CN1655468B - 用于全双工通信系统的可调式回音消除装置 - Google Patents

Abstract

一种用于全双工通信系统的回音消除(Echo Cancellation)装置，其中，该全双工通信系统包括一传送端，用以传送一近端信号，以及一接收端，用以接收一远端信号，该回音消除装置包括：一滤波器，用以依据该近端信号输出一滤波信号；一回音消除电路，耦合于该滤波器，用以依据该滤波信号输出一回音消除信号；至少一回音消除电阻，与该传送端、该接收端以及该回音消除电路耦接；其中该回音消除电路更包括一提升电流源，用以提升该回音消除电路的直流电平。

Description

用于全双工通信系统的可调式回音消除装置

技术领域

本发明涉及一种回音消除装置，特别涉及一种用于全双工(Full Duplex)通信系统的回音消除装置。

背景技术

由于科技的进步，因特网的应用也愈来愈广。有鉴于对网络的频宽要求愈来愈大，目前被普遍使用的以太网络(Ethernet)，其数据封包的传送速度也从以往的10/100Mbps提升至1Gbps以上。如业界所熟知，在1Gbps的快速以太网络装置中，每个连接端口(Port)具有四个信道(Channel)，而每个信道中均具有一收发信机。

请参考图1。图1为用于快速以太网络装置的信道中的一已知收发信机(Transceiver)100简化后的示意图。一般而言，收发信机100会通过一线接口(Line Interface)116耦接于一双绞线(Twist Lines)118。如图1所示，收发信机100可分为一传送端(Transmitter Section)104及一接收端(Receiver Section)106。其中，传送端104包含有一数字/模拟转换电路108(Digital-to-Analog Converter，DAC)，用以将一近端信号(Near-endSignal)转换成模拟形式后，藉由线接口116与双绞线118传送至远程另一个网络装置。而接收端106则包含有一模拟前端(Analog Front End，AFE)电路，用以对线接口116所接收到的一远端信号(Far-end Signal)先进行信号处理，再利用一模拟/数字转换电路(Analog-to-Digital Converter，ADC)114，将该远端信号转换成数字形式后，再送至后级电路。快速以太网络装置与远程另一个网络装置的同时使用四个信道，各信道同时执行传输与接收的功能，故快速以太网络是为一种全双工通信系统。

如前所述，快速以太网络装置中的每个信道是同时执行传送与接收功能。当信道传送信号时，会对同时间内该信道所接收的信号产生影响，此现象被称为回音干扰(Echo Impairment)。为了把回音干扰效应降到最低，已知的收发信机100中会设置一回音消除电路(Echo Cancellation)110以及回音消除电阻Rp。回音消除电路110通常也是一数字/模拟转换电路(DAC)，用以产生与数字模拟转换电路108所输出发近端信号相对应的消除信号(Cancellation Signal)，该消除信号可抵销该近端信号对接收端106所造成的影响，以达到回音消除的效果。

请参照图2。图2为图1所绘示的收发信机100的等效电路图。在图2中，收发信机100中的数字/模拟转换电路108与回音消除电路110是分别电路等效为电流源Id及Ic。对接收端106而言，如果要达到回音消除的目的，则电流源Ic及Id的输出电流对接收端106所造成的效应必须互相抵销。

请参照图3。图3为图2所绘示的等效电路图的小信号模型。其中，Zo为传送端104的等效输出阻抗，Zi为接收端106的等效输入阻抗。Vo为收发信机100的输出端的电压信号，亦即传送端104所输出的该近端信号(Near-end Signal)，而Vi则是该近端信号对接收端106所造成的回音(Echo).在已知的回音消除电路110中，是将等效输出阻抗Zo视为负载电阻Re，而负载电阻Re的电阻效应则由图2中用以匹配阻抗的匹配电阻Rm，以及收发信机100所属的该信道的等效电阻Rc所共同决定.由图3所绘示的小信号模型可以得到下列方程式：

$\mathrm{Vi}=\frac{-\mathrm{Zi}[\mathrm{IdZo}+(\mathrm{Zo}+\mathrm{Rp})\mathrm{Ic}]}{\mathrm{Rp}+\mathrm{Zi}+\mathrm{Zo}}---\left(1\right)$

由方程式(1)可知，若要将回音消除，也就是要使Vi＝0，则必须满足：

IdZo+(Zo+Rp)Ic＝0        (2)

由方程式(2)可以得到：

$\mathrm{Ic}=\frac{-\mathrm{Zo}}{\mathrm{Rp}+\mathrm{Zo}}\mathrm{Id}---\left(3\right)$

换言之，只要Ic与Id满足方程式(3)的关系式时，则回音(Echo)便可完全消除。

然而，在考虑等效输出阻抗Zo时，如前所述，已知的回音消除电路110是将等效输出阻抗Zo视为由匹配电阻Rm以及信道的等效电阻Rc所共同决定的负载电阻Re，却未将实际电路实作时所无法避免的寄生电容效应纳入考虑。很明显地，由于已知技术仅将等效输出阻抗Zo视为单纯的负载电阻Rc，因此无法将收发信机100中的回音干扰效应降到最低。

此外，由图3中可知Vo＞Vi。随着集成电路(IC)的工作电压越来越低，故Vo、Vi亦会随之降低。当集成电路的工作电压降低至某一个程度的，已知技术中有可能会产生等效电流源Ic(亦即已知的回音消除电路110)中的MOS晶体管无法工作在饱和区(SaturationRegion)的情形，进而造成信号失真的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于全双工通信系统的回音消除(Echo Cancellation)装置，利用一滤波器消除电路中的寄生电容效应，以将回音干扰最小化。

本发明的另一目的，在于使该回音消除(Echo Cancellation)装置中的MOS晶体管能维持在饱和区(Saturation Region)运作，以提升该回音消除装置的效能。

本发明的较佳实施例中提供一种用于全双工通信系统的回音消除(EchoCancellation)装置，该全双工通信系统包括一传送端，用以传送一近端信号，以及一接收端，用以接收一远端信号，该回音消除装置包括：一低通滤波器，用以依据一数字信号输出一滤波信号；一回音消除电路(EchoCanceller)，耦合于该低通滤波器，用以依据该滤波信号输出一回音消除信号；至少一回音消除电阻，位于该传送端和该回音消除电路的输出端之间，并且该回音消除电路的输出端与该接收端相连接；其中该回音消除电路更包括一提升电流源，用以提升该回音消除电路的直流电平。

附图简述

图1为已知用于快速以太网络装置的信道中的收发信机简化后的示意图。

图2为已知收发信机的等效电路图。

图3为图2的等效电路图的小信号模型。

图4为本发明用于全双工通信系统的信道中的收发信机的第一实施例简化后的示意图。

图5与图6为本发明的收发信机的第一实施例的等效电路图。

图7为本发明用于全双工通信系统的信道中的收发信机的第二实施例简化后的示意图。

图8为本发明的收发信机的第二实施例的等效电路图。

附图符号说明

100、400、700        收发信机

104、404、704        传送端

106、406、706        接收端

108、408、708        数字/模拟转换电路

110、410、710        回音消除电路

112、412、712        模拟前端电路

114、414、714        模拟数字转换电路

116、416、716        线界面

118、418、718        双绞线

722                  残余回音检测电路

具体实施方式

请再参考图3。本发明将实际电路实作时难以避免的寄生电容效应纳入考量，故将等效输出阻抗Zo修正为由负载电阻Re(由匹配电阻Rm以及信道的等效电阻Rc所组成)及寄生电容Ce的并联(Zo＝Re//Ce)。在本发明中，等效输出阻抗Zo的大小是如下列方程式所示：

$\mathrm{Zo}=\frac{\mathrm{Re}}{\mathrm{sReCe}+1}---\left(4\right)$

将方程式(4)代入方程式(3)，则可得到以下方程序：

$\mathrm{Ic}=\frac{-\mathrm{Re}}{\mathrm{Rp}+\mathrm{Re}+\mathrm{sReRpCe}}\mathrm{Id}=H\left(s\right)\·\mathrm{Id}---\left(5\right)$

由方程式(5)可知，H(s)所表示的Ic与Id的关系，实际上即为一低通转换方程式(Low Pass Transfer Function)。

请参考图4，其所绘示为本发明用于全双工通信系统的信道中的收发信机(Transceiver)的第一实施例400简化后的示意图。在收发信机400中，本发明所提出的回音消除装置包括：一回音消除电路(Echo Canceller)410，用以产生与一数字/模拟转换电路408所输出发一近端信号相对应的消除信号；一回音消除电阻Rp，耦接于收发信机400发一传送端404与一接收端406之间；一低通滤波器420，与回音消除电路410耦接，作为其前级电路；其中，回音消除电路410更包括一提升电流源，用以提升回音消除电路410的直流电平。在实作上，回音消除电路410可为一数字/模拟转换电路(DAC)，而其中该提升电流源则可以一或多个晶体管来实现。

请参考图5所绘示的本发明的收发信机400的一等效电路图.在图5中，收发信机400中的数字/模拟转换电路408与回音消除电路410是分别电路等效为电流源Id及Ic，而该提升电流源则电路等效为电流源Ia.数字/模拟转换电路408依据一数字信号产生一近端信号.图5中的H(s)则如前所述是为一低通转换方程式，可以数字或是模拟电路的方式来实现，使其满足方程式(5).举例而言，若是以数字电路的方式来实现，则H(s)为一数字低通滤波器(Digital Low Pass Filter)；若是以模拟电路的方式来实现，则H(s)为一电阻电容网络低通滤波器(RC Network Low Pass Filter)，如图6的等效电路图所示。若采用半导体制程实作，则图6的电阻电容网络低通滤波器420中的电阻可以MOS晶体管来实现，其电阻值是由其栅极电压Vd的大小所决定，而电容则可利用金属夹层电容或是寄生电容来实现。

本发明的回音消除装置藉由低通滤波器420的作用，可以使得回音消除电路410(电路上等效为电流源Ic)输出的消除信号，抵销由数字/模拟转换电路408(电路上等效为电流源Id)所输出的该近端信号对接收端406所造成的影响，进而将回音干扰的现象降到最低。

另外，本发明利用该提升电流源(即图5与图6中的等效电流源Ia)来提高Vi的直流电平，使得电流源Ic中的MOS晶体管能维持在饱和区(Saturation Region)工作，以避免造成信号失真(Signal Distortion)，进而提升本发明的回音消除电路410消除回音的效能。在实作上，图4的该提升电流源(即等效电流源Ia)可以是一固定电流源或是一可调式电流源，亦即提升电流源Ia所提供的信号可以是直流成分为固定值的直流信号或交流信号，亦可以是直流成分会随电流源Ic的大小而调整的信号。

请参考图7，其所绘示为本发明用于全双工通信系统中的收发信机的第二实施例700简化后的示意图。在电路实际实作时，由于寄生电容Ce、信道等效电阻Rc以及阻抗匹配电阻Rm的大小，会受到工作环境、工作温度、制程差异...等等因素的影响，在数据的传送/接收的过程中可能随时都会改变。为了更精准地达到回音消除的功效，在本发明提出的第二实施例中，在接收端706另设置了一残余回音检测电路722，用以检测接收端706所收到的残余回音(Echo Residue)。残余回音检测电路722会依据所检测到的残余回音输出一控制信号至一低通滤波器720，以调整该低通转换方程式H(s)极点(Pole)的位置，使残余回音能调整到最小。

请参考图8。图8为本发明的收发信机700的等效电路图。若图8中的低通滤波器720是以一数字低通滤波器实现，则残余回音检测电路722可依据残余回音调整数字低通滤波器720的有限脉冲响应(Finite ImpulseResponse，FIR)或是无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)的系数。若低通滤波器720是以一电阻电容网络低通滤波器实现，则残余回音检测电路722可依据残余回音调整电阻电容网络低通滤波器720的电容或电阻值。例如，若电阻电容网络低通滤波器720中的电阻是以一MOS晶体管来实现，则残余回音检测电路722可藉由控制该MOS晶体管的栅极电压Vd来调整电阻电容网络低通滤波器720的电阻电容(RC)值，以动态地依据当时的电路组件特性以及网络环境调整低通滤波器720，以维持最佳的回音消除功效。至于提升电流源Ia的作用及实作方式与图4的提升电流源Ia实质上相同，故不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种用于全双工通信系统的回音消除装置，其中，该全双工通信系统包括一传送端，用以传送一近端信号，以及一接收端，用以接收一远端信号，该回音消除装置包括：

一低通滤波器，用以依据一数字信号输出一滤波信号；

一回音消除电路，耦合于该低通滤波器，用以依据该滤波信号输出一回音消除信号；以及

至少一回音消除电阻，位于该传送端和该回音消除电路的输出端之间，并且该回音消除电路的输出端与该接收端相连接；

其中，该回音消除电路更包括一提升电流源，用以提升该回音消除电路的直流电平。

2.如权利要求1所述的装置，其中，该回音消除电路是为一数字/模拟转换电路。

3.如权利要求1所述的装置，其中，该低通滤波器是为一数字低通滤波器或一电阻电容网络低通滤波器。

4.如权利要求1所述的装置，其中，该回音消除装置更包括一残余回音检测电路，用以依据该接收端的一残余回音输出一控制信号，以控制该低通滤波器。

5.一种用于全双工通信系统的回音消除装置，其中，该全双工通信系统包括一传送端，用以传送一近端信号，以及一接收端，用以接收一远端信号，该回音消除装置包括：

一低通滤波器，用以依据一数字信号输出一滤波信号；

一回音消除电路，与该低通滤波器耦接，用以依据该滤波信号输出一回音消除信号；

至少一回音消除电阻，位于该传送端和该回音消除电路的输出端之间，并且该回音消除电路的输出端与该接收端相连接；以及

一残余回音检测电路，用以依据该接收端的一残余回音输出一控制信号，以控制该低通滤波器；

其中，该回音消除电路更包括一提升电流源，用以提升该回音消除电路的直流电平。

6.如权利要求5所述的装置，其中，该回音消除电路是为一数字/模拟转换电路。

7.如权利要求5所述的装置，其中，该低通滤波器是为一数字低通滤波器，而该控制信号是用以调整该数字低通滤波器的有限脉冲响应或无限脉冲响应的多个系数。

8.如权利要求5所述的装置，其中，该低通滤波器是为一电阻电容网络低通滤波器。

9.如权利要求8所述的装置，其中，该电阻电容网络低通滤波器包括一MOS晶体管，用以电路等效为一电阻，而该控制信号是用以控制该MOS晶体管的栅极电流以调整该MOS晶体管的电阻值。

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