CN101803267A - 利用相位同步本地载波产生多点信号的方法和系统 - Google Patents

利用相位同步本地载波产生多点信号的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种对树形网络应用调制的载波信号，和处理从树形网络抽取的信号，以利用相位同步载波产生输出信号的方法和系统。

Description

利用相位同步本地载波产生多点信号的方法和系统
技术领域
本发明的实施例总体上涉及模拟和数字信号分配/同步方法和系统，尤其涉及相干系统中在分配点实现载波相位/频率同步的调制信号的分配。
背景技术
用于通信、计算、数据处理、军事和其它应用的许多模拟和数字系统及子系统(下面统称为“相干系统”)被设计成同步工作。典型的相干系统包括能够产生和传送信号的子系统，比如电子、电气、机械、光学或声纳子系统。电子相干系统的一个例子是存在于现代数字系统或子系统中的大批逻辑门。这些逻辑门按照由适当产生或分配的时钟信号提供的绝对时钟节拍来开关。一般来说，本地时钟信号分配自主时钟源。为了降低系统级EMI(电磁干扰)，有时用低频信号或噪声调制该时钟信号。例如，在VLSI系统中常常使用这种技术。在这种情况下，分配的“时钟”信号是相位调制载波，所述相位调制载波是非周期性的，尽管在短时间间隔内具有近似周期的形状。分配网络必须保证准确的载波同步，以致所有逻辑每个时钟节拍都被正确计时，即使在相当长的一段时间内，时钟信号的相位都在平均绝对值左右。
除了数字应用之外，还存在许多要求调制信号的时间同步的模拟、RF和混合信号系统。例如，有源阵列，比如相控阵雷达或电控天线依赖于RF信号的精确载波相位调整。这些调制信号的分配原理上与数字系统中的时钟分配相似。
典型的具有相控对准输出的信号分配网络是利用树型拓扑分级建立的，所述树型拓扑始于与树干连接的主发生器，树枝附接在树干上，之后是其它树枝等，直到在树顶到达最终的信号传递点为止。如果对所使用的载频来说，分配网络在电学上较小，即，如果与载波周期相比，从发生器到任意最终传递点的信号传播时间较小，那么如上所述的无任何附加约束的树形网络就足够了。不过，在多数现代应用中，载频如此之高(例如，数量级为GHz)，以致即使小型化的系统，比如完全集成的电路在电学上也不小。这种情况下，提供精确同步的分配网络的设计变得极具挑战性。
电学上大型的系统中的信号分配的一种已知方法以“相等飞行时间”原理为基础。分配网络被设计成以致信号从主发生器传播到位于树顶的所有传递点所需的时间是恒定不变的。RF联合馈电网络或VLSI H-树计时网络是实现该原理的典型例子。这种方法是事实上的主力信号分配/同步方法，但是存在大量文件证明的实际限制：严格的几何约束，能耗高，对噪声灵敏，和对称为时滞(skew)的定时误差灵敏。通常，为了遏制这些缺陷，要采用费用高的附加技术。就有源分配树，比如用于VLSI计时的有源分配树来说，很难获得在高于几GHz的频率下的操作。最近，受功率耗散、噪声和成本方面的理论性能改善推动，提出了通过波导的串行时钟分配。例如，参见Wayne DGrover“Method and Apparatus for Clock Distribution and forDistributed Clock Synchronization”美国专利No.5361277，1994年11月1日；Michael Farmwald和Mark Horowitz，“Apparatus forSynchronously Generating Clock signals in a Data ProcessingSystem”美国专利No.5243703，1993年9月7日；Charles D.Miller“Signals Distribution System”美国专利No.5712882，1998年1月27日；NARO，A Proposal for a Very Large Array Radio Telescope，Vol.II，National Radio Astronomy Observatory，Green Bank，WestVirginia，Ch.14，1967；Richard R Goulette，“Technique forDistributing Common Phase Clock Signals”美国专利No.6531358B1，2003年5月13日；和V.Prodanov和M.Banu“GHz Serial Passive ClockDistribution in VLSI Using Bidirectional Signaling”，Proceedings，2006 IEEE Custom Integrated Circuits Conference。通过计算沿相反方向传播的两个信号的时间平均值，减轻由于串行传输而引起的固有的时滞累积。这种技术的主要基本缺陷是a)波导的总长度较大，可能导致信号损耗和分散，和b)已知的时间平均电路的实际精度有限。另外，这些方法预定用于周期性的未调制信号的分配。
以前提出的第一类的串行时钟分配方案：参见Wayne D.Grover“Method and Apparatus for Clock Distribution and forDistributed Clock Synchronization”美国专利No.5361277，1994年11月1日；Michael Farmwald和Mark Horowitz，“Apparatus forSynchronously Generating Clock signals in a Data ProcessingSystem”美国专利No.5243703，1993年9月7日；和Charles D.Miller“Signals Distribution System”美国专利No.5712882，1998年1月27日，使用通过传输线路的电脉冲信令。对这些技术来说，任何脉冲分散会引入定时误差，随着脉冲传播得越来越远离发生器，所述定时误差增大。避免高频下的这些误差的理论可能性是使用极好的低分散传输线路，或者使传输线路的总长度保持较短。第一种选择会增大系统成本，第二种选择会减小有益应用的数目。结合通过光学波导传送的高速光脉冲应用这种方法应提供明显更低的分散，不过这样的系统需要与光电转换相关的容易产生误差的附加功能。
提出的第二类的串行时钟分配方案，参见NARO，A Proposal fora Very Large Array Radio Telescope，Vol.II，National RadioAstronomy Observatory，Green Bank，West Virginia，Ch.14，1967；Richard R Goulette，“Technique for Distributing Common PhaseClock Signals”美国专利No.6531358B1，2003年5月13日；和V.Prodanov和M.Banu“GHz Serial Passive Clock Distribution inVLSI Using Bidirectional Signaling”，Proceedings，2006 IEEECustom Integrated Circuits Conference，把经由传输线路的正弦电激励和模拟乘法器用于时间平均。单音信令的一个优点在于作为系统性能的消极因素的分散的消除。此外，由于这种方案的明显简易性，乘法器的使用看起来有吸引力。不过，这种理论上的简易性是靠不住的。
当更周密地分析时，显然整个方案的精度依赖于实际能够实现的模拟乘法器的质量。特别相关的是乘法器输出谐波纯度。典型的高频乘法器电路，比如用作RF混频器的那些高频乘法器电路会产生富含谐波的输出。这种电路不能用于进行精确的时间平均，因为输出谐波会引入相当大的定时误差。于是，需要具有低谐波输出内容的特殊模拟乘法器电路。对诸如VLSI计时之类的低成本应用来说，这不是微不足道的设计任务，使用集成的RF滤波器来清除每个乘法器输出会不经济。如果两个乘法器输入不具有相同的幅度，那么会使具有极低谐波内容的集成乘法器的设计更复杂。于是，实际上，必须使传输线路内的信号损耗保持较低。如前所述，由于要求实现昂贵的低损耗传输线路，从而在成本方面限制了这种技术，或者由于总传输线路长度较短而应用可能性有限，也限制了这种技术。
发明内容
传统的树(即，联合馈电)分配方案和纯粹的串行分配方案代表两种情况。本发明的实施例包括在不要求过度的传输线路长度的情况下，接近纯串行方案的优点的方法和系统。本发明的实施例把调制信号，而不是纯音调用于最广泛的可能应用。
按照本发明的一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一树形网络和第二树形网络，所述第一树形网络在其树干的一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，所述第二树形网络在其树干的一端由第二发生器用载频f的第二信号激励。信号分配系统还包含一组多对信号检测点。所述多对信号检测点包含相位同步对，其中在每一对中，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上。此外，每一对具有从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
本实施例的第一和第二发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一和第二发生器可以是正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路可以是模拟乘法器。第一和第二树形网络可以是无源光网络。第一和第二树形网络可以是包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络可以是无源电网络。第一和第二树形网络可以是包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的再一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一树形网络和第二树形网络，所述第一树形网络在其树干的一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，所述第二树形网络在其树干的一端由第二发生器用载频f的第二信号激励，其中第一发生器的调制和第二发生器的调制在幅度方面相等，在相位方面相反。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上。每一对包含从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和，所述和是称为同步飞行时间的恒量。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
本实施例的第一和第二发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一和第二发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路可以是模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的又一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一树形网络和第二树形网络，所述第一树形网络在其树干的一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，所述第二树形网络的树干与第一树形网络连接。信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，其中就每一对来说，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上，每一对具有从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
本实施例的第一发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一和第二树形网络，每个网络包括树干和与树干连接的N个树枝，其中第一树形网络树干在一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，第二树形网络树干在一端由第二发生器用载频f的第二信号激励。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上。每一对包含从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
本实施例的第一和第二发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一和第二发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一和第二树形网络。每个网络包含树干和与树干连接的N个树枝，第一树形网络树干在一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，第二树形网络树干与第一树形网络的树干连接。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上。每一对包含从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
第一发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一和第二树形网络，每个网络包括树干、与树干连接的一组N个树枝、和与第一组中的树枝连接的第二组M个树枝，其中第一树形网络树干在一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，第二树形网络树干在一端由第二发生器用载频f的第二信号激励。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上。每一对包含从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
第一和第二发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一和第二发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一和第二树形网络，每个网络包含树干、与树干连接的一组N个树枝、和与第一组中的树枝连接的第二组M个树枝，其中第一树形网络树干在一端由第一发生器用载频f的第一信号激励，第二树形网络树干与第一树形网络树干连接。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树形网络上，另一个点在第二树形网络上。每一对包含从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
第一发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括没有任何树枝的第一树干网络和没有任何树枝的第二树干网络，其中第一树干网络在一端由第一发生器用载频f的第一非周期信号激励，第二树干网络在一端由第二发生器用载频f的第二非周期信号激励。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树干网络上，另一个点在第二树干网络上，每一对具有从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。所述信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
本实施例的第一和第二发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一和第二发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括没有任何树枝的第一树干网络和没有任何树枝的第二树干网络，其中第一树干网络在一端由包含载频f的第一非周期信号的第一发生器激励，第二树干网络在一端由包含载频f的第二非周期信号的第二发生器激励，第一发生器的调制和第二发生器的调制在幅度方面相等，在相位方面相反。本实施例的信号分配系统还包含一组多对信号检测点。信号检测点包含相位同步对，以致在每一对中，一个点在第一树干网络上，另一个点在第二树干网络上。每一对具有从第一发生器到其第一点的信号传播时间和从第二发生器到其第二点的信号传播时间之和是称为同步飞行时间的恒量的性质。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步对中的信号，以便产生每一对的输出信号的装置，所述每一对的输出信号的载频相位只是同步飞行时间的函数。
本实施例的第一和第二发生器包括脉冲发生器，处理相位同步对信号的电路提取两个输入脉冲之间的平均到达时间。第一和第二发生器包含正弦波发生器，处理相位同步对信号的电路包含模拟乘法器。第一和第二树形网络包含无源光网络。第一和第二树形网络包含包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。第一和第二树形网络包含无源电网络。第一和第二树形网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括没有任何树枝的第一、第二、第三和第四树干网络，其中第一和第三树干分别由第一和第三发生器用载频f1的第一和第三信号激励，第二和第四树干分别由第二和第四发生器用载频f2的第二和第四信号激励。本实施例的信号分配系统还包含一组信号检测点四元组。信号检测点四元组包含相位同步四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一树干上，第二个点在第二树干上，第三个点在第三树干上，第四点在第四树干上，每个四元组具有从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第三发生器到其第三个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第二发生器到其第二个点的信号传播时间和从第四发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
本实施例的四个发生器包括正弦波发生器，处理相位同步四元组信号的电路还包括三个模拟乘法器，第一个乘法器与四元组中的第一和第二个点连接，第二个乘法器与四元组中的第三和第四个点连接，第三个乘法器被连接成把第一和第二个乘法器的滤波输出相乘。所述四个树干网络包含无源光网络。所述四个树干网络是包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。所述四个树干网络包含无源电网络。所述四个树干网络包含包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括没有任何树枝的第一、第二、第三和第四树干网络，其中第一和第三树干分别由第一和第三发生器用载频f1的第一和第三信号激励，第一和第三调制具有相等的幅度和相反的相位。第二和第四树干分别由第二和第四发生器用载频f2的第二和第四信号激励，第二和第四调制具有相等的幅度和相反的相位。本实施例的信号分配系统还包含一组称为相位同步四元组的信号检测点四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一树干上，第二个点在第二树干上，第三个点在第三树干上，第四点在第四树干上，每个四元组具有从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第三发生器到其第三个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第二发生器到其第二个点的信号传播时间和从第四发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
本实施例的四个发生器包括正弦波发生器，处理相位同步四元组信号的电路包括三个模拟乘法器，第一个乘法器与四元组中的第一和第二个点连接，第二个乘法器与四元组中的第三和第四个点连接，第三个乘法器被连接成把第一和第二个乘法器的滤波输出相乘。所述四个树干网络是无源光网络。所述四个树干网络是包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。所述四个树干网络包含无源电网络。所述四个树干网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个方面，提供一种信号分配系统，包括没有任何树枝的第一、第二、第三和第四树干网络，其中第一树干由第一发生器用载频f1的第一信号激励，第二树干由第二发生器用载频f2的第二信号激励，第三树干与第一树干连接，第四树干与第二树干连接。本实施例的信号分配系统还包含一组包含相位同步四元组的信号检测点四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一树干上，第二个点在第二树干上，第三个点在第三树干上，第四点在第四树干上，每个四元组具有从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第一发生器到其第三个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第二发生器到其第二个点的信号传播时间和从第二发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
本实施例的四个发生器是正弦波发生器，处理相位同步四元组信号的电路包括三个模拟乘法器，第一个乘法器与四元组中的第一和第二个点连接，第二个乘法器与四元组中的第三和第四个点连接，第三个乘法器被连接成把第一和第二个乘法器的滤波输出相乘。所述四个树干网络包含无源光网络。所述四个树干网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。所述四个树干网络包含无源电网络。所述四个树干网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一、第二、第三和第四树形网络，其中第一和第三树形网络的树干分别由第一和第三发生器用载频f1的第一和第三信号激励，第二和第四树形网络的树干分别由第二和第四发生器用载频f2的第二和第四信号激励。本实施例的信号分配系统还包含一组称为相位同步四元组的信号检测点四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一棵树上，第二个点在第二棵树上，第三个点在第三棵树上，第四点在第四棵树上，每个四元组具有从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第三发生器到其第三个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第二发生器到其第二个点的信号传播时间和从第四发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
本实施例的四个发生器包含正弦波发生器，处理相位同步四元组信号的电路包括三个模拟乘法器，第一个乘法器与四元组中的第一和第二个点连接，第二个乘法器与四元组中的第三和第四个点连接，第三个乘法器被连接成把第一和第二个乘法器的滤波输出相乘。所述四个树形网络包含无源光网络。所述四个树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。所述四个树形网络包含无源电网络。所述四个树干网络包含包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一、第二、第三和第四树形网络，其中第一和第三树形网络的树干分别由第一和第三发生器用载频f1的第一和第三信号激励，第一和第三调制具有相等的幅度和相反的相位，第二和第四树形网络的树干分别由第二和第四发生器用载频f2的第二和第四信号激励，第二和第四调制具有相等的幅度和相反的相位。本实施例的信号分配系统还包含一组称为相位同步四元组的信号检测点四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一棵树上，第二个点在第二棵树上，第三个点在第三棵树上，第四点在第四棵树上，每个四元组包含从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第三发生器到其第三个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第二发生器到其第二个点的信号传播时间和从第四发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
本实施例的四个发生器包含正弦波发生器，处理相位同步四元组信号的电路包括三个模拟乘法器，第一个乘法器与四元组中的第一和第二个点连接，第二个乘法器与四元组中的第三和第四个点连接，第三个乘法器被连接成把第一和第二个乘法器的滤波输出相乘。所述四个树形网络包含无源光网络。所述四个树形网络包含包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。所述四个树形网络包含无源电网络。所述四个树干网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括第一、第二、第三和第四树形网络，其中第一树形网络的树干由第一发生器用载频f1的第一信号激励，第二树形网络的树干由第二发生器用载频f2的第二信号激励，第三树形网络的树干与第一树形网络连接，第四树形网络的树干与第二树形网络连接。本实施例的信号分配系统还包含一组称为相位同步四元组的信号检测点四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一棵树上，第二个点在第二棵树上，第三个点在第三棵树上，第四点在第四棵树上，每个四元组包含从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第一发生器到其第三个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第二发生器到其第二个点的信号传播时间和从第二发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
本实施例的四个发生器包含正弦波发生器，处理相位同步四元组信号的电路包括三个模拟乘法器，第一个乘法器与四元组中的第一和第二个点连接，第二个乘法器与四元组中的第三和第四个点连接，第三个乘法器被连接成把第一和第二个乘法器的滤波输出相乘。所述四个树形网络包含无源光网络。所述四个树形网络包含还包括光传输线路和有源光信号再生器的有源网络。所述四个树形网络包含无源电网络。所述四个树干网络包含还包括电传输线路和电信号再生器的有源网络。
按照本发明的另一个实施例，提供一种信号分配系统，包括没有任何树枝的第一、第二、第三和第四树干网络，其中第一和第三树干分别由第一和第三发生器用载频f1，并且载波相位正交的第一和第三信号激励，第二和第四树干分别由第二和第四发生器用载频f2，并且载波相位正交的第二和第四信号激励。本实施例的信号分配系统还包含一组称为相位同步四元组的信号检测点四元组，以致在每个四元组中，第一个点在第一树干上，第二个点在第二树干上，第三个点在第三树干上，第四点在第四树干上，每个四元组具有从第一发生器到其第一个点的信号传播时间和从第二发生器到其第二个点的信号传播时间之和是称为第一同步飞行时间的恒量，从第三发生器到其第三个点的信号传播时间和从第四发生器到其第四个点的信号传播时间之和是称为第二同步飞行时间的另一恒量的性质，第二同步飞行时间可以不同于第一同步飞行时间。本实施例的信号分配系统还包括处理每个相位同步四元组中的信号，以便产生每个四元组的输出信号的装置，所述每个四元组的输出信号的载频相位只是第一同步飞行时间和第二同步飞行时间的函数。
附图说明
通过参考附图中图解说明的实施例，可获得详细理解本发明的上述特征的方式，即，上面简要概述的本发明的实施例的更详细说明。不过，要注意的是附图只是图解说明包含在本发明的范围内的典型实施例，于是，不应被视为对本发明的限制，因为本发明可以允许其它等效实施例，其中：
图1按照本发明的实施例，描述同步系统的示意图，所述同步系统具有由两个独立发生器激励的两个独立树形网络，所述两个独立树形网络具有成对的树枝；
图2按照本发明的实施例，描述图1的同步系统的树形网络的示意图，其中取到达时间平均值客户端(ATAC)电路布置在树枝对上；
图3按照本发明的实施例，图解说明在发生器信号包含脉冲的情况下，ATAC电路的定时图和功能；
图4按照本发明的实施例，描述图2的同步系统的示意图，所述示意图图解说明从两个发生器到ATAC电路B的传播时间TB1和TB2，并把系统参量SFT(同步飞行时间)定义为TB1和TB2之和；
图5描述图2的同步系统的示意图，所述示意图图解说明从两个发生器到ATAC电路D的传播时间TD1和TD2，并表明它们之和TD1+TD2等于SFT；
图6按照本发明的一个实施例，描述同步系统的示意图，所述示意图图解说明从两个发生器到虚拟ATAC电路B′的传播时间TB1′和TB2′，并表明它们之和TB1′+TB2′等于SFT；
图7按照本发明的一个实施例，图解说明图6的同步系统的定时图，所述定时图描述在图6的客户端B、客户端D和虚拟客户端B′的脉冲到达时间，假定两个发生器都在等于零的时间发送脉冲，证明对所有情况来说，到达时间平均值都相同，并且是SFT的函数；
图8按照本发明的一个实施例，图解说明图6的同步系统的定时图，所述定时图描述具有δT峰间相位变化的发生器#2角调制的效果；
图9按照本发明的一个实施例，图解说明普通S客户端电路的定时图和功能，所述S客户端电路的输出是SFT的函数，并且所述功能比任何ATAC电路的功能更具有一般性；
图10按照本发明的一个实施例，图解说明具有单一发生器的同步系统的示意图；
图11按照本发明的一个实施例，图解说明具有单一发生器的同步系统的示意图；
图12按照本发明的一个实施例，图解说明具有描述二维笛卡尔体系的物理分离树干的同步系统的示意图；
图13按照本发明的一个实施例，图解说明具有带在物理上分离的树干的笛卡尔体系的同步系统的示意图；
图14按照本发明的一个实施例，图解说明没有任何树枝，具有两个发生器(一个发生器正被调制)的同步系统的示意图；
图15按照本发明的一个实施例，图解说明没有任何树枝，具有两个发生器(两个发生器正被调制)的同步系统的示意图；
图16按照本发明的一个实施例，图解说明没有任何树枝，具有一个已调制发生器的同步系统的示意图；
图17按照本发明的一个实施例，图解说明图2的具有“扭曲”的树干的同步系统的示意图；
图18按照本发明的一个实施例，图解说明图2的具有“扭曲”的树干和树枝的同步系统的示意图；
图19按照本发明的一个实施例，描述具有两个普通树形网络的同步系统的示意图，其中检测点被选择成以便形成相位同步对(a1，a2)、(b1，b2)、(c1，c2)...(n1，n2)；
图20按照本发明的一个实施例，描述图19的树形网络的示意图，其中在相位同步对(a1，a2)、(b1，b2)、(c1，c2)、(n1，n2)的点添加S客户端电路；
图21按照本发明的一个实施例，描述图20的利用单一发生器的一般信号分配原理的示意图；
图22按照本发明的一个实施例，描述图20的在所有相位同步对中具有相邻点的系统的实现方法的示意图；
图23按照本发明的一个实施例，描述具有两个发生器的三维笛卡尔同步系统的示意图；
图24按照本发明的一个实施例，描述具有一个发生器的三维笛卡尔同步系统的示意图；
图25按照本发明的一个实施例，描述具有四个树干和四个发生器的双频同步系统的示意图；
图26按照本发明的一个实施例，描述具有四个树干和两个发生器的双频系统的示意图；
图27按照本发明的一个实施例，描述图25-26的同步系统的S客户端电路的示意图；
图28按照本发明的一个实施例，描述具有四个树形网络和四个发生器的双频系统的示意图；
图29按照本发明的一个实施例，描述具有四个树形网络和两个发生器的双频系统的示意图；
图30按照本发明的一个实施例，描述具有两个树干和两个发生器的双频系统的示意图；
图31按照本发明的一个实施例，描述具有四个树干和四个发生器的双频I/Q系统的示意图；
图32按照本发明的一个实施例，描述具有四个树干和两个发生器的双频I/Q系统的示意图；
图33按照本发明的一个实施例，描述具有两个树形网络和两个发生器的双频I/Q系统的示意图；
图34按照本发明的一个实施例，描述具有两个树形网络和两个发生器的单频I/Q系统的示意图；
图35按照本发明的一个实施例，描述具有全局同步的双向本地振荡器(LO)信号的双变换系统的示意图；
图36按照本发明的一个实施例，描述具有任意拓扑的两个网络，并且根据信号相位关系选择相位同步对(a1，a2)、(b1，b2)、(c1，c2)、(d1，d2)的同步系统的示意图；
图37按照本发明的一个实施例，描述图36的具有单一发生器的同步系统的示意图。
这里使用的标题只是为了组织下面的说明，并不意图用于限制说明书或权利要求的范围。在整个申请文件中使用的词语“可以”表示许可的意思(即，意味有可能)，而不是表示强制性的意思(即，意味必须)。类似地，用语“包括”意味包括(但不限于)。为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记表示各个附图所共有的相同元件。
具体实施方式
利用两层树的单频系统
本发明的实施例包括在空间中的多个点生成至少两个调制信号，以致其载波具有相同的频率，并且彼此具有精确的相位关系。
图1描述两个独立的树形网络的示意图，每个树形网络由树干1和树枝2组成。树干和树枝恰当地端接传输线路(为了简洁起见，图1中未示出端接电路)，比如微带电线，光波导或者声波导。树干1和树枝2之间的差别不是实质上的，而只是名义上的差别，以传输线路(TL)相对于树形网络输入端口的相对位置为基础。树干1被定义为直接与输入端口连接的传输线路。树枝2通过无源或有源电路3与树干1耦接。无源耦接电路可以是简单的信号分离器。就电气系统来说，有源耦接电路可以是在耦接点感测树干的电压，并驱动树枝的电压放大器。通过这些耦接电路的信号延迟被假定为或者对所有耦接电路来说都相等，或者彼此成已知的关系。为了简洁和清楚起见，图1中的树形网络图和本说明书的所有其它附图中的树形网络图都未明确地显示任何端接电路。然而，所有网络树干和树枝都被恰当地端接(用简单的电阻器或者更复杂的网络端接)，以便避免任何显著的信号反射。
关于图1描述的树形网络是本说明书中称为TL树形网络的一大类树形网络的特殊情况。通常，TL树形网络具有树干和许多树枝，所述树干是与TL树输入端耦接的TL，所述树枝是或者与树干或者与其它树枝耦接的TL。TL树形网络的层级是在TL树输入端施加的信号所通过的树枝的最大数目加1(把树干视为树枝)。例如，图1中的TL树为两层树(输入信号通过一个树干和一个树枝)。下面，提供层级大于2的TL树的例子(例如，图19-20)。应明白本发明的实施例不仅考虑了TL树形网络，而且还考虑了作为非TL树形网络的许多树形网络。例如，可在无TL的情况下构成树干和一些或全部的树枝。TL组件的使用并不重要。
图1中的两个树形网络具有平行的树干，它们的树枝被配对，以致所有各对树枝4都具有实质相同的物理结构。每对树枝连接到平行树干的位置并不重要。每对中的两根树枝彼此接近。
两个发生器5向图1中的树形网络施加输入信号。发生器信号可以是频率f的调制载波。载波是当不存在调制(零调制)时的任何周期性信号，载频是当不存在调制时载波的频率。当存在调制，比如相位调制或频率调制时，载波通常不是周期性信号。
图2描述由图1的网络结构和附接在网络上的许多(服从最大实际极限-将在下面说明)实质相同的电路块组成的信号分配系统的示意图，所述电路块称为“取到达时间平均值客户端”或ATAC电路。块5代表图2中的ATAC电路之一。图2中的其它ATAC电路标记为A、B、D、Z、AA和AF。
如图3中所示，每个ATAC电路具有两个输入端和一个输出端。ATAC电路输入端与在相邻位置的树枝对的树枝连接。一些ATAC电路可不同于其它ATAC电路，按照相反的顺序被连接。例如，如果“正常的”连接顺序被定义为使ATAC电路的第一输入端与第一树形网络连接，ATAC电路的第二输入端与第二树形网络连接，那么可通过使一些ATAC电路的第一输入端连接到第二树形网络，使其第二输入端连接到第一树形网络而连接所述一些ATAC电路。
ATAC电路被认为不会以任何显著的方式加重形成树枝的传输线路的负载。换句话说，认为在每棵树上传播的信号不会因ATC电路的存在而受到干扰。作为进一步的澄清，如果图2中的系统是纯粹的电气系统，那么相对于传输线路的特性阻抗来说，认为ATAC电路的输入阻抗较大，以致ATAC电路只感测树枝上的电压或电流，对树信号没有任何显著影响。如果ATAC电路的数目并不过大，那么这种假定实际上是合理的。这解释了早先关于ATAC电路的数目的最大实际极限的论述。
图3中关于当发生器信号是周期脉冲(零调制)时的情况，解释了ATAC电路的功能。通常，这些脉冲在不同的时间到达两个ATAC电路输入端。在这两个输入脉冲之间的时段的中间，ATAC电路产生输出脉冲，因此命名该电路。换句话说，ATAC电路输出脉冲被放在输入脉冲的到达时间之间的平均时间。在Wayne D.Grover“Method andApparatus for Clock Distribution and for Distributed ClockSynchronization”美国专利No.5361277，1994年11月1日；MichaelFarmwald和Mark Horowitz，“Apparatus for SynchronouslyGenerating Clock signals in a Data Processing System”美国专利No.5243703，1993年9月7日；和Charles D.Miller“SignalsDistribution System”美国专利No.5712882，1998年1月27日中更详细地以时钟提取电路的形式描述了ATAC电路关于周期脉冲情况的功能，这些专利的公开内容在此整体引为参考。实际的实现包括PLL和DLL电路。
图2的系统中的ATAC电路的输出具有相位同步载波。为了简洁起见，考虑周期性的无任何调制的发生器信号的情况。图4-6中也表示了图2中的系统，同时具体示出不同的信号传播路径和时间。标记为A、B、C、Z、AA、AF的ATAC电路将被称为客户端A、B、C等。
在图4中，从树输入端到客户端B的信号传播时间为TB1和TB2。我们把称为“同步飞行时间”或者说SFT的参数定义为TB1与TB2之和：
SFT＝TB1+TB2     (1)
图5表示到客户端D的信号路径和相关的信号传播时间TD1和TD2。这两个参量可如下用TB1和TB2表示：
TD1＝TB1-ΔT1    (2a)
TD2＝TB2+ΔT1    (2b)
关系式(2)中的参量ΔT1是在客户端B和D的位置之间的树枝上的信号传播时间(图5)。把关系式(2)相加，并利用(1)，我们得到：
TD1+TD2＝SFT     (3)
关系式(3)是在没有关于客户端D在其树枝对上的位置的任何特定假设的情况下得到的。于是，对于所考虑的树枝对，SFT是恒量。依据类似的论证，所有树枝对都具有恒定的SFT。此外，我们能够证实所有树枝对的SFT具有相同的值，于是，SFT是系统常数。这将在下面进行。
图6集中在相对于最左侧的树枝对的SFT，计算最右侧的树枝对的SFT。如果我们假定某一客户端在其树枝对中以与客户端B在最左侧树枝对中的相同的相对位置，位于最右侧树枝对中，那么这种计算是直截了当的。用于举例说明的这种假想客户端被称为虚拟客户端B′。根据前面的讨论，对最右侧的树枝对来说，虚拟客户端B′的SFT是恒量。信号从发生器到虚拟客户端B′的位置的传播时间TB′1和TB′2被计算为：
TB’1＝TB1+ΔT2    (4a)
TB’2＝TB2-ΔT2    (4b)
关系式(4)中的参量ΔT2是对连接所考虑的两个树枝对(最左侧和最右侧)的树干对部分来说，树干上的信号传播时间。对此进行说明的一种不同方式是注意最右侧的树枝对可被看作最左侧的树枝对的空间平移，ΔT2表示信号越过该平移所必需的时间。把关系式(4)相加，得到作为系统恒量的SFT：
TB’1+TB’2＝TD1+TD2＝SFT    (5)
可以断定对于图2中的分配系统，置于树枝对上的任何任意位置的所有客户端(ATAC电路)检测从其相应的发生器开始的组合总传播时间为恒量(SFT)的信号。图7中图解说明这种性质的意义。
假定发生器信号是始于时间零的周期脉冲，图7表示这些脉冲到达位置B、D和B′的实例。用实线表示的脉冲发源于发生器#1，用虚线表示的脉冲发源于发生器#2。平均脉冲到达时间是等于SFT值的一半的绝对时刻(假定时间零被定义为当发生器产生脉冲时的时刻)。于是，所有客户端输出处于精确的相位同步。这种性质与脉冲发生时间无关，借助图7中的示图能够容易地核实这一点。发源于每个发生器的脉冲的相对位置仅仅依赖于参量ΔT1和ΔT2，它们是由系统结构设定的系统不变量，即，参量。这些不变量确定来自发生器#1的脉冲和来自发生器#2的脉冲在时间坐标上的固有对称性。这种对称性确定了ATAC电路提取的全局基准。
前面的讨论表明尽管图2的系统中的客户端被布置在不同的空间坐标，不过如果输入是周期信号，即，未调制的载波，那么它们的输出的相位精确对准。其带宽相对于载波较小的角调制的添加不会以任何明显的方式改变实际的系统行为。图8以图形方式证明了这一点。
在图8中，假定用其带宽远小于载频的信号对发生器#2进行相位调制。例如，载频为1GHz，调制信号带宽为1KHz。这种情况下，对1KHz正弦调制来说，在每个调制信号周期中存在100000个载波周期。如果调制信号是带宽1KHz的普通随机信号，那么调制信号的变化率甚至更小。这种调制的添加将通过在数千个脉冲内非常缓慢地来回移动图8中的虚线脉冲，改变脉冲图。图8图解说明了来自发生器#2的脉冲的峰间δT相位变化。由于利用零调制信号(来自发生器#1)进行平均，客户端输出包含降低1/2的相同调制。
通常，调制信号沿着传输线路从发生器#2到任何客户端的传播具有和载波传播相同的速度。于是，每个客户端将以适当的延迟收到该信号。不过，在关心的许多实际情况下，相对于调制自相关宽度(即，调制带宽的倒数)，从发生器到最远客户端的信号传播时间很短。于是，从实际的观点来看，所有客户端立刻收到调制信号。
如果图2中的两个发生器信号都被角调制，那么客户端输出包含平均角调制。重要的情况是当用相反的角方向调制这两个发生器时。尽管每棵树传送调制信号，不过输出的客户端平均调制变为零(只输出载波)。对于EMI是潜在问题的VLSI时钟分配来说，这是一种重要的情况。代替分配能量集中在一个频率的具有谐波的纯周期信号，本发明的实施例设想分配具有较低EMI的更宽能量分布，但是在客户端输出端仍能重新获得纯时钟信号的调制信号。
图9描述仍然实现全局输出相位同步的ATAC电路功能的一个实施例。SFT是系统不变量。于是，SFT的任何函数也是不变量。为此，通常可以使用产生作为SFT的函数的输出的任何客户端电路来获得全局相位同步。为了清楚起见，这里术语“函数”指的不是任何具体公式，而是联系固定集合的每个元素(例如，数字)的单一值的一般数学概念。
实现SFT的函数的电路被称为同步客户端或者“S客户端”。例如，图9中的S客户端功能在平均脉冲到达时间中加入恒定时间延迟。ATAC电路是所有可能的S客户端的特殊情况。按照图9中的功能，简单的S客户端(它不是ATAC电路)应是锁定在偏离平均脉冲到达时间的恒定时间偏移处的DLL(延迟锁定环)。可从越过两个网络的脉冲串的周期得到恒定时间延迟ΔT。在NARO，A Proposal for a VeryLarge Array Radio Telescope，Vol.II，National Radio AstronomyObservatory，Green Bank，West Virginia，Ch.14，1967；和RichardR Goulette“Technique for Distributing Common Phase ClockSignals”美国专利No.6531358B1，2003年5月13日中可找到关于当正弦波信号被用作模拟乘法器时的情况的S客户端的其它例子，上述文献的内容在此整体引为参考。其它例子包括具有相移的模拟乘法器。
图2中的系统还具有另一个重要的潜在能力，即，相对于载波单独移动客户端输出的相位的可能性。实现此的方式有两种。一种方式是使用不同的S客户端，这会实现不同的SFT函数，同时仍然保持基本的绝对时间基准。例如，可以使用具有相对于输入脉冲的可变锁定位置的DLL客户端。对客户端输出进行移相的第二种方法是在树枝或树干耦接处引入延迟或相移。这会赋予相对于其它树枝，移动整个树枝的提取载波相位的能力。在天线阵列应用，例如关于仅仅方位角或高度的波束控制应用中，这是有益的。
具有两层树的其它单频系统
用于介绍本发明的实施例的图2的系统可被扩展成许多变型。图10-16描述非穷尽的一些例子。图10-13表示使用单一发生器的系统。在这些情况下，第二棵树与相应的第一棵树的树干连接。图14-16表示只有树干，没有树枝的系统的情况。
本发明的实施例包括优于现有技术的许多优点。例如，代替局限于使用简单的串行连接，本发明的实施例使用专门设计的树形网络。用这些树形网络代替纯粹的串行链路可大大减小传输线路总长度，同时类似地降低信号损耗。在难以设计宽度小，并且特性阻抗相当高的极长的低损耗传输线路的VLSI应用中，这是特别重要的。如本发明的实施例设想的树形网络的使用不同于传统的信号分配中的树形网络的使用，因为至少不要求从树根到树顶的相同飞行时间，并且不存在几何限制。
此外，代替仅仅使用周期信号，本发明的实施例设想使用包含载频的任何信号，包括非周期信号。对于比如有源阵列发射器中的载波同步调制信号的分配或生成来说，这是重要的。另外，这可应用在具有低EMI的VLSI时钟分配中。
SFT被确定为基本的系统不变量和基本的绝对时间单位。所有同步特征来源于SFT。从而，SFT的任何函数提供有效的定时基准。现有技术只把到达时间平均值看作绝对时间基准。于是，本发明的实施例揭示关于同步载波电路的合成的更普遍原理。
推广单频系统
图17-18中图形表示了图2中的系统的第一种普遍化可能性。从图2中的初始系统开始，可如图17中那样扭曲树干，而对客户端输出的载波同步没有任何影响。根据前面关于图4-6的讨论进一步阐明了这一点。改变树干长度或者甚至扭曲树干的物理形状(只要两个树干都具有相同的区段长度)的一个效果是全局定时基准偏移。类似地，如图18中所示，如果在长度和形状方面扭曲所有树枝，那么同样如此。
树的物理形状并不重要的优点在实践中很有价值，本发明考虑了该优点。就阵列同步来说，本发明的实施例设想保形设计。另外，就VLSI时钟分配来说，不同于诸如H树之类的分配树，在TL长度和形状方面没有强加任何约束。
图19-20表示本发明的其它实施例。在图19中，描述了通常不相等的两棵树，每棵树具有一个树干和按照许多层级连接的任意数量的树枝。发生器激励每个树干。可以选择各对树点，以致每对包含出自第一棵树的一个点和出自第二棵树的一个点。这些点被称为相位同步对。每个相位同步对具有唯一的SFT。通常，能够识别出具有相同SFT的许多相位同步点。例如，能够任意选择分别位于一棵树上，并形成第一对的两个点。
对于该特定点对，存在作为从发生器#1到该对中的第一个树点的信号传播时间与从发生器#2到该对中的第二个树点的信号传播时间之和计算的SFT。接下来，可以离开第一棵树上的发生器#1，走向第二棵树上的发生器#2，找出具有相同SFT的其它点对。此外，可以搜索其它树枝，找出具有相同SFT的其它点对。显然，对于任何双树网络，存在许多可能的SFT和相关的多组树点对。具有相同SFT的一组同步对被称为同步对集合。图19图解说明了三个相位同步对(a1，a2)、(b1，b2)和(c1，c2)的集合。
图20表示在图19中的网络中添加S客户端电路，以致SFT被用于提取绝对时间基准(利用相位同步载波产生信号)。自然地，如前所述，可以消除一个发生器，第二棵树与第一棵树耦接。图21中表示了这种可能性。图19-21中的情况与前述情况之间的唯一差别在于S客户端电路必须具有另外的物理装置，以便在相位同步对挑选(tap)信号，因为相应的树枝通常不会彼此接近。于是，如果需要的话，要求S客户端电路具有足够长的输入端子以达到所有点。图22中仅仅关于一对树枝表示了保证相位同步对包含彼此接近的点的一种实际方式。折叠所考虑的第二棵树的树枝，并将其放在所考虑的第一棵树的树枝附近。
图19-20中的一般系统可被用于利用仅仅基于点的一个子集的相位同步载波产生信号。事实上，通常相同的网络结构能够产生许多组载波同步输出，每组利用相位同步对的特定集合。图2的网络和以其为基础的其它网络是布置成彼此相邻的树枝上的所有相邻点形成相位同步对集合的特殊情况。在使用两个发生器的图23中，和使用一个发生器的图24中表示了称为笛卡尔体系的三维扩展。按照与这种定义一致的方式，图2或图12等的系统是二维笛卡尔体系。
具有不同SFT的相位同步点的集合能够产生相同的S客户端输出。例如，如果S客户端是模拟乘法器(正弦信号情况)，那么具有相差整数倍信号周期的SFT的相位同步点的所有集合会产生同样的S客户端输出。其原因在于在这两个树形网络上传播的波不但在时间中，而且在空间中都产生周期性的信号。
在前面的情况中，考虑了没有信号反射的树形网络，即，树干和树枝被恰当端接的网络。在使用脉冲信令的实施例中，这尤其重要。如果允许信号反射，那么多个反射脉冲在网络中的存在容易妨碍S客户端的操作。就正弦信令来说，反射的存在只产生相位和幅度变化。假定信号幅度过小的点没有用处，通过在网络上选择不同的分接点(taping point)，可减轻相位变化。
于是，在最一般的情况下，不能如前根据信号传播时间选择相位同步对，而是根据信号相位之间的具体关系选择相位同步对。例如，这样的关系可以是恒定的平均相位。另外，两个网络可以是任何网络，不一定是树形网络。
图36表示了这种一般情况，其中选择点对(a1，a2)、(b1，b2)、(c1，c2)和(d1，d2)，以致信号相位相加为常数，或者具有恒定的平均值，等等。S客户端可以是模拟乘法器。S客户端的输出是相位同步的载波。
图37表示本发明的具有单一发生器的这种实施例，其中网络之一由从另一个网络抽取的信号来激励。
双频系统
本发明的实施例设想把上面的讨论应用于两个频率和两个系统SFT。图25中表示了最简单的示例。四棵只有树干而没有树枝的树由四个相应的发生器激励。在布置成彼此相邻的第一和第三树干上传播的信号具有载频f1，在布置成彼此相邻的第二和第四树干上传播的信号具有载频f2。所有信号在树干内的传播速度被认为恒定不变，与频率f1和f2无关。如果频率f1和f2并不过于不同，或者如果传输线路具有低分散，那么这种假设实际上是合理的。
对于相位同步对(a1，a3)、(b1，b3)、(c1，c3)的集合，图25中被视为一对的第一和第三棵树具有称为SFT1的系统SFT，对于相位同步对(a2，a4)、(b2，b4)、(c2，c4)的集合，被视为一对的第二和第四棵树具有称为SFT2的系统SFT。这种情况，S客户端电路由如图25中所示抽取树信号的两个模拟乘法器、两个滤波器、和把滤波器输出相乘的第三模拟乘法器形成。简单的三角计算表明所得到的频率2(f1+f2)下的载波与位置无关，如下所示。
在任意坐标x，四个信号为：
Figure GPA00001049409800281
Figure GPA00001049409800282
Figure GPA00001049409800283
Figure GPA00001049409800284
信号S1(t)和S2(t)沿一个方向传播，信号S3(t)和S4(t)沿相反的方向以相同的速度c(TL中的光速)传播。关于角频率ω1(2πf1)和ω2(2πf2)以及任何初始相位
Figure GPA00001049409800285
写出关系式(6)。把关系式(6a)与(bb)相乘，把关系式(6c)与(6d)相乘，我们得到：
Figure GPA00001049409800287
Figure GPA00001049409800288
Figure GPA00001049409800289
图25中的滤波器丢弃不合需要的(f1-f2)分量，在把(7a)和(7b)中的剩余(f1+f2)项相乘之后，我们得到：
Figure GPA000010494098002810
Figure GPA000010494098002811
Figure GPA000010494098002812
(8)中的第一项与位置无关，(8)中的第二项是能够容易地除去的DC分量。
通过注意到在数学上能够颠倒乘法的顺序，而不改变结果(乘法是可交换和结合的)，即使不进行计算也能够解释前面的载波同步效果。于是，首先，可把第一和第三树干上的信号相乘，把第二和第四树干上的信号相乘，随后把结果相乘。按照这种顺序进行信号乘法等同于得到如图15中的产生同步载波的两种情况，一个具有频率f1，另一个具有频率f2。自然地，把两个同步载波相乘得到第三个同步载波。
图26中的系统是与图25中的系统类似的变型，不过只使用两个发生器。图27表示如前所述的客户端电路。图28-29表示把本发明的双频原理推广到任何树。如前所述，只明确地表示了四根树枝。
其它可能性
设想了本发明的其它实施例，其中先前的单频系统中的两个发生器以不同的频率工作。图30表示最简单的例子，其中两个树干由来自相对两侧的正弦信号激励，客户端电路是简单的模拟乘法器。在任意坐标x，信号是：
Figure GPA00001049409800291
Figure GPA00001049409800292
把这些信号相乘，我们得到：
Figure GPA00001049409800293
Figure GPA00001049409800294
如预期一样，关系式(10)显示两个正弦分量，一个是频率为(f1+f2)的分量，一个是频率为(f1-f2)的分量。不幸的是，两个分量都与坐标x相关。不过，对两个分量来说，相关度极其不同：对(f1+f2)分量来说，相关度较弱，对(f1-f2)分量来说，相关度较强。如果频率f1和f2彼此非常接近，那么该性质变得相当显著。在f1＝f2的极限情况下，(f1+f2)分量变得与位置无关，(f1-f2)分量变成DC分量。
从实际的观点来看，如果f1和f2非常接近，那么在树干上的长距离内，(f1+f2)分量几乎与位置无关。于是，这种双频系统可被用于产生同步载波。自然地，应借助滤波器丢弃(f1-f2)分量。由于(f1+f2)分量和(f1-f2)分量在频率方面彼此远离，因此这并不困难。
图30中的双频系统的一个不同特征是产生具有相移的载波的可能性，所述相移与位置x成线性关系。换句话说，如果诸如有源阵列之类的应用需要具有随位置线性变化的相移的不同客户端，那么通过调整频率f1和f2，以便获得f1+f2下的所需载波和系统相移，可以使用图30的系统。此外，通过纯粹差分地改变f1和f2，而不改变它们的共模分量(f1＝f0+Δf，f2＝f0-Δf，其中f0是希望的载频，Δf是频移)，客户端能够被动态地相互移相。
这种原理的另一种应用是通过使用同相(I)信号和正交(Q)信号。图31表示当树只是没有任何树枝的树干时的情况。第一和第三树干构成在频率f1下工作的I/Q信号传输子系统(I和Q信号)，第二和第四树干构成在频率f2下工作的另一个I/Q信号传输子系统。和前面一样，树干内所有信号的传播速度被假定恒定不变，与频率f1和f2无关。S客户端电路是两个乘法器和一个加法器的组合。在任意坐标x处的四个信号是(假定相同的信号幅度)：
Figure GPA00001049409800303
Figure GPA00001049409800304
把关系式(11a)乘以(11b)，把(11c)乘以(11d)，我们得到：
Figure GPA00001049409800305
Figure GPA00001049409800306
Figure GPA00001049409800312
Figure GPA00001049409800313
Figure GPA00001049409800314
通过相加关系式(12a)和(12b)，(f1-f2)项抵消，我们得到：
Figure GPA00001049409800316
关系式(13)只包含(f1+f2)项，于是，该I/Q系统消除了对图30系统中必需的滤波器的需要。在f1＝f2的情况下，I/Q系统消除了与x相关的DC项。和前面一样，该系统可被用于产生具有与x相关的相移的载波。
图32利用仅仅两个发生器和I/Q分相器，表示了I/Q系统的一种可能变型。此外，和前面的情况一样，该原理可被推广到任何树型拓扑。图33-34图解说明当f1和f2不同时，以及f1＝f2时的这种可能性。
双变换系统
在前面的所有情况下，一直关注的是生成全局同步的载波信号或时钟信号。在一些应用中，比如天线阵列中，本发明的实施例设想获得许多RF信号的全局同步频率变换，而不明确地生成同步的LO(本地振荡器)信号。图35表示了这种情况。这里，RF信号首先被乘以第一LO树干中的第一信号，所得到的信号再被乘以第二LO树干中的第二信号。一些滤波(图35中未示出)可能是必需的。相对于初始RF信号，使产生的所有IF信号全局同步，就好像已使RF信号与全局基准混合一样。和前面的情况一样，这种原理也适用于任何树形网络。
为了举例说明本发明的实施例，提供了上面的描述。不过，上面的描述不应被认为限制在附加权利要求中限定的本发明的范围。
本申请要求2007年7月20日提交的美国临时申请No.60/961,367的优先权，通过引用将其全部内容并入于此。

Claims (19)

1.一种在相干系统中的多个空间分离的点产生载波同步信号的方法，包括：
对所述相干系统的第一和第二输入端施加第一和第二调制载波信号，所述相干系统包含与所述第一输入端耦接的第一树形网络，和与所述第二输入端耦接的第二树形网络，所述相干系统还包括至少一个相位同步对组；和
处理所述相位同步对组的信号，以产生多个输出信号，其中所述输出信号包含调制的载波信号，所述调制的载波信号的相位实质上与所述相位同步对组的物理位置无关，并且是相应的相位同步对组的同步飞行时间的函数。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述相干系统的第一和第二树形网络包括TL树形网络。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二调制的载波信号在载频、载波相位和调制方面相互关联。
4.按照权利要求2所述的方法，其中所述相干系统输入信号包括调制的正弦波信号，输出信号的生成通过每个相位同步对中的输出信号的模拟乘法来处理。
5.按照权利要求4所述的方法，其中所述第一载波信号和所述第二载波信号包含零调制，所述两个TL树形网络中的至少一个包含至少一个TL树树枝。
6.按照权利要求4所述的方法，其中所述第一载波信号和所述第二载波信号包含不同的频率，所述频率的值被调整，以产生规定的输出相移。
7.一种在相干系统中的多个空间分离的点产生载波同步信号的系统，包括：
与由第一调制载波信号激励的第一输入端耦接的第一树形网络；
与由第二调制载波信号激励的第二输入端耦接的第二树形网络，其中第一和第二树形网络包含至少一个相位同步对组；和
多个电子电路，用于处理所述相位同步对组的信号，以产生多个输出信号，其中所述输出信号是调制的载波信号，所述调制的载波信号的相位实质上与所述相位同步对组的物理位置无关，并且是相应相位同步对组的同步飞行时间的函数。
8.按照权利要求7所述的系统，其中第一和第二树形网络包括TL树形网络。
9.按照权利要求7所述的系统，其中第一和第二输入端由调制的正弦波信号激励，并且处理所述相位同步对组的信号，以产生所述输出信号的电子电路包括模拟乘法器。
10.按照权利要求8所述的系统，其中第一和第二输入端由无调制的载波信号激励，所述两个TL树形网络中的至少一个包含至少一个TL树树枝。
11.一种在相干系统中的多个空间分离的点产生载波同步信号的方法，包括：
对所述相干系统的第一、第二、第三和第四输入端施加第一、第二、第三和第四调制载波信号，所述相干系统包含与第一输入端耦接的第一树形网络、与第二输入端耦接的第二树形网络、与第三输入端耦接的第三树形网络、和与第四输入端耦接的第四树形网络，所述相干系统还包括在第一和第三树形网络上的至少一个相位同步对组，和在第二和第四树形网络上的至少一个相位同步对组；和
处理所述相位同步对组的信号，以产生多个输出信号，其中所述输出信号是调制的载波信号，所述调制的载波信号的相位实质上与所述相位同步对组的物理位置无关，并且是相应相位同步对组的同步飞行时间的函数。
12.按照权利要求11所述的方法，其中所述相干系统的第一、第二、第三和第四树形网络是TL树形网络。
13.按照权利要求11所述的方法，其中第一、第二、第三和第四调制载波信号在载频、载波相位和调制方面相互关联。
14.按照权利要求11所述的方法，其中所述系统输入信号是调制的正弦波信号，所述输出信号的生成包括第一和第二中间信号的模拟乘法，其中第一中间信号的生成包括第一和第二树形网络中的信号之间的模拟乘法，第二中间信号的生成包括第三和第四树形网络中的信号的模拟乘法。
15.一种在相干系统中的多个空间分离的点产生调制载波信号的方法，包括：
对所述相干系统的第一、第二、第三和第四输入端施加第一、第二、第三和第四调制载波信号，所述相干系统包含与第一输入端耦接的第一树形网络、与第二输入端耦接的第二树形网络、与第三输入端耦接的第三树形网络、和与第四输入端耦接的第四树形网络，所述相干系统还包括在第一和第二树形网络上的第一相位同步对组，和在第三和第四树形网络上的第二相位同步对组，第一相位同步对组具有与第二相位同步对组的载波信号正交的载波信号；和
处理所述相位同步对组的信号，以产生多个输出信号，其中所述输出信号是调制的载波信号，所述调制的载波信号的相位是相应相位同步对组的同步飞行时间的函数。
16.按照权利要求15所述的方法，其中所述相干系统的第一、第二、第三和第四树形网络是TL树形网络。
17.一种在相干系统中平移多个调制载波信号中的信号的载频的方法，包括：
对所述相干系统的第一和第二输入端施加第一和第二周期信号，所述相干系统包含与第一输入端耦接的第一树形网络，和与第二输入端耦接的第二树形网络，所述相干系统还包括至少一个相位同步对组；和
处理所述相位同步对组的信号，和所述多个调制载波信号中的信号，以产生多个输出信号，所述多个输出信号具有与所述多个调制载波信号中的信号的载频相比，被平移相同量的载频，和与所述多个调制载波信号中的信号相同的相对相位。
18.按照权利要求17所述的方法，其中所述系统的第一和第二树形网络是TL树形网络。
19.按照权利要求17所述的方法，其中对所述一组相位同步对的信号和所述多个调制载波信号中的信号的处理是所述多个调制载波信号中的信号与所述相位同步对组中的第一信号的相乘，并且相乘结果与相位同步对中的第二信号的再次相乘。
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