TWI582566B - 通訊裝置的控制電路及控制方法 - Google Patents

Description

通訊裝置的控制電路及控制方法

本發明是關於通訊裝置，尤其是關於通訊裝置之資料接收端的控制電路與控制方法。

多數通訊裝置對時脈的精準度有一定程度的要求，以確保能夠正確地從資料訊號中取得資料。以通用序列匯流排（universal serial bus, 以下簡稱USB）為例，工作時脈的頻率的精準度必須在+/-500ppm以內。另一方面，因應電子產品日益輕薄短小的趨勢，許多通訊裝置捨棄占用體積的晶體振盪器（crystal oscillator）而以晶片內的振盪電路取代，然而振盪電路無法產生精準的時脈，這對需要精準時脈的通訊裝置而言是一大考驗。因此有必要提出應用於無晶體振盪器的通訊裝置的控制電路與控制方法，在縮小通訊裝置的體積之餘仍確保通訊裝置穩定運作。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種通訊裝置的控制電路及控制方法，以產生高精準度的時脈。

本發明揭露一種通訊裝置的控制電路，包含：一週期性封包偵測單元，用來偵測一資料訊號的一週期性封包，以產生對應該週期性封包的一封包指示訊號；一頻率合成電路，耦接該週期性封包偵測單元，用來依據一參考時脈產生一工作時脈；以及一設定值產生電路，耦接該週期性封包偵測單元及該頻率合成電路，用來依據該工作時脈及該封包指示訊號的頻率關係產生一設定值；其中，該頻率合成電路更依據該設定值調整該工作時脈，以使該工作時脈的頻率實質上為該封包指示訊號的頻率的一預設倍數。

本發明另揭露一種通訊裝置的控制方法，包含：偵測一資料訊號的一週期性封包，以產生指示該週期性封包的一封包指示訊號；依據一參考時脈產生一工作時脈；以及依據該工作時脈及該封包指示訊號的頻率關係調整該工作時脈，以使該工作時脈的頻率實質上為該封包指示訊號的頻率的一預設倍數。

本發明之通訊裝置的控制電路及控制方法能夠依據傳送端所傳送之一預設封包的週期，在本地端產生高精準度的時脈。相較於傳統技術，本發明之控制電路及控制方法不需要晶體振盪器亦能產生準確的時脈。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

本發明之揭露內容包含通訊裝置的控制電路及控制方法，能夠產生高精準度的時脈。在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者能夠依本說明書之揭露內容來選擇等效之元件或步驟來實現本發明，亦即本發明之實施並不限於後敘之實施例。

在一些通訊系統中，傳送於發送端與接收端之間的資料訊號載有週期性的封包，該些封包可以被用來作為頻率參考的依據。圖1係本發明之通訊裝置的控制電路之其中一實施例的功能方塊圖。控制電路100包含週期性封包偵測單元110、非晶體振盪器120、初始值決定電路130、頻率合成電路140、設定值產生電路150以及頻率偏移偵測電路160。以下配合圖2之本發明之通訊裝置的控制方法的流程圖，來說明本發明如何不使用晶體振盪器而得到精準的工作時脈。

首先非晶體振盪器120（例如環形振盪器（ring oscillator）、LC振盪器等，但不以此為限）自行振盪產生參考時脈（步驟S205），頻率合成電路140再利用非晶體振盪器120所產生的參考時脈來產生控制電路100所需的工作時脈。產生工作時脈之前，頻率合成電路140先依據初始值決定電路130所產生的候選值及參考時脈來產生候選時脈（步驟S210），週期性封包偵測單元110利用候選時脈偵測資料訊號Data的週期性封包，以產生指示該週期性封包的封包指示訊號（步驟S220）。頻率合成電路140可以由常見的鎖相迴路（phase locked loop, PLL）加上一除頻電路實作。此除頻電路依據輸入值（即此處的候選值）來產生除數，頻率合成電路140之輸出時脈（即候選時脈或工作時脈）的頻率趨近於參考時脈的頻率與該除數的乘積。

通訊系統對週期性封包的封包格式或內容有詳細的定義，因此週期性封包偵測單元110可以依據控制電路100所應用的通訊系統，將資料訊號Data與特定的封包格式或內容做比對，以找出週期性封包。當找到週期性封包時，週期性封包偵測單元110發出一個脈衝來指示已收到一個週期性封包。因為週期性封包在資料訊號Data中週期性地出現，所以封包指示訊號會是一個週期性的脈衝訊號，其頻率等於週期性封包的出現頻率。

圖3係初始值決定電路130之一實施例的功能方塊圖。候選值產生電路310儲存複數個候選值，例如10個，候選值產生電路310依序將這10個候選值，一方面輸出至判斷電路320，另一方面透過多工器330輸出至頻率合成電路140。在10個候選值輸出完畢之前，候選值產生電路310控制多工器330選取候選值輸出（此時選擇訊號為0）。頻率合成電路140依據參考時脈及候選值產生前述的候選時脈，週期性封包偵測單元110再根據候選時脈產生封包指示訊號。判斷電路320依據封包指示訊號判斷目前所產生的候選時脈是否能夠偵測到週期性封包（如果偵測到週期性封包，則封包指示訊號有脈衝產生，反之則否），如果能夠偵測到，則判斷電路320記下該候選值。候選值產生電路310持續輸出候選值以及週期性封包偵測單元110持續依據對應該候選值的候選時脈偵測週期性封包（重覆步驟S210~S230），直到所有的候選值輸出完畢（步驟S230判斷為是）。所有的候選值輸出完畢時（此時選擇訊號為1），判斷電路320從剛才記下的候選值中決定一初始值，也就是說該初始值實際上是判斷電路320依據封包指示訊號所決定，此時候選值產生電路310的選擇訊號控制多工器330選取初始值作為初始值決定電路130的輸出（亦即頻率合成電路140之除頻電路的輸入值）（步驟S240），頻率合成電路140再依據此初始值及參考時脈產生工作時脈（步驟S250）。因為此時的工作時脈已能偵測到資料訊號Data中的週期性封包，表示至步驟S250結束時，控制電路100已得到一個初步的可用於取樣資料訊號Data的工作時脈，但是此時的工作時脈的精準度可能還未達到最佳狀態，所以還必須對該工作時脈進行微調。

請注意，在一個實施例中，上述的判斷電路320可以依據封包指示訊號從複數個能夠偵測到週期性封包的候選值中選取其中之一以作為該初始值。承上例，假設上述10個候選值依序對應頻率逐漸增大的候選時脈，且依據第5、6、7個候選值所對應的候選時脈皆可偵測到週期性封包，則判斷電路320以該三個候選值的中間值（即第6個候選值）作為該初始值，以得到較佳的初始的工作時脈。

當工作時脈產生之後，設定值產生電路150依據封包指示訊號及工作時脈產生設定值，頻率合成電路140再依據該設定值調整工作時脈（步驟S260~S280）。圖4係設定值產生電路150之一實施例的功能方塊圖。設定值產生電路150包含計數器410及決策電路420。計數器410依據控制訊號動作，當控制訊號使計數器410致能（enabled）時，計數器410才開始計數。一開始計數器410預設為致能狀態。計數器410並依據工作時脈及封包指示訊號產生計數值（步驟S260），更詳細地說，計數器410依據工作時脈的上升緣（或下降緣）增加計數值，並且依據封包指示訊號的脈衝將計數值歸零。因此該計數值即代表封包指示訊號與工作時脈之週期的比值。由於封包指示訊號的頻率相對準確，所以當決策電路420將計數值與一預設值做比較，即可得知工作時脈的頻率是否接近理想頻率（與該預設值相關），並產生據以調整工作時脈的設定值（步驟S270）。更詳細地說，此預設值即是工作時脈之理想頻率與封包指示訊號之頻率的比值（等同封包指示訊號之週期與工作時脈之理想週期的比值）。當計數器410產生計數器後即進入非致能（disabled）狀態，之後再依據控制訊號切換其致能/非致能狀態。當計數值小於預設值時，表示工作時脈的頻率低於理想頻率，此時決策電路420增加設定值，以使頻率合成電路140產生頻率更高的工作時脈；相反地，當計數值大於預設值時，表示工作時脈的頻率高於理想頻率，此時決策電路420減小設定值，以使頻率合成電路140產生頻率較低的工作時脈（步驟S280）。

步驟S260~S280可視為工作時脈的微調步驟。因為封包指示訊號有一定的精準度，而且工作時脈係根據封包指示訊號做微調，所以調整後的工作時脈具有與封包指示訊號同樣等級的精準度，微調後的工作時脈便可用來取樣資料訊號Data。然而實際操作時，控制電路100於長時間工作後，可能因為環境溫度發生變化而導致工作時脈的頻率產生偏移。因此，控制電路100更包含用來偵測工作時脈是否偏移的頻率偏移偵測電路160。頻率偏移偵測電路160藉由以工作時脈對資料訊號Data過取樣來得到工作時脈的頻率偏移值（步驟S290），並且將頻率偏移值與一門檻值做比較（步驟S295），以決定是否控制設定值產生電路150更新設定值。更詳細地說，如圖5所示，頻率偏移偵測電路160包含過取樣電路510及判斷電路520。過取樣電路510依據多個不同的相位延遲工作時脈以產生多個取樣時脈，並以該些取樣時脈取樣資料訊號Data以得到複數個取樣值。判斷電路520根據連續相同取樣值的個數，即可得知工作時脈的頻率偏移程度。

舉例來說，如圖6所示，假設頻率偏移偵測電路160依據工作時脈產生10個取樣時脈（相鄰的取樣時脈的相位差為 ），則在理想的情況下（工作時脈沒有頻率偏移，如工作時脈1所示），資料訊號Data的同一筆資料應該會對應連續9筆相同的取樣結果。然而如果工作時脈的頻率變高（如工作時脈3所示），則資料訊號Data的同一筆資料會對應大於9筆的連續相同的取樣結果（例如圖6中的工作時脈3取樣同一筆資料得到10筆相同的取樣結果）；相反的，如果工作時脈的頻率變低（如工作時脈2所示），則資料訊號Data的同一筆資料會對應小於9筆的連續相同的取樣結果（例如圖6中的工作時脈2取樣同一筆資料得到8筆相同的取樣結果）。根據此原理，判斷電路520可以依據取樣結果得到工作時脈的頻率偏移程度，10筆及8筆連續相同的取樣結果分別代表工作時脈的頻率約略偏移11%及-11%，11筆及7筆連續相同的取樣結果分別代表工作時脈的頻率約略偏移22%及-22%，以此類推。判斷電路520再依據頻率偏移值（即上述的百分比，或等效於連續相同的取樣結果的筆數）是否超過門檻值來決定是否以控制訊號控制設定值產生電路150更新設定值（即控制計數器410致能以重新計數）。例如門檻值設定為10%，當頻率偏移值的絕對值大於等於10%時，則判斷電路520以控制訊號控制計數器410致能，以使設定值產生電路150重新依據工作時脈及封包指示訊號產生計數值，並依據計數值更新設定值，頻率合成電路140再依據新的設定值調整工作時脈（步驟S260~S280）。頻率偏移偵測電路160可以例如由時脈資料回復（clock data recovery, CDR）過取樣電路實作，但不以此為限。

請注意，當設定值產生電路150根據封包指示訊號及工作時脈產生設定值時（步驟S260、S270），頻率偏移偵測電路160暫不偵測工作時脈的頻率偏移（步驟S290）；相對的，當頻率偏移偵測電路160偵測工作時脈的頻率偏移時（步驟S290），設定值產生電路150暫不產生設定值（步驟S260、S270）。

在USB 2.0的規格中，USB的主機（Host）端會在資料訊號Data之間傳遞訊框起始（Start of Frame, SOF）封包，而且根據USB 2.0的規範，該封包的出現頻率的精準度有+/-500ppm的限制。當上述的控制電路100應用於USB裝置時，週期性封包偵測單元110係偵測資料訊號Data中的訊框起始封包。訊框起始封包存在於每個訊框的起始點，其週期為125 ，而工作時脈的理想週期為2.083ns（對應USB 2.0的操作頻率480MHz），所以前述的預設值約為125000/2.083=60010。當計數值小於60010時，設定值產生電路150便增加設定值（即頻率合成電路140之除頻電路的輸入值），使頻率合成電路140的除頻電路增大除數，以提高工作時脈的頻率；相反的，當計數值小於60010時，設定值產生電路150便減少設定值，使頻率合成電路140的除頻電路減低除數，以降低工作時脈的頻率。因為兩個連續的訊框起始封包之間包含複數資料，亦即在USB的資料訊號Data中資料的頻率高於訊框起始封包的頻率，因此藉由頻率偏移偵測電路160對資料過取樣可以更及時地偵測工作時脈是否偏移，當頻率偏移偵測電路160一發現偏移，即立刻通知設定值產生電路150依據接下來的訊框起始封包計數並更新設定值。

由於本技術領域具有通常知識者可藉由圖1、圖3及圖4之裝置發明的揭露內容來瞭解圖2之方法發明的實施細節與變化，因此雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧控制電路

110‧‧‧週期性封包偵測單元

120‧‧‧非晶體振盪器

130‧‧‧初始值決定電路

140‧‧‧頻率合成電路

150‧‧‧設定值產生電路

160‧‧‧頻率偏移偵測電路

310‧‧‧候選值產生電路

320、520‧‧‧判斷電路

330‧‧‧多工器

410‧‧‧計數器

420‧‧‧決策電路

510‧‧‧過取樣電路

S205～S295‧‧‧步驟

［圖1］為本發明之通訊裝置的控制電路之其中一實施例的功能方塊圖； ［圖2］為本發明之通訊裝置的控制方法的流程圖； ［圖3］為初始值決定電路130之一實施例的功能方塊圖； ［圖4］為設定值產生電路150之一實施例的功能方塊圖； ［圖5］為頻率偏移偵測電路160之一實施例的功能方塊圖；以及 ［圖6］為以不同頻率的工作時脈過取樣資料訊號的示意圖。

100‧‧‧控制電路

110‧‧‧週期性封包偵測單元

120‧‧‧非晶體振盪器

130‧‧‧初始值決定電路

140‧‧‧頻率合成電路

150‧‧‧設定值產生電路

160‧‧‧頻率偏移偵測電路

Claims (16)

1. 一種通訊裝置的控制電路，包含：一週期性封包偵測單元，用來偵測一資料訊號的一週期性封包，以產生對應該週期性封包的一封包指示訊號；一頻率合成電路，耦接該週期性封包偵測單元，用來依據一參考時脈產生一工作時脈；以及一設定值產生電路，耦接該週期性封包偵測單元及該頻率合成電路，用來依據該工作時脈及該封包指示訊號的頻率關係產生一設定值；其中，該頻率合成電路更依據該設定值調整該工作時脈，以使該工作時脈的頻率實質上為該封包指示訊號的頻率的一預設倍數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中該封包指示訊號的頻率為該週期性封包於該資料訊號中的出現頻率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中該設定值產生電路包含：一計數器，耦接該週期性封包偵測單元及該頻率合成電路，用來依據該封包指示訊號及該工作時脈產生一計數值；以及一決策電路，耦接該計數器，用來依據該計數值及該預設倍數產生該設定值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，更包含： 一候選值產生電路，用來選取複數候選值的其中之一；其中，該頻率合成電路可依據該候選值產生一候選時脈，並且該週期性封包偵測單元係利用該候選時脈偵測該週期性封包。
5. 如申請專利範圍第4項所述之控制電路，更包含：一判斷電路，耦接該週期性封包偵測單元及該候選值產生電路，用來依據該封包指示訊號從該些候選值中決定一初始值；其中，該頻率合成電路可依據該初始值及該參考時脈產生該工作時脈。
6. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，更包含：一頻率偏移偵測電路，耦接該設定值產生電路，用來偵測該工作時脈的頻率偏移程度，以決定是否指示該設定值產生電路更新該設定值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之控制電路，其中當該頻率偏移偵測電路偵測該工作時脈的頻率偏移程度時，該設定值產生電路暫停產生該設定值，以及當該設定值產生電路產生該設定值時，該頻率偏移偵測電路暫停偵測該工作時脈的頻率偏移程度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之控制電路，其中該控制電路係用於一USB裝置，該週期性封包偵測單元係偵測該資料訊號之一訊框起始(Start of Frame,SOF)封包，以產生該封包指示訊號。
9. 一種通訊裝置的控制方法，包含：偵測一資料訊號的一週期性封包，以產生指示該週期性封包的一封包指示訊號； 依據一參考時脈產生一工作時脈；以及依據該工作時脈及該封包指示訊號的頻率關係調整該工作時脈，以使該工作時脈的頻率實質上為該封包指示訊號的頻率的一預設倍數。
10. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中該封包指示訊號的頻率為該週期性封包於該資料訊號中的出現頻率。
11. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中該依據該工作時脈及該封包指示訊號的頻率關係調整該工作時脈之步驟包含：依據該封包指示訊號及該工作時脈產生一計數值；依據該計數值及該預設倍數產生一設定值；以及依據該設定值調整該工作時脈。
12. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，更包含：選取複數候選值的其中之一，並依據該選取的候選值及該參考時脈產生一候選時脈；其中，該偵測該資料訊號的該週期性封包之步驟係依據該候選時脈完成。
13. 如申請專利範圍第12項所述之控制方法，更包含：依據該封包指示訊號從該些候選值中決定一初始值；其中該工作時脈係依據該參考時脈及該初始值產生。
14. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，更包含：偵測該工作時脈的頻率偏移程度，以決定是否再次調整該工作時脈。
15. 如申請專利範圍第14項所述之控制方法，更包含：當偵測該工作時脈的頻率偏移程度時，暫停產生該設定值；以及當產生該設定值時，暫停偵測該工作時脈的頻率偏移程度。
16. 如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中該控制方法係用於一USB裝置，該偵測該資料訊號的該週期性封包之步驟係偵測該資料訊號之一訊框起始(Start of Frame,SOF)封包。