CN1132330C - 可应用于adsl分路器的滤波器配置 - Google Patents

Abstract

一种连接有箝位器件的低通滤波器配置，该滤波器配置用于对流经滤波器的不需要的信号传输进行限制。该滤波器配置可消除流过滤波器的电流(I)的变化(dI/dt)。该滤波器可以作为分路器的一部分，该分路器应用在ADSL系统中来将低频的POTS信号与高频的ADSL信号进行隔离，该两种信号都在同一条铜双绞线路(TP)上进行传输。滤波器包括串联连接的电感线圈(L1)和晶体管(T1)的主通路，晶体管的门极连接到电感线圈的对端。实践证明，在ADSL系统的情况下，一个典型的7阶低通滤波器可以很好地被本发明的一个3阶滤波器配置来取代。

Description

可应用于ADSL分路器的滤波器配置

本发明涉及一种滤波器配置(filter arrangement)，该滤波器配置用于对一个第一滤波器端口和一个第二滤波器端口之间的传输信号进行滤波，所述的滤波器配置包括适于对所述信号中的预定频率组分进行滤波的滤波单元，以及相连的箝位单元，该箝位单元用于对所述的第一滤波器端口和第二滤波器端口间传输的不需要的信号进行限制。

这样的滤波器配置在本技术领域是公知的，它被用于将第一滤波器端口和第二滤波器端口进行隔离，从而也将连接在这些端口上的电路、设备及其它装置进行了隔离。而信号例如可能是由电源系统供给的电源信号，也可能是电信信号，从而就需要滤波器配置来将传输于同一电信线路的不同信号进行分离，这些不同的信号将被输往不同类型的设备，这正如在“派对线路”系统的情况下那样，两套电话设施共用同一传输线路，该传输线路例如可以连接在第二滤波器端口上。此外，还有许多电信调制模式采用频分复用技术(FDM)。这就需要一滤波器配置来将某一装置所需要的信号从它所不需要的其余信号中滤出，其中该装置连接在滤波第一端口上。关于这样的滤波器配置的另一重要应用是在异步数字用户线路系统(ADSL)中，以及由此演变来的其它如HDSL、VADSL等系统中。众所周知，这些系统通过一条由普通的铜双绞线组成的传输线路来提供宽带业务，使得用户无须等待将光纤架设到房宅端就可使用这些业务。由于在同一套电信线路中还要传输被称为简易老式电话业务(POTS)的信号，线路中必须需要一个被称为“分路器(Splitter)”的设备，来将高频的ADSL信号与频率相对较低的电话信号分隔开，举例来说，其中的高频ADSL信号将输往一个ADSL调制解调器，而低频电话信号则输往一个本地电话装置。显然，这样的一个分路器包括一个线路滤波器配置。在每一个调制解调器前都设置一个高通滤波器，而在每一个POTS接口前则设置一个低通滤波器。除了具有这样的频率滤波功能之外，该线路滤波器配置还应该适于将连接在本地端口一侧的设备与连接在线路端口一侧的传输线路进行隔离，举例来说，其中的本地端口可以是第一滤波器端口，而线路端口可以是第二滤波器端口。这样的隔离发生在滤波器配置任一侧的电压/电流有剧烈变化的期间，例如有尖峰信号的情况下，而且这种情况必须被消除。

现有技术中已有包括滤波器配置的分路器设计，例如在IEEE杂志通讯领域专刊1995年12月第13卷第9期的第1634页至1642页，由J.Cook等撰写的“ADSL及VADSI分路器设计及电话通讯性能”一文中就描述了一种分路器。该文所提到的用于ADSL的分路器，或更具体说其中所包含的滤波器尽量以无源滤波电路为基础。其主要的原因是这样可避免电源供应方面的问题并保证在电源故障的情况下继续工作。同时无源滤波器可以很容易地与电压/电流等强信号匹配，这些信号是电话信令信号和电源供应中必然内含的。由于通常使用电感和电容元件，无源滤波器的工作特性是线性的，而有源滤波器则采用可控放大器和电阻来进行滤波。这样一个线性的方案使得设计变得相对简单，因为这样就可以采用拉普拉斯变换及网路技术。此外，在这些问题上有许多文献可以参考。但是，上述的设计便利性只有当所有部件在所有的条件下均保持线性才是有效的。而在实际应用中，线圈处于磁饱和时其特性就不是线性的了。这就意味着为了使电感线圈处于未饱和，需要采用大的从而价格相对较高的电感线圈。

与ADSL应用有关的另一个问题是避免从POTS端向ADSL端或其反向传输瞬时信号。这些瞬时信号是干扰信号，是由诸如电池极性反相、电信交换的一侧的振铃信号以及/或用户侧电话装置的摘机挂机信号产生的。为了避免瞬时信号的不利影响，需要用大而昂贵的高阶(例如7阶)滤波器来做低通滤波器。上文所述的现有技术中虽未提到这样的瞬时信号及其它的过电压/过电流信号，但也可通过箝位单元进行了吸收，箝位单元可以是齐纳二极管等适于消除电压和/或电流尖峰脉冲的单元。但是，这些已知的箝位单元的问题是它们的工作特性是陡峭突变的。

本发明的目的是提供一种上述已知类型的滤波器配置，但它更适于有效地滤掉瞬时信号，而与现有技术中的滤波器相比，它的结构更简单、价格更低廉。

根据本发明，这一发明目的是通过这样的实际设计来达到的：即所述的箝位单元包括有源器件单元，其适于限制所述信号中预定参数的波动(变化)。

这样，由瞬时信号及其它不需要的信号引起的干扰是由箝位单元逐步地而不再是突变地消除的。实验已征明即使是最恶劣的瞬时信号也可以由该箝位单元很好地进行衰减，且箝位单元是对信号的电压变化或电流的变化进行限制，而不是对这些参数的绝对值进行箝位。当然，箝位装置对电流/电压变化的综合限制也是有效的。

更详细地说，本发明的特征之处在于所述的滤波器装置包括至少一个反作用(reactive)器件，其首端连接到所述的第二滤波器端口，而其第二端则通过所述有源器件单元的主通路连接到所述的第一滤波器端口，该有源器件单元还具有一个控制端，其连接在所述的反作用器件的首端上。

这样，该有源器件就不需要任何其它的电源供应。

本发明的特性还在于所述的滤波器配置是一个低通滤波器，其适于将所述的装置与所述传输线路之间传输的信号中的高频组分滤掉；本发明的特征还在于所述的反作用器件是一个电感，而所述的有源器件单元是一个晶体管。

可以证明，在ADSL信令的情况下，在采用本发明滤波器配置的条件下，与现有技术的滤波器配置相比，对滤波器配置关于将信号中高频组分滤掉的要求变得宽松了：一个2阶(至多3阶)的滤波器就可以取代上述的7阶滤波器而达到相同的效果。此外，该2阶滤波器中所用的电感可能要比现有技术中所用的要小，这是因为对信号的电流/电压进行了限制后，电感的饱和度要降低的缘故。

在一个最佳实施例中，本发明还具有这样的特征：所述的滤波器配置是一个适于将所述的第一滤波器端口与第二滤波器端口之间传输的信号中的高频组分滤掉的低通滤波器，其中第一滤波器端口具有一个第一和第二本地端线，所述设备连接在该端线上；所述的第二滤波器端口也具有一个第一和第二线路连接端，用于与所述的传输线路相连，该传输线路是一根双绞线；本发明还具有这样的特性：所述的滤波器包括一个第一电感和一个第二电感作为反作用器件，所述的有源器件单元包括一个第一晶体管和一个第二晶体管；所述的第一线路连接端连到所述的第一电感的首端，该第一电感的第二端则通过所述第一晶体管的主通路与所述的第一本地端线相连，该第一晶体管的控制端与所述第一电感的首端相连；此外本发明的特征还包括：所述的第二线路连接端连到所述的第二电感的首端，该第二电感的第二端则通过所述第二晶体管的主通路与所述的第二本地端线相连，该第二晶体管的控制端与所述第二电感的首端相连。

这样，该滤波器配置对传输信号中的正负尖峰脉冲都可以进行限制，从而具有完全的双向工作能力。

本发明的另一个区别特征在于所述的有源器件单元还包括一个第三晶体管和一个第四晶体管，并且所述的第一线路连接端与所述的第一电感首端是通过所述的第三晶体管的主通路来连接的，所述的第三晶体管的控制端与所述的第一电感的第二端相连；所述的第二线路连接端与所述的第二电感的首端是通过所述的第四晶体管的主通路来连接的，所述的第四晶体管的控制端与所述的第二电感的第二端相连。

从而该滤波器配置相对于其连接的设备来说具有对称均衡的电特性。

本发明还可以具有这样的特征：所述的第一线路连接端和第二线路连接端是通过一对串联连接的晶体管的主通路来连接的，该对晶体管的控制端分别与所述的第一电感和第二电感的首端相连。

这样，由滤波器单元及其相连的箝位单元限制后的电流就可以从该对晶体管中分路通过，因而本滤波器配置对与其相连的设备来说是保持通透的。

关于本滤波器配置其它的区别特征将在所附的权利要求书中列出。

参照下文结合附图对本发明一个实施例的描述，上文所述的内容及本发明的其它目的和特征将变得更加明显，发明本身也能被更好地理解，在附图中：

图1是一套ADSL系统的总体视图，其中包括根据本发明的滤波器配置LP1、LP2；

图2为图1中滤波器配置LP1、LP2的基本电路LP的视图；

图3为图2中的滤波器配置LP的实际实施图LP’。

虽然本发明中的滤波器配置并没有限定于只使用在任何预定的领域，但对于应用在图1所示的异步数字用户线路系统(ADSL)中的分路器而言，该滤波器配置是特别适用的。众所周知，一个ADSL系统或类似的HDSL、VADSL…系统可通过一根传统的铜双绞电话线TP，来同时传送语音信号和高频信号。在双绞传输线路TP的每一端都设置一个分路器，用来将高频ADSL信号从低频的简易老式电话业务POTS信号(或语音信号)中分离出来。详细地说，在线路的用户房宅一端CP的分路器SP1具有一个线路端口LI1，该端口LI1将传输线路TP的一端连接到本地ADSL调制解调器ADSLcp的端口LM1及用户业务设备POTS的本地端口LO1上；而在中央处理局CO一端，另一个分路器SP2具有一个线路端口LI2，该端口LL2将传输线路TP的另一端连接到中央ADSL调制解调器ADSLco的端口LM2及公共电话交换电信网PSTN的本地端口LO2上。为此目的，分路器SP1包括一个将端口LI1和端口LM1进行互连的高通滤波器HP1，以及一个将端口LI1及端口LO1进行互连的低通滤波器LP1。与此类似，分路器SP2包括一个将端口LI2和端口LM2进行互连的高通滤波器HP2，以及一个将端口LI2及端口LO2进行互连的低通滤波器LP2。

本发明涉及对低通滤波器LP1或LP2的改进，如图2所示，LP1、LP2在下文中都统称为LP。该线路滤波器配置LP被设置在第一滤波器端口LO及第二滤波器端口LI之间，其中LO及LI分别对应于上述的本地端口LO1/LO2及线路端口LI1/LI2。设置该滤波器LP的目的在于当滤波器任一端的电压/电流发生剧变时将其两端进行隔离。正如下文将要介绍的那样，这样的隔离是通过对电流变化率dI/dt的限制或箝位来实现的，其中I表示流经滤波器的电流强度。虽然在此处没有描述，但对电流I的绝对值或电压的变化率dV/dt以及这些参数的组合进行限制也是可能的。但是，实际测试表明，后者的滤波效果并不理想。

滤波器LP的线路端口LI具有两个线路端LIa和LIb，而端口LO则具有两个本地端LOa和LOb。线路端LIa被连接到一个电感或线圈L1的首端，而该电感线圈L1的第二端则通过第一场效应(FET)晶体管T1的源-漏极s-d通路(或主通路)与本地端LOa相连。线路端LIa以及与此相连的电感线圈L1的首端还与晶体管T1的门极g或控制端相连。

如所公知的那样，线圈L1的路端电压是与流经该线圈电液I的变化率dI/dt成比例的。该电压是作为晶体管T1的门-源极跨接电压Vgs，从而决定了晶体管T1在其漏极d和源极s间的电阻值。

在正常的工作条件下，dI/dt的值是小的。感应电压Vgs从而也是较小的，并且由于晶体管T1是耗尽型的，其主通路的电阻即漏极d与源极s问的电阻是很小的(大约3欧姆)，并且该阻值不会有显著的变化。因此，晶体管T1可以仅被视为一个内部连接，滤波器也只相当于一个通常的电感型滤波器。

如果电压升高，例如在滤波器的LI端，则电流I将会增加。如果电压的改变相对较快，则电压Vgs将快速增加，从而在漏极d及源极s间的电阻也将升高。晶体管T1主通路电阻的这种升高将产生降低电流I的作用，由此减弱了电流I的快速变化。其结果是上述的反作用机制迅速将电流I的变化率dI/dt限制在某一设定值范围内，由于对dI/dt变化进行了控制，电流I将以比没有场效应晶体管T1时慢得多的速度达到它的同一最终值。

上述的只在端口LI和端口LO设置电感L1及晶体管T1的滤波器配置LP就足以限制或箝位这些端口间一个方向上的电流波动。但是，为了在两个方向上限制电流的变化以及隔断流经滤波器信号中的正或负尖峰脉冲，需更在线路端LIb及本地端LOb间设置串联的第二电感线圈L2和第二晶体管T2，它们的布置方式分别类似于电感L1和晶体管T1。为了保证滤波器配置的对称性，最好如图2所示将电感线圈L1和L2保持磁耦合。

图3表示了滤波器配置LP更加实用的一种实施方式LP′。除了上面提到的有关LP的元件外，滤波器LP′还包括一个第三晶体管T3，其主通路将线路端口LIa与电感线圈L1的首端连接起来；还包括一个其主通路将线路端口LIb与电感线圈L2的首端连接起来的第四晶体管T4。从而滤波器配置LP′相对于其连接的设备具有均衡特性，可能的共模信号的负面影响就被消除了。为了更好地对滤波器的工作进行控制，晶体管T1、T2、T3、T4的门极或控制端分别通过电阻R1、R2、R3、R4与所连的电感线圈的对端相连。

在图1所示的ADSL系统情况下，一般需要一个7阶低通滤波器来滤掉瞬时信号。但是在由本发明的滤波器配置对电流I的变化率dI/dt进行限制的条件下，实践已经证明，滤波器可以被降低到3阶并可以达到相同的效果。这样一个3阶系统可以通过在线路端LIa和LIb之间插入一个电容器C1，并在本地端口LOa和LOb之间插入一个第二电容C2来实现。一个2阶滤波器也是可以接受的，但其效果要差一些。

此外，滤波器LP′还通过连接在晶体管T1、T2、T3、T4的门极和源极之间的齐纳二极管Z1、72、73、Z4来实现过电压和过电流保护。

最后，在本地端口LOa和LOb之间设置了一对串联连接的晶体管T5和T6。晶体管T5的门极或控制端与T1的门极相连，而晶体管T6的门极则与T2的门极相连。与都是耗尽型的晶体管T1、T2、T3、T4相反，晶体管T5、T6是增强型的。从而该两个晶体管与晶体管T1-T4是互补工作态，也就是说，当流经晶体管T1-T4的电流减少时，流经晶体管T5-T6的电流则会增加。这样的过程可以被看作：被晶体管T1-T4限制的电流分路通向T5-T6，从而对连接在本发明的滤波器配置上的器件而言，对电流的箝位操作过程仍然是通透的。

虽然上述的描述是针对于低通滤波器配置进行的，基于同样的原理也可以设计高通滤波配置，所要做的只是将电感用电容来代替。

上文结合具体的器件对本发明的原理进行了描述，但应该明确说明的是：上述借助于实施例的描述不应被理解成对本发明范围的限制，本发明的范围是由所附的权利要求书来限定的。

Claims (12)

1.一种滤波器配置，用于对传输在一个第一滤波器端口(LO)和第二滤波器端口(LI)间的信号进行滤波，所述的滤波器配置包括用于将所述的信号中预定频率组分滤掉的滤波单元(L1、L2)，以及相关联的箝位单元(T1、T2)，其适于对在所述的第一滤波器端口和第二滤波器端口间不希望的信号的传输进行限制，该滤波器配置的特征在于：所述的箝位单元包括有源晶体管单元(T1、T2)，其适于对所述信号中预定参数(I、V)的变化率dI/dt和/或dV/dt进行限制，所述参数是流过所述滤波器配置的电流(I)和/或跨所述滤波器配置的电压(V)。

2.根据权利要求1所述的滤波器配置，其特征在于：所述的配置是一个线路滤波器配置，其所述的第一滤波器端口(LO)是一个连接到设备(POTS/PSTN)的本地端口，而所述的第二滤波器端口(LI)是一个连接传输线路(TP)的线路端口。

3.根据权利要求1所述的滤波器配置，其特征在于：所述的滤波单元包括至少一个反作用器件(L1、L2)，其具有一个连接到所述的第二滤波器端口(LI)的首端，以及一个通过所述的有源晶体管单元(T1、T2)的主通路与所述的第一滤波器端口(LO)相连的第二端，该有源器件单元的控制端与所述反作用器件的首端相连。

4.根据权利要求2或3所述的滤波器配置，其特征在于：所述的滤波器配置是一个适于将在所述的设备(POTS/PSTN)与所述的传输线(TP)之间传输的信号中的高频组分滤掉的低通滤波器，以及所述的反作用器件是一个电感(L1、L2)。

5.根据权利要求4所述的滤波器配置，其特征在于：所述的设备(POTS/PSTN)连接到所述的本地端口(LO)的第一本地端(LOa)和第二本地端(LOb)上；所述的传输线路(TP)是一条连接到所述的线路端口(LI)的第一线路端(LIa)和第二线路端(LIb)上的双绞线；所述的第一线路端口(LIa)连接到所述电感(L1)的首端，该电感的第二端则通过所述晶体管(T1)的主通路与所述的第一本地端口(LOa)相连，该晶体管的控制端与所述电感的首端相连。

6.根据权利要求2或3所述的滤波器配置，其特征在于：所述的滤波器配置是一个适于将所述的第一滤波器端口(LO)与第二滤波器端口(LI)之间传输的信号中的高频组分滤掉的低通滤波器，其中第一滤波器端口(LO)具有一个第一(LOa)和第二(LOb)本地端，所述的设备(POTS/PSTN)连接在这些本地端上；所述的第二滤波器端口(LI)也具有一个第一(LIa)和第二(LIb)线路端，其与所述的传输线路相连，该传输线路是一根双绞线；所述的滤波器件包括一个第一电感(L1)和一个第二电感(L2)作为反作用器件，所述的有源晶体管单元包括一个第一晶体管(T1)和一个第二晶体管(T2)；所述的第一线路连接端(LIa)连到所述的第一电感(L1)的首端，该第一电感的第二端则通过所述第一晶体管(T1)的主通路与所述的第一本地端线(LOa)相连，该第一晶体管的控制端与所述第一电感的首端相连；所述的第二线路连接端(LIb)连到所述的第二电感(L2)的首端，该第二电感的第二端则通过所述第二晶体管(T2)的主通路与所述的第二本地端线(LOb)相连，该第二晶体管的控制端与所述第二电感的首端相连。

7.根据权利要求6所述的滤波器配置，其特征在于：所述的第一电感(L1)和第二电感(L2)保持磁耦合。

8.根据权利要求6所述的滤波器配置，其特征在于：所述的有源晶体管单元还包括一个第三晶体管(T3)和一个第四晶体管(T4)，并且所述的第一线路连接端(LIa)与所述的第一电感(L1)首端是通过所述的第三晶体管(T3)的主通路来连接的，所述的第三晶体管的控制端与所述的第一电感的第二端相连；所述的第二线路连接端(LIb)与所述的第二电感(L2)的首端是通过所述的第四晶体管(T4)的主通路来连接的，所述的第四晶体管的控制端与所述的第二电感的第二端相连。

9.根据权利要求6所述的滤波器配置，其特征在于：所述的第一线路连接端(LOa)和第二线路连接端(LOb)是通过一对串联连接的晶体管(T5、T6)的主通路来连接的，该对晶体管的控制端分别与所述的第一电感(L1)和第二电感(L2)的首端相连。

10.根据权利要求6所述的滤波器配置，其特征在于：所述的箝位单元还包括过电压保护单元(Z1、Z2)，它们分别跨接在所述第一电感(L1)和第二电感(L2)的两端。

11.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于：传输在所述的传输线路(TP)上的信号属于异步数字用户线路类型。

12.根据权利要求6所述的滤波器，其特征在于：所述的第一本地端口(LOa)与第二本地端口(LOb)间由第一电容(C1)分路并连，所述的第一(LIa)和第二线路端口(LIb)间则由第二电容(C2)分路并连。

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