УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ СИГНАЛОВ НЕЭКРАНИРОВАННОЙ ВИТОЙ ПАРЫ Российский патент 2009 года по МПК H04B3/38 H03F3/62 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к аналоговым усилителям, специальным усилителям для использования с неэкранированной витой парой.

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пользователи передачи данных продолжают требовать еще более быстрой линии связи. Акустические модемы, как правило, способны передавать максимум пятьдесят шесть тысяч бит в секунду (кбит/с). Широкополосная связь более высокой скорости ободрила контент-провайдеров обеспечивать линии связи, которые являются непрактичными при меньших скоростях, как правило, требуя минимум 150 кбит/с. Цифровые абонентские линии (DSL) предлагают скорости до нескольких мегабит в секунду (Мбит/с), в зависимости от расстояния от центральной станции (СО) провайдера телефонной связи до телекоммуникационного оборудования, расположенного в помещении абонента (СРЕ), и готовности пользователя платить более высокую цену. При определенных расстояниях высокоскоростные цифровые абонентские линии не доступны при любой разумной цене просто, поскольку технология не способна это обеспечить. Как правило, потребительские скоростные цифровые абонентские линии не предлагаются компаниями телефонной связи при расстояниях от центральной станции более 2,5 мили. Таким образом, область обслуживания провайдеров ограничена числом центральных станций их близостью друг от друга. Этот предел является результатом использования поставщиками цифровых абонентских линий существующей линии медного провода неэкранированной витой пары (UTP), которая была основой телефонной инфраструктуры с началом коммерческой телефонии. Преимуществом неэкранированной витой пары является то, что она применяется фактически в каждом доме и предприятии благодаря ее использованию для выполнения обычных телефонных соединений. Недостатком неэкранированной витой пары является то, что она не очень пригодна для высокочастотных сигналов в том отношении, что высокие частоты, необходимые для требуемых скоростей передачи данных, сильно ослабляются самими носителями в виде проволоки. Это является результатом повышения импеданса с длиной провода.

Конкурентная широкополосная видеослужба предлагается компаниями кабельного телевидения, у которых оптоволоконный вид связи устанавливается по соседству. В таком случае ограниченное число абонентов могут совместно использовать общую ширину спектра, доступную до приблизительно 1,25 мили от конца волоконного соединения через посредство коаксиального провода. Скорости передачи данных по кабельным широкополосным каналам часто превышают 1 Мбит/с. Для конкурирования с кабельными провайдерами по широкополосному охвату, а также скорости провайдеры цифровых абонентских линий вынуждены также устанавливать больше оптоволоконных соединений, дальше от центральной станции, от которых простираются линии неэкранированной витой пары цифровой абонентской линии. Установка оптоволоконного провода очень дорога вследствие трудозатрат, материалов и в некоторых случаях прав доступа. Хотя в настоящее время широкополосный кабель на рынке занимает больше места, чем цифровая абонентская линия, общее проникновение на рынок широкополосной связи очень мало. Таким образом, конкуренция за участие в прибылях является очень открытой.

Провайдерам цифровых абонентских линий было бы выгодно, если бы они могли рентабельно расширить свой охват рынка существующей инфраструктурой неэкранированной витой пары и сделать это при скорости передачи данных, которая была бы конкурентной с широкополосным кабелем. Предшествующий уровень техники в большой степени основан на промежуточных усилителях линий связи, которые принимают сигнал цифровой абонентской линии, декодирует его при использовании соответствующего протокола для выявления и исправления ошибки, затем повторно формируют данные и ретранслируют их с регенерированным сигналом. Такие способы очень дороги. Другая аппаратура соответствующей техники использует инфраструктуру неэкранированной витой пары, но требует от телекоммуникационных компаний установки различного оборудования на центральной станции и территории клиента, которое является дорогим.

Настоящее изобретение обеспечивает расширение диапазона услуг цифровых абонентских линий через посредство существующих линий неэкранированной витой пары без изменения оборудования или программных средств на центральной станции или на территории клиента, часто с более высокой скоростью передачи данных, чем доступно в настоящее время. Задачей настоящего изобретения является обеспечить провайдеров услуг цифровых абонентских линий рентабельным расширением их охвата рынка, конкурентных с провайдерами широкополосных кабелей в отношении скорости передачи данных, и дать им более быструю возможность развертывания охвата и улучшения связи, чем поставщики широкополосного кабеля, вследствие более низких капитальных затрат для расширения инфраструктуры.

Технология цифровых абонентских линий основана на двунаправленном соединении между коммутатором мультиплексора доступа цифровой абонентской линии (DSLAM) на центральной станции и модемом цифровой абонентской линии в помещении потребителя. По одному на связь. То есть один специальный набор проводов витой пары проходит от одного порта на модеме доступа цифровой абонентской линии к потребительскому модему цифровой абонентской линии. Другой абонент не обслуживается этим подобным набором проводов. Делитель в точке входа или вблизи точки входа помещения делит частотный спектр, выделенный для аналогового речевого сигнала (если он есть) из спектра, выделенного для использования цифровой абонентской линией. Для речевых сигналов резервируется частота ниже 30 кГц. Сигналам цифровых абонентских линий назначают одну или более отдельных неперекрывающихся полос частот для направления "восходящей линии связи" (к центральной станции) и одну или более неперекрывающихся полос частот для направления "нисходящей линии связи" (к аппаратуре, устанавливаемой в помещении пользователя). Данные, проходящие в этих двух направлениях, являются независимыми друг от друга и проходят одновременно, только в разных направлениях через одни носители в одно время (одновременно), разделенными по частоте, но не по времени. Таким образом, любое устройство, которое установлено между разделителем помещения потребителя и модемом доступа цифровой абонентской линии центральной станции, должно согласовывать сигналы в диапазоне от почти постоянного тока до частоты 1100 кГц или более безотносительно к направлению, где "направление" служит отличительным признаком, на каком конце связи находится передатчик (в аппаратуре, устанавливаемой в помещении пользователя для восходящей линии связи, на центральной станции для нисходящей линии связи) и на каком конце находится приемник (в аппаратуре, устанавливаемой в помещении пользователя, для нисходящей линии связи, на центральной станции для восходящей линии связи).

Асимметричная цифровая абонентская линия ("ADSL") означает, что скорость передачи данных нисходящей линии связи не одинакова со скоростью передачи данных восходящей линии связи, а симметричная цифровая абонентская линия ("SDSL") означает одновременную передачу по неэкранированной витой паре данных для речи по восходящей линии связи и нисходящей линии связи. То есть в противоположность высокоскоростной цифровой абонентской линии связи ("HDSL"), в которой данные нисходящей линии связи подаются к одному набору неэкранированной витой пары, восходящей линии связи - к другому набору неэкранированной витой пары, а речевые данные вообще не передаются с помощью этой системы. Промышленный стандарт (описанный в разделе Т1.417 ANSI (Национального Института Стандартизации США) и других разделах) выделяет различные категории данных по частотному диапазону.

В ширине полосе пропускания 1100 кГц стандарта G.992.1 (ADSL) имеется 256 сегментов 4.3125 кГц. Сигнал, представленный в физической проводной асимметричной цифровой абонентской линии связи, называют цифровым мультитональным (DMT), поскольку он содержит энергию тонов разной частоты. Более высокочастотные сегменты цифрового мультитонального сигнала испытывают большее ослабление по мере увеличения длины проводной линии неэкранированной витой пары. Следовательно, более высокочастотные сегменты испытывают большие затруднения в эффективном переносе данных по сравнению с сегментами более низкой частоты.

Для асимметричной цифровой абонентской линии связи часть полосы пропускания от частоты приблизительно 0 Гц (сегмент 0) до частоты 30 кГц (сегмент 7) резервируют для речевого канала и других сигналов. Часть полосы пропускания от частоты приблизительно 34 кГц (сегмент 8) до частоты 125 кГц (сегмент 29) выделяется для канала передачи данных от абонента к центральному узлу асимметричной цифровой абонентской линии связи, таким образом, содержащего следующие 22 сегмента. Когда проводная линия неэкранированной витой пары увеличивается в длине, меньше сегментов потока данных от абонента к центральному узлу способно переносить данные, приводя в результате к уменьшению скорости передачи данных от абонента к центральному узлу.

Часть полосы пропускания от частоты приблизительно 164 кГц (сегмент 38) до частоты 1100 кГц (сегмент 255) выделяют для канала передачи данных от центрального узла к абоненту, таким образом, содержащего верхние 218 сегментов. Когда проводная линия неэкранированной витой пары увеличивается в длине, меньше сегментов потока данных от центрального узла к абоненту способно переносить данные, приводя в результате к уменьшению скорости передачи данных от центрального узла к абоненту. Скорость передачи данных устанавливается между центральной станцией аппаратуре, установленной в помещении абонента.

За приблизительно 18000 футов (5400 м) обычно используемого телефонного провода неэкранированной витой пары большая часть соответствующей полосы пропускания настолько ослабляется, что большинство сегментов потока данных от центрального узла к абоненту становится бесполезными и связь по асимметричной цифровой абонентской линии связи прекращается.

В общем случае любое число неперекрывающихся полос частот может быть выделено для передачи данных по восходящей линии связи и нисходящей линии связи, вероятно, чередующимися потоками. Например, на фиг.1 иллюстрируется обобщенная схема выделения для чередующейся цифровой абонентской лини связи. На фиг.2 иллюстрируется стандарт выделения полосы пропускаемых частот для асимметричной цифровой абонентской линии связи, в которой только одна полоса (частотой от 34 до 125 кГц) выделена для данных восходящей линии связи и только одна полоса (частотой от 164 до 1100 кГц) выделена для данных нисходящей линии связи. Частотный спектр выше 1100 кГц не используется.

В соответствии с другими стандартами могут выделяться отчасти другие блоки частот и/или использоваться более высокая максимальная частота. Квалифицированному в этой области техники специалисту будет очевидно, что настоящее изобретение применимо к таким разным выделениям частот путем выбора разных значений компонентов для различных схемных блоков, описанных в этой заявке, так, чтобы настраивались для отфильтровывания, или пропускания, или усиления в соответствующих диапазонах частот.

Устройство, соответствующее настоящему изобретению, работает на модели Layer 1 эталонной модели OSI Международной организации по стандартизации. То есть оно является исключительно аналоговым устройством без программных средств или компенсации протоколов или блоков данных. Оно берет слабый сигнал с шумами, очищает его и усиливает его. Таким образом, оно полезно независимо от того, какой протокол сигналов может быть представлен. Квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидна его применимость для улучшения качества сигнала в любой системе передачи данных с помощью неэкранированной витой пары.

СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электронная схема установлена между центральной станцией связи и аппаратурой помещения абонента цифровой абонентской линии связи с помощью неэкранированной витой пары. Сигналы, будучи разделенными в отношении нисходящей линии связи и восходящей линии связи посредством выделенных полос пропускаемых частот, разделены для раздельного преобразования сигнала. Сигналы нисходящей линии связи, как правило, более высокой частоты, чем сигналы восходящей линии связи, разделяются, усиливаются, фильтруются, выравниваются, усиливаются и возбуждаются на соединении неэкранированной витой пары с СРЕ. Сигналы восходящей линии связи разделяются, усиливаются, фильтруются, усиливаются и возбуждаются на соединении неэкранированной витой пары с СО. В другом варианте осуществления сигналы восходящей линии связи разделяются, усиливаются, фильтруются, выравниваются, усиливаются и возбуждаются на соединении неэкранированной витой пары с СО. Любые речевые сигналы пропускаются двунаправленно немодифицированными вокруг активной схемотехники благодаря фильтру нижних частот для соединения с сигналами восходящей линии связи и нисходящей линии связи на неэкранированной витой паре. В другом варианте осуществления сигналы восходящей линии связи и нисходящей линии связи совместно не используют общего набора проводов неэкранированной витой пары и усиливаются без смешивания или фильтрации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - выделения полосы пропускаемых частот для чередующейся системы.

Фиг.2 - выделения полосы пропускаемых частот для системы асимметричной цифровой абонентской линии связи.

Фиг.3 - блок-схема устройства, соответствующего настоящему изобретению, в обобщенном виде.

Фиг.4 - блок-схема устройства, соответствующего настоящему изобретению, показывающая его основные функциональные блоки и направление прохождения сигнала для реализации асимметричной цифровой абонентской линии связи.

Фиг.5 - схематическое изображение смесителя MIXER1.

Фиг.6 - схематическое изображение предусилителя.

Фиг.7 - схематическое изображение фильтра FILTER1 верхних частот.

Фиг.8 - схематическое изображение выравнивающего усилителя АМР1.

Фиг.9 - схематическое изображение фильтра FILTER2 нижних частот.

Фиг.10 - схематическое изображение фильтра FILTER3 нижних частот.

Фиг.11 - схематическое изображение множества усилителей с высокочастотной коррекцией и драйвера.

Фиг.12 - схематическое изображение усилителя АМР2.

Фиг.13 - набор имитаций программы моделирования с ориентацией на интегральные схемы (программы SPICE) для усилителя АМР1.

Фиг.14 - таблица значений для некоторых компонентов как функции расстояния от центральной станции (СО) и помещения, в котором установлена аппаратура абонента (СРЕ).

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте осуществления настоящего изобретения аналоговая схема введена в линию неэкранированной витой пары на соответствующем расстоянии между центральной станцией (СО) и помещением, в котором установлена аппаратура абонента (СРЕ). Это устройство, которое разделяет три или более полос пропускаемых частот (выделенных для речевых сигналов, если они есть, восходящей линии связи (восходящих линий связи) и нисходящей линии связи (нисходящих линий связи)). Устройство, соответствующее настоящему изобретению, пропускает любые речевые сигналы совершенно не модифицированными, фильтрует и усиливает сигналы восходящей линии связи и нисходящей линии связи, затем адекватно рекомбинирует любой речевой сигнал с сигналами данных восходящей линии связи и нисходящей линии связи. Таким образом, телефон в помещении абонента будет непрерывно работать неизменным, если введенное устройство откажет при нарушении электроэнергоснабжения или подобном нарушении. Это удовлетворяет требованию промышленности, что не нарушается возможность связи для экстренного вызова по номеру девять-один-один ((прим. пер.) телефонному номеру для вызова полиции, скорой помощи или пожарной бригады).

На фиг.3 иллюстрируется один вариант осуществления настоящего изобретения, пригодный для схемы выделения частот, в котором точно определяются полосы пропускаемых частот множества "m" нисходящих линий связи и множества "n" восходящих линий связи, один пример которого иллюстрируется на фиг.1. Линии неэкранированной витой пары от центральной станции соединены со смесителем/делителем MIXER1.1 316. Предусилитель PREAMP1.1 300 и один или более полосовых фильтров (FILTER1.1-1 304 - FILTER1.1-m 306) предусмотрены для каждой из полос пропускаемых частот m нисходящих линий связи, причем каждый фильтр адекватно настроен для определенной полосы пропускаемых частот. Выход фильтра (фильтров) соединен с согласующимся числом усилителей, АМР1.1-1 308 - AMP1.1-m 310. Выходы усилителей подаются к драйверу DRIVER1.1 324, который возбуждает сигналы через MIXER2.1 на линиях неэкранированной витой пары, которые проходят к делителю СРЕ. Сигналы восходящей линии связи из СРЕ обрабатываются подобным образом. Сигналам восходящей линии связи, как показано на фиг.1, выделяется n полос. Имеющиеся налицо речевые сигналы не обрабатываются, но вместо этого проходят через активную схемотехнику через посредство фильтра FILTER3.1 300 нижних частот.

На фиг.4 иллюстрируется вариант осуществления системы асимметричной цифровой абонентской линии связи. На фиг.7 иллюстрируется пример выделений полосы пропускаемых частот для сигнала асимметричной цифровой абонентской линии связи. Предусилитель и фильтр необходимы для полос пропускаемых частот восходящей линии связи и нисходящей линии связи плюс фильтр нижних частот для речевой полосы. Введенное устройство, названное двунаправленным дифференциальным широкополосным выравнивающим усилителем 100 ("BDBEA"), соединено с СО на одном конце через посредство дифференциальных сигналов на линиях 420 и 422, и с СРЕ на другом конце через посредство дифференциальных сигналов на линиях 452 и 454 неэкранированной витой пары. Взглянем сначала на конец, соединенный с СО, первым элементом является смеситель MIXER1 400, который имеет три задачи: 1) блокировать речевые сигналы на линиях 420 и 422 от поступления в предусилитель PREAMP1 402, 2) отделить сигналы восходящей линии связи на линиях 456 и 458 от сигналов нисходящей линии связи на линиях 420 и 422, 3) смешать в сигналах восходящей линии связи из АМР2 416 на линиях 456 и 458 с речевыми сигналами на линиях 464 и 466. Таким образом, смеситель MIXER1 400 является блокировочным устройством, делителем или смесителем в зависимости от полосы пропускаемых частот и от того, к которому порту подается каждый сигнал смесителя MIXER1 400.

Для направления нисходящей линии связи следующим этапом является предусилитель PREAMP1 402, соединенный со смесителем MIXER1 400 линиями 424 и 426. Предусилитель PREAMP1 402 обеспечивает усиления приблизительно 12 дБ сигналу нисходящей линии связи и остаточному усиленному (усилителем АМР2 416) сигналу восходящей линии связи, поскольку весь сигнал восходящей линии связи не аннулирован смесителем MIXER1. На выходе предусилителя PREAMP1 402 уровень напряжения нежелательного сигнала восходящей линии связи значительно выше уровня сигнала нисходящей линии связи. Сигнал нисходящей линии связи будет выглядеть как колебания при верховой езде на сигнале восходящей линии связи. Таким образом, фильтр FILTER1 404 необходим для отфильтровывания сигнала восходящей линии связи, оставляя требуемый сигнал нисходящей линии связи.

Вход фильтра FILTER1 404 соединен с выходом предусилителя PREAMP1 402 линиями 428 и 430. Сигналы выделенной полосы пропускаемых частот ниже полосы нисходящей линии связи являются полосой восходящей линии связи, и нет сигналов выделенной полосы пропускаемых частот, чем полоса нисходящей линии связи. Таким образом, фильтр FILTER1 404 является фильтром верхних частот, частота отсечки которого является частотой ниже 165 кГц. На выходе фильтра FILTER1 404 единственным оставшимся сигналом является сигнал нисходящей линии связи, причем сигнал восходящей линии связи теперь приблизительно на 70 дБ ниже сигнала восходящей линии связи. Выход фильтра FILTER1 404 соединен с входом к усилителю АМР1 406 линиями 432 и 434. Через фильтр FILTER1 404 теряется приблизительно 6 дБ сигнала нисходящей линии связи.

Оставшийся сигнал нисходящей линии связи сильно усиливается усилителем АМР1 406 выравнивания пиков, обеспечивающим усиление от 28 до 46 дБ в зависимости от частоты. Выравнивание является увеличением или уменьшением уровня сигнала при определенной "установленной частоте" с меньшим влиянием на другие частоты. Выравниватель пиков усиливает при расчетной установленной частоте и диапазоне частот, близком к установленной частоте.

Q модели устанавливают ширину полосы пропускаемых частот, которая будет усилена; это оказывает влияние на диапазон частот вокруг установленной частоты, которые будут иметь приблизительно подобную величину усиления. Выравнивание влияет на способность передачи данных сегмента, поскольку оно изменяет уровень соотношения основных и гармонических частот.

Поскольку двунаправленный дифференциальный широкополосный выравнивающий усилитель 100 ("BDBEA") расположен между СО и СРЕ, установленная частота выравнивателя пиков и Q для сигналов нисходящей линии связи в одном варианте осуществления компенсирует ослабление сигнала, уже вызванное влияниями длины проводной линии от СО до двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100 и предварительно компенсирует ожидаемое ослабление сигнала от влияний длины проводной линии от двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100 до СРЕ. Это побуждает сигналы данных нисходящей линии связи достигать модем СРЕ предварительно выровненными.

Выход усилителя АМР1 406 на линии 407 является несимметричным и не достаточно сильным, чтобы адекватно возбуждать линии 452 и 454 неэкранированной витой пары. Таким образом, линия 407 соединена с драйвером DRIVER1 408, который увеличивает уровень сигнала и обеспечивает дифференциальный сигнал к смесителю MIXER2 420 на линиях 436 и 438.

В одном варианте осуществления для системы асимметричной цифровой абонентской линии связи, в которой сигналы нисходящей линии связи выделены намного более высокого частотного диапазона, чем сигналы восходящей линии связи, выравнивание и предварительную компенсацию используют только на сигналах, проходящих вниз по технологической цепочке. В другом варианте осуществления выравнивание и предварительную компенсацию используют на большинстве или всех полосах частот восходящей линии связи и нисходящей линии связи.

Смеситель MIXER2 410 соединяется с делителем СРЕ и, следовательно, с модемом СРЕ DSL на линиях 452 и 454 неэкранированной витой пары. Таким образом, поступающий сигнал нисходящей линии связи приведен в порядок, усилен и ретранслирован через посредство неэкранированной витой пары вместе с речевыми сигналами из линий 460 и 462.

В одном варианте осуществления для применения асимметричной цифровой абонентской линии путь восходящей линии связи через двунаправленный дифференциальный широкополосный выравнивающий усилитель 100 почти идентичен двунаправленному дифференциальному широкополосному выравнивающему усилителю пути нисходящей линии связи. Различия заключаются в том, что усилитель АМР2 416 не является выравнивающим усилителем и между усилителем АМР2 416 и смесителем MIXER1 400 нет драйвера. Выравнивающий усилитель не обязателен в системе асимметричной цифровой абонентской линии для направления восходящей линии связи, поскольку выделение нижнего частотного спектра побуждает сигналы восходящей линии связи не испытывать такую большую потерю сигнала, как сигналы нисходящей линии связи. Фильтр FILTER2 414 также отличается от фильтра FILTER1 404 тем, что фильтр FILTER2 412 является фильтром нижних частот, отфильтровывающим любой сигнал нисходящей линии связи, который еще представлен на линиях 444 и 446. Конечным этапом в направлении восходящей линии связи является усилитель АМР2 416, обеспечивающий усиление приблизительно 6-26 дБ перед смешиванием смесителем MIXER1 400 и затем транслированием к СО по линиям 420 и 422 неэкранированной витой пары вместе с речевыми сигналами из линий 464 и 466.

Смесители MIXER1 400 и MIXER2 410 являются идентичными схемами. Смеситель MIXER1 400 описан детально, так что квалифицированному специалисту в этой области техники будут очевидны соответствующие детали смесителя MIXER2 410.

Как следует из фиг.5, положительные и отрицательные сигналы Сор и Соn на линиях 420 и 422 поступают из СО. Весь сигнал частотой 0-1100 кГц переносится этими линиями. Трансформатор 500 цифровой абонентской линии изолирует сигналы СО от двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100 и также эффективно блокирует речевые сигналы частотой 0-30 кГц. В то же самое время сигналы Асрер и Acpen представлены усилителем АМР2 416 на линиях 456 и 458 на очень высоком уровне, который намного выше сигналов нисходящей линии связи, поступающих из выхода трансформатора 500. Левая сторона трансформатора 50 (как следует из фиг.5) представляет вторичную сторону трансформатора, как следует из сигнала нисходящей линии связи. Но она также представляет первичную сторону трансформатора, как следует из (усиленных) сигналов Асрер и Acpen восходящей линии связи. Это является двойственной природой смесителей MIXER1 400 и MIXER2 410 для входа и выхода, истинное определение двунаправленности. Важно, чтобы импеданс трансформатора 500, представленный СО, близко согласовывался с импедансом СО, а именно 100 Ом, промышленный стандарт. Это реализуется с помощью резисторов Rtcon 502 и Rtcop 504 номиналом 50 Ом, соединенных последовательно со стороной, считающейся первичной, трансформатора 500. Конденсатор Ссоас 506 блокирует любую постоянную составляющую от прохождения через первичную сторону трансформатора 500.

Выходы 508 и 510 трансформатора 500 соединены с гибридным соединителем 512 R/2R, состоящим из резисторов R1cop 514, R1con 516, R2con 518 и R2cop 520. Гибридный соединитель 512 вызывает приблизительное уменьшение 6 дБ уровня сигнала нежелательного сигнала восходящей линии связи смешанного сигнала, представленного предусилителю PREAMP1 402 на линиях 424 и 426. Величины резисторов 514, 516, 518 и 520 не являются критическими, а только их отношение 2:1. Номинальные значения представлены на фиг.5.

На фиг.6 приведена подробная схема широкополосного предусилителя PREAMP1 402. Предусилители PREAMP1 402 и PREAMP2 412 являются архитектурно идентичными, но могут иметь разные усиления. Квалифицированному специалисту в этой области техники из этого описания станет очевидным использование предусилителя PREAMP2 412. Входом к предусилителю PREDAMP1 402 являются сигналы на линиях 424 и 426, выход смесителя MIXER1 400. В этой точке сигнал содержит сигнал нисходящей линии связи плюс некоторый оставшийся сигнал восходящей линии связи. Фильтр FILTER1 404 удалит оставшийся сигнал восходящей линии связи, но нуждается в хорошем уровне сигнала для работы с ним, таким образом, нуждается в усилении посредством предусилителя PREAMP1 402. Предусилитель PREDAMP1 402 является дифференциальным усилителем. Фазовое соотношение между сигналами на линиях 424 и 426 предохраняется соединением их с неинвертирующим входом усилителей 600 и 602 соответственно. Усиление усилителей регулируется резисторами Rcoip 604, Rcoin 606 и Rcog 608 цепи обратной связи. Необходим совет изготовителя операционных усилителей 600 и 602 в отношении рекомендуемых значений резисторов Rcoip 604 и Rcoin 606. Результирующее усиление предусилителем PREAMP1 402 составляет приблизительно 12 дБ. Необходимо быть внимательными с предусилителями PREDAMP1 402 и PREDAMP2 412, чтобы гарантировать отсутствие отсечения. Дифференциальные выходные линии 428 и 430 соединены с фильтром FILTER1 404 верхних частот.

На фиг.7 подробно иллюстрируется фильтр FILTER1 404. В одном варианте осуществления фильтр FILTER1 404 является эллиптическим фильтром девятого порядка. Квалифицированным специалистам в этой области техники известны другие пригодные фильтры верхних частот. Реализация фильтра FILTER1 404 не является критической, только чтобы одно использование фильтра верхних частот обеспечивало строгое ослабление сигналов ниже 164 кГц с небольшим или нулевым ослаблением выше 164 кГц. Резисторы Rbpp 700, Rbpn 702, Pbsp 704 и Pbpsn 706 предназначены для согласования импеданса. Фильтр FILTER1 404 соединен с предусилителем PREAMP1 402 через посредство линий 428 и 434. Выход фильтра FILTER1 404 находится на линиях 432 и 434, соединяющихся с усилителем АМР1 406.

Усилитель АМР1 406 является выравнивающим пики усилителем. Как следует из фиг.8, входные сигналы из фильтра FILTER1 404 через посредство линий 432 и 434 соединены с видеодифференциальным усилителем 800. Усиление видеодифференциального усилителя 800 регулируется напряжением на линии 804. Линия 802 соединена с землей. Усиление определяется соотношением

Частота пикового усиления видеодифференциального усилителя 800 строго регулируется конденсатором Cdbb 808. Частота пикового усиления уменьшается при увеличении значения конденсатора Cdbb 808. Мультиплексоры доступа цифровой абонентской линии в СО и СРЕ согласовывают скорость передачи данных между ними. Они скомпонуют большинство данных в нижних сегментах, где обеспечивается меньше потерь, чем в верхних сегментах, которым выделены более высокие частоты. В соответствии с этим частота пикового усиления в одном варианте осуществления устанавливается отчасти ниже самой высокой частоты полосы нисходящей линии связи.

На фиг.13 приведены имитации SPICE для различных значений компонентов. Все имитации были сделаны при величине резистора Rdfc, равной 1 КОм. На фиг.13А Cdbb=33 нФ, a Rdbb=10 Ом. Пиковое усиление составляет 805 кГц, а максимальное усиление составляет 43 дБ. При изменении Cdbb до 47 нФ мы на фиг.13 В видим, что частота пикового усиления понижается до 671 кГц с небольшим изменением в максимальном усилении. И наоборот, при изменении Rdbb 810 до 5 Ом (с Cdbb=33 нФ), мы видим на фиг.13С, частота остается на уровне 805 кГц, а усиление увеличивается до 48 дБ. Спад усиления при пике острее для Rdbb=5 Ом, чем для Rdbb=10 Ом.

Выход усилителя АМР1 406 является несимметричным сигналом на линии 407. Этот сигнал подается к тороидальной катушке 807 драйвера DRIVER1 408 через ограничивающий ток резистор Rdse 809. Тороидальная катушка 807 предназначена для получения еще раз дифференциальных сигналов. Вторичная тороидальная катушка 807 подает дифференциальные сигналы к усилителям 816 и 818 на линиях 815 и 817.

Усилители 816 и 818 являются драйверами для линий 452 и 454 неэкранированной витой пары, причем связь обеспечивается смесителем MIXER2 410.

Оптимальное значение общего усиления усилителя АМР1 406 и драйвера DRIVER1 408 зависит от расстояния от СО и расстояния от СРЕ. Кроме того, имеется взаимодействие между усилением усилителя АМР1 406, драйвера DRIVER1 408, максимальной мощностью, которые промышленные стандарты разрешат на линиях 452 и 454 неэкранированной витой пары, и то, как эффективно гибридный соединитель R2/R в смесителе MIXER2 410 может уменьшить нежелательные сигналы нисходящей линии связи так, чтобы фильтр FILTER2 414 мог обеспечить усилитель АМР2 416 сигналами, в которых сигналы нисходящей линии связи были адекватно ослаблены. В одном варианте осуществления усилитель АМР1 406 и драйвер DRIVER1 408 конфигурированы со значениями для резисторов Rdfc 812 и Rdgg 814 на таблицу, которая может быть использована для конфигурирования двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100 для специальных расстояний от СО и СРЕ. Пример иллюстрируется на фиг.14. Таблица, приведенная на фиг.14, предназначена для установки на расстоянии 13500 футов от СО до двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100. В столбце А приведены различные расстояния от двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100 до СРЕ, от 3000 до 13000 футов. Для каждого расстояния можно найти соответствующее значение резистора Rdfc в столбце В и значение резистора Rddg в столбце С. Эти значения были определены эмпирически, принимая во внимание только что описанные соотношения.

Смеситель MIXER2 410 соединен с драйвером DRIVER1 408 через посредство линий 436 и 438. Смеситель MIXER2 410 пропускает сигналы нисходящей линии связи к проводам 452 неэкранированной витой пары, которые проходят к делителю помещения СРЕ абонента. Помимо всего прочего, речевые сигналы на линиях 460 и 462 физически соединены с линиями 452 и 454 неэкранированной витой пары в этой точке (вне смесителя MIXER2 410), сохраняя двунаправленное соединение речевых сигналов между СО и СРЕ. Конструкция и функции смесителя MIXER2 410 аналогичны конструкции и функциям смесителю MIXER1 2, хотя очевидно, что сигнал нисходящей линии связи является теперь нежелательным сигналом и сигнал восходящей линии связи является желательным сигналом для подачи к предусилителю PREAMP2 412. Смеситель MIXER2 410 соединен с предусилителем PREAMP2 412 через посредство линий 440 и 442.

Как указано, предусилитель PREAMP2 412 архитектурно идентичен предусилителю PREAMP1 402. Усиление двух предусилителей может быть разным, причем каждое устанавливают для обеспечения как можно более высокого усиления без отсечения. Предусилитель PREAMP2 412 соединен с фильтром FILTER2 414 через посредство линий 444 и 446.

Фильтр FILTER2 414 не подобен фильтру FILTER1 404. Фильтр FILTER2 414 является фильтром нижних частот, частота отсечки которого выше 125 кГц. Результатом является прохождение сигналов восходящей линии связи при ослаблении сигналов нисходящей линии связи. Схема, показанная на фиг.9, является эллиптическим фильтром девятого порядка, хотя так же, как в случае с фильтром FILTER1 404, имеется много альтернативных схем фильтра нижних частот, которые может выбрать квалифицированный специалист в этой области техники. Приведены предлагаемые значения компонентов этой схемы. Для обеспечения согласования импеданса выбраны резисторы 900, 902, 904 и 906. Фильтр FILTER2 414 соединен с усилителем АМР2 416 через посредство сигналов на линиях 448 и 450. На выходе фильтра FILTER2 414 нежелательный сигнал нисходящей линии связи приблизительно на 70 дБ ниже сигнала восходящей линии связи.

Усилитель АМР2 416, как показано на фиг.12, не является выравнивающим усилителем по причинам, указанным ранее. Он обеспечивает усиление в диапазоне 6-26 дБ между входными сигналами на линиях 448 и 450 и выходными сигналами на линиях 456 и 458, которые соединены со смесителем MIXER1 400. Усилитель АМР2 416 имеет достаточное усиление, так что отпадает необходимость в драйвере. По подобным причинам, подробно описанным при установке общего усиления усилителя АМР1 404 и драйвера DRIVER1 406, усиление усилителя АМР2 416 определено эмпирически. И в этом случае, как следует из фиг.14, для каждого расстояния для СРЕ, указанного в столбце А, имеется рекомендуемое значение резистора Rudg 950 (фиг.12).

В одном варианте осуществления для систем, например, ADLS2 и VDSL, в которых имеется множество полос восходящей линии связи и/или нисходящей линии связи, фильтр и усилитель предусмотрены для каждой полосы. Как следует из фиг.3, для системы с двумя полосами (m=2) нисходящей линии связи один вариант осуществления включает в себя FILTER1.1-1 и фильтр FILTER1.1-2, причем каждый полосовой фильтр для выделенной полосы. Выход каждого фильтра соединен с усилителем, частота усиления и пикового усиления которого настроена на полосу частот, представляющую практический интерес. На фиг.11 иллюстрируется то, как конфигурирован каждый усилитель. Операционный усилитель 1110 принимает сигналы на линиях 1100 и 1102 из фильтра FILTER1.1-1 304. Как описано для варианта осуществления усилителя АМР1 406 асимметричной цифровой абонентской линии, резистор Rdbb.1 1120 и конденсатор Cdbb.1 1122 определены для оптимальной частоты и усиления для выделенной полосы. Операционный усилитель 1112 принимает сигналы на линиях 1104 и 1106 из фильтра FILTER1.2. Поскольку операционный усилитель 1112 представлен с сигналами полосы разных частот, чем сигналы операционного усилителя 1110, оптимальные значения для резистора Rdbb.2.1106 и конденсатора Cdbb.2 1108 являются другими, чем для соответствующих компонентов для операционного усилителя 1110. Результирующие выходы (после токоограничивающих резисторов) этих двух усилителей соединены с линией 407, которая дополнительно соединена с тороидальной катушкой 807 в драйвере DRIVER1 408.

Квалифицированному в этой области техники специалисту будет очевидно, что это устройство может быть расширено до произвольного числа полос пропускаемых частот восходящей линии связи и/или нисходящей линии связи. В одном варианте осуществления сигналы восходящей линии связи выделены для полосы пропускаемых частот для сигналов, которые достаточно высоки, чтобы вызывать ощутимую потерю сигнала, таким образом, используют выравнивающие пики усилители. В другом варианте осуществления эти сигналы даются другой стадией усиления (DRIVER2 328, фиг.3) для компенсации высокочастотной потери и/или расстояния до СО.

В одном варианте осуществления речевые сигналы представлены на линиях неэкранированной витой пары между СО и СРЕ. В этом случае фильтр FILTER3 418 нижних частот пропускает сигналы вокруг активной схемотехники двунаправленного дифференциального широкополосного выравнивающего усилителя 100. Пример фильтра FILTER3 418 иллюстрируется на фиг.10, хотя квалифицированному специалисту в этой области техники будет известно несколько альтернативных конструкций фильтра нижних частот.

В некоторых системах цифровых абонентских линий один набор проводов неэкранированной витой пары предназначен для сигналов нисходящей линии связи, а другой набор проводов неэкранированной витой пары предназначен для сигналов восходящей линии связи. Для речевых сигналов обеспечения не предусматривается. Поскольку сигналы восходящей линии связи и нисходящей линии связи разделены, то усилитель нет нужды обеспечивать смесителем или фильтрами, а просто выравнивающим усилителем в каждом наборе неэкранированной витой пары, а при желании с трансформаторами цифровой абонентской линии для обеспечения связи.

Изобретение относится к усилителям для использования с неэкранированной витой парой. Технический результат заключается в расширении диапазона услуг цифровых абонентских линий. Аналоговая электронная схема размещена между центральной станцией и оборудованием помещения абонента и провайдера связи системы цифровой абонентской линии, которая использует неэкранированные провода витой пары ("UTP"),

Электронная схема отделяет сигналы нисходящей линии связи от сигналов восходящей линии связи первым смесителем. Речевые сигналы, если они представлены, маршрутизируются вблизи электронной схемы немодифицированными. Сигналы нисходящей линии связи усиливаются, фильтруются, снова усиливаются с помощью одного или более выравнивающих пики усилителей, затем усиливаются драйверами, которые обеспечивают энергию для возбуждения сигнала нисходящей линии связи через второй смеситель на линиях неэкранированной витой пары к аппаратуре помещения абонента. Электронная схема отделяет сигналы восходящей линии связи от сигналов нисходящей линии связи с помощью второго смесителя. Сигналы восходящей линии связи усиливаются, фильтруются и снова усиливаются, затем возбуждаются на неэкранированной витой паре, соединенной с центральной станцией через первый смеситель. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Электронная схема для усиления сигналов двунаправленной телефонной линии с витой парой, содержащая
первые двунаправленные терминалы и вторые двунаправленные терминалы для сигналов первого и второго разных частотных спектров соответственно;
первый смеситель, соединенный с первыми двунаправленными терминалами для смешивания сигналов в указанных первом и втором частотных спектрах;
первый усилитель, соединенный с первым смесителем;
один или более первых фильтров, соединенных с первым усилителем для пропускания сигналов в указанном первом частотном спектре и для блокирования сигналов в указанном втором частотном спектре;
один или более вторых усилителей, соединенных с одним или более первыми фильтрами для усиления сигналов в указанном первом частотном спектре;
второй смеситель для смешивания усиленных сигналов в указанном первом частотном спектре и сигналов в указанном втором частотном спектре;
третий усилитель, соединенный со вторым смесителем;
один или более вторых фильтров, соединенных с третьим усилителем, для пропускания сигналов в указанном втором частотном спектре и для блокирования сигналов в указанном первом частотном спектре; и
один или более четвертых усилителей, соединенных с указанными одним или более вторыми фильтрами и с первым смесителем для усиления сигналов в указанном втором частотном спектре из указанного одного или более вторых фильтров и для обеспечения указанных усиленных сигналов к указанному первому смесителю.

2. Электронная схема по п.1, дополнительно содержащая драйвер, который усиливает сигналы от одного или более четвертых фильтров к первому смесителю.

3. Электронная схема по п.1, в которой первый смеситель дополнительно содержит
первый трансформатор, содержащий терминалы первичной и вторичной обмотки, причем указанные терминалы первичной обмотки соединены с первыми двунаправленными терминалами, а указанные терминалы вторичной обмотки соединены с гибридным соединителем R2/R, состоящим из резисторов с отношением 2:1, и с одним или более четвертыми усилителями.

4. Электронная схема по п.1, в которой второй смеситель содержит трансформатор, содержащий терминалы первичной и вторичной обмотки, причем указанные терминалы первичной обмотки соединены со вторыми двунаправленными терминалами, а указанные терминалы вторичной обмотки соединены с гибридным соединителем R2/R.

5. Электронная схема по п.1, в которой первый усилитель является дифференциальным усилителем.

6. Электронная схема по п.5, в которой дифференциальный усилитель дополнительно содержит первый операционный усилитель, причем его неинвертирующий вход соединен с первым дифференциальным входом, и второй дифференциальный усилитель, причем его неинвертирующий вход соединен со вторым дифференциальным входом, при этом инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с первым терминалом резистора цепи обратной связи, а инвертирующий вход второго операционного усилителя соединен со вторым терминалом резистора цепи обратной связи.

7. Электронная схема по п.1, в которой один или более первых фильтров содержат полосовой фильтр, имеющий полосу пропускания в указанном первом частотном спектре.

8. Электронная схема по п.1, в которой один или более вторых фильтров содержат полосовой фильтр, имеющий полосу пропускания в указанном втором частотном спектре.

9. Электронная схема по п.1, в которой один или более вторых усилителей дополнительно содержит
видеодифференциальный усилитель, соединенный с одним или более первых фильтров;
цепь обратной связи установки усиления для видеодифференциального усилителя, содержащую первый резистор, соединенный между выходом видеодифференциального усилителя и его входом установки усиления, причем указанный вход установки усиления дополнительно соединен параллельно с указанным первым резистором для виртуального заземления, состоящего из второго резистора и первого конденсатора последовательно земле;
ограничивающий ток резистор с первым терминалом, соединенным с выходом видеодифференциального усилителя, и вторым терминалом, соединенным с первым терминалом первичной обмотки тороидальной катушки; и
в котором тороидальная катушка, дополнительно содержит второй терминал первичной обмотки, первый терминал вторичной обмотки и второй терминал вторичной обмотки, причем указанный второй терминал первичной обмотки соединен с землей, указанный первый терминал вторичной обмотки соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а указанный второй терминал вторичной обмотки соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя;
указанные первый и второй операционные усилители, соединены как дифференциальный усилитель, причем между инвертирующим входом первого операционного усилителя и инвертирующим входом второго операционного усилителя соединен резистор.

10. Электронная схема по п.1, дополнительно содержащая фильтр нижних частот с частотой отсечки не более 34 кГц, соединенный с первыми двунаправленными терминалами и вторыми двунаправленными терминалами параллельно первому смесителю и второму смесителю.

11. Электронная схема по п.7 или 8, в которой указанный полосовой фильтр является эллиптическим фильтром девятого порядка.

12. Электронная схема по п.11, в которой указанный фильтр является дифференциальным фильтром.

13. Электронная схема по п.1, в которой первый и второй частотные спектры каждый содержит множество неперекрывающихся полос пропускаемых частот, и в которой множество полос пропускаемых частот первого частотного спектра чередуется с множеством полос пропускаемых частот второго частотного спектра.

14. Электронная схема по п.13, в которой указанные один или более вторые усилители содержат выравнивающие пики усилители, соединенные с соответствующими усилителями указанных одного или более фильтров, в которой каждый из указанных выравнивающих пики усилителей имеет пиковое усиление при заданной частоте в соответствующей полосе пропускаемых частот первого частотного спектра.

15. Электронная схема по п.14, в которой пиковое усиление каждого выравнивающего пики усилителя определяется для каждой полосы пропускаемых частот на основе импеданса линии, соединенной с первыми двунаправленными терминалами и импеданса другой линии, соединенной со вторыми двунаправленными терминалами.

16. Электронная схема по п.1, в которой первые двунаправленные терминалы и вторые двунаправленные терминалы каждый соединены с линией витой пары, и в которой сигналы первого частотного спектра содержат сигналы данных нисходящей линии связи, а сигналы второго частотного спектра содержат сигналы данных восходящей линии связи.

17. Электронная схема по п.1, в которой первый смеситель содержит трансформатор, имеющий терминалы первичной и вторичной обмоток, причем указанные терминалы первичной обмотки соединены с первыми двунаправленными терминалами, а указанные терминалы вторичной обмотки соединены с гибридным соединителем R/2R.

18. Электронная схема для независимого формирования первого и второго параллельных трактов сигналов в двунаправленной телефонной линии витой пары,
первый тракт сигнала для первых сигналов в первом частотном спектре и второй тракт сигнала для вторых сигналов во втором неперекрывающемся частотном спектре, содержащая
в первом тракте сигнала: первый смеситель, соединенный с указанной линией и со вторым трактом сигнала для смешивания первых сигналов из линии и указанных вторых сигналов из указанного второго тракта сигнала;
первый усилитель, соединенный с выходом первого смесителя;
первый фильтр, соединенный с первым усилителем для пропускания первых сигналов и для блокирования вторых сигналов;
второй усилитель, соединенный с фильтром для усиления первых сигналов;
и во втором тракте сигнала: второй смеситель, соединенный с указанной линией для смешивания усиленных первых сигналов из первого тракта сигнала и вторых сигналов из линии;
третий усилитель, соединенный с выходом указанного второго смесителя;
второй фильтр, соединенный с третьим усилителем для пропускания вторых сигналов и для блокирования первых сигналов;
четвертый усилитель, соединенный со вторым фильтром и с первым смесителем для подачи указанных усиленных сигналов к первому смесителю; и
третий фильтр нижних частот, соединенный параллельно с первым и вторым трактами сигналов, для третьих сигналов в речевом частотном спектре, причем указанные первый и второй смесители блокируют указанные третьи сигналы из указанных первого и второго трактов сигналов.

19. Электронная схема по п.18, в которой указанный второй частотный спектр содержит частоты выше указанного речевого частотного спектра и ниже указанного первого частотного спектра.

20. Электронная схема по п.18, в которой указанный второй усилитель содержит выравнивающий пики усилитель, имеющий частотно-независимое усиление с пиковым усилением при заданной частоте в указанном первом частотном спектре,

21. Электронная схема по п.18, в которой указанные первые и вторые сигналы соответственно содержат сигналы цифровой абонентской линии нисходящей линии связи и восходящей линии связи.

22. Электронная схема по п.21, в которой указанные сигналы цифровой абонентской линии содержат сигналы асимметричной цифровой абонентской линии.

23. Электронная схема по п.18, в которой указанные первый и второй тракты сигналов содержат тракты разностных сигналов.