通信系统的制作方法

本申请基于并要求由安德鲁J.加德纳于2017年3月1日提交的美国临时申请序列号62/465,737、于2017年3月1日提交的62/465,745、以及于2017年3月3日提交的62/467,036的优先权，所有申请通过引用并入本文。

技术领域

本实用新型涉及在双绞线上使用差分数据的通信系统，具体涉及改善共模插入损耗特性的技术。

背景技术：

共模扼流圈(CMC)可消除差分线对中的共模噪声，并且滤除共模噪声的程度被称为共模插入损耗。在使用非屏蔽双绞线(UTP)电缆的数据传输应用中，在共模噪声的存在下，电缆每端的数据物理链路层设备(PHY)使用的CMC的共模插入损耗对于保持数据通信链路的完整性至关重要。

共模插入损耗受到CMC上几种约束的限制，如占地面积，绕组间电容，漏感，绕组的DCR和铁损等。此外，CMC必须具有低插入损耗和高回波损耗，这是PHY之间传输的差分数据所要求的。对于使用需要在嘈杂环境中实现非常低误码率的UTP电缆的应用，传统CMC 可能无法实现所需的共模插入损耗。解决这个僵局通常需要用相对昂贵的屏蔽电缆和连接器来替代UTP电缆和连接器。

需要更好的技术来消除携带差分数据的线对中的共模噪声。

技术实现要素：

描述了使用CMC，变压器，自耦变压器，差模扼流圈(DMC)和 AC耦合电容器的组合端接差分线对的各种技术。这些技术在不显著衰减差分数据信号的情况下改善了交流共模插入损耗，同时简化了CMC 的要求。

根据本实用新型的一个方面，公开了一种通信系统，用于从携带差分数据的一对导线中过滤AC共模信号，包括：包括用于差模数据的收发器的物理链路层设备PHY，所述PHY具有第一端子和第二端子；自耦变压器，其具有第一绕组、第二绕组以及位于第一绕组与第二绕组之间的中心抽头，自耦变压器具有耦合至PHY的第一端子的第三端子以及耦合至PHY的第二端子的第四端子，其中中心抽头通过低阻抗接地；和共模扼流圈CMC，其具有耦合到自耦变压器的第三端子的第五端子以及耦合到自耦变压器的第四端子的第六端子，CMC还具有耦合到所述导线中的第一导线的第七端子以及耦合到所述导线中的第二导线的第八端子，其中所述CMC和自耦变压器显著衰减所述一对导线与所述PHY之间的共模噪声的传输，同时不显著衰减所述一对导线与所述 PHY之间的差模数据信号的传输。

在一些实现方式中，所述CMC通过第一电容器以及第二电容器交流耦合到所述一对导线，所述第一电容器耦合在所述CMC的所述第七端子与所述导线中的所述第一导线之间，所述第二电容器耦合于所述 CMC的所述第八端子和所述导线中的所述第二导线之间。

在一些实现方式中，所述自耦变压器的所述中心抽头DC耦合到地。

在一些实现方式中，所述自耦变压器的所述中心抽头AC耦合到地。

在一些实现方式中，所述通信系统还包括耦合到所述自耦变压器的所述中心抽头的电压源，用于向以太网供电(PoE)网络中的所述一对导线提供DC电位。

在一些实现方式中，所述自耦变压器的所述第三端子经由第一电容器AC耦合到所述PHY的所述第一端子，并且所述自耦变压器的所述第四端子经由第二电容器AC耦合到所述PHY的所述第二端子。

在一些实现方式中，所述通信系统还包括耦合到所述一对导线的端接电路，所述端接电路包括将所述导线中的第一导线耦合到地的第一电阻器-电容器电路，以及将所述导线中的第二导线耦合到地的第二电阻器-电容器电路。

在一些实现方式中，所述PHY通过第一电容器以及第二电容器 AC耦合到所述一对导线，所述第一电容器串联耦合在所述第一端子和所述导线中的所述第一导线之间，所述第二电容器耦合在所述第二端子和所述导线中的所述第二导线之间。

根据本实用新型的一个方面，公开了一种通信系统，用于从携带差分数据信号的一对导线中过滤AC共模信号，包括：第一端口，具有耦合到接收差分数据信号的收发器的两个第一端子；第二端口，具有耦合到所述一对导线的两个第二端子；具有连接到AC端接电路的两个第三端子的第三端口；耦合在所述第二端口与所述第一端口之间的共模扼流圈CMC，所述CMC包括具有两个极性相同的绕组的第一变压器；和耦合在第一端口和第三端口之间的差模扼流圈DMC，DMC包括具有两个极性相反的绕组的第二变压器，其中所述CMC衰减所述一对导线上的AC共模信号并且基本上使所述差分数据信号通过，其中所述 DMC基本上使从所述一对导线经过所述CMC的所述AC共模信号通过并且将所述AC共模信号施加到所述端接电路以在所述收发器接收所述AC共模信号之前进一步衰减所述AC共模信号。

在一些实现方式中，所述CMC是第一CMC，所述系统还包括与所述第一CMC串联耦合并且在第一节点处连接到所述第一CMC的第二CMC，其中所述DMC耦合在所述第一节点和第三端口之间。

在一些实现方式中，所述AC端接电路包括耦合在所述第三端子中的一个与参考电压之间的第一电容器，以及耦合在所述第三端子中的另一个与所述参考电压之间的第二电容器。

在一些实现方式中，所述AC端接电路包括耦合在所述两个第三端子和参考电压之间的第一电容器。

在一些实现方式中，所述AC端接电路包括连接到参考电压的所述两个第三端子。

在一些实现方式中，所述通信系统还包括经由DC耦合电路耦合到所述一对导线的DC电压源，其中所述DC电压源还用作所述AC端接电路。

在一些实现方式中，所述DC耦合电路包括一个或多个电感器。

在一些实现方式中，所述DC耦合电路包括所述DMC，并且所述 DC电压被耦合到所述第三端口。

在一些实现方式中，所述收发器包括经由AC耦合电路耦合到所述第一端口的PHY。

在一些实现方式中，所述AC耦合电路包括与所述两个第一端子和所述PHY串联的电容器。

根据本实用新型的一个方面，公开了一种通信系统，用于从携带差分数据的一对导线中过滤AC共模信号，包括：包括用于差模数据信号的收发器的物理链路层设备PHY，所述PHY具有第一端子和第二端子；变压器，其具有跨过所述第一端子和所述第二端子耦合的初级绕组，所述变压器还具有次级第一绕组、次级第二绕组以及次级第一绕组和次级第二绕组之间的中心抽头，其中所述中心抽头通过低阻抗接地；和共模扼流圈CMC，其具有耦合到所述次级第一绕组的第三端子，并且具有耦合到所述次级第二绕组的第四端子，所述CMC还具有耦合到所述导线中的第一导线的第五端子以及耦合到所述导线中的第二导线的第六端子，其中所述CMC和变压器显著衰减所述一对导线与所述PHY之间的共模噪声的传输，同时不显著地衰减所述一对导线与所述PHY之间的差模数据信号的传输。

在一些实现方式中，所述通信系统还包括耦合到所述变压器的所述中心抽头的电压源，用于向以太网供电(PoE)网络中的所述一对导线提供DC电位。

根据本实用新型的一个方面，公开了一种通信系统，包括：包括用于差模数据信号的收发器的物理链路层设备PHY，所述PHY具有第一端子和第二端子；变压器式巴伦，具有耦合到所述第一端子的第三端子，并且具有耦合到所述第二端子的第四端子，所述巴伦还具有耦合到参考电压的第五端子，并且具有第六端子；耦合到所述第六端子的DC 阻断设备；DC电压源；将所述DC电压源耦合到所述DC阻断设备的 AC阻断设备；和同轴电缆，其具有耦合到参考电压的屏蔽导体，并且具有耦合到AC阻断设备的中心导体。

在一些实现方式中，所述DC阻断设备包括电容器。

在一些实现方式中，所述AC阻断设备包括电感器。

附图说明

图1显示了使用UTP电缆的两个PHY之间的一种通信链路。

图2示出了将AC耦合PHY与分流差模扼流圈(DMC)和CMC 组合的电路。

图3示出耦合到分流DMC的另一电路，以端接导线并消除AC共模信号。

图4示出了AC耦合PHY与“T形”配置的两个串联CMC和分流DMC的组合。

图5示出了差分数据通信系统的一种类型的端接，其中PHY依靠 CMC来阻止平衡双绞线电缆应用中的共模信号，并且依靠在MDI上的并联AC耦合电阻以端接共模信号。

图6示出了本实用新型的一个实施例，其使用中心抽头自耦变压器作为分流DMC，其中中心抽头交流耦合到地。

图7示出了本实用新型的另一实施例，其中自耦变压器的中心抽头通过电压源直流耦合到地。

图8示出了本实用新型的一个替代实施例，其中中心抽头自耦变压器被替换为变压器，并且变压器的MDI侧绕组被中心抽头并且通过电压源DC接地。

图9示出了本实用新型的另一个实施例，其中与图8所示的实施例相比，CMC和DC阻塞电容器的位置被交换。

图10示出了图9中的实施例的变型，其中在CMC的PHY侧端子处增加了DC耦合电感器，以便将由电压源产生的DC电压复用到平衡双绞线电缆的两个导体上。

图11示出了图10的替代实施例，其中中心抽头变压器被替换为中心抽头自耦变压器，并且其中自耦变压器的中心抽头经电容器AC接地。

图12图示了用于两对PHY的本实用新型的实施例。共模DC电压施加在自耦变压器的中心抽头上，以便在每个平衡双绞线电缆的两个导体上提供共模电压。

图13示出了一个替代实施例，其中图12的自耦变压器被变压器替换，并且PHY端子与MDI电流隔离。

图14说明了一个电路，其中具有数据线供电(PoDL)的一个线对以太网与平衡双绞线电缆一起使用。

图15示出了用于单线对以太网PHY的功率耦合电路，其允许通过同轴电缆传输差分数据和DC功率两者。

相同或等同的元件标有相同的元件编号。

具体实施方式

示出了用于减少差分数据通信系统中的共模噪声的多种技术。

用于通过双绞线进行数据传输的共模扼流圈和差模扼流圈组合

图1示出了使用UTP电缆14的两个PHY 10和12之间的通信链路。CMC 16和18用于滤除共模噪声。AC耦合电容器C1-C4滤除DC，使得PHY 10和12仅接收AC耦合的差分数据。PHY 10和12也可以发送AC耦合的差分数据。PHY 10和12包含收发器和信号调节电路，其参数通常由IEEE标准规定。

CMC包括两个耦合绕组并与双绞线串联连接。如CMC绕组上的点所示，绕组对共模信号具有相同的极性，所以由差模信号产生的磁场基本上被抵消。因此，CMC对差模电流的电感或阻抗很小。然而，共模电流由于绕组的未被抵消的耦合电感而看到高阻抗。

CMC理想地消除或极大地衰减共模RF噪声，同时为差模电压信号提供很小的损耗。但是，CMC具有限制其阻止共模信号的能力的约束。这种约束包括绕组间电容，绕组的直流电阻(DCR)和铁损。 CMC还必须向差模数据提供低插入损耗和高回波损耗。

本文提出了差模扼流圈(DMC)和一个或多个CMC的组合，其实质上改善了共模插入损耗，同时保留了所需的差模回波损耗和插入损耗。在下面的图中，为简单起见，仅示出一个PHY，并且电路可以在线对的两端对称。

图2示出了将AC耦合PHY 10与分流DMC 20和串联CMC 22组合的电路。CMC 22和DMC 20的这种配置使得在介质相关接口(MDI) 24和PHY 10之间的AC共模信号基本上被阻止，而差模信号的传输基本上不受阻碍，并且CMC 22和DMC 20的公共连接与地之间的共模信号的传输基本上不受阻碍，而AC差模信号的传输基本上被阻止。 DMC 20到地的分流连接通过电容器26和27交流耦合。

以这种方式，CMC 22的要求大大降低，因为通过CMC 22的任何 AC共模噪声通过耦合到地的AC耦合电容器26和27经由DMC 20分流。

图3中示出了耦合到DMC 20以端接导线并消除AC共模信号的另一电路。在图3中，DMC 20的一个端子经由AC耦合电容器27耦合到地，并且DMC20的第二端子连接到与电容器27连接的电容器30。该实施例大致等同于图2。

图4示出了AC耦合PHY 10与“T形”配置的两个串联CMC 22 和32以及分流DMC 20的组合。该配置使得在PHY10与CMC22/32 二者和DMC20的公共连接之间的共模信号的传输基本上被阻止，而差模信号的传输基本上不受阻碍。在CMC 22/32和DMC 20的公共连接点到地之间的共模信号的传输基本上不受阻碍，而差模信号到地的传输基本上被阻止。基本上阻止了CMC 22/32和DMC 20的公共连接到 MDI 24之间的共模信号的传输，而MDI 24和公共连接之间的差模信号的传输基本上不受阻碍。DMC 20到地的分流连接是交流耦合的。可以设想将分流DMC耦合到地的其他实施例。AC耦合电容器C1和 C2处增加的CMC 32进一步降低了AC共模噪声，同时减轻了DMC 20和CMC 22的需求，因为对于线对14上的输入信号，交流共模噪声在到达DMC 20之前被CMC 22衰减，并且在PHY 10侧(在输出信号中)生成的AC共模噪声在到达DMC 20之前被CMC 32衰减。因此，由于CMC 32，PHY 10可以看到高的AC共模阻抗。由于DMC 20在其输入端具有对称的CMC 22/32，所以AC公共噪声降低对于PHY 10 发送和接收是对称的，这可以减轻DMC 20和CMC 22/32的需求。

用于增强平衡双绞线电缆PHY的共模扼流圈性能的电路技术

在依赖平衡双绞线电缆的数据传输应用中，在存在共模噪声的情况下，电缆每端的数据物理链路层设备(PHY)使用的共模扼流圈 (CMC)的性能对于保持数据通信链路的完整性至关重要。

图5示出了差分数据通信系统的端接，其中PHY 10依靠CMC 60 阻止平衡双绞线电缆应用中的共模信号。AC耦合电容器62和63允许差分AC数据通过。包括电阻器66和68以及电容器70和72的RC电路为共模信号提供交流耦合阻抗匹配。

共模插入损耗受CMC上许多约束条件的限制，如占地面积，绕组间电容，绕组的DCR和铁损等。此外，CMC必须具有传输差模数据所要求的低插入损耗和高回波损耗。对于需要在嘈杂环境中实现非常低误码率的平衡双绞线电缆的应用，传统CMC可能无法实现所需的共模插入损耗。这种僵局的解决方案可能需要使用相对昂贵的屏蔽电缆和连接器，以减轻对CMC的要求或完全不需要CMC。

本文提出了中心抽头自耦变压器或具有中心抽头次级绕组的变压器和CMC的组合，其在使用平衡双绞线电缆的PHY应用中利用简单 CMC实质上改进了共模插入损耗。

图6示出了使用中心抽头自耦变压器74的本实用新型的一个实施例。自耦变压器是仅具有一个绕组的变压器。在自耦变压器中，同一绕组的一部分作为变压器的一次侧和二次侧。可以通过将电感串联起来，使它们的极性相加，来将两个相同的耦合电感配置为中心抽头自耦变压器。相反，普通变压器具有独立的电流隔离的初级和次级绕组。

PHY 10通过CMC 76和DC阻塞电容器78和80耦合到MDI 24。中心抽头自耦变压器74在PHY 10的两个端子之间分流连接。自耦变压器74的中心抽头是通过电容器82交流耦合到共模地。两个MDI 24 连接器端子经由由电阻器66/68和电容器70/72组成的RC电路而具有到共模地的AC耦合共模噪声端接。共模端接最小化在MDI 24处入射的共模信号的反射。

CMC 76基本上阻止AC共模信号，但基本上不阻止差模信号。由于所指示的绕组的极性，施加在自耦变压器74的与PHY 10端子共同的两个端子处的共模信号看到到共模地的低阻抗路径，而PHY 10的差模信号看到相对较高的交流阻抗。因此，AC差模信号以低损耗在MDI 24和PHY 10之间传输，而AC共模信号传输的损耗远大于使用图5所示的简单串联CMC配置可实现的损耗。与图5的配置相比，将自耦变压器74与CMC 76一起使用降低了CMC 76的要求，并改善了共模噪声抑制，而对差模数据几乎没有不利影响。

可以在自耦变压器74和PHY 10之间插入另一个CMC，使得 PHY 10看到高共模阻抗。额外的CMC可以进一步降低共模噪声的传输，超过在单个CMC情况下的可行的情形。

诸如图6所示的中心抽头自耦变压器也可代替图4中的DMC 20。

图7示出了本实用新型的一个替代实施例，其中使用电压源86在自耦变压器74的中心抽头施加直流电压。假定电压源86具有低阻抗，用于将交流共模噪声分流到地。图7的实施例的一个用途是在线对14 上提供DC电压(相对于系统地)以给在另一端连接的受电设备(PD) 供电。

图8示出了本实用新型的一个替代实施例，其中中心抽头自耦变压器被变压器87代替，并且变压器87的MDI侧绕组被中心抽头并连接到共模地。该实施例以一些效率为代价提供对PHY 10的额外隔离。

图9示出了本实用新型的另一个实施例，其中与图8中所示的实施例相比，CMC76和DC阻塞电容器88和90的位置被交换。

图10示出了图9中的实施例的变型，其中在CMC 76的PHY侧端子处增加了DC耦合电感器92和94，以便将由电压源96产生的DC电压双工化(diplex)到平衡的双绞线电缆14的两个导体上。直流电压用于在数据线供电(PoDL)网络中为导线14另一端的负载供电。

图11示出了图10的替代实施例，其中中心抽头变压器被替换为中心抽头自耦变压器74，并且其中自耦变压器74的中心抽头通过电容器 98AC接地。先前参考图6解释了使用自耦变压器的益处。

图12示出了用于两对PHY 100的本实用新型的一个实施例。由电压源102产生的共模DC电压跨过自耦变压器104和106的中心抽头施加，以便在每个平衡双绞线电缆14A和14B的两个导体上提供共模电压。隔直流电容器108-112将PHY100的端子与平衡双绞线电缆14A和 14B的导体上存在的DC电压隔离。由于电缆14A和14B的端子是相同的，所以相应的组件对被标记为A和B。

该配置用于以太网供电系统，其中一个线对传导一个DC电势(电压源102的正电压)，另一个线对传导另一个DC电势(电压源102的负电压)，并且电势差用于为线对另一端的负载供电。

图13示出了替代实施例，其中图12的自耦变压器被替换为变压器 116和118，并且PHY 100端子与MDI 24A和24B电流隔离。跨过变压器116和118的中心抽头施加由电压源102产生的DC电压，以便在每个平衡双绞线电缆14A和14B的两个导体上提供共模电压。

在如图6-13所示的实施例中，可以降低PHY差分信号的完整性的共模信号通过CMC的PHY侧的中心抽头变压器或自耦变压器的低共模阻抗分流到地。PHY可以直接连接，通过隔直流电容器连接，通过变压器接口连接，或者通过变压器接口和隔直流电容器的串联组合连接到CMC的端子。CMC的面向MDI的端子可以直接或通过隔直流电容连接到MDI。MDI上可能存在共模端接，以防止在MDI处出现不希望的共模信号反射。可以使用一对PHY的耦合电感器或者PHY的变压器或自耦变压器的中心抽头将直流电压施加于平衡双绞线电缆的导体，其中PHY依赖于两根或更多平衡双绞线电缆以进行数据的传输。

具有数据线供电(PoDL)的同轴电缆的单对以太网

具有数据线供电(PoDL)的一个线对以太网通常与平衡双绞线电缆120一起使用，如图14所示。在图14中，DC电压源122通过直流耦合电感L1和L2耦合到CMC 22的输入。电感L1和L2阻碍差分交流信号。由于直流电压不是共模AC信号，所以CMC 22不会阻碍直流电压。

然而，在某些情况下(例如在非常嘈杂的环境中)，通过同轴电缆利用直流电发送一对线对以太网数据可能很有用。

以下参考图15描述用于具有PoDL的单线对以太网PHY的功率耦合电路，其允许通过同轴电缆传输差分数据和DC功率两者。图15类似于在转让给Broadcom公司的美国公开20160308683中的图3的电路，除了隔直流电容器124已被添加到电路中。如果没有电容器124， Broadcom电路将无法工作，因此Broadcom公开的内容并未启用该电路。

本图15的电路使用巴伦126将PHY 10的平衡差分接口变换到同轴电缆128的单端接口。同轴电缆128的外屏蔽接地以为中心线屏蔽外部噪音。隔直流电容器124将巴伦126的MDI侧绕组与电缆128的两个导体之间存在的DC电压隔离。电感器L1用于将DC电源130或负载(耦合到电缆128的另一端)插入电缆128的两个导体中。可以设想用于将巴伦126的MDI侧绕组与线缆128的两个导体之间的DC电压隔离的附加方案。

尽管已经示出和描述了本实用新型的特定实施例，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以在不背离本实用新型的更广泛方面的情况下进行改变和修改，并且因此所附权利要求书在它们的范围内将包括在本实用新型的真实精神和范围内的所有这些改变和修改。