2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置及指标调整方法

摘要

一种2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置及指标调整方法,在变压器输入端接有隔直容性负载、热敏电阻,输出端接有复阻抗三元件、运算放大器,其中,运放输入端接有输入阻抗元件,同时加有反馈阻抗元件。本发明的方法是计算确定接口阻抗的复阻抗参数值,根据相应的阻抗匹配性能指标,适配装置电路参数,通过简单变压器及运放即可实现2/4线传输混合网络的阻抗匹配,结构简单、可靠;成本低,易于实现,阻抗匹配性能指标最佳。

说明书

本发明涉及通讯设备的模拟接口技术领域，具体涉及一种程控交换机模拟接口2/4线传输混合网络接口的阻抗匹配装置及其性能指标的调整方法。

目前，程控交换设备的模拟接口电路为实现2/4线传输混合网络接口阻抗匹配功能，有两种方案：一种是利用变压器的阻抗匹配功能结合运放来实现；即有变压器方案。申请号为96205858的中国专利“用户模块的2/4线转换及恒流馈电装置”提出了这样一种方案。该方案实现起来电路结构简单，但很难建立精确2/4线传输混合网络接口阻抗匹配模型，一般采取简化模型方式进行接口阻抗匹配，导致接口阻抗匹配性能指标不够理想。另一种是利用运放和有源网络来实现阻抗匹配；即无变压器方案。这种方案电路结构有两种实现方式：一种是利用双电解电容方式，专利号为94219343的中国专利“中继接口2/4线连接装置”公开了这样一种结构。这种电路的结构比较简单，但由于其中所用的电解电容器有一定的使用寿命，使用一定期限后，容易出现干枯现象，可能影响设备的使用寿命。

实现无变压器的另一种选择是无电解电容方式，该方式可以建立精确2/4线传输混合网络接口阻抗匹配模型，但电路结构比较复杂，比较适合于集成芯片生产，利用离散器件实现起来与理想模型有一定的差距，批量难于保证接口阻抗匹配性能指标。目前，也相继出现利用离散器件实现该方式的范例，专利号为96223331的中国专利《恒流源和2/4线转换装置》就提出了这样一种方式，其电路成本低，但需要严格的生产控制，对材料精度要求也较苛刻，因而在模拟接口电路中两种方案同时并存。

另外，程控交换设备的模拟接口电路，调整2/4线传输混合网络接口阻抗匹配性能指标方法有两种：一种是软件(程序)调整方法；该方法适合采用具有DSP内核，并且能够利用仿真软件进行阻抗匹配性能指标优化的可编程编解码器的模拟电路，硬件无需改动，但可编程编解码器成本较高。另一种是硬件调整方法；该方法适应性强，简单适用，适合厚膜化设计；尤其适用于采用不可编程编解码器的模拟电路。

本发明的目的就是提供一种2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置，可以克服现有技术的缺点，无需对其建立精确的传输混合网络接口阻抗匹配模型，便可实现传输混合网络接口的阻抗匹配，并具有较好的匹配精度和较低成本。

本发明的另一个目的是提供一种2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置的性能指标的调整方法，无需对传输混合网络接口阻抗匹配方面，建立精确的传输混合网络接口阻抗匹配模型，便可实现网络接口的阻抗匹配，并通过简单适配网络参数来调整接口阻抗匹配性能指标，保证实际可生产性。

本发明的一个目的采用如下技术方案来实现：构造一种2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置，包括变压器(T)，与所述变压器的输入端相连接的隔直容性负载(R_C)，热敏电阻(R_F)，与变压器输出端相连接的复阻抗三元件(Z)、运算放大器、连接在运算放大器输入端的输入阻抗元件(R_T2、R_R2)、连接在运算放大器输入和输出端的反馈阻抗元件(R_T1、R_R1)。

本发明的另一个目的采用如下技术方案来实现，构造一种性能指标调整方法包括以下步骤：

1.画出2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置简图，初步近似计算确定2/4线传输混合网络适配接口阻抗的复阻抗参数值及相应传输放大器增益、回波抵消支路阻抗，按照计算参数建立实际电路。

2.利用相应测试仪器(如：PCM-4)测试接口阻抗回输损耗指标，参考所测指标分布曲线调整复阻抗各项参数，使所测试指标为最佳。

3.测试四线端到二线端频率响应指标，根据测试曲线分布形状适当适配传输运放增益得到理想的频率响应曲线。

4.测试二线端到四线端频率响应指标，根据测试曲线分布形状适当适配传输运放增益得到理想的频率响应曲线。

5.测试终端平衡回损指标，适当适配回波抵消支路阻抗，使回波抵消节点信号为最小。

实施本发明提供的2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置及其性能指标的调整方法，其优点在于，采用简单的变压器及运放即可实现2/4线传输混合网络阻抗匹配电路装置，其结构简单、可靠；电路成本低，易于实现；采用本发明提供的接口阻抗匹配装置的性能指标的调整方法可使得2/4线传输混合网络接口阻抗匹配性能指标最佳，无需对其建立精确的传输混合网络接口阻抗匹配模型，通过简单适配网络参数来调整接口阻抗匹配性能指标；从而实现高性能的匹配效果。

下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明，附图中：

图1是实线中继板传输混合网络接口阻抗匹配装置简图；

图2是实线中继板传输混合网络接口阻抗匹配装置等效简图；

图3是举例调整前频率响应曲线；

图4是举例调整前频率响应曲线；

图5是以图3为二线端到四线端频率响应曲线和图4为四线端到二线端频率响应曲线为例实线中继板接口阻抗匹配装置性能指标调整模型；

图6是实线中继板调整接口阻抗匹配性能指标流程框图；

图7是实线中继板调整接口阻抗回输损耗子步骤流程框图；

图8是实线中继板调整四线端到二线端频率响应指标子步骤流程框图；

图9是实线中继板调整二线端到四线端频率响应指标子步骤流程框图；

图10是实线中继板调整终端平衡回损指标子步骤流程框图。

如图1所示，实线中继板传输混合网络接口阻抗匹配装置为有变压器方案，根据变压器的阻抗匹配功能及鉴于纵向对地负载R_L由恒流源实现其交流阻抗大于几十千欧姆，故暂可忽略，因此，图1可等效成图2所示电路。

由图2可推导出以下参数和计算公式：

1、两线阻抗Z_TR

根据最大功率原理，从TIP与RING两线的入端阻抗Z_TR应等于信号源内阻Z_L，即传输混合网络接口阻抗匹配。从图2中不难得到以下等式：

Z_L＝Z∥(R_T2+R_T1∥r_id)+R_C+2R_F     (1)

Z_L＝Z_TR                               (2)由(1)、(2)式得：

Z_TR＝Z∥(R_T2+R_T1∥r_id)+R_C+2R_F    (3)其中：

Z_L    需要适配的标准三元件阻抗；

Z_TR   TIP与RING两线的入端阻抗；

Z      传输混合网络中复阻抗三元件；

R_F    热敏电阻；

R_C    隔直容性负载；

R_T1   模拟到数字端运放的反馈阻抗；

R_T2   模拟到数字端运放的输入阻抗；

r_id   模拟到数字端差模输入电阻。

鉴于运算放大器的差模输入电阻r_id趋向于无穷大；并且运算放大器的输入阻抗R_T2和反馈阻抗R_T1在电路设计时，可选几百千欧姆阻抗。故式(3)可简化为式(4)。

Z_TR＝Z+R_C+2R_F                        (4)

由(2)、(4)式可推导出传输混合网络中复阻抗三元件(Z)与标准三元件阻抗(Z_L)关系式(5)。

Z＝Z_L-(R_C+2R_F)                       (5)

2、二线端到四线端增益G_2-4

二线端到四线端增益G_2-4为两线端发送V_TR信号与经传输混合网络在四线端测得V_TX的比值。

由图2可得：

V_TX＝-[V_TR·Z/(Z+2R_F+R_C)]·R_T1/R_T2 (6)

G_2-4＝V_TX/V_TR                          (7)

由(6)和(7)式得：

G_2-4＝-(R_T1/R_T2)·Z/Z_L                (8)其中：

V_TX   二线端到四线端输出模拟电压；

V_TR   二线端模拟电压；

3.四线端到二线端增益G_4-2

四线端到二线端增益G_4-2为四线端发送V_RX信号与经传输混合网络在两线端测得V_TR的比值。

由图2可得：

V_TR＝-(R_R1/R_R2)·V_RX·Z_L/(Z_L+Z+2R_F+R_C)                 (9)

G_4-2＝V_TR/V_RX                                                (10)

由(5)、(9)和(10)式得：

G_4-2＝-(R_R1/R_R2)·Z_L/(Z_L+Z+2R_F+R_C)                      (11)其中：

V_RX   四线端到二线端输出模拟电压；

R_R1   数字到模拟端运放的反馈阻抗；

R_R2   数字到模拟端运放的输入阻抗；

4.四线端到四线端开环增益G_4-4

四线端到四线端开环增益G_4-4为去掉回波抵消支路，四线端发送V_RX信号与经传输混合网络在四线端测得V_TX的比值。

V_TX＝(R_T1/R_T2)·(R_R1/R_R2)·V_RX·(Z_L+2R_F+R_C)/(Z_L+Z_TR) (12)

G_4-4＝V_TX/V_RX                                                  (13)

由(12)和(13)式得：

G_4-4＝(R_T1/R_T2)·(R_R1/R_R2)·(Z_L+2R_F+R_C)/2Z_L             (14)

由式(14)可得：G_4-4＞0，为此回波抵消支路需引入负数增益。

5.回波抵消

回波抵消就是在2/4线传输混合网络阻抗适配过程中，要保证从V_RX端输入信号经传输混合网络在V_TX端的信号与经回波抵消支路在V_TX端的信号为零。即：

V_RX·G_4-4-V_RX·R_T1/R_H＝0                                     (15)

由(14)和(15)式得：

R_H＝2R_T2·R_R2·Z_L/[R_R1·(Z_L+2R_F+R_C)]    (16)其中：

R_H    回波抵消支路阻抗；

从(5)式中可以看出：只需传输混合网络三元件阻抗Z满足式中匹配要求即可。但按照式(5)计算得到相应的Z阻抗表达式比较繁琐，很难用离散器件实现。以前的做法是鉴于采用的隔直容性负载较小，热敏电阻较小，故可以忽略。这样式(5)(8)(11)和(16)可化简如下：

Z＝Z_L                                           (17)

G_2-4＝-R_T1/R_T2                                 (18)

G_4-2＝-R_R1/2R_R2                                (19)

R_H＝2R_T2·R_R2/R_R1                            (20)

依据以上各式，只需简单适配及可实现传输混合网络阻抗匹配。但是，这种方法只是一种粗略近似做法，在实际组成电路测试过程中会发现，实际测试的性能指标与理论近似计算相差较大，有的性能指标已经超标。而且对组成传输混合网络器件参数选取比较苛刻，无法实现量产。

本发明所提供调整方法就是在原有的传输混合网络阻抗匹配装置基础之上，对隔直电容进一步近似计算及考虑热敏电阻阻值，然后根据实际测试指标曲线分布适当适配传输混合网络参数，优化各项接口阻抗匹配性能指标，保证实际可生产性。

其具体调整步骤如下：

1.改进接口阻抗匹配近似计算方法

隔直电容C一般选取大于2uF，其容性负载R_C在音频范围可以按照1020Hz阻抗近似代替。这样，式(5)(8)(11)和(16)可化简如下：

Z＝Z_L-(R_C|_1020Hz+2R_F)                              (21)

G_2-4＝-(R_T1/R_T2)·Z/Z_L                             (22)

G_4-2＝-(R_R1/R_R2)·Z_L/(Z_L+Z+2R_F+R_C|_1020Hz)      (23)

R_H＝2R_T2·R_R2·Z_L/[R_R1·(Z_L+2R_F+R_C|_1020Hz)]  (24)

按照式(21)调整Z阻抗中三元件参数值，建立测试连接通路，测试接口阻抗回输损耗指标；对上述参数进行微调，反复调试，直到测试曲线分布最佳，表明接口阻抗匹配已经接近最佳。

2.调整四线端到二线端增益G_4-2的频率响应特性

根据图1可以看出：在未调整回波抵消支路之前，调整四线端到二线端增益G_4-2的频率响应会影响到二线端到四线端增益G_2-4的频率响应特性，故需首先调整四线端到二线端增益G_4-2的频率响应特性。

按照式(23)可知，由于(Z+2R_F+R_C|_1020Hz)与Z_L近似相等，因而四线端到二线端增益G_4-2为频率(f)的函数，其必定受频率变化的影响。

(1)测试四线端到二线端增益G_4-2的频率响应性能指标，根据测试曲线分布形状，适配运算放大器增益。

①如果测试曲线如图3所示(上坡型)，则需要适配运放的反馈阻抗为三元件复阻抗；

②若测试曲线如图4所示呈下坡型，则需要适配运放的负端输入阻抗为三元件复阻抗；

(2)以(1)②为例适配，从小到大改变三元件复阻抗电容值C_R，平滑响应曲线，使测试曲线尽量接近理想基准。

(3)保持三元件复阻抗电阻R_R21与R_R22和不变，适当调整R_R21∶R_R22的比值，曲线将以1020Hz基频点为中心旋转。对响应曲线进行微调。

①若测试曲线类似于图4所示下坡型，则逐渐增大R₁∶R₂的比值；

②如果测试曲线类似于图3所示(上坡型)，则逐渐减小R₁∶R₂的比值。

3.调整二线端到四线端增益G_2-4的频率响应

(1)测试四线端到二线端增益G_4-2的频率响应性能指标，根据测试曲线分布形状，适配运算放大器增益。

①如果测试曲线呈图3所示上坡型，则需要适配运放的反馈阻抗为三元件复阻抗；

②若测试曲线呈图4所示下坡型，则需要适配运放的负端输入阻抗为三元件复阻抗；

(2)以(1)①为例适配，从小到大改变三元件复阻抗电容值C_T，平滑响应曲线，使测试曲线尽量接近理想基准。

(3)保持三元件复阻抗电阻R_T11与R_T12和不变，适当调整R_T11∶R_T12的比值，曲线将以1020Hz基频点为中心旋转。对响应曲线进行微调。

①若测试曲线类似于图3所示呈上坡型，则逐渐增大R₁∶R₂的比值；

②如果测试曲线类似于图4所示呈下坡型，则逐渐减小R₁∶R₂的比值。

4.调整终端平滑回损特性

终端平滑回损指标是测试2/4线传输混合网络阻抗匹配电路回波抵消特性。

(1)测试终端平衡回损指标。

(2)根据响应曲线的形状适配回波抵消支路阻抗。

①如果响应曲线分布平滑，那么可直接利用阻抗适配回波抵消支路，调整曲线分布；

②若响应曲线分布不理想，则利用三元件复阻抗来适配回波抵消支路。

具体步骤如下：

A利用容性负载平滑响应曲线形状

B通过调整R₁与R₂阻值大小来调整响应曲线满足指标技术要求。

通过上述调整方法，利用简单变压器及运放即可实现2/4线传输混合网络阻抗匹配电路装置，其结构简单、可靠；电路成本低，易于实现，并且2/4线传输混合网络接口阻抗匹配性能指标最佳。弥补了在实线中继板2/4线传输混合网络接口阻抗匹配电路装置中，由于采用20Ω的热敏电阻和2μf隔直电容，而导致其接口阻抗性能指标非常临界，有的已超标问题。即使将非通用器件0.18μf电容替换为0.22μf电容，通过该方法也能得到理想适配效果。

在图6示出的中继板调整接口阻抗匹配性能指标流程框图中，在框601中，按隔直电容在1020Hz负载及热敏电阻计算传输混合网络中Z阻抗三元件参数；在框602中，按计算的实线中继板传输混合网络阻抗匹配模型建立连接电路；在框603中，进入调整接口阻抗回输损耗指标子步骤；在框604中，进入调整四线到二线频率响应指标子步骤；在框605中，进入调整二线到四线频率响应指标子步骤；在框606中，进入调整回波抵消指标子步骤；在框607中，判断各项指标是否都满足标准；如果满足标准，则结束，如不满足，则在框608中，返回到相应高速子步骤进行再修正。

图7是实线中继板调整接口阻抗回输损耗子步骤流程框图，在框701中，测试接口阻抗回输损耗指标；在框702中，测试曲线是否满足标准；如果满足则结束；如果没满足，则在框703中，保持电容C不变，通过微调R₁来调整测试曲线高频部分，R₂来调整测试曲线低频部分，并返回到框702。

图8是实线中继板调整四线端到二线端频率响应指标子步骤流程框图；在框801中，测试四线端到二线端频率响应指标；在框802中，判断测试曲线是否满足标准，如满足标准则结束，否则进到框803，判断测试曲线是否上翘；如不上翘，则在框804中适配运放输入阻抗为复阻抗三元件；如果上翘，则在框810中适配运放反馈阻抗为复阻抗三元件，同时均进入框805中，判断曲线形状是否近于理想；如不是，则在框806中调整三元件电容值并返回到框806，如是则进到框807；在框807中，判断曲线形状是否需要微调；如需要，则在框808中，保持三元件电阻R₁+R₂值不变，调整R₁∶R₂值，并返回框807；如不需要微调，则在框809中，判断调整后曲线是否理想，如不理想，则回到框804，如理想则结束。

图9是实线中继板调整二线端到四线端频率响应指标子步骤流程框图；在框901中，测试二线端到四线端频率响应指标；在框902中，判断测试曲线是否满足标准，如满足标准则结束，否则进到框903，在框903中，判断测试曲线是否上翘；如不上翘，则在框904适配运放输入阻抗为复阻抗三元件；如果上翘，则在框910中适配运放反馈阻抗为复阻抗三元件，同时均进入框905中，判断曲线形状是否近于理想；如不是，则在框906中调整三元件电容值并返回到框906，如是则进到框907；在框907中，判断曲线形状是否需要微调；如需要，则在框908中，保持三元件电阻R₁+R₂值不变，调整R₁∶R₂值，并返回框907；如不需要微调，则在框909中，判断调整后曲线是否理想，如不理想，则回到框904，如理想则结束。

图10是实线中继板调整终端平衡回损指标子步骤流程框图。在框101中，测试终端平衡回损指标；在框102中，判断测试曲线是否满足标准；如满足则结束，如不满足，则在框103中，适配回波抵消支路阻抗为三元件复阻抗，调整电容C平滑曲线形状，调整R₁与R₂值使节点V_TX为最小。

本发明提出简单地利用变压器及运放，来实现2/4线传输混合网络接口阻抗匹配，其阻抗匹配装置及其性能指标的调整方法，也适用于其它形式厚膜化的2/4线传输混合网络接口阻抗匹配装置，同属于硬件调整方法。