专利名称：编译码器中带有开关电容式模拟滤波器的交流线路卡的制作方法
技术领域：
本发明涉及电话系统中模拟电话装置与数字电话交换网之间的接口。更具体些说，本发明涉及在电话系统的模拟线路卡中设定AC(交流)参量的方法和设备。
几乎全部现代电话系统采用数字交换网。所以，这些电话系统必须有一个接口电路，把模拟电话装置连接到数字网络上。这个接口必须完成许多功能，包括传送方向上的模数转换，接收方向上的数模转换以及各种AC系统参量的设定。
为了保证高质量的通信，必须由接口电路设定的AC参量有1)传送方向上接口两端的增益；2)接收方向上接口两端的增益；3)接口处的阻抗匹配，以避免信号反射和减少功率消耗；和4)混合消除，以避免在四线到双线接口处的信号回波，如以下要解释的。
电话系统的模拟部分通常是一个双线系统(塞尖和塞环)。在电话系统的模拟部分中，接收信号和传送信号都在相同的线对上运载。然而，网络的数字部分是一个四线系统，在此系统中，传送信号是在第一线对上传送，接收信号是在第二线对上被接收。正如熟知电话系统的专业人员所所周知的，信号被耦合是通过双线到四线接口进行。在此接口处需要一个混合消除电路，以防止从四线数字部分接收线对耦合到双线模拟部分的信号又返回到四线系统的传送线对上。
完成模数转换，数模转换以及设定上述AC参量诸多上述功能的装置一般称之为模拟线路卡。模拟线路卡还完成另外一些功能，例如，给电话装置提供DC功率，以及发送信号的功能，例如，振铃、钩键检测，等等。模拟线路卡可以放在许多不同的地方，例如，电话公司中心局，电视机顶盒，或边侧盒(curb side box)，称之为数字环路系统或线对增容系统。
模拟线路卡包括的部件有用户线路接口电路(SLIC)，编译码器(CODEC)，以及SLIC与CODEC之间的接口。
图1表示通常称之为现有技术第一代模拟线路卡10的一个实例。SLIC12耦合到电话系统的模拟部分，完成给模拟电话装置提供DC功率和监控功能。
CODEC14完成传送方向上的模数转换，接收方向上的数模转换，以及包括抗混淆滤波在内的某些滤波功能。
上述四个AC参量的设定，即，传送增益，接收增益，阻抗匹配，和混合消除(hybrid cancellation)的设定，是由SLIC与CODEC之间接口16中模拟电路(基本连续时间模拟滤波器)完成的。虽然SLIC12和CODEC14通常是由单独的集成电路芯片做成，但接口是由离散的，外部的模拟电路部件构成，电路设计成可以提供设定上述AC参量所需的全部转换功能。(此处用到的外部一词是指电路元件的构成是在半导体芯片之外)。例如，数/模增益(即，在接收方向上)是由电阻分压器电路18实现的，模/数增益(即，在接收方向上)是由有源运算放大器滤波电路20实现的，阻抗匹配是由无源模拟滤波电路22实现的，或许是另一个运算放大器滤波电路，混合消除是由另一个模拟滤波电路24实现的。
图2表示通常称之为现有技术第三代模拟线路卡30的一个实例。第三代线路卡中的SLIC32大体上是类似于第一代线路卡中的SLIC。然而，提供设定上述四个AC参量的转换功能电路是包含在CODEC34中，而不是在SLIC32与CODEC34之间的接口36中。尤其是，CODEC包括一个可编程数字信号处理器(DSP)芯片38。在这种类型模拟线路卡中，数字滤波是由CODEC芯片中可编程DSP完成的，在获得两个方向上的所需增益，混合消除和阻抗匹配。因此，接口电路37是非常简单的；在从双线到四线传送方向路径上通常只包括一个隔直电容器。
利用上述第一代线路卡与第三代线路卡技术的组合，各种其他的模拟线路卡在现有技术中是熟知的。虽然行业中有些人把其他类型模拟线路卡分类成第1.5代和第二代，一般来说，这些系统只是利用CODEC中的DSP芯是完成某些AC参量的设定功能，而其他AC参量的设定是由接口中的外部模拟电路完成，例如，第二代模拟线路卡通常用于描述这种模拟线路卡，其中利用CODEC中的数字滤波器完成增益匹配和混合消除，而利用接口中的外部模拟滤波器作阻抗匹配。
模拟线路卡设计中的一个共同点是使集成电路部件(即，SLIC部分和CODEC部分)充分地普适，这些组件可用于上述AC参量不同标准的各个国家。因此，举例来说，在第一代模拟线路卡中，上述所有AC参量是由接口中的外部模拟电路设定。所以，单个SLIC和单个CODEC可用于各个不同的国家，只需要重新设计模拟接口电路以满足不同国家的技术要求。在第三代模拟线路卡中，上述AC参量是利用可编程DSP芯片设定的。所以，单个CODEC和SLIC可用于各个国家，对于每个国家而言只是CODEC编程不同。
第一代类型系统的优点是成本和功耗都低，因为SLIC集成电路和CODEC集成电路相对地都简单。然而，它们的缺点是，接口非常复杂，对于每组不同的AC参量标准(即，对于每个不同的国家)，必须重新设计接口。
第三代类型系统的优点是最少的外部电路，通常只要在传送方向上使用一个隔直电容器。然而，它们的缺点是，系统中包括一个可编程DSP芯片，因而大大地增大成本和功率。而且，不同国家采用CODEC涉及到大量的编程工作，因为对于每个国家而言必须重新编程。
所以，本发明的一个目的是提供一种改进型模拟线路卡。
本发明的另一个目的是提供一种对外部接口电路有最少要求的改进型模拟线路卡。
本发明的第三个目的是提供一种低成本和低功率模拟线路卡。
本发明的第四个目的是提供这样一种模拟线路卡，基本上不需要用户做什么工作或进行编程，就可以适用于不同的AC参量标准。
本发明是一个模拟线路卡，用于电话系统中数字交换网到模拟电话装置的接口。按照本发明，SLIC与CODEC是匹配的，就是说，它们的输入和输出是相容的，不需要调整电路。此外，设定各种AC参量所需的电路转换功能是由离散时间(取样)开关电容式模拟滤波器完成的，最好是，这种滤滤器包含在CODEC集成电路中。因此，在SLIC与CODEC之间只需要最少的接口电路，例如，在传送方向上(即，模数转换方向)只有一个隔直电容器，在接收方向上不需要电路系统。
按照本发明，由于不使用DSP芯片，模拟线路卡是低成本和低功耗的。此外，由于SLIC与CODEC之间只需要最少的接口电路，模拟线路卡是既可靠又简单。
此外，本发明的模拟线路卡可适用于不同的AC参量标准，即不同的国家，只要由芯片制造商替换与加工集成电路开关电容式模拟滤波器部分相关的不同掩模件。所以，产品用户或客户基本上没有加工要求上的负担，可适用于不同国家的模拟线路卡。确切地说，所需加工要求是由CODEC芯片制造商完成的。而且，所需要的再加工只是替换用于制造芯片的某些掩摸件，以便改变开关电容式模拟滤波器中的电容器电容值。大部分的电路设计和加工过程保持不变。具体些说，为了使CODEC适用于不同国家的不同AC参量技术要求，只需要调整开关电容式网络中各个电容器之间相对电容值。因此，只需要改变制造开关式电容器的某些掩模件，以便使CODEC适用于不同的国家。
图1是部分方框图，画出现有技术第一代模拟线路卡的部分电路图。
图2是部分方框图，画出现有技术第三代模拟线路卡的部分电路图。
图3是部分方框图，画出本发明模拟线路卡的部分电路图。
图4A是电路图，表示现有技术的模拟滤波器。
图4B是电路图，表示按照开关电容式模拟滤波器技术构成的图4A模拟滤波器。
图5是按照本发明的CODEC方框图。
图6A是电路图，说明用于中华人民共和国双线到四线电话系统接口的阻抗标准。
图6B是电路图，说明用于中华人民共和国设定AC参量的一组典型转换功能，这些功能可以由本发明开关电容式滤波器完成。
图7是电路图，说明用于中华人民共和国设定AC参量的典型离散时间(取样)开关电容式模拟滤波电路，这是按照本发明图6B中转换功能的电路图。
图3表示按照本发明模拟线路卡100的基本部件图。它包括集成电路形式的SLIC102。此外，它还包括最简单的接口电路104，在一个优选实施例中，没有电路系统，只有导线。CODEC集成电路106通过接口104耦合到SLIC。按照本发明的CODEC集成电路不仅完成涉及模/数编码和解码的功能，而且还提供设定AC参量的电路转换功能，这些功能包括传送方向上的增益匹配，接收方向上的增益匹配，阻抗匹配，和混合消除。这四个电路转换功能中的每一个是由开关电容式离散时间模拟滤波电路完成的。
因此，本发明中既不需要第一代类型模拟线路卡的模拟电路接口，也不需要第三代类型模拟线路卡的可编程数字信号处理器。相反地，AC参量的设定是由直接制成在CODEC集成电路中的开关电容式模拟滤波网络完成的。
开关电容式网络可用于实现与外部电路部分构成模拟电路相同的转换功能，而且还可以制成在集成电路上。一般来说，在现在集成电路制造工艺的条件下，电阻器和电容器还不能加工成本行业可接受的容许偏差范围以内。例如，外部电阻器和电容器可以制成其数值(欧姆或法拉)在小于1％的公差范围内。然而，利用现有的制造工艺，加工在集成电路中电阻器和电容器的公差为30％量级。此外，由于电阻器和电容器是在加工过程不同步骤中埋入管芯中，在给定集成电路管芯内的电阻器公差的变化与埋入相同管芯内的电容器公差的变化无关。因此，在任一给定芯片上的电阻器可以处在公差极限的上端，而电容器可以处在公差范围的下端。换句话说，不存在公差的跟踪。所以，利用集成电路上的电阻器和电容器制作模拟滤波电路，要达到合适的精确度是根本不可能的。
然而，开关电容式电路利用电容器和开关模拟电阻器。尤其是，以一指定的频率把电容器接入电路和脱开电路，就可以用一个电容器和一个开关模拟任何电阻器。
图4A是由外部模拟电路部件构成的积分器电路图。它包括运算放大器52，电阻器54和电容器56。所示电路提供转换功能Vout=1R1C1∫Vindt]]>图4B是利用开关电容式模拟滤波器设计原理制成的模拟滤波器电路图，给出了与图4A所示滤波器相同的转换功能。该电路的相似之处是，它采用了运算放大器52和电容器56与图4A电路有大致相同的电路关系。然而，电阻器54是用电容器58和放在电容器58相对两端的开关60和62替代。在这个实施例中，电路转换功能实际上是Vout=F0C1C2∫Vindt]]>通过选取适当的电容器58电容值以及开关62和64适当的开关频率，电容器60能够准确地模拟电阻器54。开关电容式滤波器的特征及其制造方法对于专业人员是熟知的，所以就不在此处作更详细的讨论。对开关电容式模拟滤波器更多信息感兴趣的读者可以参考Mohan,P.V.Anada“开关电容式滤波器理论，分析，和设计”1993年版本，以获得更详细的内容。
因为开关电容式模拟滤波器中的电阻制作成电容器，在集成电路中制作电容器的公差范围大仍是未解决的问题。尤其是，模拟滤波器的转换功能取决于电阻值与电容值之比。在一个开关电容式模拟滤滤器中，全部电阻和电容实际上都制作成电容器。因此，即使电容器制作公差有很大的范围，所有电容器的电容值是互相跟踪的。所以，它们的比值保持相同。因此，大的公差范围就变得无关紧要，因为涉及到的滤波器转换功能是由滤波电路中电阻器(即，开关式电容器)和电阻值与电容值之比确定的，而不是由电阻器(即，开关式电容器)的实际电阻值和电容值确定的。
所以，利用现有的加工技术，开关电容式模拟滤波器工艺允许在集成电路上精确地制成模拟滤波器。因此，根据本发明，获得上述各种AC参量所需的转换功能可以由直接制作在CODEC集成电路芯片上的开关电容式模拟滤波器来实现。
此外，在有必要修改模拟线路卡以适应世界各地不同的AC参量标准时，只不过是改变开关电容式模拟滤波器中电容器(开关式的与非开关式的)的相对值。所以，制作不同的CODEC芯片以获得不同国家不同的转换功能，只不过是替换某些掩模，特别是替换与开关电容式模拟滤波器中电容器制作相关的掩模。制作过程中不需要作其他的更改。
所以，CODEC集成电路制造商可以相对地容易把一个特定国家设计的CODEC适用于其他各个国家。更重要的是，适合于新的AC参量技术要求的全部再加工是由芯片制造商来处理，而用户，客户，或实际供应模拟线路卡的原有设备制造商(OEM)不需要做什么加工。
此外，SLIC与CODEC之间的外部接口保持成极其简单，CODEC中不需要高成本和高功率的DSP芯片。
事实上，在本发明的一个优选实施例中，CODEC与SLIC是匹配的，就是说，它们的输入和输出是相容的，不需要调整电路。例如，把CODEC和SLIC设计成采用相同的信号电平。因此，接口104中不需要电阻分压器网络。而且，若SLIC和CODEC有DC偏置，最好是，它们的DC偏置是相同的。事实上，在一个最佳的实施例中，没有DC偏置。在这个实施例中，SLIC与CODEC之间的接口104中根本不需要隔直电容器。
图5是按照本发明的CODEC方框图。在传送方向上，缓冲放大器81接收来自SLIC的传送数据。缓冲放大器81的输出耦合到阻抗匹配电路83，阻抗匹配电路83跨接在传送数据路径与接收数据路径之间，放大器81的输出还耦合到加法器85。加法器85对传送数据与混合消除电路87的输出求和，为的是消去从接收数据路径返回而在传送数据路径上的接收数据，这是由于发生在SLIC中四线系统到双线系统的感应耦合造成的。传送路径增益调整电路89匹配传送方向上SLIC与CODEC之间的增益。被开关电容式电路87和89设定的AC参量，即传送路径增益调整电路85的输出然后传到带通滤波器90。之后进入模数转换器91，作实际的数字编码操作。
在接收方向上，接收到的数字数据被数模转换器93转换成模拟量，然后在AC参量设定之前通过低通滤波器95。低通滤波器95的输出传送到接收路径增益调整电路97。增益调整电路97的输出与阻抗匹配电路83输出的阻抗匹配信号在加法器98中求和，增益调整电路97的输出还传送到混合消除电路87。加法器98的输出传送到放大器99，之后传输到SLIC。按照本发明，阻抗匹配电路83，混合消除电路87，以及两个增益调整电路89和97都是由开关电容式模拟滤波器构成。
图6A和6B是本发明开关电容式模拟滤波电路83,87,89,97提供的典型转换功能示图。特定的所示转换功能是按照中华人民共和国(PRC)确定的设定AC参量标准而开发的。
图6A是电路图，说明为中华人民共和国确立的阻抗要求ZT。
图6B表示按照本发明由一系列开关电容式模拟滤波电路提供的一组典型转换功能，以满足中华人民共和国AC参量的要求，包括图6A中所示的阻抗要求。R1,R2和C值在图6A中给出。Rx=300欧姆，2Rp=165欧姆，以及AR=8。
基于所示转换功能相称的开关电容式模拟滤波器的研制对于有关专业人员是熟知的。SLIC集成电路用70表示，CODEC集成电路用72表示。来自SLIC70传送数据路经电阻器RGX和隔直电容器CB连接到CODEC集成电路的模拟前端。适合于中国的阻抗匹配转换功能在方框83a中表示。方框87a中代表的转换功能是混合消除转换功能。如图所示，在中国，这个转换功能只不过是对接收数据路径上的数据衰减一半，传送路径上增益调整转换功能在方框93a中表示。适合中国的接收路径上增益调整转换功能在方框97a中表示。
图7是电路图，说明用于中华人民共和国设定AC参量的典型离散时间(取样)开关电容式模拟滤波电路，这是按照本发明图6B中转换功能电路图。有标号的方框对应于图6B中转换功能方框。
图6B和图7所示转换功能和电路是专门为中国选取的，仅仅作为典型的例子。应当明白，为任何特定一组AC参量标准实施的特定转换功能可以作替换，并没有改变本发明的基本概念。一般来说，所示转换功能应该适用于大多数国家，只需要替换Rx,RP,R1,R2,RGx,C1和CB成适当的数值。此外，任何给定的一组转换功能可以用多种具体电路设计来实现。图7仅仅表示典型的优选电路设计。
因此，按照本发明，AC参量的设定并不需要大量的外部模拟接口电路或数字信号处理器。此外，按照本发明的CODEC芯片可以容易地适合于提供不同标准的AC参量设定，只要在制造过程中根据每个标准改变开关电容式模拟滤波器中电容器的电容值。
至此已经描述了本发明几个具体实施例，对于专业人员来说，能够容易地想到各种替换，变更，和改进。根据我们的披露，这种替换，变更和改进是显而易见的，虽然此处没有明确地说明，应该规定为我们描述的部分内容，并规定为在本发明的精神实质和范围以内。以上描述只是作为例子，而不是限制，本发明仅仅限制在以下权利要求书及其相当内容的规定中。
权利要求
1．一种把双线电话装置连接到四线电话装置的设备，包括用户线路接口电路(SLIC)；开关电容式模拟滤波电路；和CODEC。
2．按照权利要求1的设备，其中所述开关电容式模拟滤波电路给所述接口设定AC参量。
3．按照权利要求2的设备，其中所述开关电容式模拟滤波电路和所述CODEC整体地制成单个集成电路。
4．按照权利要求2的设备，其中所述SLIC与CODEC是匹配的。
5．按照权利要求4的设备，其中所述开关电容式模拟滤波电路适合于给所述接口提供阻抗匹配。
6．按照权利要求5的设备，其中所述开关电容式模拟滤波电路适合于给所述接口提供混合消除。
7．按照权利要求6的设备，其中所述开关电容式模拟滤波电路适合于给所述接口设定增益。
8．一种给双线到四线电话接口设定AC参量的电路，包括用于混合消除的开关电容式模拟滤波电路；用于阻抗匹配的开关电容式模拟滤波电路；和用于增益设定的开关电容式模拟滤波电路。
9．按照权利要求8的电路，还包括SLIC，用于耦合到双线电话系统；和CODEC，用于耦合到四线电话系统。
10．按照权利要求9的电路，其中所述混合消除电路，阻抗匹配电路和增益设定电路各自制成单个集成电路。
11．按照权利要求10的电路，其中所述CODEC整体地制成在所述集成电路中。
12．按照权利要求11的电路，其中所述SLIC制成为第二个集成电路。
13．按照权利要求12的电路，其中所述SLIC与所述CODEC是匹配的。
14．按照权利要求9的电路，其中所述SLIC与所述CODEC是匹配的。
15．一个在双线到四线电话接口上设定AC参量的方法，所述方法包括以下步骤(1)提供用于混合消除的开关电容式模拟电路；(2)提供用于阻抗匹配的开关电容式模拟电路；和(3)提供用于增益设定的开关电容式模拟电路。
16．按照权利要求15的方法，其中(1),(2)和(3)中每一步骤包括提供集成电路形式的所述电路。
17．按照权利要求16的方法，其中(1),(2)和(3)中每一步骤包括提供在单个集成电路中的全部所述电路。
18．按照权利要求17的方法，其中(1),(2)和(3)中每一步骤包括提供在带有CODEC的单个集成电路中的全部所述电路。
全文摘要
本发明是一个模拟线路卡,用于电话系统中数字交换网到模拟电话装置的接口,在此系统中SLIC与CODEC是匹配的,为的是需要标称的接口电路,且设定各种AC参量所需的电路转换功能是由包含在CODEC集成电路中的开关电容式模拟滤波器实现的。
文档编号H04M1/00GK1222023SQ9812308
公开日1999年7月7日 申请日期1998年12月9日 优先权日1998年12月9日
发明者大卫·P·查比尼斯, 约翰·C·加莫尔, 道格拉斯·G·马西, 德威尼·A·思皮勒斯 申请人:朗迅科技公司