CN105657193A

CN105657193A - 一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路

Info

Publication number: CN105657193A
Application number: CN201410644233.5A
Authority: CN
Inventors: 周美杉
Original assignee: Individual
Current assignee: Xiamen Leelen Technology Co Ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-06-08

Abstract

本发明提供一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，包括顺次连接的发送驱动单元、侧音消除单元以及传输介质。本发明是基于侧音消除技术，实现在一对2线电缆或一个同轴电缆上，以较低的成本和功耗直接以以太网的信号格式进行双向数据传输，从而节省布线的线材成本与人工工时成本。在智能控制、专用数字化系统领域，这种通信技术有显著的使用价值。

Description

一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路

技术领域

本发明涉及以通信领域，特别涉及一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路。

背景技术

以太网广泛应用于各类数据通信系统中，包括计算机通信、工业控制、数字化社区等领域。请参阅图1，传统的以太网布线均采用多对（图1中显示四对）双绞线或光纤作为传输介质。在双绞线布线中，通常双向通信的发送数据和接收数据是在不同的线对中进行的。传统的10M/100M以太网采用两对（4线）双绞线实现两个节点之间的通信连接。一对用于发送，另一对用于接收。其中的变压器是为了实现设备间的电气隔离及抑制共模干扰。现有的以太网布线方式不足之处在于：由于耗材大导致线材成本与人工工时成本高。

2线电缆以及同轴电缆（本发明中，所述2线电缆包括2芯双绞线和普通电话线等2芯结构的电缆）在计算机网络中也有应用，如各类DSL通信。最早的计算机网络采用2芯电话线或者是一根同轴电缆来实现计算机之间的互联，但所采用的是总线争抢的半双工技术或者是令牌环技术，通信效率很低，且功耗较大。采用一对双绞线或者2芯电话线或同轴电缆来直接传输双向以太网信号（即以全双工方式传送以太网信号），并以标称传输速率来传输数据还没有实现。

本发明中引用的侧音（sidetone），是一个源自电话机的概念，即在本侧受话器中所听到的自己的声音，消除侧音的目的，是要将本地声音发送到对端，而在自己的接收端（受话器）不会听到自己的声音。由于2线电缆或同轴电缆要同时负责发送和接收以太网信号，在负载连接端的信号为发送信号和接收信号的混合，因此，要通过2线电缆或同轴电缆实现全双工传送以太网信号，必然要解决如何在PHY接口(PHY接口中文名称：以太网物理接口)的接收端只接收到来自对端的接收信号这一技术难题。该技术问题类似于消除电话机受话器中的本地声音，因此，本发明将解决该技术难题的技术命名为侧音消除技术。

以太网交换机通过以太网通信线路给终端设备供电的技术称作PoE，即PoweroverEthernet，标准的PoE技术已在IP摄像监控系统和IP电话中广泛采用，当交换机识别出终端设备为标准PoE设备时才向其供电。但其实现比较复杂，且成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其解决现有以太网布线方式采用多对双绞线实现全双工通信存在的线路功耗大、耗材大以及线材成本与人工工时成本高等问题。

本发明是这样实现的：

一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，包括顺次连接的发送驱动单元、侧音消除单元以及传输介质。

进一步地，所述接口电路还包括耦合单元，所述接口电路具体为：所述发送驱动单元、侧音消除单元、耦合单元以及传输介质顺次连接。

进一步地，所述接口电路还包括单端转差分单元，其连接所述侧音消除电路。

进一步地，所述传输介质包括同轴电缆或2线电缆。

进一步地，所述发送驱动单元通过一运算放大器U1实现差分信号转单端信号并发送所述单端信号。

进一步地，所述发送驱动单元通过一变压器T1实现差分信号转单端信号，所述单端信号通过所述运算放大器U1驱动发送。

进一步地，所述侧音消除单元包括一运算放大器U2、一电阻Z1、一电阻Z2以及一电阻Z3，所述发送驱动电路的输出端分别连接所述电阻的一端Z1以及电阻Z2的一端，所述电阻Z1的另一端连接所述传输介质，所述电阻Z2的另一端分别连接至所述运算放大器U2的负端以及所述电阻Z3的一端，所述电阻Z3的另一端连接所述运算放大器U2的输出端。

进一步地，所述单端转差分单元通过变压器T2实现。

进一步地，所述耦合单元通过变压器T3实现。

进一步地，所述接口电路的PoE供电方式为：在所述侧音消除单元和传输介质设置一电感L1，通过所述电感L1将传输介质直接连接到电源端，在传输介质的另一端通过一电感L2提取电源，作为本地电源。

进一步地，所述接口电路的PoE供电方式为：在所述耦合单元和传输介质之间设置所述电感L1，通过所述所述电感L1将传输介质直接连接到电源端，在传输介质的另一端通过所述L2提取电源，作为本地电源。

本发明具有如下优点：

本发明是通过侧音消除技术实现在一对2线电缆或一个同轴电缆上，以较低的成本和功耗直接以以太网的信号格式进行双向数据传输，从而节省布线的线材成本与人工工时成本。在智能控制、专用数字化系统领域，这种通信技术有显著的使用价值。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为背景技术的结构示意图。

图2至图4为本发明接口电路的结构示意图。

图5为本发明侧音消除原理图。

图6至图13为本发明接口电路具体实施方案示意图。

图14和图15为本发明PoE供电方式的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图2，一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，包括顺次连接的发送驱动单元10、侧音消除单元20以及传输介质30。所述传输介质30包括同轴电缆或2线电缆。

由于现有的PHY接口40的接口端（RX+和RX-）一般都支持接收单端输入的信号，因此，可将侧音消除后的接收信号直接耦合到PHY接口的RX+或者RX-，对于没有接收信号的RX+端或者RX-端，只需保持适当的偏置电压即可。

对于不能支持接收单端输入信号的PHY接口40的接口端，请参阅图3，一般需通过一单端转差分单元50将来自侧音消除单元20输出的单端信号变换为平衡的双端差分信号连接到RX+端和RX-端。请参阅图8、图10至图13，所述单端转差分单元50一般通过变压器T2即可实现。

请参阅图4，所述接口电路中，在侧音消除单元20和传输介质30之间设置一耦合单元60，所述发送驱动单元10、侧音消除单元20、耦合单元60以及传输介质30顺次连接。请参阅图6至8及图11、图12，所述耦合单元60一般通过变压器T3即可实现。通过所述耦合单元60可以实现隔离、平衡/不平衡的转换以及抑制共模干扰，使传输介质的传输效果更佳，降低出错率。图4中展示了采用耦合单元60的接口电路结构图，该图中不设置所述单端转差分单元50。对于不能支持接收单端输入信号的PHY接口40的接口端，其接口电路中，可同时设置所述单端转差分单元50及耦合单元60，在这里不另做图示。

本发明的实现原理如下：

所述接口电路通过所述发送驱动单元10将来自PHY接口40发送端（TX+和TX-）的发送信号转化单端信号，并发送出去。所述发送驱动单元10实现方式这里列举四种：一、请参阅图6，通过一运算放大器U1实现差分信号转单端信号并发送所述单端信号；二、请参阅图7-11，通过一变压器T1实现差分信号转单端信号，所述单端信号再通过所述运算放大器U1驱动发送，该单端信号从所述运算放大器U1的负端输入；三、请参阅图12，通过所述变压器T1实现差分信号转单端信号，该单端信号再通过所述运算放大器U1驱动发送，该单端信号从所述运算放大器U1的正端输入；四、请参阅图13，通过所述变压器T1对差分信号进行隔离（隔离直流信号）后，将差分信号输入所述运算放大器U1，通过运算放大器U1实现差分信号转单端信号并发送所述单端信号。

请参阅图5至图11，图中1表示节点1，2表示节点2，3表示节点3，4表示节点4。节点1为发送输出端，节点2为负载连接端。在节点2既有来自PHY接口的发送信号，也有来自终端设备的信号，对PHY接口而言，来自终端设备的信号为接收信号，因此，通过所述侧音消除单元20，将节点2的混合信号中的发送信号消除后，传送至PHY接口的接收端（RX+和RX-）。

重点请参阅图5，说明侧音消除原理。图5中电阻ZL为反映在节点2的对端负载阻抗，即图6至图13中传输介质反映在该节点2的特性阻抗Zc，或传输介质和耦合单元反映在该节点2的特性阻抗Zc。

在节点2，其信号为发送信号与接收信号的混合，即S3(t)=S1(t)*ZL/(Z1+ZL)+S2(t)。在侧音消除单元中，要将S1(t)的成分消除，而只保留来自对端的接收信号S2(t)。作为一个实例，所述侧音消除单元20采用运算放大器U2来实现。具体为：所述侧音消除单元包括一运算放大器U2、一电阻Z1、一电阻Z2以及一电阻Z3，所述发送驱动电路的输出端分别连接所述电阻的一端Z1以及电阻Z2的一端，所述电阻Z1的另一端连接所述传输介质，所述电阻Z2的另一端分别连接至所述运算放大器U2的负端以及所述电阻Z3的一端，所述电阻Z3的另一端连接所述运算放大器U2的输出端。

运算放大器U2的输出信号S4(t)（即节点4的输出信号）为：

S4(t)=S3(t)*(1+Z3/Z2)-S1(t)*Z3/Z2，由于节点3的输出信号S3(t)=S1(t)*ZL/(Z1+ZL)+S2(t)，因此可以得出S4(t)=[S1(t)*ZL/(Z1+ZL)+S2(t)]*(1+Z3/Z2)-S1(t)*Z3/Z2

=S1(t)*[ZL/(Z1+ZL)*(1+Z3/Z2)-Z3/Z2]+S2(t)*(1+Z3/Z2)

在设计中，如果各阻抗的选择满足了ZL/(Z1+ZL)*(1+Z3/Z2)-Z3/Z2=0，则：S4(t)=S2(t)*(1+Z3/Z2)即完成了侧音的消除，同时恢复了来自对端的接收信号。

对上述等式ZL/(Z1+ZL)*(1+Z3/Z2)-Z3/Z2=0进行如下转换：

ZL/(Z1+ZL)*(1+Z3/Z2)=Z3/Z2，该式左边展开得：

ZL/(Z1+ZL)+ZL/(Z1+ZL)*(Z3/Z2)=Z3/Z2，该式两边除以Z3/Z2可得：[ZL/(Z1+ZL)]/(Z3/Z2)+ZL/(Z1+ZL)=1，即

[ZL/(Z1+ZL)]*(Z2/Z3)+ZL/(Z1+ZL)=1，即

[ZL/(Z1+ZL)]*(Z2/Z3+1)=1，即

[ZL/(Z1+ZL)]*[(Z2+Z3)/Z3]=1，可得

ZL/(Z1+ZL)=Z3/(Z2+Z3)，该式左右两边各取倒数得

(Z1+ZL)/ZL=(Z2+Z3)/Z3，即

1+Z1/ZL=1+Z2/Z3，该式左右两边各减1得

Z1/ZL=Z2/Z3

可见，只要Z1、Z2、Z3和ZL满足Z1/ZL=Z2/Z3这个比例关系，便可实现侧音消除。

作为一个具体实现的例子，可以选取Z1=ZL，Z2=Z3，则S4(t)=2*S2(t)。

当传输介质和侧音消除单元间设有耦合单元时，如图6至图8以及图11、图12所示，所述ZL=n^2*Zc，Zc为传输介质的特性阻抗，因此要实现侧音消除，只需满足Z1=n^2*Zc；请参阅图9、图10以及图13，当传输介质和侧音消除单元不设置耦合单元时，所述ZL=Zc，因此要实现侧音消除，只需满足Z1=Zc。

从侧音消除单元20输出的接收信号可以直接耦合到PHY接口40的接收端（RX+端或RX-端）或通过单端转差分单元转换为双差分信号后耦合到PHY接口40的两接收端。

在采用2线传输技术的系统中，终端设备通常是专门设计的，其PoE供电方式无需对终端设备进行识别。因此，本发明简化PoE供电方式，以降低成本。在本发明中，对于未采用耦合单元60的接口电路中，所述接口电路的POE供电方式为：请参阅图14，在所述侧音消除单元20和传输介质30间设置一电感L1，通过所述电感L1将传输介质30直接连接到电源端（请参阅图14的PowerSupply部分），在传输介质30的另一端通过一电感L2提取电源，作为本地电源（请参阅图14的PowerLoad部分）；请参阅图15，对于采用耦合单元60的接口电路中，所述接口电路的POE供电方式为：在所述耦合单元60和传输介质30之间设置所述电感L1，通过所述所述电感L1将传输介质30直接连接到电源端（请参阅图15的PowerSupply部分），在传输介质30的另一端通过所述电感L2提取电源，作为本地电源（请参阅图15的PowerLoad部分）。对于电感L1和电感L2的电感量的选取，应能够在数据信号的频谱范围内呈现足够的阻抗，并对数据信号的完整性不产生明显的破坏，以保证数据信号的完整性。通常，在数据信号频谱的低端频率上，电感所呈现的阻抗应大于传输线特性阻抗Zc的至少5倍以上。

需要说明的是，本发明图5至图13中所采用的电容均起到隔直流作用，使电路更加稳定。在具体实现中，基于EMC的考虑，可以在耦合电路中加入共模电感来抑制共模干扰的辐射，但对数据信号传输不产生影响，这种实现方式应视为本发明的合理延伸。

本发明是基于侧音消除技术，实现在一对2线电缆或一个同轴电缆上，以较低的成本和功耗直接以以太网的信号格式进行双向数据传输，从而节省布线的线材成本与人工工时成本。在智能控制、专用数字化系统领域，这种通信技术有显著的使用价值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims

1.一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：包括顺次连接的发送驱动单元、侧音消除单元以及传输介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述接口电路还包括耦合单元，所述接口电路具体为：所述发送驱动单元、侧音消除单元、耦合单元以及传输介质顺次连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述接口电路还包括单端转差分单元，其连接所述侧音消除电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述传输介质包括同轴电缆或2线电缆。

5.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述发送驱动单元通过一运算放大器U1实现差分信号转单端信号并发送所述单端信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述发送驱动单元通过一变压器T1实现差分信号转单端信号，所述单端信号通过所述运算放大器U1驱动发送。

7.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述侧音消除单元包括一运算放大器U2、一电阻Z1、一电阻Z2以及一电阻Z3，所述发送驱动电路的输出端分别连接所述电阻的一端Z1以及电阻Z2的一端，所述电阻Z1的另一端连接所述传输介质，所述电阻Z2的另一端分别连接至所述运算放大器U2的负端以及所述电阻Z3的一端，所述电阻Z3的另一端连接所述运算放大器U2的输出端。

8.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述单端转差分单元通过变压器T2实现。

9.根据权利要求2所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于：所述耦合单元通过变压器T3实现。

10.根据权利要求1所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于，所述接口电路的PoE供电方式为：在所述侧音消除单元和传输介质设置一电感L1，通过所述电感L1将传输介质直接连接到电源端，在传输介质的另一端通过一电感L2提取电源，作为本地电源。

11.根据权利要求3所述的一种基于侧音消除技术的2线以太网通信接口电路，其特征在于，所述接口电路的PoE供电方式为：在所述耦合单元和传输介质之间设置所述电感L1，通过所述所述电感L1将传输介质直接连接到电源端，在传输介质的另一端通过所述L2提取电源，作为本地电源。