低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節方法及其電學架構的製作方法

2023-05-01 13:58:36

專利名稱：低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節方法及其電學架構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種數據通信領域中的時鐘和數據恢復技術，特別涉及一種數據通信 中固定或調製頻率失調嚴重下保持相位鎖定且減緩大幅抖動的雙環鎖頻及鎖相方法及其 電學結構，屬於電學領域。
背景技術：
現代高速數據通信系統的設計，廣泛採用了在原始數據流中嵌入時鐘定時信息來 進行時鐘恢復。它提供了更高的數據率，更好的可靠性，降低噪音的產生，提高抗噪聲性能 和降低功耗成本。為了進一步降低電磁幹擾(EMI)，時鐘擴譜(SSC)技術被用來將能量分 布到一個有限的頻段內。時鐘頻率被調至到一個較低的頻率上，如PCI-Express協議中是 30kHz 33kHz，同時定義了包絡的形狀和幅度，如鋸齒波形狀，幅度為5000ppm。通常來說，接收器的時鐘頻率和發送器的時鐘頻率不相等。在這個靜態的頻率失 調上，時鐘擴譜調製會進一步增加發送器和接收器間的頻率失調。比如，在PCI-Express 接口中，靜態頻率失調能夠達到600ppm，同時動態最大的峰-峰調製頻率失調可達到 lOOOOppm。一般方法中，通過增加時鐘恢復環路的增益或者帶寬來達到跟蹤這樣大的即時頻 率失調。但是較高的時鐘恢復帶寬導致環路增益過大，從而增加了恢復時鐘的高頻抖動。因 此需要尋求一種在不增加恢復時鐘抖動情況下來獲得較大頻率失調跟蹤能力的方法。

發明內容
鑑於上述現有技術的缺陷及迫切需求，本發明的目的是提出一種低抖動高頻差鎖 頻鎖相的雙環調節方法及其電學架構，解決時鐘恢復環路中跟蹤較大即使頻率失調的難 題。本發明的第一個目的，將通過以下技術方案得以實現低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法，其特徵在於包括用於分別調諧頻率和相 位的雙環路，其步驟為I、設置頻率鎖定環路和相位鎖定環路；II、通過插值器及鑑頻鑑 相器確定參考時鐘與反饋時鐘之間的總即時相位誤差；III、利用低通濾波器，將總即時相位 誤差分離提取成靜態/低頻頻率失調和調製頻率失調兩個頻率分量的即時相位誤差；IV、 利用靜態/低頻頻率失調的即時相位誤差，通過頻率鎖定環路跟蹤並調節靜態/低頻頻率 失調；V、利用調製頻率失調的即時相位誤差及從頻率鎖定環路輸出的時鐘相位，通過相位 鎖定環路跟蹤並調節參考時鐘和反饋時鐘之間的相位是否對準。進一步地，上述低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法，其中該雙環鎖頻及鎖相 方法通過計算機運行，靜態/低頻頻率失調和調製頻率失調兩個分量的即時相位頻率誤差 及濾波帶寬均存儲在計算機的可讀介質中，以供調用查找。進一步地，上述低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法，其中該步驟II中分離提 取兩個頻率分量的即時相位誤差之前或之後，還包括對即時相位誤差進行環路過濾的過程。本發明的第二個目的，其得以實現的技術手段為低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於所述雙環鎖電學架構 包括鑑頻鑑相器、環路濾波器、低通濾波器、本地時鐘發生器及相位延時單元；參考時鐘與 反饋時鐘分別輸入鑑頻鑑相器，且鑑頻鑑相器輸出順次連接環路濾波器及低通濾波器，所 述低通濾波器的靜態/低頻分量輸出端直接連接至本地時鐘發生器，且調製頻率分量輸出 端經一相位減加器連接至相位延時單元，並反饋輸出至鑑頻鑑相器；其中低通濾波器的高 頻分量輸出端與相位延時單元及鑑頻鑑相器構成鎖相環路，而所述低通濾波器的靜態/低 頻分量輸出至本地時鐘發生器，並與相位延時單元、鑑頻鑑相器和環路濾波器一併構成頻 率鎖定環路。進一步地，前述低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其中鑑頻鑑相器包 括產生數字、模擬或混合類型即時相位誤差信號的頻率相位檢測器。進一步地，前述低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其中該頻率鎖定環 路為模擬形式，包括模擬電壓或電流控制的本地時鐘發生器及模擬電壓或電流控制的相位 延時單元；或者該頻率鎖定環路為數字形式，包括數字電壓或電流控制的本地時鐘發生器 及數字電壓或電流控制的相位延時單元。進一步地，前述低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其中該鎖相環路為 模擬形式，包括模擬電壓或電流控制的相位延時單元；或者該鎖相環路為數字形式，包括數 字電壓或電流控制的相位延時單元。進一步地，前述低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其中該頻率鎖定環 路或鎖相環路中，環路濾波器設於低通濾波器的前端或低通濾波器的後端。更進一步地，前述低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其中當該環路濾 波器設於低通濾波器前端時，在模擬的鑑頻鑑相器與數字的環路濾波器間設有N比特的模 數轉換器，或在數字的鑑頻鑑相器與模擬的環路濾波器間設有N比特的數模轉換器。更進一步地，前述低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其中當該環路濾 波器設於低通濾波器後端時，在模擬的鑑頻鑑相器與數字的低通濾波器間設有N比特的模 數轉換器，或在數字的鑑頻鑑相器與模擬的低通濾波器間設有N比特的數模轉換器。本發明的技術方案應用實施後，較之於現有技術突出的技術效果為該鎖頻鎖相雙環調節方法及其電學架構，通過過濾出自鑑頻鑑相器的輸出分離得 到相位誤差，並利用靜態/低頻頻率失調的即時相位誤差信號驅動頻率鎖定環路，以此跟 蹤靜態/低頻頻率失調。該雙環架構無需增加環路增益或帶寬，能有效避免高頻抖動的增 大。


圖1是數據通信中基於插值器的時鐘數據恢復模塊；圖2是一個靜態和跳頻調製下的即時頻率失調的情況；圖3為本發明鎖頻環和鎖相環的雙環架構示意圖。
具體實施例方式以下便結合實施例附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳述，以使本發明 技術方案的細節更全面地得以展示，其實質特徵更易於理解、掌握。需要提醒注意的是以 下關於實施例的敘述不是限制性的，本領域人員使用其它途徑所完成的同樣的創作，雖然 沒有具體地說明其中，但同樣包括在本發明專利申請的保護範圍之內。本發明的方法是I、 通過插值器及鑑頻鑑相器確定參考時鐘和反饋時鐘間的總即時相位誤差；II、將總即時相 位誤差採用低通濾波器分離提取成靜態/低頻頻率失調和調製頻率失調兩個頻率分量的 即時相位誤差；III、利用靜態/低頻頻率失調的即時相位誤差，通過頻率鎖定環路跟蹤靜態 /低頻頻率失調；IV、利用調製頻率失調的即時相位誤差及從頻率鎖定環路輸出的時鐘相 位，通過鎖相環路跟蹤參考時鐘和反饋時鐘間的相位是否對準。一般來說，相位頻率檢測器比較的是本地時鐘(反饋時鐘)和一個基準時鐘(也 稱為參考時鐘)信號間的相位和頻率，這個基準時鐘信號可能是被嵌入了接收到的數據或 時鐘中。圖1所示的是數據通信中基於插值器的時鐘數據恢復模塊。正如圖1所示，鑑頻 鑑相器100被用來檢測即時相位和頻率誤差信號，而通過一個插值器120來延遲或提前本 地時鐘來將恢復時鐘與接收到的數據對齊。鑑頻鑑相器100依照即時相位頻率差輸出向上 或向下的脈衝，然後被濾波器110濾波。濾波後的信號被用來控制由插值器120送來的時 鍾信號的頻率和相位。插值器使用的多路時鐘相位可以很方便的由本地時鐘產生器實現。如圖2所示，描述的是發送器和接收器之間頻率偏移的例子。通常在發送器和接 收器間存在一個固定的頻率偏差fsos，比如在PCI-Express中fsos等於600ppm。在靜態頻 差的基礎上，發送器和接收器的頻率還同時被調製。調製頻率一般比較低，在PCI-Express 協議中是30kHz 33kHz。調製信號是周期的，比如三角波等。發送器和接收器間的調製可 以是非同步的。因此在發送器和接收器間的最大的即時頻率偏差fmos可以是調製頻率的 兩倍以上，比如在PCI-Express中可以達到lOOOOppm。總的即時頻率偏差是靜態頻率偏差 和調製頻率偏差之和，為了跟蹤這麼大的頻率偏差，典型二階時鐘恢復環路的帶寬需要增 加。但這同時增加了時鐘環路的抖動；同時由於鑑頻鑑相器延時的原因，環路帶寬還受限於 環路穩定性的要求，因此增加帶寬在此不是一個好的方法。如圖3所示的本發明鎖頻環和鎖相環的雙環架構。該雙環鎖電學架構包括鑑頻鑑 相器300、環路濾波器310、低通濾波器320、本地時鐘發生器330及相位延時單元340 ；參 考時鐘與反饋時鐘分別輸入鑑頻鑑相器，且鑑頻鑑相器輸出順次連接環路濾波器及低通濾 波器，所述低通濾波器的靜態/低頻分量輸出端直接連接至本地時鐘發生器，且調製頻率 分量輸出端經一相位減加器連接至相位延時單元，並反饋輸出至鑑頻鑑相器；其中低通濾 波器的高頻分量輸出端與相位延時單元及鑑頻鑑相器構成鎖相環路，而所述低通濾波器的 靜態/低頻分量輸出至本地時鐘發生器，並與相位延時單元、鑑頻鑑相器和環路濾波器一 並構成頻率鎖定環路。其中，鑑頻鑑相器300通過比較參考時鐘和反饋時鐘之間的時序產 生一個即時的相位差。由靜態或低頻頻率失調引起的即時相位誤差Errorlf被低通濾波器 320提取出來。其它的高頻即時相位誤差成分Errorhf可以通過將Errorlf從總的相位誤 差中減去來獲得。Errorlf用來提前或延後本地時鐘產生器330的時鐘，因此本地時鐘的頻 率將以Oppm的靜止或低頻頻率偏差來跟蹤參考時鐘的頻率。Errorhf用來通過一個延遲單 元340 (例如插值器)延遲或提前從頻率鎖定環路出來的時鐘的相位，來跟蹤參考時鐘和反饋時鐘間的即時相位對準與否。頻率鎖定環路能夠完全跟蹤靜止的或低頻的頻率偏差。鎖 相環的帶寬無需很高這是因為鎖相環不需要跟蹤大的靜態或低頻頻率偏差。上述實施例的優選方案還包括，該雙環鎖頻及鎖相方法通過計算機運行，靜態/ 低頻頻率失調和調製頻率失調兩個分量的即時相位頻率誤差及濾波帶寬均存儲在計算機 的可讀介質中，以供調用查找。上述分離提取兩個頻率分量的即時相位誤差之前或之後，還包括對即時相位誤差 進行環路過濾的過程。該頻率鎖定環路為模擬形式，包括模擬電壓或電流控制的本地時鐘發生器及模擬 電壓或電流控制的相位延時單元；或者該頻率鎖定環路為數字形式，包括數字電壓或電流 控制的本地時鐘發生器及數字電壓或電流控制的相位延時單元；該鎖相環路為模擬形式， 包括模擬電壓或電流控制的相位延時單元；或者該鎖相環路為數字形式，包括數字電壓或 電流控制的相位延時單元。進一步地，該頻率鎖定環路或鎖相環路中，環路濾波器設於低通濾波器的前端或 低通濾波器的後端。當環路濾波器設於低通濾波器前端時，在模擬的鑑頻鑑相器與數字的 環路濾波器間設有N比特的模數轉換器，或在數字的鑑頻鑑相器與模擬的環路濾波器間設 有N比特的數模轉換器；當環路濾波器設於低通濾波器後端時，在模擬的鑑頻鑑相器與數 字的低通濾波器間設有N比特的模數轉換器，或在數字的鑑頻鑑相器與模擬的低通濾波器 間設有N比特的數模轉換器。本發明適用於時鐘恢復或者鎖相環路，一些其它可能包括的應用體現為低頻頻偏 條件下不可調帶寬的濾波器等。綜上所述，本發明低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節方法及 其電學架構的技術特點已全面詳細展示，並且該雙環架構無需增加環路增益或帶寬，能有 效避免高頻抖動的增大。
權利要求
低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法，其特徵在於包括用於分別調諧頻率和相位的雙環路，其步驟為Ⅰ、設置頻率鎖定環路和相位鎖定環路；Ⅱ、通過插值器及鑑頻鑑相器確定參考時鐘與反饋時鐘之間的總即時相位誤差；Ⅲ、利用低通濾波器，將總即時相位誤差分離提取成靜態/低頻頻率失調和調製頻率失調兩個頻率分量的即時相位誤差；Ⅳ、利用靜態/低頻頻率失調的即時相位誤差，通過頻率鎖定環路跟蹤並調節靜態/低頻頻率失調；Ⅴ、利用調製頻率失調的即時相位誤差及從頻率鎖定環路輸出的時鐘相位，通過相位鎖定環路跟蹤並調節參考時鐘和反饋時鐘之間的相位是否對準。
2.根據權利要求1所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法，其特徵在於所述 鎖頻及鎖相雙環調節方法通過計算機運行，靜態/低頻頻率失調和調製頻率失調兩個分量 的即時相位頻率誤差及濾波帶寬均存儲在計算機的可讀介質中，以供調用查找。
3.根據權利要求1所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法，其特徵在於步驟 III中分離提取兩個頻率分量的即時相位誤差之前或之後，還包括對即時相位誤差進行環路 過濾的過程。
4.低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於包括鑑頻鑑相器、環路 濾波器、低通濾波器、本地時鐘發生器及相位延時單元；參考時鐘與反饋時鐘分別輸入鑑頻 鑑相器，且鑑頻鑑相器輸出順次連接環路濾波器及低通濾波器，所述低通濾波器的靜態/ 低頻分量輸出端直接連接至本地時鐘發生器，且調製頻率分量輸出端經一相位減加器連接 至相位延時單元，並反饋輸出至鑑頻鑑相器；其中低通濾波器的高頻分量輸出端與相位延 時單元及鑑頻鑑相器構成鎖相環路，而所述低通濾波器的靜態/低頻分量輸出至本地時鐘 發生器，並與相位延時單元、鑑頻鑑相器和環路濾波器一併構成頻率鎖定環路。
5.根據權利要求4所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於 所述鑑頻鑑相器包括產生數字、模擬或混合類型即時相位誤差信號的頻率相位檢測器。
6.根據權利要求4所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於 所述頻率鎖定環路為模擬形式，包括模擬電壓或電流控制的本地時鐘發生器及模擬電壓或 電流控制的相位延時單元。
7.根據權利要求4所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於 所述頻率鎖定環路為數字形式，包括數字電壓或電流控制的本地時鐘發生器及數字電壓或 電流控制的相位延時單元。
8.根據權利要求4所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於 所述鎖相環路為模擬形式，包括模擬電壓或電流控制的相位延時單元。
9.根據權利要求4所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於 所述鎖相環路為數字形式，包括數字電壓或電流控制的相位延時單元。
10.根據權利要求4所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於 所述頻率鎖定環路或鎖相環路中，環路濾波器設於低通濾波器的前端或低通濾波器的後 端。
11.根據權利要求10所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在於當環路濾波器設於低通濾波器前端時，在模擬的鑑頻鑑相器與數字的環路濾波器間設 有N比特的模數轉換器，或在數字的鑑頻鑑相器與模擬的環路濾波器間設有N比特的數模 轉換器。
12.根據權利要求10所述的低抖動高頻差鎖頻鎖相雙環調節的電學架構，其特徵在 於當環路濾波器設於低通濾波器後端時，在模擬的鑑頻鑑相器與數字的低通濾波器間設 有N比特的模數轉換器，或在數字的鑑頻鑑相器與模擬的低通濾波器間設有N比特的數模 轉換器。
全文摘要
本發明揭示了一種實現低抖動高頻差鎖頻鎖相的雙環調節方法及其電學架構，包括用於分別調諧頻率和相位的雙環路，其步驟為通過插值器及鑑頻鑑相器確定參考時鐘和反饋時鐘間的總即時相位誤差；將總即時相位誤差採用低通濾波器分離提取成靜態/低頻頻率失調和調製頻率失調兩個頻率分量的即時相位誤差；利用靜態/低頻頻率失調的即時相位誤差，通過頻率鎖定環路跟蹤靜態/低頻頻率失調；利用調製頻率失調的即時相位誤差及從頻率鎖定環路輸出的時鐘相位，通過鎖相環路跟蹤參考時鐘和反饋時鐘間的相位是否對準。本發明的雙環鎖頻及鎖相架構無需增加環路增益或帶寬，能有效避免高頻抖動的增大。
文檔編號H03L7/08GK101860362SQ20101020459
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者王琿 申請人:蘇州橙芯微電子科技有限公司