques, pour émettre ces signaux analogiques par le circuit téléphonique, dans une première partie ( 63) de sa largeur de bande utilisable; des moyens ( 47) destinés à re- cevoir des signaux analogiques à partir du circuit téléphoni- que pour convertir en données numériques ceux de ces signaux qui se trouvent dans une seconde partie ( 61) de la largeur de bande utilisable; les première et seconde parties de bande ( 63, 61) étant chacune pratiquement une moitié différente de la bande du circuit téléphonique et étant choisiesde façon à occuper pratiquement la totalité de la largeur de bande du circuit téléphonique, ces première et seconde parties de ban- de se chevauchant dans une bande de fréquences( 65) située vers le milieu de la bande utilisable, avec une valeur de chevauchement telle que l'écho de signal local entraînerait normalement un taux d'erreurs supérieur au taux d'erreui don- né, tandis que l'écho de signal lointain entranerait norma- lement un taux d'erreurs inférieur au taux d'erreurs donné et des moyens ( 53) connectés entre les moyens d'émission et de réception ( 43, 47) pour soustraire d'un signal reçu toute fraction d'un signal émis qui se trouve dans la partie de chevauchement entre les première et seconde parties de bande, afin d'atténuer l'écho local et de réduire le taux d'erreurs dû aux échos à une valeur inférieure au taux donné, grâce à quoi l'utilisation de la largeur de bande donnée du circuit téléphonique pour la transmission de données rapide est rendue maximale. 2 Modem selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission ( 43) comprennent des moyens qui réagissent à des signaux de données numériques dans une bande de base en transposant la fréquence de ces signaux dans la première partie de bande au moyen d'une première fréquence porteuse qui se trouve pratiquement au milieu de la première partie de bande ( 63); les moyens de réception ( 47) compren- nent des moyens qui réagissent à des signaux analogiques dans la seconde partie de bande, qui sont reçus à partir d'un cir- cuit téléphonique, en transposant la fréquence dans une bande de base, au moyen d'une seconde fréquence porteuse qui se trouve pratiquement au milieu de la seconde partie de bande ( 61); et les moyens de soustraction ( 53) comprennent des moyens qui réagissent aux signaux de données numériques en bande de base présents dans les moyens d'émission en sous- trayant d'un signal de données numériques en bande de base reçu un signal d'arniulation qui est obtenu à partir d'un dis- pcsitif variable dans le temps, sous la dépendance des pre- mière et seconde fréquences porteuses. 3 Modem téléphonique capable d'émettre et de re- cevoir simultanément des signaux de données sur un circuit téléphonique commun ayant une largeur de bande utilisable donnée, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 43) qui convertissent des signaux numériques en signaux analogi- ques, pour émettre ces signaux analogiques par le circuit téléphonique, ces moyens d'émission comprenant des moyens qui réagissent à des signaux de données numériques dans unle bande de base en transposant la fréquence de ces signaux au moyen d'une première fréquence porteuse; des moyens ( 47) qui reçoivent des signaux analogiques à partir du circuit téléphonique, pour convertir ces signaux en signaux numéri- ques, ces moyens de réception comprenant des moyens qui réa- gissent aux signaux analogiques provenant du circuit télépho- nique en transposant leur fréquence dans une bande de base au moyen d'une seconde fréquence porteuse; et des moyens ( 53) qui réagissent à des signaux de données numériques en bande de base présents dans les moyens d'émission en soustrayant d'un signal de données numériques en bande de base reçu des parties d'un signal émis apparaissant dans le signal reçu, afin d'atténuer tout écho local et de réduire le taux d'er- reurs résultant de ces échos, ces moyens de soustraction com- prenant des moyens destinés à multiplier les signaux en bande de base provenant des moyens d'émission par une fonction qui varie au cours du temps et qui est obtenue à partir des pre- mière et seconde fréquences porteuses. 4 Prccédé pour transmettre simultanément des si- gnaux de données dans deux directions entre des terminaux ( 11, 13) sur un circuit téléphonique commun ayant une largeur de bande donnée, caractérisé en ce que: on limite les si- gnaux de données dans une première direction à une première partie ( 63) de la bande du circuit téléphonique, et les si- gnaux de données dans la seconde direction à une seconde par- tie ( 61) de la bande du circuit téléphonique, ces parties de ainde rexprssant ensemble complètement la bande du ci-muittélé;: nique, avec un certain c Levauchement au milieu de cette bande; on atténue notablement à chaque terminal toutes les fréquen- ces extérieures à l'une des parties de bande, d'une quantité telle que les signaux réfléchis à partir du terminal opposé dans la première des parties de bande soient atténués jusqu'à des niveaux qui ne perturbent pas excessivement la réception d'un signal dans la première des parties de bande; et on annule dans le signal reçu à chaque terminal dans l'une des parties de bande, tout signal émis par ce terminal qui est compris dans la gamme ainsi reçue, afin d'annuler les échos locaux, grâce à quoi la largeur de bande donnée du circuit téléphonique est pleinement utilisée, ce qui conduit à une transmission de données rapide en duplex sur le circuit télé- phonique. Procédé de transmission de données numériques avec un taux d'erreurs inférieur à un taux d'erreurs donné, dans deux directions, sur un circuit téléphonique vocal commu- té, qui a une largeur de bande donnée, et qui comporte au moins une partie dans laquelle les signaux sont acheminés dans les deux directions sur un circuit commun, caractérisé en ce que: on convertit les données numériques apparaissant à une pre- mière extrémité ( 11) du circuit téléphonique en signaux ana- logiques contenus dans une première bande passante ( 63) et on reçoit ces signaux et on les décode en données numériques à une seconde extrémité ( 13) du circuit téléphonique; on convertit les données numériques apparaissant à la seconde extrémité ( 13) du circuit téléphonique en signaux analogiques s 2524742 coite-:s::ns une seconde bande oassante ( 61), et on recoit ces si J nau x et on les décode en données num eriques à la pre- miere extrémité ( 11) du circuit teléehonique, les premi-re eco e bandes passante S ( 63, 51) étant chacune pratique- e-;-+une::itié d'ifférente de la largeur de bande du circuit télé-4 oni:iue et étant choisies de façon à occuper pratique- ::-en la totalité de la largeur de bande du circuit télêlnhoni- que, ces première et seconde parties de bande se chevauchant dans une bande de fréquence située vers le milieu de la lar- i O peur de bande utilisable, avec une valeur de chevauchement telle cue l'écho de signal local entraznerait normalement un taux d'erreurs supérieur au taux d'erreurs donné, tandis que l'écho de signal lointain entraînerait normalement un taux d'erreurs inférieur au taux d'erreurs donné; on annule dans le signal numérique reçu à la premiere extrémité les compo- santes de ce signal qui proviennent de cette première extré- mité, ce qui élimine pratiquement les signaux d'écho local à la première extrémité; et on annule dans le signal numérique reçu à la seconde extrémité les composantes de ce signal qui proviennent de la seconde extréité, ce qui élimine pratique- ment les signaux d'écho local à la seconde extrémité, grâce à quoi l'utilisation de la largeur de bande donnée du circuit téléphonique est rendue maximale pour une transmission de données rapide en duplex. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des opérations d'annulation comprend l'opé- ration qui consiste à élaborer un signal d'annulation à par- tir du signal numérique qui est émis à l'extrémité correspondante du circuit téléphonique et à partir d'une différence de fré- quence entre les première et seconde bandes passantes.