CN103220244B - 用于补偿通信信道上的模式转换的方法和系统 - Google Patents

用于补偿通信信道上的模式转换的方法和系统 Download PDF

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Abstract

用于补偿通信信道上的模式转换的方法和系统。一电路可通过施加可对抗信道的模式转换的第二或校正性模式转换效果来补偿对内偏斜或模式转换。该电路可在注入回到差模之前通过频率依赖滤波器处理共模信号。该电路可通过使用集成的电阻器和金属氧化物半导体(MOS)开关的无源电路来实现逆反模式转换。在某些实施例中，这些动作可有效地继续进行而无需消耗有源功率。

Description

用于补偿通信信道上的模式转换的方法和系统
关联申请的交叉引用
本专利申请要求下列优先权：在2011年12月20日以Andrew Kim和Gwilym Luff的名义提交的题为“Intra Pair Skew and Mode Conversion Compensator(对内偏斜和模式转换补偿器)”的美国临时专利申请No.61/577,716；在2012年4月11日以Andrew Kim和Gwilym Luff的名义提交的题为“Intra Pair Skew and Mode Conversion Compensator(对内偏斜和模式转换补偿)”的美国临时专利申请No.61/622,668；以及在2012年6月28日以Andrew Kim和Gwilym Luff的名义提交的题为“Method and System for CompensatingMode Conversion Over a Communications Channel(用于补偿通信信道上的模式转换的方法和系统)”的美国临时专利申请No.61/665,577。前述这三篇临时专利申请的每一篇的全部内容通过引用包含于此。
附图说明
图1示出“良好”(低偏斜（skew）)电缆的S参数曲线图，其示出具有可忽略模式转换的信道的合需效果，如强SDD21响应相对于SCD21响应所展示的那样。
图2示出“差劣”(严重偏斜)电缆的S参数曲线图，这是通过将图1中的电缆的两个电导体中的一个上的延迟引入到模型偏斜而获得的。
图3示出来自图2的差劣电缆的经补偿的SDD21响应的曲线图，并根据本技术某些示例性实施例示出经补偿的响应如何更接近地拟似图1中的良好电缆响应。
图4示出根据本技术某些示例性实施例的模式转换和偏斜补偿器。
图5示出根据本技术某些示例性实施例的具有可变电阻器的模式转换和偏斜补偿器的接收机侧实现。
图6示出用于补偿的传统差分接收机。
图7A示出在图1的良好电缆上通信并用传统均衡器作过均衡的仿真10G波特二进制信号的眼图。
图7B示出在图2的“差劣”电缆上通信并用传统均衡器作过均衡的仿真10G波特二进制信号的眼图。
图7C示出在图2的“差劣”电缆上通信、根据本技术某些示例性实施例进行处理、并用传统均衡器作过均衡的仿真10G波特二进制信号的眼图。
图8示出根据本技术某些示例性实施例的数字控制的电位计示意图。
图9示出根据本技术某些示例性实施例的致力于频率依赖模式转换的模式转换和偏斜补偿器。
图10示出根据本技术某些示例性实施例的支持扩展范围的无源模式的模式转换和偏斜补偿器。
参照前面附图能更好地理解本技术的许多方面。附图仅示出本技术的示例性实施例并因此不被认为是对其范围的限制，因为本发明容许其它等效的实施例。附图中示出的要素和特征不一定按比例绘制，重点放在清楚地解说本发明的诸示例性实施例的原理。另外，某些尺寸被夸大表示以帮助从视觉传达这些原理。在附图中，附图标记表示相似或相应、但不一定完全相同的要素。
具体实施方式
差分信道中的模式转换和对内偏斜可能因使得信道的SDD21S参数响应严重畸变而损害高速差分信号通信。在模式转换和偏斜的极端情形下，这些畸变可能是如此极端以至于就算通过复杂的均衡处理，数据在有噪声的情况下仍是不可恢复的。因此，传统技术已采取限制适应信道可表现的模式转换或偏斜的量，但不幸地，这导致与更严格的制造公差和/或更较低的筛选后产出相关联的更高生产成本。本技术能通过允许将较低级的信道用于基于接收机或发射机的电路来缓解这些成本，所述基于接收机或发射机的电路能通过蓄意执行可操作用以对抗信道上发生的模式转换或偏斜的第二模式转换来补偿表现出严重量的偏斜或模式转换的信道。
差分信令是涉及在两个电导体上传输信号及其互补信号的一项信号通信技术。这项技术有益于串行数据传输，尤其是当数据率超过100Mb/s时。印刷电路板(PCB)迹线和差分电缆(例如双绞线、双轴以及同轴电缆对)是能承载差分信号的信道示例。这些信道可能表现出显著的频率依赖频散（dispersion）以供均衡器进行校正。信道损失可因变于信号频率而改变，而均衡器可以用互补的频率依赖增益或损失来补偿该损失。图1示出来自通常对于高速通信而言合需的“良好”信道的测得的散射参数(通常被称为S参数)的SDD21 110和SCD21120分量。如业内已知的，SDD21响应传达在信道上通信时在差模下接收了多少经差分传送的信号。一般要求这种信号尽可能地接近0Db(或线性标度上的量级1)，不管频率是多少。SCD21响应传达在信道上通信时在共模下接收了多少经差分传送的信号。一般要求这种信号在分贝标度下尽可能地接近负无限大(或线性标度上的0)。换句话说，要求保留尽可能多的差模下的经差分传送的信号，而不是将其在信道上转换成共模。
例如连续时间线性均衡器(CTLE)或零极点均衡器、有限脉冲响应(FIR)滤波器以及判决反馈均衡器(DEF)之类的均衡方法能补偿差分电缆和迹线上的某些降级，具有各种优势和劣势。然而，传统均衡器因为其而经常无法提供足够补偿的信道特性是严重的对内偏斜或模式转换。具有严重的偏斜或模式转换的信道可能表现出极端的和不可预测的频率依赖损失，例如在相关联传递函数中的深凹陷。例如将图2中的“差劣”信道的SDD21210和SCD21220S参数响应与图1中的“良好”信道的那些参数响应(110、210)相比。典型的传统差分接收机和均衡器仅利用差分信号分量并丢弃共模分量。结果，偏斜或模式转换的信道中的差分信号损失可能非常严重以至于使得合理复杂性和功耗的滤波器下的恢复变得不可能。即使在没有这种复杂性或功率限制的情况下，损失也可能非常严重以至于电气噪声(例如来自外部源的热噪声或干扰)可能将衰减后的信号淹没至不可恢复的点。因为这些原因，一般被接受的理论是极端偏斜和模式转换(如图2所示)无法利用传统技术来正确地予以补偿。
传统的补救措施必须尝试藉经由筛选或更精确的制造方法管理在电缆(或电路板迹线或其它物理信道)生产过程中的问题以限制偏斜或模式转换的量，如VESA显示器端口PHY适应测试标准(版本1，修订版2，2010年11月1日)以及由Olisar于2008年12月15日出版的Maxim应用笔记AN4218“Unbalanced Twisted Pair Can Give You the Jitters(不平衡 的双绞线对可能给你带来抖动)”中提到的那样。遗憾的是，这些补救措施增加了电缆的生产成本。
本技术的某些实施例可利用低功率电路以修正例如对内偏斜和模式转换的问题。这种修正便于利用较低公差、较低成本的电缆和印刷电路板(PCB)路由来实现高速通信。由于这种技术的实施例的花费远低于精确电缆制造和筛选，因此终端用户可获得显著的资金支出削减。此外，由于当前技术支持紧凑的、非常低功率的CTLE以供均衡，由此产生的能量节省带来了操作上的开支节省。
传统的想法是相信传统均衡(即差分信号频率依赖的放大)通常在补偿严重偏斜或模式转换的信道时是无效的。然而，偏斜和模式转换无法被补偿的推论却是不正确的。
对补偿偏斜的洞察涉及这样一种认识，即模式转换不一定导致差分信号的能量的损失。而是能量一般已被转换成共模信号。因此，可通过执行第二模式转换模式步骤来恢复原始差分信号，在该第二模式转换步骤中，当前技术通过将共模信号能量的一部分转换回差分模式来对抗信道的偏斜或模式转换。
本技术的某些示例性实施例可以：1)通过施加对抗信道的模式转换的第二或校正性模式转换效果来补偿信道中的对内偏斜或模式转换；2)在将其注入回到差模之前用频率依赖滤波器处理共模信号；和/或3)通过使用集成的电阻器和金属氧化物半导体(MOS)开关的无源电路来实现相反模式转换。在某些实施例中，这些动作可有效地进行而不一定消耗有源功率。
当前技术的某些实施例支持对在差分传输线的远端接收的电压进行处理以逆转由该传输线中的缺陷造成的模式转换。图3示出来自将这种校正施加于如前所述图2所示的“差劣”电缆的受影响线路的示例性结果(仿真)。因此，可提高图2的“差劣”电缆的性能以支持与图1的“良好”电缆一致的信号完整性结果，如由“差劣”信道的SDD21 210的恢复所证明的那样，从而产生非常接近“良好”信道的SDD21 110的经补偿SDD21 310。示例性步骤可包括：分别地检测从传输线接收的共模和差模电压；并将共模电压的受控制部分与差分电压求和以形成一经校正的电压。
考虑从差分传输线的两条线接收的电压。将它们称为xp和xm。典型的传统差分接收机提取要求的差分信号Vout＝xp-xm，并有意地忽略共模信号(xp+xm)/2。然而，包含当前技术的接收机的某些实施例可提取xp-xm和xp+xm两者并随后将它们(一般但并非一定是线性地)组合以提供要求的经模式转换的输出Vout。
简单地说，当前技术的一个示例性实施例可将Vout计算为：
Vout=(xp-xm)+a(xp+xm) (1)
其中a是控制模式转换补偿的程度的参数。在图4的功能框图形中示出的示例性模式转换补偿系统400实现等式(1)。经平衡的电阻器对401a、401b将所接收的由xp、xm构成的差分信号进行桥接以在节点402产生共模信号。该共模信号随后由单端输入-差分转换器410转换成差分表征412a、421b并由一个或多个放大器420定标，所述一个或多个放大器420的增益控制模式转换补偿的程度。共模信号的经定标的差分表征421a、421b随后通过求和节点430a、430b被注入到所接收的差分信号中以产生经补偿的差分输出440a、440b。
图示的单端-输入差分信号转换器410和可调节增益放大器420在高数据率(10Gb/s)下可能具有显著的相移和衰减，因此差分信号和经处理的共模信号当在节点430被求和时可能在时间上不对准。可将匹配延迟插入到差分路径中，但有功耗上的增加。
当前技术的某些实施例基于如前所述的重定序等式(1)：
Vout/2＝((1+a)xp/2)-((1-a)xm/2) (2)
如图5的示例性模式转换补偿系统500中所示，等式(2)可通过两个分压器510和一差分放大器520实现，其中a在-1≤a≤1的范围内。在不对当前技术的范围构成限制的情况下，模式转换补偿系统500利用数字控制的电位计(DCP)作为分压器510。模式转换补偿系统500可通过将两个DCP模块添加至图6的传统差分接收机600来实现。DCP电路可利用电阻器和MOS开关，并因此可有效地工作而不消耗有源功率。
-1≤a≤1的约束条件界定了信号取自差分信号路径的两个导体中的一个的两极端情形之间的修正范围。这包括共模电压不超出差模电压的情形，并排除了共模电压超出差模电压的情形。
图8是实现为DCP的分压器510的示意图。在右手侧的电阻器串列和开关阵列配置810可基于传统电路，左手侧的解码逻辑820也是如此。中间的电阻器网络830通过降低其总电阻而扩展了DCP的频率响应，而不使用在这种半导体技术中可能难以定义的小阻值电阻。
图7示出给予当前技术的示例性实施例显著改善的仿真的眼图。图7A示出在图1的“良好”电缆上发送10G波特差分信号并用调谐的CTLE对其滤波所得到的眼图。该张开的眼图在业内已知是指示良好信号完整性的要求特性。图7B示出发送相同的10G波特差分信号但如今是在图2的“差劣”偏斜的电缆上发送并用调谐的CTLE对其滤波所得到的眼图。即使CTLE是优化的，但由于之前图2所示的严重SDD21损失210，也无法产生张开的眼。然而，如图7B所示在“差劣”电缆上取相同的接收信号，但如今结合CTLE施加由本技术的示例性实施例涵盖的推荐补偿技术产生图7C中的张开的眼图，该眼图示出比图7B中未经补偿的“差劣”电缆好得多的信号完整性并且几乎与图7A中的“良好”电缆没有什么区别。
该技术的某些实施例可包括下面的一个或多个(表示为a、b、c和d，旨在增进阅读而不暗含任何限制)：
a．频率依赖模式转换。在图9的示例性模式转换补偿系统900中，相对于图4的实施例增设了滤波器块910，使得所恢复的共模电压在被求和至差分信号路径之前在振幅和/或相位上根据频率而被修改。该滤波函数的例子包括有限脉冲响应(FIR)滤波器、无限脉冲响应(IIR)滤波器、时延或一些信号处理元件，这些信号处理元件用来：(ⅰ)隔离一个或多个频带，(ⅱ)施加一频率依赖增益和/或(ⅲ)施加频率依赖相位调整。
b．扩展范围无源模式转换。在图10的示例性模式转换补偿系统1000中，通过增设横跨两个输入电压xp和xm的第三DCP 1010去除前述对补偿因数a的范围的约束条件-1≤a≤1。当差分放大器520的一个输入连接于信号地而另一输入连接于该第三DCP 1010上的DCP抽头时，相反模式转换空间包括共模电压大于差模电压的情形，这包括由下面等式表示的纯共模情形：
Vout＝βxp+(1-β)xm (3)
c．在发射机或接收机侧的应用。校正性模式转换可施加在信道的发送端或接收端。一个实施例将本技术实现在接收机侧以简化对具有未知偏斜的信道的可控制性/可适应性。然而，人们同样也可在发射机中施加校正性模式转换。
d．替代的无源实施例。图5、图8和图10中所示的无源实施例使用电阻器和开关以获得宽带校正性模式转换。可使用其它无源元件和这些元件的配置以获得相同的功能或创建校正性模式转换中的频率依赖性。
本技术的一个示例性实施例可包括改善差分信号的完整性的方法。差分信号可包括承载在第一导体上的第一信号以及同时承载在毗邻第一导体延伸的第二导体上的第二信号。该方法可包括通过电路处理第一信号和第二信号以产生第三和第四信号，该第三和第四信号均为第一和第二信号的线性组合。在某些实施例中，处理第一信号和第二信号包括下列步骤：检测共模电压；并检测差模电压。在某些实施例中，处理第一信号和第二信号还包括通过将共模电压的受控制部分注入到差模电压上而作出电压校正。在某些实施例中，取第一和第二信号的线性组合包括对定标第一和第二信号的结果进行求和。在某些实施例中，定标第一和第二信号包括对第一信号和第二信号中的至少一个的频率依赖滤波。在某些实施例中，处理第一信号和第二信号包括通过将校正性偏斜施加于差分信号而补偿第一信号和第二信号之间的偏斜。在某些实施例中，处理第一信号和第二信号包括通过将校正性模式转换施加于差分信号而补偿模式转换。在某些实施例中，相对于第二信号改变第一信号包括通过在频率依赖的振幅变化的频带内调整第一信号相对于第二信号的振幅来校正第一信号和第二信号之间的频率依赖振幅变化。在某些实施例中，相对于第二信号改变第一信号包括对第一信号或第二信号应用频率依赖相位调整。在某些实施例中，相对于第二信号改变第一信号包括导致第一信号和第二信号之间的相移。
当前技术的一个示例性实施例可包括一系统，该系统处理表现与不完美传输信道上的传播关联的模式转换的信号，该信号包括基于彼此相对地调制的两个电压的共模电压和差模电压。该系统可包括：用以接收两个经调制电压的一对输入端口；用以输出两个经调制电压的补偿版本的一对输出端口；以及在这对输入端口和这对输出端口之间延伸并用以形成第一电压和第二电压的补偿版本的电路，其中该电路包括用以将共模电压的受控制部分求和到差模电压以补偿模式转换的一对节点。在某些实施例中，系统还包括具有连接于这对输入端口的电导体的电缆，其中电缆包括不完美的传输信道。在某些实施例中，模式转换包括在两个经调制电压之间的偏斜，并且将共模电压的受控制部分求和到差分电压包括减少偏斜。在某些实施例中，模式转换包括两个经调制电压之间的相移，并且将共模电压的受控制部分求和到差分电压包括减少相移。在某些实施例中，模式转换包括两个经调制电压之间的频率依赖偏移，并且将共模电压的受控制部分求和到差分电压包括校正频率依赖偏移。在某些示例性实施例中，电路用以将作为模式转换的逆反的另一模式转换施加于信号。在某些实施例中，电路包括用以形成受控制部分的数字控制的电位计。在某些实施例中，电路包括差分放大器，该差分放大器包括电耦合至节点的输入线和电耦合至输出端口的输出线。
当前技术的一个示例性实施例可包括一电路，该电路包括：一对输入线；一对输出线；电耦合至一对输入线的至少一个检测器，用以检测受模式转换损害的差分信号的共模电压和差模电压；以及电耦合在至少一个检测器和这对输出线之间的至少一个节点，用以通过将共模电压的经处理形式施加于差模电压来补偿模式转换。在某些实施例中，将共模电压的经处理形式施加于差模电压包括使偏斜逆转。在某些实施例中，将共模电压的经处理形式施加于差模电压包括校正差模电压中的频域凹陷。
这里给出的实施例中描述的示例性方法和动作是解说性的，另外，在替代性实施例中，某些动作可以不同顺序执行，彼此并行地执行、完全省略和/或在不同的示例性实施例之间进行组合和/或可执行某些附加动作，而不脱离本发明的范围和精神。因此，该替代性实施例被包含在本文描述的发明中。
尽管在前面已详细描述了本发明的具体实施例，然而这种描述仅仅为了解说。因此，应当理解，本发明的许多方面在前面仅通过示例予以描述并且不打算作为本发明必需或必要的要素，除非另有声明。除了前面描述的内容，本领域内技术人员可利用本公开作出所披露的示例性实施例的方面的各种修正和与之对应的等效动作，而不脱离权利要求书中定义的本发明的精神和范围，本发明的范围根据最宽泛的解释以涵盖这些修改和等效结构。

Claims (20)

1.一种增进差分信号的完整性的方法，所述差分信号包括承载在第一导体上的第一信号以及同时承载在与所述第一导体毗邻延伸的第二导体上的第二信号，其中共模电压包括第一和第二信号的电压的平均的和，并且其中差模电压包括第一和第二信号的电压之间的差，所述方法包括：
通过输出第三和第四信号的电路来处理第一信号和第二信号，所述第三和第四信号中的每一个包括所述第一和第二信号的线性组合，
其中，处理第一信号和第二信号包括通过将校正性模式转换施加于所述差分信号来对模式转换进行补偿，其中施加校正性模式转换包括将共模电压的受控制部分施加到所述差模电压上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述第一信号和所述第二信号包括下列步骤：
检测所述共模电压；以及
检测所述差模电压。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，频率依赖滤波被施加至所检测到的共模电压。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，频率依赖滤波被施加至所检测到的差模电压。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述第一信号和所述第二信号包括通过将校正性偏斜施加至差分信号来补偿所述第一信号和所述第二信号之间的偏斜。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述第一和第二信号包括导致所述第一信号和所述第二信号之间的相移。
7.一种增进差分信号的完整性的方法，所述差分信号包括承载在第一导体上的第一信号以及同时承载在与所述第一导体毗邻延伸的第二导体上的第二信号，所述方法包括：
通过输出第三和第四信号的电路来处理第一信号和第二信号，所述第三和第四信号中的每一个包括所述第一和第二信号的线性组合，
其中，处理所述第一信号和所述第二信号包括下列步骤：
检测共模电压；
检测差模电压；以及
通过将所述共模电压的受控制部分施加到所述差模电压上来作出电压校正。
8.一种增进差分信号的完整性的方法，所述差分信号包括承载在第一导体上的第一信号以及同时承载在与所述第一导体毗邻延伸的第二导体上的第二信号，所述方法包括：
通过输出第三和第四信号的电路来处理第一信号和第二信号，所述第三和第四信号中的每一个包括所述第一和第二信号的线性组合，
其中，所述第一和第二信号的线性组合包括所述第一信号的第一定标和所述第二信号的第二定标之和，其中所述第一定标和所述第二定标是不同的或相同的。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一和第二信号的定标包括对所述第一信号和所述第二信号中的至少一个的频率依赖滤波。
10.一种增进差分信号的完整性的方法，所述差分信号包括承载在第一导体上的第一信号以及同时承载在与所述第一导体毗邻延伸的第二导体上的第二信号，所述方法包括：
通过输出第三和第四信号的电路来处理第一信号和第二信号，所述第三和第四信号中的每一个包括所述第一和第二信号的线性组合，
其中，处理所述第一信号和所述第二信号包括通过调整所述线性组合中的定标来校正所述第一信号和所述第二信号之间的频率依赖损失以减少跨频率的损失变化。
11.一种用于处理表现出与在不完美传输信道上的传播相关联的模式转换的信号的装置，所述信号包括共模电压和差模电压，所述共模电压和差模电压是基于彼此相对地调制的两个电压，所述装置包括：
操作用以接收两个经调制电压的一对输入端口；
操作用以输出两个经调制电压的补偿版本的一对输出端口；以及
在所述一对输入端口和所述一对输出端口之间延伸并操作用以形成所述两个经调制电压的补偿版本的电路，
所述电路包括操作用以将共模电压的受控制部分求和到所述差模电压以补偿模式转换的一对节点。
12.如权利要求11所述的装置，还包括具有连接于所述一对输入端口的电导体的电缆，其中所述电缆包括不完美的传输信道。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述模式转换包括所述两个经调制电压之间的偏斜，并且
其中将所述共模电压的受控制部分求和到所述差分电压包括减少所述偏斜。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述模式转换包括所述两个经调制电压之间的相移，并且
其中将所述共模电压的受控制部分求和到所述差分电压包括减少所述相移。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述模式转换导致所述两个经调制电压之间的频率依赖损失，并且
其中将所述共模电压的受控制部分求和到所述差分电压包括减少所述频率依赖损失。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电路操作用以将作为所述模式转换的逆反的另一模式转换施加于所述信号。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电路还包括用于形成共模电压的受控制部分的数字控制的电位计。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电路还包括差分放大器，所述差分放大器包括电耦合至所述节点的输入线以及电耦合至所述输出端口的输出线。
19.一种用于补偿通信信道上的模式转换的装置，包括：
一对输入线；
一对输出线；
电耦合至所述一对输入线的至少一个检测器，其操作用以检测包含模式转换的差分信号的共模电压和差模电压；以及
电耦合在所述至少一个检测器和所述一对输出线之间的至少一个节点，其操作用以通过将所述共模电压的经处理形式施加于所述差模电压来对所述模式转换进行补偿。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，将所述共模电压的经处理形式施加于所述差模电压包括减少偏斜。
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