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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Filteranordnung zur Filterung
von Signalen, die zwischen einem ersten Filter-Anschluss und einem zweiten Filter-Anschluss übertragen
werden, wobei die Anordnung Filter-Mittel enthält, die so angepasst sind,
dass sie vorher festgelegte Frequenzkomponenten der Signale herausfiltern,
und zugehörige
Klemmungs-Mittel, die angepasst sind, die Übertragung unerwünschter
Signale zwischen dem ersten Filter-Anschluss und dem zweiten Filter-Anschluss
zu begrenzen.
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Eine
solche Filteranordnung ist bereits in der Technik bekannt, z.B.
aus der europäischen
Patentanmeldung EP-A-0 251 986 (ECI TELECOM LTD) vom 7. Januar 1988
oder aus dem japanischen Patent
JP
9008501 (HITACHI LTD) vom 10. Januar 1997. Eine bekannte
Filteranordnung wird im Allgemeinen dazu benutzt, den ersten Filter-Anschluss vom
zweiten Filter-Anschluss
zu trennen und dadurch die mit diesen Anschlüssen verbundenen Schaltkreise,
Bauelemente oder Vorrichtungen voneinander zu trennen. Die Signale
können
zum Beispiel von einer Stromversorgung geliefert werden oder können Telekommunikations-Signale
sein, wobei die Filteranordnung dann dazu benutzt wird, verschiedene
Signale voneinander zu trennen, die auf derselben Telekommunikationsleitung übertragen werden,
aber für
verschiedene Vorrichtungen gedacht sind, wie es bei einem Gemeinschaftsanschluss
der Fall ist, bei dem zwei Telefone dieselbe Übertragungsleitung gemeinsam
nutzen, die z.B. an den zweiten Filter-Anschluss angeschlossen ist.
Viele Telekommunikations-Modulationsverfahren benutzen Frequenzmultiplex
(FDM) Dann wird eine Filteranordnung benötigt, um die Signale, die eine
an den ersten Filter-Anschluss
angeschlossene Vorrichtung benötigt,
von denen zu trennen, die sie nicht benötigt. Eine andere wichtige
Anwendung einer solchen Filteranordnung findet sich in Asymmetric
Digital Subscriber Line (ADSL) Systemen sowie in daraus abgeleiteten
Systemen, wie HDSL, VADSL usw. Wie wohlbekannt ist, bieten diese
Systeme Breitbanddienste über
eine Übertragungsleitung,
die durch eine herkömmliche
verdrillte Kupfer-Doppelleitung gebildet wird, so dass ein Teilnehmer
nicht darauf warten muss, dass sein Standort mit einer Faser verbunden wird.
Da die Fernsprechsignale des so genannten herkömmlichen Fernsprechdienstes
(Plain Old Telephone Service, POTS) auch auf der selben Telekommunikationsleitung übertragen
werden, ist eine "Weiche" erforderlich, um
die hochfrequenten ADSL-Signale, die z.B. für ein ADSL-Modem gedacht sind,
von den niederfrequenten Fersprechsignalen zu trennen, die für ein Telefon
gedacht sind. Eine solche Weiche enthält offensichtlich eine Leitungsfilteranordnung. Vor
jedem Modem befindet sich ein Hochpassfilter, und von jeder POTS-Schnittstelle
befindet sich ein Tiefpassfilter. Zusätzlich zu dieser Frequenz-Filterung
muss die Leitungsfilteranordnung weiterhin auch angepasst sein,
die an einen lokalen Anschluss, z.B. den ersten Filter Anschluss,
angeschlossene Vorrichtung von der an den Leitungsanschluss, z.B. den
zweiten Filter-Anschluss, angeschlossenen Übertragungsleitung zu isolieren,
und dies während starker Änderungen
von Spannung/Strom auf einer der Seiten der Anordnung. Dies kann
zum Beispiel der Fall sein, wenn Spannungsspitzen auf den Signalen
vorhanden sind, und diese müssen
beseitigt werden.
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Eine
Weiche, die eine Filteranordnung enthält, beschreibt zum Beispiel
der Artikel "ADSL
and VADSL Splitter Design and Telephony Performance" von J. Cook et al,
veröffentlicht
im IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, BAND 13, NR.
9, DEZEMBER 1995, Seite 1634 bis 1642. Darin wird erwähnt, dass
Weichen für
ADSL und spezieller die darin enthaltenen Filter vorzugsweise auf
passiven Filtern basieren. Der Hauptgrund dafür ist, dass sie Probleme der
Stromversorgung vermeiden und einen kontinuierlichen Betrieb bei
einem Stromausfall sicherstellen. Passive Filter sind auch in der
Lage, große
Signale, sowohl Spannung als auch Strom, einfacher zu verarbeiten,
wie sie bei der Signalisierung und Stromversorgung von Fernsprechsystemen
auftreten. Passive Filter haben ein lineares Verhalten, da meistens
Spulen und Kondensatoren verwendet werden, während für aktive Filter Operationsverstärker und
Widerstände
verwendet werden. Eine solche lineare Lösung macht das Design relativ
einfach, da die Laplace-Transformation und die Netzwerk-Technologie
benutzt werden können.
Auch hier steht zu diesem Thema wieder eine Menge Literatur zur
Verfügung.
Dieses einfache Design ist jedoch nur gültig, wenn unter allen Bedingungen
alles linear bleibt. In der Praxis sind jedoch Spulen, die in die
Sättigung
gelangen, nicht mehr linear. Das bedeutet, dass große und somit
relativ teure Spulen vorgesehen werden müssen, um dafür zu sorgen,
dass sie nicht in die Sättigung
gelangen.
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Ein
weiteres Problem in Zusammenhang mit ADSL-Anwendungen ist es, zu
vermeiden, dass transiente Signale vom POTS zur ADSL-Seite und umgekehrt übertragen
werden. Transiente Signale sind Störungen, die z.B. durch Polaritätsumkehr
der Batterie oder durch den Beginn des Rufsignals auf der Seite
der Telekommunikations-Vermittlungsanlage und/oder durch Auf- und
Abnehmen des Hörers
auf der (Teilnehmer-) Seite des Telefons verursachte Signale erzeugt
werden. Zum Schutz gegen die negativen Auswirkungen der transienten
Signale sind große
und teure Filter hoher Ordnung (z.B. 7. Ordnung) als Tiefpassfilter
erforderlich. Solche transienten und andere Überstrom-Signale konnten, obwohl
es in dem oben angegebenen bisherigen Stand der Technik nicht erwähnt wird,
auch durch Klemmungs-Mittel, wie z.B. Zenerdioden beseitigt werden,
die angepasst sind, Spannungs- und/oder Stromspitzen zu beseitigen.
Ein Problem bei diesen bekannten Klemmungs-Mitteln ist es, dass
sie auf abrupte Weise arbeiten.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Filteranordnung
des oben angegebenen bekannten Typs bereitzustellen, die aber angepasst
ist, transiente Signale auf effizientere Weise zu filtern, während sie
einfacher und billiger ist als die aus dem bisherigen Stand der
Technik bekannte.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ziel durch die Tatsache erreicht, dass die Klemmungs-Mittel
aktive Bauelemente-Mittel enthalten, die angepasst sind, Änderungen
vordefinierter Parameter der Signale zu begrenzen, und dass die
Filter-Mittel mindestens ein reaktives Bauelement enthalten, dessen
erste Seite mit dem zweiten Filter-Anschluss gekoppelt ist und dessen
zweite Seite mit dem ersten Filter-Anschluss über einen Haupt-Pfad des aktiven
Bauelemente-Mittels gekoppelt ist, das weiterhin einen Steuer-Anschluss
hat, der mit der ersten Seite des reaktiven Bauelementes gekoppelt
ist.
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Auf
diese Weise werden die durch Transienten oder unerwünschte Signale
verursachten Störungen
progressiv und nicht mehr abrupt durch die Klemmungs-Mittel aufgehoben.
Weiterhin wird keine Stromversorgung für das aktive Bauelement benötigt. Test
haben gezeigt, dass die schlimmsten transienten Signale am besten
durch Klemmungs-Mittel gedämpft
werden, die auf die Stromänderung
oder auf die Spannungsänderung
der Signale statt auf die Absolutwerte dieser Parameter wirken.
Eine kombinierte Begrenzung der Strom-/Spannungsänderungen ist ebenfalls effizient.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung ein Tiefpassfilter ist, der angepasst ist, Hochfrequenz-Komponenten
von Signalen herauszufiltern, die zwischen der Vorrichtung und der Übertragungsleitung übertragen
werden, dadurch, dass das reaktive Bauelement eine Spule ist, und
dadurch, dass das aktive Bauelement ein Transistor ist.
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Es
kann nachgewiesen werden, dass im Fall der ADSL-Signalisierung die Anforderungen an
das Filter-Mittel zum Herausfiltern der Hochfrequenz-Komponenten
der Signale in dem Fall, dass die vorliegende Anordnung benutzt
wird, viel weniger streng sind, als die beim bisherigen Stand der
Technik: Nun kann anstelle des oben erwähnten Filters 7. Ordnung ein
Filter 2. (oder höchstens
3.) Ordnung benutzt werden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen.
Darüber
hinaus kann die im vorliegenden Filter 2. Ordnung benutzte Spule
kleiner sein als die eine (oder mehreren) nach dem bisherigen Stand
der Technik, weil sie wegen der Strom/Spannungs-Begrenzung der Signale weniger in die
Sättigung
gelangt.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist die vorliegende Erfindung weiterhin dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung ein Tiefpassfilter ist, das angepasst ist, Hochfrequenz-Komponenten von Signalen
herauszufiltern, die zwischen dem ersten Filter-Anschluss, der eine
erste und eine zweite lokale Anschlussklemme hat, an die die Vorrichtung
angeschlossen ist, und dem zweiten Filter-Anschluss, der eine erste
und eine zweite Leitungs-Anschlussklemme hat, an die die Übertragungsleitung,
die eine Zweidraht-Leitung ist, angeschlossen ist, übertragen werden,
dadurch, dass die Filter-Mittel eine erste Spule und eine zweite
Spule als reaktives Bauelement enthalten und dadurch, dass das aktive
Bauelement-Mittel einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, dadurch,
dass die erste Leitungs-Anschlussklemme mit der ersten Seite der
ersten Spule verbunden ist, die zweite Seite der ersten Spule über den
Haupt-Pfad des ersten Transistors mit der ersten lokalen Anschlussklemme
verbunden ist, und der Steuer-Anschluss des ersten Transistors mit
der ersten Seite der ersten Spule verbunden ist, und dadurch, dass
die zweite Leitungs-Anschlussklemme mit der ersten Seite der zweiten
Spule verbunden ist, die zweite Seite der zweiten Spule über den Haupt-Pfad
des zweiten Transistors mit der zweiten lokalen Anschlussklemme
verbunden ist, und der Steuer-Anschluss
des zweiten Transistors mit der ersten Seite der zweiten Spule verbunden
ist.
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Auf
diese Weise ist die Anordnung angepasst, sowohl positive als auch
negative Spannungsspitzen der übertragenen
Signale zu begrenzen, und sie arbeitet auf völlig bidirektionale Weise.
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Eine
weitere charakteristische Eigenschaft der vorliegenden Erfindung
ist, dass das aktive Bauelement-Mittel weiterhin einen dritten Transistor
und einen vierten Transistor enthält, wobei die erste Leitungs-Anschlussklemme über den
Haupt-Pfad des dritten Transistors mit der ersten Seite der ersten Spule
verbunden ist, der Steuer-Anschluss des dritten Transistors mit
der zweiten Seite der ersten Spule verbunden ist, und dadurch, dass
die zweite Leitungs-Anschlussklemme über den
Haupt-Pfad des vierten Transistors mit der ersten Seite der zweiten Spule
verbunden ist, wobei der Steuer-Anschluss des vierten Transistors
mit der zweiten Seite der zweiten Spule verbunden ist.
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Die
vorliegende Anordnung zeigt dann symmetrische Eigenschaften bezüglich der
daran angeschlossenen Vorrichtungen.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auch dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und die zweite Leitungs-Anschlussklemme über die in Reihe geschalteten
Haupt-Pfade eines Transistor-Paares gekoppelt sind, dessen Steuer-Anschlüsse mit
den ersten Seiten der ersten bzw. der zweiten Spule verbunden sind.
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Die
von den Filter-Mitteln und ihren zugehörigen Klemmungs-Mitteln begrenzten
Ströme
stammen dann von diesem Transistor-Paar, so dass die vorliegende
Filteranordnung für
die daran angeschlossene Vorrichtung transparent bleibt.
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Weitere
charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Filteranordnung
werden in den beigefügten
Ansprüchen
erwähnt.
Die oben angegebenen und weitere Aufgaben und Eigenschaften der
Erfindung werden deutlicher, und die Erfindung selbst wird am besten
verstanden, wenn auf die folgende Beschreibung einer Ausführung in
Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in
denen:
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1 einen Überblick über ein
ADSL-System zeigt, das eine Filteranordnung LP1, LP2 gemäß der Erfindung
enthält,
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2 den
Basis-Schaltkreis LP einer Filteranordnung LP1, LP2 aus 1 zeigt,
und
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3 eine
praktische Implementation LP' der
Filteranordnung LP aus 2 ist.
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Obwohl
sie nicht auf ein bestimmtes Einsatzgebiet begrenzt ist, ist die
Filteranordnung der vorliegenden Erfindung besonders auf eine Weiche
für ein Asymmetric
Digital Subscriber Line "ADSL" System anwendbar,
wie in 1 gezeigt. Wie bekannt ist, ist ein ADSL-System – oder ein ähnliches
System, wie z.B. HDSL, VADSL, ... – angepasst, Sprache und Signale
mit höherer
Frequenz über
eine herkömmliche verdrillte
Kupfer-Telefon-Doppelleitung TP zu übertragen. An jedem Ende der
verdrillten Doppel-Übertragungsleitung
TP wird eine Weiche bereitgestellt, welche die hochfrequenten ADSL-Signale von den niederfrequenten
Signalen des herkömmlichen
Fernsprechnetzes POTS (oder den Sprachsignalen) trennt. Detaillierter
ausgedrückt
hat auf der Teilnehmerseite CP eine Weiche SP1 einen Leistungs-Anschluss
LI1, der ein Ende der Übertragungsleitung TP
sowohl mit einem Anschluss LM1 eines lokalen ADSL-Modems ADSLcp,
als auch mit dem lokalen Anschluss LO1 einer Teilnehmereinrichtung
POTS verbindet, während
auf der Seite der Vermittlungsstelle CO eine andere Weiche SP2 einen
Leitungs-Anschluss LI2 hat, der die andere Seite der Übertragungsleitung
TP sowohl mit einem Anschluss LM2 eines zentralen ADSL-Modems ADSLco,
als auch einem lokalen Anschluss LO2 eines öffentlichen Telekommunikationsnetzes
PSTN verbindet. Zu diesem Zweck enthält die Weiche SP1 ein Hochpassfilter
HP1, das die Anschlüsse
LI1 und LM1 miteinander verbindet, und ein Tiefpassfilter LP1, das
die Anschlüsse
LI1 und LO1 miteinander verbindet. Auf die gleiche Weise enthält die Weiche
SP2 ein Hochpassfilter HP2, das die Anschlüsse LI2 und LM2 miteinander
verbindet, und ein Tiefpassfilter LP2, das die Anschlüsse LI2
und LO2 miteinander verbindet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Version des Tiefpassfilters
LP1 oder LP2, im Folgenden allgemeiner LP genannt, wie in 2 gezeigt.
Diese Leitungsfilteranordnung LP befindet sich zwischen einem ersten
Filter-Anschluss LO und einem zweiten Filteranschluss LI, die jeweils
den oben erwähnten
lokalen Anschlüssen
LO1/LO2 und den Leitungs-Anschlüssen
LI1/LI2 entsprechen. Der Zweck des Filters LP ist es, die beiden
Seiten bei schweren Änderungen
von Spannung/Strom auf einer dieser Seiten voneinander zu trennen.
Wie im Folgenden erklärt
wird, erfolgt dies durch Begrenzung oder Klemmung der Stromänderung
dI/dt, wobei I der durch das Filter fließende Strom ist. Obwohl hier
nicht beschrieben, ist eine Begrenzung des Absolutwertes des Stroms
I oder eine Begrenzung der Spannungsänderung dV/dt, sowie Kombinationen
all dieser Parameter auch möglich.
Praktische Tests zeigen jedoch, dass die letztgenannten etwas weniger effiziente
Ergebnisse liefern.
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Der
Anschluss LI des Filters LP hat zwei Leitungs-Anschlussklemmen LIa und LIb, während der Anschluss
LO zwei lokale Anschlussklemmen LOa und LOb hat. Die Leitungs-Anschlussklemme LIa
ist mit einer ersten Seite einer Induktivität oder Spule L1 verbunden,
deren zweite Seite über
den Source-Drain- (oder Haupt-) – Pfad s-d eines ersten FET-Transistors T1 mit
der lokalen Anschlussklemme LOa verbunden ist. Die Leitungs-Anschlussklemme
LIa und somit die erste Seite der Spule L1 ist weiterhin auch mit
dem Gate g oder dem Steueranschluss des Transistors T1 verbunden.
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Wie
wohlbekannt ist, ist die Spannung über der Spule L1 proportional
zur Änderung
dI/dt des durch sie fließenden
Stroms I. Diese Spannung erscheint als Gate-Source-Spannung Vgs über dem Transistor
T1 und bestimmt somit, welchen Widerstand der Transistor T1 zwischen
Drain d und Source s hat.
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Unter
normalen Betriebsbedingungen ist dI/dt klein. Die induzierte Spannung
Vgs ist daher ebenfalls klein, und da der Transistor ein Feldeffekttransistor
vom Verarmungstyp ist, ist der Widerstand dieses Haupt-Pfades, d.h.
zwischen d und s, klein (ungefähr
3 Ohm) und ändert
sich nicht wesentlich. Der Transistor T1 kann dann einfach als Verbindung betrachtet
werden, und das Filter arbeitet als ein herkömmliches normales Induktivitäts-Filter.
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Wenn
die Spannung, z.B. am Filter-Anschluss LI, ansteigt, steigt der
Strom I. Wenn diese Spannungsänderung
relativ schnell erfolgt, wird Vgs schnell ansteigen, und der Widerstand
zwischen d und s wird auch ansteigen. Dieser Anstieg des Widerstandes
des Haupt-Pfades des Transistors T1 hat zur Folge, dass der Strom
I sinkt, wodurch der schnellen Änderung
von I entgegengewirkt wird. Das Ergebnis ist, dass dieser Rückkopplungs-Mechanismus
die Änderung
dI/dt des Stroms I sofort auf einen vorher festgelegten Wert begrenzt.
Durch diese Steuerung der Änderung
dI/dt erreicht der Strom jedoch denselben Endwert, aber viel langsamer
als ohne den FET-Transistor
T1.
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Die
oben beschriebene Filteranordnung LP, welche die Induktivität L1 und
den Transistor T1 zwischen den Filter-Anschlüssen LI und LO enthält, reicht
aus, um Stromänderungen
in einer Richtung zwischen diesen Anschlüssen zu begrenzen oder zu klemmen.
Um jedoch Stromänderungen
in beide Richtungen und sowohl für
positive als auch negative Spannungsspitzen der durch das Filter
fließenden
Signale zu begrenzen, muss die Reihenschaltung einer zweiten Spule
L2 und eines zweiten Transistors T2, die auf dieselbe Weise wie
L1 und T1 angeordnet bzw. ihnen gleich sind, zwischen der Leitungs-Anschlussklemme LIb
und der lokalen Anschlussklemme LOb bereitgestellt werden. Vorzugsweise
und um die Symmetrie der Anordnung sicherzustellen, sind die Spulen
L1 und L2 magnetisch gekoppelt, wie in 2 gezeigt.
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3 zeigt
eine praktischere Implementation LP' der Filteranordnung LP. Zusätzlich zu
den oben in Verbindung mit LP erwähnten Bauelementen enthält das Filter
LP' einen dritten
Transistor T3, dessen Haupt-Pfad die Leitungs-Anschlussklemme LIa mit
der ersten Seite der Spule L1 verbindet, und einen vierten Transistor
T4, dessen Haupt-Pfad die Leitungs-Anschlussklemme LIb mit der ersten Seite der
Spule L2 verbindet. Die Anordnung LP' hat dann symmetrische Eigenschaften
bezüglich
der daran angeschlossenen Vorrichtungen, und der negative Effekt
möglicher
Gleichtaktsignale wird so beseitigt. Um den Betrieb des Filters
besser steuern zu können,
sind die Gate- oder Steueranschlüsse
der Transistoren T1, T2, T3 und T4 über einen Widerstand R1, R2,
R3 bzw. R4 mit der entgegengesetzten Seite ihrer zugehörigen Spule
verbunden.
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Für den Fall
eines ADSL-Systems, wie in 1 gezeigt,
wird im Allgemeinen ein Tiefpassfilter 7. Ordnung benötigt, um
die Transienten der Signale herauszufiltern. Es wurde jedoch gezeigt,
dass durch Begrenzung der Änderung
dI/dt des Stroms I, wie durch die vorliegende Anordnung, das Filter
auf ein Filter 3. Ordnung reduziert werden kann, das dieselben Ergebnisse
liefert. Ein solches Filter 3. Ordnung erhält man durch Einfügen eines
Kondensators C1 zwischen den Leitungs-Anschlussklemmen LIa und LIb und eines
zweiten Kondensators C2 zwischen den lokalen Anschlussklemmen LOa
und LOb. Ein Filter 2. Ordnung sollte auch akzeptierbar sein, hat aber
weniger effiziente Ergebnisse.
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Das
Filter LP' ist weiterhin
gegen Überstrom und Überspannung
durch Zenerdioden Z1, Z2, Z3 und Z4 geschützt, die zwischen den Gate-
und Source-Elektroden der Transistoren T1, T2, T3 und T4 angeschlossen
sind.
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Schließlich wird
ein Paar in Reihe geschalteter Transistoren T5 und T6 zwischen den
lokalen Anschlussklemmen LOa und LOb bereitgestellt. Das Gate oder
der Steueranschluss von T5 ist mit dem Gate von T1 verbunden, während das
Gate von T6 mit dem von T2 verbunden ist. Im Gegensatz zu den Transistoren
T1 bis T4, die alle Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp sind,
sind die Transistoren T5 und T6 Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp. Diese
Transistoren arbeiten auf komplementäre Weise bezüglich der Transistoren
T1 bis T4. Mit anderen Worten wird, wenn der Stromfluss durch die
Transistoren T1 bis T4 sinkt, der Stromfluss durch die Transistoren
T5–T6
steigen. Man kann sehen, dass die durch T1–T4 begrenzten Ströme zu T5–T6 verzweigt werden,
und dass die Strom-Klemmungs-Operation für die an die vorliegende Filteranordnung
angeschlossenen Vorrichtungen transparent ist.
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Obwohl
die obige Beschreibung mit Bezug auf eine Tiefpass-Filteranordnung angegeben
wurde, kann nach demselben Prinzip auch eine Hochpass-Filteranordnung
konstruiert werden, hauptsächlich
indem die Induktivitäten
durch Kondensatoren ersetzt werden.
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Obwohl
die Prinzipien der Erfindung oben in Verbindung mit speziellen Vorrichtungen
beschrieben wurden, muss deutlich verstanden werden, dass diese
Beschreibung nur als Beispiel und nicht als Einschränkung des
Umfangs der Erfindung erfolgt, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.