JP4724850B2 - 時分割多重化を使用した通信システム用低雑音ハイブリッド回路 - Google Patents

Description

本願は、２００３年３月１０日出願の、本願と同じ名称を有する米国特許仮出願第６０／４５３５６２号の優先権を主張するものである。
本発明は一般にデジタル加入者線（ＤＳＬ）用のモデムの分野に関する。より詳細には、本発明は、バランス・ネットワークに対しての要件をなくす時分割多重化（ＴＤＭ）ＤＳＬで使用するためのハイブリッド・アーキテクチャのモデムを提供する。

ほとんどのｘＤＳＬシステムは周波数ドメイン・デュプレクス（ＦＤＤ）あるいは周波数ドメイン・マルチプレクス（ＦＤＭ）の信号送信で動作する。これらシステムについての送信信号および受信信号は、同じ撚線対上を同時に伝搬する。発信信号を送信しながら着信信号を受信できるように、モデムは、典型的には、ハイブリッド間（trans-hybrid）平衡回路網を採用している。そのようなモデムでは、ライン・ドライバは、送信信号用のソースおよび受信信号用の終端器の両方として働く。

図１は典型的な従来技術のデバイスを示す。抵抗値Ｒ１及びＲ２をそれぞれ有する抵抗２および４は撚線対６用のロード負荷抵抗器であり、ライン・ドライバ８によって終端される。インピーダンスＺａ、Ｚｂ、ＺｃおよびＺｄを有するインダクタ１０、１２、１４および１６は、撚線対の上の混合信号から受信信号を分離するハイブリッド平衡回路網（ＨＢＮ）を形成する。ＨＢＮは、受信信号と送信信号とを分離するだけでなく、ライン・ドライバからの雑音が受信出力へ出現するのをなくすことを支援する。ライン・ドライバによって生成される雑音は、通常、本質的にランダムであり、抑制されない場合には受信機の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を低下させることがある。通常、ＨＢＮは、受信Ｓ／Ｎ上のライン・ドライバ雑音の影響をなくすのに十分な２０ｄＢだけ受信出力ライン１８の送信信号および雑音を減衰できる。

ＨＢＮを使用する不利益は、受信信号も約３．５ｄＢだけ減衰されることである。これは受信信号の雑音フロアを低下させ、受信機の設計をより困難にする。ＨＢＮの別の副作用は、ライン・ドライバの電力散逸を増大させることである。熱雑音と余分な電力散逸のと間でのトレードオフが存在する。ＨＢＮが原因で、ライン・ドライバの電力消費量が１０パーセント増加することも珍しいことではない。

多くのモデムにおいて、電力効率を高めるために、いわゆる「能動終端」方式がハイブリッド回路で使用される。これらの方式は、能動インピーダンスを使用してライン負荷抵抗の一部を置換し、それにより小さい抵抗値が使用され得るようになり、その結果として送信機の電力の無駄を低減する。典型的な能動終端されたＤＳＬモデム・ハイブリッド回路を図２に示す。

能動終端は、抵抗Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５およびＲ６を有する抵抗２０、２２、２４および２６を追加することによって作られ、ＨＢＮノードからライン・ドライバへのフィードバックを提供する。能動インピーダンス合成の度合いは、（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｚｏとして定義される能動終端比（ＡＴＲ）によって測定されることができる。ここでＺｏは公称ライン・インピーダンスである。ほとんどのＤＳＬループでは、Ｚｏ＝１００オームである。従来、ラインを適切に終端させるためには、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｚｏ／２とすることが必要である。能動終端ハイブリッドでは、Ｒ１＝Ｒ２＜Ｚｏとなり、ライン・ドライバの電力消費量を減少させる。Ｒ１＝Ｒ２＝０の極端な場合では、ライン・ドライバ電力散逸量の５０％が節約される。実際の実施形態では、ＡＴＲは０．１〜０．５の範囲となる。

しかし、能動終端の導入は、モデムでの受信信号を更に減衰する。この減衰は、ＡＴＲにほぼ比例する。ＡＴＲが０．２のときは４０％の電力を節約するが、受信信号の１４ｄＢの追加の減衰をもたらし、合計雑音フロアを１７．５ｄＢ悪化させる。ＤＳＬラインのバックグラウンド雑音は−１４０ｄＢｍである。典型的な能動インピーダンス・モデムは有効雑音フロアを−１５７．５ｄＢｍへと変化させ、受信増幅器の設計を困難にしかつ高価なものにする。

従って、雑音フロアの低下を低減させて受信機用の増幅器の設計要件を簡素にするための、ＨＢＮを含まない、ＤＳＬ用モデム・アーキテクチャを採用することが望ましい。

本発明を使用して実施される時分割多重化（ＴＤＭ）プロトコルを採用するデジタル加入者線（ＤＳＬ）用のモデムは、送信信号を受信するための入力部と、撚線対を受信機へ接続するピグテールを有する撚線対へ接続するための出力部とを有するライン・ドライバを内蔵する。負荷抵抗は、ライン・ドライバ出力部と受信機との間に結合され、ライン・ドライバまたは並列能動インピーダンス用の飽和負荷回路は、スイッチング信号に応答して低雑音終端で負荷抵抗を終端するために使用される。スイッチング信号は、ＴＤＭプロトコルの受信時間スロットと同期して生成される。

本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と関連して考慮して参照することによって更によく理解されよう。

本発明は、時分割多重化（ＴＤＭ）ＤＳＬシステムを採用し、送信信号および受信信号が同じ撚線対で異なる時間スロットに生じる。ＴＤＭ用途では、送信（Ｔｘ）信号と受信（Ｒｘ）信号との物理的分離が、ＦＤＭシステムにおいてのようには必要でない。Ｒｘ信号は、ＨＢＮを使用せずにラインから直接タップされる。従って、信号は結果として減衰されない。しかし、Ｒｘ信号がラインから直接タップされる場合、ライン・ドライバ雑音のかなりの部分が含まれることになる。典型的なライン・ドライバは、約−１３５〜−１４５ｄＢｍの雑音を発生させ、５ｄＢまで回復不能のＳ／Ｎ劣化を生じさせる。

図面を参照すると、図３本発明の第１の実施形態を示す。ライン・ドライバ３０はその入力部でＴｘ信号を受信する。撚線対６はネットワークのモデムを相互接続する。この実施形態では、抵抗値Ｒ１およびＲ２を有する負荷抵抗３２、３４は、撚線対の導線と、ライン・ドライバの出力部とに接続される。抵抗３２および抵抗３４は、ライン・ドライバの出力段を飽和状態へと駆動することによって必要な低雑音終端を提供して、受信タイムスロット中に終端される。スイッチング信号ＳＷは、ライン・ドライバの入力部へ接続されるトランジスタＱ１およびＱ２の入力部へ印加される。コンデンサＣ１およびＣ２はライン・ドライバの入力部を絶縁（isolate）する。ＳＷの高レベルは、負レールでライン・ドライバ出力を飽和状態へと駆動して、抵抗３２および抵抗３４の低いインピーダンスおよび極低雑音の終端を提供する。受信機３６は、Ｒｘ信号用の撚線対に接続される。

図５は、モデム中の負荷抵抗の終端のためのＳＷ信号とＴＤＭのＲｘ信号およびＴｘ信号との関係を示す。送信タイムスロット４６中に、ＳＷ信号は低に留まって、ライン・ドライバをその通常機能で動作させる。受信タイムスロット４８では、ＳＷ信号は、タイミング・ロジック４４（図３および図４に示す）により高にされて、ライン・ドライバ出力を飽和させ、負荷抵抗の低雑音終端を提供する。

負荷抵抗の能動終端がライン・ドライバの電力消費量を低減させることが望ましい、即ち、Ｒ１＋Ｒ２＜＞Ｚｏのモデムの適用では、静的ターミネーター（static terminator）へ切り替えるとインピーダンスの不整合をもたらす。そのような用途に適合するために、本発明を採用したモデムの第２の実施形態を図４に示す。抵抗値Ｒ７（Ｒ７の公称値＝Ｚｏ−（Ｒ１＋Ｒ２））を有する抵抗４０により作られる平衡インピーダンスは、ライン・ドライバ出力部と並列なスイッチ４２で抵抗３２と３４との間に橋絡（bridge）される。この実施形態には、その出力を浮かせる能力を有するライン・ドライバが採用される。スイッチング信号ＳＷは、スイッチを動作させるものであり、ライン・ドライバのＰＤ入力部に接続されてその出力を浮遊させる。代替実施形態では、スイッチ４２は、リレーあるいはＣＭＯＳトランジスタである。スイッチング信号ＳＷのタイミングは、第１の実施形態に関して図５に関連して前述したものである。

特許法によって必要とされるように本発明を詳細にここまで記載してきたが、当業者は、本明細書で開示する特定の実施形態への変更および置換を認識するであろう。そのような変更は、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の精神および意図の範囲内である。

図１は、ＨＢＮを採用した従来技術のＤＳＬモデムの概略図である。 図２は、ライン・ドライバの電力消費量の削減のためのＨＢＮおよび能動インピーダンスを有する従来技術のＤＳＬモデムの概略図である。 図３は、受動終端を採用した本発明の第１の実施形態の概略図である。 図４は、能動終端で使用する第２の実施形態の概略図である。 図５は、本発明に関する送信信号、受信信号およびスイッチング信号のタイム・チャートである。

Claims (9)

1. 時分割多重化（ＴＤＭ）プロトコルを採用したデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムであって、
   送信信号を受信する入力部と、撚線対（６）への接続のための出力部とを有するライン・ドライバ（３０）と、
   前記撚線対を受信機（３６）へ接続する手段であって、前記時分割多重化プロトコルの受信タイムスロット（４８）の間に前記撚線対から前記受信機へ受信信号を提供する、接続する手段と、
   前記ライン・ドライバの出力部と、前記撚線対を前記受信機へ接続する前記接続する手段とに結合された負荷抵抗（３２、３４）と、
   前記時分割多重化プロトコルの前記受信タイムスロットの間に１つのレベルを有し、送信タイムスロット（４６）の間に別のレベルを有するスイッチング信号を生成する手段と、
   前記受信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記１つのレベルに応じて、前記受信タイムスロットの間に前記ライン・ドライバの出力部において低インピーダンスを提供する手段であって、
   ドレインが前記ライン・ドライバの第１の入力に接続され、エミッタが接地接続され、ゲートが前記スイッチング信号を生成する前記生成する手段に接続された第１のトランジスタ（Ｑ１）であって、前記受信タイムスロットの間に前記１つのレベルを有する前記スイッチング信号を受信する、第１のトランジスタ（Ｑ１）と、
   ドレインが前記ライン・ドライバの第２の入力に接続され、エミッタが接地接続され、ゲートが前記スイッチング信号を生成する前記生成する手段に接続された第２のトランジスタ（Ｑ２）であって、前記受信タイムスロットの間に前記１つのレベルを有する前記スイッチング信号を受信する、第２のトランジスタ（Ｑ２）と、
   前記ライン・ドライバの前記入力を絶縁する手段（Ｃ１、Ｃ２）と
   から構成され、
   それにより前記負荷抵抗を終端させ、前記受信信号に対する前記ライン・ドライバからの雑音の影響を低下させる、低インピーダンスを提供する手段と
   を備えたことを特徴とするデジタル加入者線用モデム。
2. 前記スイッチング信号を生成するための前記生成する手段は、前記時分割多重化プロトコルの前記受信タイムスロット（４８）と同期するタイミング・ロジック（４４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のデジタル加入者線用モデム。
3. 前記受信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記１つのレベルは高のレベルからなり、前記送信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記別のレベルは低のレベルからなることを特徴とする請求項１に記載のデジタル加入者線用モデム。
4. 時分割多重化（ＴＤＭ）プロトコルを採用したデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムであって、
   送信信号を受信する入力部と、撚線対（６）への接続のための出力部とを有するライン・ドライバ（３０）と、
   前記撚線対と接続される受信機（３６）であって、前記時分割多重化プロトコルの受信タイムスロット（４８）の間に前記撚線対から信号を受信する受信機と、
   前記ライン・ドライバの出力部と、前記撚線対とに結合された負荷抵抗（３２、３４）と、
   前記時分割多重化プロトコルの前記受信タイムスロットの間に１つのレベルを有し、送信タイムスロット（４６）の間に別のレベルを有するスイッチング信号を生成する回路と、
   前記負荷抵抗の間に遮断可能に接続された平衡用抵抗（４０）と、
   前記スイッチング信号に応答するスイッチ（４２）と
   を備え、
   前記受信タイムスロットの間に、前記１つのレベルを有する前記スイッチング信号は、前記ライン・ドライバへ接続され、それにより前記ライン・ドライバの出力を浮いた状態とし、
   前記１つのレベルを有する前記スイッチング信号は、前記スイッチを機能させて前記平衡用抵抗を前記負荷抵抗へ接続し、それにより前記撚線対のインピーダンスと、前記平衡用抵抗および前記負荷抵抗を合わせたインピーダンスとを整合させ、
   前記送信タイムスロットの間に、前記別のレベルを有するスイッチング信号は、前記スイッチを機能させて、前記平衡用抵抗と前記負荷抵抗および前記ライン・ドライバとの接続を遮断する
   ことを特徴とするデジタル加入者線用モデム。
5. 前記受信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記１つのレベルは高のレベルからなり、前記送信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記別のレベルは低のレベルからなることを特徴とする請求項４に記載のデジタル加入者線用モデム。
6. 前記負荷抵抗のインピーダンスは前記撚線対の前記インピーダンスよりも小さく、それにより前記送信タイムスロットの間の送信信号の送信の間の前記ライン・ドライバの電力消費を低減することを特徴とする請求項４に記載のデジタル加入者線用モデム。
7. 時分割多重化（ＴＤＭ）プロトコルを採用したデジタル加入者線（ＤＳＬ）用モデムを動作させる方法であって、
   前記モデムの受信機（３６）および撚線対を接続するステップであって、それにより前記時分割多重化プロトコルの受信タイムスロット（４８）の間に前記撚線対から前記受信機へ受信信号を提供するステップと、
   前記時分割多重化プロトコルの前記受信タイムスロットの間に１つのレベルを有し、送信タイムスロット（４６）の間に別のレベルを有するスイッチング信号を生成するステップと、
   前記受信タイムスロットの間に、前記１つのレベルを有する前記スイッチング信号を、前記ライン・ドライバへ接続し、それにより前記ライン・ドライバの出力を浮いた状態とするステップと、
   前記１つのレベルを有する前記スイッチング信号を用いて前記モデムのスイッチ（４２）を機能させて、前記モデムの平衡用抵抗を前記モデムの負荷抵抗（３２、３４）へ接続し、それにより前記撚線対のインピーダンスと、前記平衡用抵抗および前記負荷抵抗を合わせたインピーダンスとを整合させるステップと、
   前記送信タイムスロットの間に、前記別のレベルを有するスイッチング信号を用いて前記スイッチを機能させて、前記平衡用抵抗と前記負荷抵抗および前記ライン・ドライバとの接続を遮断するステップと
   を備えることを特徴とする方法。
8. 前記受信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記１つのレベルは高のレベルからなり、前記送信タイムスロットの間の前記スイッチング信号の前記別のレベルは低のレベルからなることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記負荷抵抗のインピーダンスは前記撚線対の前記インピーダンスよりも小さく、それにより前記送信タイムスロットの間の送信信号の送信の間の前記ライン・ドライバの電力消費を低減することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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