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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen den Bereich von Sende/Empfangsvorrichtungen
für Telekommunikationssysteme
und betrifft insbesondere Sende/Empfangsvorrichtungen für Telekommunikation,
die wirtschaftlich und preiswert herzustellen sind.
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Sende/Empfangsvorrichtungen
für Telekommunikationssysteme
weisen typischerweise einen Sendepfad und einen Empfangspfad auf.
Der Sendepfad weist typischerweise eine Sendeverstärkerstufe und
einen Leitungstreiber auf und ein Empfangspfad weist typischerweise
eine Empfangsverstärkerstufe auf,
welche mit einer Übertragungsleitung
gekoppelt ist.
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Nash
E.: „Line
Driver Design for Broadband Communications Applications", Electronic Design, Penton
Publishing, Vol. 45, Nr. 19, 2. September 1997 offenbart ein Sende/Empfangssystem
für eine asymmetrische
digitale Teilnehmeranschlussleitung (asymmetric digital subscriber
line, ADSL), welche Sendeknoten, Empfangsknoten, einen Leitungsknoten
zum Verbinden mit einer Übertragungsleitung und
einen Übertragungsleitungsschnittstellenschaltkreis
zum Verbinden mit der Übertragungsleitung aufweist.
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US-Patent
Nr. 5,856,758 (von Daniel M. Joffe und Robert E. Gerwin) offenbart
einen single-ended Leitungstreiberschaltkreis, welcher eine positive Rückkopplung
aufweist, um die Ausgabensignalamplitudenauslenkung, welche zum
Ansteuern einer Verbindungsleitung benötigt wird, zu reduzieren, während gleichzeitig
die effektive Treiberausgangsimpedanz an die der getriebenen Last
angepasst wird.
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Da
Telekommunikationssysteme kleiner und allgegenwärtiger werden, gibt es fortgesetzt
einen Bedarf nach einem Sende/Empfangsschaltkreis, welcher wirtschaftlich
und preiswert herzustellen ist. Ferner gibt es einen Bedarf an einem
Sende/Empfangsschaltkreis, welcher einen benötigten Flächenbereich auf gedruckten
Platinen reduziert. Ferner gibt es einen Bedarf für einen
Sende/Empfangsvorrichtungsschaltkreis, welcher einen verringerten
Energieverbrauch bereitstellt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Sende/Empfangsvorrichtungssystem zur Verwendung
in einem Telekommunikationssystem gemäß dem beigefügten Anspruch
1 bereit.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
folgende Beschreibung kann unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
weiter nachvollzogen werden, in denen:
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1 eine
veranschaulichende Ansicht eines Sende/Empfangsvorrichtungsschaltkreises
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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2 eine
veranschaulichende Ansicht eines Sende/Empfangsvorrichtungsschaltkreises
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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Die
Zeichnungen werden für
veranschaulichende Zwecke gezeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt eine Architektur für eine Leitungsschnittstelle
bereit, welche einen Sendepfad und einen Empfangspfad aufweist.
Der Sendepfad weist einen Leitungstreiber und eine Anpassungsimpedanz,
welche die Leitung abschließt,
auf. Die Übertragungsfunktion
des Leitungstreibers kann als ein Hochpassfilter erster Ordnung
ausgebildet sein, um beliebiges Rauschen außerhalb eines Bandes und Störkomponenten
zu unterdrücken,
wenn dies in der Anwendung gebraucht wird. Das Empfangssignal, welches
an der Anpassungsimpedanz erscheint, wird durch mehrere Rückkoppler
schrittweise geführt,
um eine wesentlich größere Abschlussimpedanz
auf der Leitung zu erzeugen. Die Anpassungsimpedanz kann z.B. 10
% der Abschlussimpedanz betragen. Ein Übertragungsverstärker, welcher
sowohl die Leitung als auch die Anpassungsimpedanz ansteuert, erreicht
aus Sicht eines Energieverbrauchs eine hohe Effizienz, da die Anpassungsimpedanz
ein kleiner Anteil der Leitungsabschlussimpedanz ist.
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Der
Empfangspfad weist ein Kombinationsnetz und einen Differenzverstärker auf.
Das Kombinationsnetz wirkt wie ein selektives Filter und verhindert,
dass Sendesignale in den Empfangspfad streuen, wodurch der dynamische
Bereich begrenzt wird. Der Differenzverstärker zieht das Signal über der
Leitung von einer Kopie des Sendesignals ab, um das Sendesignal
zu unterdrücken
und das von der Leitung empfangene Signal zu verstärken.
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Die
Erfindung stellt in einer Ausführungsform ein
Modem für
eine asymmetrische digitale Teilnehmeranschlussleitung (ADSL) mit
voller Übertragungsrate
bereit, welches in der Zentrale in einem Telekommunikationssende/empfangsvorrichtungsschaltkreis
zu verwenden ist. Systeme der Erfindung können jedoch in einer Vielzahl
weiterer Anwendungen verwendet werden.
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Die
Leitungstreiberarchitektur der Erfindung stellt der Leitung eine
angepasste Ausgangsimpedanz bereit und erreicht einen hochwirksamen
Betrieb. Obwohl der in 1 gezeigte Schaltkreis eine invertierende
Senderverstärkung
von dem Eingang zu dem Ausgang verwendet, können verschiedene weitere Systeme
gemäß der Erfindung
entwickelt werden, welche eine nicht invertierende Verstärkung von
dem Eingang zu dem Ausgang des Sendeschaltkreises bereitstellen.
Das System kann z.B. mit entweder einer Spannungs- oder Stromrückkopplungsarchitektur
verwendet werden und kann in einer differentiellen Architektur realisiert
werden. Wenn es als differentielle Architektur realisiert wird,
kann die Anpassungsimpedanz durch eine einzelne Impedanz realisiert
werden, wodurch erhebliche Einsparungen an Platinenfläche realisiert
werden, da herkömmliche differentielle
Architekturen zwei Anpassungsimpedanzen erforderten.
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Wie
in 1 gezeigt, kann ein Sende/Empfangsschaltkreis
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung zur Verwendung als ein Modem-Front-End eine vollständig differentielle
Spannungsrückkopplungsrealisierung
eines Leitungstreibers, einen einzelnen Gabelübertrager, eine einzelne Anpassungsimpedanz
und einen Empfangspfadverstärker
aufweisen. Der Übertragungspfad
weist ein Paar von Kapazitäten 12 (C1) und ein Paar von Widerständen 14 (R1) in dem Eingangspfad von einem Übertragungseingangsanschluss 10 zu
einem Übertragungsverstärker 16 auf.
Ein erster Rückkopplungspfad
von dem Ausgang des Verstärkers 16 weist
ein Paar von Widerständen 18 (R2) auf. Die Ausgabe des Verstärkers 16 wird
seriell durch die Primärwicklung 20 des
Transformators geleitet und ein zweiter Verstärkerrückkopplungspfad über dem
Anpassungsnetzwerk 24 weist ein weiteres Paar von Widerständen 22 (R3) wie gezeigt auf. Der Schaltkreis weist
ferner eine kleine Anpassungsimpedanz 24 (ZM)
auf und der Schaltkreis ist mit einer Übertragungsleitung 28 über die
Sekundärwicklung 26 des
Transformators gekoppelt. Die Impedanz ZM kann
eine große
Vielfalt von Schaltkreiselementen in verschiedenen Ausführungsformen
wie z.B. einen einzelnen Widerstand oder zwei oder mehr Widerstände und/oder
Kapazitäten
in Reihe umfassen und kann feste Null- oder von Null verschiedene Referenzspannungen
aufweisen.
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Der
Empfangspfad des Sende/Empfangsvorrichtungsschaltkreises der 1 weist
ein erstes Filter 30, welches mit dem Ausgang des Verstärkers 16 gekoppelt
ist, und ein zweites Filter 32, welches mit der Spannung über dem
Anpassungsnetzwerk 24 gekoppelt ist, auf. Die Ausgaben
des ersten Filters 30 werden über Reihenwiderstände 36 (R4) in einen Empfangsverstärker 34 eingegeben
und die Ausgaben des zweiten Filters 32 werden über Reihenwiderstände 38 (R5) in den Verstärker 34 eingegeben.
Der negative Rückkopplungspfad
von jedem Eingang zu jedem Ausgang des Verstärkers 34 weist einen
Reihenwiderstand 40 (R6) auf und
die Ausgabe des Verstärkers 34 wird
wie gezeigt an einem Empfängerausgangsanschluss 42 bereitgestellt.
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Das
doppelte negative Rückkopplungsnetz des Übertragungspfads
verstärkt
die kleine Impedanz des Anpassungsnetzwerks (ZM)
zu einer viel größeren Leitungstreiberausgabeimpedanz,
um zu der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung zu passen.
Ein angepasster Abschluss der Leitung verbessert eine Übertragungswirksamkeit
für das
empfangene Signal. Während
die Anpassungsimpedanz sich selbst dem empfangenen Signal erheblich
größer offenbart,
erscheint sie für
das Sendesignal mit ihrem wirklichen Wert. Demzufolge wird durch
Verwenden einer kleinen Anpassungsimpedanz nur ein kleiner Bruchteil
der gesamten Leistung durch die Anpassungsimpedanz verbraucht und
ein effizienter Betrieb erreicht. Der Leitungstreiber ist daher
in einer vollständig
differentiellen Spannungsrückkopplungsstruktur
mit einer einzelnen Anpassungsimpedanz und einer Hochpassübertragungsfunktion
erster Ordnung realisiert.
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Die
Werte der Widerstände
R1, R2, R3 bestimmen die Verstärkungen von dem Eingang am
Anschluss 10 (VIN) zu dem Ausgang
des Verstärkers 16 (VOPAMP) und ferner die Spannung über der
Leitung (VLINE), welche sich über den
Primärseiten
des Transformators 26 zeigt. Zusätzlich zeigt sich über der
gleichen Wicklung das Sendesignal. Wenn die Anpassungsimpedanz (ZM) ein Bruchteil der Leitungsimpedanz (ZL) ist, gibt es eine einzigartige lineare
Kombination der Spannungen über
dem Ausgang des Verstärkers 16 (VOPAMP) und der Anpassungsimpedanzspannung
(VM), was zu einem vollständigen Unterdrücken des
Sendeechos von dem Empfangspfad führt. Der gleiche Signalpfad
wird von dem von der Leitung empfangenen Signal verwendet, um den Empfangsverstärker zu
erreichen. Das empfangene Signal erfährt normalerweise einige Dämpfung,
welche durch eine geräuscharme
Verstärkung
in dem Empfangspfad ausgeglichen werden sollte. Kapazitäten 12 (C1) realisieren ohne zusätzliche Kosten, zusätzliches
Rauschen oder zusätzlichen
Energieverbrauch einen HPF erster Ordnung. Die Analyse der Ausführung ist
wie folgt.
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Die
Energieeinsparungen können
wie folgt analysiert werden. Das Verhältnis der Anpassungsimpedanz
zu der charakteristischen Leitungsimpedanz ist: k
= ZM/(ZL'),wobei ZL' =
ZL/N2 die gesamte
reflektierte Leitungsimpedanz ist, wie sie von beiden Primärseiten
zusammen gesehen wird. In der obigen Gleichung stellt 2N:1 das Wicklungsverhältnis der
Sekundärseite
zu jeder Primärseite
des Transformators dar, wie in 1 gezeigt.
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Die
Spannungsverstärkung
von dem Sendereingang zu dem Verstärkerausgang (ausschließlich der
Filterkapazitäten)
kann dargestellt werden als:
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Die
Spannungsverstärkung
von dem Eingang zur Leitung (ausschließlich der Filterkapazitäten) kann
dargestellt werden als:
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Die
Anforderung für
eine optimale Gabelschaltungsdämpfung
(VRX) kann wie folgt bestimmt werden. Um
das Sendesignal zu unterdrücken
und das von der Leitung empfangene Signal zu verstärken, wird
eine Linearkombination von VOPAMP und VM wie folgt benötigt: VRX = AVOPAMP – VM,wobei die optimale Verstärkung für ein vollständiges Unterdrücken des
Sendesignals A = k/(k + 1) ist.
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Die
Empfangspfadverstärkung
kann beschrieben werden als:
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Die
Ausgangsimpedanz der Leitungstreiber, wie sie von der Leitung (Z
IN) wahrgenommen wird, kann beschrieben werden
als:
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Um
die Impedanz des Leitungstreibers (wie in der obigen Gleichung für Z
IN ausgedrückt) an die charakteristische
Leitungsimpedanz (Z
L) anzupassen, brauchen
wir:
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Die
Hochpassübertragungsfunktion
wird durch die Kapazitäten
C1 erreicht, welche dazu beitragen, eine
Hochpassübertragungsfunktion
erster Ordnung für
die Leitungstreiber mit einer Null bei Null und einer Polstelle
bei p1 = 1/(R1C1) auszubilden.
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Der
Empfangspfad der Leitungsschnittstelle weist die Filter 30 und 32 und
den Differenzverstärker 34 auf.
Für eine Übertragungsleitung
mit wohldefinierter charakteristischer Impedanz sollte die Impedanz
des Anpassungsnetzwerks einfach eine skalierte auf eine Primärseite reflektierte
Impedanz (ZL') der Übertragungsleitung sein. Für einen
derart wohlverhaltenden Fall ist ein Realisieren eines einfachen
Anpassungsnetzwerks trivial; und so lange die obige Gleichung für die Verstärkung A
gültig
ist, ist die Gabelschaltungsdämpfung
richtig. Der in 1 gezeigte Differenzverstärker mit
vier Eingängen
ohne das Eingangsfilter realisiert das obige Verhält nis für VRX durch Einstellen geeigneter Werte für die Eingangswiderstände.
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Wenn
die Eigeninduktivität
der Transformatorwicklung eine Impedanz vergleichbar mit der reflektierten
Leitungsimpedanz (ZL') erzeugt, sollte auch eine Induktivität parallel
zu der obigen Anpassungsimpedanz platziert werden. Die Anpassungsimpedanz
sollte sein: ZM = k(ZL'||4L1s),wobei L1 die
Induktivität
einer jeden Primärseite
des Transformators ist, wenn die zwei anderen Wicklungen offen sind.
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In
vielen Systemen ist die charakteristische Impedanz von vielen üblicherweise
verwendeten Übertragungsleitungen
(z.B. Twisted-Pair-Telefonübertragungsleitungen)
nicht immer wohldefiniert, wie zuvor angenommen. In Abhängigkeit
von der Drahtdicke, der Länger
der Leitung und der Anzahl von Brückenabgriffen kann die charakteristische
Impedanz erheblich variieren. Eine Realisierung eines Impedanznetzwerks
mit einer perfekten Anpassung an alle Leitungen ist nicht immer
möglich.
Um eine angemessene Sendesignaldämpfung
auf dem Empfangspfad zu erreichen, kann die Spannung über der
Anpassungsimpedanz durch das Filter 32, wie in 1 gezeigt,
gefiltert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann ein Schaltkreis, wie in 2 gezeigt,
in einem Modem einer Hauptstelle (central office, C/O) für eine asymmetrische
digitale Teilnehmeranschlussleitung (ADSL) mit voller Übertragungsrate
verwendet werden. Das in 2 gezeigte System weist in dem Übertragungspfad
einen Verstärker 16 mit
Kapazitäten 12 und
Widerständen 14 in
dem Eingangspfad von Anschluss 10 und Rückkopplungswiderstände 18 und 22 an
jeder Seite der Induktivitäten 20,
wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 erläutert, auf.
Das System der 2 weist ferner in dem Empfangspfad einen
Verstärker 34 auf,
welcher mit einem Anschluss 42 gekoppelt ist und Rückkopplungswiderstände 40 aufweist,
die mit Widerständen 36 und 38, wie
zuvor unter Bezugnahme auf 1 erläutert, gekoppelt
sind.
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Der
Sende/Empfangsvorrichtungsschaltkreis der 2 weist
ferner ein Impedanznetzwerk auf, welches zwei parallele Pfade über VM aufweist, wobei jeder davon eine Kapazität 44 (C3) und 46 (C4), wie
gezeigt, aufweist. Der erste Pfad weist zwei Reihenwiderstände 48 (R10) und 50 (R11)
an jeder Seite der Kapazität 44 (C3) auf. Der zweite Pfad weist auch zwei Reihenwiderstände 52 (R7) und 54 (R8)
an jeder Seite der Kapazität 46 (C4) auf und weist ferner einen weiteren Widerstand 56 (R9) parallel zu der Kapazität 46 (C4) auf. Die Leitungsseite der Transformatorkopplung
weist zwei Wicklungen 58 und 60 auf jeder Seite
einer Kapazität 62 (C5) auf. Der Schaltkreis weist ferner eine
spezielle Ausführungsform
eines wie in 1 gezeigten Filters 32 auf,
welcher eine Induktivität 64 (L2) über VM und zwei Kapazitäten (C2) 66 und 68 aufweist,
wobei jeder davon in Reihe mit einem Widerstände 38, wie in 2 gezeigt,
verbunden ist.
