用于耦合xDSL信道的低通滤波设备 【技术领域】
本发明一般地涉及称为xDSL技术的技术领域。在这些技术中，已经发现例如ADSL(非对称数字用户线)技术、VDSL(特高速率数字用户线)技术以及HDSL或SDSL技术。本发明将在ADSL框架下通过例子进行详尽的说明。但是，本发明也可结合其它xDSL技术应用。这些技术实际上可以应用于已有电话网络的本地回路中，该本地回路由中心电话和用户电话机之间网络的媒介构成。这些技术的一个实质目的就是在前面的电话网络的本地回路上实现不同类型信号的同时传输：一方面，这些信号涉及两个用户之间的通常会话，这些第一信号包括与语音相关的信号和信号通知信号，另一方面，信号涉及数据，这些数据典型地指用户和可以通过互联网络访问的网站之间交换的信息。
背景技术
对于根据这些技术的传输，使用铜线对连接到用户家里，该铜线对通常包括电话线或用户环路，不同电话机与它们连接以便用于称为POST(简易老式电话业务)的传统模拟网络或称为ISDN(或RNIS)的传统数字网络的用户。该铜线对通常被扭绞并包括聚乙烯护套。
经过该铜线对可以传输：
在基带中，对应POTS网络地未调制模拟信号或对应ISDN网络的数字信号。该基带模拟信号通常频率为0-4kHz，或者如果考虑到信号通知信号时为0-16kHz。该基带数字信号的频率范围为0-94kHz。实际上，基带用于电路模式传输；
在高频带中，对应例如与互联网交换的信息的其它数字和调制后信号。该高频带覆盖电话基带的顶部直到大约1MHz。实际上，如果在对应POTS模拟传输的基带中使用该铜线对，则该高频带从32kHz扩展到1.1MHz；如果该铜线对用于数字传输，则该高频带从138kHz扩展到1.1MHz。它通常用于永久传输，主要是分组模式，即在用户和电话交换机之间建立永久通信。这样人们可以避免在利用交换线路的连接期间发生的标准操作，这是一种用于临时连接到计算机网络的方法，它包括使用调制解调器、连接软件和开关电话网络作为实现自己计算机和其它网络计算机之间通信的装置。
特别是在最好为数字式的调制解调器利用基带传输数据时，且使用高频带来确保在称为互联网电话通信的通信框架下的语音通信时，人们在简化说明的前提下，可以以示意性的方式考虑使用基带来传输对应语音通信的第一种类型信号，即语音，使用高频带来传输涉及互联网站访问的第二种类型信号，即数据。
该基带仅能实现低流率(当前模拟调制解调器为56Kbits/s，数字调制解调器为64kbits/s)，而高频带可以实现高流率(可以达到10Mbits/s)。
图1示出在ADSL配置中频带的使用。Y轴100表示所发射信号的功率，x轴101给出频率范围。为了简便起见将所发射的功率表示为平坦图形。声音频谱102大约处于0到4kHz之间，频谱103用于ADSL技术的数据传输，后者从大约30kHz到1.1MHz。在频谱102和频谱103之间为未使用的能带107，该能带里具有可能例外的处于12kHz或16kHZ的测定(taxation)信号。频谱103分为两个主要部分：对应用于上行数据(从用户到交换机)的频谱的第一频带104和对应用于下行数据(从交换机到用户)的频谱的第二频带105。第二频带105大于第一频带104，这是因为上行数据经常对应于用户发出的请求，它们在数量上少于对应于例如较大文件、图像下载的下行数据。
调制解调器将频谱103分在4.3125kHz的256个子带106，这些子带对应可以根据所分配信道性能来最佳化传送速率的独立载波。为了在基带中可以实现电话模拟传输，没有使用劣等载波。在ADSL调制解调器的安装期间，根据线路的状态，可以激活任何载波。利用载波的DMT(离散多语音)调制或CAP(无载波幅度和相位)调制而编码的位的数目取决于在所涉及频带内线路的质量，从6Mbits/s到8Mbits/s，传送速率的间隔可以被确保为32kbits/s的增幅。
因此使用ADSL线路需要将低频基带与高频带分开。图2示意性示出在本地通信环路中的这些分离。在该图中，通常的电话线或用户环路200包括两条铜线，从而确保用户201和电话交换机202之间的连接。
电话交换机202确保连接到传统电话网络203和互联网类型网络204。为了将对应电话网络203和互联网络204的信号分开，使用了第一语音数据信号分离设备205，它也称为开关滤波器或分离器。通常分离器是与ADSL调制解调器联系的电子设备，它可以使语音信号与数据信号分离，并使这些信号在两个不同信道上传输。该分离器205下面被称为中央分离器。
该中央分离器205最通常的情况是集成在一分离卡中，该分离卡包括多达几十个中央分离器。它的功能是将数据信号与语音信号分离，所述数据信号被指向互联网络204，所述语音信号被指向传统电话网络203。该中央分离器205的其它功能是将由传统电话网络203发射的语音信号和由下面将要说明的访问多路复用器206发射的信号复用，以便利用相同的线圈对200发送这些信号。在理论上，低频滤波器和高频滤波器存在于中央分离器205中，它可以使语音信号和ADSL信号分别通过。该中央分离器205的设计必须使传统POTS电话服务和/或ISDN网络不会受到ADSL信号的干扰，而且ADSL信号的数据流不会受到这些网络中的特定传统操作特别是摘机/挂机操作的干扰。
传送到或从互联网络204发出的数据经过称为DSLAM的DSL访问复用器206，它与中央分离器205连接。DSLAM(数字用户线路访问复用器)是特别设计用于DSL设备的访问复用器，通常适用于电话交换位置，它利用临时复用技术经过互联网上发送信号。在特定情况下，该DSLAM还存在于电话交换机之外，以便于减小用户和DSLAM之间的距离。实际上，经过电话线进行的高频信息传输的质量直接取决于该线路的长度。在这种情况下，人们希望利用光纤将安装在特定位置之中的DSLAM连接到电话交换机，并且利用传统电话线将该DSLAM连接到用户家里，该传统电话线包括两个铜线。
在用户201侧还存在与电话线200连接的分离器207。该分离器207称为主分离器。它的功能也是将传输到与ADSL调制解调器相联系的个人计算机208的数据信号和传输到传统电话机209的语音信号分离。理论上，低频滤波器和高频滤波器存在于主分离器207中，它可以使语音信号和ADSL信号分别通过。对于中央分离器205，该主分离器207的设计必须能够防止各类型信号受到其它类型信号的干扰或改变的现象。
实际上，该分离器的低频滤波器和高频滤波器是分离的：该高频滤波器是使数据信号或仅使数据信号通过的滤波器，它部分或完全集成在ADSL调制解调器中。通常，阻塞能力包括一非常粗糙的高频滤波器保护调制解调器免受线路上的直流侵害。如图3所示，ADSL结构包括两个滤波器对，它们通过电话线L的两个细线(filament)并联安装在电话交换机202侧和用户201侧。一个滤波器对的第一个滤波器为低频滤波器LF，第二个为高频滤波器HF。如图2所示，在电话交换机侧，从传统电话的多路复用器分配器上行连接第一滤波器，第二个滤波器连接至DSLAM。在用户侧，第一个滤波器与电话连接，第二个滤波器与ADSL调制解调器连接。每个滤波器用于仅隔离一个装置，该装置连接传输到其它装置的信号。特别是，低频滤波器用于防止语音信号受到数据信号的干扰。这种如位于用户侧的位于电话交换机侧的滤波器正是本发明的目的。由于语言的滥用，这种滤波器也称为“分离器”。
为了使电话线传输的功率具有最佳的效率，必须利用阻抗将电话线的输入和输出特征化，该阻抗的值尽可能地接近电话线的复数阻抗(complex impedance)特征值。这种特征阻抗称为Zc。实际上Zc是标准强加的值，所述的标准在不同国家可能不同，即使相关阻抗具有大体可比的值。因此，人们可以发现特别是欧洲阻抗、英国阻抗、德国阻抗和两个分别为600ohm和900ohm的美国阻抗。这些阻抗之间的不同主要取决于所使用的铜线的直径、扭绞线圈的绝缘和增益。
通常，该特征阻抗可以被模拟为图4所示的形式，其中第一阻抗R1与第二阻抗R2串联，第二阻抗R2与电容C并联。该电路的等效阻抗为Zc＝R1+R2*(1-jR2Cw)/(1+(R2Cw)2)，其中w表示电话线上流动的信号的脉动(pulsation)。在将分离器插入电话线期间，必须确保分离器的输入和输出阻抗足够接近该线的特征阻抗。从而确保最佳传输和在用户家里的最小本地回声效应。
另外，在实践这些技术中还应当考虑两个其它限制条件：
-插入损耗因子，或ILF，它表示当存在桥电路、滤波器、均衡器和其它电路时传输信道的功率损耗。在当前情况下，该因子表示在不存在滤波器的情况和存在滤波器的情况之间，由于在电路中布置了滤波器而发生的传输损耗；根据大多数施行标准，对于1kHz，该损耗必须小于1dB。与1kHz处的衰减相比，该衰减失真的绝对值必须小于1dB。
-回波损耗因子，或RLF，它是返回信号的功率与传输信号功率的比值的测量值。它由以下公式表示：
RLF＝20log10abs(((Zin(w)_Zc(w))/((Zin(w)-Zc(w)))，
其中Zin(w)表示人们希望测量该RLF的设备的输入阻抗，Zc(w)是参考负载的阻抗。很明显，该回波损耗对应阻抗匹配的测量值。当匹配为最佳(Zin(w)＝Zc(w))时，回波损耗扩展至无穷大。根据标准，低频滤波器的回波损耗必须大于有用基带(POTS网络中为300-3400Hz，ISDN网络中为300-94000Hz)中的大约18dB。
为了符合所有这些限制条件，已经想象不同类型的低频滤波器。现有技术中的一种最佳解决方案是使用椭圆滤波器，也称为Cauer滤波器。这些滤波器包括一连串椭圆单元，它们的基本结构如图5a所示。电话线L的一个细线包括并联安装的电感L50和第一电容C51。第二电容C52位于线L的两个细线之间。该基本单元是对称的以便适应于电话标准，从而获得如图5b所示的基本对称椭圆滤波器500。存在于该线的各传输支路上的这些部件与其它传输支路上的它们的对称部件具有相同的值。图5b的右侧部分示出了理论上双椭圆单元的优选实施例。该基本椭圆滤波器500仍然包括现有技术中使用的滤波器501，如图5c所示。这些滤波器的其它可能实施例是将对称电感两两分组，使它们在相同的磁核周围耦合从而使它们成为变压器。最少可以获得一具有四个变压器的滤波器。这种滤波器所表现出的具体特点是并非它们的转移函数的所有极点均为无穷大，且可以将未使用的能带107(见图1)限制为声音频谱102和用于数据传输的频谱103之间的很窄的频率范围的特性。
但是，这种滤波器结构并非完全满意。该结构具有很多缺点和/或不利：
首先，如图5a到5c所示，该椭圆形滤波器的结构包括非耗散无源部件。就是说，特征阻抗的复数特性，其中，虚数部分并不由xDSL技术计算，迫使引入校正器以便得到最佳滤波器，该校正器包括多个负阻抗和/或电容。该校正器必须使用有源部件，而这些有源部件在图5c中的滤波器中并没有出现。
如已经知道的，就ADSL信号的抑制和回波损耗而言，要求不同标准意味着在低频滤波器中存在至少四个变压器。因此，结论为：一方面，制造该滤波器需要相当大的成本，另一方面，由于铁氧体市场的剧烈变化，有时会很严重的短缺周期。
由于在现有技术的滤波器中使用了大量数目的线圈，因此各分离器所占据的空间应当在15-20cm2左右。这一尺寸非常重要，尤其是在电话交换机侧，此处，在同一卡上同时安装有大量分离器。
由于所使用的电感的公差不同，因此无源滤波器的性能在不同滤波器之间会极大不同，该公差通常在7％左右。
【发明内容】
本发明的目标是一种用于耦合xDSL信道的低通滤波设备。它被设计集成在语音数据信号分离设备中以用于xDSL信道上的传输。本发明提出了一种新的滤波器设计，从而可以使用比现有技术中更低廉的成本制造比现有技术更小型的滤波器。
本发明的一个主要目的是提供一个低通滤波器，其可以避免上述的缺点。为了达到这一目的，本发明的低通滤波器局部被制造为集成电路的形式。本发明中用ASIC(特定用途集成电路)替换了现有技术中的Cauer滤波器。在本发明中，在电话线的各细线上布置一个ASIC，以便符合电话线的对称，这两个ASIC具有相似的电路布局。优选地，本发明的低频滤波器中还存在若干无源元件。第一组无源元件可以限制施加到ASIC接线端上的电压，第二组无源元件可用来构成两个ASIC之间的阻抗的校正器模块。
本发明滤波器的结构必须考虑的特定特征为：首先，本发明滤波器的ASIC操作不需要额外的功率供应。该滤波器被设计为使得电话线本地环路中的直流电流循环足以驱动ASIC。实际上不需要外部额外的功率供应也是因为本发明滤波器中所使用的ASIC为模拟ASIC。另外，使用这种ASIC便于信号的双向流动。实际上，本发明滤波器中存在数字ASIC，除了它们的能耗较大外，将还需要提供2线-4线的混合变压器。该所提出的ASIC特别需要低功耗CMOS技术。
因此，本发明实际上涉及在包括第一传输线和第二传输线的电话线上所使用的低通滤波设备，其可以在电话交换机和装有至少一个电话的用户之间同时流通对应模拟和/或数字窄带服务的第一信号和对应宽带服务的第二信号，其特征在于它包括一有源部分，该有源部分包括串联在第一传输线上的第一ASIC类型有源元件和串联在第二传输线上的第二ASIC类型有源元件，与一无源部分相联系的该有源部分具体包括同样分别串联在电话线的第一传输线和第二传输线上的第一电感类型无源元件和第二无源元件，这些电感在电话线侧位于各有源元件前面。
在本发明设备的特定实施例，该无源部分在线侧可包括并联设置于该电话线的两个传输线之间的第一电容，和/或自用户线侧并联设置于该电话线的两个传输线之间的第二电容。本发明的滤波设备的无源部分因此包括二阶滤波器。
在一实施例例子中，当用户的电话摘机后，该有源部分表现出阶次等于或大于4的转移函数，当用户的电话被摘机时，利用电话线上的电流循环来驱动有源元件。该有源部分可以是例如至其接线端的电压控制电流源。
电感的值可以被提升为足以使ASIC类型有源元件前的电压下降，从而使各有源元件的接线端电压小于1伏特。
在一实施例例子中，本发明的滤波设备可包括位于电话线的两个传输线之间的无源校正器模块，该无源校正器模块可以包括串联的一个电阻和一个电容。
最后，重点需要指出本发明的低通滤波设备可以位于电话交换机中或用户家里。
【附图说明】
通过阅读下面的说明书和附图可以更好地理解本发明及其不同的应用。这些附图仅作为说明目的使用，并不对本发明进行限制。这些附图为：
图1示出已述的ADSL分配的频带操作；
图2示出已述在ADSL线上低频和高频信号的分离原理；
图3示出已述在用于发送语音信号和xDSL信号的电话线上的滤波器的配置的一般外观；
图4示出已述电话线的复数特征阻抗的模型；
图5a到5c示出已述现有技术中使用的无源滤波器的例子；
图6示出本发明的低通滤波设备；
图7示出根据接收到的信号的频率，各有源部件的阻抗值的曲线；
图8a到8b示出根据本发明的滤波设备的示意性转移函数和该部件的无源和有源模块。
【具体实施方式】
图6示出本发明低通滤波设备600的一般结构。下面将说明在将其放置在线路的用户侧A时的情况。但是，它也可以被放置在电话交换机侧。在该图中，存在传统电话线L，该电话线L包括称为细线A或线TIP的第一传输线601和称为细线B或线RING的第二传输线602。在各传输线601和602上，分别具有电感603和604。这两个电感由于电话线的对称性而具有相同的值。通常，该值大约为17.5mH(毫亨)。在各传输线上，具有分别与电感603，604串联的ASIC类型有源部件605。同样，则这两个ASIC相同。
本发明设备中插入的ASIC的阻抗根据到达该ASIC信号的频率而变化，符合图7所示的曲线。根据该曲线，人们可以发现在频率接近0和大于200kHz时，该ASIC阻抗实际不存在，当频率值接近30kHz时，该ASIC阻抗的绝对值表现为最大，其对应于图1中未用能带107的值。通常，由所使用的ASIC获得的阻抗的最大值达到10k欧姆。因此在频率达到30kHz时，抑制也最大，从而也可以确保低频和高频信号的分离。
在一特定实施例例子中，由于该形式的阻抗，ASIC605和606可以实现四阶转移函数：
Z(p)＝Z0((A0+A1p+A2p2+A3p3+A4p4)/(B0+B1p+B2p2+B3p3+B4p4))
其中p为通过公式p＝jw而与角频率w相联系的拉普拉斯变量，其中这些系数的值为：
Z0＝5
A0＝1
A1＝1.9e-3
A2＝2.6e-7
A3＝3.9e-12
A4＝3.56e-19
B0＝1
B1＝1.64e-4
B2＝1.54e-8
B3＝8.2e-15
B4＝3.56e-19
在本发明的低通滤波设备中，包括有源部分该ASIC与一无源部分相联系。该无源部分具体包括电感603和604。该部分还可包括：
第一电容610，它在位于线圈603和604以及ASIC605和606之间的连接点P1处连接两个传输线601和602。第一电容610可以使本发明设备的无源部分完成与电感603和604的联系，然后包括一二阶无源滤波器。该第一电容610的值通常为27nF。
第二电容611，其在位于用户A侧的滤波器600的输出处，在各传输线上的连接点P2将两个传输线601和602连接起来。该第二电容611实质用于过滤可能由各ASIC产生的高频噪声信号。该电容还可以过滤根据xDSL技术而发送的高频信号。该第二电容611的值通常为56nF。
此种结构使得本发明的滤波设备可以得到如图8a所示的转移函数。在该图中，曲线800是图8b中所示的曲线的合成。在图8b中，为实线的第一曲线801表示涉及电容610和611以及电感603和604的无源二阶滤波器的转移函数。它是二阶滤波器的转移函数。为虚线的第二曲线802表示有源部件605和605的转移函数。在接近30kHz的频率出现最大衰减。在图8a中，可以看到在接近30kHz的频带中出现最大衰减，该频带对应于将用于语音通信的频谱和用于xDSL技术的数据转移的频谱分开的频带。
无源部件的存在可以确保最大衰减在该频带之外。因此，不需要提供ASIC605和606，这些ASIC会在该频带以外表现出极大提高的阻抗。
根据国家不同，频带的抑制区域也不同；例如美国为65dB而欧洲为55dB。通过按照不同方式对ASIC编程可以实现这些不同值。后者可以使得在不同国家保持相同的结构；它足以调节包括它们的不同级的增益；每一级实际上都包括一电压控制的电流源。
在一特定实施例中，在两个传输线601和602之间布置一称为无源模块609的无源部件电路。该无源模块609用于在线L上执行阻抗匹配操作，它可以调节本发明滤波设备的输入和输出阻抗。它可以例如包括与电容608串连的电阻607。在ASIC605和606中可以执行电流翻转操作，从而使得无源模块609等于付阻抗-Zc。
本发明滤波器所遇到的限制和所带来的解决方案如下：
考虑到振铃信号的影响，该振铃信号为从25Hz到50Hz的交变信号，其最大幅度可以达到100V，本发明滤波器将两个ASIC布置为与传输线串联。实际上，假设各ASIC的等效阻抗在频率为25Hz到50Hz之间仅为几欧姆，则该ASIC的串联布置可以确保各ASIC接线端上的电势差远小于达到100V的振铃信号的电压。实际上，在应用振铃信号时的负载阻抗大于几十万欧姆。这样，由于对于25Hz到50Hz的频率范围来说，不同电容610和611可以认为是开路，因此各ASIC接线端上产生的最大电压为对应这些频率的ASIC等效阻抗与负载阻抗的比再乘以最大电压100V后的一半。因此，对于这些频率，该电压不会超过几十毫伏。
另一方面，由于ASIC为电压控制的电流源，因此它们可以通过等效任何无源部件的方式，确保信号的双向性。
为了限制这些电压，仍有必要使用两个具有两个不同衬底的ASIC，这是因为在同一衬底上实现两个ASIC会导致在该衬底上出现近似100V的电位差，从而有损坏ASIC的风险。由于对称，它们将表现出具有相同元件的相同结构。
ADSL信号对滤波器拓扑的影响如下，其中该ADSL信号的频率为30kHz到1.1MHz，最大幅度可以达到20伏：需要提供电感603和604来吸收该ADSK信号电压幅度的很大一部分，以便将利用CMOS技术实现的ASIC保持在低电压。由于对这些电感值的谨慎选择，因此可以确保ASIC接线端之间不会有大于1V的电压。这些电感的存在尤其可以避免在低电压CMOS中出现的非线性现象。实际上，如果该技术接受例如大约2.5V的电压，则它必须不能超过2V以避免削减滤波设备低通部分中的残留ADSL电流。该电感603和604的阻抗必须在用于根据xDSL技术进行数据传输的频率范围的开始就相对较高，以便保证各ASIC接线端对ADSL信号频率的低电位差。这也同时伴随着需要替换对ADSL频率为高阻抗的本发明的低通滤波设备。
在滤波器结构中电话线上存在的连续信号的影响如下：为了不必增加外部能量源，可以使用线上的连续信号循环来驱动ASIC。存在两种情况：
在第一种情况中，用户电话为“挂机状态”，即接收机放下。电话将被认为是线路上的一个极高阻抗元件，该电话线上仅有小于10微安的电流流过。该电流不足以驱动两个ASIC605和606，这相当于短路。因此无源元件603、604、610、611包括一简单的二阶滤波器，该二阶滤波器被校正为总是使输入阻抗足以将用户A与ADSL信号隔离。因此，该信号通知信号例如振铃信号可以在不干扰用户电话机的情况下传输。
在第二种情况下，用户的电话为“摘机状态”，即接收机被拿起。该电话被认为是直流下大约200欧姆到430欧姆的阻抗，其大到使大约20mA的电流流过。因此，可以极化不同的有源ASIC部件，使得图6中的滤波设备可以包含一六阶低通滤波器，该六阶低通滤波器仅使音频信号通过，确保ADSL信号的有效抑制。