CN1011014B

CN1011014B - 通信信道收发器

Info

Publication number: CN1011014B
Application number: CN87103125A
Authority: CN
Inventors: 约瑟夫·哈罗德·海文斯; 威廉·泰特·琼斯; 戴维·阿兰·斯尼德尔
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1986-04-29
Filing date: 1987-04-28
Publication date: 1990-12-26
Also published as: EP0245972A2; EP0245972A3; JPH0552105B2; DE3786950T2; US4740992A; JPS62278842A; EP0245972B1; KR950004876B1; CA1271536A; CN87103125A; KR870010704A; DE3786950D1

Abstract

一个适用于在一条公用信道上进行通信的收发器，它与另一个收发器同时使用。所采用的一种技术使得两个收发器在制造和使用时可以是相同的。该项技术避免了把一个收发器设计为“主机”，而把另一个设计为“子机”。它依赖于开始建立通信的触发周期期间中传输之间的随机时间差。一般情况下以多比特数据组进行传输。此外，给出了一个光学收发器的例子，它具有一个用于传进和光检测的发光二极管，在这里，通信信道是一根光导纤维。

Description

本发明所涉及的装置是用于公共通信信道上的收发装置。

当在金属导体、光导纤维或其它介质两端的收发装置之间进行通信时，通常要在该收发装置之间保持一个确定的关系。也就是说，把其中的一个收发器设计为“主机”，把另一个设计为“子机”。在为建立收发器间的通信而制定协议时，这种设计是有用的。例如，在需要进行通信时，主机可发出一个脉冲或其它的信号来触发子机。这样，借助于两个收发器之间信道的时间分配，就可允许在一条单一的信道上实现双向通信。如果没有建立适当的协议，就可能出现这样的情况，在一个收发器想要传送信号时，而这时正有数据输入，这就会导致信息的遗失。

一种早期的在通信站之间分配通信时间份额的技术叫做“Aloha网络”，在这种技术中，一个想要传送信号的通信站将把一系列的数字数据播发到许多其它站去。目标站的地址被包括在传输中，而且，这时信息传送的频率由传送站监测，以确认另一个站是否也在同时发送了信息。如果是这样的话，就要对传向指定地点的传输进行重复，以确保不会由于干扰而遗失信息。

在一个单一的通信信道上以一种分时方式使用两个收发器通常被归类于“半双工”操作，传送分时群的数字信号也被归属为“成组方式”或者“往复式”技术。在这种技术中，也可以不采用分时，但这样作的代价是增加一个信道，即采用“全双工”操作。

在半双工技术中，至少在接近于期望进行通信的时间周期内，子机被维持在一种可接收来自主机传送的信号的状态。通常，在这种等待周期期间，子机部分被禁止向外。因为上述或其它一些可能的原因，就需要以某种方式来区分主机和子机部分。可以通过制造或使用期间中改变收发器的特性来完成这种识别。例如，在一个现行的由一个集成电路芯片所构成的半双工收发器中，主收发器和子收发器的芯片最初都以相同的方法形成。也就是说，它们的时基、发送器和接收器部分最初都是同样地被形成在芯片上。然而，在以后的一道生产工艺中，一种不同的金属化结构使其中一个被设定为主机，另一个则成为子机。也可以由用户做出设定，方法是对一个集成电路终端进行适当地联接。无论用什么技术做出的设定都会使子机维持在一种接收状态上，直到主机发出的信号脉冲被子机接收到为止。也就是说，最初只有主机能在信道上进行通信。这种结构的缺点是降低了一个给定的收发器使用的灵活性，原因是，在给定一个设定之后，它只能做为一个主机或子机工作。

另一种已有的工艺技术使用了一种冲突检测系统，它允许在单一的信道上进行双向通信。例如，Ethernet（Xerox公司的一种商标）网络技术中使用的收发器可以监测公共信道上信息输入及与其它设备的通信情况。一个给定的收发器只能在该信道空闲时来传送信息。也有可能在通信正被检测时就开始了信息传送，这将导致一种“冲突”现象，在这种情况下，由两个（或更多个）收发器发出的数据同时出现在该信道上，然后，两个（或更多个）相冲突的收发器在企图重新传送信息之前要等待一段随机的时间周期。如果由于一个二次冲突不能使信息成功地重新传送，则该时间周期再次被改变。然而要注意的是，在Ethernet技术中，网络中的每个收发器仍必须以某种方式进行设定，以便能向其它设备表明它的地址。此外，在每一次传输开始时，都要使用避免冲突技术。而且，需要相当复杂的控制电路进行检测和避免冲突。所以，与在单一的信道上设置一种低成本的双收发器的通信线路所希望的相比，这种网络技术就过于复杂了。

根据我们所发明的一种技术，两个收发器可在一条普通的信道上进行通信。为了在最初建立通信，每个收发器都要适于传送一个起动信号，而且这时等待接收由另一个收发器发出的起动信号。如果在接收时间周期内没有收到另一个收发器的起动信号，则对每个收发器所做的设定可使之再传送出起动信号。由收发器的周期性传输之间的随机时间差，可以保证实现一个收发器所传送的起动信号最终被另一个收发器在其等待接收周期内所接收。这个时间差可以是由于每个收发器的本地时基的频率间的微小差别引起的。在一个推荐的实施例中，主要是用一个电路来产生该差别，该电路显著地增加了接收周期的随机性，但却不影响收发器本地时基的频率。如果需要的话，本发明的技术允许使用相同的（在标称偏差之内）收发器。

图1表示根据本发明的技术建立同步状态的时序。

图2表示了根据本发明的技术建立通信的示范性协议方案，并且假定反射可被忽略。

图3表示一种实施了本发明技术的收发器的示意图。

图4表示出一个适用于使接收周期随机化的电路。

下面所做的详细介绍涉及到一种在两个具有匹配关系的收发器之间进行通信的技术，借助于这项技术可避免将一个收发器设定为主机而把另一个收发器设为子机。在本发明的技术中，由于使用了一个实际上是统计随机性（或伪随机性）的时间变化的触发程序，因而可保证各收发器在不同的时间上传送（和接受）信息。通过检测接收周期内的一个输入起动信号，两个收发器可进行同步通信而不需要任何冲突检测。此外，在标称偏差之内，两个收发器在制造工艺上可以是相同的。

本发明提供了一个“触发”程序，借助这个程序，每个收发器周期性地传送一个“起动”信号，通常为一组有确定顺序的二进制数，而且这时还可接收另一个收发器的起动信号。两个收发器起动信号传输的时间周期至少是稍微不同的。通常选择“接收周期”的最小长度，使这一周期长度，为在信道上指定的往返传输延迟时间的最小值，再加上接收起动信号的时间（标准情况下等于数据组的长度）。使用下面定义的符号，这时最小接受周期的典型值是2A+P。在触发期间，传输时间周期间的时间差可确保一个起动信号最终将到达另一个收发器，这时另一个收发器正在接收它，因此就建立起了通信链路。通信链路建立起来后，由通常为多比特数据组的信息信号在两个收发器之间维持同步。在触发期间，传输周期间的时间差一般地是由于在允许的制造偏差内的各器件值的随机差别引起的。由于温变、工作电压、器件寿命或者其它的倾向于以一种随机方式独立地影响收发器的因素引起的变化会使该时间差增大。

图-1表示一种典型的可说明本发明的触发程序。在TO时第一个收发器被触发，而且传送一个起动信号，一般为一个具有时间宽度P的多字节数据组。这个数据组经过通信信道并经过一个传输延迟a之后到达第二个收发器。在完成上述传输之后，第一个收发器起动它的接收器，该接收器在一个长度为L的接收周期上接收一个输入的起动信号。（为了说明简单起见，在起动接收器之前不包括任何反射消失的等待周期。）在本例情况中，起动信号是数据组中“起动”和“停止”二进制码的组合，但是实际上起动信号可以是数据组中所需的任意比特序列。如图所示，由于在第一个接收周期内没有任何起动信号输入，第一个收发器在时刻T₂时再传送一个数据组。第二个收发器在时刻T₁时被触发，它比第一个收发器的触发时刻晚S₁。在第二个收发器传输完它的数据组之后，它也要等待一个接收周期。如图所示，在这段时间内也没有接受到任何起动信号。所以，第二个收发器在时刻T₃时再传送一个数据组。

由于两次传输时间周期的随机差别，其中的一个收发器在它的接收周期内最终将可接收到一个起动信号。在那时，该接收器对此起动信号进行检测，并终止接收周期，而且（在附加等待周期R之后）开始向另一个收发器传送一个数据组。当两个收发器在它们的接收周期内均已识别出起动信号时，两个收发器就达到了同步状态。然后，可以通过在两个收发器之间交换许多个由有确定的比特码型的数据组，来验证同步状态的正确性。然后，每个收发器分别置于传送或接收用户数据的状态。在本实施例中，在首次实现同步后，每个收发器也转换到一个较短的接收周期，这样可以减少为检测数据丢失所需要的时间，数据丢失的原因可能是由于噪声、或信道的中断等。例如，在触发程序执行周期内，如果L＝1毫秒的话，则在同步实现之后改变L，使L＝50微秒，这样可迅速进行数据丢失情况的检测。当有功率损失时通常将收发器设计得使之能把L重新设定为一个更长一些的周期。

作为触发所需时间的一个例子，如果每个收发器的本地时基使用一个晶体谐振器，它具有1MHz的设计频率，偏差为0.01%，则这两个时基的频率差不会大于200Hz。然而，由于两个收发器的器件值或工作条件方面（如温度或电源供电电压）不可避免的统计性偏差，总会有一些差别存在。因为这种频率上相当小的但却不可避免的差别，在一定的时间周期之后，一个收发器的传输将会明显地偏离另一个收发器的传输，使传输不再交叠。（可以使用一种阻-容型谐振器来提供一个大的偏差和较短的触发时间。）这样，正如图1所表示的那样，第一个收发器的起动信号最终在第二个收发器的接收周期内到达第二个收发器。如已说明的那样，接收周期是随机可变的，其选择原则是要大于所需要的最短时间。然而希望接收周期不是过长，以便把触发所需要的时间减到最小。我们推荐一种接收周期，它的值比起动信号的长度小1000倍，其长度一般情况下与一个数据组的长度相同。在大多数情况下，特别是在本地传输系统中，接收周期小于100毫秒，通常小于10毫秒。

在一个推荐的实施例中，不单单依靠时基谐振器的相当小的差别，它使用了一种“随机化”电路，该电路可在接收周期中产生相当大的差别，但对时基谐振器却没有影响。这是很有效的，原因是接收周期的一个变化也会在起动信号周期性传输之间的时间间隔内产生一种变化。所以，两个收发器的传输间隔之间的统计差别是增加的。以这种方式，所需的平均触发时间被减少了，则在触发实现之后就易于维持高数据速率下的同步状态。如果通信信道发生中断或有其它干扰，则触发程序被重新起动，这是因为所述收发器在它的接收时间周期内没有收到信号。由此，可重新建立通信。

如果在每个收发器内装有一个（附加的）数据缓冲器，从用户来说就实现了全双工通信。例如，实际的半双工数据速率在每个方向上大约为每秒600Kbit，它将允许每端的用户以恒定的19Kbit速率进行发送和接收，从而可以对用户数据进行抽样，加入控制比特和传输时延。如果数据缓冲器具有足够的容量，甚至通信信道的瞬时中断对用户来说也是不可见的，原因是收发器能够自动地重新起动上述触发程序，直到同步再次实现，并重新传送遗失的数据。

此外，按照已有技术，每个收发器可提供一个附加等待周期，以便使反射能在收发器收到另一端的传输后及进行传送之前消失。由于传输介质内各点的不规则性，通信信道中通常都有反射存在，这些点通常包括接点和设备的终端。这些不规则性包括电导体情况中的阻抗不匹配和光学导体情况中的折射率的差别。一个（近端发出的）传输信号的任何反射都倾向于屏蔽掉由远端来的接收信号。然而就本发明而言，这个附加等待周期是任选的，也就是说，反射不会达到具有足以干扰所需信号的强度，或者可通过回声消除器除去反射，或另做处理。

参考图2，它表示在一个给定的收发器中实现本发明时的操作程序。收发器的电源接通时可以实现“开始”步骤，一般讲，在一给定信道两端的两个收发器可独立地实现这一步骤。这时发送器发出一个起动信号（例如一个多比特数据组），此时接收器截止。在使接收器能工作之前，通过附加一个时间周期R来提供一个反射可被忽略的附加等待周期。典型情况下等待周期的宽度为2A，在这里，A是一个信号在具有最大长度的通信信道上的传输时间，收发器使用该信道进行传输。对于一个本地型传输系统来说，该长度一般小于10公里。然而，现在的技术可在具有任意长度的信道上进行通信。往返传输时间2A允许从一个具有最大长度（或少些）的信道远端产生的反射到达接收器时被忽略掉。然而，也可采用另一种等待周期。例如，如果已经知道远端反射强度相当小，或者实际使用的信道长度小于最大设计长度的话，则一个更短些的等待周期也是可以接收的。另外，在需要考虑附加反射损耗时，等待周期则要比2A长些。标准情况下，考虑到信号在具有最大设计长度的一个信道上往返传输的次数为一个整数，因此一般讲R＝nA，这里的n是一个偶整数。

第一个附加等待周期之后，接收器一开始工作，接收周期就开始了。如果在接收周期内没有检测到起动信号，则发送器再传送一个起动信号。然而，当在接收周期内检测到了起动信号，同步（即“连通”）就实现了。注意，如果包括了第一个附加等待周期，则就可以在起动信号被检测到之后和发送器工作之前来提供第二个等待周期，通常长度也是R。第二个等待周期允许在短于最大长度的信道上通信。然而数据也可能被遗失，因为在信道另一端的收发器在其第一个附加等待周期内不能接收，以便使反射以和上述类似的方式可在远端被忽略。通过令第二个附加等待周期与第一个相等，就不需要对信道指定一个最小长度了。

本技术使用光学收发器的一个示范性实施例如图3所示。在这个实施例中，每个收发器利用了一个发光二极管（“二极管”），利用已有技术原理即将该发光二极管用作发射光信号，又将该二极管用作光检测器，以接收光信号。另外，按照已有技术原理，借助于一个光耦合器可使用另一个光检测器（例如pin二极管、雪崩二极管、光电三极管等）和另一个光源（例如激光器或发光二极管）。二个收发器通过一条光导纤维信道进行通信。

在光信号接收期间，模拟接收器将二极管的电信号放大，并且将放大的信号加到数字接收器上，后若处于协议控制器的控制之下。数字接收器对收到的数据组进行处理，通过“数据输出”线将数据组转换为适合于用户的形式，与控制信号一道来表示已接收到码字。例如，如果用户数据已被取样和编码，则数字接收器可以将数据转换成它原来的形式。

一种也处于协议控制器控制之下的数字发送器接收来自所希望的数据源的数据和控制信号，并向模拟发送器提供适当的已格式化的数据组。模拟发送器提供足够的电流放大，以驱动二极管，使之产生传输用的光信号。一个时基振荡器提供了时钟信号，一种随机码发生器增加了本地时基的接收周期的随机性，正如下面所要讨论的那样。如以指出的那样，在标准情况下除了二极管（和石英晶体未表示出）以外，所有的电路都安装在一块集成电路上。然而在有些情况下，将电路的模拟部分集中在一块集成电路上，而把数字部分集中在另一块集成电路上是有好处的，这样可使每个部分均工作在最佳状态。

为了实现一个RS232收发器，可得到19.2Kbit/秒的用户数据速率的适宜的系统参数如下：

1：以397.7Kbit/秒的速率对用户数据（速率为19.2Kbit/秒）进行取样。

2.将31个取样值编码，形成一个个数据组。

3.光学码为不归零码（NRZ）。

4.数据组长度为13个比特，它包含有一个起动比特，一个停止比特，2个控制比特，和9个数据比特。

5.光传输和接收的速率是596.59Kbit/秒。

6.时基振荡器的工作频率是14.31818MHz。

7.当最大光纤长度约为1公里时，假定光纤传输延迟（A）的最大值为5微秒。

8.回声消失的等待时间（R）是10.057微秒（即大约为 2A）。

9.光学数据组的宽度是21.79微秒。

协议控制器器通过下面的控制信号实现图2所表示的协议，控制信号如下：

ARS模拟接收线路：当这条线为高位时，接收器进入触发状态准备接受二极管的数据。当ARS为低位时，接收器处于一种维持对阈值进行检测的状态，以避免由于更大的发送信号使之翻转。

链路状态：这条线达到高位表示通信已经建立。当链路状态线为高位时，如果在接收周期内没有接收到一个数据组，则它将转变为低位。

RC接收控制：这条线为高位可使数字接收器进入工作状态。当其为低位时，它对数字接收器电路进行清除。当协议控制器知道RO已变为高位时（表示数字接收器已收到了纤维的一个数据组），则RC在大约10微秒后将变为低位。这个延迟使数据组有足够的时间被编码并被放入有31比特的接收器的寄存器中。

RO接受完毕：数字接收器使这条线在其接收光纤的一个有效数据组之后立即变为高位。当RC为高位时，RO只能变为高位。

XC传送控制：这条线为高位时，数字发送器开始工作。实际上它是一种对数字发送器内的数据块的清洗控制。当协议控制器看到XO变为高位时（表示数字发送器工作已完成），则XC在由时基所定义的一个周期（139.7毫微秒）之后变为低位。

XO传送完毕：只有当其完成向光纤发送一个数据组之后，数字发送器才能将这条线变为高位。当XC为高位时XO只能变为高位。

根据推荐的实施例，每个收发器包含有一个随机化电路。这实际上是增加了由一个收发器到另一个收发器的接收时间的随机差别，它与本地时基引起的随机差别类似，但却不影响本地时基的频率。图4表示一个适用的电路，在那里，为了上述目的而使用了大家熟知的具有性能差别性的场效应三极管。电源供电电压加到串联连接的M₁和M₂器件上，M₁和M₂的门一漏已短接。三极管M₂-M₃和M₄-M₅形成了一个电流镜，它将电流I1分成为更小的值。当“控制线”在参考时基的时钟控制下变为高位时，接收周期开始，而且M₆被切断。这使通过M₅的小电流为电容器C₁（约20pf）充电，使节点S处的电位下降。当节点S达到反相器INV3的转换阈值时，“输出”线变为高位，而将接收周期终止。（由时基得到的一个时钟允许上面已说明的2A+p这样的最小延迟，这时要求随机延迟小于这个最小值。）由控制线高位到输出高位的延迟的随机性，部分原因是由于C₁的电容量的差别，特别是由于三极管M₁和M₂的互导性差别。这种差别在标准的集成电路制造工艺中是相当大的。此外，电源供电电压以及温度的差别使电路具有一个很高的延迟差别性。延迟范围从大约100微秒变化到2毫秒，大于预期的由制造偏差、温度和电源供电电压引起的差别。可以使用另一种随机化电路或使用一种伪随机码发生器来提供随机化功能。另外，依靠电子噪声（例如一个噪声二极管）和一些其它可能的技术也可以得到这样的功能。

注意，尽管在示范性实施例中表示的多比特数据组中的信号具有相等的比特长度，但是也有可能采用具有不同比特长度的数据组。例如，如果在一给定的方向上信息传输非常忙，则这时可在该方向上使用一个更大的传送数据组（即具有更多比特）。也可以动态地改变数据组的长度，以便随着信息负荷的变化使系统的信息传送能力最佳化。在另一方面，在非常简单的低成本的系统中，收发器可以只使用一个单比特的数据组。例如，可以使用脉冲宽度调制，在这里，逻辑“1”代表一个具有给定宽度（例如1微秒）的信号，而逻辑“0”则由具有另一宽度（例如2微秒）的一个信号来代表。用这种方式，信道上设有任何信号的情况可被每个接收器识别为“联系中断”的条件。接着所收到的信号（或者为“1”，或者为“0”）则在上述的触发过程中被用作起动信号。此外，触发信号也可能是一个比特数目不同于信息数据组的多比特数据组。例如，如果信息数据组具有许多比特，它就可以更有效地使用一个只有较少比特的起动数据组，以减少所需要的平均触发时间。另外，当具有上述可变长度的信息数目且进行触发时，使用固定长度的起动数据组可能是有用的。尽管上面已说明的起动信号将起动和停止比特包括在数据组内，但起动信号可以很容易地用Manchecter编码数据通过识别0到1的转换来执行，它不包含停止比特。其它的起动信号方案也是可行的。

也可在收发器中加上装置，以决定使用信道的实际传输时间（a）（与假定的最大时间A相对应），而且在触发实现之后，可调整信息组的长度或相应地调整数据组之间的周期。此外，一旦链路建立之后，对实际传输时间（a）的测量可方便地用来使一个给定的收发器的接收器在该收发器的发送器发送后被截止，直到（由另一个收发器的）一个返回数据组预期要出现时为止。这就减少了误把噪声当作为一个信息信号的可能性。这时，一个给定的收发器可以设定在一个具有最大给定传输时间（A）的信道上工作，但也可以不这样做。例如，一条信道可使用任意的长度，只要用户收发器的数据速率降低，就可相应地增加该信道的长度（和传输时间）。如果需要的话，可自动实现这种调节，方法是在接收到远端的返回数据组时发送一个信号给近端用户。最终，在长的信道上，两个或多个数据组同时在该信道上进行传输是可能的。这是很有用的，例如，在传输延迟长到可与信息数据宽度（P）相比较时，或者长到可与一个收发器在传送与接收之间进行转换所需要的时间相比较时，或两种情况同时出现时就是这样。对于这种长距离的信道来说，这时要求最小接收周期短于2A+P。另外，显而易见本技术领域的专利人员可对本发明技术进行各种改变。

Claims

1、一种适用于在一条信道上进行通信的收发器，该收发器包括：一个适用于传送信息、传输速率由本地时基控制的发送器；及一个适用于接受信息的接收器；

所述收发器的特征在于它还包括：

用于使所述发送器传送一个输出起动信号的装置；

提供附加等待周期(R)的附加装置，该等待周期可使至少一个由于传输引起的反射能被忽略掉；

决定在一个接收周期内是否接收到一个输入起动信号的装置，该接收周期的宽度为L，在它后面是信息传输和附加等待周期；

在接收到一个输入起动信号后在L之前终止所说的接收周期的装置；

当一个输入起动信号在所说的接收周期内没有被收到时使所说的发送器再传送一个输出起动的信号的装置；

在这里，所说的接收周期是随机变化的，它在所希望的限度内变化。

2、权利要求1中的收发器所包含的一种装置，它可根据所说的本地时基而得到接收周期的一个最小值。

3、在权利要求2的收发器中，所说的最小值至少具有所说的输入起动信号的长度。

4、权利要求3中的收发器适用于在一个具有最大传输时间（A）的信道上进行通信，在这里，所说的最小值的所述的输入起动信号的长度与所述信道上的最大传输时间的两倍的和。

5、权利要求1中的收发器还包含有一个随机化装置，它实质上增加了接收周期的随机性而不影响所说的本地时基的频率。

6、在权利要求1的收发器中，所述的接收周期主要决定于所说的本地时基的频率。

7、在权利要求1的收发器中，所述的传送一个起动信号的装置适用于传送具有一个给定比特结构的多比特数据组，而且所说的决定装置适用于识别所给定的比特结构。

8、在权利要求1的收发器中，所说的输出起动信号的长度等于所说的输入起动信号的长度。