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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verstärken
eines Empfangssignals, insbesondere zum Verstärken eines ADSL-Empfangssignals,
welches in einer Vermittlungsstelle („Central Office") von einem Teilnehmeranschluss
empfangen wird.
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In
einem analogen Signalpfad, welcher Verstärkerstufen und Filterstufen
umfasst, ist es zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses wünschenswert, nach Möglichkeit
die gesamte nötige Verstärkung in
einer ersten Verstärkerstufe
vorzunehmen. Dies gilt insbesondere auch für einen Empfangspfad einer
xDSL-Empfangsvorrichtung („Digital Subscriber
Line") bzw. ein
xDSL-Modem. Allerdings muss darauf geachtet werden, dass im Fall
einer großen
Verstärkung
dieser ersten Stufe folgende Elemente des analogen Signalpfades
nicht überlastet werden.
Dies kann insbesondere bei integrierten Schaltungen mit niedriger
Stromversorgung der Fall sein. In diesem Fall kann es nötig sein,
das Signal zu verstärken,
dann zu filtern oder anderweitig zu verarbeiten und dann nochmals
zu verstärken.
Dies ist jedoch für
das Signal-Rausch-Verhältnis
nicht optimal.
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Ein
besonderes Problem tritt dabei in Empfangsvorrichtungen insbesondere
von ADSL-Vermittlungsstellen auf. Das Übertragungsleistungsspektrum
p über
der Frequenz fs für ADSL-Kommunikation ist beispielhaft in 3 dargestellt.
Zwischen Frequenzen f1 und f2 liegt ein erstes Frequenzband 5 für die Datenübertragung
von einem Endgerät
bzw. einem Teilnehmeranschluss zu der Vermittlungsstelle (so genannte
Upstream-Richtung), darüber
liegt zwischen der Frequenz f2 und einer
Frequenz f3 ein zweites Frequenzband 6 zur
Datenübertragung
von der Vermittlungsstelle zu dem Teilnehmeran schluss (so genannte
Downstream-Richtung). Das zweite Frequenzband 6 überstreicht
dabei einen größeren Frequenzbereich
als das erste Frequenzband 5, da üblicherweise mehr Daten von
der Vermittlungsstelle zu dem Endgerät als in umgekehrter Richtung
zu übertragen
sind. Die Frequenzen f1, f2 und f3 können dabei vom verwendeten
ADSL-Standard sowie davon abhängen,
ob die ADSL-Übertragung
auf einer herkömmlichen
Telefonleitung (POTS, „Plain
Old Telephone System")
oder auf einer ISDN-Leitung stattfindet. Für die Kombination von ADSL
mit ISDN beträgt f1 beispielsweise 138 kHz, f2 276
kHz und f3 1104 kHz.
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Aufgrund
der in 3 dargestellten Frequenzverteilung dominiert in
einem Empfangssignalpfad der Vermittlungsstelle ein Echo des Sendesignals,
das heißt
ein in dem zweiten Frequenzband 6 liegendes Signal. Dieses
Signal macht also einen großen
Teil der Energie des Empfangssignals sowie einer Spitzenspannung
aus. Dies bedeutet, dass dieses Echosignal maßgeblich bestimmt, wie groß eine Verstärkung in
einer ersten Stufe des Empfangssignalpfads sein kann, um einen folgenden
Analog-Digital-Wandler nicht zu überlasten.
Dies führt
zu den oben beschriebenen Problemen bezüglich des Signal-Rausch-Verhältnisses.
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Um
diesen Effekt und diese Dominanz des Echosignals abzuschwächen, sind
zwei Möglichkeiten
bekannt:
- 1. Eine Hybridschaltung zur Zweidraht-Vierdraht-Umsetzung,
das heißt
zum Auftrennen eines in einer Übertragungsleitung
vorliegenden Signals in das Empfangssignal und ein Sendesignal,
kann derart optimiert werden, dass möglichst kein Echosignal in
den Empfangspfad gelangt. Diese Möglichkeit ist sowohl von der
technischen als auch von der Kostenseite her begrenzt.
- 2. Eine Tiefpassfilterung vor der Verstärkung kann vorgenommen werden,
um das Echosignal möglichst
herauszufil tern. Ein derartiger Empfangspfad ist in 4 schematisch
dargestellt.
Ein Empfangssignal a wird dabei einem Tiefpassfilter 7 zugeführt, welches
das enthaltene Echosignal herausfiltern soll. Ein so entstandenes
Signal e wird dann einer Verstärkereinheit 8 zugeführt, welche
das Signal e entsprechend den Anforderungen, insbesondere entsprechend
seiner Signalstärke,
verstärkt.
Das resultierende Signal f kann von einer Filtereinheit 9 nochmals
gefiltert werden, das am Ausgang der Filtereinheit 9 vorliegende
Signal g wird dann von einem Analog-Digital-Wandler 3 in
ein Digitalsignal h zur weiteren Verarbeitung umgewandelt.
Das
Tiefpassfilter 7 muss dabei eine relativ niedrige Grenzfrequenz
in der Nähe
von f2 aus 3 aufweisen, um. in jedem Fall
möglichst
das gesamte Echosignal herauszufiltern. Dies erfordert relativ große Widerstände und
Kapazitäten,
was dazu führt,
dass das Tiefpassfilter 7 zum einen eine große Chipfläche benötigt, zum
anderen hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses schwer zu optimieren
ist, da die Grenzfrequenz festgelegt ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung; ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Verstärken
eines Empfangssignals bereitzustellen, welche hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses bessere
Eigenschaften als herkömmliche
Vorrichtungen bzw. Verfahren aufweisen. Bevorzugt soll zudem die
benötigte
Chipfläche
reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche definieren
vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens
bzw. der Vorrichtung.
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Erfindungsgemäß wird zum
Verstärken
eines Empfangssignals vorgeschlagen, einen Verstärkungsfaktor insbesondere abhängig von
einem Signalpegel des Empfangssignals einzustellen und einen von
dem Verstärkungsfaktor
abhängigen
Frequenzbereich des Empfangssignals herauszufiltern. Das Herausfiltern
kann dabei insbesondere mittels Tiefpassfilterung mit einer von
dem Verstärkungsfaktor
abhängigen
Grenzfrequenz vorgenommen werden. Damit können insbesondere Echosignale
für den
in der Beschreibungseinleitung beschriebenen Fall des Empfangens
des Empfangssignals in einer Vermittlungsstelle von einem Endgerät Echosignale herausgefiltert
werden. Für
andere Einsätze
sind jedoch auch andere von dem Verstärkungsfaktor abhängige Frequenzbereiche,
beispielsweise eine Hochpassfilterung für den umgekehrten Fall eines Empfangssignals
in dem Endgerät,
denkbar.
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Im
Fall der Tiefpassfilterung ist es insbesondere vorteilhaft, die
Grenzfrequenz zu senken, wenn der Verstärkungsfaktor erhöht wird.
Eine niedrige Grenzfrequenz ist insbesondere bei einem hohen Verstärkungsfaktor
nötig,
um möglichst
viele störende
Signale, welche zu einer Überlastung
folgender Signalverarbeitungseinheiten führen könnten, herauszufiltern. Bei
einer niedrigeren Verstärkung
muss diese Grenze hingegen nicht so streng gewählt werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst Verstärkermittel,
deren Verstärkung
einstellbar ist, sowie Filtermittel zum Herausfiltern eines von
dem Verstärkungsfaktor
abhängigen
Frequenzbereichs des Empfangssignals, insbesondere Tiefpassfiltermittel.
Zusätzlich
können
Steuermittel zum Steuern des Verstärkungsfaktors abhängig von
einem Signalpegel des Empfangssignals vorgesehen sein.
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Die
Verstärkermittel
können
dabei insbesondere einen Operationsverstärker umfassen, bei dem ein
Widerstand eines Rückkopplungspfades
veränderbar
ausgestaltet ist, um somit den Verstärkungsfaktor einstellen zu
können.
Zur Realisierung der Tiefpassfiltermittel kann parallel zu diesem
veränderbaren
Widerstand eine Kapazität
im Rückkopplungspfad
verschaltet sein. Diese Kapazität
bildet zusammen mit dem veränderbaren
Widerstand ein Tiefpassfilter, dessen Grenzfrequenz durch Veränderung des
veränderbaren
Widerstandes verändert
wird. Somit ist eine kompakte Bauweise der Filtermittel und der
Verstärkermittel
möglich,
da der veränderbare Widerstand
zwei Funktionen, nämlich
die Einstellung des Verstärkungsfaktors
und die Einstellung der Grenzfrequenz, wahrnimmt.
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Der
veränderbare
Widerstand kann insbesondere durch eine Mehrzahl von parallel geschalteten
schaltbaren Widerständen
realisiert sein, wobei das Schalten insbesondere durch CMOS-Schalter erfolgen
kann.
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Ein
Widerstand in einer Eingangsleitung des Verstärkers kann dabei ebenfalls
schaltbar ausgestaltet sein, um Einflüsse von Schaltmitteln der schaltbaren
Widerstände
im Rückkopplungspfad
zu kompensieren.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
analogen Empfangspfad mit einer erfindungsgemäßen Verstärkereinheit,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Verstärkereinheit,
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3 ein
Beispiel für
Lagen von Frequenzbändern
bei ADSL-Übertragung,
und
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4 einen
analogen Empfangspfad gemäß dem Stand
der Technik.
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In 1 ist
ein analoger Empfangspfad beispielsweise eines ADSL-Modems in einer
Vermittlungsstelle dargestellt. Ein Empfangssignal a wird dabei
einer erfindungsgemäßen Verstärkereinheit 1 zugeführt. Das
so verstärkte
Eingangssignal b wird von einem Anti-Aliasing-Filter 2 gefiltert;
das so gefilterte Eingangssignal c wird einem Analog-Digital-Wandler 3 zugeführt, welcher
dann das digitalisierte Eingangssignal d zur weiteren Verarbeitung bereitstellt.
Das Empfangssignal a wird zudem einer Steuereinrichtung 10 zugeführt, welche
abhängig von
einem Signalpegel des Empfangssignals a eine Verstärkung der
erfindungsgemäßen Verstärkereinheit 1 steuert.
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Wenn
das Empfangssignal a beispielsweise von einem Teilnehmeranschluss
stammt, zu welchem eine relativ kurze Leitung führt, wird es einen relativ
hohen Signalpegel aufweisen. Dementsprechend wird die Steuereinrichtung 10 die
Verstärkereinheit 1 derart
ansteuern, dass sie das Empfangssignal a nur relativ wenig verstärkt. Stammt
das Empfangssignal a hingegen von einem weit entfernten Teilnehmeranschluss,
wird es einen relativ niedrigen Signalpegel aufweisen. Dementsprechend
steuert die Steuereinheit 10 die Verstärkereinheit 1 derart
an, dass diese das Empfangssignal a um einen großen Verstärkungsfaktor verstärkt. Die
Steuereinheit 10 kann dabei auch direkt in die Verstärkereinheit 1 integriert
sein.
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Dabei
ist anzumerken, dass die Steuereinheit 10 anstelle des
Eingangssignals a auch das verstärkte
Eingangssignal b, das gefilterte Eingangssignal c oder das digitalisierte
Eingangssignal d auswerten kann, um den Verstärkungsfaktor einzustellen,
da auch diese Signale Informationen beispielsweise über den
Signalpegel des Eingangssignals a enthalten. Insbesondere kann bei
Verwendung des digitalisierten Eingangssignals d die Auswertung
in der Steuereinheit 10 digital, beispielsweise mit einer
entsprechenden Software, mittels eines entsprechenden Auswertealgorithmus
erfolgen.
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Abhängig von
dem Verstärkungsfaktor
führt die
erfindungsgemäße Verstärkereinheit 1 auch
eine variable Filterung des Signals durch, in dem Beispiel eines
ADSL-Empfangspfades in einer Vermittlungsstelle eine Tiefpassfilterung
mit variabler Grenzfrequenz. Insbesondere wird bei einem großen Verstärkungsfaktor
eine niedrige Grenzfrequenz eingestellt, um Echosignale, welche,
wie bereits in der Einleitung unter Bezugnahme auf 3 beschrieben,
in einem höheren
Frequenzband liegen, möglichst
vollständig herauszufiltern.
Ist der Verstärkungsfaktor
hingegen relativ klein, liegt die Grenzfrequenz höher, da
wegen der kleineren Verstärkung
das Echosignal nicht so schnell zu einer Übersteuerung des Analog-Digital-Wandlers 3 führen kann
und ein Tiefpassfilter mit einer größeren Grenzfrequenz in diesem
Fall günstiger
für das
Signal-Rausch-Verhältnis
des erzeugten Signals ist.
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In 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
der Verstärkereinheit 1 aus 1 dargestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel
ist für
die Verarbeitung von differenziellen Signalen ausgelegt, das heißt, das
Empfangssignal a setzt sich aus den Teilsignalen ap und an zusammen;
ein Signalwert des Empfangssignals a entspricht dementsprechend
der Differenz der Signalwerte der Teilsignale ap und an. Somit ist
auch das verstärkte
Empfangssignal b ein differenzielles Signal mit Teilsignalen bp
und bn. Die Verstärkung
und Filterung der Teilsignale erfolgt dabei symmetrisch. Prinzipiell
wäre auch
eine so genannte „single-ended"-Ausgestaltung denkbar,
bei der dann sozusagen die Hälfte
der dargestellten Einrichtung verwendet würde.
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Die
Teilsignale an, ap werden über
Widerstände
R1 einem Operationsverstärker 4 zugeführt, welcher
an seinen Ausgängen
die verstärkten
Teilsignale bp und bn ausgibt. Im Eingangspfad können optional Schaltmittel
S0, insbesondere CMOS-Schalter
vorgesehen sein, welche jedoch zum Zuführen der Signale im Betrieb
der Verstärkereinheit 1 stets geschlossen
sind und deren Funktion später
erläutert wird.
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Für jedes
Teilsignal ist ein Rückkopplungspfad 11 vorgesehen,
welcher einen jeweiligen Ausgang des Operationsverstärkers 4 mit
dem jeweiligen entsprechenden Eingang verbindet. Jeder dieser zwei
Rückkopplungspfade 11 besteht
aus einer Parallelschaltung eines Kondensators C und mehrerer Widerstände R2a,
R2b, ..., wobei Zweige der einzelnen Widerstände durch Schaltmittel S1,
S2, ... schaltbar sind. Diese Schaltmittel S1, S2, ... sind dabei
bevorzugt als CMOS-Schalter bzw. MOS-Transistoren ausgeführt, es sind jedoch prinzipiell
auch andere Schaltmittel wie Bipolartransistoren denkbar.
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Um
eine gleichartige Verstärkung
des Teilsignals an und des Teilsignals ap zu gewährleisten, werden Schalter
mit derselben Bezeichnung gemeinsam geöffnet und geschlossen, so dass
in beiden Rückkopplungspfaden 11 derselbe
Schaltzustand vorherrscht.
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Die
Widerstände
R2a, R2b, ... weisen dabei bevorzugt verschiedene Größen auf.
In diesem Fall kann beispielsweise immer einer der Schalter S1,
S2, ... geschlossen sein, während
die übrigen
Schalter S1, S2, ... geöffnet
sind. Die Widerstände
R1 sollten so klein wie möglich
gewählt
werden, um ein möglichst
geringes Rauschen des verstärkten
Signals zu gewährleisten.
In der Praxis wird die Größe der Widerstände R1 beispielsweise
durch eine bestimmte geforderte Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrostatischen
Entladungen nach unten begrenzt und kann beispielsweise 300 Ω betragen.
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Der
Verstärkungsfaktor
der Verstärkereinheit 1 hängt von
dem Wert des Gesamtwiderstandes im Rückkopplungspfad ab, welcher
hier mit R2 bezeichnet werden soll. Wenn nur eines der Schaltmittel
S1, S2, ... geschlossen ist, so hat R2 den Wert des dem entsprechenden
geschlossenen Schaltmittel zugeordneten Widerstandes. Ansonsten
berechnet sich R2 in bekannter Weise aus denjenigen parallel geschalteten
Widerständen
R2a, R2b, ..., deren Schaltmittel S1, S2, ... geschlossen sind.
Der Verstärkungsfaktor
ist dann proportional zu R2/R1.
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Dabei
haben die Schaltmittel S1, S2,... selbst einen gewissen Einfluss,
da sie selbst eine gewisse Impedanz aufweisen. Daher muss insbesondere
im Falle eines kleinen Verstärkungsfaktors,
also eines kleinen Wertes von R2 (beispielsweise R2 in der Größenordnung
von R1), darauf geachtet werden, dass die Impedanz der Schaltmittel
klein gegenüber
R2 ist, um eine präzise
Einstellung des Verstärkungsfaktors zu
ermöglichen
und nichtlineare Effekte, welche eine Verzerrung der Signale bewirken
können,
gering zu halten. Für
größere Verstärkungsfaktoren
(R2 >> R1) wird der Einfluss
der Schaltmittel immer geringer. Zusätzlich können an den Eingängen des
Operationsverstärkers
die bereits erwähnten
Schaltmittel S0 vorgesehen sein, welche ebenso als CMOS-Schalter ausgestaltet
sind. Diese Schaltmittel S0 können
einen störenden
Effekt der Schaltmittel S1, S2, ... zumindest teilweise kompensieren.
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Die
Kondensatoren C in den beiden Rückkopplungspfaden 11 bilden
zusammen mit den Widerständen
R2a, R2b, ... ein Tiefpassfilter erster Ordnung. Die Grenzfrequenz
dieses Tiefpassfilters ist proportional zu 1/(C·R2). Dies bedeutet, dass
diese Grenzfrequenz beim Einstellen des Verstärkungsfaktors durch Öffnen und
Schließen
der Schaltmittel S1, S2, ... gleichzeitig verändert wird. Insbesondere entspricht
das Verhalten genau dem gewünschten
Verhalten. Bei einem höheren
Verstärkungsfaktor,
das heißt
einem größeren Wert
von R2, sinkt die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters. Dabei muss
natürlich durch
eine geeignete Dimensionierung der Widerstände R2a, R2b, ... und des Kondensators
C darauf geachtet werden, dass das eigentlich zu verarbeitende Empfangssignal
nicht herausgefiltert wird, sondern lediglich störende Anteile wie das bereits
angesprochene Echosignal.
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Somit
erfüllt
die Verstärkereinheit 1 genau die
Erfordernisse für
den Empfang von ADSL-Signalen in einer Vermittlungsstelle von einem
Teilnehmeranschluss, sie ist insbesondere rauscharm, und die Tiefpassfilterung
ist genau den Erforder nissen bei dem jeweiligen Verstärkungsfaktor
angepasst. Dies ermöglicht
es insbesondere, auch schwache Empfangssignale mit einem hohen Verstärkungsfaktor und
niedriger Verzerrung zu verstärken,
ohne den in 1 nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 3 zu überlasten.
Das Ergebnis ist in diesem Fall ein verstärktes Empfangssignal b mit
gutem Signal-Rausch-Verhältnis.
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Zudem
ermöglicht
eine derartige Verstärkereinheit,
eine Grenzfrequenz des Anti-Aliasing-Filters 2 nach oben
zu verschieben, was dazu führt,
dass für die
Realisierung dieses Anti-Aliasing-Filters kleinere Widerstände und
Kondensatoren verwendet werden können
und somit weniger Chipfläche
benötigt
wird. Zudem muss diese Grenzfrequenz nicht so exakt eingestellt
werden, was gegebenenfalls eine kostengünstigere Fertigung erlaubt,
da Bauteiltoleranzen weniger kritisch sind.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel begrenzt.
Wenn unerwünschte
Signale in anderen Bereichen als über dem eigentlichen Empfangssignal liegen,
kann auch eine andere Art eines vom Verstärkungsfaktor abhängigen Filters,
beispielsweise ein Hochpass- oder ein Bandpassfilter mit veränderlichen
Grenzfrequenzen, verwendet werden. Auch muss der veränderbare
Widerstand R2 nicht durch eine Parallelschaltung der Widerstände R2a,
R2b, ... realisiert sein, jede andere Art von veränderbarem Widerstand
ist prinzipiell ebenso denkbar.