CN101150303A - 用于电信系统中的xDSL分路器的多阶低通滤波器 - Google Patents

Abstract

一种单端低通滤波器及其双端或平衡版本，包括：连接在所述滤波器的第一输入端(Vin1)和第一输出端(Vout1)之间的第一线圈(Lp1)，连接在所述滤波器的第二输入端(Vin2)和第二输出端(Vout2)之间的第二线圈(Lp2)，以及连接在第一和第二输出端之间的电容器(C)。所述单端或平衡低通滤波器进一步包括滤波器增强装置(FEM)，该滤波器增强装置包括：电流检测电路(CS)，所述电流检测电路的第一输入跨第一阻抗(Rsense1)连接，其中所述第一阻抗连接在第一输入端和第一线圈之间，该检测电路的第二输入跨第二阻抗(Rsense2)连接，其中所述第二阻抗连接在第二输入端和第二线圈之间，以及放大器(A)，其输入连接到所述电流检测电路的输出，而其输出经由第三(Ls1)和第四(Ls2)线圈连接到接地端(Vgrd)，优选地并行安放所述第三和第四线圈，它们也形成所述滤波器增强装置的一部分。所述线圈被成对地磁连接，并且位于变压器(T1)的相同的芯上。在xDSL分路器中使用此滤波器。所述放大器可包括频率相关放大器和跨导放大器的级联。然后可以在值上增强所述线圈，并使其频率相关，得到多阶低通滤波器。

Description

用于电信系统中的xDSL分路器的多阶低通滤波器

技术领域

本发明涉及单端低通滤波器，此滤波器包括连接在输入端和输出端之间的线圈，以及连接在所述输出端和接地端之间的电容器。

背景技术

本领域中通常知道并且使用这样的基本的单端低通滤波器。

此同样的概念被例如用作为xDSL电信系统的分路器中的低通滤波器。然而，在这样的应用中，优先使用平衡或差接低通滤波器。

因此，尽管不排除上述单端低通滤波器作为本发明的目的，后一种发明进一步涉及平衡低通滤波器，其包括在所述滤波器的第一输入和第一输出端之间连接的第一线圈，在所述滤波器的第二输入和第二输出端之间连接的第二线圈，以及在所述第一和所述第二输出端之间连接的电容器。通常，所述第一和第二线圈具有共用的磁芯(magnetic core)。

需要注意的是，平衡低通滤波器主要是上述单端低通滤波器原理的外延，并且本发明可以应用于这两种设计。

进一步，很明显，对于诸如xDSL电信系统的应用，已知的低通滤波器需要被平衡，从而实现xDSL的要求。

对于xDSL分路器的低通滤波器的实现，在市场上存在两种基本解决方案：

-基于更多线圈(电感器)和电容器的无源解决方案；以及

-基于包括回转器块的集成电路的有源解决方案。

已知的无源解决方案除了具有相对高的成本之外，由于线圈尺寸，其也是一种体积较大的解决方案，不能为更大的密度进行尺寸缩减。例如，此无源解决方案需要3个滤波器线圈和4个电容器来实现5阶低通滤波器。

有源解决方案具有尺寸较小的优点，但是主要基于2根电话线中的串联半导体元件，其具有如下缺点：

-跨越串联的半导体块的电压降(每根线中典型地为2伏特)，降低了电话机的馈电电压；

-当通过电话线的电流为零时，在串联元件中的交越失真(例如，在挂机传输(hook transmission)中，响铃期间的零交叉)；

-半导体电路被直接暴露给电话线上的过电压和过电流(闪火花、电力线感应)；以及

-相对高的生产成本。

进一步，由于上述缺点，此有源解决方案不能进一步用于体积部署。

发明内容

本发明的目的在于提供上述已知类型的低通滤波器，但其允许更高密度(更小的组件)、更高的弹性(易适应性、可编程性)，以及能够以较低成本进行生产。

根据本发明，由于以下事实实现了此目的，所述事实为，所述单端低通滤波器进一步包括滤波器增强装置，所述滤波器增强装置包括：连接在所述输入端和所述线圈之间的阻抗，以及放大器，其输入跨所述阻抗连接，而其输出经由第二线圈连接到所述接地端，其中，所述第二线圈还形成所述滤波器增强装置的一部分，并且所述事实还在于所述第一线圈和所述第二线圈分别组成变压器的初级和次级绕组。

另一方面，还由于以下事实实现了此目的，所述事实为，所述平衡低通滤波器进一步包括滤波器增强装置，其包括：电流检测电路(currentsense circuit)，所述电流检测电路的第一输入跨第一阻抗连接，其中所述第一阻抗连接在所述第一输入端和所述第一线圈之间，该电路的第二输入跨第二阻抗连接，其中所述第二阻抗连接在所述第二输入端和所述第二线圈之间，以及放大器，其输入连接到所述电流检测电路的输出，而其输出经由第三和第四线圈连接到接地端，所述第三和第四线圈也形成所述滤波器增强装置的一部分，所述事实还在于，所述第三线圈被调整为磁连接到所述第一线圈，所述第四线圈被调整为磁连接到所述第二线圈，而所述第一、第二、第三以及第四线圈位于变压器的相同的芯上。

这样，通过感应流经它的电流增强(增加或减少)了滤波器中的线圈值，放大了此电流，并且将其反馈到变压器的次级绕组(第三和第四线圈)。通过对低通滤波器施加此增强，可以基于通常仅为2阶低通滤波器的单线圈(变压器)和电容器实现多阶低通滤波器(multiple order low pass filter)。

在本发明的优选特征化实施例中，平衡低通滤波器的所述第三和第四线圈并行连接在所述放大器的输出和所述接地端之间。

很明显也可以有其它设计，诸如第三和第四线圈串联在放大器的输出和接地端之间。

在本发明的另一个优选特征化实施例中，所述单端低通滤波器包括滤波器增强装置，该装置包括：电流检测电路，所述电路使其输入跨阻抗连接，其中所述阻抗连接在所述输入端和所述线圈之间，以及放大器，其输入连接到所述电流检测电路的输出，而其输出经由第二线圈连接到所述接地端，其中所述第二线圈还形成所述滤波器增强装置的一部分，并且所述第一线圈和所述第二线圈分别组成变压器的初级和次级绕组。

可应用于单端以及平衡低通滤波器的本发明的另一个特征在于，所述放大器包括频率相关放大器(frequency dependent amplifier)和跨导放大器的级联，该跨导放大器被调整为将所述频率相关放大器的输出电压转换为对应的电流。

结果在于，低通滤波器中的线圈的值被改进，并且变成频率相关，从而得到多阶低通滤波器。所述低通滤波器的阶数取决于所谓反馈环中的滤波器(用于所感应的电流的滤波器)的阶数。

所有这些导致了低通滤波器，例如，xDSL分路器的低通滤波器，具有更小的尺寸、更低的成本以及更弹性实施。

所附权利要求中提及了在此的单端和平衡低通滤波器的进一步特征化实施例。

可以注意到，不应该将权利要求中的术语“包括”理解为限制为此后列出的装置。因此，表述“包括装置A和装置B的设备”的范围不限于仅由组件A和B组成的设备。这意味着对于本发明，所述设备中的相关组件只有A和B。

类似地，可以注意到也在权利要求中使用了术语“连接”，不应该将其理解为仅限制为直接连接。因此，表述“装置A连接到装置B”的范围不限于其中装置A的输出直接连接到装置B的输入的装置或系统。这意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，其可以是包括其它设备或装置的路径。

附图说明

通过结合附图参考实施例的如下描述，本发明的上述以及其它目的和特征将变得更清楚，并且也可以更好地理解发明本身。其中：

图1表示具有根据本发明的滤波器增强装置的单端低通滤波器；

图2表示图1的单端低通滤波器的更高阶变型；

图3示出了根据本发明增强的3阶低通滤波器的频率特性；

图4表示低通滤波器的平衡型版本；以及

图5示出了xDSL电信系统，其包括根据本发明的低通滤波器。

具体实施方式

图1中示出的低通滤波器是例如可以在xDSL电信系统中使用的滤波器的单端版本。所述低通滤波器相对于接地端Vgrd具有输入端Vin和输出端Vout。线圈Lp具有经由阻抗连接到输入端Vin的第一节点1，所述阻抗优选地由感应电阻器Rsense组成，以及连接到输出端Vout的第二节点2。所述滤波器进一步包括连接在输出端Vout和接地端Vgrd之间的电容器C。所述低通滤波器也包括由阻抗Rsense、放大器A以及第二线圈Ls组成的滤波器增强电路FEM1。所述放大器A的输入连接在阻抗Rsense的两端，并使其输出经由第二线圈Ls连接到接地端Vgrd。第一线圈Lp和第二线圈Ls分别组成变压器T的初级和次级绕组。

本发明的基本思想在于修改由单线圈或电感器Lp以及电容器C组成的2阶低通滤波器的滤波器特性。通过以下实现此修改：

-通过测量电阻器Rsense两端的电压来感应流过线圈Lp的电流Ip；

-利用放大器A对此电流Ip进行放大和滤波；以及

-在放大器A的输出将经过放大和滤波的电流Is反馈到变压器T的次级绕组Ls，其中，变压器T包括线圈Lp和Ls。

以下将更详细描述图1的单端低通滤波器的操作，其中，Ip是流经电阻器Rsense和线圈Lp的电流。

电流Ip是跨Rsense检测的，并且被在放大器A中放大，得到电流Is。

电流Is被反馈到次级线圈或电感器Ls，其中此次级线圈或电感器Ls形成变压器T的次级绕组，而电感器Lp是初级绕组。

由以下公式给出电流Is：

I_s＝A·I_p

线圈Ls中的电流Is影响变压器T的芯中的磁场，使得可以通过如下公式描述节点1和2之间得到的线圈Lr：

L_R＝L_p+n·A·L_s

其中n是变压器T的绕组比，由如下公式给出(n_p是Lp的匝数，而n_s是Ls的匝数)：

$n=\frac{n_p}{n_s}=\sqrt{\frac{L_p}{L_s}}$

以下给出没有Ls并且没有反馈的滤波器特性(频率ω的函数)(由线圈Lp和C组成的2阶滤波器的滤波器特性)：

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2\·L_p\·C}$

以下给出具有Ls以及经由放大器A的反馈的滤波器特性(频率ω的函数)：

$\frac{V_{\mathrm{OUT}}}{V_{\mathrm{IN}}}=\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2\·L_R\·C}=\frac{1}{1+{\mathrm{\ω}}^2\·(L_p+n\·A{\·L}_s)\·C}$

这样，对于定义了全滤波器(total filter)的滤波器特性的线圈Lr，可以通过调节Ls和放大器A的特性来对其进行调整。

取决于放大器A的放大以及变压器T的绕组比，可以对所述线圈进行不同的调整：

-对于-1＜(n·A)＜0，即反馈到线圈Ls的电流Is与线圈Lp中的电流Ip反相，合成的线圈Lr小于原来的线圈Lp。这称为“抑制的”线圈模式。需要避免(n·A)≤-1的情况，因为，这将使电路不稳定；

-对于(n·A)＞0，即反馈到线圈Ls的电流Is和线圈Lp中的电流Ip同相，合成的线圈Lr大于原来的线圈Lp。这称为增强的线圈模式；以及

-放大器A的放大也可能是复数值(Ar+j·Ai)，表示电流Is和Ip间可能有0°到360°的相移。Ar是放大A的实数部分，Ai是放大A的虚数部分。

为了实现多(高)阶低通滤波器，仍然基于单线圈和电容器，放大器A优选地包括频率相关放大器(A(ω))和跨导放大器(gm)的级联(未示出)。所述跨导放大器将频率相关放大器的输出电压转换为相应的电流。

通过使得从电流Ip到电流Is的放大A与频率相关，合成的线圈Lr也变得与频率相关。这样，生成了多阶滤波器。所述低通滤波器的阶数取决于所谓的反馈环中的滤波器的阶数。

在图2给出了高阶低通滤波器的框图。其中，通过如下项定义从电流Ip向电流Is的放大，其形成滤波器增强装置FEM2的一部分：

-电流检测电路或检测放大器CS使其输入连接在阻抗Rsense的两端，输出连接到放大器A的输入，更具体的，频率相关放大器A(ω)的输入。频率无关的检测放大器CS在检测放大器输出将电流Ip转换为对应的电压；以及

-所述放大器A包括频率相关放大器A(ω)以及g_m放大器(跨导放大器)，所述跨导放大器将放大器A(ω)的输出电压转换为对应的电流Is。

当放大器A表示高通滤波器时，给定在高频的线圈增强为阶数O_A。如下给出所述滤波器的总阶数O_T：

O_T＝2+O_A

合成的线圈Lr利用阶数O_A改变其频率值，在由线圈Lp和电容器C组成的低通滤波器中固有的存在阶数2。

可以注意到，除了使用用于放大器A的高通滤波器，也可以使用其它滤波器，类似带通滤波器，以获取所需要的滤波器频率响应。

图3给出了基于放大器A中的1阶高通滤波器的3阶全低通滤波器的频率响应的例子。其中，如下公式成立：

A_i是频率ω_i处的放大A(ω)，其中i＝0，1，2，3

L_R＝L_P+n·A(ω)·L_S

L_i＝L_P+n·A_i·L_S，其中i＝0，1，2，3

${\mathrm{\ω}}_{L_{i}c}=\frac{1}{\sqrt{L_i\·C}},$ 其中i＝0，1，2，3

所述全滤波器的频率特性基于合成的线圈Lr和电容器C，其遵循3阶特性，随着频率从ω₀增加到ω₃，所述频率特性从基于L₀C的2阶特性变为基于L₃C的2阶特性。

这同样也应用于放大器A(ω)的更高阶以及带通滤波器特性。

上述原理应用于xIDSL电信系统的分路器功能中的低通滤波器的实现。在图4给出了xDSL中使用的低通滤波器的框图。与图2的实现相比，主要区别在于所述分路器滤波器是平衡型还是双端型，具有两个检测电阻器Rsense1和Rsense2以及双端变压器T1。并且，其中，设计所述滤波器和放大器块，即，所述滤波器增强装置，使其符合xDSL分路器的标准。

更具体地，图4的平衡或差分低通滤波器包括连接在此滤波器的第一输入端Vin1和第一输出端Vout1之间的第一线圈Lp1，连接在此滤波器的第二输入端Vin2和第二输出端Vout2之间的第二线圈Lp2，以及连接在所述第一和第二输出端之间的电容器C。此平衡低通滤波器进一步包括滤波器增强装置FEM，其包括电流检测电路CS，此电路的第一输入跨第一阻抗Rsense1连接，且第二输入跨第二阻抗Rsense2连接，其中第一阻抗Rsense1连接在第一输入端Vin1和第一线圈L1之间，而第二阻抗Rsense2连接在第二输入端Vin2和第二线圈L2之间，并且所述滤波器增强装置还包括放大器A，其输入连接到电流检测电路的输出，而其输出经由第三Ls1和第四Ls2线圈连接到接地端Vgrd，所述第三Ls1和第四Ls2线圈也形成所述滤波器增强装置的一部分。在所述xDSL应用中，所述滤波器的第一Vin1和第二Vin2输入端连接到电信线路TL，而此滤波器的第一Vout1和第二Vout2输出端连接到线路端子LT，其可以是POTS或ISDN终端。

第一线圈Lp1、第二线圈Lp2、第三线圈Ls1以及第四线圈Ls2被磁连接，并位于变压器T1的相同芯。

在优选实施例中，如图4所示，第三Ls1和第四Ls2线圈并联在放大器A的输出和接地端Vgrd之间。然而，也可以是其它设计，诸如，第三和第四线圈串联在放大器的输出和接地端之间。

与图2的单端低通滤波器类似，图4的平衡低通滤波器的放大器A优选地包括频率相关放大器A(ω)与跨导放大器g_m的级联(未示出)，其中，所述跨导放大器g_m被调整为将频率相关放大器的输出电压转换为相应的电流。

上述滤波器的原理允许所述实现(例如，通过集成)使得图4的滤波器增强装置的滤波器特性可编程(例如，通过软件)，从而通过调节整个低通滤波器的滤波器特性改进所述弹性。这样可以减少各种各样的分路器的版本数目，这是今天各种不同的应用和市场所需要的。

图5给出了xDSL分路器中的所述低通滤波器的实现的框图。

在中心局CO侧，xDSL环境中的分路器功能允许在相同的电话线TL上对低频带(POTS或ISDN)以及高频带(诸如ADSL、VDSL的xDSL)进行频率复用。因此，xDSL分路器由高通滤波器(通常放置在xDSL线路终端板上)和低通滤波器(通常放置在分离的板上)构成。

在用户驻地CPE，由低通和高通滤波器组成的分路器功能也用于对发往POTS/ISDN端子LT的POTS/ISDN信号以及发往xDSL调制解调器的xDSL信号进行频率复用。

在图5中示出了xDSL和POTS/ISDN频率复用的拓扑，其中使用如下缩略词：

LT＝线路终端；

LPF＝低通滤波器；

HPF＝高通滤波器；

CPE＝用户驻地设备；

CP＝用户驻地；

TL＝电信线路；

CO＝中心局；

POTS＝普通老式电话业务；以及

ISDN＝综合业务数字网

得益于上述不同实现，可以获得如下优点：

-相比无源分路器实现具有更小的尺寸(仅1个线圈)；

-更便宜，尤其是体积大的组件(线圈、高压电容器)；

-对电话线上的过电压和过电流不敏感(经由变压器T1的高欧姆电流检测网络和电流隔离(galvanic isolation))；

-没有其它有源分路器实现中经常遇到的交越失真(在电话线的线的过零中)；

-没有其它有源分路器实现中存在的DS电压降；以及

-滤波器特性的弹性编程。

最后注释，以上按照功能块描述了本发明的实施例。从以上给出的这些块的功能描述中，对于设计电子器件的本领域技术人员而言，如何利用已知的电子组件制造这些块的实施例是很明显的。因此不再给出这些功能块内容的详细结构。

以上利用具体装置描述了本发明的原理，可以很清楚地知道，此描述仅作为例子，而不是对本发明范围的限制，由所附的权利要求对本发明进行限制。

Claims (11)

1.一种单端低通滤波器(图1)，包括：连接在输入端(Vin)和输出端(Vout)之间的线圈(Lp)，以及连接在所述输出端和接地端(Vgrd)之间的电容器(C)，

其特征在于，所述低通滤波器进一步包括滤波器增强装置(FEM1)，所述滤波器增强装置包括：连接在所述输入端(Vin)和所述线圈(Lp)之间的阻抗(Rsense)，以及放大器(A)，该放大器的输入跨所述阻抗连接，且其输出经由第二线圈(Ls)连接到所述接地端(Vgrd)，其中所述第二线圈(Ls)也形成所述滤波器增强装置的一部分，

其特征还在于，所述第一线圈(Lp)和所述第二线圈(Ls)分别组成变压器(T)的初级和次级绕组。

2.一种单端低通滤波器(图2)，包括：连接在输入端(Vin)和输出端(Vout)之间的线圈(Lp)，以及连接在所述输出端和接地端(Vgrd)之间的电容器(C)，

其特征在于，所述低通滤波器进一步包括滤波器增强装置(FEM2)，所述滤波器增强装置包括：电流检测电路(CS)，其输入跨阻抗(Rsense)连接，其中所述阻抗连接在所述输入端(Vin)和所述线圈(Lp)之间，以及放大器(A)，其输入连接到所述电流检测电路的输出，而其输出经由第二线圈(Ls)连接到所述接地端(Vgrd)，其中所述第二线圈(Ls)也形成所述滤波器增强装置的一部分，

其特征还在于，所述第一线圈(Lp)和所述第二线圈(Ls)分别组成变压器(T)的初级和次级绕组。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的单端低通滤波器，其特征在于，所述放大器(A)包括频率相关放大器和跨导放大器的级联，其中所述跨导放大器被调整为将所述频率相关放大器的输出电压转换为对应的电流。

4.一种平衡低通滤波器(图4)，包括：连接在所述滤波器的第一输入端(Vin1)和第一输出端(Vout1)之间的第一线圈(Lp1)，连接在所述滤波器的第二输入端(Vin2)和第二输出端(Vout2)之间的第二线圈(Lp2)，以及连接在所述第一和所述第二输出端之间的电容器(C)，

其特征在于，所述低通滤波器进一步包括滤波器增强装置(FEM)，所述滤波器增强装置包括：电流检测电路(CS)，所述电流检测电路的第一输入跨第一阻抗(Rsense1)连接，其中所述第一阻抗连接在所述第一输入端(Vin1)和所述第一线圈(Lp1)之间，且所述电流检测电路的第二输入跨第二阻抗(Rsense2)连接，其中所述第二阻抗连接在所述第二输入端(Vin2)和所述第二线圈(Lp2)之间，以及放大器(A)，其输入连接到所述电流检测电路的输出，而其输出端经由第三(Ls1)和第四(Ls2)线圈连接到接地端(Vgrd)，其中所述第三和第四线圈也形成所述滤波器增强装置的一部分，

其特征在于，所述第三线圈(Ls1)被调整为磁连接到所述第一线圈(Lp1)，

其特征在于，所述第四线圈(Ls2)被调整为磁连接到所述第二线圈(Lp2)，

其特征还在于，所述第一、第二、第三以及第四线圈位于变压器(T1)的相同的芯上。

5.根据权利要求4所述的平衡低通滤波器，其特征在于，所述第三(Ls1)和第四(Ls2)线圈并联在所述放大器(A)的输出和所述接地端(Vgrd)之间。

6.根据权利要求4所述的平衡低通滤波器，其特征在于，所述放大器(A)包括频率相关放大器和跨导放大器的级联，其中所述跨导放大器被调整为将所述频率相关放大器的输出电压转换为对应的电流。

7.一种xDSL电信系统，其包括低通滤波器分路器，其特征在于，所述低通滤波器分路器是所述根据权利要求5的平衡低通滤波器，其中所述第一(Vin1)和第二(Vin2)输入端连接到电信线路(TL)，且所述第一(Vout1)和第二(Vout2)输出端连接到电话线路终端(LT)。

8.根据权利要求7所述的xDSL电信系统，其特征在于，所述低通滤波器分路器位于所述电信系统的中心局(CO)部分。

9.根据权利要求7所述的xDSL电信系统，其特征在于，所述低通滤波器分路器位于所述电信系统的用户驻地设备(CPE)部分。

10.根据权利要求7所述的xDSL电信系统，其特征在于，所述电话线路终端(TL)是普通老式电话系统POTS。

11.根据权利要求7所述的xDSL电信系统，其特征在于，所述电话线路终端(TL)是综合业务数字网ISDN。

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