CN103457633A - 一种回波噪声消除全混合线接口 - Google Patents

Abstract

一种回波噪声消除全混合线接口，用以与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接，该模拟前端设有一线性驱动器，该线性驱动器包括第一与第二输出端，该全混合线接口的第一与第二端电阻的一端分别与线性驱动器的第一与第二输出端连接，另一端分别与平衡变压器的第一与第二端连接，该全混合线接口还包括一副本阻抗网络，该副本阻抗网络包括串联的第一、第三电阻及第二阻抗，其中第一与第三电阻阻值相同，并且第一电阻的一端与线性驱动器的第一输出端连接，第三电阻的一端与线性驱动器的第二输出端连接，并且该全混合线接口在平衡变压器两端设有第一连接线，而在副本阻抗网络的一端设有第二连接线，第一与第二连接线与模拟前端连接。

Description

一种回波噪声消除全混合线接口

【技术领域】

本发明属于电子技术领域，特别是指一种与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接的回波噪声消除全混合线接口。

【背景技术】

随着信息技术、计算机网络的普及，宽带网络高速发展，接入方式层出不穷，而有线电视网络由于覆盖范围广、频带宽，表现出很强的竞争力。同轴电缆宽带接入是一种利用有线电视网同轴电缆，实现高性能双向信息传输的宽带接入解决方案。

如何实现高质量的信息传输、提高数据传输率是所有通信方案亟待解决的问题。对于通讯接口模拟前端的RX（接收）通路的数据传输率主要取决于RX信号强度、背景噪声和干扰。如果令输入参考噪声足够小，则模拟前端（AFE）不会显著降低传输信号的信噪比（SNR），从而数据传输率也不会受模拟前端的限制。RX通路的主要噪声源是TX（发送）通路引入的强信号噪声，因此有效隔离RX和TX通路是提高传输性能的基本途径。在无线应用中，通常采用双工器，双工器是由两个不同通频段的滤波器通过电阻匹配网络连接组成的，其作用是发送信号和接收信号隔离，保证信号的发送和接收能同时进行，从而接收和发送能共用一副天线。但在同轴电缆宽带接入接口方案中引入双工器显然代价太大。另外在半双工应用中，还可以采用模拟开关方案隔离TX和RX信号，即在发送时断开RX通路，而在接收时断开TX通路，但是模拟开关会由于电容溃通效应等原因而引入额外的噪声，因此实有必要提出一种回波噪声消除全混合线接口。

【发明内容】

本发明目的在于提供一种回波噪声消除全混合线接口，与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接，用以实现自适应噪声消除。

依据上述目的，实施本发明的回波噪声消除全混合线接口用以与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接，该模拟前端设有发送通路与接收通路，并且发送通路设有一线性驱动器，而接收通路设有减法器，其中该线性驱动器包括第一输出端与第二输出端，其中该全混合线接口包括第一端电阻、第二端电阻及平衡变压器，其中该第一端电阻与第二端电阻的一端分别与线性驱动器的第一输出端与第二输出端连接，而该第一端电阻与第二端电阻的另一端则分别与平衡变压器的第一端与第二端连接，并且该全混合线接口还包括一副本阻抗网络，该副本阻抗网络包括串联的第一电阻、第二阻抗及第三电阻，其中第一电阻与第三电阻阻值相同，并且第一电阻的一端与线性驱动器的第一输出端连接，而第三电阻的一端与线性驱动器的第二输出端连接，并且该全混合线接口在平衡变压器的第一端与第二端设有第一连接线，而在副本阻抗网络的一端设有第二连接线，第一连接线与第二连接线与模拟前端的接收通路的减法器连接。

依据上述主要特征，平衡变压器的匝数通过模拟前端的线性驱动器的输出摆幅及最终所需的输出摆幅进行设置。

依据上述主要特征，第一端电阻与第二端电阻相等，并根据平衡变压器映射回的传输线特征阻抗（可能为电阻、电感和电容的组合）进行设置，并且副本阻抗网络的第一电阻与第三电阻根据第一与第二端电阻进行配置，并与第一端电阻与第二端电阻成比例关系，而第二阻抗则根据传输线特征阻抗进行配置，并且与传输线特征阻抗成比例关系。

依据上述主要特征，该平衡变压器中间抽头并且设有一个隔直电容。

依据上述主要特征，该平衡变压器的第一端与第二端各设有一个电容。

依据上述主要特征，第二连接线连接在副本阻抗网络的第二阻抗的两端。

与现有技术相比较，本发明通过第一端电阻、第二端电阻、平衡变压器以及副本阻抗网络的设置，从而可以消除发送通路引入的噪声，从而确保信号可靠地传输。

【附图说明】

图1为实施本发明的回波噪声消除全混合线接口与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接的电路结构图。

图2为实施本发明的回波噪声消除全混合线接口的电路示意图。

图3为图2的单边等效电路

图4为图1所示的模拟前端的电路结构图。

图5为图4中接收通路中带可编程增益放大的减法器电路结构图。

【具体实施方式】

如同大多数高性能的混合信号模拟前端，与本发明自适应噪声消除的全混合线接口相配合的模拟电路部分也采用全差分结构（带内部共模调节）。尽管模拟前端（以下简称AFE）所有的电路模块都包含共模调节和共模抑制，进入AFE的信号及AFE驱动的负载必需合理平衡。在实施时，AFE必需驱动一对平衡的负载，如果将输出一端接交流地，而由另一端输出的方案是不可取的。同样，AFE的输入也必需满足一定平衡要求，将一端接交流地而使用另一端也是不可取的。

并且，在实施时，出于电气和调节方面的考虑，AFE会通过一个变压器与传输线（同轴电缆、双绞线等）连接，利用此变压器实现电气隔离、过压保护等功能。如果用于电气（物理）连接的通讯通道本身是单端的（如同轴电缆），变压器还可以作为差分/单端转换器（BALUN）。

请参阅图1所示，为实施本发明的回波噪声消除全混合线接口与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接的电路结构图，以下对模拟前端与回波噪声消除全混合线接口进行详细说明。

在本实施例中，该全混合接口适用于全双工应用，如作为电信设备（xDSL）的标准接口；同时，也应用于半双工，若TX通路不具备噪声屏蔽功能，而模拟回波消除是唯一选择。此处需注意，仅发送“零”信号并不能产生很好的噪音消除功能，因为整个模拟TX通路的噪声仍然存在。

如图2所示，实施本发明的回波噪声消除全混合线接口包括第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2及平衡变压器2，其中该第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2的一端分别与AFE的线性驱动器30的第一与第二输出端300与301连接，而该第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2的另一端则分别与平衡变压器2的第一与第二端200、201连接，如此形成一个回路。

另外，实施本发明的自适应噪声消除的全混合线接口还包括一副本阻抗网络4，该副本阻抗网络包括串联的第一电阻R_bm1’、第二阻抗Z_M’及第三电阻R_bm3’，其中第一电阻R_bm1’与第三电阻R_bm3’阻值相同，并且第一电阻R_bm1’的一端与AFE的线性驱动器30的第一输出端300连接，而第三电阻R_bm3’的一端与AFE的线性驱动器30的第二输出端301连接。

另外，上述的变压器2的匝数一般通过AFE的线性驱动器30（LD）的输出摆幅及最终所需的输出摆幅进行设置。第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2的阻值相等，并通常根据变压器2映射回的传输线特征阻抗（可能为电阻、电感和电容的组合，如为75Ω）进行设置。

副本阻抗网络4的第一电阻R_bm1’与第三电阻R_bm3’根据第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2进行配置，并与第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2成比例关系，而第二阻抗Z_M’则根据传输线特征阻抗进行配置，并且与传输线特征阻抗成比例关系。

利用上述的自适应噪声消除的全混合线接口，例如要在75Ω同轴电缆5（即与该自适应噪声消除的全混合线接口相连接的同轴电缆）上获得3.6V_PP输出，假设给定的线性驱动器30的输出摆幅为3.6V_PP，则可以使用一个1：2（升压）变压器2，同时设置第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2的阻值为75/4/2（即9.375）。为了避免纹波及相位偏移，变压器2应该具备100μH电感和一个100nF的阻断电容（即隔直电容202），此外副本阻抗网络4的第一电阻R_bm1’与第三电阻R_bm3’设置为第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2的四倍，第二阻抗Z_M’等于75Ω，即通过变压器2下降四倍，从而第一电阻R_bm1’与第三电阻R_bm3’需上升四倍。

再者，为了便于与接收通路（RX）的减法器50连接，该自适应噪声消除的全混合线接口在两处位置加载第一与第二连接线（容后详细说明），其中第一连接线V_IN和V_IP连接在变压器2的第一端与第二端200、201，第二连接线H_YN和H_YP连接在在副本阻抗网络4一端，具体连接在第二阻抗Z_M’的两端，需要进行适当的调整（即两路接收信号按照一定比例相减，去除其中的噪声，此功能在接收器内部实现）以有效分离RX/TX，实现回波损耗系统要求。接收通路的接收放大器（PGA）的输入电阻额定值为150Ω，实际值大约为160Ω（四个输入脚的每一端）。

因为整个AFE的TX通道是DC耦合，而通讯系统变压器对DC电流敏感，因此该变压器2中间抽头并且包含一个隔直电容202，如此可以有效隔离DC电流。或者，如果该变压器2不采用中间抽头的方式，则需要在电压器2的两边各加一个电容。

请参阅图3所示，为图2的等效单边电路，为了消除传输线上的信号反射，需要在同轴电缆5上连接一终端阻抗Z_T（按照阻抗匹配的原则设计）。

图3中的等效阻抗Z_M”=1/2Z_M’，等效阻抗Z_T’=(1/2N²)Z_T(副边端阻抗映射到原边的等效阻抗的1/2,其中N是变压器的匝比)。作为全双工应用时，传输线上信号接收和发送可同时进行，即同一时刻，传输线可同时存在接收信号（记为RX）和发送信号（记为TX）。TX信号由AFE的线性驱动器30的第一与第二输出端300与301端给出。RX信号来自传输线，并通过平衡变压器2传输到该平衡变压器2的第一与第二端200、201（由于变压器匝比为N，所以是(1/N)*RX）。单边等效后，表现在图3中，即AFE的线性驱动器30的端口500为1/2TX，而电阻R_bm1的输出端501为(1/2N)RX。根据给定的信号源和分压网络，就可以计算H_YP和V_IP。V_IP=(1/N)RX+[Z_T’/2(Z_T +R_bm1)]TX，即RX信号叠加上TX的部分分压；H_YP=Z_M”/(R_bm1’+Z_M”)TX，仅为TX的分压，LD端的输出电压很小，所以H_YP接收的RX信号近乎为零。同时接收这两路信号，并将参数做适当调整（如下所述），即可消除TX信号，得到纯粹的RX信号。

若线性驱动器30输出信号摆幅为3.6VPP，且假设传输线特征阻抗为一纯电阻阻抗，如75Ω。设置R_bm1=R_bm2=Z_T’=(1/2N²)*75，则TX有一半损耗在电阻网络上，在该平衡变压器2的第一与第二端200、201上得到1/2*3.6VPP，为了在传输线上输出3.6VPP，则需要一个1：2的变压器。这样R_bm1=R_bm2=Z_T’=75/4/2。如此，V_IP=1/4RX+1/4TX。为了实现回波消除，可令R_bm1’=Z_M”=Z_M’/2=75/2。这样H_YP=1/4TX。V_IP-H_YP=1/4RX，VI-HY=1/2RX，从而得到纯粹的RX信号，其中VI=V_IP-V_IN，HY=H_YP-H_YN，VI-HY=1/2RX为转换为双端后的输出。

如图4所示，为与全混合线接口相连接的同轴电缆宽带接入模拟前端的电路图，其中同轴电缆宽带接入模拟前端包括RX通路与TX通路，其中TX通路包含一个DAC、一个电流电压转换器（IVC）、一个低通平滑滤波器（SMF）/发送滤波器（TXF）和一个线性驱动器(LD)组成。RX通路包含一个带可编程增益放大的减法器、一个低通抗混叠滤波器(AAF/PGA)、一个ADC信号缓冲器及一个ADC。AFE通过三线SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)受控于主机，SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它使主机以串行方式与AFE通信交换信息，或者控制AFE。

以下分别对TX通路与RX通路的各个模块进行说明。

在具体实施时，上述的TX通路的DAC采用电流舵结构，因此TX通路在平滑滤波器前需添加IVC，当然，也可以将IVC功能内置在SMF模块中。为了驱动75Ω线电阻，还需一个带功率调整功能的LD。

电流电压转换器（IVC）将DAC输出的电流转化成电压。为了实现高性能，DAC的输出通常保持在1V以下，所以需在IVC中内置电平转换电路（Lever Shifter）。

平滑滤波器（发送滤波器，这里不考虑频谱限制问题）是一个简单的劳施(Rausch)滤波器（形式上是一个单级滤波器加负反馈电路组成双二阶滤波器），具有类似切比雪夫的传递函数和0.5dB峰值。放大器是传统的A类放大器，没有驱动大电流的要求。

由于前级的IVC（或者可能的外部滤波器）带有共模调节，所以TXF在处理输出共模电平方面的压力会小很多。

线性驱动器是一个由AB类运放组成的简单反向放大器，具备较大的输出级可以在保持输出摆幅不变的的条件下驱动近20Ω负载。

RX通路包含一个集成的减法器50（如图2所示）和可编程放大器（PGA），一个抗混叠滤波器(AAF)，一个ADC缓冲器和一个ADC。如果需要驱动一个外部滤波器，则还需要一个RX缓冲器。

减法器50和PGA集成在一起，RX中的减法器将两组输入信号相减以实现回波消除。

PGA是用来放大输入并不引入明显噪声的关键模块。PGA的一项关键参数为输入噪声水平。输入参考噪声要求可通过不同方式获得。其中衡量PGA噪声性能的最好方法是找出PGA及其之后各级对RX信噪比降低程度。如果PGA有一个较合理的高增益，则后面几级对噪声的贡献几乎可以忽略。如果能做到PGA的固有噪声低于环境噪声，则整个RX通道不会降低接收信号的信噪比。如果固有噪声水平和传输线噪声相当，则接收信号的信噪比将被降低3dB.

当有相邻通道存在时，需要添加模拟滤波器来消除不想要的信号，以及进一步放大接收信号，从而充分利用ADC的动态范围。ADC和模拟/数字滤波器需折中考虑。

在本实施例中，PGA是一个输入低噪声放大器，具备相当大增益范围。本质上就是一个反向放大器及并联在输入的额外电阻R_S组成。

该PGA提供两组输入接口(即V_IP和V_IN与H_YP和H_YN)，用于实现严格的半双工或者回波消除接口结构。每组输入接口都可以单独禁用。

由于噪声方面的要求，输入电阻必须足够小，从而在设计信号源与PGA之间接口时，输入电阻的影响不能忽略。所以设计上通常要求保持一定的输入电阻。

图5中所有的电阻都是可以调的（可编程）。为了实现高增益，R_IN固定，通过调节反馈电阻R_fb来得到所需增益，R_S无限大。在某些特定情况下（例如对运放的驱动能力有要求），R_fb保持恒定，通过调节R_IN实现所需增益，此时，通过改变R_S值来保持总的输入电阻。

放大器的输出偏置电流会根据负载条件（反馈电阻）自动调节。为此，数字控制接口将根据PGA看到的整个外部负载情况增加额外输出偏置电流进行调节。

此外，PGA增益跨度较大，需要自适应的补偿方案。所有的电阻都是高阻poly电阻。

RX缓冲器是专为驱动外部滤波器设计的模块。采用和IVC缓冲器相同的结构（同样的放大器，可复用），除去IVC缓冲器中电平转换功能，增益范围严格控制在0-1.5dB，0.5步长。

抗混叠滤波器是一个简单的劳施滤波器，类似于TXF，并在TXF功能的基础上增加了增益控制功能。

AAF的共模调节加入了一个内置的偏移量，将共模输出电平降低约200mV，改善与ADC缓冲器之间接口性能。

ADC缓冲器连接在AAF之后，提供足够的电流能力以驱动ADC；ADC（模拟数字转换器）为RX通路的最后一级，将处理后的模拟量传递给系统。

另外，该模拟前端还包括参考电压缓冲器、带隙电压基准和偏置模块及电平转换电路。

其中参考电压缓冲器通常接在基准电压模块（即REF）后，为参考电压提供足够的驱动能力，同时也可隔离参考源和其他模块（尤其是数字模块，受时钟控制，跳动大），维持参考源稳定。）

片上带隙电压基准模块产生系统所需各种参考电压，电流偏置生成模块为系统各模块提供所需偏置电流，同时也为电流舵DAC提供参考电流。

片上基准电压模块产生的参考电压需外接解耦电容，也可通过数字控制禁用内部基准，通过接口引入外部基准。

系统采用多电源方案（数字电源，模拟低压模块电源，模拟高压模块电源），因此需要各种电平转换电路承接不同电源供电模块，实现数字电路和模拟电路的通信。

模拟前端与全混合线接口连接时，模拟前端的输出端分别与第一与第二端电阻R_bm1与R_bm2连接，而该回波噪声消除全混合线接口的连接线V_IN和V_IP以及H_YN和H_YP则与接收通路的PGA连接，具体的工作原理如上述，此处不再详细说明。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种回波噪声消除全混合线接口，用以与同轴电缆宽带接入的模拟前端连接，该模拟前端设有发送通路与接收通路，并且发送通路设有一线性驱动器（30），而接收通路设有减法器（50），其中该线性驱动器（30）包括第一输出端（300）与第二输出端（301），其特征在于：该回波噪声消除全混合线接口包括第一端电阻（R_bm1）、第二端电阻（R_bm2）及平衡变压器（2），其中该第一端电阻（R_bm1）与第二端电阻（R_bm2）的一端分别与线性驱动器（30）的第一输出端（300）与第二输出端（301）连接，而该第一端电阻（R_bm1）与第二端电阻（R_bm2）的另一端则分别与平衡变压器（2）的第一端（200）与第二端（201）连接，并且该回波噪声消除全混合线接口还包括一副本阻抗网络（4），该副本阻抗网络（4）包括串联的第一电阻（R_bm1’）、第二阻抗（Z_M’）及第三电阻（R_bm3’），其中第一电阻（R_bm1’）与第三电阻（R_bm3’）阻值相同，并且第一电阻（R_bm1’）的一端与线性驱动器（30）的第一输出端（300）连接，而第三电阻（R_bm3’）的一端与线性驱动器（30）的第二输出端（301）连接，并且该自适应噪声消除的全混合线接口在平衡变压器（2）的第一端（200）与第二端（201）设有第一连接线（V_IN和V_IP），而在副本阻抗网络（4）的一端设有第二连接线（H_YN和H_YP），第一连接线与第二连接线与模拟前端接收通路的减法器（50）连接。

2.如权利要求1所述的回波噪声消除全混合线接口，其特征在于：平衡变压器（2）的匝数通过模拟前端的线性驱动器（30）的输出摆幅及最终所需的输出摆幅进行设置。

3.如权利要求1所述的回波噪声消除全混合线接口，其特征在于：第一端电阻（R_bm1）与第二端电阻（R_bm2）阻值相等，并根据平衡变压器（2）映射回的传输线特征阻抗进行设置，并且副本阻抗网络（4）的第一电阻（R_bm1’）与第三电阻（R_bm3’）根据第一与第二端电阻（R_bm1）与（R_bm2）进行配置，并与第一端电阻（R_bm1）与第二端电阻（R_bm2）成比例关系，而第二阻抗（Z_M’）则传输线特征阻抗进行配置，并且与传输线特征阻抗成比例关系。

4.如权利要求1所述的回波噪声消除全混合线接口，其特征在于：该平衡变压器（2）中间抽头并且设有一个隔直电容（202）。

5.如权利要求1所述的回波噪声消除全混合线接口，其特征在于：该平衡变压器（2）的第一端（200）与第二端（201）各设有一个电容。

6.如权利要求1所述的回波噪声消除全混合线接口，其特征在于：第二连接线（H_YN和H_YP）连接在第二阻抗（Z_M’）的两端。

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