CN115314071B - 一种全双工双向模拟前端混合收发器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全双工双向模拟前端混合收发器，涉及全双工通信技术领域，本发明不采用电流求和/加法器电路，而是将收发混合电流信号转换为收发混合电压信号，并引入相应的解码器进行解码，解决了先前电路存在的信噪比问题，即本发明的电路采用一种有效的传输收发器来从接收信号中去除传输信号，而不会引入过多的信号失真。该收发器属于电流模式收发器，适用于通信信道发送和接收电信号。电路将接收到的包含发送信号和接收信号的混合电流信号转换成混合电压信号；混合电压信号进入比较器以得出两个比较电压信号；结合比较电压信号与经过延迟的发射信号，解码接收信号；延迟时间通过PRBS检查器进行校准和确定。

Description

一种全双工双向模拟前端混合收发器
技术领域
本发明涉及全双工通信技术领域，具体涉及一种全双工双向模拟前端混合收发器。
背景技术
1000Base-T1是IEEE802.3bp为汽车以太网和工业应用开发的GbE接口。与10Base-T1和100Base-T1一样，1000Base-T1属于单对以太网(SPE)的概念。该标准定义了单根双绞线、非屏蔽双绞线(UTSP)、6A类、差分信号、以及全双工方式传输信号等通信标准。
两个单对以太网电子控制单元之间的信号在线缆的两个方向上同时传输，它们在单对以太网电缆上重叠并以相反方向运行。由于各个收发器具有它们的发送信号，可以因此导出接收信号。
在全双工通信中，模拟混合器(Hybrid)通常用于根据传输信号对接收器进行近端回声消除。模拟混合器可以设计成电压模式收发器(图2)或电流模式收发器(图3)。由于线电阻的寄生，电压模式收发器不适用于长距离线缆的高速率数据传输，因此有必要采用电流模式进行双向信号长线传输。在先前电路中，电流模式收发器进行Irev＝Itrx-Itx的操作，即使用电流加法器电路通过使用收发混合信号电流提取接收信号电流减去发射信号电流，这种方法中最终会有来自传输信号和噪声的残留，需要ADC和DSP进行信号处理。
UTP的传输路径通常包括在近端和远端都耦合到变压器的双绞线电缆。传输路径两端的收发器通过同一双绞线进行传输和接收。与通信信道两端的终端电阻一起，发射器传输电流源，因此近端电压为VP1，远端电压为VP2。相应地，收发器1接收到的信号VR1和可以通过取收发器2发射电压与收发器1测量电压之间的差值来获得：VR1＝VP2-VP1。传统的解决方案通常采用已知的跨导(“Gm”)求和电路或其他基于电流的方法从接收信号中去除发射信号，而这些方法经常将信号失真引入接收信号中。此外，电流加法器的加权值很难被准确实现从而获取干净的电压/电流，因此会引起噪声或位错误。
因此目前的问题是如何有效地从接收信号中去除法和信号，而不引入过多的信号失真，这也是目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种全双工双向模拟前端混合收发器，本发明不采用电流求和/加法器电路，而是将收发混合电流信号转换为收发混合电压信号，并引入相应的解码器进行解码，解决了先前电路存在的信噪比问题，即本发明的电路采用一种有效的传输收发器来从接收信号中去除传输信号，而不会引入过多的信号失真。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种全双工双向模拟前端混合收发器，该收发器属于电流模式收发器，适用于通信信道发送和接收电信号。
电路将接收到的包含发送信号和接收信号的混合电流信号转换成混合电压信号；
混合电压信号进入比较器以得出两个比较电压信号；
结合比较电压信号与经过延迟的发射信号，解码接收信号；延迟时间通过PRBS检查器进行校准和确定。
进一步地，电路包括收发接口、电流到电压转换放大器、2个比较器以及解码器。
收发接口分别用于接收包含发射信号及接收信号的混合电流信号，具体为远端混合电流信号和近端混合电流信号。
电流到电压转换放大器，包括一个运算放大器和两个反馈电阻器，用于将远端和近端混合电流信号转换为混合电压信号，输出包含近端电压VP1和远端电压VP2的PAM3信号。
比较器包括具有电压差和预定电压的放大器，2个比较器分别用于分解PAM3信号中的+1、0、-1信号，其中PAM3信号中的+1信号代表VP1＞VP2、0信号代表VP1＝VP2、-1信号代表VP1＜VP2，即分解出VP1>＝VP2和VP2>＝VP1的电压，输出比较电压信号，比较电压信号送入解码器。
解码器，用于结合比较电压信号与经过延迟的发射信号，解码接收信号。
进一步地，解码器还具有毛刺消除器，用于消除解码器引入的毛刺。
进一步地，解码器根据不同的编码方式采用不同的解码结构。
进一步地，电路用于通信信道，适用但不仅限于一对非屏蔽双绞电缆的通信信道，1000Base-T1信道通信信道，以及包括光信道或无线信道的通信信道。
有益效果：
1、本发明提供的一种全双工双向模拟前端混合收发器，这种混合器包括用于发送和接收前端的信号电流。在本发明中，接收到的包含发送和接收信号的电流转换成电压，并引入相应的解码器进行解码，解决了先前电路存在的信噪比问题。本发明的电路采用一种有效的传输收发器来从接收信号中去除传输信号，而不会引入过多的信号失真。
2、本发明提供的一种全双工双向模拟前端混合收发器，是一种包括远端和近端传输信道的一种全双工通信系统。远端耦合到远端变压器，近端耦合到近端变压器。远端收发器通过远端变压器发送和接收信号，近端收发器通过近端变压器发送和接收信号。在近端产生的信号包括远端收发器的接收信号分量和近端收发器的发射信号分量。该发明以下步骤：提供收发混合电流信号，该混合电流信号包括近端收发器的发射信号和远端收发器的接收信号电流；产生与远端信号合成的近端信号电压；通过两个比较器获得+1、0、-1信号，提取和解码接收信号。
3、本发明提供了一种全双工双向模拟前端混合收发器，带有预定电压源的比较器分解包含发射信号分量和接收信号分量的混合信号。延迟电路经过校准后提供复制的发射信号。由于延迟可以通过PRBS检查器进行校准和评估，因此接收到的信号肯定会被正确解码，不会产生现有的混合电路那样的信号遗漏或错误。后面章节会具体说明本发明的这些特征和优点以及实施办法。
附图说明
图1是表示通信信道的系统概要的电路图；
图2是现有电压模式双向收发器的电路图；
图3是现有电流模式双向收发器的电路图；
图4是说明更多功能细节的电路图；
图5是说明电流I到电压V放大器的电路图；
图6是说明具有电压差的比较器的电路图；
图7是接收信号Rxp与发射信号DP的解码器，其中210是校准延迟器，211是用于消除毛刺的电容器；
图8是接收信号Rxn与发射信号DN的解码器，其中212是校准延迟器，213是用于消除毛刺的电容器；
图9是说明电路功能的波形图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了如图1的通信信道中的电路图。图1中1为本发明提供的一种全双工双向模拟前端混合收发器。该电路包括发送和接收信号提取电路，从在近端的包含第一收发器的传输信号和第二收发器的接收信号的复合信号中提取接收信号。发送和接收信号提取器包括：(i)具有匹配阻抗的发送器100，(ii)将接收到的电流信号转换为PAM3电压信号的I(电流)到V(电压)放大器101，(iii)具有电压差和预定电压源的两个比较器102。(vi)连接两个比较器输出端的解码器103，延迟传输信号器104，以及为电压信号消除毛刺的电容器。
本发明提供了一种如图4的通信信道中的发送和接收信号提取收发器。(i)具有阻抗匹配电路NMOS类型或PMOS类型的电流模式驱动器4-1作为发射器终端；(ii)复合信号电流200的输入，复合信号包含传输信号和接收信号；(iii)电流到电压放大器201，带有运算放大器和从输出到输入的电阻器，电流I到电压V放大器的电路如图5所示，输出包含近端电压VP1和远端电压VP2的PAM3信号；(iv)两个具有迟滞/电压差的比较器202和203，用于分解PAM3信号中的+1、0、-1信号，其中PAM3信号中的+1信号代表VP1＞VP2、0信号代表VP1＝VP2、-1信号代表VP1＜VP2，即分解出VP1>＝VP2和VP2>＝VP1的电压，具有电压差的比较器电路如图6所示；(v)解码器204连同发射信号一起提取接收信号，解码器电路如图7和图8所示；(vi)以匹配通过电缆的接收信号的延迟校准延迟器205，(vii)消除比较器和解码器生成的毛刺获得接收信号电压。
本发明提供包括远端和近端传输信道的一种全双工通信系统。远端耦合到远端变压器，近端耦合到近端变压器。远端收发器通过远端变压器发送和接收信号，近端收发器通过近端变压器发送和接收信号。在近端产生的信号包括远端收发器的接收信号分量和近端收发器的发射信号分量。该发明包括以下步骤：(i)提供收发混合电流信号，该混合电流信号包括近端收发器的发射信号和远端收发器的接收信号电流；(ii)产生与远端信号合成的近端信号电压；(iii)通过两个比较器获得+1、0、-1信号(iv)提取和解码接收信号。
实施例：
本实施例将针对千兆位信道进行描述，例如在以太网网络中，特别是在具有UTSP的汽车以太网中，以及与在这种千兆信道中分离发送和接收信号相关的电路。图4是说明用于在以太网中使用的优选千兆位信道配置中的信道的主要组件的框图。
下面进一步详细图4中所示的模拟前端组件。前端模拟组件通过对定制的集成电路设计进行优化，同时，本发明的电路和相应的配置也可以使用分立元件来实现。如图4所示，发射器1包括一个电流源I，它在电阻R上产生一个发射信号。可以选择电阻R的适当值以匹配线路阻抗，电阻的中心抽头设置为适当的电压源，因此发射器会得到R/2的差分阻抗。可通过调节芯片内部连接到发射器的终端以调节最终的匹配阻抗。可通过控制转换速率限制上升沿和下降沿时间，从而减少发射信号的高频分量。当然，任何发射信号都最好符合IEEE802.3bp标准提供的发射信号条件。发送器1可以基于NMOS或基于PMOS实现。
为了有效地恢复接收到的远端信号，将接收到的混合电流转换为电压并通过与预定公共电压的比较，识别出VP1>＝VP2和VP2>＝VP1。
VTRX1(PAM3信号) VP1 VP2
+1 1 0
0 1 1
0 0 0
-1 0 1
引入电压差，
VH VTRX1
1 +1
0 0+Vhys
VL VTRX1
1 -1
0 0-Vhys
其中VTRX1是近端收发器接收到的合成电流转换的电压，VP1是近端收发器的输出数据电压，VP2是远端收发器的输出数据电压，在近端的收发器端，VH是比较器202的输出，VL是比较器203的输出。
15mUTP导致的信号延迟约为80ns。收发器需要经过校准后的延迟电路才能获得正确的解码结果。校准可通过输出预定义的PRBS数据并使用PRBS检查器进行。在PRBS校准过程中，通过调整延迟以获得正确的结果，对于使用的连接器此延迟是固定的。此外，需要一个毛刺消除器来消除解码器引入的毛刺，这种毛刺消除器可以使用简单的电容器或其他电路来实现。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种全双工双向模拟前端混合收发器，其特征在于，该收发器属于电流模式收发器，适用于通信信道发送和接收电信号；
收发器的电路将接收到的包含发送信号和接收信号的混合电流信号转换成混合电压信号；电路包括收发接口、电流到电压转换放大器、2个比较器以及解码器；
收发接口分别用于接收包含发射信号及接收信号的混合电流信号，具体为远端混合电流信号和近端混合电流信号；
所述电流到电压转换放大器，包括一个运算放大器和两个反馈电阻器，用于将远端和近端混合电流信号转换为混合电压信号，输出包含近端电压VP1和远端电压VP2的PAM3信号；
所述比较器包括具有电压差和预定电压的放大器，2个比较器分别用于分解PAM3信号中的+1、0、-1信号，其中PAM3信号中的+1信号代表VP1＞VP2、0信号代表VP1＝VP2、-1信号代表VP1＜VP2，即分解出VP1>＝VP2和VP2>＝VP1的电压，输出比较电压信号，比较电压信号送入解码器；
所述解码器，用于结合所述比较电压信号与经过延迟的发射信号，解码所述接收信号；
所述混合电压信号进入比较器以得出两个比较电压信号；
结合所述比较电压信号与经过延迟的发射信号，解码所述接收信号；延迟时间通过PRBS检查器进行校准和确定。
2.根据权利要求1所述的全双工双向模拟前端混合电路，其特征在于，所述解码器还具有毛刺消除器，用于消除解码器引入的毛刺。
3.根据权利要求2所述的全双工双向模拟前端混合电路，其特征在于，所述解码器根据不同的编码方式采用不同的解码结构。
4.根据权利要求1述的全双工双向模拟前端混合电路，其特征在于，所述电路用于通信信道，适用但不仅限于一对非屏蔽双绞电缆的通信信道，1000Base-T1信道通信信道，以及包括光信道或无线信道的通信信道。
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