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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は周波数比較器に関する。
【0002】
【従来の技術】
通信の分野では、受信器の入力はランダムなディジタルデータ信号だけであり、データのビットレートに同期したクロック信号は伝送されない。しかしながら、受信側で受信するデータは図26に示すように伝送の過程で歪んだ波形となるため、データのビットレートに同期したクロックを用いて信号を再生する必要がある。図26において、送信器1から送出された送信データは、伝送路を通過する間に歪んで受信器2に到達する。そこで、受信器2側では、ビットレートに同期したクロックを用いてデータを再生する。
【0003】
一般的な光通信用受信器の構成を図27に示す。光通信用受信器10は、光/電気変換部(PD)3と、該光/電気変換部3の出力を受ける等化増幅器4と、該等化増幅器4の出力を受ける識別回路(DEC)5と、該識別回路5に読み出し用のタイミングクロックを与えるタイミング抽出回路6とで構成されている。
【0004】
光/電気変換部3で光電変換され、等化増幅器4で増幅された受信信号は、識別回路(デコーダ)5とタイミング抽出回路6に分配される。タイミング抽出回路6にて抽出したクロックは、識別回路5のクロック端子に入力され、歪んだ波形を打ち直してデータを再生する。
【0005】
タイミング抽出回路6は、信号の再生のためには必須の回路であり、特にPLL回路(Phase Lock Loop)は、ICへの集積化に適していることから、広く用いられている。PLL回路の原理構成図を図28に示す。PLL回路には、入力信号と内部クロックの位相を比較する位相比較器12と、VCO(Voltage Control Oscillator)11が必要である。
【0006】
図28では、位相比較器によりデータ/クロック間の位相差を検出し、その検出量に応じてVCO11の発振周波数制御端子へ与える電圧を変えてVCO11の発振周波数及び位相を制御し、位相固定や周波数引き込みを実現している。
【0007】
ところが、位相比較器12だけを備えたPLL回路では、電源投入時のようにデータのビットレートとVCO11の発振周波数との間の周波数差が大きい時に、周波数を引き込んで同期させることができない。そこで、通常は図29に示すように、周波数差を検出する周波数比較器が併用される。
【0008】
図29は周波数比較器を備えたタイミング抽出回路6の構成を示すブロック図である。図28と同一のものは、同一の符号を付して示す。先ず、スイッチSWを周波数比較器13側に倒し、入力データの周波数とVCO11のクロック周波数とが比較され、双方の周波数が一致するように動作する。入力データの周波数とVCO11のクロック周波数が近づいてきたら、スイッチSWを位相比較器12側に倒す。
【0009】
このように、この回路においては、周波数比較器13により、周波数差に応じた信号が得られ、この信号でVCO11の発振周波数を制御し、周波数引き込み範囲を広げることができる。周波数比較器13は、実際のPLL回路には必須となっている。本発明は、この周波数比較器に関するものであり、クロックの周波数がデータのビットレートの1/N(Nは任意の自然数)であっても動作することを特徴とする。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
伝送方式の一つである時分割多重方式は、1ビットの信号を短い時間パルスの有無で実現する。従って、データの容量を大きくするためには、より短い時間パルス列で伝送することが必要であり、従来から電子回路や光デバイスの高速動作化、広帯域化が図られてきた。しかしながら、近年、この速度は40Gb/s以上に達しようとしており、電子回路に求められる超高速動作に、デバイスの開発が十分には追いついていないのが現状である。このため、周波数比較器を含め、従来のPLL回路をそのまま適用することが難しくなっている。
【0011】
この対策として広く用いられているデータ分周がある。図30に示すように、データを分周してビットレートを落とすことで、信号処理には従来の技術が適用できる。例えば、40Gb/sの信号であれば、2分割して20Gb/sの信号、4分割して10Gb/sの信号、16分割して2.5Gb/sの信号となり、高速で動作する回路の部分は少なくできる。
【0012】
このためには、図31に示すような、クロックの周波数がデータビットレートの1/N(Nは任意の自然数)であっても動作するPLLが必要であり、そのための周波数比較器も必要になる。
【0013】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、データのビットレートと1/Nクロックの周波数の差を比較する周波数比較器を提供することを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
(1)図1は本発明の原理ブロック図である。図において、13は周波数比較器である。図1において、20は外部から入力するディジタル信号の状態変化を検出する入力変化検出回路、21は該入力変化検出回路20の出力を受けて、この状態変化が内部のクロック信号1周期中に発生する回数をカウントするカウンタ回路、23はVCOからの1/N(Nは任意の自然数)クロックを受けてカウンタ回路21にリセット信号を与えるリセット信号生成回路、22は前記カウンタ回路21のカウント値を内部のクロック信号と同期したタイミング信号でサンプリングするサンプリング回路、24は1/Nクロックの出力を受けてサンプリング回路22の出力をサンプリングするためのタイミング信号を生成するタイミング信号生成回路、25は前記サンプリング回路22の出力と予測値とを比較する比較回路で、該比較回路25の出力が周波数比較信号としてVCOに入る(以下、同じ)。ここで、予測値とはVCOの1周期中に現れる変化点の個数をいう。
【0015】
このように構成すれば、データのビットレートと1/Nクロックの周波数の差を比較することができる。
(2)図2は本発明の第1の構成例を示すブロック図である。図1と同一のものは、同一の符号を付して示す。図2に示す実施の形態例は、図1に示す入力変化検出回路20は使用せず、カウンタ回路21で直接入力信号の立ち上がり又は立ち下がりをカウントするようにしたものである。
【0016】
このように構成すれば、(1)の場合と同様に、データのビットレートと1/Nクロックの周波数の差を比較することができる。
(3)図3は本発明の第2の構成例を示すブロック図である。図1と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す回路は、入力変化検出回路として、クロックの立ち下がり及び立ち上がりを検出するエッジ検出回路20を設けたものである。
【0017】
このように構成すれば、クロックの立ち上がり及び立ち下がりを検出するので、検出数を2倍にすることができ、任意の数Nに対してカウンタの最上位ビットのみで周波数比較を行なうことができる。
【0018】
図4は本発明の第3の構成例を示すブロック図である。図1と同一のものは、同一の符号を付したものである。この回路は、サンプリング回路として、サンプリング部22aと該サンプリング部22aの出力をアナログ信号に変換するD/A変換部22bを用いるようにしたものである。
【0019】
このように構成すれば、ディジタル信号のビットレートの1/N周波数に対する内部のクロック信号の周波数差を検出できるようになる。
図5は本発明の第4の構成例を示すブロック図である。図1と同一のものは、同一の符号を付して示す。この回路は、図1の周波数比較回路にプリセット回路26を追加したものである。プリセット回路26は、リセット信号生成回路23の出力を受けて、カウンタ回路21をプリセットする。
【0020】
このように構成すれば、カウンタ回路21の最上位ビットのみで周波数比較を行なうことで、予測値の設定を不要とすることができる。
図6は本発明の第5の構成例を示すブロック図である。図1と同一のものは、同一の符号を付して示す。この回路は、図1の周波数比較回路にカウンタをプリセットし、かつその値を制御するプリセット値制御回路27を追加したものである。プリセット値制御回路27は、リセット信号生成回路23の出力を受けてカウンタ回路21をプリセットする。
【0021】
このように構成すれば、カウンタ回路21の最上位ビットのみで周波数比較を行なうことで、予測値の設定を不要とすることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
通常の外部入力信号はランダムなパターンであり、内部クロック1周期中の状態変化数は刻々と変化する。しかしながら、図32に示すように、通常のランダム信号を長周期で見た場合には、データの“1”か“0”かのマーク率が1/2であること、またデータが“1”→“0”又は“0”→“1”へ変化する変化点の密度が0.5(2ビットに1回)であることが保証されている。従って、長い周期で平均化した場合の出力レベルは図32のように予測できる。
【0023】
図32は入力変化の検出と予測値の説明図である。入力信号は図に示すように“0”と“1”の組み合わせであり、ビットレートがf、マーク率0.5で、全24ビットである。立ち上がり点は24ビット中に6ビット現れ、立ち下がり点も24ビット中に6ビット現れ、立ち上がり点と立ち下がり点の合計である変化点は24ビット中12ビット現れる。
【0024】
使用するクロックをfの1/Nとした時のカウント予想値は以下の通りである。
立ち上がり点検出:N×0.25
変化点検出 :N×0.5
図7は本発明の一実施の形態例を示すブロック図である。図1と同一のものは、同一の符号を付して示す。先ず、外部からの入力信号は、入力変化検出回路20にて状態変化を検出される。ここで、入力状態の変化とは、例えばデータの立ち上がりや立ち下がり等のエッジの変化をいう。続いて、カウンタ回路21にて、内部クロック(1/Nクロック)1周期毎に外部入力信号の入力状態変化数がカウントされる。
【0025】
カウンタ回路21の値は、サンプリング回路22によってクロックに同期した信号によりサンプリングされ、クロック1周期中の入力状態変化数の値が、クロックの1周期の時間だけ保持される。次に、比較回路25でサンプリング値と、入力信号がランダムパターンであることから予測される予測値とを比較し、その差を平均化したものが周波数比較出力となり、VCOに入力される。
【0026】
図8は図7に示す回路の動作原理を示す図である。▲1▼では入力信号の状態変化を検出する。▲1▼において、(a)は時間経過を、(b)は外部入力信号を、(c)はエッジ検出回路出力をそれぞれ示す。入力変化検出回路20は、ここでは入力信号のエッジ(立ち上がり及び立ち下がり)を検出するようにしているので、入力変化検出回路20は(c)に示すようなものとなる。
【0027】
▲2▼では入力信号の数をクロックの1周期毎にカウントしている。▲2▼において、(a)は時間経過を、(b)はエッジ検出回路(入力変化検出回路)20の出力を、(c)はカウンタ回路21の出力を、(d)はリセット信号生成回路23から出力されるリセット信号をそれぞれ示す。カウンタ回路21は、ここではエッジ検出回路20の出力であるパルスをカウントしている。カウンタ回路21は、リセット信号が入力する度に0にリセットされ、新たなカウントを始めるようになっている。つまり、(d)に示すクロック周期でカウンタ回路21にリセットをかけている。
【0028】
▲3▼ではカウンタ値をクロックの1周期でサンプリングしている。▲3▼において、(a)は時間経過を、(b)はカウンタ回路21の出力を、(c)はサンプリング回路22の出力を、(d)はタイミング信号生成回路24の出力であるタイミング信号をそれぞれ示す。
【0029】
この実施の形態例によれば、データのビットレートと1/Nクロックの周波数の差を比較することができる。
なお、データの立ち上がりや立ち下がりを検出するのであれば、入力信号を直接カウンタ回路21に入力すればよく、入力変化として変化点密度を検出する場合には、エッジ検出回路が必要である。エッジ検出回路を用いることで検出密度が2倍になるため、予測値は図32に示すように整数又は整数+0.5となり、任意のNに対しカウンタの最上位ビットのみで周波数比較を行なうことができる
(詳細後述)。
【0030】
図9は上記の考えに基づいて構成される周波数比較器の実施の形態例を示す図で、カウント信号をアナログ信号に変換するためにD/A変換回路を用いたものである。図7と同一のものは、同一の符号を付して示す。図10はA部(入力変化検出部)の動作を示すタイムチャート、図11はB部(カウンタ回路)の動作を示すタイムチャート、図12はC部(サンプリング回路)の動作を示すタイムチャート、図13はD部(比較回路)の動作を示すタイムチャートである。
【0031】
入力変化検出回路20は、排他的論理和(EXOR)ゲート20aと、ディレイ回路20bより構成されている。入力信号とこの入力信号の遅延したものとの排他的論理和をとることから、入力変化検出回路20は入力信号のエッジを必ず検出する。
【0032】
カウンタ回路21は、3個のT−F/F(フリップフロップ)21a〜21cから構成された3ビットのカウンタである。これらT−F/Fは、そのQの反転信号が次段のF/Fのクロック入力Cに入る構成となっている。そして、これらT−F/Fの並列出力は、それぞれサンプリング回路22に入っている。サンプリング回路22は、3個のDタイプF/Fによりなるサンプリング部22aと、D/A変換部22bとで構成されている。
【0033】
24はサンプリング回路22にサンプリング信号を与えるタイミング信号生成回路であり、アンドゲート24aとディレイ回路24bから構成されている。VCOからの1/Nクロックは、ディレイ回路24bに入り、このディレイ回路24bの出力と1/Nクロックとのアンドがアンドゲート24aでとられるので、その出力は、クロック周期毎に必ずパルスが出力されるものとなる。ここでは、N=6としている。そして、アンドゲート24aの出力がサンプリング部22aにラッチパルスとして入り、それぞれの段の前段のT−F/Fの出力をDタイプF/Fにラッチする。
【0034】
一方、アンドゲート24aの出力は、リセット信号生成回路としてのディレイ回路23を介してカウンタ回路21の各段のT−F/Fのクリア(CLR)入力に入るので、カウンタ回路21の出力がサンプリング回路22にラッチされた後、T−F/F21a〜21cはクリアされることになる。
【0035】
D/A変換部22bは、DタイプF/Fの出力を受ける抵抗とオペアンプUよりなる加算回路である。1段目のDタイプF/Fの出力は、抵抗値4Rの抵抗を介してオペアンプUに入り、2段目のDタイプF/Fの出力は、抵抗値2Rの抵抗を介してオペアンプUに入り、3段目のDタイプF/Fの出力は、抵抗値Rの抵抗を介してオペアンプUに入っている。加算回路の帰還抵抗の抵抗値としては、Rが用いられる。
【0036】
比較回路は、比較器25aと該比較器25aの出力を受けるローパスフィルタ(LPF)25bから構成されている。比較器25aの他方の入力には、予測値3が入力されている。従って、比較器25aはD/A変換部22bの出力と予測値とを比較することになる。この比較器25aの出力は、ローパスフィルタ25bによりフィルタリングされて周波数比較信号となり、VCOに入力される。
【0037】
図中、Aは入力変化検出回路20の動作を示すタイムチャートであり、Bはカウンタ回路21の動作を示すタイムチャートであり、CはD/A変換部22bの動作を示すタイムチャートであり、Dはローパスフィルタ25bの動作を示すタイムチャートである。
【0038】
図9に示す回路は、入力状態変化として変化点を検出し、1/6クロックとの周波数比較を実現する。入力信号のビットレートの1/6とクロック周波数が等しい場合のタイムチャートを図14に、入力信号のビットレートの1/6よりもクロック周波数の方が高い場合のタイムチャートを図15に示す。何れも、図9に示す信号(a)〜(q)と、図14、図15に示す(a)〜(q)はそれぞれ対応している。
【0039】
図9により本回路の動作を説明する。入力データ(a)はエッジ検出回路(入力変化回路)20に入り、エッジの存在した部分がパルスに変換された出力(b)を得る。(b)のパルスの立ち上がりエッジ、あるいは立ち下がりエッジは、3ビットのカウンタ回路21にり計数される。カウンタの各ビット出力(c)、(e)、(g)は、それぞれ対応するDタイプF/F22a〜22cに入力され、サンプリングのタイミング信号(l)の入力により、その瞬間での各ビットの出力(0か1か)が読み込まれる。
【0040】
サンプリング回路22を構成するDタイプF/F22a〜22cの各出力(h)、(i)、(j)は、続くD/A変換部22bにおいてアナログ信号(n)に変換される。この(n)と予測値(o)とが比較され、その差出力(p)とがローパスフィルタ25bにより平滑化される。このローパスフィルタ25bはD/A変換部22bの直後に配置してもかまわない。最終的に出力される(q)はアナログ値であるため、クロック周波数の「高い」、「等しい」、「低い」の3状態だけではなく、周波数差がどの程度大きいのかという情報も得られる利点がある。
【0041】
なお、タイミング信号の生成回路としては、ディレイ回路24bとアンドゲート24aを組み合わせた回路等が適用でき、リセット信号の生成回路23としては、タイミング信号に僅かな遅延時間を与えるディレイ回路で実現することができる。
【0042】
クロック周波数がデータビットレートの1/6に等しい図14では、サンプリングされた出力(n)は「33432333…」となり、平均出力(q)は0で、周波数が等しいことが分かる。
【0043】
一方で、図15に示すように、クロック周波数の方が高い場合には、出力(n)は「231321312141…」となり、これらカウンタ値の予測値との差分は、予測値が“3”であることから、比較器25aの出力は、“0”、“−1”と“−2”をとり、平均出力(q)は“−1”となり、周波数が等しくないことが分かる。この例では、(q)の出力は周波数差に応じて、−3〜+4の値を出力することができる。
【0044】
図9の回路では、カウンタ回路21の各ビットについてサンプリングし、これらサンプリング値をアナログ信号に変換するD/A変換部22bが必要となる。しかしながら、予測値によっては回路の規模を大幅に簡略化できる可能性がある。図16に示すように、例えば予測値が5.5の場合(N=11で入力信号のエッジ検出時)、クロック周波数の高低を比較するためには、カウンタの全てのビットを検出する必要がある。
【0045】
しかし、この予測値が7.5であったものとすると、最上位ビットのみの検出で、周波数比較が行えるため、他のビットのカウンタや、D/A変換回路が不要になる。予測値7.5とするためには、リセット時にプリセット値「2」を与えればよい。ただし、図17に示すように変化点の検出を行なっても、予測値が「整数+0.5」となる場合と整数となる場合とがある。後者の場合には、図21に示すようなプリセット値制御回路を併用する必要がある。
【0046】
図18はプリセット回路を用いた周波数比較器の実施の形態例を示す図である。この実施の形態例では、N=5を用いている。図9と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、20はディレイ回路20bと排他的論理和ゲート20aから構成される入力変化検出回路、21は該入力変化検出回路20の出力をカウントするカウンタ回路、22は該カウンタ回路21の出力をラッチするサンプリング回路、24は該サンプリング回路22にサンプリング信号を与えるタイミング信号生成回路、26はカウンタ回路21にリセット信号を与えるリセット信号生成回路である。
【0047】
図18に示す回路は、予測値がM+0.5(Mは自然数)である場合に適用される。リセットする際に、適切なプリセット値を設定するプリセット回路だけですむ。先ず、M+0.5よりも大きい2の累乗数を求める。この累乗数がPであったものとすると、プリセット値をP−M−1にすることで、最上位ビットの予測値は0.5となる。この回路の動作を示すタイムチャートを図19、図20に示す。図19は入力信号のビットレートの1/5とクロック周波数が等しい場合のタイムチャート、図20は入力信号のビットレートの1/5よりもクロック周波数の方が低い場合のタイムチャートを示す。図18に示す回路の(a)〜(j)は、図19、図20に示す回路の(a)〜(j)と対応している。
【0048】
クロック周波数がデータビットレートの1/5に等しい図19では、予測値M=2.5である。これよりも大きい2の累乗数は4=2^(3−1)であり、3ビットのカウンタ構成にする。プリセット値は001となるので、最下位ビットカウンタのリセット信号入力をプリセット端子とする。このようにして得られた最上位ビットのカウンタ出力(f)は「0101010101…」となり、平均出力(j)は0.5である。
【0049】
一方、図20のようにクロック周波数の方が低い場合には、出力(f)は「01110111…」となり、平均出力(j)はほぼ1になるため、クロック周波数が低いことを検出することができる。
【0050】
予測値がM(Mは自然数)である場合には、プリセット値制御回路が必要となる。プリセット値制御回路としては、例えば図21に示す構成の回路が用いられる。図21はプリセット値制御回路の実施の形態例を示す図である。図において、28は1/Nクロックを受けてリセット信号を生成するリセット信号生成回路、27は該リセット信号生成回路23の出力を受けるプリセット値制御回路である。プリセット値制御回路27は、T−F/F27aとアンドゲート27b、27cより構成されている。27aはクロック入力(g)を入力端子Cに受けるT−F/Fであり、そのQ出力(j)はアンドゲート27cに与えられる。リセット信号生成回路28の出力(i)はアンドゲート27bに入力される。アンドゲート27bの他方の入力にはT−F/F27aのQの反転信号(k)が入力され、アンドゲート27cの他方の入力には、リセット信号生成回路23の出力(i)が入力されている。
【0051】
図22は図21に示すプリセット値制御回路の動作を示すタイムチャートである。図において、(g)は1/Nクロック、(i)はリセット信号、(j)と(k)はT−F/F27aの出力波形を、(l)はクリア信号(CLR)を、(m)はプリセット信号を示す。1/NのクロックはT−F/F27aに入り、1/2分周されるが、T−F/F27aのQ出力とその反転出力は、交互に発生し、アンドゲート27bと27cに入るので、交互にクリア(CLR)信号とプリセット(PR)信号とを発生し、カウンタ回路21に入力される。従って、カウンタ回路21の周期は、1/Nの周期でカウント動作とクリア動作を繰り返すことになる。
【0052】
クロック信号をT−F/F27aに入力すると、1/2に分周されたクロックを得る。このクロックと通常のリセット信号とをアンドゲート、27b、27cに入力すると、その出力(l)、(m)には、リセット信号が1クロック周期毎に交互に現れる。(l)、(m)出力を、カウンタ回路21のクリア端子(CLR)と、プリセット端子(PR)にそれぞれ接続することで、プリセット値はクロックの1周期毎に000、001と設定され、周波数が等しい際の最上位ビットは、平均的には0と1を交互にとる。従って、予測値は0.5となる。
【0053】
図23はプリセット値制御回路を用いた周波数比較器の実施の形態例を示す図である。図18、図21と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、N=6の場合を示す。また、この実施の形態例は、図18に示す回路に図21に示すプリセット値制御回路27を追加したものである。
【0054】
プリセット値制御回路27は、1/Nクロックを受けるT−FF27aと、該T−FF27aの出力及びリセット信号生成回路26の出力を受けるアンドゲート27b、27cより構成されている。そして、アンドゲート27bの出力は、カウンタ回路21の初段のT−FF21aのプリセット入力端子PRに、アンドゲート27cの出力は初段のT−FF21aのクリア入力端子CLRに接続されている。
【0055】
この回路の周波数比較動作で、入力信号のビットレートの1/6とクロック周波数が等しい場合のタイムチャートを図24に、入力信号のビットレートの1/6よりもクロック周波数の方が高い場合のタイムチャートを図25に示す。図23の信号(a)〜(n)と、図24、図25の(a)〜(n)はそれぞれ対応している。
【0056】
クロック周波数がデータビットレートの1/6に等しい図24では、予測値M=3である。これよりも大きい2の累乗数は4=2^(3−1)であり、3ビットのカウンタ構成にする。このようにして得られた最上位ビットのカウンタ出力(f)は「00110110…」となり、平均出力(n)は0.5(“H”レベルと“L”レベルの中間値)である。
【0057】
一方、図25に示すようにクロック周波数の方が高い場合には、出力(f)は「0000000001…」となり、平均出力(n)はほぼ0になるため、クロック周波数が高いことを検出することができる。
【0058】
(付記1)外部から入力するディジタル信号の状態変化を検出する入力変化検出回路と、この状態変化が内部のクロック信号1周期中に発生する回数をカウントするカウンタ回路と、該カウンタ回路のカウント値を内部のクロック信号と同期したタイミング信号でサンプリングするサンプリング回路と、サンプリングされたカウント値を、VCOの1周期中に現れる変化点の個数である予測されるカウント値と比較する比較回路とを具備し、外部入力ディジタル信号のビットレートの1/N(Nは任意の自然数)周波数を前記予測されるカウント値と比較して、内部のクロック信号の周波数差を検出することを特徴とする周波数比較器。
【0059】
(付記2)前記入力変化検出回路の代わりに、パルスの立ち上がり又は立ち下がりエッジの数をカウントすることを特徴とする付記1記載の周波数比較器。
(付記3)前記入力変化検出回路としてエッジ検出回路を用い、入力信号の状態変化として、パルスの立ち上がり及び立ち下がりの両エッジの数をカウントすることを特徴とする付記1記載の周波数比較器。
【0060】
(付記4)前記サンプリング回路の出力を、D/A変換して比較回路へアナログ出力することを特徴とする付記1記載の周波数比較器。
(付記5)前記周波数比較器にデータをプリセットするプリセット回路を追加し、カウンタの最上位ビットのみで周波数比較を行なうことを特徴とする付記1記載の周波数比較器。
【0061】
(付記6)前記周波数比較器に、カウンタの値をプリセットし、かつその値を制御するプリセット値制御回路を加え、カウンタの最上位ビットのみで周波数比較を行なうことを特徴とする付記1記載の周波数比較器。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
(1)請求項1記載の発明によれば、データのビットレートと1/Nクロックの周波数の差を比較することができる。
【0063】
(2)請求項2記載の発明によれば、請求項1の場合と同様に、データのビットレートと1/Nクロックの周波数の差を比較することができる。
(3)請求項3記載の発明によれば、クロックの立ち上がり及び立ち下がりを検出するので、検出数を2倍にすることができ、より正確な動作が可能となる。
【0064】
また、本発明においてサンプリング回路の出力をD/A変換して比較回路へアナログ出力することで、ディジタル信号のビットレートの1/N周波数に対する内部のクロック信号の周波数差を検出できるようになる。
【0065】
また、本発明において、周波数比較器にデータをプリセットするプリセット回路を追加し、カウンタの最上位ビットのみで周波数比較を行なうことにより、カウンタ回路の最上位ビットのみで周波数比較を行なうことで、予測値の設定を不要とすることができる。
【0066】
また、本発明において、周波数比較器にカウンタの値をプリセットするプリセット制御回路を加え、カウンタの最上位ビットのみで周波数比較を行なうことにより、カウンタ回路の最上位ビットのみで周波数比較を行なうことで、予測値の設定を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理ブロック図である。
【図2】本発明の第1の構成例を示すブロック図である。
【図3】本発明の第2の構成例を示すブロック図である。
【図4】本発明の第3の構成例を示すブロック図である。
【図5】本発明の第4の構成例を示すブロック図である。
【図6】本発明の第5の構成例を示すブロック図である。
【図7】本発明の一実施の形態例を示すブロック図である。
【図8】本発明の動作原理を示す図である。
【図9】D/A変換回路を用いた周波数比較器の実施の形態例を示す図である。
【図10】A部の動作を示すタイムチャートである。
【図11】B部の動作を示すタイムチャートである。
【図12】C部の動作を示すタイムチャートである。
【図13】D部の動作を示すタイムチャートである。
【図14】データビットレートと1/Nクロック周波数が等しい場合のタイムチャートである。
【図15】データビットレートが1/Nクロック周波数よりも小さい場合のタイムチャートである。
【図16】最上位ビットのみによる周波数比較の説明図である。
【図17】入力変化による予測値の差の説明図である。
【図18】プリセット回路を用いた周波数比較器の実施の形態例を示す図である。
【図19】データビットレートが1/Nクロック周波数と等しい場合のタイムチャートである。
【図20】データビットレートが1/Nクロック周波数より大きい場合のタイムチャートである。
【図21】プリセット値制御回路の実施の形態例を示す図である。
【図22】プリセット値制御回路の動作を示すタイムチャートである。
【図23】プリセット値制御回路を用いた周波数比較器の実施の形態例を示す図である。
【図24】データビットレートが1/Nクロック周波数と等しい場合のタイムチャートである。
【図25】データビットレートが1/Nクロック周波数と等しい場合のタイムチャートである。
【図26】通信によるデータの歪みの説明図である。
【図27】通信によるデータの再生の説明図である。
【図28】タイミング抽出回路の構成例を示す図である。
【図29】周波数比較器を備えたタイミング抽出回路の構成を示すブロック図である。
【図30】データの分周の説明図である。
【図31】入力データの1/N分周クロックを用いた受信器構成を示す図である。
【図32】入力変化の検出と予測値の説明図である。
【符号の説明】
13 周波数比較器
20 入力変化検出回路
21 カウンタ回路
22 サンプリング回路
23 比較回路
24 タイミング信号生成回路
25 比較回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a frequency comparator.
[0002]
[Prior art]
In the field of communications, the input of the receiver is only a random digital data signal, and no clock signal synchronized with the data bit rate is transmitted. However, since the data received on the receiving side has a waveform distorted in the transmission process as shown in FIG. 26, it is necessary to reproduce the signal using a clock synchronized with the bit rate of the data. In FIG. 26, the transmission data transmitted from the
[0003]
FIG. 27 shows the configuration of a general optical communication receiver. The
[0004]
The received signal photoelectrically converted by the optical /
[0005]
The
[0006]
In FIG. 28, the phase difference between the data / clock is detected by the phase comparator, the voltage applied to the oscillation frequency control terminal of the
[0007]
However, in a PLL circuit including only the
[0008]
FIG. 29 is a block diagram showing the configuration of the
[0009]
Thus, in this circuit, a signal according to the frequency difference is obtained by the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The time division multiplexing system, which is one of the transmission systems, realizes a 1-bit signal with or without a short time pulse. Therefore, in order to increase the data capacity, it is necessary to transmit the data with a shorter time pulse train. Conventionally, electronic circuits and optical devices have been increased in speed and bandwidth. However, in recent years, this speed is about to reach 40 Gb / s or more, and the current situation is that the development of devices has not sufficiently caught up with the ultra-high speed operation required for electronic circuits. For this reason, it is difficult to apply the conventional PLL circuit including the frequency comparator as it is.
[0011]
There is data division widely used as a countermeasure. As shown in FIG. 30, a conventional technique can be applied to signal processing by dividing the data and reducing the bit rate. For example, if the signal is 40 Gb / s, it is divided into 2 to 20 Gb / s, 4 to 10 Gb / s, and 16 to 2.5 Gb / s. The part can be reduced.
[0012]
For this purpose, a PLL that operates even when the clock frequency is 1 / N of the data bit rate (N is an arbitrary natural number) as shown in FIG. 31 is required, and a frequency comparator for that purpose is also required. Become.
[0013]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a frequency comparator that compares a difference between a data bit rate and a 1 / N clock frequency.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
(1) FIG. 1 is a principle block diagram of the present invention. In the figure, 13 is a frequency comparator. In FIG. 1,
[0015]
With this configuration, the difference between the data bit rate and the 1 / N clock frequency can be compared.
(2) FIG. 2 is a block diagram showing a first configuration example of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the embodiment shown in FIG. 2, the input
[0016]
With this configuration, the difference between the data bit rate and the 1 / N clock frequency can be compared as in the case of (1).
(3) FIG. 3 is a block diagram showing a second configuration example of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The circuit shown in the figure is provided with an
[0017]
With this configuration, since the rising and falling edges of the clock are detected, the number of detections can be doubled, and the frequency comparison can be performed with only the most significant bit of the counter for an arbitrary number N. .
[0018]
FIG. 4 is a block diagram showing a third configuration example of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are given the same reference numerals. This circuit uses a
[0019]
With this configuration, the frequency difference of the internal clock signal with respect to the 1 / N frequency of the bit rate of the digital signal can be detected.
FIG. 5 is a block diagram showing a fourth configuration example of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. This circuit is obtained by adding a
[0020]
With this configuration, it is possible to eliminate the need to set a predicted value by performing frequency comparison using only the most significant bit of the
FIG. 6 is a block diagram showing a fifth configuration example of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. This circuit is obtained by adding a preset
[0021]
With this configuration, it is possible to eliminate the need to set a predicted value by performing frequency comparison using only the most significant bit of the
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A normal external input signal has a random pattern, and the number of state changes in one cycle of the internal clock changes every moment. However, as shown in FIG. 32, when a normal random signal is viewed in a long cycle, the mark ratio of data “1” or “0” is ½, and the data is “1”. It is guaranteed that the density of change points changing from “0” or “0” to “1” is 0.5 (once every two bits). Therefore, the output level when averaged over a long period can be predicted as shown in FIG.
[0023]
FIG. 32 is an explanatory diagram of input change detection and predicted values. As shown in the figure, the input signal is a combination of “0” and “1”, the bit rate is f, the mark rate is 0.5, and the total is 24 bits. The rising point appears in 6 bits in 24 bits, the falling point appears in 6 bits in 24 bits, and the change point that is the sum of the rising point and the falling point appears in 12 bits in 24 bits.
[0024]
The expected count value when the clock to be used is 1 / N of f is as follows.
Rising point detection: N x 0.25
Change point detection: N x 0.5
FIG. 7 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. First, a change in state of an external input signal is detected by the input
[0025]
The value of the
[0026]
FIG. 8 is a diagram showing the operation principle of the circuit shown in FIG. In (1), a change in the state of the input signal is detected. In (1), (a) shows the passage of time, (b) shows the external input signal, and (c) shows the output of the edge detection circuit. Since the input
[0027]
In (2), the number of input signals is counted for each cycle of the clock. In (2), (a) shows the passage of time, (b) shows the output of the edge detection circuit (input change detection circuit) 20, (c) shows the output of the
[0028]
In (3), the counter value is sampled in one cycle of the clock. In (3), (a) shows the passage of time, (b) shows the output of the
[0029]
According to this embodiment, the difference between the data bit rate and the 1 / N clock frequency can be compared.
If the rising or falling edge of the data is detected, the input signal may be input directly to the
(Details will be described later).
[0030]
FIG. 9 is a diagram showing an embodiment of a frequency comparator configured on the basis of the above concept, and uses a D / A conversion circuit to convert a count signal into an analog signal. The same components as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals. 10 is a time chart showing the operation of the A section (input change detection section), FIG. 11 is a time chart showing the operation of the B section (counter circuit), and FIG. 12 is a time chart showing the operation of the C section (sampling circuit). FIG. 13 is a time chart showing the operation of the D section (comparison circuit).
[0031]
The input
[0032]
The
[0033]
[0034]
On the other hand, since the output of the AND
[0035]
The D /
[0036]
The comparison circuit includes a
[0037]
In the figure, A is a time chart showing the operation of the input
[0038]
The circuit shown in FIG. 9 detects a change point as an input state change, and realizes frequency comparison with 1/6 clock. FIG. 14 shows a time chart when the clock frequency is equal to 1/6 of the bit rate of the input signal, and FIG. 15 shows a time chart when the clock frequency is higher than 1/6 of the bit rate of the input signal. In any case, the signals (a) to (q) shown in FIG. 9 correspond to the signals (a) to (q) shown in FIGS.
[0039]
The operation of this circuit will be described with reference to FIG. The input data (a) enters the edge detection circuit (input change circuit) 20 to obtain an output (b) in which the portion where the edge exists is converted into a pulse. The rising edge or falling edge of the pulse (b) is counted by the 3-
[0040]
The outputs (h), (i), and (j) of the D type F /
[0041]
A circuit combining a
[0042]
In FIG. 14 where the clock frequency is equal to 1/6 of the data bit rate, the sampled output (n) is “33443233...”, The average output (q) is 0, and the frequency is equal.
[0043]
On the other hand, as shown in FIG. 15, when the clock frequency is higher, the output (n) is “2311321312141”, and the difference between the counter values and the predicted values is “3”. Thus, the output of the
[0044]
In the circuit of FIG. 9, a D /
[0045]
However, assuming that the predicted value is 7.5, frequency comparison can be performed by detecting only the most significant bit, so that no other bit counter or D / A conversion circuit is required. In order to obtain the predicted value 7.5, the preset value “2” may be given at the time of reset. However, even if the change point is detected as shown in FIG. 17, the predicted value may be “integer + 0.5” or may be an integer. In the latter case, it is necessary to use a preset value control circuit as shown in FIG.
[0046]
FIG. 18 is a diagram showing an embodiment of a frequency comparator using a preset circuit. In this embodiment, N = 5 is used. The same components as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals. In the figure, 20 is an input change detection circuit comprising a
[0047]
The circuit shown in FIG. 18 is applied when the predicted value is M + 0.5 (M is a natural number). When resetting, only a preset circuit that sets an appropriate preset value is required. First, a power of 2 greater than M + 0.5 is obtained. If this power number is P, the predicted value of the most significant bit is 0.5 by setting the preset value to P-M-1. 19 and 20 show time charts showing the operation of this circuit. FIG. 19 is a time chart when the clock frequency is equal to 1/5 of the bit rate of the input signal, and FIG. 20 is a time chart when the clock frequency is lower than 1/5 of the bit rate of the input signal. (A) to (j) of the circuit shown in FIG. 18 correspond to (a) to (j) of the circuits shown in FIGS.
[0048]
In FIG. 19, where the clock frequency is equal to 1/5 of the data bit rate, the predicted value M = 2.5. The power of 2 larger than this is 4 = 2 ^ (3-1), and a 3-bit counter configuration is adopted. Since the preset value is 001, the reset signal input of the least significant bit counter is used as a preset terminal. The most significant bit counter output (f) thus obtained is “0101010101...”, And the average output (j) is 0.5.
[0049]
On the other hand, when the clock frequency is lower as shown in FIG. 20, the output (f) is “01110111...” And the average output (j) is almost 1. Therefore, it can be detected that the clock frequency is low. it can.
[0050]
When the predicted value is M (M is a natural number), a preset value control circuit is required. As the preset value control circuit, for example, a circuit having a configuration shown in FIG. 21 is used. FIG. 21 is a diagram showing an embodiment of the preset value control circuit. In the figure, 28 is a reset signal generation circuit that receives a 1 / N clock and generates a reset signal, and 27 is a preset value control circuit that receives the output of the reset
[0051]
FIG. 22 is a time chart showing the operation of the preset value control circuit shown in FIG. In the figure, (g) is a 1 / N clock, (i) is a reset signal, (j) and (k) are output waveforms of the TF /
[0052]
When the clock signal is input to the TF /
[0053]
FIG. 23 is a diagram showing an embodiment of a frequency comparator using a preset value control circuit. The same components as those in FIGS. 18 and 21 are denoted by the same reference numerals. This embodiment shows a case where N = 6. In this embodiment, a preset
[0054]
The preset
[0055]
In the frequency comparison operation of this circuit, a time chart when the clock frequency is equal to 1/6 of the bit rate of the input signal is shown in FIG. 24 when the clock frequency is higher than 1/6 of the bit rate of the input signal. A time chart is shown in FIG. Signals (a) to (n) in FIG. 23 correspond to (a) to (n) in FIGS. 24 and 25, respectively.
[0056]
In FIG. 24 where the clock frequency is equal to 1/6 of the data bit rate, the predicted value M = 3. The power of 2 larger than this is 4 = 2 ^ (3-1), and a 3-bit counter configuration is adopted. The counter output (f) of the most significant bit obtained in this way is “001110110...”, And the average output (n) is 0.5 (an intermediate value between the “H” level and the “L” level).
[0057]
On the other hand, when the clock frequency is higher as shown in FIG. 25, the output (f) is “0000000001...” And the average output (n) is almost 0, so that it is detected that the clock frequency is high. Can do.
[0058]
(Supplementary note 1) An input change detection circuit for detecting a change in the state of a digital signal input from the outside, a counter circuit for counting the number of times this state change occurs in one cycle of the internal clock signal, and a count value of the counter circuit Sampling circuit that samples with a timing signal synchronized with the internal clock signal, and the sampled count value This is the number of change points that appear during one cycle of the VCO. 1 / N (N is an arbitrary natural number) frequency of the bit rate of the external input digital signal. The predicted count value A frequency comparator for detecting a frequency difference between internal clock signals as compared with the above.
[0059]
(Additional remark 2) The frequency comparator of
(Supplementary note 3) The frequency comparator according to
[0060]
(Supplementary note 4) The frequency comparator according to
(Additional remark 5) The frequency comparator of
[0061]
(Supplementary note 6) The preset value control circuit for presetting and controlling the value of the counter is added to the frequency comparator, and the frequency comparison is performed using only the most significant bit of the counter. Frequency comparator.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
(1) According to the first aspect of the present invention, the difference between the bit rate of data and the frequency of 1 / N clock can be compared.
[0063]
(2) According to the invention described in
(3) According to the invention described in
[0064]
In the present invention, the output of the sampling circuit is D / A converted and analog output to the comparison circuit, so that the frequency difference of the internal clock signal with respect to the 1 / N frequency of the bit rate of the digital signal can be detected.
[0065]
Further, in the present invention, a preset circuit for presetting data is added to the frequency comparator, and the frequency comparison is performed only with the most significant bit of the counter, so that the frequency comparison is performed with only the most significant bit of the counter circuit. Setting of a value can be made unnecessary.
[0066]
Further, in the present invention, by adding a preset control circuit for presetting the counter value to the frequency comparator and performing the frequency comparison only with the most significant bit of the counter, the frequency comparison is performed only with the most significant bit of the counter circuit. The setting of the predicted value can be made unnecessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle block diagram of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a first configuration example of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing a second configuration example of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing a third configuration example of the present invention.
FIG. 5 is a block diagram showing a fourth configuration example of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a fifth configuration example of the present invention.
FIG. 7 is a block diagram showing an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an operation principle of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating an embodiment of a frequency comparator using a D / A conversion circuit.
FIG. 10 is a time chart showing the operation of part A.
FIG. 11 is a time chart showing the operation of part B.
FIG. 12 is a time chart showing the operation of part C.
FIG. 13 is a time chart showing the operation of the D section.
FIG. 14 is a time chart when the data bit rate is equal to the 1 / N clock frequency.
FIG. 15 is a time chart when the data bit rate is smaller than the 1 / N clock frequency.
FIG. 16 is an explanatory diagram of frequency comparison using only the most significant bit.
FIG. 17 is an explanatory diagram of a difference in predicted values due to an input change.
FIG. 18 is a diagram illustrating an embodiment of a frequency comparator using a preset circuit.
FIG. 19 is a time chart when the data bit rate is equal to the 1 / N clock frequency.
FIG. 20 is a time chart when the data bit rate is higher than 1 / N clock frequency.
FIG. 21 is a diagram illustrating an embodiment of a preset value control circuit.
FIG. 22 is a time chart showing the operation of the preset value control circuit;
FIG. 23 is a diagram illustrating an embodiment of a frequency comparator using a preset value control circuit.
FIG. 24 is a time chart when the data bit rate is equal to the 1 / N clock frequency.
FIG. 25 is a time chart when the data bit rate is equal to the 1 / N clock frequency.
FIG. 26 is an explanatory diagram of data distortion due to communication;
FIG. 27 is an explanatory diagram of data reproduction by communication.
FIG. 28 is a diagram illustrating a configuration example of a timing extraction circuit.
FIG. 29 is a block diagram illustrating a configuration of a timing extraction circuit including a frequency comparator.
FIG. 30 is an explanatory diagram of frequency division of data.
FIG. 31 is a diagram illustrating a receiver configuration using a 1 / N divided clock of input data.
FIG. 32 is an explanatory diagram of input change detection and predicted values;
[Explanation of symbols]
13 Frequency comparator
20 Input change detection circuit
21 Counter circuit
22 Sampling circuit
23 Comparison circuit
24 Timing signal generation circuit
25 Comparison circuit
Claims (3)
この状態変化が内部のクロック信号1周期中に発生する回数をカウントするカウンタ回路と、
該カウンタ回路のカウント値を内部のクロック信号と同期したタイミング信号でサンプリングするサンプリング回路と、
サンプリングされたカウント値を、VCOの1周期中に現れる変化点の個数である予測されるカウント値と比較する比較回路とを具備し、
外部入力ディジタル信号のビットレートの1/N(Nは任意の自然数)周波数を前記予測されるカウント値と比較して、内部のクロック信号の周波数差を検出することを特徴とする周波数比較器。An input change detection circuit for detecting a change in state of a digital signal input from the outside;
A counter circuit that counts the number of times this state change occurs in one cycle of the internal clock signal;
A sampling circuit that samples a count value of the counter circuit with a timing signal synchronized with an internal clock signal;
A comparison circuit that compares the sampled count value with an expected count value that is the number of change points that appear during one cycle of the VCO ;
A frequency comparator for detecting a frequency difference of an internal clock signal by comparing a 1 / N (N is an arbitrary natural number) frequency of a bit rate of an external input digital signal with the predicted count value .
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