CN100512018C - 一种直流平衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明的一种直流平衡电路，其包括帧符号判决电路、帧复用电路和积数翻转电路，以及数据锁存电路、同或门、异或门、二选一复用电路、和单变双电路组及链接电路；所述帧符号判决电路采用一对差分信号，所述积数翻转电路采用的是步长为1的UP/DOWN计数器；本发明电路在总体结构上增加了同或门对Sign和Acc的运算，以及Inv通过单变双电路变成正端Ip和负端In，通过异或门和链接电路最终产生串行信号输出。本发明电路通过帧符号判决电路使用差分信号接入比较器，更适合传递高速信号；同时积数翻转电路只使用步长为1的UP和DOWN计数器，不需要额外的查找表，比同类芯片的电路原理更简洁，实现更可靠，处理速度快。

Description

一种直流平衡电路

技术领域

本发明涉及一种线缆传输中的用于直流平衡(DC Balance)的微电子电路的改进。

背景技术

在背板串行化、总线扩展中，在动画、影像捕获中，以及在点对点通讯的高速数据链接中，需要通过一根线或一对线来进行高速数据链接；利用发送和接收芯片把并行的数据(帧)装入发送芯片，通过同轴电缆或光纤，传递到接收芯片并重建为原始的并行信号，就能实现高速并行的传输，就像一根虚拟的扁带线缆。然而，在光缆和光纤传输中需要维持直流平衡(DCbalance)，也即在编码过程中保证信道中直流偏移为0，使能量谱均匀分布，避免在某一频段出现能量峰值，减少介质传输的电磁辐射。

中国专利号02154946的专利文献中公开了一种直流平衡码编码器，其特征是外接缓冲器，经过两级编码和码型调整向外发送。但其最大的缺点是不可在微电子电路结构中实现。

现有的美国Agilent公司的HDMP 1022/1024芯片相关的文献描述中，其实现直流平衡的方法是：编码是通过D域编码，再叠加复用C域编码(frame mux)完成帧(一个帧就是16B/20B)编码，是通过计算每个字的1和0的个数来确定符号，并累计过去每个帧(即历史帧)的符号来决定当前帧是否翻转以达到直流平衡的目的，也就是说它是用一种条件翻转主变迁的帧结构(Conditional invert master transition)的方式，从而达到直流平衡的目的的。其中的帧符号判决电路用帧的每一位和固定电位Vbb比较来判断当前帧的符号，相对于使用差分信号传输而言速度要慢得多；同时，积数翻转电路是通过具有步长为0，1，2三种的UP和DOWN的计数器和查找表来累计历史帧的符号来实现。也正是因为查找表的使用，使得整个电路的处理速度较慢，并且电路要复杂，开销也更多。

因此，现有技术还存在缺陷，而有待于进一步改进和发展。

发明目的

本发明的目的是提供一种直流平衡电路，所提出的电路更新，能简洁灵活地控制直流平衡编码，针对现有技术的上述缺陷，提供的电路简单，处理速度快。

本发明的技术方案如下：

一种直流平衡电路，其中，其包括帧符号判决电路、帧复用电路和积数翻转电路，以及数据锁存电路、同或门、异或门、二选一复用电路、和单变双电路组及链接电路；

所述数据锁存电路用时钟把并行数据采集下来，并传递给所述帧复用电路和所述帧符号判决电路；

所述帧复用电路把并行数据信号复用成奇数路信号和偶数路信号，并输出到所述积数翻转电路；

所述积数翻转电路通过UP/DOWN计数器产生输出积数翻转信号；

所述帧符号判决电路输出帧符号判决信号；

所述帧符号判决信号和积数翻转信号输入到所述同或门，产生最终翻转信号；

所述最终翻转信号既与所述二选一复用电路的输出一起接入所述异或门生成最终的串行信号，同时通过所述单变双电路组产生正端和负端差分对，所述差分对和并行的输入帧信号反馈接入所述帧符号判决电路进行统计处理后将1多还是0多的信息输出到所述积数翻转电路进行再次判决；

所述积数翻转电路的输出和所述帧符号判决电路的输出经过所述同或门产生后次翻转信号，决定当前帧的翻转状况，所述帧复用电路的输出通过二选一复用电路变成串行信号，该串行信号和翻转信号经过异或门及链接电路最终产生串行输出。

所述的电路，其中，所述UP/DOWN计数器的步长为1。

所述的电路，其中，所述积数翻转电路的判决就是比较相邻两个数位的1和0，相邻两个位中11和00是不平衡的，10和01是平衡的。

所述的电路，其中，所述帧符号判决电路通过所述单变双电路组把输入的帧的每一位变成差分帧，其差分帧的正端和负端都接入一对晶体管的基极，形成一对电流开关；该对电流开关的集电极分别输出到一个第一和第二上拉电阻；该对电流开关的发射极连接在一起通过电流源连接到地；每一对所述电流开关的正端的集电极连接在一起和所述第一上拉电阻连接，负端的集电极连接在一起和所述第二上拉电阻连接，产生一对差分电压，连接到一比较器的输入。

所述的电路，其中，所述积数翻转电路所使用的UP/DOWN计数器是k位同步UP/DOWN二进制计数器，其包括k-1个T触发器，第一触发器的输入端接高电平，第一触发器的输出端和UP信号经过与门得到UP1输出，DOWN信号经过反相器后，和第一触发器的另一个输出端接到另一个与门的输入端后得到DOWN1输出；UP1和DOWN1输出接入或门的输入端，该或门的输出接入下一触发器的输入端；其中k为用于计数的自然数。

所述的电路，其中，所述帧符号判决电路判断出当前帧的1多还是0多，所述积数翻转电路判断出历史帧的1多还是0多；同时根据当前帧和历史帧的1多和0多最终决定当前帧的翻转还是不翻转，当前翻转信号是历史帧1多信号和当前帧1多信号的同或运算。

本发明所提供的一种直流平衡电路，通过帧符号判决电路使用差分信号接入比较器，而由于差分信号的电压变化小，所以更适合传递高速信号；同时积数翻转电路只使用步长为1的UP和DOWN计数器，不需要额外的查找表，比同类芯片的电路原理更简洁，实现更可靠，处理速度快。

附图说明

图1是本发明的帧符号判决电路的电路结构原理图；

图2是本发明的一种直流平衡电路中k位同步UP/DOWN计数器的原理图；

图3是本发明的一种直流平衡电路中k位同步UP/DOWN计数器的翻转机制图；

图4是本发明的一种直流平衡电路提出的直流平衡(DC Balance)的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种直流平衡电路，其总组成结构原理如图4所示，包括有帧符号判决电路001、帧复用电路002和积数翻转电路003，以及数据锁存电路007，同或门004，异或门006，二选一复用电路005，以及单变双电路组008和链接电路009。所述数据锁存电路007用时钟把并行数据采集下来，结果传递给所述帧复用电路002和所述帧符号判决电路001。所述帧复用电路002把并行信号复用成奇数路信号和偶数路信号，这两路信号输出到积数翻转电路003；所述积数翻转电路003通过UP/DOWN计数器产生输出Acc；所述帧符号判决电路001的输出为Sign；Sign和Acc输入到所述同或门004，产生出翻转信号Inv，翻转信号Inv一方面与二选一复用电路005的输出一起接入异或门006生成最终的串行信号，另一方面通过单变双电路008产生Ip和In的差分对，这个差分对和并行的输入帧信号反馈接入所述帧符号判决电路001进行统计处理后将1多还是0多的信息输出到积数翻转电路003进行再次判决。所述积数翻转电路的判决就是比较相邻两个数位(Bit)的1和0。相邻两个位分为4种情况11、10、01、00，其中11和00是不平衡的，10和01是平衡的。所述积数翻转电路003的输出和帧符号判决电路的输出经过所述同或门004产生后次翻转信号Inv，决定当前帧的翻转状况。所述帧复用电路002的输出通过所述二选一复用电路005变成串行信号，该串行信号和翻转信号经过异或门006最终产生串行输出。

对比于同类芯片，本发明的所述直流平衡电路的主要改进处是在帧符号判决电路与积数翻转电路的设置。所述帧符号判决电路采用一对差分信号，而不是固定信号，所述积数翻转电路采用的是步长为1的UP/DOWN计数器，而不是步长有2，1，0，-1，-2等多种的复杂计数器。在总体结构上也增加了同或门004对Sign和Acc的运算，以及Inv通过单变双电路008变成正端Ip和负端In，通过异或门006和链接电路009最终产生串行信号输出。

如图1所示的是SIGN电路，即帧符号判决电路的结构原理图，SIGN电路是每帧的直流平衡判决的重要组成模块，主要是实现对1多还是0多的判决，提供给Dout输出作为翻转与否的依据。首先通过所述单变双电路组把输入的帧A₁A₂...A_(2N-1)A_2N的每一位变成差分帧，如A1变成A1P(正端)和A1N(负端)，A1P和A1N接入一对晶体管的基极b，这一对晶体管形成一对电流开关；然后这对电流开关的集电极c各自输出到一个第一上拉电阻R1和第二上拉电阻R2，形成1支路和0支路；这对电流开关的发射极e连接在一起通过电流源C连接到地。其余2N-1位的连接法和A1类似，这2N对电流开关的正端的集电极连接在一起和第一上拉电阻R1连接，负端的集电极连接在一起和第二上拉电阻R2连接，产生一对差分电压，连接到比较器的输入，这个差分电压成正比于1和0的个数差值。比较器检测到这个电压的极性，产生这个字的符号。由一对附加的电流开关连接Ip和In，Ip和In来自于图4的单变双电路008的输出，这对电流开关的电流源为C_inv，然后把平衡态的域值拉开，对已经达平衡的数据也能产生一个确定的符号。这是模拟电路能实现到数字电路的一种方法，优点是提供了一种处理更快的、更低功耗的实现方法。

如图2所示是本发明的所述积数翻转电路所使用的UP/DOWN计数器是k位同步UP/DOWN二进制计数器。T0，T1...T(k-1)是T触发器，第一触发器T0的输入端接高电平HIGH，该第一触发器T0的输出端Q0和UP信号经过与门(AND)得到UP1输出，DOWN信号经过反相器(INV)后，和第一触发器T0的另一个输出端

接到另一个与门(AND)的输入端后得到DOWN1输出。UP1和DOWN1接入或门(OR)的输入端，该或门的输出接入下一触发器T1的输入端。T1的输出Q1和UP1接入到与门(AND)的输入端，该与门的输出端为UP2；DOWN和T1的另一个输出端

经过一个另一个与门(AND)后得到DOWN2输出。UP2和DOWN2接入或门(OR)的输入端，该或门的输出接入T2的输入端，重复UP1、DOWN1，Q0，

到UP2、DOWN2，Q1，

的这种结构，直到T(k-1)，T(k-1)就直接输出。这个UP/DOWN计数器的原理如下：

由于T0＝1，

T1＝UP·Q₀+DOMN·Q₀，

T2＝UP·Q₀·Q₁+DOWN·Q₀·Q₁，...

$T_{(k-1)}=\mathrm{UP}\·Q_0\·Q_1\·\·\·Q_{(k-1)}+\stackrel{\‾}{\mathrm{DOWN}}\·\stackrel{\‾}{Q_0}\text{\·}\stackrel{\‾}{Q_1}\·\·\·\stackrel{\‾}{Q_{(k-1)}}$ 从中可看出，可看出UP＝DOWN＝1时增1，UP＝DOWN＝0时减1，实现图3所示的功能。

在图3的表格中，当UP＝DOWN＝1，k位输出Q_(k-1)···Q₁Q₀自上而下从0...00增到1..11，当UP＝DOWN＝0，k位输出Q_(k-1)···Q₁Q₀自上而下从0...00减到1..11，当UP＝0，DOWN＝1或UP＝1，DOWN＝0时，k位输出Q_(k-1)···Q₁Q₀既不增1也不减1，保持不变。

如图4所示是本发明提出的直流平衡(DC Balance)的整体电路框图，所述电路包括帧符号判决电路001、帧复用电路002和积数翻转电路003，还包括数据锁存电路007，同或门004，异或门006，二选一复用电路005，以及单变双电路组008和链接电路009。所述数据锁存电路007用时钟把并行数据，如A₁A₂...A_(2N-1)A_2N采集下来，结果传递给所述帧复用电路002和帧符号判决电路001，所述帧复用电路002把并行信号复用成奇数路信号和偶数路信号，这两路信号输出到所述积数翻转电路003，所述积数翻转电路003的输出积数翻转信号Acc和所述帧符号判决电路001的输出帧符号判决信号Sign通过同或门004的运算输出最终翻转信号Inv，Inv就代表从传第一位数据到最近一位的1多还是0多的信息；Inv通过单变双电路组008输出Ip和In，这里单变双电路组的功能就是实现Ip和输入Inv同相，In和输入Inv反相。

所述帧符号判决电路001对并行的一帧信号和反馈的历史帧信号对Ip和In进行统计处理后将当前帧的1多还是0多的信息输出到积数翻转电路003进行再次判决，积数翻转电路的判决就是比相邻两个数位的1和0，相邻两个位分为4种情况11、10、01、00，其中11和00是不平衡的，10和01是平衡的，积数翻转电路的输出和帧符号判决电路的输出经过同或门004产生翻转信号，决定当前帧的翻转状况。帧复用电路002的输出通过二选一复用电路005变成串行信号，该串行信号和翻转信号经过异或门006产生串行数据A₁A₂...A_(2N-1)A_2N，再经过链接电路009把A₁A₂...A_(2N-1)A_2N和翻转信号Ip、In链接起来，最终产生串行输出，如A₁A₂...A_(2N-1)A_2NI_pI_n。

所述积数翻转电路是检测DC平衡与否的关键模块，它在帧复用模块和帧符号判决电路的后面，判决历史帧的DC平衡。所谓DC平衡即直流平衡，是指串行的传输信号中“1”，和“0”要一样多。由于DC平衡是一个动态的概念和要求，积数电路主要通过判断相邻的两位是否同时为1，或同时为0，或1和0各一个，相邻两个Bit位的1和0，相邻两个位分为4种情况11、10、01、00，11和00是不平衡的，10和01是平衡的。

同时为1，或同时为0时就需要计数，同时为1时UP计数，同时为0时DOWN计数。也就是说本模块是实现多位UP/DOWN计数的功能，是提供给输出翻转信号是否翻转的依据。

设定2N位并行数据A₁A₂...A_(2N-1)A_2N，通过帧复用电路，复用成两路N位信号，分别为A₂A₄...A_2N和A₁A₃...A_(2N-1)，这两路N位信号同时连接到k位UP/DOWN计数器，k的取值满足下式：2N≤2^k≤2(N+1)。

k位UP/DOWN计数器记录A₂A₄...A_2N和A₁A₃...A_(2N-1)对应信号的DC平衡，11和00是不平衡的，11时就加1(UP)，00时就减1(DOWN)。当k位UP/DOWN计数器记录满时，就把最高位翻转。

帧符号判决电路是一种用模拟电路实现数字功能的电路，2N位数据和翻转信号即翻转信号为IpIn，Ip和In是两个数位，且Ip和In是互反的，即Ip为高电位，则In为低电位，反之亦然，通过差分信号的方式接到比较器的同相端和反相端，在比较器的输出端输出2N位数据和翻转信号中到底是1多还是0多，也即本帧的DC平衡。

总之，帧符号判决电路判断出当前帧的1多还是0多，积数翻转电路判断出历史帧的1多还是0多；同时根据当前帧和历史帧的1多和0多最终决定当前帧的翻转还是不翻转。也即如果历史帧1多；当前帧1多，则当前帧翻转，否则，不翻转；如果历史帧0多；当前帧1多，则当前帧不翻转，否则，翻转；也就是说当前翻转信号是历史帧1多信号和当前帧1多信号的同或运算。最高位和帧符号判决电路的输出经过同或运算产生当前帧的翻转信号IpIn。

翻转信号反馈回给帧符号判决电路和帧复用电路，在帧复用电路中，反馈信号分解成Ip和In信号，Ip和In是一队互反信号。在A₁A₂...A_(2N-1)A_2NI_pI_n中IpIn在取值上为InIp时就是表明当前帧是翻转帧，否则就是非翻转帧。

应当理解的是，本发明的上述针对具体实施方式的描述过于具体，并不能因此而理解为对本发明专利保护范围的限制，专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1、一种直流平衡电路，其特征在于，其包括帧符号判决电路、帧复用电路和积数翻转电路，以及数据锁存电路、同或门、异或门、二选一复用电路、和单变双电路组及链接电路；

所述数据锁存电路用时钟把并行数据采集下来，并传递给所述帧复用电路和所述帧符号判决电路；

所述帧复用电路把并行数据信号复用成奇数路信号和偶数路信号，并输出到所述积数翻转电路；

所述积数翻转电路通过UP/DOWN计数器产生输出积数翻转信号；

所述帧符号判决电路输出帧符号判决信号；

所述帧符号判决信号和积数翻转信号输入到所述同或门，产生最终翻转信号；

所述最终翻转信号既与所述二选一复用电路的输出一起接入所述异或门生成最终的串行信号，同时通过所述单变双电路组产生正端和负端差分对，所述差分对和并行的输入帧信号反馈接入所述帧符号判决电路进行统计处理后将1多还是0多的信息输出到所述积数翻转电路进行再次判决；

所述积数翻转电路的输出和所述帧符号判决电路的输出经过所述同或门产生当前翻转信号，决定当前帧的翻转状况，所述帧复用电路的输出通过二选一复用电路变成串行信号，该串行信号和翻转信号经过异或门及所述链接电路最终产生串行输出。

2、根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述UP/DOWN计数器的步长为1。

3、根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述积数翻转电路的判决就是比较相邻两个数位的1和0，相邻两个位中11和00是不平衡的，10和01是平衡的。

4、根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述帧符号判决电路通过所述单变双电路组把输入的帧的每一位变成差分帧，其差分帧的正端和负端都接入一对晶体管的基极，形成一对电流开关；该对电流开关的集电极分别输出到一个第一和第二上拉电阻；该对电流开关的发射极连接在一起通过电流源连接到地；每一对所述电流开关的正端的集电极连接在一起和所述第一上拉电阻连接，负端的集电极连接在一起和所述第二上拉电阻连接，产生一对差分电压，连接到一比较器的输入。

5、根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述积数翻转电路所使用的UP/DOWN计数器是k位同步UP/DOWN二进制计数器，其包括k-1个T触发器，第一触发器的输入端接高电平，第一触发器的输出端和UP信号经过与门得到UP1输出，DOWN信号经过反相器后，和第一触发器的另一个输出端接到另一个与门的输入端后得到DOWN1输出；UP1和DOWN1输出接入或门的输入端，该或门的输出接入下一触发器的输入端；其中k为用于计数的自然数。

6、根据权利要求1～5任意一项所述的电路，其特征在于，所述帧符号判决电路判断出当前帧的1多还是0多，所述积数翻转电路判断出历史帧的1多还是0多；同时根据当前帧和历史帧的1多和0多最终决定当前帧的翻转还是不翻转，当前翻转信号是历史帧1多信号和当前帧1多信号的同或运算。

Images