CN1812319B - 实现异步数据跨时钟域的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现异步数据跨时钟域的装置，包括，采样提取上升沿电路，用于对主控单元时钟域中的帧同步信号进行采样，并提取其上升沿；松耦合计数单元，与采样提取上升沿电路电连接，根据提取的上升沿信号确保跨时钟域时采样的确定性，用于实现帧同步信号跨时钟域时输出稳定的帧同步周期，所述松耦合计数单元包括：帧同步计数器，用于根据本地的时钟频率设置一个与帧同步周期相同的时钟周期；松耦合判断调整子单元，用于实现帧同步计数器与提取上升沿的帧同步信号的同步。本发明以结构简单、使用灵活、容易实现以及不依靠硬件时序来实现跨越时钟域时帧同步信号的可靠采样，从而解决了周期信号(如帧同步信号)跨越时钟域时可能出现的抖动现象。

Description

实现异步数据跨时钟域的装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种实现异步数据跨时钟域的装置。

背景技术

在复杂的数字电路系统中，整个系统由多个单元或多个单板，即多个印刷电路板(PCB，Printed circuit board，)构成，所述多个单板之间通过背板或电缆连接。在数字电路系统中，一般都会涉及时钟域的转换。如何实现数据可靠的跨越时钟域往往是设计中的重点和难点。

在宽带码分多址WCDMA基站(NodeB)的设计中，也存在着如何实现数据可靠的跨越时钟域的问题。在基站内部，所有的基带处理都是以帧同步和基站帧号(BFN，NodeB Frame Number)为基准的。帧同步由主控单元产生，送给基带处理的各个单板。由于各个单元和单板处在不同的时钟域，需要严格可靠的帧同步信号。所以接收主控单元的帧同步信号需要实现从外部时钟域到本地时钟域的转换。因此，可靠的帧同步信号对于基站NodeB来说至关重要。所有的上行和下行的公共信道和专用信道都以基站帧号和帧同步信号作为时序参考信号的，并且基站NodeB的帧定时信息通过主同步信道SCH发送到整个小区，用户设备UE在小区搜索过程中只有从主同步信道SCH获得可靠的帧定时信息时才能接入该小区。

目前，实现异步数据跨时钟域的装置，通常是用硬件来保证跨越时钟域时帧同步信号的可靠采样。也就是在硬件时序的分析基础上对信号进行直接采样，即通过D触发器锁存来实现数据从异步时钟域到本地时钟域的转换。如图1所示，为帧同步信号直接采样的原理框图，包括单板11和单板12(即单板A和单板B)，所述单板11至少包括一个D触发器111，单板B也至少包括一个D触发器121。现以单板中包括一个D触发器为例进行说明，单板11工作在时钟域A，单板12工作在时钟域B，帧同步信号从单板11的D触发器111经过板间接口传输到单板12的D触发器121，其中，用D触发器121直接锁存得到工作在时钟域B的帧同步信号，其帧同步信号的时序图如图2所示，需要测量出时钟域A的帧同步信号经过板间接口传输到单板12时与本地时钟Clk_B的相对关系，也就是说，如果是用时钟上升沿来采样帧同步信号，必须对单板硬件进行分析和实际测量，才能得到帧同步信号的边沿与时钟的上升沿的相位关系，即ΔT。ΔT实际上就是采样的建立时间Tsu。在实际应用中，ΔT至少需要满足两个条件：一是ΔT必须大于逻辑器件，在实际应用中可能是FPGA(Field ProgrammableGate Array)或ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的建立时间加上2ns左右的余量；二ΔT在各种恶劣条件和单板批次情况下都必须满足上述第一个条件。否则采样出的帧同步信号周期至少会有1个时钟周期的抖动，从而带来基站NodeB解调性能的严重恶化。

由此可知，在现有技术中，跨越时钟域时帧同步信号的可靠采样是需要硬件时序的保证，并且完全依赖于硬件时序的固定。其中，硬件时序主要包括：发送端的Tco、发送端到接口传输芯片的印刷电路板PCB的延时、传输芯片的收发处理延时、接收端的传输芯片到目的芯片的PCB的延时、采样的建立时间等等。硬件人员不仅需要对以上硬件时序进行精确的分析和上板实际测量外，还需要分析各段通道在各种条件(比如：电流电压变化、温度变化、芯片和单板批次变化)等等情况下的延时差异。如果在以上分析和实际测量中某一处出现了问题或者没有考虑到，在实际应用中就会在帧同步跨时钟域时出现抖动的情况。此外，在基站NodeB的实际应用中，现有装置还存在很大的局限性，比如，常常需要实现射频拉远和并柜等应用，这时就需要采用光纤来传输数据，甚至需要通过光纤来传输时钟。如果只靠硬件来保证跨越时钟域时帧同步信号的可靠采样是无法实现的。

因此，现有技术的缺点为：(1)在硬件时序不确定或不能满足要求(即采样的建立时间ΔT必须满足如下条件：a、ΔT必须大于逻辑器件的建立时间加上2ns左右的余量；b、ΔT在各种恶劣条件和单板批次情况下都必须满足上述第一个条件)的情况下，跨越时钟域的信号存在至少1个时钟周期的抖动。(2)现有装置在光纤传输数据的过程中受到一定的局限性。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种实现异步数据跨时钟域的转换装置，以结构简单、使用灵活、容易实现以及不依靠硬件时序来实现跨越时钟域时帧同步信号的可靠采样，从而解决了周期信号(如帧同步信号)跨越时钟域时可能出现的抖动现象。

为解决上述问题，本发明提供一种实现异步数据跨时钟域的装置，包括，

采样提取上升沿电路，用于对主控单元时钟域中的帧同步信号进行采样，并将采样后的帧同步信号提取上升沿；

松耦合计数单元，与采样提取上升沿电路电连接，根据提取帧同步信号的上升沿确保跨时钟域时采样的确定性，用于实现帧同步信号跨时钟域后依然保持稳定的帧同步周期，具体包括：

帧同步计数器，是根据本地的时钟频率设置一个周期与帧同步周期相同的计数器；

松耦合判断调整子单元，与帧同步计数器和采样提取上升沿电路分别电连接，用于实现本地帧同步计数器与提取上升沿的帧同步信号的同步。

所述设置一个周期与帧同步周期相同的计数器是由帧同步周期与本地的时钟频率的比值来确定的。

所述松耦合判断调整子单元具体包括：

判断器，与帧同步计数器电连接，用于判断帧同步计数器当前所处的位置；

调整器，与判断器和采样提取上升沿电路分别电连接，根据判断结果确定是否对帧同步计数器进行清零。

所述调整器至少包括两个与门，一个与判断器相连，另一个与采样取上升沿电路相连，用于产生帧同步计数器的清零信号。

采样提取上升沿电路至少包括三个触发器和一个与门，用于采样从一个时钟域得到另一个时钟域的帧同步信号并提取其上升沿。

所述跨时钟域为一个帧同步信号从一个时钟的电路转到另一个时钟的电路中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种松耦合机制，不依靠任何硬件时序的保证，采用松耦合机制根据提取帧同步信号的上升沿来避免跨时钟域时采样的不确定性，实现了帧同步信号跨时钟域后依然保持稳定的帧同步周期。其中，所述松耦合机制为：将本地时钟域产生的帧同步周期信号与跨时钟域的外部信号进行有机的统一，以使二者同步，有效解决了在硬件时序不满足条件或不确定时，特别是通过光纤传输数据的情况下，实现跨时钟域后帧同步信号的严格同步。此外，本发明对于无线基站系统(WCDMA或者CDMA2000等)和其他任何需要周期性的信号进行同步处理的数字信号系统都具有显著的效果。

附图说明

图1是现有技术中对帧同步信号直接采样的原理框图；

图2是现有技术中对帧同步信号直接采样的时序图；

图3是本发明实现异步数据跨时钟域的装置的原理框图；

图4是本发明松耦合判断调整子单元的原理框图；

图5是帧同步信号直接跨时钟域可能会出现的一个时钟周期的抖动(即现有技术在异常情况下的缺点)；

图6是分析跨时钟域后的帧同步信号与帧同步计数器相对关系的示意图；

图7A是本发明实施例在正常情况下，帧同步做计数器的Clr信号的示意图；

图7B是在异常情况下，采用现有技术，帧同步做计数器的Clr信号的示意图；

图7C是采用本发明解决异常情况下一个时钟周期抖动的时序图。

具体实施方式

本发明实现异步数据跨时钟域的装置是在现有技术采样提取上升沿电路的基础上增加了松耦合计数单元，用于实现帧同步信号跨时钟域时输出稳定的帧同步信号，有效的解决了在硬件时序不确定或不满足条件的情况下，帧同步跨时钟域时出现的抖动现象，也就是说，本发明采用结构简单、使用灵活，且不依赖于硬件时序的固定，来获得帧同步的可靠采样，实现帧同步信号可靠的跨越时钟域，保证将发送到各个单元和各个单板的帧同步信号保持稳定的周期。本发明不但在光纤传输数据系统中具有显著的功能，还在需要周期性信号进行同步处理的数字信号系统中也具有很好的效果。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

请参考图3，为本发明实现异步数据跨时钟域的装置的原理框图，该装置包括：

采样提取上升沿电路1，用于对主控单元时钟域中的帧同步信号进行采样，并将采样后的帧同步信号提取上升沿；

松耦合计数单元2，与采样提取上升沿电路电连接1，根据提取帧同步信号的上升沿确保跨时钟域时采样的确定性，用于实现帧同步信号跨时钟域时输出稳定的帧同步信号。

本发明所述帧同步信号，主要来源于主控单元或者其它单元，现以主控单元为例来说明。在WCDMA的基站中主控单元产生定时信号即帧同步信号。主控单元有一个高精度的恒温晶振，可以产生精度非常高的时钟频率。并且主控单元也可以通过GPS(Global Position System)或者E1线等获得高精度的时钟信号。主控单元对时钟进行分频产生10ms的帧同步信号。并将所述帧同步信号送给基带处理的各个单板(即印刷电路板PCB)。而各个单板处在不同的时钟域，将接收的帧同步信号实现从外部时钟域到本地时钟域的转换。可靠的帧同步信号对于基站NodeB的用户来说至关重要，所有与用户相连的上行和下行的公共信道和专用信道都以基站的帧号和帧同步信号来作为时序参考信号的，并且基站NodeB的帧定时信息是通过主同步信道SCH发送到整个小区，用户设备UE在小区搜索过程中只有从主同步信道SCH获得可靠的帧定时信息时才能接入该小区。

所述采样提取上升沿电路1，与现有技术实现过程相同，至少包括三个D触发器和一个与门。图1为现有技术的示意图。其中，单板11工作在时钟域A，单板12工作在时钟域B，帧同步信号从单板11的D触发器111经过板间接口传输到单板12。用一个D触发器直接锁存得到工作在时钟域B的帧同步信号，并对采样后的帧同步信号提取上升沿(采用两个D触发器和一个与门的电路实现如图1中121所示)。所述采样提取上升沿电路实现了帧同步信号跨越时钟域。

所述松耦合计数单元2，用于实现帧同步信号跨时钟域时输出稳定的帧同步信号，包括松耦合判断调整子单元21和帧同步计数器22。下面对帧同步计数器和松耦合判断调整子单元分别进行详细的说明。

所述帧同步计数器22，也可以称为本地时钟域的计数器，是根据本地的时钟的频率设置一个周期与帧同步周期相同的计数器；所述设置是用帧同步周期与时钟频率的比值来确定帧同步计数器的计数次数，其公式为：帧同步计数器的计数次数＝帧同步周期/时钟频率。为了更能清楚的说明帧同步计数器的设置过程，现举例进行说明。比如帧同步周期为10ms的计数器，如果本地时钟的频率为1MHz(就是说时钟周期为1us)，由上述公式可知，帧同步计数器的计数次数为：10ms/1us＝10000次，所以设计一个从0计到9999(一共加10000次)的计数器就可以实现10ms的帧同步周期。通过所述设置帧同步计数器而产生的帧同步信号可以保持稳定、可靠的帧同步周期。但是，如果单纯使用所述的帧同步计数器产生帧同步信号，由于帧同步计数器与主控单元没有任何固定关系，产生的帧同步信号与主控单元的帧同步信号关系是任意的，也就是不确定的，因此，本地产生的帧同步周期与外部输入的帧同步信号是完全不同步的。所以，直接使用帧同步计数器产生的帧同步信号没有任何意义。只有和松耦合判断调整子单元相结合，才能使产生的帧同步周期与外部输入的帧同步信号完全同步，发挥其最大的优越性。

所述松耦合判断调整子单元21，与帧同步计数器22和采样提取上升沿电路1分别电连接，用于实现帧同步计数器的时钟周期与提取上升沿的帧同步信号的同步。所述松耦合判断调整子单元包括：判断器211和调整器212(详见图4)，所述判断器211与帧同步计数器22电连接，用于判断帧同步计数器的当前所处的位置；所述调整器212，与判断器211和采样提取上升沿电路1分别电连接，根据判断结果确定是否对帧同步计数器进行清零。

在松耦合判断调整子单元21的实现过程中，对跨时钟域过来的帧同步信号(即图3中在时钟域2中D触发器对帧同步信号进行采样并提取上升沿后的信号)和本地帧同步计数器值进行判断，并根据判断结果确定是否产生帧同步计数器的清零信号，此过程如图4所示。所述松耦合判断调整子单元21实现帧同步计数器22与主控单元(或其它单元)过来的帧同步信号的同步。也就是说，根据跨时钟域帧同步信号的上升沿，判断帧同步计数器的值是否为最大或最小的位置，若帧同步计数器的值为最大或最小，则不产生清零信号，否则，产生清零信号，即对帧同步计数器进行清零，这就是松耦合机制。

由于本发明采用松耦合机制，解决了直接跨时钟域的帧同步信号出现的抖动。现有技术在硬件时序不满足的情况下会出现如图5所示的采样不确定。当时钟域A的帧同步信号与时钟域B的时钟上升沿的相对关系ΔT(即建立时间Tsu)不满足D触发器需要的建立时间时，就会出现现象：本来D触发器应该在A位置状态变为高电平，结果到下一个时钟周期即B状态才变为高电平。这样就出现了1个时钟周期的抖动。

本发明的机制是在本地时钟域使用帧同步计数器重新产生稳定的帧同步信号，该帧同步计数器与异步时钟域过来的帧同步信号进行同步。但直接用跨时钟域的帧同步信号作为帧同步计数器的清零信号时，会存在如图6所示的问题，所述图6为本发明解决帧同步采样的不确定性的示意图。其中Max表示计数器的最大值，从0到Max为帧同步计数器的计数周期。直接跨时钟域的帧同步由于硬件时序可能不满足，一般存在一个时钟周期的不确定性，如图中位置52和位置54(直接跨越时钟域的帧同步信号与本地帧同步计数器的可能出现的相对位置)。也就是说由于存在一个时钟周期的抖动，使得帧同步计数器有时计数到Max时被清零，有时计到0后又被清零。这样就会导致最终生成的帧同步信号的抖动。从以上分析我们可以看出直接跨时钟域存在一个时钟周期的抖动，那么我们可以通过放宽异步时钟域的帧同步信号和本地帧同步计数器的耦合程度即容忍一个时钟周期的抖动来解决这个问题，这就是松耦合。具体的机制就是当所述帧同步信号在位置1或位置2时，不对帧同步计数器清零，而当帧同步信号不在位置1或位置2时，对该帧同步计数器进行立即清零，使帧同步计数器清零信号与与主控制单元的帧同步周期实现同步，以解决跨时钟域时帧同步信号的抖动问题。

本发明在单板上电后，采用松耦合机制，使跨时钟域的帧同步信号对帧同步计数器清零，使帧同步计数器清零信号与与主控制单元的帧同步周期实现同步；然后帧同步计数器可以自己维持一个稳定、严格的周期。这个周期与主控单元的帧同步周期的相位差是固定的，即两者是同步的。以后的每个周期，帧同步信号不管是在位置1或位置2之间是怎么跳动的，本地的帧同步计数器都不会受到它的影响。并且该方案还对抗外界因素变化导致硬件时序严重恶化的情况。通过松耦合判断调整单元会用外部帧同步信号重新对帧同步计数器清零进行一次同步过程。所述松耦合的判断条件可根据实际情况进行调整，一般情况下判断两个位置即可。在接口时序可能抖动较大的情况下可适当增加一到两个判断位置(比如计数器为Max-1位置或者1位置时也进行判断)，即可实现帧同步信号可靠地跨越时钟域。

为了能进一步的说明本发明所解决的帧同步采样的不确定性，下面还请参考图7A、图7B和图7C，所述图7A为帧同步采样正常情况下的时序图；图7B是帧同步采样异常情况下的示意图；所述图7C是采用本发明解决异常情况下一个时钟周期抖动的时序图。在正常情况下，跨时钟域后的帧同步信号周期稳定(如图7A所示)，所述周期为10(即0到9)。在异常情况下，即硬件时序不确定或不满足时序要求时，跨时钟域后的帧同步信号存在着抖动现象(如图7B中所示)。所述图7B中的虚线为正确位置，旁边的实线为抖动后的位置，此时帧同步计数器就出现了7、8、9、0、0、1、2这样的异常，也就是说多计了一个“0”，这样计数器的周期也发生了变化。而本发明采用了松耦合机制，可以有效地解决在异常情况下跨时钟域后的帧同步信号出现的抖动问题。从图中可知，如果跨时钟域的帧同步信号为高电平时本地帧同步计数器的值等于9或者0时，则为正常情况，不产生帧同步计数器的清零信号，如果帧同步计数器的值不等于9或者0的位置时，则为异常情况，产生帧同步计数器的清零信号。图7C是采用了松耦合机制消除了异步跨时钟域的帧同步的抖动对本地帧同步计数器的影响，使得本地帧同步计数器可以产生一个稳定的帧同步信号。

本发明的关键是将本地自己产生帧同步周期信号与跨时钟域的外部信号(帧同步信号)进行同步这两方面有机的统一起来。通过本发明，在硬件时序不满足或不确定时，特别是只能通过光纤传输数据的情况下，依然能够实现帧同步信号的严格同步。一般来说，数据在跨越时钟域时存在一定的不确定性，要消除这种不确定性，普遍的做法是依靠硬件时序。然而硬件时序有时是不能保证帧同步周期的稳定性。本发明采用了松耦合的机制，不依靠任何硬件时序的保证，实现了数据可靠地跨越时钟域。

此外，本发明在宽带码分多趾WCDMA的基站设计中得到了很好的应用。在基站中有些单元与主控单元没有直接的数据通道传送帧同步信号，只能通过其他单元将帧同步信号和数据一起转发给该单元。为了解决跨时钟域时的帧同步信号的不确定性，即跨时钟域后的帧同步信号周期会出现1个时钟周期的抖动。而采用了松耦合计数单元产生了稳定可靠的帧同步信号。使帧同步计数器的清零信号与与主控制单元的帧同步周期实现同步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现异步数据跨时钟域的装置，包括：

采样提取上升沿电路，用于对主控单元时钟域中的帧同步信号进行采样，并将采样后的帧同步信号提取上升沿；其特征在于，还包括：

松耦合计数单元，与采样提取上升沿电路电连接，根据提取帧同步信号的上升沿确保跨时钟域时采样的确定性，用于实现帧同步信号跨时钟域后依然保持稳定的帧同步周期，具体包括：

帧同步计数器，是根据本地的时钟频率设置一个周期与帧同步周期相同的计数器；

松耦合判断调整子单元，与帧同步计数器和采样提取上升沿电路分别电连接，用于实现本地帧同步计数器与提取上升沿的帧同步信号的同步。

2.根据权利要求1所述实现异步数据跨时钟域的装置，其特征在于，所述设置一个周期与帧同步周期相同的计数器是由帧同步周期与本地的时钟频率的比值来确定的。

3.根据权利要求1所述实现异步数据跨时钟域的装置，其特征在于，松耦合判断调整子单元具体包括：

判断器，与帧同步计数器电连接，用于判断帧同步计数器当前所处的位置；

调整器，与判断器和采样提取上升沿电路分别电连接，根据判断结果确定是否对帧同步计数器进行清零。

4.根据权利要求3所述实现异步数据跨时钟域的装置，其特征在于，所述调整器至少包括两个与门，一个与判断器相连，另一个与采样取上升沿电路相连，用于产生帧同步计数器的清零信号。

5.根据权利要求1所述实现异步数据跨时钟域的装置，其特征在于，采样提取上升沿电路至少包括三个触发器和一个与门，用于采样从一个时钟域到另一个时钟域的帧同步信号并对其取上升沿。

6.根据权利要求1所述实现异步数据跨时钟域的装置，其特征在于，所述跨时钟域为一个帧同步信号从一个时钟的电路转到另一个时钟的电路中。

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