JP5024969B2 - 反射特性利用による高速・長距離伝送システムおよびイコライザ - Google Patents

Description

本発明は、伝送線路による信号波形劣化を高周波領域での反射特性を利用することにより補償し、低消費電力で、高速伝送および長距離伝送を可能にする伝送システムおよびイコライザに関するものである。

従来、高速伝送を行う場合、伝送線路での信号波形劣化により制限される高速性、長距離性の改善は、アクティブ回路（能動回路；増幅器等の電源供給が必要な回路）によるイコライジングや光伝送を適用する方法等が知られている。

アクティブ回路によるイコライザ（等化器；一般的に周波数特性を調整するための補償回路をいう）の利用や光伝送を利用した高速伝送および長距離伝送は、信号レベルの改善のための増幅器や電気から光へ、光から電気へ変換するための変換器等のアクティブ部品を使用する必要があり、実装スペースの拡大や消費電力の増大を招いただけでなく、高価な伝送システムとなった。また、パッシブ回路（受動回路；増幅器等の電源供給を必要としない回路）による波形整形の方法として低周波領域の減衰量を増加させ、平坦な周波数特性とするイコライザを使用する方法もあるが、信号振幅が小さくなるため、伝送速度や伝送長距離の制約となった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、高周波領域においては、伝送線路の特性インピーダンスより受信回路の入力インピーダンスを大きくすることで高周波領域での反射特性を利用し高周波領域での信号波形劣化を補償し、低周波領域においては、伝送線路の特性インピーダンスと同等とすることで信号波形劣化を抑え、更に、低周波領域の減衰量を調整することにより、信号波形劣化を補償する高速伝送および長距離伝送を実現するシステムである。更に、発明者等が低スキュー（低伝搬遅延時間差）の伝送線路に関して先に出願した特願２００８−１９４５８０の技術的内容と本発明の波形劣化の補償という技術的内容を組み合わせ、スキューマージンを改善することにより、更なる高速伝送および長距離伝送を実現するシステムおよびイコライザである。

本発明によれば、従来品に比べて非常にシンプルな構造で、低消費電力かつ安価な反射特性利用による高速・長距離伝送が可能になった。具体例を挙げると、カメラリンク（クロック周波数８０ＭＨｚ データ伝送速度５６０Ｍｂｐｓ）の場合、本発明品は、従来品では伝送距離が７ｍ迄のものを約３０ｍ以上に迄距離を延長することが可能になるだけでなく、一般のリピータ（アクティブ回路）に比べ、５０％以上の低消費電力化がはかれるので、その工業的価値は非常に大きい。

（Ａ）は、本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１の基本構成ブロック図で、（Ｂ-1）は、本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザの具体的実施例１Ａの回路構成図で、（Ｂ-2）は、本発明（Ｂ-1）の変形例で,低周波補正が必要ない場合のイコライザ３０Ａ-2の回路構成図で、（Ｃ）は、本発明の図１（Ｂ-1）のイコライザ３０Ａ-1が、低周波領域においては、本回路に等価される。（Ｄ）は、本発明の図１（Ｂ-1）のイコライザ３０Ａ-1が、高周波領域においては、本回路に等価される。（Ｅ）は、本発明の高速・長距離差動伝送システムおよびイコライザの具体的実施例１Ｂの回路構成図で、（Ｆ）は、本発明の図１（Ｅ）のイコライザ３０Ｂが、低周波領域においては、本回路に等価される。（Ｇ）は、本発明の図１（Ｅ）のイコライザ３０Ｂが、高周波領域においては、本回路に等価される。 （Ａ）は、本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザの具体的実施例１Ｃの回路構成図で、（Ｂ）は、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、低周波領域においては、本回路に等価される。（Ｃ）は、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、高周波領域においては、本回路に等価される。（Ｄ）は、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、Ｖｆ１＞Ｖｆ２で、Ｖｆ２＞Ｖｉｎの場合、本回路に等価される。（Ｅ）は、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、Ｖｆ１＞Ｖｉｎ＞Ｖｆ２の場合、本回路に等価される。（Ｆ）は、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、Ｖｉｎ＞Ｖｆ１の場合、本回路に等価される。（Ｇ）は、本発明の低スキュー差動伝送用多心丸型ケーブル１´の構造断面図である。 本発明品と従来品について、周波数（ＭＨz）に対する入力インピーダンス（Ω）の比較結果である。 本発明品と従来品のアイパターン（２０ｍ ６００Ｍｂｐｓ）の比較結果である。

以下、本発明の反射特性利用による高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１の基本構成ブロック図を図１（Ａ）に示す。
本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１の基本構成は、高速信号を出力する送信回路１０に接続された伝送線路２０と、前記伝送線路２０と前記高速信号を受信する高入力インピーダンス受信回路５０との間にイコライザ３０を接続して構成され、反射特性利用による高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１である。（本発明の第１実施例に対応：請求項１を第１実施例とし、以下、同様）

次に、本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザの具体的実施例１Ａの回路構成図を、図１（Ｂ-1）に示す。
本発明の実施例１Ａの構成は、高速信号を出力する送信回路であるドライバ回路１０Ａとシングルエンド伝送線路２０Ａとイコライザ３０Ａ-1と高入力インピーダンス受信回路であるレシーバー５０Ａで構成される反射特性利用による高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１Ａである。
ここで、シングルエンド（single end）信号とは、一つの信号線に対して１本の信号線を用いて、信号をその信号のグランドに対する電圧として送る信号をいう。
この場合のイコライザ３０Ａ-1は、シングルエンド伝送線路に対応し、シングルエンド伝送線路２０Ａと前記高速信号を受信するレシーバ５０Ａとの間に、直列に接続された第１の抵抗３１Ａ-1と第１のキャパシタ３２Ａ-1からなる第１の並列回路と、第１の並列回路の入力端で、前記並列回路の入力端でグランド（0V）から電源電圧（Vcc）の範囲の値となる電圧源（Vtt）の間に接続された第２の抵抗３４Ａと第１のインダクタ３３Ａの直列回路と、前記並列回路の出力端でグランド（0V）から電源電圧（Vcc）の範囲の値となる電圧源（Vtt）の間に接続された第３の抵抗３５Ａ-1からなる直列回路で構成されている。
また、低周波領域においては、本発明の図１（Ｂ-1）のイコライザ３０Ａ-1が、図１（Ｃ）の回路に等価され、図に示す。低周波領域においては、第１のキャパシタ３２Ａ-1は高インピーダンス、第１のインダクタ３３Ａは低インピーダンスとなるため、図１（Ｂ-1）のイコライザ３０Ａ-1が本回路に等価される。図１（Ｃ）において、伝送線路端からみたイコライザ３０Ａ-1の入力インピーダンスは、第１、第２、第３の抵抗３１Ａ-1、３４Ａ、３５Ａ-1によって決まり、伝送線路の特性インピーダンスと同等の値とすることができ、信号波形劣化を防ぐことが可能である。更に、入力した信号を第１、第３の抵抗３１Ａ-1、３５Ａ-1により受信回路端において減衰量を調整することが可能である。（本発明の第６実施例に対応）
同様に、本発明の図１（Ｂ-1）のイコライザ３０Ａ-1は、高周波領域においては、第１のキャパシタ３２Ａ-1は、低インピーダンスとなる。また、第１のインダクタ３３Ａは高インピーダンスとなるため、図１（Ｂ-1）のイコライザ３０Ａ-1が図１（Ｄ）の回路に等価される。図１（Ｄ）において、伝送線路端からみたイコライザ３０Ａ-1の入力インピーダンスは、第３の抵抗３５Ａ-1によって決まり、伝送線路端の電圧値Vin(V)、受信回路端の電圧値Vout（V）、第３の抵抗３５Ａ-1の抵抗値R3（Ω）、伝送線路の特性インピーダンスZc（Ω）、反射係数Γは、下記の数式で表される。

ここで、R3＞ZcとすることでΓ＞0となり、受信回路端において反射特性を利用した電圧値とすることが可能になる。（本発明の第２・第４実施例に対応）
次に、イコライザ３０Ａ-1において、低周波領域は、シングルエンド伝送線路の特性インピーダンスに整合させることで波形歪を補償し、高周波領域は、反射特性を利用して波形歪を補償することによりジッター（通信機器などにおいて発生する信号の時間的なズレや揺らぎのことである）が減少し、アイパターン(実際の信号のサンプルを多数重ね合わせ、信号の特徴をグラフィカルに提示するもの)の開口を確保することが可能になる。ジッターが減少することにより、スキューマージンが改善する。なお、図１（Ｂ−２）は、本発明（Ｂ−１）の変形例で,低周波補正の必要がない場合のイコライザ３０Ａ-2の回路構成図である。この周波数範囲は、第１のキャパシタ３２Ａ-2と第１の抵抗３１Ａ-2との関係ｆ_ｃ＝１/２πＣＲで決まる。（本発明の第７実施例に対応）

次に、本発明の高速・長距離差動伝送システムおよびイコライザの具体的実施例１Ｂの回路構成図を図１（Ｅ）に示す。
本発明の実施例１Ｂの構成は、高速・長距離差動信号を出力する差動ドライバ回路１０Ｂと、第１の伝送線路２１Ｂと第２の伝送線路２２Ｂとのペアで構成される差動伝送線路２０Ｂと、差動構成イコライザ３０Ｂと、高入力インピーダンスの差動レシーバ５０Ｂで構成される高速・長距離差動伝送システムおよびイコライザである。ここで、差動信号（differential signal））とは、一つの信号線に対して２本の対等な信号線のペアを用いて、信号をその信号線ペアの間の電位差として送る信号をいう。このように、差動伝送とは、１対の信号線を使ってデータを伝送する方式のことで、対をなす２本の信号線にはそれぞれ逆位相の信号を伝送する。
この場合のイコライザ３０Ｂは、差動（ディファレンシャル）の伝送線路に対応し、第１の伝送線路２１Ｂと高速差動信号を受信する高入力インピーダンスの差動レシーバ５０Ｂの＋入力端子との間に、直列に接続された第１の抵抗３１Ｂと第１のキャパシタ３２Ｂからなる第１の並列回路と、第２の伝送線路２２Ｂと高速差動信号を受信する高入力インピーダンスの差動レシーバ５０Ｂの−入力端子との間に、直列に接続された第４の抵抗３７Ｂと第２のキャパシタ３６Ｂからなる第２の並列回路と、第１の並列回路の入力端と第２の並列回路の入力端の間に接続された第２の抵抗３４Ｂと第１のインダクタ３３Ｂの直列回路と、第１の並列回路の出力端と第２の並列回路の出力端との間に接続された第３の抵抗３５Ｂからなる直列回路で構成されている。
また、低周波領域においては、第１、第２のキャパシタ３２Ｂ、３６Ｂは高インピーダンス、第１のインダクタ３３Ｂは低インピーダンスとなるため、図１（Ｅ）のイコライザ３０Ｂが、図１（Ｆ）の回路に等価される。図１（Ｆ）において、伝送線路端からみたイコライザ３０Ｂの入力インピーダンスは、第１、第２、第３、第４の抵抗３１Ｂ、３４Ｂ、３５Ｂ、３７Ｂによって決まり、伝送線路の特性インピーダンスと同等の値とすることができ、信号波形劣化を防ぐことが可能である。更に、入力した信号を第１、第３、第４の抵抗３１Ｂ、３５Ｂ、３７Ｂにより受信回路端において減衰量を調整させることが可能になる。（本発明の第６実施例に対応）
同様に、高周波領域においては、第１、第２のキャパシタ３２Ｂ、３６Ｂは低インピーダンス、第１のインダクタ３３Ｂは高インピーダンスとなるため、図１（Ｅ）のイコライザ３０Ｂが、図１（Ｇ）の回路に等価される。図１（Ｇ）において、伝送線路端からみたイコライザ３０Ｂの入力インピーダンスは、第３の抵抗３５Ｂによって決まり、伝送線路端の電圧値Vin(V)、受信回路端の電圧値Vout（V）、第３の抵抗３５Ｂの抵抗値R3（Ω）、伝送線路の特性インピーダンスZc（Ω）、反射係数Γについては、前記に記載した数式１が成立する。ここで、R3＞ZcとすることでΓ＞0となり、受信回路端において反射特性を利用した電圧値とすることが可能になる。

次に、本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザの具体的実施例１Ｃの回路構成図を図２（Ａ）に示す。
本発明の実施例１Ｃの構成は、高速信号を出力するドライバ回路１０Ｃと、シングルエンド伝送線路２０Ｃと、イコライザ３０Ｃと、高入力インピーダンスのレシーバ５０Ｃで構成される高速・長距離伝送システムおよびイコライザ１Ｃである。
この場合のイコライザ３０Ｃは、シングルエンド伝送線路だけでなく自動レベル補正の機能も備え、シングルエンド伝送線路２０Ｃと前記高速信号を受信する高入力インピーダンスのレシーバ５０Ｃとの間に、直列に接続された第１の抵抗３１Ｃと第１のキャパシタ３２Ｃからなる第１の並列回路と、第１の並列回路の入力端で前記並列回路の入力端でグランドとの間に接続された第２の抵抗３４Ｃと第１のインダクタ３３Ｃとからなる第１の直列回路と、前記並列回路の出力端でグランドとの間に接続された第１のダイオード４０Ｃと第３の抵抗３５Ｃからなる第２の直列回路と第２のダイオード４１Ｃと第４の抵抗３７Ｃとからなる第３の直列回路と第５の抵抗３８Ｃからなる第２の抵抗並列回路で構成されている。
また、低周波領域においては、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、図２（Ｂ）の回路に等価され、図に示す。低周波領域においては、第１のキャパシタ３２Ｃは高インピーダンス、第１のインダクタ３３Ｃは低インピーダンスとなるため、また、低周波領域の信号のシングルエンド伝送線路２０Ｃにおける減衰は少ないため、伝送線路端での電圧値は第１のダイオード４０Ｃおよび第２のダイオード４１Ｃの順方向電圧値よりも大きく、図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃは図２（Ｂ）の回路に等価される。図２（Ｂ）において、伝送線路端からみたイコライザ３０Ｃの入力インピーダンスは、第１、第２、第３、第４、第５の抵抗３１Ｃ、３４Ｃ、３５Ｃ、３７Ｃ、３８Ｃによって決まり、伝送線路の特性インピーダンスと同等の値とすることができ、信号波形劣化を防ぐことが可能である。更に、入力した信号を第１、第３、第４、第５の抵抗３１Ｃ、３５Ｃ、３７Ｃ、３８Ｃにより受信回路端において減衰量を調整させることが可能になる。（本発明の第６実施例に対応）
同様に、高周波領域においては、本発明の図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、図２（Ｃ）の回路に等価され、図に示す。高周波領域においては、第１のキャパシタ３２Ｃは低インピーダンス、第１のインダクタ３３Ｃは高インピーダンスとなるため、図２（Ａ）のイコライザ３０Ｃが、図２（Ｃ）の回路に等価される。更に、シングルエンド伝送線路２０Ｃにおいて減衰するため、信号の周波数により伝送線路端での電圧値Vin（V）が変化する。したがって、第１のダイオード４０Ｃと第２のダイオード４１Ｃの順方向電圧値Vf1（V）、Vf2（V）、ただしVf1＞Vf2、とすると、Vf2＞Vinの場合は、図２（Ｄ）に示すように等価される。また、Vf1＞Vin＞Vf2の場合は、図２（Ｅ）に示すように等価される。更に、Vin＞Vf1の場合は図２（Ｆ）に示すように等価される。このように、伝送線路端における電圧値によって入力インピーダンスが変化し、最適な反射特性を得ることが可能になる。（本発明の第５実施例に対応）
次に、本発明の低スキュー差動伝送用多心複合丸型ケーブル１´の構造断面図を図２（Ｇ）に示す。本発明の第３実施例としては、伝送線路２０である低スキュー差動伝送用多心複合丸型ケーブル１´は、信号線間のスキューが小さい構造とし、高速・長距離伝送を可能とする反射特性利用による高速・長距離伝送システムである。本発明の低スキュー差動伝送用多心複合丸型ケーブル１´は、対間スキューの向上を目的として、対より線の代わりにスキューが安定している同軸信号線を使用したケーブル構造であって、高周波伝送の信号線と電源線からなる高速インターフェースケーブルにおいて、シース１０´内に中心介在８´を施し、その周りに、４心以上の偶数本で対を形成した同軸信号線５´をケーブル断面からみて中心介在の中央部からほぼ同一距離すなわち同層になるように配置させ、かつ前記複数本からなる同軸信号線間の隙間に絶縁被覆された１本または複数本からなる細径絶縁電源線７´の＋Ｖｃｃラインを挿入し、従来挿入していた細径絶縁電源線の電源ＧＮＤラインは別に設けずに同軸信号線の同軸信号線シールド（同軸ＧＮＤライン）に適用させることにより対間の低スキュー化と細径化をはかった構造である。ここで、本発明の同軸信号線５´を２心平行対にして、信号対１、２、３、４、５をそれぞれ形成した。また、本発明の同軸信号線５には、０．１２７ｍｍで７本よりの導体のすずめっき軟銅線を使用した。更に、細径絶縁電源線の絶縁被覆をした例としては、テープまたはコーティングまたは押出し被覆等その他の絶縁被覆されたものをいう。次に、本発明の第１のポイントとして、スキュー対策として、対より信号線よりもスキューが安定している同軸信号線を使用し、かつ、ケーブル断面からみた介在の中央部からほぼ同一距離すなわち同層になるように配置する。このような配置により、ケーブル長手方向からみた差動伝送用信号線の線長差がほぼ同一となり、結果として、線長差からみた遅延時間は同一となる。このように、伝播遅延時間差を小さくするためには、線長差が小さくなるようにする必要がある。同軸信号線が１０心で、信号対が５個の場合の本発明を図に示すがこの本数に限らず、４心以上の偶数本であれば、一向に構わない。次に、第２のポイントとしては、電源線について、前記複数本からなる同軸信号線間の隙間に絶縁被覆された複数本からなる細径絶縁電源線７´の＋Ｖｃｃラインを挿入し、従来挿入していた細径絶縁電源線の電源ＧＮＤラインは別に設けずに同軸信号線の同軸信号線シールド（同軸ＧＮＤライン）に適用させることにより細径化をはかることが可能になる。細径絶縁電源線は、差動伝送用信号線に使用されている同軸信号線シールド（同軸ＧＮＤライン）により、囲まれることによって、低インピーダンスとすることができ、耐ノイズ性能を向上させることが可能になる。また、電源線からのノイズ影響と高域での安定性（特性インピーダンス等）を考慮したコア構造とした。更に、細径絶縁電源線は、隙間に心数を増やすことによって、電流容量の向上を図ることができる（流す電気の量を増やすことができる）このように、ビデオやカメラ等で必要とされる給電電力の向上がはかれるだけでなく、電源線導体を分割することによって省スペースとなり、コンパクト化がはかれる。以上のケーブル構造と本発明の波形劣化の補償という技術的内容を組み合わせ、スキューマージンを改善することにより、更なる高速伝送および長距離伝送を実現するシステムおよびイコライザである。（本発明の第３実施例に対応）

本発明は、このような構成であるので、本発明品と従来品の周波数（ＭＨz）に対する入力インピーダンス（Ω）の比較結果を図３に示す。
このことから、本発明品は、高周波領域で入力インピーダンスが上がっているため、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling ；低電圧差動信号) の様な定電流出力回路に接続すると高周波領域で電圧が増幅されるのが明確で、従来品に比べて良好な結果を示していることがわかる。

次に、本発明品の信号波形劣化の補償ありの場合のアイパターン（２０ｍ ６００Ｍｂｐｓ）と従来品の補償なしの場合のアイパターン（２０ｍ ６００Ｍｂｐｓ）についての比較検討を行った結果を図４に示す。図から明らかなように、本発明品は、従来品に比較してジッターの少ないアイパターン波形であり、良好な結果を示していることがわかった。

本発明は、カメラリンクに代表される画像伝送装置等への幅広い適用が可能となる。また、本発明は色々な変形例が考えられ、本発明の範囲内で各種の変形を含むものであることはいうまでもない。

１、１Ａ、１Ｃ 本発明の高速・長距離伝送システムおよびイコライザ
１Ｂ 本発明の高速・長距離差動伝送システムおよびイコライザ
１０ 送信回路
１０Ａ、１０Ｃ ドライバ回路
１０Ｂ 差動ドライバ回路
２０ 伝送線路
２０Ａ、２０Ｃ シングルエンド伝送線路
２０Ｂ 差動伝送線路
２１Ｂ 第１の伝送線路
２２Ｂ 第２の伝送線路
３０、３０Ａ-１、３０Ａ-2 イコライザ
３０Ｂ、３０Ｃ イコライザ
３１Ａ-1、３１Ａ-2、３１Ｂ、 第１の抵抗
３１Ｃ 第１の抵抗
３２Ａ-1、３２Ａ-2、３２Ｂ, 第１のキャパシタ
３２Ｃ 第１のキャパシタ
３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ 第１のインダクタ
３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ 第２の抵抗
３５Ａ-1、３５Ａ-2、３５Ｂ、 第３の抵抗
３５Ｃ 第３の抵抗
３６Ｂ 第２のキャパシタ
３７Ｂ、３７Ｃ 第４の抵抗
３８Ｃ 第５の抵抗
４０Ｃ 第１のダイオード
４１Ｃ 第２のダイオード
５０ 高入力インピーダンス受信回路
５０Ａ、５０Ｃ レシーバ
５０Ｂ 差動レシーバ
１´ 低スキュー差動伝送用多心丸型複合ケーブル
２´ 導体
３´ 絶縁体
４´ 同軸信号線シールド（同軸ＧＮＤライン）
５´ 同軸信号線
６Ａ´ 信号対１
６Ｂ´ 信号対２
６Ｃ´ 信号対３
６Ｄ´ 信号対４
６Ｅ´ 信号対５
７´ 細径絶縁電源線の＋Ｖｃｃライン
８´ 介在
９Ａ´ 外周シールド１
９Ｂ´ 外周シールド２
１０´ シース

Claims (7)

1. 高速信号を出力する送信回路１０に接続された伝送線路２０と、前記伝送線路２０と前記高速信号を受信する高入力インピーダンスの受信回路５０との間にイコライザ３０を接続することを特徴とする反射特性利用による高速・長距離伝送システム。
2. 請求項１において、伝送線路２０とイコライザ３０との反射特性を利用して信号波形劣化を補償することを特徴とする請求項１に記載の反射特性利用による高速・長距離伝送システム。
3. 請求項１において、伝送線路２０は、信号線間のスキューが小さい構造とし、高速・長距離伝送を可能とすることを特徴とする請求項１に記載の反射特性利用による高速・長距離伝送システム。
4. 請求項１、２、３において、高周波領域においては、伝送線路の特性インピーダンスより受信回路の入力インピーダンスを大きくすることで高周波領域での反射特性を利用し高周波領域での信号波形劣化を補償し、低周波領域においては、伝送線路の特性インピーダンスと同等とすることで信号波形劣化を抑えることを特徴とする請求項１から３の内いずれか１項に記載のイコライザ。
5. 請求項１、２、３において、信号波形の劣化具合に応じて、最適な反射特性となる入力インピーダンスを選択することが可能になることを特徴とする請求項１から３の内いずれか１項に記載のイコライザ。
6. 請求項１、２、３において、低周波領域の減衰量の調整が可能であることを特徴とする請求項１から３の内いずれか１項に記載のイコライザ。
7. 請求項１、２、３において、反射特性の利用により波形歪を補償することでジッターを減らし、スキューマージンを改善することを特徴とする請求項１から３の内いずれか１項に記載のイコライザ。

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