CN101471735B - 一种差分信号的故障监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分信号的故障监测装置。本发明方案可以迅速监测差分信号线路故障；监测不依赖于信号传输，在通信驱动和接收单元部分损坏或者功能降低时就可监测出故障，可以提升告警的灵敏度，降低事故级别；与其他监测手段相比，结构简单，从而可靠性较高，且成本低廉。

Description

一种差分信号的故障监测装置

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种差分信号的故障监测装置。

背景技术

为了提高通信设备的可靠性，现有的高速通信线路都具备一定的监测功能，在线路故障时可以向管理台上报告警。常采用的为软件校验法，如图1所示，在发送端的待发送信息中加入校验信息，组成包括待发送信息和校验码的数据帧，并发送所述数据帧；在接收端，通过校验码识别误帧或者误码，如果错误率高于一定的门限则认为是通信线路出现问题，并上报告警。

上述现有技术的软件校验法有如下缺点：

虽然可以在监测出通信线路故障，但故障定位时间长，且无法准确定位到现场可替换单元(FRU)；

需要占用高速通信线路带宽来传输校验信息，降低传输效率。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出一种差分信号的故障监测装置，可以迅速监测差分信号线路故障，且无需占用通信线路带宽。

本发明实施例提出的差分信号的故障监测装置，包括：

感应区，用于根据被监测差分信号传输线对向外辐射的电磁场，产生感应电动势；所述感应区为导电材料制成的片状物或管状物，所述片状物紧贴被监测的差分信号传输线对的外表面，与所述差分信号传输线对走线方向垂直的宽度大于所述差分信号传输线对外边缘距离的3倍；所述管状物包裹在被监测的差分信号传输线对的外表面；

检测模块，用于根据感应区产生的感应电动势差判断差分信号传输线对中传输的差分信号是否出现异常，若是则上报故障。

本发明还公开了一种具有差分信号故障监测功能的印刷电路板，包括：

差分信号传输线对，用于传输差分信号；

感应区，用于根据所述差分信号传输线对向外辐射的电磁场，产生感应电动势；所述感应区为所述印刷电路板上、所述差分信号传输线对下方的铜皮；

检测模块，用于根据感应区产生的感应电动势差判断差分信号传输线对中传输的差分信号是否出现异常，若是则上报故障。

本发明还公开了具有上述印刷电路板的通信设备。

从以上技术方案可以看出，利用电磁感应原理监测差分信号电流不平衡状态，可以迅速监测差分信号线路故障；监测不依赖于信号传输，在通信驱动和接收单元部分损坏或者功能降低时就可监测出故障，可以提升告警的灵敏度，降低事故级别；较其他监测手段相比，结构简单，从而可靠性较高，且成本低廉。

附图说明

图1为现有技术的软件校验故障监测示意图；

图2为差分信号传输原理图；

图3为本发明实施例装置的示意图；

图4为本发明第一实施例的差分通信电路故障监测的装置示意图；

图5为本发明第二实施例的差分通信电路故障监测的装置示意图；

图6为本发明第三实施例的差分通信电路故障监测的装置示意图。

具体实施方式

差分信号(Differential Signal，DS)传输技术指采用一对电流方向相反，大小相等的物理线路来传输信号的通信传输技术。如图2所示，发送端将待发送的信号转换成电压相反，幅度相同的两路信号，分别通过线路A和线路B传输该信号；接收端接收到的信号为两路信号的差值。外界的电磁干扰对线路造成的影响通常是同时改变线路A和线路B电压幅度，这种情况下线路A和线路B的信号差值基本不会改变，因此差分信号基本不受外界干扰的影响。并且由于线路A和线路B的电流相反，幅度相等，其对外辐射的电磁场均抵消，对外电磁辐射几乎为零。因此，差分信号传输技术具有抗干扰能力强，能有效抑制电磁辐射的优点，因此在在高速电路设计特别是印刷电路板(PCB)的应用越来越广泛。

根据差分信号传输技术的特点，在正常情况下，差分信号传输线路对外辐射几乎为零；如果差分信号传输线路出现故障，例如出现驱动电流不平衡、单端断路、接收端接收电路单端阻抗变化等硬件故障时，差分传输线路对产生的电磁场不再是刚好抵消，则会出现对外电磁辐射。通过监测这种电磁辐射，则可以监测差分信号传输线路的故障。

因此，本发明实施例提出的对于差分信号的故障检测方法的基本思想为：对差分信号传输线路对外辐射的电磁场进行检测，如果检测发现该电磁场出现了异常，则认为该差分信号传输线路出现了故障。

图3为本发明实施例装置的示意图。

其中，感应区310用于采用电磁感应的方式，对被监测的差分信号传输线对320对外辐射的电磁场进行检测，即将该电磁场转换为感应电动势。感应区310可以为具有一定长度和宽度的导电材料制成的片状或圆管状，为达到较好感应效果，所述片状的感应区310应紧贴被监测的差分信号传输线对320，圆管状的感应区310应包裹在差分信号传输线对320的外面。

感应区310的尺寸应满足如下要求：

1、若感应区310为片状，则感应区310在沿与差分信号传输线对320走线垂直的方向上的宽度D2不能太小。设差分信号传输线对320外边缘的距离为D1。如果D2与D1比较接近，则对于感应区310来说，被监测走线对不能被看作理想的彼此靠近的线对，其尺寸因素应当被考虑进来，则感应区310感受到的差分信号传输线对310正常情况下对外辐射电磁场也不能完全抵消。根据发明人的实验研究，D2需要大于被监测信号走线对外边缘的距离D1的3倍，即D2＞3*D1。并且，差分信号传输线对320中的任何一根传输线与感应区310平行于差分信号传输线对320的边缘之间的距离，应大于差分信号传输线对320的两根走线的外边缘之间的距离D1。若感应区310为圆管状，则只需要圆管的内径能够允许差分信号传输线对320穿过即可。

2、感应区310沿差分信号传输线对320走线方向的长度D3，小于所述被监测信号走线中的传输信号基波波长的一半，即D3＜1/2*基波波长。如果长度D3接近于基波波长或更大，而传输信号产生的感应电动势也是周期性分布的，则感应区310两端的感应电势差可能会很小，难以检测。假设传输信号速率为1.25Gbps，则其基波频率为f＝1/1.25G，基波波长为l＝v/f，其中v为波速，由PCB板材决定。

实际应用中，感应区310的形状也可以在上述片状或圆管状的基础上稍加变形，例如可以为圆角矩形，或边缘为曲线的类矩形；或者横截面为其它形状的管状结构，如横截面为矩形或圆角矩形的方管，横截面为椭圆或扇贝形等等。感应区310需要与其它导电器件绝缘，或者沿被监测的差分信号传输线对走线方向的一端接地，而其它部分绝缘。

检测模块330用于根据感应区310产生的感应电动势差判断差分信号传输线对320中传输的差分信号是否出现异常，若是则确定出现故障。

根据前述差分信号传输技术的特点可以知道，当差分信号传输线对320正常工作时，理想状况下感应区310产生的感应电动势差应当为0。但实际由于环境噪声或线路热噪声的存在，该感应电动势差不可能严格等于0，而是保持在一个较小的范围内。当差分信号传输线对320出现故障时，则感应区310产生一定的感应电动势差。因此检测模块330的作用就是能够区分正常状态下的较小的感应电动势差与故障状态下较大的感应电动势差。检测模块330可采用任一种实现电动势差大小区分的手段，例如可以对该电动势差的大小直接进行测量，根据测量结果进行区分；或者将电动势差转换为其它物理量再测量，例如转换为电流强度再进行测量并区分；或者，采用模/数转换的手段，将电动势差转换为数字信号的高低电平再进行区分等等。

告警模块340用于检测模块检测到差分信号出现异常时，发出告警信号。

尽管本发明方案适用于各种类型的差分信号传输的场合，由于差分线路在PCB电路板较为常见，因此，在不将本发明的适用性限定于PCB电路板的前提下，以PCB电路板上的应用为例进行说明。

图4为本发明第一实施例的PCB电路板上的差分通信电路故障监测的装置示意图。以1.25Gbps低压差分信号(Low Voltage Differential Signal，LVDS)差分通信线路为例，在用于通信的一组LVDS差分信号线路对正下方参考地平面上，在作为沿走线平行方向的PCB板的地平面340(叫地平面有一点奇怪)的铜皮中，分割出一块铜皮作为感应区310，即将感应区310与地平面340之间的铜皮剥离，使感应区310与地平面340之间绝缘。感应区310用于感应差分线路对的电磁辐射。为了具有较好的感应效果，感应区310应满足前述尺寸要求。为达到较好的检测效果，感应区310应尽量接近差分信号传输线对320。对于多层PCB板，应选择PCB板上最靠近被监测差分信号传输线对320的铜皮上分割出感应区。被监测差分信号传输线对320中的任何一根传输线与感应区310平行于被监测差分信号传输线对320的边缘之间的距离，应大于被监测差分信号传输线对320的这两根走线的外边缘之间的距离D1。

本实施例中的检测模块330所实现的功能包括：将感应区310两端的电动势差转换为电流强度，对电流强度进行放大并进行模/数转换，得到数字高电平或数字低电平信号。

检测模块330具体包括：检波电路331、放大电路332和门限检测电路333。感应区310沿走线方向两个端点分别连接检波电路331的两个输入端。检波电路331用于将两个输入端的电势差转换为直流包络信号，并在检波电路331的输出端输出该直流包络信号。检波电路331可以为二极管检波电路、三极管检波电路或者本领域常用的其它检波电路。

检波电路331的输出端连接放大电路332的两个输入端，所述放大电路332用于将输入端的直流信号强度放大，输出放大后的直流包络信号。放大电路332的作用是将信号强度放大，便于后续的检测。较佳地，放大电路332可以为高阻抗差分放大电路。放大电路332的输出端连接门限检测电路333。门限检测电路333用于对输入的直流包络信号的强度进行监测，如果该直流信号的强度超过预先设置的门限值，则输出数字高电平信号。较佳地，输入门限检测电路333的直流信号强度超过门限值，则输出高电平的低压晶体管-晶体管逻辑电路(Low Voltage Transistor-Transistor Logic，LVTTL)数字信号；若该直流信号强度没有超过门限值，则输出低电平的LVTTL数字信号。

所述门限值如果设置得过小，可能把正常的环境噪声或线路的热噪声误报为线路故障；门限值如果设置得过大，则又可能使故障检测的灵敏度过低。该门限值可以根据电路故障模拟实测确定，并预置在门限检测电路333中；或者该装置提供门限值的可调范围，由设备维护人员根据该设备的实际运行情况设定该门限值。告警模块340根据数字高电平信号上报告警。

该装置的工作原理如下：

在感应区310上方所有差分传输线都正常工作时，差分信号传输线对320外没有磁场辐射。当差分信号出现驱动电流不平衡、单端断路、接收端接收电路单端阻抗变化等硬件故障时，差分信号传输线对320产生的电磁场不再是刚好抵消。从而感应区310将出现感应电动势，感应电动势经过检波电路331转化成直流包络信号，经放大电路332放大后，由门限检测电路333转换成低压晶体管-晶体管逻辑电路(Low Voltage Transistor-TransistorLogic，LVTTL)数字信号，若该LVTTL数字信号超过预先设置的门限值时，则输出告警信号。

上述实施例公开了检测模块330的一种较佳实施方式。检测模块330可采用任一种实现电动势差大小区分的手段，例如可以对该电动势差的大小直接进行测量，根据测量结果进行区分；或者将电动势差转换为其它物理量再测量，例如转换为电流强度再进行测量并区分；或者，采用模/数转换的手段，将电动势差转换为数字信号的高低电平再进行区分等等。本领域技术人员根据所述检测模块330的原理并结合上述实施方式，可以合理推导出其它形式的检测模块330。本发明第二实施例的差分通信电路故障监测的装置示意图如图5所示，不同之处在于本例将感应区310的一端与地信号相连，则接地的一端电势为零，便于在放大电路332中采用单电源放大器进行放大处理。实施例中，可以将作为感应区310的铜皮的一端与地平面340的铜皮保持相连。

本发明第三实施例的差分通信电路故障监测的装置示意图如图6所示，不同之处在于本例的感应区监测两路差分信号线路对，对这两路差分信号线路对同时进行监测。实际应用中，可以对多路差分信号线路对进行监测。

上述实施例二和实施例三还可以相互组合，即感应区310同时监测多于一路的差分信号线路对，并且感应区310与地信号相连接。

上述实施例中，利用PCB板上原本存在的铜皮作为感应区310，实际应用中，也可以在被监测差分信号传输线对320的上方、左右任一侧或者周围设置铜皮或者其它具有良好导电性能的材料作为感应区310。较佳地，感应区310的形状为一边与被监测差分信号传输线对320平行的矩形，也可以是包裹被监测差分信号传输线对320的圆管。

本发明实施例的差分通信电路故障监测装置以如下方式应用于工业产品中：

1、与PCB板相结合。制成带有上述实施例所述的感应区、检测模块和告警模块等部件，能够对自身的差分信号传输线路进行故障检测的PCB板。为保证通信设备具有较高的可靠性，要求通信设备具备在线故障监测的功能，因此可以将上述PCB板应用在通信设备中来实现在线故障监测。所述通信设备包括如基站、移动交换中心、移动管理实体、路由器等。

2、作为单独的差分通信电路故障监测装置。使用时，将该装置的感应区按照前述相对于被监测的差分信号传输线对的位置要求进行安装，并对该差分信号传输线对进行故障监测。

本发明实施例方案利用电磁感应原理监测差分信号电流不平衡状态，从而可以监测到差分信号线路对中的故障。本发明实施例方案具有以下有益效果：

1、告警信号随着感应电动势的出现瞬时出现，可以直接定位到故障传输线路，降低平均故障恢复时间(Mean Time To Recover，MTTR)；

2、监测不依赖于信号传输，在通信驱动和接收单元部分损坏或者功能降低时就可监测出故障，可以提升告警的灵敏度，降低事故级别；

3、较其他监测手段相比，结构简单，从而可靠性较高。

4、感应区可以就地取材，使用PCB铜皮，不增加成本，且检测电路成本低廉。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种差分信号的故障监测装置，其特征在于，包括：

感应区，用于根据被监测差分信号传输线对向外辐射的电磁场，产生感应电动势；所述感应区为导电材料制成的片状物或管状物，所述片状物紧贴被监测的差分信号传输线对的外表面，与所述差分信号传输线对走线方向垂直的宽度大于所述差分信号传输线对外边缘距离的3倍；所述管状物包裹在被监测的差分信号传输线对的外表面；

检测模块，用于根据感应区产生的感应电动势差判断差分信号传输线对中传输的差分信号是否出现异常，若是则确定出现故障。

2.根据权利要求1所述的故障监测装置，其特征在于，所述片状物或管状物沿被监测的差分信号传输线对走线方向的长度小于所述被监测差分信号传输线中的传输信号的基波波长的一半。

3.根据权利要求1所述的故障监测装置，其特征在于，所述被监测差分信号传输线对处于印刷电路板上，所述感应区为在被监测差分信号传输线对下方的所述印刷电路板上的一块铜皮。

4.根据权利要求3所述的故障监测装置，其特征在于，作为感应区的铜皮与所述印刷电路板上的其它铜皮保持绝缘，或者该作为感应区的铜皮沿被监测差分信号传输线对走线方向的一端与所述印刷电路板上的其它铜皮相连，而该作为感应区的铜皮的其它部分保持绝缘。

5.根据权利要求1至4任一项所述的故障监测装置，其特征在于，所述检测模块包括：

检波电路，其两个输入端连接所述感应区的两端，根据两个输入端的电势差，在输出端输出直流包络信号；

门限检测电路，用于判断所述直流包络信号的强度是否超过预先设置的门限值，若是则输出数字高电平信号。

6.根据权利要求5所述的故障监测装置，其特征在于，所述检测模块进一步包括：

放大电路，用于对所述检波电路输出的直流包络信号的强度进行放大，并将放大后的直流包络信号输出至所述门限检测电路的输入端。

7.根据权利要求6所述的故障监测装置，其特征在于，所述放大电路为高阻抗差分放大电路。

8.根据权利要求6所述的故障监测装置，其特征在于，所述门限检测电路为低压晶体管-晶体管逻辑电路LVTTL。

9.一种具有差分信号故障监测功能的印刷电路板，其特征在于，包括：

差分信号传输线对，用于传输差分信号；

感应区，用于根据所述差分信号传输线对向外辐射的电磁场，产生感应电动势；所述感应区为所述印刷电路板上、所述差分信号传输线对下方的铜皮；

检测模块，用于根据感应区产生的感应电动势差判断差分信号传输线对中传输的差分信号是否出现异常，若是则上报故障。

10.根据权利要求9所述的印刷电路板，其特征在于，作为感应区的铜皮与所述印刷电路板上的其它铜皮保持绝缘，或者该作为感应区的铜皮沿被监测差分信号传输线对走线方向的一端与所述印刷电路板上的其他铜皮相连，而该作为感应区的铜皮的其它部分保持绝缘。

11.根据权利要求9或10所述的印刷电路板，其特征在于，所述检测模块包括：

检波电路，其两个输入端连接所述感应区的两端，根据两个输入端的电势差，在输出端输出直流包络信号；

门限检测电路，用于判断所述直流包络信号的强度是否超过预先设置的门限值，若是则输出数字高电平信号。

12.一种通信设备，其特征在于，该通信设备包括具有差分信号故障监测功能的印刷电路板，所述印刷电路板包括：

差分信号传输线对，用于传输差分信号；

感应区，用于根据所述差分信号传输线对向外辐射的电磁场，产生感应电动势；所述感应区为所述印刷电路板上、所述差分信号传输线对下方的铜皮；

检测模块，用于根据感应区产生的感应电动势差判断差分信号传输线对中传输的差分信号是否出现异常，若是则上报故障。

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