CN1937485A - 一种高速信号相位控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种高速信号相位控制方法及装置。所述相位控制装置即相位控制器，其包括温度传感器、CPU及压控延时器，通过与外部主控系统的操作命令传输实现对信号相位的控制。首先，测定IC器件端口的温度－延时关系；主控系统向相位控制器下达上述温度－延时关系要求的命令；相位控制器根据温度的变化控制信号延时，使得发送到信号接收路径上的信号相位一致。本发明所述的技术方案从实际应用角度出发，适应环境温度变化，对高速数据通信系统内的信号传输延时和相位进行了有效的控制。

Description

一种高速信号相位控制方法和装置

技术领域

本发明涉及数字通信领域，尤其涉及高速数字通信系统中信号传输延时和相位的调整，及对信号传输相位的有效控制方法及装置。

背景技术

数字信号系统中，信号在时域上呈离散性，且都只有两种状态：0或1。数据的接收判决是信号传输的关键，时钟要在数据周期内正确地判决出该信号是0还是1，最佳的判决时刻在数据周期的中心。在信号传输过程中，保持信号间的同步(相位)是非常重要的，在经过各自的传输路径过程中，信号产生延时，如果时钟的延时和数据的延时一致，则在信号判决处可以正确的判决恢复出数据，如果延时之间有差异并且差异大到一定程度，信号判决处就不能正确判决恢复数据。如图1所示，一对时钟和数据信号，时钟的上升沿是判决时刻，在信号的发送端，时钟的上升沿对准数据的中心，经过各自的线路传输，到达接收器件的时钟和数据端口，进入器件内部判决处，在线路和器件端口对信号的传输都有延时。对于数据来说，从发送到接收的总延时Δt1＝传输线延时1+端口延时1，对于时钟来说，从发送到接收的总延时Δt2＝为传输线延时2+端口延时2。如果Δt1和Δt2的差别不大，信号判决还可以接受，如果差别较大，特别是差到图中所示的情况，Δt1和Δt2的差别正好是数据的半个周期T/2，则判决出来的信号几乎是随机的0或者1，无法恢复出发送信号。

因此，在数字通信系统中，信号相位是一个需要重点考虑的技术问题，它直接影响信号能否正常传送，通信能否成功。在信号速率比较高的情况，对于设计者而言，同步时钟信号和数据信号之间、同步数据之间都需要保持相位一致，也就是传输延时一致，如果对这些信号的传输延时或者说传输相位不能有效控制，在接收端就无法判决和恢复出正确的传输信号。

在电路设计中，从信号发送到信号接收这条路径上，一般认为把需要保证相同传输延时的信号设计成等长的传输线路即可满足要求，这对于一般情况，即是低速信号传输附的情况而言，基本上是可行的，但对于现在越来越高的信号速率要求，一些一般情况下不足以带来影响的因素，会对传输延时或者说相位保持带来决定性的打击，最典型的就是通信系统在实际应用中需要适应较大的环境温度范围(至少是-10～+45℃)，IC器件输入输出端口受到环境温度变化影响，如前面所描述的端口传输延时会产生很大的变化，引起整个信号路径的延时变化，而这种延时变化带来的相位不一致往往超出了高速信号接收可以容忍的范围。以10Gbit/s速率的信号为例，每个码元信号的宽度是100ps，如果信号的建立和保持时间是10％，那么允许的相位误差是10ps，在设计中采取传输线等长，器件端口之间的延时差异可能有4～5ps，不会引起信号接收错误，信号传输可以成功；然而若把速率提高到40Gbit/s，每个码元的宽度只有25ps，信号的建立和保持时间也就是允许的相位误差就只有2～3ps了，而IC器件端口之间的延时差异是材料特性决定的，与信号传输速率无关，即其仍然是4～5ps，在这种情况下，由于各信号之间的延时有了不同的变化，会使得信号之间相位不能对齐，即使采用了常规的等长传输线设计，但是从发送到接收整个信号传输路径的延时由于器件端口的影响已经变化，不能正常接收信号了。因此，对于高速数字通信系统而言，从实际应用角度出发，适应环境温度的变化，那么在系统内如何对信号传输延时和相位进行控制是一个必须要解决的技术问题。

发明内容

因此，本发明的目的就在于针对上述现有技术中存在的技术问题，即高速信号通信的电路中，考虑到系统工作环境温度变化引起IC器件端口的信号传输延时变化，使得同步信号之间的延时不一致，造成从信号发送到信号接收这条路径上信号相位不能对齐，常规的传输线等长设计无法克服这个问题。

本发明所采用的技术方案是：由于器件端口受环境温度变化影响而产生的信号传输延时不相等是由器件的材料特性所决定的，而端口的延时变化量随温度变化的关系是确定的，因此，如果有一种可以随温度变化而控制信号延时的装置，即可以补偿这种变化，就可以解决上述技术问题。因此本发明提出一种解决方法：设计一个相位控制器，该相位控制器可以随温度变化而调整通过其内部的信号的传输延时，串联在需要控制相位的信号线上，如图2所示，达到改变该信号线相位、适应器件端口的延时特性，和其它信号线的相位保持一致的目的。

高速信号相位控制装置即本发明所述相位控制器，结构及工作原理框图如图3所示：

部件①，温度传感器，其用于测试环境温度，并将实测值报告给CPU；

部件②，单片CPU，其用于接收温度值及主控单元命令，给出控制电压到压控延时器；

部件③，压控延时器，其用于调整信号传输延时。

部件④，主控系统，用于向相位控制器的单片CPU下达命令。

上述相位控制器的工作方式为：开启所述相位控制器，主控单元向相位控制器下达一个温度-延时关系命令，相位控制器能立即响应该命令，完成延时控制要求，使得经过该相位控制器的信号延时根据设置值改变。有益效果：如图2所示，在需要控制同步信号传输延时的电路中，先测量出器件端口之间的延时差随温度变化的关系ΔT～Δt，然后将相位控制器串联在其中的一根信号传输线上，按照测量得到的ΔT～Δt关系设定，可以正好补偿信号之间的延时差，保证在信号接收判决点是对准的。

该方案简单易行，通过测温、控制和延时的结合，解决了高速信号传输受环境温度变化的影响不能保证传输延时一致，导致不能对齐相位和接收的问题，使高速通信系统的实用性大大增强。

推而广之，在其它信号传输需要适应温度变化的环境中，都可以应用这种方法来解决问题。

附图说明

图1信号传输过程中延时不一致情况示意图；

图2使用相位控制器解决延时不一致的操作过程图；

图3相位控制器的结构及原理框图；

图4相位控制器性能验证配置图；

图5测试IC器件端口的温度-延时关系示意图；

图6高速信号的相位控制方法示意图。

具体实施方式

下面结合图3-6对本发明的具体实施方式进行描述。

高速信号相位控制装置即本发明所述相位控制器，结构及工作原理框图如图3所示：

部件①，温度传感器，其用于测试环境温度，并将实测的环境温度值报告给CPU；

部件②，单片CPU，其用于接收温度值，接收主控单元命令，给出控制电压到压控延时器；

部件③，压控延时器，其用于根据外部电压调整信号传输延时。

部件④，主控系统，为一外部控制系统，其用于向相位控制器的单片CPU下达温度-延时关系要求的命令。

上述高速信号相位控制器的工作方式为：开启所述相位控制器，只需要主控单元向相位控制器下达一个温度-延时关系命令即可完成操作，相位控制器能立即响应命令，完成延时控制要求，使得经过该相位控制器的信号延时根据设置值改变。

为充分说明本发明所述相位控制器的操作性能及配置，特通过提供如下试验及相关数据进行具体描述及验证。

如图4所示，高速信号发生器用于产生高速信号，主控单元用于下达设定温度-延时关系的命令给相位控制器，高速示波器用于观测和比较信号相位，相位控制器放置于温控机房内。该温控机房是一种实验用的房间，密封性能良好，能够在较大范围内设置室内的环境温度，一般可以调节的范围是-20℃～60℃。

所述相位控制器的性能验证操作步骤如下：

①整个实验装置开机工作，主控制单元下达温度-延时要求：Δ5℃～5ps；

②温控调整温度，设置到起始点-10℃，稳定工作至少半小时；

③调整观测示波器，设为相位比较观测方式；

④升高温控机房温度5℃，稳定十分钟后，从示波器上读出信号相位差并记录；

⑤升高温控机房温度到下一温度设置点，重复④，直至测试到45℃；

⑥改变温度-延时要求为Δ10℃～12ps，测试中改变温度变化值，按照新要求变化，重复①～⑤。

测试数据如下表：

温度-延时要求	环境温度(℃)	信号延时(ps)
			Δ5℃～5ps，也就是温度升高5℃，延时增加	-10	0(起始作为基准点)
-5	5.1
		0		9.8
5	15.2

5ps	10	20.1
			15	24.9
	20	30.3
			25	35.2
	30	40.1
			35	44.9
	40	50.2
			45	55.1
	Δ10℃～12ps，也就是温度升高10℃，延时增加12ps	-10			0(起始作为基准点)
0			11.8
		10		24.1
20			35.9
		30		48.0
40			60.2
		50		72.1

多次重复以上实验，结果重复性良好，即验证结果表明，该相位控制器具备解决了上述技术问题的性能，达到了上述设计目的。

应用相位控制器实现对高速信号实施有效控制的操作方法如图5，6所示。

首先，测定IC器件端口的温度-延时关系。

如图5所示，用一个手调移相器代替相位控制器，把信号判决再生器放置在温控机房内。所有设备开机工作，设置温控机房温度于-10℃，稳定半小时后，调节移相器至合适位置，使得误码分析仪无误码，测试十分钟，记录移相器读数。设置温控机房温度升高10℃，温度升高过程中，系统出现误码，待温度稳定后，调节移相器至合适位置，使得误码分析仪无误码，测试十分钟，记录移相器读数。如此继续升高温度，并进行测试。得到IC器件端口的温度一延时关系。

其次，串入相位控制器。

前面一步用的手调移相器只是用来测定端口特性，并不能满足应用，在测定了关系后，去掉手调移相器，串入本发明中的相位控制器。开启所述相位控制器，只需要主控单元向相位控制器下达一个温度-延时关系命令即可完成操作，相位控制器能立即响应命令，完成延时控制要求，使得经过该相位控制器的信号延时根据设置值改变。

最后，模拟现场温度变化，测试系统性能。

把整个电路都放置在温控机房内，开机工作，设置温控机房温度于-10℃，稳定半小时，从误码分析仪可以看出系统无误码。设置温控机房于其它的温度点，观察十分钟，均没有误码，系统工作正常。

可见，应用本发明所述技术方案中的相位控制器根据温度的变化控制信号延时，使得发送到信号接收路径上的信号相位一致。有效解决了延时不一致带来的传输失效，使得数据通信中高速电路系统可以工作在-10℃～+45℃的环境温度中。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的要义与范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明的权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动及变形在内。

Claims (17)

1.一种高速信号相位控制装置，即相位控制器，其特征在于所述相位控制器包括：

温度传感器，用于将实际测量的环境温度报告给单片CPU；

单片CPU，用于接收温度值，接收主控系统的命令，给出控制电压到压控延时器；

压控延时器，用于根据外部电压调整信号传输延时。

2.如权利要求1所述相位控制器，其特征在于，其中的单片CPU接收的是主控系统下达的温度-延时关系要求的命令。

3.如权利要求1或2所述的相位控制器，其特征在于其还包括：输入/输出接口及通信接口。

4.如权利要求1或2所述的相位控制器，其特征在于：该相位控制器串入端口设备中时，可以使其工作在-10℃～+45℃的环境温度中。

5.一种高速信号相位控制器的性能验证系统，该系统包括如权利要求1或2所述的相位控制器，其特征在于，该验证系统还包括：

温控机房，该温控机房是一种实验用房间，具有良好密封性，能够在较大范围内设置室内的环境温度；

高速信号发生器，用于产生高速信号；

主控单元，用于向相位控制器下达命令；

高速示波器，用于观测和比较信号相位。

6.如权利要求5所诉的高速信号相位控制器性能验证系统，其特征在于，所述的相位控制器放置于温控机房内。

7.如权利要求5或6所诉的高速信号相位控制器性能验证系统，其特征在于，所述温控机房一般可以调节的范围是-20℃～60℃。

8.一种高速信号相位控制器的性能验证方法，所述相位控制器为如权利要求1或2所述的相位控制器，其特征在于，该验证方法包括：

步骤1：系统开机工作，主控单元下达温度-延时要求；

步骤2：温控设备调整温度，设置起始点到-10℃，稳定工作至少半小时；

步骤3：调整观测示波器，设为相位比较观测方式；

步骤4：升高温控机房温度5℃，稳定10分钟后，从示波器上读出信号相位差，并记录；

步骤5：升高温控机房温度到下一个温度设置点，重复步骤4，直至测试到45℃。

9.如权利要求8所述的高速信号相位控制器的性能验证方法，其特征在于该方法还包括，所述的步骤1下达的温度-延时要求为：Δ5℃～5ps。

10.如权利要8或9所述的高速信号相位控制器的性能验证方法，其特征在于该方法还包括如下步骤：

改变温度-延时要求为Δ10℃～12ps，测试中改变温度变化值，测试中改变温度变化值。

11.如权利要10所述的高速信号相位控制器的性能验证方法，其特征在于该方法还包括：

按照新的要求变化，重度步骤1-5进行验证测试。

12.一种高速信号相位控制方法，其特征在于所述方法包括：

步骤1：测定IC器件的温度-延时关系，在该步骤中用手调移相器代替相位控制器，并将信号判决再生器置于温控机房内，调节移相器至合适位置，使得误码仪无误码；

步骤2：移除上述手调移相器，串入高速信号相位控制器，并相应主控单元命令，执行相位控制操作；

步骤3：模拟现场温度变化，进行系统测试。

13.如权利要求12所述高速信号相位控制方法，其特征在于所述步骤1还包括：

设置温控机房温度于-10℃，稳定半小时后，调节移相器至合适位置，使得误码分析仪无误码，测试十分钟，记录移相器读数；

设置温控机房温度升高10℃，温度升高过程中，系统出现误码，待温度稳定后，调节移相器至合适位置，使得误码分析仪无误码，测试十分钟，记录移相器读数；

如此继续升高温度，并进行测试，得到IC器件端口的温度-延时关系。

14.如权利要求12所述高速信号相位控制方法，其特征在于所述步骤2中应用的相位控制器是权利要求1或2所述的高速信号相位控制装置。

15.如权利要求12或13所述高速信号相位控制方法，其特征在于所述步骤2还包括：

开启所述相位控制器，主控单元向相位控制器下达一个温度-延时关系命令，相位控制器能立即响应该命令，完成延时控制要求，使得经过该相位控制器的信号延时根据设置值改变。

16.如权利要求12或13所述高速信号相位控制方法，其特征在于所述步骤3还包括：

把整个电路置于温控机房内，开机工作，设置温控机房温度于-10℃，稳定半小时，从误码分析仪可以看出系统无误码，系统工作正常。

17.如权利要求12或13所述高速信号相位控制方法，其特征在于所述温控机房一般可以调节的范围是-20℃～60℃。

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