JP2665728B2 - Cmos技術高速デジタル信号トランシーバ - Google Patents
Cmos技術高速デジタル信号トランシーバInfo
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- H04L27/2271—Demodulator circuits; Receiver circuits using coherent demodulation wherein the carrier recovery circuit uses only the demodulated signals
- H04L27/2272—Demodulator circuits; Receiver circuits using coherent demodulation wherein the carrier recovery circuit uses only the demodulated signals using phase locked loops
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- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Signal Processing (AREA)
- Synchronisation In Digital Transmission Systems (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
はなれた場所に置かれた装置間で交換されなければなら
ない電子システムのための装置に関し、特にシングルチ
ップ上に集積回路として実現され得る、CMOS 技術を用
いた高速デジタル信号トランシーバに関する。
を伝送されなければならない場合、パラレル信号のビッ
トと同数の例えば8本の線の代りに、1本の伝送線を利
用できるようにそれらの信号をシリアル形式に変換する
のが好ましいというのはよく知られている。伝送される
信号は、更に伝送線により集められ得るいかなる干渉に
対する感度をも最小にし、受信装置が受信データの正常
性をチェックできるように適当に符号化されなければな
らない。通常、受信時、その信号は利用できるように元
の形式に再変換されなければならない。パラレルモー
ド、一般的には NRZ(Non Return to Zero)フォーマット
に符合化された伝送デジタル信号は、各4ビットブロッ
クに一致する5ビットブロックを作ることにより伝送さ
れる信号の遷移状態数を拡大する4B /5B型の第1の符
合化がなされなければならない。特に、この符合化は伝
送された各4ビットに対して少なくとも1つの論理レベ
ル遷移が発生するのを保証し、同じ論理状態が長く続き
受信装置の同期を損なうという危険を避ける。更に、5
ビット符合を用いないその16の内の1つの可能な受信
は、受信信号内のエラーの検出に使用できる。
はシリアルモードにそして国際的に採用されているNRZI
(Non Return to Zero Inverted) フォーマットに変換さ
れなければならない。NRZ 信号のレベルが1のままのと
きは、NRZ /NRZIフォーマット変換器はクロック信号レ
ートでデジタル信号を2つの論理状態間で変化させる
が、NRZ 信号の論理状態が0のときは、最後に行われた
遷移に依存して、0又は1のままにしておく。受信時に
は、受信データを正しく読み取り、その検出の為クロッ
ク信号をそれらから引き出し、そしてこのように逆変換
と復号操作が行われ、起こりうるいかなるエラーの存在
もチェックすることが必要である。クロック信号の抽出
は通常 PLL( フェーズロックドループ)回路を用いて行
われ、この回路は基準信号として受信機に到達する信号
と同じ数字で表わされた信号を使用し、2倍のビットレ
ートの周波数で出力側にクロック信号を供給する。レベ
ル間の遷移が頻繁な場合、到達する信号は良い基準信号
を構成し、その結果その周波数スペクトルはビット繰り
返し周波数の正確な成分を有する。この成分は通常LC又
はS AW(表面音波)型のパスバンドフィルターにより
抽出される。これらのフィルターはどちらかといえばむ
しろバルクであり、同一チップ上の回路には集積され得
ず、周波数が変えられないので装置の柔軟性を損なう。
う1つが送信時にデジタル信号をシリアル化する為のシ
ステムクロック信号の乗法用である、少なくとも2つの
PLL回路を同一チップに集積する必要による電磁気的両
立性の問題からもう1つの困難が生じる。通常、同一チ
ップ上には1つ以上のトランシーバと幾つかのPLL 回路
があり、各回路はそれ自身のVCO (電圧制御発振器)を
有し、ほかのものと同時に高周波で動作し、このように
電磁気的放射源となる。従って、設計段階で妨害と干渉
を最小にするためにそのチップ上の回路の配置に関係す
る明確なトポロジー戦略を採用する必要がある。結局、
本装置は現在約200 Mbit /s というどちらかという
とむしろ高いビットレートで動作でき、同時にパワー消
費の減少をなし得ている。前述の機能を行い得るホット
ロッド(HOT-ROD) といわれるトランシーバはGaAs技術で
ガゼル(Gazelle) により実現されていて、この技術は高
いビットレートを達成するが非常に高価で非効率的であ
る。即ち実際に動作中の装置と製作されたものの間の比
はほんの約20%であるが、シリコン上に実現された装
置では80%に達する。
レジー(Plessey) によるSP9970やSP9930と称さ
れている回路のようなバイポーラ技術集積回路を用いて
実現され得る。前者の集積回路はシリアル- パラレル変
換器、パラレル- シリアル変換器、及びシステム周波数
に10を掛けることを実行するPLL を含むが、後者のも
のはクロック信号の抽出用PLL とNRZ /NRZI変換器を含
む。更に、4B /5B符号/復号化およびエラー検出用
のその他の回路が要求される。これらの回路では達成さ
れるビットレートは非常に良いが、典型的なバイポーラ
技術ではパワー消費はむしろ高い。両方の試験された解
決策は、例えば論文”シリアルデータ通信用のBiCMOS
送受信PLL 対 (A BiCMOS Receive/Transmit PLL Pair f
or Serial Data Communication) ”、ベリートンプソン
(Barry L. Thompson) ら、IEEE 1992 カスタム集積回路
コンファレンス(Custom Integrated Circuits Conferen
ce) 又は論文”自動修正クロック回復回路 (A Self Cor
recting Clock Recovery Circuit) ”、チャールズホッ
ジ(Charles R. Hogge)、光波技術ジャーナル(Journal o
f LightwaveTechnology) 、第6巻、1985年12月
に記載されているように主ループ(マスター)と従ルー
プ(スレーブ)を含む適当なPLL 回路により代用される
外部フィルターを使用することなく、クロック信号の抽
出を行なう。主ループは基準周波数から開始するシステ
ムの基本周波数を回復するが、従ループは受信信号の関
数として小さな位相補正を生じさせる。
イプのPLL 回路には、2つのVCO が互いに妨害しスプリ
アスロックを引き起こすといういくつかの問題がある。
これらの欠点は本発明の目的であるCMOS技術高速デジタ
ル信号トランシーバにより取り除かれ、このトランシー
バは1つのCMOS技術集積回路上に実現され、低いパワー
消費と早い動作速度を有し、全入出力が小さい電圧変動
を有し、クロック信号抽出回路はスプリアスロックせず
に受信したデータを自動調整できる。
力パラレルフローがより多数の遷移状態を有する符号に
符号化され、シリアル形式に変換され、伝送符号に符号
化される送信機と入力シリアルフローが伝送符号から復
号化され、パラレル形式に変換され、元のパラレルフロ
ーを再び得るため復号化される受信機を含み、伝送符号
からの前記復号化操作及びパラレル形式への変換の為の
クロック信号の発生がブロックにより行われる、CMOS技
術高速デジタル信号トランシーバであって、2つのフィ
ードバックループにより電圧制御されたローカル発振器
を含み、その第1のループが - 水晶発振器、 - 前記ローカル発振器により供給された信号を分周する
バイナリ分周器、 - バイナリ分周器及び水晶発振器により供給される信号
に作用し、入力信号の周波数が異なれば、適当な論理状
態の信号を出力に供給し、入力信号が等しい周波数を有
するが互いの位相がずれていれば、適当な瞬間に修正パ
ルスを供給する、位相- 周波数検出器、 - 前記位相- 周波数検出器により供給された信号を受け
取り、前記ローカル発振器を制御する第1のローパスフ
ィルターを含み、前記第2のフィードバックループが - ローカル発振器により供給される信号及び入力シリア
ルフローに作用する位相検出器であって、第3のパルス
基準信号と時間変化に能動的でその入力における信号間
の位相エラーの関数としての第4のパルス信号を出力に
供給する該位相検出器、 - 前記位相検出器により供給された信号を受け取り、前
記ローカル発振器を制御する第2のローパスフィルター
を含むことを特徴とする該CMOS技術高速デジタル信号ト
ランシーバを提供することである。
限的な例として与えられ、その好ましい具体例について
の以下の記述、及び添付の図面によりより明確になるで
あろう。図1に示されているデジタル信号トランシーバ
は、電気的には分離されている4ビット受信機RX4 及び
送信機TX4 だけでなく、8ビット受信機RX8 及び送信機
TX8 を1つのチップ上に含む。両方の送信機が入力1、
2に加えられるパラレルデータを出力3、4に供給され
るシリアルデータに変換する。受信機はその逆の動作、
即ち入力5、6でシリアルデータを受け、出力7、8に
パラレルデータを供給する。 本トランシーバはこのよ
うに1地点から1地点への相互接続を行うのに適し、4
及び/又は8ビットのパラレル接続から来る情報を1つ
の線上に移す。伝送時には、光ファイバー伝送にもまた
有効な、国際規格FFDI(ANSI)の規格を満たすために、2
つの連続した符号化、即ち4B /5B 型の符合化とNRZ
からNRZIへの符合化が行われる。本送信機は利用可能な
2つの制御線、即ちリセット線9、11と現在のATM
(非同期トランスファーモード)システムと両立する伝
送プロトコルを決めるのに役立つ同期語を発生させる線
10、12を有する。受信機は利用可能な1つのリセッ
ト線13、14を有する。
示す。8ビット送信機のブロック図もまったく同様なの
で、詳細は描いてないが、主な相違は指摘される。接続
線1に入る4ビット語はレジスターREG1に運ばれ、この
レジスターはそれらを線20上に存在するシステムクロ
ック信号に同期して4B /5B 符号化を行う符号化回路
COD1に移す。クロック信号周波数はPT1 と記されたPLL
(フェーズロックドループ)回路により5倍される(8
ビット送信機では代りに10倍される)。このように線
21上に高速クロック信号が得られ。これは低速クロッ
ク信号と共にパラレル- シリアル変換器PIS01 に運ばれ
る、この変換器は出力線22にNRZ 型のデータフローを
供給する。NRZ からNRZIへの連続した変換はブロックZZ
I1で行われ、このブロックは出力として線3上に適当な
電気的伝送手段により遠隔受信機に送られ得る信号を供
給する。送信機の全ブロックは示されてないが適当な線
により送られる1つのコマンドでリセットされ得る。
信機RX4 では、送信機で行われる操作の逆が行われる。
加えて、受信機は入力データのフローからの高速クロッ
ク信号を回復する。入力信号内の1つ以上の高調波の存
在及びよって基準信号と誤認され得る高調波の可能性故
に、これは高速データ受信システムでの最もクリチカル
な操作である。本受信機に採用されているクロック信号
の発生回路は、基準周波数に調整されたバンドパスフィ
ルターの使用を避け得る革新的な特徴を備えたPLL 回路
を用いる。シリアルフローは伝送線から受信機の入力6
に到達し、ZIZ1ブロックでNRZIからNRZ への復号化がな
される。同時に、それはまたクロック信号発生ブロック
PR1 に送られ、線30上の出力で高速クロック信号を利
用可能にする。この信号はブロックZIZ1により供給され
るNRZ フローと共に、出力にパラレル5ビットフローを
供給するシリアル- パラレル変換器SIP01 に送られる。
線20上に存在するシステムクロック信号により制御さ
れる、連続した5B /4B 復号化回路DC01は5ビットか
ら4ビットへ第2の変換を行う。このように、送信機に
元々入ったパラレル信号が再び得られ、これもまた線2
0上のシステムクロック信号により制御された出力レジ
スターREG2に送られ、接続線8上の出力で利用できるよ
うになる。
かれている。それはPLL (フェーズロックドループ)回
路に基づいていて、これは良く知られているようにロー
カル発振器により発生された信号と基準信号の位相と周
波数が同期するものである。このことは、基準信号と適
当に分離されたローカル発振器信号を比較すること、及
びフィードバックによりローカル発振器を制御するため
に交流成分から奪い得られたエラー信号を利用すること
により達成される。ブロックPR1 はVCO と記された1つ
の電圧制御されたローカル発振器と2つのフィードバッ
クループにより構成された特別なPLL 回路を用いてい
る。主ループは、広いダイナミックスのエラー電圧を発
生し、線C 0を通じVCO に送り、より重要な位相及び周
波数の修正を決める。従ループはより狭いダイナミック
スの第2エラー電圧を発生し、これは線FI上をVCO の第
2入力に送られ、その正確な位相修正が決められる。回
復用のクロック信号周波数の10分の1に等しい周波数
で、主ループ用基準信号がXOと記された水晶制御発振器
により発生される。この信号は、VCO により発生され、
バイナリ分周器DVにより適当に10で分周された信号
と、位相- 周波数検出器FFにおいて比較される。位相-
周波数検出器の使用はそのような検出器が所望の周波数
の高調波である周波数でのロック条件を許さないという
事実に基づいている。
信号の前部には応答してそれらのデューティサイクルに
は応答しない検出器FFの出力U2及びD2が、適当な論理状
態のままでとどまる。カスケード状に置かれたローパス
フィルターPB2 は、結果として、DVを出る信号の周波数
を、XOを出る基準信号と同じ周波数にする連続した修正
電圧を放つ。このようにして達成された同一周波数で、
FFの出力U2とD2は通常の位相検出器の出力として振る舞
い、適当な瞬間に修正パルスを供給する。ローパスフィ
ルターPB2 は、検出器の出力に存在するパルスの平均値
の大きさのdc電圧をその出力C0に供給する役割を有す
る。それは、その中に集積化形式のRCネットワーク抵抗
を含むという特色を有した第1オーダーのローパスフィ
ルターである。そのような方法で、外部へ向けた1つの
接続線がコンデンサーに接続されることが要求されてい
る。この抵抗は高い安定性を備えていなければならない
ので、それを実現するトランジスターの配置に特別な注
意を払い、異なる動作ポイントでそれらの抵抗の振る舞
いが線形になるようにしなければならない。
O により供給される信号と線6から入ってくるデータの
シリアルフローを比較し、その出力U1とD1にエラーパル
スを供給する。これらのパルスはフィルターPB2 と同様
な方法で実現されるローパスフィルターPB1 に送られ、
その出力FIでブロックVCO 用の精密修正電圧を利用可能
にする。回復されたクロック信号はこのようにVCO から
の出力の線30上で利用可能となる。 位相検出器DFの
電気配線図を図5において詳細に示す。それは線30上
のVCO により供給された信号を線6上に到達するデータ
信号の中心に保つことができる修正電圧を発生する新規
な回路である。データ信号はFFD1と記されたD 型フリッ
プフロップの入力D に与えられ、このフリップフロップ
は入力CLK にクロック信号を受けながら、再同期化し、
線51上の出力で利用可能にする。FFD2と記された第2
のD 型フリップフロップはシステムクロック信号に完全
に同期し、基準信号としてインバーターINV により変換
されたクロック信号を有するデータを受信し、それを線
52上の出力に半サイクル遅延して移す。
ルーシブOR回路XOR2の出力D1において、入力データのそ
れぞれの遷移の間、クロック周期の半分に等しい一定持
続時間のパルスが存在する。そのようなパルスは基準と
して働く。即ち、もし検出器に入ってくるデータがすで
にクロック信号に完全に調整されていれば、その入力で
FFD1の入出力信号を受けるエクスクルーシブOR回路XOR1
の出力U1において、D 1上と同じ形式を有するが半周期
進んでいる信号が存在する。代りに、もし入力データが
完全には調整してなく例えば位相が進んでいると、出力
U1での信号は変わらないが、D 1出力での信号はより長
い時間アクティブのままである。このような信号は平均
値が位相差に比例して変わる電圧をローパスフィルター
PB1 がその出力に供給するようにし、従って、VCO (図
4)によって発生されたクロック信号周波数を下げる。
同様に、入力データが遅れると、出力U1での信号は同じ
ままであるが、出力D1での信号はより短い時間の間アク
ティブなままでクロック信号周波数を上げる。
たタイミング図である。各波形は、それが存在する線に
割り当てられた番号により記されている。波形6a, 6b,
6c及びU1a, U1b, U1c は線6及びU1に存在する信号と共
に、データを進めるおよび遅らせるという、クロック信
号に調整されたデータのそれぞれの条件で、動作しなけ
ればならない。図7はクロック信号発生ブロック、特に
フィルターPB1 において使用される2つのローパスフィ
ルターのうちの1つの回路図を表わす。検出器に存在す
るパルス信号は、互いに接続されたドレインとグランド
及び電源VDD に接続されたソースを有する2つのMOS ト
ランジスターMNI とMPI のゲートにそれぞれ接続された
2つの入力D1とU1に与えられる。これら2つのN とP チ
ャンネルトランジスタは1対のMOS トランジスタ、即ち
1次オーダーローパスフィルターのRCネットワークの抵
抗R を実現するN チャンネルトランジスタMNRES とP チ
ャンネルトランジスタMPRES への電流源として動作す
る。回路の特別なタイプでは、MOS トランジスタの非線
形性の補償、および電流の方向とは独立な振る舞が得ら
れる。
続され且つMNI とMPI の対のドレインに接続されたソー
スと、グランドとVDD に接続されたゲートを有する。そ
のドレインはVCO (図4)の制御入力とフィルターの遮
断周波数を決めるコンデンサC に外部で接続された本集
積回路の出力端子PAD につながる線FIに接続される。線
U1上に論理レベル0が存在すると、トランジスタMPI は
導通され、トランジスタMNRES とMPRES に電流を供給
し、これらのトランジスタが外部コンデンサCを充電す
る。線D1に加わる同様な論理レベルがトランジスタMNI
をオフにし、従ってMNRES とMPRES の対の駆動を妨げ
る。一方、線D1に論理レベル1が存在すると、トランジ
スタMNI を導通し、その結果トランジスタMNRES 、MPRE
S の対が外部コンデンサC をグランドに放電する。端子
PAD に接続された線FIには、このように検出器により供
給されたパルス信号の平均値をとり、制御された発振器
VCO (図4)を駆動するのに適した電圧が存在する。上
述されたことは非制限的な例として単独に提供されたも
のであるのは明らかである。変形と改良が請求項の防衛
範囲を超えることなく可能である。
る。
図である。
る。
クのブロック図である。
る。
るタイミング図である。
路図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 入力パラレルフローがより多数の遷移状
態を有する符号に符号化され(COD1)、シリアル形式に変
換され(PIS01) 、伝送符号に符号化される(ZZI1)送信機
(TX4, TX8)と入力シリアルフローが伝送符号から復号化
され(ZIZ1)、パラレル形式に変換され(SIP01) 、元のパ
ラレルフローを再び得るため復号化される(DC01)受信機
(RX4, RX8)を含み、伝送符号からの前記復号化操作及び
パラレル形式への変換の為のクロック信号の発生がブロ
ック(PR1) により行われる、CMOS技術高速デジタル信号
トランシーバであって、2つのフィードバックループに
より電圧制御されたローカル発振器(VCO) を含み、その
第1のループが、 - 水晶発振器(XO)、 - 前記ローカル発振器(VCO) により供給された信号を分
周するバイナリ分周器(DV)、 - バイナリ分周器及び水晶発振器により供給される信号
に作用し、入力信号の周波数が異なれば、適当な論理状
態の信号を出力(D2, U2)に供給し、入力信号が等しい周
波数を有するが互いの位相がずれていれば、適当な瞬間
に修正パルスを供給する位相- 周波数検出器(FF)、 - 前記位相- 周波数検出器(FF)により供給された信号を
受け取り、前記ローカル発振器(VCO) を制御する第1の
ローパスフィルター(PB2)を含み、前記第2の反応ルー
プが - ローカル発振器(VCO) により供給される信号及び入力
シリアルフロー(6) に作用する位相検出器(DF)であっ
て、第3のパルス基準信号(U1)及び時間変化に能動的で
その入力における信号間の位相エラーの関数としての第
4のパルス信号(D1)を出力に供給する該位相検出器、 - 前記位相検出器(DF)により供給された信号を受け取
り、前記ローカル発振器(VCO) を制御する第2のローパ
スフィルター(PB1)を含むことを特徴とする該CMOS技術
高速デジタル信号トランシーバ。 - 【請求項2】 前記位相検出器(DF)が - データ入力(D) に入力シリアルフロー(6) が与えら
れ、クロック入力(CLK) にローカル発振器(VCO) により
供給される信号が与えられる第1のD 型フリップフロッ
プ(FFD1)、 - データ入力(D) に前記第1フリップフロップからの出
力信号が与えられ、クロック入力(CLK)にローカル発振
器(VCO) により供給されインバータ(INV) により反転さ
れた信号が与えられる第2のD 型フリップフロップ(FFD
2)、 - それぞれが、前記フリップフロップの1つのデータ入
力と出力に接続された入力、及び位相検出器の出力に接
続された出力(U1, D1)を有する2つのエクスクルーシブ
ORゲート(XOR1, XOR2)を含むことを特徴とする請求項1
に記載のデジタル信号トランシーバ。 - 【請求項3】 前記ローパスフィルター(PB1, PB2)が - ゲートが入力(D1, U1)に接続され、ドレインが互いに
接続され、ソースがグランドと電源(VDD) に接続された
コンプリメンタリMOS トランジスタ(MNI, MPI)の第1の
一対、 - ゲートがグランドと電源(VDD) に接続され、ソースが
互いに接続され且つ前記第1の対のドレインに接続さ
れ、ドレインが互いに接続され且つ遮断周波数を決める
外部コンデンサ(C) にも接続された出力(FI)に接続され
たコンプリメンタリMOS トランジスタ(MPRES, MNRES)の
第2の一対を含むことを特徴とする請求項1に記載のデ
ジタル信号トランシーバ。
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