DE69228807T2

DE69228807T2 - Schaltung zur Ausführung einer Impedanz für die Sprechschaltung eines Fernsprechapparat

Info

Publication number: DE69228807T2
Application number: DE69228807T
Authority: DE
Inventors: Rinaldo 20043 Arcore Castello (Mi); Pietro 20100 Milano Erratico; Luciano 20052 Monza Tomasini (Mi)
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: EP0579891B1; JPH06244930A; JP3659982B2; DE69228807D1; US5459787A; EP0579891A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Synthetisieren einer Impedanz, welche einer mit einer Zweidraht-Telefonleitung verbundenen Fernsprechteilnehmerschaltung beigegeben ist.
Der Anwendungsbereich dieser Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, in Fernsprechteilnehmerschaltungs-Vorrichtungen verkörperte Telefonsprechschaltungen, und die folgende Beschreibung wird aus Gründen der Einfachheit auf diesen Anwendungsbereich Bezug nehmen.
Es existiert in dem spezifischen Anwendungsbereich eine Forderung nach guter Genauigkeit beim Vorsehen des Eingangsimpedanzwertes der Telefonschaltung, auch "Abschlußimpedanz" genannt.
In der Tat setzt jede Telefongesellschaft einen Maximalwert der sogenannten Echodämpfung auf dem Telefonband fest, und dieser Wert erlegt einen maximal zulässigen Wert für die Abschlußimpedanz auf. Es sollte auch festgehalten werden, daß eine Telefonsprechschaltung die Umsetzung von zwei Drähten auf vier Drähte vorsieht und daß die Genauigkeit dieser Umsetzung wiederum an die Genauigkeit des Wertes der anderen Impedanz, Ausgleichs- oder Nachbildungsimpedanz genannt, gebunden ist, die von der Abschlußimpedanz verschieden sein kann.
Für die Abschlußimpedanz und die Ausgleichsimpedanz ist gegenwärtig eine komplizierte Struktur außerhalb des Telefon-ICs vorgesehen, welche darüber hinaus vergleichsweise teure Präzisionsbauelemente verwendet.
Zusätzlich benötigt die integrierte Schaltung zusätzliche Anschlußbeine zum Herstellen der diversen erforderlichen Verbindungen.
Seit dem Aufkommen der ersten monolithisch integrierten Telefonsprechschaltung, die möglicherweise auf einen Artikel "A programmable speech circuit suitable for telephone transducers", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-17, Nr. 6, Dezember 1982, zurückgeht, sind fortgesetzte Anstrengungen unternommen worden, um die Anzahl der Bauelemente zu vermindern, die außerhalb der Telefonschaltung angeordnet sind, die aber einen Bestandteil der Fernsprechteilnehmerschaltung bilden.
Es ist ersichtlich, daß dies sowohl niedrigere Kosten als auch eine verbesserte Zuverlässigkeit hervorbringen würde.
Hinsichtlich dieses Problems ist im Stand der Technik bereits eine Lösung vorgeschlagen worden, die beispielsweise in einem Aufsatz "A software programmable CMOS telephone circuit", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band Nr. 7, Juli 1991, beschrieben ist, worin auf eine Telefonschaltung Bezug genommen wird, die mit nicht weniger als sechs externen Bauelementen versehen ist.
Dieser Ansatz aus dem Stand der Technik sieht für die zu implementierende Abschluß- und Ausgleichsimpedanz grundlegend einen externen Präzisionswiderstand vor.
Dieser Widerstand wird mittels einer Steuerschaltung innerhalb der integrierten Sprechschaltung, die in Übereinstimmung mit einer angemessenen Übertragungsfunktion betrieben wird, in eine komplexe Impedanz transformiert.
Zusätzlich zu dem vorstehend erwähnten Widerstand werden jedoch weitere externe Bauelemente verwendet, nämlich zwei Koppelkondensatoren, zwei Transistoren, eine Diode sowie ein zweiter Widerstand.
Es ist darüberhinaus festgestellt worden, daß die Stabilität der Steuerschleife vom Impedanzwert der Telefonleitung abhängt und daß die Schaltung bei hohen Werten dieser Impedanz instabil werden kann.
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Beispiele von Schaltungen zum Synthetisieren einer einer Fernsprechteilnehmerschaltung, die mit einer ein Paar von Anschlüssen aufweisenden Telefonleitung verbunden ist, beigegebenen Impedanz, sind durch US-A-4,558,185 und Patent Abstracts of Japan, Band 14, Nr. 387 (E-967), 21.8.1990, gegeben.
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, eine Impedanzsyntheseschaltung vorzusehen, die derartige strukturelle und funktionale Kenngrößen aufweist, um die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Dieses Problem wird durch eine oben angegebene und durch die Kennzeichenteile der Patentansprüche festgelegte Schaltung gelöst.
Die Merkmale und Vorteile einer erfindungsgemäßen Schaltung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform derselben deutlich, die als nicht beschränkendes Beispiel zusammen mit der beigefügten Zeichnung zu sehen ist.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltung zum Synthetisieren einer Abschlußimpedanz gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 ein Schaltbild einer zweiten Schaltung zum Synthetisieren sowohl einer Abschlußimpedanz als auch einer Ausgleichsimpedanz gemäß der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Figuren wird bei 1 eine die Erfindung verkörpernde Schaltung zum Synthetisieren einer einer Telefonsprechschaltung 2 beigegebenen Impedanz gezeigt.
Genauer gesagt, ist die erfindungsgemäße Schaltung zum Synthetisieren einer komplexen Impedanz eingerichtet, die sowohl als Abschlußimpedanz als auch als eine Ausgleichsimpedanz fungieren kann.
Die Telefonschaltung 2 ist vom monolithisch integrierten Typ und mit einer zweidrähtigen Fernsprechteilnehmerleitung mit einem Paar von Anschlüssen L+ und L- verbunden.
Es wird weiter unten in dieser Beschreibung angenommen, daß der erste der beiden Anschlüsse, mit L+ bezeichnet, der Telefonsignalempfangsanschluß ist, und der andere Anschluß, L-, eine Signalreferenz darstellt.
Geeigneterweise ist die erfindungsgemäße Schaltung 1 eine Struktur mit positiver Rückkopplungsschleife oder Mitkopplungsschleife an dem ersten Anschluß L+ der Leitung und weist einen einzigen Präzisionswiderstand R auf, der in Reihe mit der Leitung geschaltet und an einem Ende mit dem ersten Anschluß L+ verbunden ist.
Die Schaltung 1 umfaßt ferner ein erstes Filter 12 mit einem ersten Eingang 11, welcher direkt mit dem Leitungsanschluß L+ verbunden ist und das auf der Leitung 3 vorhandene Telefonsignal empfängt.
Dieses Filter 12 ist im wesentlichen ein kapazitativer Koppler und weist einen mit dem anderen Leitungsanschluß L- verbundenen zweiten Eingang 10 auf. Die Komponente 12 umfaßt ein internes Antialias-Filter, welches bewirkt, daß hochfrequente Signale entfernt werden und Intermodulationsrauschen der in die Schaltung 1 eingespeisten Signale verhindert wird.
Nach dem Filter 12 ist ein zweites Nullpolfilter 8 vorgesehen, welches zentral in die Schaltung 1 eingesetzt ist und einen mit dem Eingang eines Verstärkers 7 verbundenen Ausgang aufweist, dessen Verstärkungsfaktor eingestellt werden kann, um die den Bedürfnissen des Fernsprechteilnehmers zu genügen. In der hier diskutierten bevorzugten Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor g des Verstärkers 7 gleich 1,5 gewählt worden.
Das zweite Filter 8 arbeitet mit einem abgetasteten Signal und ist von dem kommerziell bekannten Schaltkondensator-Typ. Dieses Filter erbringt den erforderlichen Grad an Genauigkeit des Impedanzwertes, ohne externe Kalibrationsschritte zu erfordern.
Zusätzlich bietet das Filter 8 den besten Dynamikbereich für den Wert der Versorgungsspannung (ungefähr 3 Volt), welche für die Telefonschaltung 2 zur Verfügung steht.
Die Struktur der Schaltung 1 umfaßt ferner einen Block 5, der dem Verstärker 7 nachgeschaltet ist und einen Ausgang 4 aufweist, der mit dem anderen Ende des Präzisionswiderstandes R verbunden ist. Dieser Ausgang 4 ist durch eine sehr niedrige Impedanz gekennnzeichnet. Der Block 5 ist im wesentlichen ein Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor gleich 1 des Typs, der als "Treiber/Glättung" bezeichnet wird, welcher sowohl als Tiefpaßfilter als auch als Treiber für den Widerstand R fungiert. Ein Eingang 6 des Filterverstärkers 5 ist mit dem anderen Leitungsanschluß L- verbunden, um dieselbe Signalreferenz wie das erste Filter 12 zu haben.
Vorteilhafterweise zeigt die durch die Schaltung 1 gebildete Rückkopplungsschleife eine hohe Stabilität, die aus der Auswahl einer Mitkopplung zusammen mit einer Schleifenverstärkung, die zu jeder Zeit kleiner als 1 ist, herrührt. Dies sorgt für eine stabile Schaltung unabhängig von dem Wert der Leitungsimpedanz über den Anschlüssen L+ und L-.
Üblicherweise wird die Stabilisierung einer derartigen Schleife tatsächlich durch das Vorhandensein einer hochgradig veränderlichen Leitungsimpedanz besonders erschwert.
Die erfindungsgemäße Schaltung begegnet diesem Problem dadurch, daß die Leitung spannungsgetrieben wird, das heißt, bei einer niedrigen Impedanz.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung wird nun im folgenden beschrieben.
Wenn eine Spannung V an den Anschluß L+ der Leitung 3 angelegt wird, wird die Spannung Vr, die über dem Widerstand R auftritt, durch die folgende Beziehung angegeben:
Vr = V(1 - H(s))
wobei H(s) die Übertragungsfunktion von dem Eingang 11 des Filters 12 zum Ausgang 4 des Blocks 5 ist.
Demgemäß kann bei Verwendung der Notation I = Vr/R für den Stromfluß des Widerstandes R aus der obenstehenden Relation gezeigt werden, daß gilt:
I = Vr/R = V[(1 - H(s)]/R
Da nun der Eingang 11 der Schaltung 1 eine hohe Impedanz aufweist, kann der Strom I mit guter Genauigkeit als der Gesamtstrom der Sprechschaltung 2 in Abhängigkeit von einem Spannungssignal V angenommen werden. Es folgt, daß die Impedanz Z1 der Schaltung an der Leitung 3
Z1 = V/I = R[1 - H(s)]
beträgt. Wenn die Übertragungsfunktion H(s) mit der Frequenz des Telefonbandes variiert, dann kann geschlußfolgert werden, daß die resultierende Impedanz über den Anschlüssen L+ und L- sogar dann, wenn diese durch ein einziges diskretes Bauelement bestehend aus dem Widerstand R generiert worden ist, eine komplexe Impedanz darstellt.
Diese komplexe Impedanz erfüllt die anwendbaren Standards der Verwaltungen der Telefongesellschaften. Zusätzlich kann der Impedanzwert durch Einwirken auf die Form der Übertragungsfunktion des Filters 8 und/oder auf den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 7 nach Bedarf verändert werden.
Wo es erforderlich ist, kann die Schaltung 1 mit einem externen Nur- Lese-Speicher beispielsweise des EPROM-Typs versehen werden, worin verschiedene Formen von Übertragungsfunktionen des Filters 8 abgespeichert werden können. In ähnlicher Weise kann das Filter 8 unter der Steuerung eines Mikroprozessors über einen seriellen Bus "programmiert" werden.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf das Beispiel in Fig. 2 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung erläutert, wobei einzelne zusammenwirkende Teile, die hinsichtlich Aufbau und Betriebsweise ähnlich den Teilen des vorstehenden Ausführungsbeispiels sind, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet werden.
In dieser zweiten Ausführungsform ist die Umsetzung von zwei Drähten auf vier Drähte vorgesehen, um spezifische Anforderungen an das empfangene Echo zu erfüllen. Fig. 2 zeigt die Schaltung in der Art eines Schaltplanes, die sowohl den Abschluß als auch die Zweidraht-auf-Vierdraht-Umwandlung mit Ausgleich oder Nachbildung und Rückhörunterdrückung implementiert.
Ein Summierungsknoten 9 ist zwischen den Verstärker 7 und den Filter/Verstärker 5 zum Empfangen sowohl des Signals von dem Ver stärker 7 als auch eines zweiten von einem anderen Verstärker 13, in diesem Fall eines Verstärker mit Verstärkungsfaktor gleich Eins, ausgehenden Signals geschaltet.
Der letztgenannte Verstärker 13 ist einem zweiten Filter 15 vom Schaltkondensator-Typ nachgeschaltet.
Das Filter 15 und der Verstärker 13 sind zum Erbringen eines präzisen Verstärkungsfaktors und einer flachen Frequenzantwort innerhalb des relevanten Telefonbandes und bei Anwesenheit einer nominalen Leitungsimpedanz über die Anschlüsse L+ und L- konstruiert.
Ein zweiter Schaltungsknoten 14 mit Subtrahierfunktion empfängt an einem Ende ein Signal TX, welches auch in das Filter 15 eingespeist wird, und an dem anderen Ende wird dem Antialias-Filter 12 nachfolgend das Empfangssignal aufgenommen, wobei TX das nach angemessener Verstärkung zu übertragende Signal ist.
Dann und nur dann, wenn die Nennimpedanz mit der Ausgleichsimpedanz übereinstimmt, kann die Rückhörunterdrückung recht einfach durch Subtrahieren des Empfangssignals vom Signal TX am Knoten 14 bewerkstelligt werden. Das Empfangssignal kann eine Skalierung durch einen Verstärker benötigen.
Das Resultat dieser Subtraktion wird durch ein in Fig. 2 dargestelltes Signal RX repräsentiert.
Wieder einmal werden die benötigte Abschlußimpedanz und die Ausgleichsimpedanz für die Zweidraht-auf-Vierdraht-Umsetzung durch eine einzige externe Präzisionskomponente, die immer noch aus dem Widerstand R besteht, implementiert.
Nur dort, wo während des Übertragungsschrittes die Ausgleichsimpedanz von der Leitungsimpedanzangabe abweicht, sollte ein zusätzliches Filter des Schaltkondensatortyps zwischen dem Ausgang des Filters 12 und dem Eingang des Subtraktionsknotens verwendet werden.
Es ist festzuhalten, daß das Antialias-Filter 12 zusätzlich zum Ausfiltern jeglichen Rauschens aus der Leitung, welches 80 kHz überschreitet, bei Frequenzen unterhalb von 5 kHz die Impedanzsteuerschleife abkoppelt. Diese Abkopplung ist erforderlich, um den Gleichstromarbeitspunkt der Blöcke, die die Steuerschleife bilden, festzuhalten, unabhängig von der Leitungslänge, die den Gleichstromarbeitspunkt festlegt.
Die erfindungsgemäße Schaltung löst in ihren verschiedenen Ausführungsformen das technische Problem und verwirklicht eine Anzahl von Vorzügen, von denen besonders der Gebrauch eines einzigen externen diskreten Bauelementes, das heißt des Widerstands R, herausragt.
Nicht zu vernachlässigen sind dann die Vorzüge, die aus der unabhängig von dem Wert der Leitungslast sichergestellten Stabilität und aus der Genauigkeit beim Synthetisieren einer Impedanz ohne Notwendigkeit einer Kalibrierung erwachsen.
Schließlich tritt der hohe Dynamikbereich, der durch die Schaltung möglich ist, zu den vorteilhaften Merkmalen der durch diese Erfindung vorgesehenen Lösung hinzu.

Claims

1. Schaltung zum Synthetisieren einer einer Fernsprechteilnehmerschaltung, die mit einer ein Paar von Anschlüssen aufweisenden Telefonleitung verbunden ist, beigegebenen Impedanz, die innerhalb einer Mitkopplungsschleife aufweist:

- einen einzigen Präzisionswiderstand (R), der in Reihe mit einem Anschluß (L+) der Leitung (3) geschaltet ist;

- mindestens ein Schaltkondensator-Abtastfilter (8) mit einem mit dem Anschluß (L+) der Leitung verbundenen Eingang, der ein Telefonsignal empfängt; und

- einen zwischen das Filter (8) und den Widerstand (R) geschalteten Verstärker (7);

gekennzeichnet durch:

- ein Paar zusätzlicher Filter (12, 5), wobei ein erstes Filter (12) der zusätzlichen Filter in die Mitkopplungsschleife geschaltet ist, um ein Signal von dem Anschluß (L+) zu empfangen und zum Liefern eines Ausgangssignals für das Abtastfilter (8), wobei ein zweites Filter (5) der zusätzlichen Filter ein Tiefpaßfilter ist, das ein Signal von dem Schaltkondensatorfilter (8) empfängt und zwischen den Verstärker (7) und den Widerstand (R) mit einem an ein Ende des Widerstandes (R) angeschlossenen Ausgang (4) geschaltet ist, wobei ein zweiter Ausgang (6) des zweiten Filters (5) der zusätzlichen Filter in einer Rückkopplungsbeziehung mit dem Eingang (10) des ersten Filters (12) über einen zweiten Anschluß (L-) der Leitung (3) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen Verstärkungsfaktor von 1,5 aufweist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Summierungsknoten (9) aufweist, der dem Verstärker (7) nachgeschaltet ist und der ein Signal von einem zweiten Verstärker (13) empfängt, der nach der Art einer Kaskade mit einem zweiten Tiefpaßfilter (15) verbunden ist, wobei der zweite Filter (15) ein zu übertragendes Signal (TX) als Eingang enthält.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Substrahierungsknoten (14) aufweist, der auf der einen Seite das zu übertragende Signal (TX) und auf der anderen Seite ein von dem Eingang des ersten Nullpolfilters (8) aufgenommenes Signal zum Unterdrücken jeglichen Auftretens von Echoerscheinungen empfängt.

5. Schaltung zum Synthetisieren einer einer Fernsprechteilnehmerschaltung, die mit einer ein Paar von Anschlüssen aufweisenden Telefonleitung verbunden ist, beigegebenen Abschluß- und Ausgleichsimpedanz, die innerhalb einer Mitkopplungsschleife aufweist:

- mindestens ein Schaltkondensator-Abtastfilter (8) mit einem mit dem Anschluß (L+) verbundenen und ein Telefonsignal empfangenden Eingang;

gekennzeichnet durch:

- einen zweiten Verstärker (13), der mit einem zweiten Tiefpaßfilter (15) in Reihe geschaltet ist; und

- einen Summierknoten (9), der mit den entsprechenden Ausgängen der Verstärker (7, 13) und einem Ende des Widerstandes (R) verbunden ist;

- einen Rückhörunterdrückungs-Subtraktionsknoten (14), der auf der einen Seite mit dem Eingang des zweiten Filters (15) verbunden ist, welches ein zu übertragendes Signal (TX) emp fängt, und der auf der anderen Seite mit dem Eingang des ersten Filters (8) verbunden ist.