CN101300822B - 隔离发送和接收信号的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种方法和装置，用于隔离使用了输入和输出信号共用信道的通信系统中的发送和接收信号。在一个实施例中，为已调谐的混合电路或隔离电路提供高频预加重响应。已调谐的混合电路拒绝来自接收端口的发送信号，并且能够隔离低功率接收信号。所述混合电路中的一个或多个滤波器提供所期望的衰减水平以及特定频率处理。输出的发送信号遇到最小衰减，从而降低总的发送功率要求，同时隔离接收信号。可以利用由衰减器和延迟元件组成的全通网络配置所述已调谐的混合电路。可以调谐这些装置或元件来定制对信道的频率响应。

Description

隔离发送和接收信号的方法和装置

优先权主张 

本申请对在2004年12月2日提交的名为“全双工通信系统中的发送和接收信号的隔离(Isolation of Transmit and Receive Signals in Full-Duplex Communication Systems)”的美国专利申请11/002,953主张优先权，并且是其部分继续。 

技术领域

本发明涉及通信装置，具体地，涉及一种隔离已发送和已接收的信号的方法和设备。 

背景技术

现代通信系统通常使用单个信道同时发送和接收数据。通常将此过程称为全双工操作。全双工操作提供了最大化信道利用率的优点，因为可以在同一信道上同时发送和接收数据。所述信道包括一个或多个导线(conductor)或路径，其每个可以同时运载发送和接收信号。 

尽管全双工操作提供了同时使用信道进行发送和接收的优点，但是全双工操作必须获得低电平输入(接收)信号，并且以适当的功率电平同时发送输出(发送)信号。本领域普通技术人员可以理解，关于在同时也运载时变发送信号的信道上隔离时变接收信号，存在着很多挑战。由于在收发器，输入信号的功率电平可能比输出信号的功率电平小一个或多个数量级，使得所述挑战更加困难。因而，由于通过信道，接收信号已经被大大地衰减，如果缺少对发送信号的足够隔离或消除，则不可能准确地获取和隔离接收信号。 

在现有技术系统中，使用了各种装置在共同连接到共享信道的发送器和接收器之间提供这种隔离。例如，某些现有技术实施例使用了配置有电压源和电阻电桥的标准电话折衷混合电路(standard telephonecompromise hybrid)，如图1所示。如所示，电压源104在发送端口108接收输出的发送信号。电压源104具有低输出阻抗，示为R_out。电压源104的输出连接到电阻器R_S和R₁。电阻器R_S的相反端(opposing terminal)连接到信道端口110以及低噪声放大器112的正输入端，该低噪声放大器112被配置用于电压差分操作。放大器112的负输入端连接到电阻器R₁的相反端，并通过电阻器R₂接地。电阻器R_L表示信道的阻抗。 

在此电路中，通过电阻器R_S向所述信道提供由电压源104发送的信号。由信道阻抗R_L确定作为R_S的结果出现的衰减量，并且将其定义为所述混合电路的输出路径中的损耗。接收信号被表示为差分放大器112的正负输入端之间的差。通常都能理解混合电路的操作，因此，此后不进行详细讨论。为了将发送信号与接收信号隔离开，电路将发送信号指向到电阻器R_S和R₁。现有技术混合电路的电路构造将所述发送信号同时指向到差分放大器112的正负输入端。通过适当选择R₁和R₂的值，一般向差分放大器的输入提供相等的发送信号电平，从而消除发送信号。这反过来从接收信号中消除了发送信号。 

关于接收信号，其被直接提供给差分放大器的正输入端，提供终端阻抗的电阻器R_S与R_out串联。电压源104作为对于输入接收信号的AC假接地，并且因此，在差分放大器112的负输入端不出现接收信号。虽然此构造对于现有技术系统和应用被证明是令人满意的，但是在宽带通信系统中，其效用却被电压源104的带宽限制所影响。在一个实施例中，如图1所示系统，电压源104必须能够工作于比输入信号的带宽高出很多倍的频率。具体地，电压源104的输入阻抗在比该电压源的信号带宽低很多倍的频率处开始增加，从而阻碍电路工作。高频工作可能需要使用超高带宽电压源，大概地，其带宽可达到输入信号带宽的10倍，并且使用这样的装置对于功耗和成本是低效率的。 

其它提出的解决方案包括使用同向双工器(diplexer)、复制混合电路(replica hybrid)或者定向装置，诸如有源或无源循环器、功率分配器或者定向耦合器。所有这些装置都具有缺陷或限制，使得它们不利于发送和接收信号的宽带隔离。 

例如，一种复制混合电路，除了其使用两个驱动放大器(电压或电流)之外：产生输出信号的主驱动放大器，以及产生用于从接收信号中消除该输出信号的发送信号的复制的副驱动放大器，其相似于图1所示的实施例。如果所述复制信号的噪声和失真特征与主输出信号的噪声和失真特征不匹配，则此方法在差分放大器112的输出端具有不可接受的噪声和失真级别。这种方法通常需要具有非常低的失真和非常低的噪声的驱动放大器，因为，来自主驱动放大器的失真和噪声与复制驱动放大器的失真和噪声不完全匹配，并且因此，在差分放大器输出端，发送噪声和失真不被显著衰减。 

类似地，同向双工器不适于宽带应用。同向双工器通过将信道划分为由输入和输出信号专用的频带，在单信道上进行全双工操作。如果使用高阶高通和低通滤波器来分离所述输入和输出信号，利用同向双工器能够提供足够的隔离，但是由于为输入信号保留了一部分信道带宽，并且为输出信号保留了一部分信道带宽，没有利用信道的全容量。对于被设计用来在窄带信道上满足高数据发送速率要求的宽带通信系统而言，这种解决方案是不可接受的。 

关于诸如有源或无源循环器、功率分配器或者定向耦合器等定向装置，可以将这些装置配置为提供足够的隔离，但是其具有不可接受的很大程度的输入信号或输出信号衰减的缺点、宽带隔离程度不够，或者这些缺点的结合。可以将这些定向装置配置为提供足够的宽带隔离，但是通常会付出代价，如输入信号衰减、输出信号衰减，或者两者均有。可选地，如果其被配置为最小化输入或输出信号的衰减，诸如无源循环器，仅可以在操作的窄带上实现足够的隔离。因此，对宽带使用定向装置，在带宽受限的信道上的高数据速率应用通常不可行。 

结果，在本领域技术中，继续存在对共享公共信道的输入和输出宽带 信号进行隔离的方法和设备的需求。在此公开的方法和设备提供了用于此需求的解决方案。 

发明内容

为了克服现有技术的缺点，并且提供额外的好处和优点，公开了一种将接收信号从也运载发送信号的信道隔离的方法。此示例性方法包括：在隔离电路从信道接收输入信号，并在隔离电路接收输出信号，从而在信道上发送所述输出信号。此方法也利用第一滤波器对所述输出信号进行滤波，以生成第一已滤波输出信号，并且利用第二滤波器对所述输出信号进行滤波，以生成第二已滤波输出信号。所述方法向差分放大器的输入端提供所述第一已滤波输出信号和第二已滤波输出信号。最后，所述方法利用所述第一滤波器和所述第二滤波器对输入信号进行滤波，以生成已滤波输入信号。然后，所述方法向差分放大器的输入端提供所述已滤波输入信号和所述输入信号，从而在差分放大器中消除所述第一已滤波输出信号和所述第二已滤波输出信号，并且所述差分放大器的输出是输入信号的已滤波版本。 

可能希望所述第一滤波器和第二滤波器具有通常相同的频率响应，并且所述滤波包括对一个或多个信号进行相移和衰减。在一种应用中，信道包括一个或多个双绞线导体。在一个实施例中，第一滤波器和第二滤波器被配置以生成对于所述隔离电路的全通(即，平坦型)频率响应。 

在此还公开了一种隔离发送端口和接收端口的方法，从而在共享信道环境中，在发送端口的信号和在接收端口上接收的输入信号之间维持期望的电隔离水平。在一个实施例中，此方法包括在信道节点从信道接收输入信号，并且向发送端口提供输出信号。所述方法处理所述输入信号，从而对输入信号产生衰减和相移，从而生成处理的输入信号。所述方法还处理所述输出信号，以生成两个或更多通常相等的输出信号。所述方法向差分装置提供所述已处理的输入信号和所述输入信号，并且还向差分装置提供两个或更多通常相等的已处理的输出信号，从而在所述差分装置中消除所述通常相等的输出信号，并且所述差分装置输出所述输入信号。 

在一种变型中，所述差分装置包括差分放大器。可以设想，对所述输出信号的处理可以包括对输出信号进行第一处理，以及对输出信号进行第二处理。可以由一个或多个滤波器进行所述处理，并且所述一个或多个滤波器中的至少一个可以包括衰减器和延时器。 

根据在此包含的资料，在一个示例实施例中，所述隔离电路包括信道端口、发送端口和接收端口；以及第一滤波器和第二滤波器，从而第一滤波器连接到信道端口。此实施例进一步包括被连接到发送端口、第一滤波器以及第二滤波器的驱动放大器，以及被连接到接收端口、信道端口和第二滤波器的差分连接点(junction)。 

所述隔离电路可以进一步包括终端阻抗(termination impedance)，其被连接到第二滤波器，并被配置为匹配信道的阻抗。另外，所述第一滤波器和第二滤波器各自可包括延时器和衰减器。通过举例，所述隔离电路可具有产生高频预加重的超前滞后频率响应。 

在另一个示例实施例中，利用信号隔离单元来隔离所述接收信号，并向信道提供具有期望或最大功率电平的发送信号。此示例实施例包括被配置为连接到信道的信道端口，被配置为连接到发送器的发送端口，以及被配置为连接到接收器的接收端口。并且，与此实施例相关联的是差分放大器，其包括被连接到接收端口的输出端，被连接到信道端口的第一输入端，以及被连接到第二滤波器的第二输入端。所述隔离单元还包括驱动放大器，或者任何信号源，其输入端被连接到所述发送端口而输出端被连接到第一滤波器和第二滤波器，从而使得所述第一滤波器连接到信道端口，且第一滤波器和第二滤波器具有通常相似的传递函数。 

可以设想，所述信号隔离单元的传递函数是依赖于频率的，并且所述信号隔离单元的传递函数对于通信信道是优化的。在一个实施例中，信号隔离单元的传递函数是全通函数。此单元可进一步包括终端阻抗。在一个实施例中，所述信号隔离单元被配置为差模。在一种操作模式中，差分放大器的各输入端接收在发送端口接收到的信号的通常相同的已滤波版本。 

在此还公开了一种隔离电路，其包括：第一端口、第二端口和第三端 口。所述第一端口被配置为连接到信道，而第二端口被配置为连接到发送器，且第三端口被配置为连接到接收器。所述隔离电路还包括至少一个滤波器，其被配置为对从信道传到接收端口的接收信号进行滤波，以及对从第二端口传到信道的发送信号进行滤波。在此实施例中，隔离电路被配置为隔离所述接收信号，同时拒绝来自第三端口的发送信号。 

在一种变型中，至少一个滤波器包括至少一个延时器和至少一个衰减器。在差模构造中，隔离电路可以与各差分路径相关联。在一个实施例中，提供了一种终端阻抗，其具有与信道阻抗相关的阻抗值。在另一个实施例中，可变滤波器或者可变终端阻抗，或者此两者，使得动态地调整已调谐的隔离电路的接收信号传递函数(频率响应)和特征阻抗，以补足所述信道特征。可以从位于接收端口(在此实施例中，第三端口)的信道估计电路得到所述相关信道特征。在其它实施例中，可以使用其它系统或方法来确定或估计信道特征。所述信道估计电路估计信道的频率响应、特征阻抗，或者此两者，并产生控制信号，用于设置滤波器响应，终端阻抗，或者此两者。 

在察看了如下附图和详细描述之后，对于本领域技术人员，本发明的其它系统、方法、特征和优点将变得非常明显。包含在此描述中的所有这些额外的系统、方法、特征和优点都在本发明的范围之内，并且由所附权利要求进行保护。 

附图说明

不需要定标附图中的组成部分，重点在于阐明本发明的原理。在所述附图中，对于所有不同的视图，类似的参考数字指示对应的部件。 

图1阐明了现有技术混合电路构造的框图； 

图2A阐明了已调谐的隔离电路的示例实施例的框图； 

图2B阐明了已调谐的隔离电路的另一个示例实施例的框图； 

图3阐明了已调谐的电路的示例实施例的框图； 

图4A阐明了已调谐的隔离电路的可选示例实施例的框图； 

图4B阐明了具有信道估计器的可选示例实施例的框图； 

图5A和5B阐明了衰减器的示例实施例； 

图6阐明了发送信号拒绝的示例方法； 

图7阐明了隔离接收信号的示例方法； 

图8阐明了已调谐的隔离电路的接收频率响应的曲线图； 

图9阐明了响应于不同α值的已调谐的隔离电路的接收频率响应的曲线图； 

图10A阐明了已调谐的隔离电路在差模构造中的示例实施例的框图； 

图10B阐明了已调谐的隔离电路在差模构造中的另一个示例实施例的框图； 

图10C阐明了已调谐的隔离电路在差模构造中的另一个示例实施例的框图。 

具体实施方式

图2A阐明了已调谐的隔离电路的示例实施例的框图。如所示，节点1处的发送端口被配置为从通信装置或者其它源接收输出信号。通过信道210发送输出信号，如所示，信道210具有线阻抗Z_line。 

节点3处的接收端口被配置为接收并向可连接到节点3的通信装置或其它信号接收设备提供输入信号。术语“通信装置”在此被定义为表示被配置为在两个地点之间通信信息或数据的任何系统或装置。可以设想，所述通信装置可在全双工模式下工作，从而受益于在此所述的已调谐的隔离电路。所述信道可包括被配置为传送信息或数据的任何元件或介质，诸如但不限于金属导线、双绞线、同轴电缆、CAT5或CAT6电缆或任何变型，诸如但不限于CAT5e、无线或自由空间信道、波导、单端或差分传输线，或者光纤电缆。因为在此描述的方法和装置可以与任何类型的信道一起工作，所述信道可包括本领域普通技术人员可以理解的任何其它信道，并且随后的权利要求不限于特定信道。 

可以理解，可能需要将节点1处的发送端口与节点3处的接收端口隔 离开，从而以最小衰减向节点3处的接收端口提供来自信道210的输入信号，同时，从节点1处的发送端口传输的信号被以最大功率提供给所述信道，并使其不压倒(overpower)并且不干扰接收端口上的信号。于是，图2A所示的实施例使用驱动放大器212连接到节点1处的发送端口。驱动放大器212可以包括电流输出驱动器、电压输出驱动器、匹配阻抗驱动器或者任何其它能够接收和再生在节点1上接收的发送信号的装置。可以将驱动放大器212配置为具有或者不具有增益，以及具有或者不具有反馈。 

驱动放大器212的输出端连接到第一滤波器220A和第二滤波器220B。滤波器220A和220B可包括被配置为如在此描述进行工作的任何类型的滤波器。可以设想，滤波器220A、220B可包括连续时间滤波器、离散时间滤波器，或者此两者的组合。在一个实施例中，滤波器220A、220B被配置为使信号衰减，并对信号相位进行特定频率修改或处理。可以设想，滤波器220A、220B是双向的，从而无论信号通过的方向为何，都能对信号进行处理。 

在一个实施例中，将滤波器220A、220B配置为具有相同的传递函数，尽管在其它实施例中，可以对所述滤波器进行不同的配置。尽管显示为单个滤波器220A、220B，可以认为第一滤波器220A表示在节点232和节点2之间的传递函数，而第二滤波器220B表示在节点232和节点234之间的传递函数。因此，当达到滤波器220A、220B的传递函数时，考虑所述节点本身的响应和所述节点之间的信号路径。 

第一滤波器220A的输出端连接到节点2，所述节点在此配置中包括所述信道。节点2还连接到差分放大器224的输入端。第二滤波器220B的输出端通过终端阻抗R_term接地，并且连接到差分放大器224的第二输入端。尽管所示为单个电阻器，但可以认为所述终端阻抗表示任何真实的或电抗性的阻抗网络，其可被实现为分立元件或分布元件；或者利用反馈方法或自适应方法进行合成。节点3处的差分放大器的输出端连接到或者包括通信装置的接收端口。 

在操作期间，从节点2输出所述输出信号，并在信道210上传输。在 节点2上接收输入信号，将其隔离，并提供为节点3上的输出。从输入信号中去除发送信号，并且将所述输入信号与发送端口相隔离，以实现所期望的操作。由于图3-5所示的实施例的操作通常相似，以下结合图6-7提供所述操作的详细讨论。 

尽管在图2A中，从差分放大器的输出端得到接收端口，可以设想，可以采用多种装置或方法来进行具有或者不具有信号放大的差分功能，更普遍地，如图2B所示。这些装置和方法包括，但不限于，包括变压器、电阻网络以及晶体管的一个或多个有源或无源电路。无源差分装置或者不具有信号放大的差分装置，可以减少电路功率消耗，其代价是更高的接收噪声系数。这样，不应该将之后的权利要求和描述理解为限制于图2A、图2B的特定示例实施例，或者限制为仅仅所示的元件或构造。 

如图2B所示，差分装置240连接到Rx端口，并且连接到第二滤波器220B和节点2。相比图2A，利用相同的参考数字标示出相似的元件。如上所述，图2A的放大器224仅是一种可能的差分元件，并且，差分装置240可以包括任何元件或元件组合。在一个示例实施例中，所述差分装置可以仅包括电阻器，或者与放大器结合的电阻器。在其它实施例中，差分装置可以包括其它构造。在操作中，由于加法和减法的关系，差分装置也可以作为求和装置进行工作，生成两个信号之间的差，或者将极性相反的两个信号相加，以获得这两个信号的差。 

图3阐明了已调谐的隔离电路的示例实施例。这仅是一个示例实施例，并且随后的权利要求不限于此具体构造。相比图2A，使用相同的参考数字标示出相同的元件，并且讨论的焦点在于图3中不同于图2A所示的方面。在此示例实施例中，信号源212的输出端连接到所示的第一和第二延时器304A、304B。延时器304可引入任何延时量，但是此延时量依赖于对所通过的信号的期望的频率影响。延时器304可以包括任何形式或类型的延时器，这包括，但不限于，有源延时装置、抽头延迟线、同轴电缆延时器、单端或差分传输线、集总元件延时器，或者表面声波延时器。延时器304可包括离散元件或被配置为电路的一部分或印刷电路板的一部分。 

第一延时器304A的相反端连接到第一衰减器308A，而第二延时器304B的相反侧连接到第二衰减器308B。第一衰减器308A的相反端连接到节点2，而第二衰减器308B的相反端连接到差分放大器224和终端阻抗R_term。衰减器308可以包括被配置为衰减所通过的信号的任何装置。在图3的实施例中，各个衰减器提供的衰减量等于1/α的平方根，其中值α可以是固定值或变量，并且被选来为所述已调谐的隔离电路实现期望的接收信号传递函数。 

可以设想，可以将延时器304和衰减器308配置为滤波器，并且可包括有源元件、无源元件或这两者的组合。在其它实施例中，衰减器308可包括电抗性组件，或者诸如针孔二极管、开关电容器、或者双向放大器等半导体装置。 

图4A阐明了图3的已调谐的隔离电路的示例实施的示例实施例。这仅是一个示例实施例，并且随后的权利要求不限于此具体构造。相比图3，使用相同的参考数字标示出相同的元件，并且讨论的焦点在于图4A中不同于图3所示的方面。在此示例实施例中，驱动放大器包括电流输出放大器404，而将接收放大器配置为差分低噪声放大器408。所述延时器包括类似配置的延时器412A、412B，将它们每一个配置为提供1/2τ延时，其中τ包括波特周期。衰减器416A、416B包括有电阻性的pi类型衰减器，但是在其它实施例中，所述衰减器可包括任何其它类型的衰减器。 

图4B阐明了图3的已调谐的隔离电路的示例实施的第二示例实施例。这仅是一个示例实施例，并且随后的权利要求不限于此具体构造。相比图3和4A，使用相同的参考数字标示出相同的元件，并且讨论的焦点在于图4B中不同于图3和4A所示的方面。在图4B的示例实施例中，利用可变衰减器1515A、1516B以及可变终端阻抗1520代替图4A的示例实施例的固定衰减器和固定终端阻抗。可变衰减器1516A、1516B使得已调谐的隔离电路的接收信号传递函数(频率响应)可以被动态调整，以补足所述信道的频率响应，其中，通过衰减因子α确定所述接收信号传递函数，并在以下结合图9进行详细讨论。 

用差分元件1508替代所述放大器，在此对其进行详细描述。进一步，可变终端阻抗1520使得可将已调谐的隔离电路的特征阻抗动态调整为匹配所述信道的特征阻抗1510，其中，由R_term确定所述已调谐的隔离电路的特征阻抗。 

在图4B的示例实施例中，从位于接收端口3的信道估计器1518得到用于设置可变衰减器1516A、1516B以及设置可变终端阻抗1520的控制信号。信道估计器1518作为简单的信号幅度检测器，其中，可变衰减器设置基于接收信号功率，并且可变终端阻抗设置基于剩余的发送信号功率，或者，信道估计器1518可以基于现在可用的或将来开发的任何系统或方法采用更复杂的系统识别算法。 

可以设想，可以使用任何装置或方法来实现图4B所示的可变衰减器1516A、1516B以及可变终端阻抗1520。这些装置和方法包括，但不限于，一个或多个包括PIN二极管、场效应晶体管(FET)、开关电容器、固态开关、或者继电器的有源或无源电路。因而，不应该将随后的权利要求和描述理解为限于图4B的特定示例实施例或者仅为所示的元件或构造。 

图5A阐明了衰减器的示例实施例。如所示，第一节点500和第二节点504为衰减器提供电接入(electrical access)。电阻器R₁和R₂连接到第一节点500。电阻器R₁的相反端接地，而电阻器R₂的相反端连接到节点504和电阻器R₃。电阻器R₃的相反端接地。选择电阻器R₁、R₂、R₃的值以实现所期望的衰减水平。 

图5B类似于图5A的构造，但以T形结构配置所述电阻器。如所示，电阻器R₄连接到节点500。电阻器R₄的相反端连接到电阻器R₅和R₆。R₅的相反端接地，而电阻器R₆的相反端连接到节点504。选择电阻器R₄、R₅、R₆的数值以实现所期望的衰减水平。 

在其它实施例中，可以利用任何装置或元件来构造衰减器，这包括但不限于，电阻器、电容器以及电感器。可以使用无源或有源装置。进一步可以设想，所述衰减器可包括针孔二极管、开关电容器，或者可变或固定增益双向放大器。 

发送信号拒绝 

现在回到在此描述的已调谐的隔离电路的操作，为便于理解，在图6中提供示例实施。讨论的是利用已调谐的混合电路拒绝来自接收端口的输出的发送信号。在图6中用虚线示出了输出的发送信号所采用的路径604、608。如所示，从电流模式驱动器404输出所述发送信号，并且沿着路径604和路径608前进。现在讨论每条路径。 

节点1到节点2 

输出的发送信号横贯路径604从节点1到节点2，在到达信道210之前遇上隔离元件412A和416A。输出的发送信号不被隔离元件412A和416A明显改变，其中隔离元件412A和416A形成全通(即，平坦型)网络。延迟元件412A产生τ/2秒的延迟，并且衰减元件416A产生10log(1/α)dB的衰减。结果，已调谐的混合电路通过取决于衰减因子α的值衰减从发送器发送的信号。尽管α的值可包括任何值，通常希望衰减因子α较大，以减少施加在所述发送信号上的衰减量。所述衰减量取决于α，并且因而，通过选择较大的α值，可以使得衰减水平小于现有技术实施例。如果在一个实施例中，α等于0.75，则已调谐的混合电路将发送信号衰减约1.25dB。当考虑在此定义的其它性能特征时，这是对现有技术混合电路的改进。以下结合图9详细讨论电路性能上的不同α值之间的关系。 

对于图6所示的示例实施例，可以如下写出节点1和节点2之间的完整传递函数H21。 

$H_{21}\left(s\right)=V_2\left(s\right)/I_1\left(s\right)=\sqrt{\mathrm{\α}}\·e^{-\mathrm{s\τ}/2}.$

节点1到节点3 

关于路径604，当信号从节点1横过到差分放大器408的正极端子时，发送信号遇到延迟元件412A和衰减元件416A。在所述示例实施例中，延迟元件412A产生τ/2秒的延迟，并且衰减元件416A产生10log(1/α)的衰 减。关于路径608，当信号从节点1横贯到差分放大器408的负极端子时，发送信号遇到延迟元件412B和衰减元件416B。在所述示例实施例中，延迟元件412B产生τ/2秒的延时，并且衰减元件416B产生10log(1/α)的衰减。在其它实施例中，可以提供其它延时量和/或衰减量。 

延迟元件412A和412B与衰减元件416A和416B相匹配。因此，倘若线阻抗Z_line和终端阻抗R_term也匹配，则从路径604上的信号以及路径608上的信号看来，在差分放大器408的各个输入端处的传递函数相同。结果，差分放大器408的两个输入端展现出具有通常相同的延时量和衰减的发送信号。根据定义，差分放大器输出其输入端之间的差，从而导致拒绝在节点3处的发送信号。 

对于图6所示的示例实施例，可以如下写出在节点1和节点3之间的完整传递函数H₃₁。 

$H_{31}\left(s\right)=V_3\left(s\right)/I_1\left(s\right)=\sqrt{\mathrm{\α}}\·e^{-\mathrm{s\τ}/2}\·(Z_{\mathrm{line}}\left(s\right)-R_{\mathrm{term}}\left(s\right)).$

传递函数H₃₁表示已调谐的混合电路的拒绝能力，其由端接电阻器R_term和信道阻抗Z_line之间的阻抗匹配确定。如果R_term和Z_line完美匹配，差分放大器导致对在节点3处的发送信号的完全拒绝。在其它实施例中，可能不发生完全拒绝，但是在节点1处的发送端口和节点3处的接收端口之间的隔离度足够充分减小节点3处的接收端口上的发送信号，以使得对输入的接收信号进行准确检测和解码。 

接收信号隔离 

现在到图7，提供框图来帮助讨论响应于接收信号的示例实施的操作。用虚线在图7中示出输入信号所采用的路径704、708。可见，在信道节点2接收到的信号沿着路径704和708前进。 

节点2到节点3 

路径708上的信号直接通向低噪差分放大器408的正极端子。此路径的传递函数是一(1)，于是，路径708上的信号不被衰减或延时。 

在到达差分放大器408的负极端子之前，路径704上的信号遇到衰减器416A、延时器412A、电流模式驱动器404的输出阻抗、延时器412B，以及衰减器416B。在此实施例中，电流输出驱动器404具有高输出阻抗，因此，不影响路径704上的信号。因而，可假设所有的信号通过元件412B、416B前进到较低路径，经过这些元件412B、416B的延时和衰减处理，然后进入差分放大器的负极端子。 

端接电阻器R_term端接所述输入信号，并且在图6所示的实施例中，其被选择以匹配信道的电阻或阻抗Z_line。在另一个实施例中，R_term的值可以是任何实值，或者是真实和电抗性阻抗的网络。当输入信号沿着路径704传送时，如果端接电阻器R_term匹配所述线路，则可适当地端接所述输入信号。 

在数学上，可以如下写出从节点2到差分放大器408的负输入端的传递函数。 

$H_{-\mathrm{Term}32}\left(s\right)=V_2\left(s\right)/V_{-}\left(s\right)=\sqrt{\mathrm{\α}}\·e^{-\mathrm{s\τ}/2}\·e^{-\mathrm{s\τ}/2}\·\sqrt{\mathrm{\α}}$

也可以表述为： 

H_-Term32(s)＝α·e^-sτ. 

结果，可以如下写出从节点2到节点3的接收传递函数H₃₂。 

H₃₂(s)＝V₃(s)/V₂(s)＝1-α·e^-sτ

接收传递函数H₃₂具有高通信道均衡滤波器的效果，而传递函数H₃₁表示已调谐的混合电路的拒绝能力，其由端接电阻器R_term和信道阻抗Z_line之间的阻抗匹配确定。 

由于通常根本不对路径708上的信号进行滤波，因而用H₃₂表示施加于所述输入信号的接收传递函数，而通过元件412、416对路径704上的信号进行滤波，以产生所期望的总响应。在此特定示例性实施例中，这包括20log(1/α)dB的衰减以及这两条路径之间的τ秒延时。从差分放大器408得到的输出包括已滤波的接收信号和由传递函数H₃₁确定的发送信号的一些剩余量。在其它实施例中，可以根据由衰减元件416引入的衰减量以及由延迟元件412引入的延时量来修改衰减和延时的程度。 

作为此实施例和所得的操作方法的优点，输入信号由元件412、416显著隔离，并且，如以下详细讨论的，从节点2到节点3的传递函数的频率响应修改所述输入信号。对所述输入信号的修改的量、类型以及细节取决于所述传递函数。在所述示例实施例中，由衰减器和延迟元件产生超前滞后响应，以放大所述输入信号的高频部分并衰减所述输入信号的低频部分，从而导致高频预加重。高频预加重的量正比于衰减因子α。以下对此进行详细讨论。 

作为此实施例和所得的操作方法的第二个优点，隔离元件412A和416A不显著改变施加到节点1的输出(发送)信号。延迟元件412A和衰减元件416A形成全通(即，平坦型)网络。所述全通网络的衰减是施加在沿着路径704的输入信号上的衰减的一半，或者10log(1/α)。因此，施加在发送信号上的衰减反比于衰减因子α。可将衰减因子α调整为在所述输入(接收)信号的高频预加重和所述输出(发送)信号的衰减之间产生最优平衡。例如，在诸如有线信道的色散通信信道上，高频信号被大大地衰减，可以使用大衰减因子α显著影响接收信号的高频预加重，而很少衰减所述发送信号。 

此实施例和所得的操作方法的第三个优点在于在节点2处看到的输入回波损耗较高，从而以最小损失将节点2处的接收信号入射传递到隔离电路。可以选择端接网络R_term以匹配由所述信道表示的阻抗Z_line，从而在发送和接收信号之间产生最大隔离。由于电流输出驱动器404具有高输出阻抗，由端接网络R_term确定节点2处看到的阻抗。因而，R_term和Z_line的匹配以最大化发送/接收隔离确保了在节点2处的高输入回波损耗，以及输入信号到隔离电路的最大功率传递。 

关于从节点2到节点3的已接收信号，可以设想，在节点1处，全部或大部分输入的接收信号被从发送信号隔离开。如上所讨论，可以为电流输出驱动器404、或者其它信号源配置高输出阻抗，从而确保高输入回波损耗。在其它实施例中，由于与隔离电路相关的传递函数(H₂₁、H₃₁和H₃₂)独立于所述驱动器的输出阻抗，可以使用除电流输出驱动器404之外的信 号源，其可以具有也可以不具有高输出阻抗。如果所述驱动器的输出阻抗不是高阻抗，则将进入节点2并沿着已滤波路径704传播的一部分输入信号反射回节点2。所述反射电压V′是 

$V^{\′}=V_2\left(s\right)\·\mathrm{\α}\·e^{-\mathrm{s\τ}}\·\frac{R_{\mathrm{out}}\·R_{\mathrm{term}}/(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{term}})-Z_{\mathrm{line}}}{R_{\mathrm{out}}\·R_{\mathrm{term}}/(R_{\mathrm{out}}+R_{\mathrm{term}})+Z_{\mathrm{line}}}$

$=V_2\left(s\right)\·\mathrm{\α}\·e^{-\mathrm{s\τ}}\·{\mathrm{\ρ}}_L$

因此，差分放大器408的正极(V₊)和负极(V_-)端子的电压是 

V₊＝V₂(s)·(1+α·e^-sτ·ρ_L) 

V_-＝V₂(s)·(1+ρ_L)·α·e^-sτ

并且从节点2到节点3的传递函数是 

$H_{32}\left(s\right)=\frac{V_{+}-V_{-}}{V_2\left(s\right)}=\frac{V_2\left(s\right)\·(1-\mathrm{\α}\·e^{-\mathrm{s\τ}})}{V_2\left(s\right)}$

$=1-\mathrm{\α}\·e^{-\mathrm{s\τ}}$

类似地，可以示出 

$H_{21}\left(s\right)=V_2\left(s\right)/I_1\left(s\right)=\sqrt{\mathrm{\α}}\·e^{-\mathrm{s\τ}/2}$

$H_{31}\left(s\right)=V_3\left(s\right)/I_1\left(s\right)=\sqrt{\mathrm{\α}}\·e^{-\mathrm{s\τ}/2}\·(R_{\mathrm{line}}\left(s\right)-R_{\mathrm{term}}\left(s\right))$

图8阐明了已调谐的混合电路的示例性接收信号频率响应的示例性信号图。应该将这理解为示例图，并且为便于讨论而提供。取决于已调谐的混合电路中的元件，已调谐的混合电路的接收信号频率响应将改变。因而，通过改变延时和衰减的量，可以设想，可以获得不同的频率响应。进一步可以设想，可以采用可变延迟元件和可变衰减元件来影响已调谐的混合电路频率响应的动态控制。如所示，垂直轴804表示功率或幅度，并且以dB标度所示。水平轴808表示频率。零db线812表示横过所有频率的零dB轴，并被提供作为参考。 

用曲线820示出了所述信道的通常接受的低通频率响应。可见，所述信道衰减所有频率，较高的频率衰减程度较大。较高频率的较高衰减程度表示高频通信的缺点，并且是接收和解码通信信号所必须克服的设计挑战。 

曲线822表示已调谐的混合电路的一个示例实施例的接收信号频率响 应。可观察到，已调谐的混合电路的接收信号频率响应被配置为超前滞后型滤波器响应。因而，在较低频率处，已调谐的混合电路衰减已接收信号，而中频经历较小的衰减。已调谐的混合电路在高频处配置有增益。因而，轻微放大高频频谱中的部分接收信号。在低通信道上，非常期望此高频预加重。 

所得到的信号曲线816表示所述信道和已调谐的混合电路的组合传递函数。可见，曲线816通常具有在接收信号的频谱的较大部分上平坦的优点。因而，已调谐的混合电路不仅提供隔离和拒绝的优点，还提供均衡信道的优点。结果，接收器中需要较少的均衡或者可能不需要均衡，或者减少下游均衡的程度和复杂性。这是相对于现有技术混合电路的优点，现有技术混合电路常规地相对于接收信号具有全通频率响应。 

图9阐明了响应于改变示例性已调谐的混合电路中的衰减因子α的值所生成的示例性信号曲线。这应该被理解为示例性曲线，并且出于讨论目的被提供。通过改变延时、衰减或者这两者的量，可以设想，可以获得不同的接收信号频率响应。如所示，垂直轴904表示信号功率或幅度，并用dB标度示出。水平轴908表示频率。 

零dB线812表示横穿所有频率的零dB轴，并且被提供作为参考。曲线820示出了所述信道的通常接受的频率响应。以上已结合曲线8讨论了这些曲线，在此不再进行讨论。 

曲线912、916和920表示对于衰减因子α的不同值的已调谐的混合电路的接收信号频率响应。具体的，曲线920表示某α值，其大于与具有其它两个曲线912、916的频率响应的已调谐的混合电路相关的α值。因而，通过选择较大的α值，增加低频处的衰减量，同时也增加高频处的增益量。注意到，随着α值向着值1增加，得到的1/α的平方根导致比1/α更接近值1的数。可以设想，可以为诸如长双绞线电缆的严格低通信道选择较大α值，因为较大的α值可以提供对被长线路严重衰减的高频信号部分增加增益的优点，同时减少在已调谐的混合电路的发送路径中的信号衰减量。 

相比较，曲线912与小衰减因子α值相关联。因而，在低频的衰减量 比曲线920更低。相比曲线920，高频增益量也较少。可以设想，较低的α值很适合于诸如短长度双绞线电缆的较不严格的低通信道，所述较低的α值为已调谐的混合电路产生如曲线912所示的频率响应。例如，在短长度的双绞线电缆上，所述信号的衰减在所有频率上小于在较长长度的双绞线电缆上所经历的程度。因此，因为到达较不严格的低通信道的信号不需要像较高频分量一样放大，较小的α值很适于这种情况。 

曲线916阐明了具有的α值在生成曲线920的α值和生成曲线912的α值之间的已调谐的混合电路的频率响应曲线。可以设想，可以选择α的中间值以适于较宽范围的信道低通特征。尽管提供了α值对的示例性信道低通特征，可以设想，可以为给定的信道低通特征选择任何α值，这取决于所期望的设计以及已调谐的混合电路的工作参数。 

可以进一步设想，可以永久地设置α值，或者基于信道特征调整为理想值。在一个实施例中，例如图4B所示的实施例，接收器可以利用接收端口处的信道估计器检测已接收信号的功率电平或幅度。基于所述接收信号的功率电平，可以外插所述信道的低通特性，并且选择为所述信道优化的α值。具体地，可以定制高频增益的水平、低频衰减，或者这两者，从而最好地适于所述信道的已检测特征。可以周期性进行此操作，作为初始化处理的一部分，或者两者。在其它实施例中，可以手动设置α值。 

图10A阐明了差模结构中的已调谐的混合电路的示例实施例的框图。可以设想，存在对于差模已调谐的混合电路的其它构造，为进行讨论提供此示例实施例。例如，图10B阐明了图10A的示例实施例，在其中，更通常地，用差分装置代替差分放大器。如通常理解，可以将图10A的放大器配置为差分装置，并因而所述放大器是差分装置的一个例子。 

图10C阐明了一种示例实施例，在其中，用求和装置代替差分放大器。所述求和装置可包括任何元件，诸如，在一个示例实施例中，其可包括电阻网络。图10B和10C分别示出的差分和求和装置可以被实现为采用或者不采用信号放大的有源或无源电路。所述差分和求和装置可以被实现为放大器或任何其它元件。例如，所述差分装置可包括电阻器。在一些构造中， 相比差分装置，求和装置更简单实现。因而，不应该将后面的权利要求理解为只限于图10A-10C中阐明的特定示例实施例。 

现在讨论图10A、10B和10C。由于这些图的相似性，将在单个讨论中参考图10A讨论所有这三个。在图10A的示例实施例中，所述信道包括双绞线信道，该双绞线信道包括导线1004A、1004B。可以使用许多差模结构的已调谐的混合电路，诸如在CAT5以太环境中。导线1004A连接到第一已调谐混合电路1008A，而第二导线1004B连接到第二已调谐混合电路1008B。在其它实施例中，可以使用其它信道。另外，在某些实施例中，多信道通信系统可以使用在此描述的一个或多个已调谐的混合电路。 

第一已调谐混合电路1008A和第二已调谐混合电路1008B如上所述进行工作，并且因此，不再给出关于这些装置的工作的解释。第一已调谐混合电路进一步包括发送端口1020和接收端口1024。类似的，第二已调谐混合电路进一步包括发送端口1039和接收端口1034。 

发送端口1020、1039用作和/或连接到与通信装置(未示出)相关联的两个导线发送端口。接收端口1024、1034用作或者连接到与通信装置(未示出)相关联的两个导线接收端口。在其它实施例中，可以使用不止一个双导线信道。例如，一些通信系统，诸如使用CAT5电缆连接的通信系统，其使用多于一个信道。可以设想，在这种环境下可以使用在此描述的已调谐的混合电路。进一步可以设想，可以使用具有多于或少于两个导线的信道。 

如果，如图10B和10C所示，所述结构包括差分装置或求和装置，则接收信道1324、1334的输出可以可选地馈送到放大器。 

尽管已经描述了本发明的各种实施例，对于本领域技术人员而言，很明显，在本发明范围内可以有更多的实施例和实施方式。另外，可以单独地或者以任意组合来组合或者配置所述各种实施例和特征。 

Claims (40)

1.一种利用隔离电路将接收信号从也运载发送信号的信道隔离的方法，所述隔离电路包括信道端口、发送端口、接收端口、第一滤波器、第二滤波器和差分装置，所述方法包括以下步骤：

在所述隔离电路的信道端口接收来自信道的输入信号；

在所述隔离电路的发送端口接收输出信号，该输出信号将通过所述信道端口在所述信道上发送；

利用第一滤波器对所述输出信号进行滤波，以生成第一已滤波输出信号；

利用第二滤波器对所述输出信号进行滤波，以生成第二已滤波输出信号；

向差分装置提供所述第一已滤波输出信号和所述第二已滤波输出信号；

利用所述第一滤波器和所述第二滤波器对所述输入信号进行滤波，以生成已滤波输入信号；

向差分装置提供所述已滤波输入信号和所述输入信号；以及

在所述接收端口从所述差分装置输出所述输入信号，其中，在该差分装置中消除所述第一已滤波输出信号和所述第二已滤波输出信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述差分装置是差分放大器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述隔离电路配置为差模。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述差分装置配置为进行信号求和。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器具有相同的频率响应。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滤波包括延时和衰减。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述滤波包括全通响应滤波。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述信道包括一个或多个双绞线导线。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器被配置为生成所述隔离电路的频率响应，该隔离电路部分或者完全地均衡所述信道的色散效应。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，可通过开关网络或自适应过程对所述第一滤波器和所述第二滤波器进行动态地重新配置，以生成取决于所述信道的特征的频率响应。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：终端阻抗，其被连接到信道端口，并被配置为匹配所述信道的阻抗。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，动态地调整所述终端阻抗，以匹配所述信道的阻抗。

13.一种隔离发送端口和接收端口的方法，用以在共享信道环境中，在所述发送端口的信号和在所述接收端口上接收到的输入信号之间维持期望的电隔离水平，所述方法包括以下步骤：

在信道节点接收来自信道的输入信号；

向发送端口提供输出信号；

通过不同滤波器连续过滤所述输入信号，以部分或完全地均衡所述信道的色散效应，从而生成已处理输入信号；

并行过滤所述输出信号，以生成两个相等的已处理输出信号；

向差分装置提供所述已处理输入信号和所述输入信号；以及

向差分装置提供所述两个相等的已处理输出信号，其中，在所述差分装置中消除所述相等的输出信号，并且所述差分装置输出所述输入信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述方法配置为差模。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述差分装置配置为进行信号求和。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述差分装置包括差分放大器。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，并行过滤所述输出信号包括：

对所述输出信号进行第一过滤；

并行地对所述输出信号进行第二过滤。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述信道包括双绞线导线。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，利用两个滤波器进行所述连续过滤和并行过滤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，通过动态地调整的滤波器进行所述连续过滤和并行过滤。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述两个滤波器中的至少一个包括衰减器或延时器。

22.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：终端阻抗，其被连接到信道端口，并且被配置为匹配所述信道的阻抗。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述终端阻抗动态地调整为匹配所述信道的阻抗。

24.一种隔离电路，包括：

信道端口，其被配置为连接到信道；

发送端口，其被配置为连接到发送器；

接收端口，其被配置为连接到接收器；

连接到所述信道端口的第一滤波器；

第二滤波器；

连接到所述发送端口、所述第一滤波器以及所述第二滤波器的信号源；

连接到所述接收端口、所述信道端口以及所述第二滤波器的差分装置。

25.根据权利要求24所述的隔离电路，其中，将所述隔离电路配置为差模。

26.根据权利要求25所述的隔离电路，其中，所述差分装置被配置为进行差分、求和、或者这两者。

27.根据权利要求24所述的隔离电路，进一步包括：终端阻抗，其被连接到所述信道端口，并且被配置为匹配所述信道的阻抗。

28.根据权利要求24所述的隔离电路，其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器各自包括延时器和衰减器。

29.根据权利要求28所述的隔离电路，其中，所述衰减器包括一个或多个电阻器。

30.根据权利要求24所述的隔离电路，其中，所述隔离电路的频率响应包括部分或完全地均衡所述信道的色散效应的频率响应。

31.根据权利要求24所述的隔离电路，其中，取决于所述信道的特征对所述隔离电路的频率响应进行动态调整。

32.根据权利要求27所述的隔离电路，其中，将所述终端阻抗动态调整为匹配所述信道的阻抗。

33.一种信号隔离单元，包括：

信道端口，其被配置为连接到信道；

发送端口，其被配置为连接到发送器；

接收端口，其被配置为连接到接收器；

差分装置，其包括：

输出端，其被连接到所述接收端口；

第一输入端，其被连接到所述信道端口；

第二输入端，其被连接到第二滤波器；

电流模式驱动器，其包括被连接到所述发送端口的输入端和被连接到第一滤波器和所述第二滤波器的输出端；

其中，所述第一滤波器连接到所述信道端口，并且所述第一滤波器和所述第二滤波器具有相似的传递函数。

34.根据权利要求33的单元，其中，所述信号隔离单元的传递函数是频率依赖的。

35.根据权利要求33的单元，其中，所述信号隔离单元的传递函数不同于全通滤波器。

36.根据权利要求33的单元，其中，取决于所述信道的特征动态地调整所述信号隔离单元的传递函数。

37.根据权利要求33的单元，进一步包括：终端阻抗，其被连接到所述信道端口，并且被配置为匹配所述信道的阻抗。

38.根据权利要求37的单元，其中，动态地调整所述终端阻抗以匹配所述信道的阻抗。

39.根据权利要求33的单元，其中，将所述信号隔离单元配置为差模。

40.根据权利要求39的单元，其中，所述差分装置被配置为用于信号求和。

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