Dual domain echo cancellation for discrete multitone systems

Due to the tremendous popularity of the Internet in recent years and the growing market for bandwidth intensive applications, such as video on demand, high definition television and remote collaboration, there is an enormous demand for advanced broadband access technologies. Among the available broadband solutions for fixed users, the dominant one is Digital Subscriber Line (DSL) technology where the last mile connection is provided through the twisted-pair telephone lines. In a full-duplex DSL transmission, one of the technical challenges is to overcome the deteriorating effect of the echo, which is the interference of the transmitted signal into the collocated receiver. The digital echo cancellers employ adaptive filtering techniques to estimate the echo signal and then remove it from the received signal. The use of echo cancellation in DSL systems reduces the implementation complexity, improves the spectral efficiency and increases the loop reach. For discrete multitone (DMT) modulated DSL systems, the computational complexity of the echo cancellers can be reduced by making use of the structure present in the transmitted signal. However, this generally leads to a mixed adaptation structure in which the relationship between the time-domain and frequency-domain adaptive coefficients are not fully understood. In this thesis, we introduce a general framework for studying and designing echo cancellers for DMT-based systems. This framework establishes a unified representation of the existing echo cancellation methods and provides the capability of achieving different design trade-offs between the convergence rate and the computational complexity of the echo cancellation algorithms. This capability is also exploited to design new cancellers with improved performance and/or lower complexity. In the first part of this thesis, echo cancellation for DMT-based systems is reformulated as a constrained optimization problem, where a cost function is to be minimized over an extended linear space comprised of the adaptive filter coefficients in the time and frequency domains. Based on this formulation, a new linearly constrained echo cancellation structure is proposed. This new structure offers additional flexibility in implementation by allowing the incorporation of additional constraints to improve the performance of the system. In the second part of this thesis, the echo cancellation is examined in a more general dual domain, rather than only in the time and frequency domains. A two- step design methodology is proposed providing high level of flexibility in the design process of echo cancellers. Following this methodology, a new dual domain canceller is developed, which transforms the signals and weight vector into a dual domain. The proposed dual transform domain canceller has a faster convergence rate compared to those of existing cancellers with similar computational complexity.En raison de l'immense popularité de l'Internet ces dernières années et du marché croissant des applications intensives avec bande passante, comme la vidéo sur demande, la télévision haute définition et la collaboration à distance, il y a une très grande demande pour les technologies avancées avec accès à large bande. Parmi les solutions à large bande disponibles pour les utilisateurs fixes, le service dominant est le Digital Subscriber Line (DSL) (ligne numérique d'abonné), où le dernier kilomètre de connexion est assuré par des lignes téléphoniques à paires torsadées. Dans une transmission bidirectionnelle simultanée, l'un des défis techniques à surmonter est l'effet néfaste de l'écho, causé par le coulage du signal transmis dans le récepteur co-implanté. L'annulateur d'écho numérique emploie des techniques de filtrage adaptatives pour estimer le signal d'écho, puis le retirer du signal reçu. L'utilisation de l'annulation d'écho dans les systèmes DSL réduit la complexité des algorithmes, améliore l'efficacité spectrale et augmente la portée de la boucle. Pour les multitonalités discrètes (MTD) modulées par système DSL, la complexité numérique de l'annulateur d'écho peut être duite en utilisant la structure présente dans le signal transmis. Toutefois, cela conduit généralement à des structures adaptatives mixtes dans lesquelles la relation entre les coefficients d'adaptation temporels et fréquentiels n'est pas encore bien comprise. Dans cette thèse, nous présentons un cadre général pour l'étude et la conception des annulateurs d'écho pour les systèmes utilisant la technologie MTD. Ce cadre établit une représentation unifiée des méthodes d'annulation d'écho et permet l'application de méthodes de conception plus générales, offrant ainsi un meilleur compromis entre le taux de convergence et la complexité des algorithmes d'annulation d'écho. Cette capacité est également utilisée pour concevoir de nouveaux annulateurs avec des performances améliorées et/ou en réduire la complexité. Dans la première partie de cette thèse, l'annulation d'écho est examinée comme un problème d'optimisation sous contrainte, où une fonction de coût doit être minimisée sur un espace linéaire étendu, composé des coefficients de filtrage adaptatif dans les domaines temporel et fréquentiel. Sur la base de cette formulation, une nouvelle structure sous contrainte linéairement est proposée. Cette nouvelle structure possède une flexibilité accrue de mise en œuvre permettant l'incorporation de contraintes supplémentaires afin d'améliorer les performances du système. Dans la deuxième partie de cette thèse, l'annulation d'écho est examinée dans un domaine dual plus général, plutôt que seulement dans les domaines temporel et fréquentiel. Une méthodologie de conception en deux étapes est proposée fournissant un niveau élevé de flexibilité dans le processus de conception des annulateurs d'écho. Cette méthodologie est utilisée enfin de développer un nouvel annulateur d'écho à domaine dual, lequel transforme les signaux et le vecteur de poids dans un domaine dual. L'annulateur d'écho à domaine dual proposé possède un taux de convergence plus élevé que ceux des annulateurs existants tout en ayant une complexité d'implantation numérique similaire