专利名称：从数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备和方法
技术领域：
本发明涉及数字通信系统中从数据信号中提取时钟信号数据，例如光通信系统中的光数据信号。特别地，本发明涉及一种从数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备和方法。
背景技术：
串行通信系统需要从串行流中提取抽样时钟，其中时钟谐波并非信号自身中所固有的。通过被称为时钟和数据恢复(CDR)单元的非线性电路来执行该提取。该CDR负责通过观察信号的过渡并执行平均来跟踪信号中的低频相位改变。
图2示出了使用锁相环(PLL)从数据信号中恢复时钟信号和数据的典型时钟和数据恢复(CDR)电路200。所述CDR电路200包括相位检测器202，用于产生其持续时间与已恢复时钟信号和数据信号之间的相位误差成正比的上升或下降脉冲。将相位检测器202的输出与相位泵(充电泵)204相连。相位泵204通过环路滤波器206与电压控制振荡器(VCO)208相连，用于通过控制电压，将电压控制振荡器208充电为“上”或“下”。这允许对由电压控制振荡器208提供的控制信号的相位校正。将电压控制振荡器208的时钟信号反馈回相位检测器202的时钟输入，形成锁相环。还将时钟信号或已恢复时钟信号反馈回数据抽样器210，所述数据抽样器210以已恢复时钟信号的速率对数据信号进行抽样，并在其数据输出处提供已恢复数据。已恢复时钟信号是与从通信系统中的发射机中发射原始数据脉冲的速率同步产生的定时信号。优选地，数据抽样器210包括D型触发器，具有数据输入、时钟输入和数据输出。优选地，相位检测器也包括D型触发器。
例如，在光通信系统中，设计CDR，以便根据过渡的长时间平均来找到光信号的低电平和高电平之间的过渡的平均相位。图3示出了在通信系统的接收机处接收到的、且具有理想过渡特性和服从信号的理想交迭的未失真幅度的发射数据信号302、304的重叠示例。虚曲线302’、304’还示出了抖动306的效果，例如与信号的过渡行为有关的时钟或相位抖动。为了检测从高电平状态到低电平状态的信号过渡，或反之亦然，在由重叠信号形成的眼图的中间的判决电平处对该过渡进行抽样。图3的下半部分示出了检测到的经过了抖动的信号过渡的概率分布函数(PDF)308。从该分布中，容易获得已检测过渡的平均过渡值，以获得用于数据信号中所包含的数据的抽样的平均抽样点。
然而，在长距离光通信系统中，信号失真导致了对于CDR并非最佳的接收数据信号的眼图。例如，光信号的失真由传输光纤的光色散引起和由诸如激光器等发射机的导通/断开行为引起。
图4示出了失真光信号402、404的重叠示例。信号的下降和上升沿的交迭不再位于所述眼图的峰到峰幅度的中间，而是朝向光信号的零电平。在这样的情况下，利用眼图中间的判决电平的已检测过渡的概率分布函数408包括两个峰值。每一个峰值分别与下降沿的已抖动过渡和信号上升沿的已抖动过渡相关联。在406处示出了该抖动。容易看到，这里的平均过渡值的确定是不可行的。当然，过渡的分布引起了不工作区，其中CDR不再能够找到数据信号的平均过渡值。由于来自数据信号的数据抽样基于对平均过渡值的正确预测，因此不稳定的相位值将引起数据眼图的错误抽样，由此，导致了链路的误比特率的恶化。
通常，仅对信号的上升沿或下降沿的过渡进行平均将解决该问题。既然仅检测单一沿，概率分布函数不再具有不工作区且显示为与信号相同的分布，其中判决电平位于交迭处。然而，该方法遇到了提供给锁相环的相位误差信息量的减少的问题。如上所述，CDR必须跟踪低频偏移，并且其实现这一点的能力是可用相位误差信息量的函数。仅使用数据的一个沿，失去了一半对CDR可用的信息，从而导致了跟踪能力的恶化和接收机的误比特率的增加。
图5示出了上述问题的另一通常解决方案，其中将CDR的判决电平简单地调节到重叠数据信号502、504的交迭处。然而，该解决方案遭受到过渡幅度的信号噪声比的减小的问题，导致了对过渡的伪检测和对信号的伪跟踪。减小的信号噪声比(S/N)由以下事实引起由于信号的失真，信号的交迭位于接近于较强经受噪声的低信号电平处。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种用于从周期数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备和方法，能够精确确定数据信号的平均过渡值并且能够减小数据传输系统中的误比特率。
通过根据权利要求1所述的从周期数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备和根据权利要求11所述的从周期数据信号中提取时钟信号的方法来实现该目的。
本发明的基本思想是通过使用两个独立的锁相环对数据信号的上升和下降沿的概率分布函数单独进行平均(见图4)，同时使用在接收机处接收到的数据信号的两个沿。
本发明涉及一种从周期数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备，包括相位检测器，用于检测所述数据信号和上升沿时钟信号的上升沿之间的第一相位差，并且检测所述数据信号和下降沿时钟信号的下降沿之间的第二相位差；以及时钟发生器，用于产生所述上升沿时钟信号，从而使所述第一相位差最小，产生所述下降沿时钟信号，从而使所述第二相位差最小，并且根据所述第一相位差和第二相位差来产生所述时钟信号。
本发明还涉及一种从周期数据信号中提取时钟信号的方法，包括检测所述数据信号和上升沿时钟信号的上升沿之间的第一相位差，并且检测所述数据信号和下降沿时钟信号的下降沿之间的第二相位差；以及产生所述上升沿时钟信号，从而使所述第一相位差最小，产生所述下降沿时钟信号，从而使所述第二相位差最小，并且根据所述第一相位差和第二相位差来产生所述时钟信号。
在从属权利要求中可以找到对根据权利要求1所述的设备和根据权利要求11所述的方法的有效改进和提高。
根据本发明设备的优选改进，所述时钟发生器根据所述第一相位差和第二相位差的平均值来产生所述时钟信号。
根据该设备的另一改进，所述时钟发生器包括第一时钟发生器，用于产生所述上升沿时钟信号；第二时钟发生器，用于产生所述下降沿时钟信号；第三时钟发生器，用于产生所述时钟信号；以及控制器，用于处理所述第一相位差和所述第二相位差，并且控制所述第一、第二和第三时钟发生器。
根据该设备的另一改进，所述相位检测器包括第一相位检测器，用于检测所述数据信号和所述上升沿时钟信号的所述上升沿之间的所述第一相位差；以及第二相位检测器，用于检测所述数据信号和所述下降沿时钟信号的所述下降沿之间的所述第二相位差。
根据该设备的另一改进，所述第一、第二和第三时钟发生器中的每一个均包括电压控制振荡器。
根据该设备的另一改进，所述控制器包括相位泵和环路滤波器。
根据该设备的另一改进，所述设备用于数据提取设备中，用于根据所述时钟信号的速率从所述数据信号中提取数据。
根据该设备的另一改进，所述控制器控制所述时钟发生器产生所述时钟信号，从而使所提取出的数据的差错率最小。
根据该设备的另一改进，所述数据提取设备包括用于抽样所述数据信号的数据抽样器。
根据该设备的另一改进，所述数据抽样器包括D型触发器。
根据本发明方法的一个改进，所述产生步骤包括根据所述第一相位差和所述第二相位差的平均值来产生所述时钟信号。
根据该方法的另一改进，所述产生步骤还包括处理所述第一相位差和所述第二相位差；以及产生并控制所述上升沿时钟信号、所述下降沿时钟信号和所述时钟信号。
根据该方法的另一改进，所述方法还包括根据所述时钟信号的速率从所述数据信号中提取数据。
根据该方法的另一改进，所述产生步骤还包括产生所述时钟信号，从而使所述提取出的数据的差错率最小。
根据本发明的设备和方法的另一改进，所述数据信号是光数据信号。
在附图中示出了本发明的优选实施例，其中图1示出了根据本发明的设备的优选实施例；图2示出了典型时钟和数据恢复电路；图3示出了在通信系统中具有理想过渡特性的接收信号的重叠；图4示出了光通信系统中的失真接收信号的重叠；以及图5示出了使用信号交迭处的判决电平进行过渡检测的失真接收信号的重叠。
具体实施例方式
图1示出了根据所提取的时钟信号的速率从数据信号中提取数据的数据提取设备100。数据提取设备100包括时钟信号提取设备的优选实施例，所述时钟信号提取设备根据本发明，从周期数据信号中提取时钟信号。所述时钟信号提取设备使用来自接收数据信号的上升沿和下降沿的相位信息，以产生提供给独立时钟发生器或相位发生器的跟踪指示。
根据本发明的时钟信号提取设备包括接收机102，用于接收从通信系统的通信链路中接收到的数据信号。优选地，所述时钟信号是从光通信链路，例如从光通信系统的光纤接收到光基带数据信号。优选地，所述光通信系统是SONET(＝同步光网络)系统。
所述时钟信号提取设备还包括第一相位检测器104和第二相位检测器106，以其相应的输入与接收机02的输出相连；控制器108，以其相应的输入与第一相位检测器104和第二相位检测器106的相应输出相连；以及第一时钟发生器110、第二时钟发生器112和第三时钟发生器114，以其相应的输入与控制器108的相应输出相连。第一时钟发生器110包括与形成第一环路的第一相位检测器104的另一输入相连的输出。第二时钟发生器112包括与形成第二环路的第二相位检测器106的另一输入相连的输出。
第一相位检测器104检测数据信号和由第一时钟发生器110所产生的上升沿时钟信号的上升沿过渡或上升沿检测点之间的第一相位差。第二相位检测器106检测数据信号和由第二时钟发生器112所产生的下降沿时钟信号的下降沿过渡或下降沿检测点之间的第二相位差。优选地，第一、第二和第三时钟发生器110、112和114包括电压控制振荡器(VCO)。
控制器108处理由第一相位检测器104提供的第一相位差和由第二相位检测器106提供的第二相位差，并且控制第一时钟发生器110和第二时钟发生器112，从而使第一和第二相位差最小。另外，控制器108控制第三时钟发生器114，用于根据第一和第二相位差来产生所提取的时钟信号。优选地，控制器根据第一相位差和第二相位差的平均值来控制第三时钟发生器。优选地，控制器108包括与第一、第二和第三时钟发生器110、112和114的每一个关联的相位泵和环路滤波器。
除了时钟信号提取设备之外，数据提取设备100包括数据抽样器116，与接收器102的输出、用于接收所提取出的时钟信号的第三时钟发生器114的输出、以及控制器108的另一输入相连。优选地，数据抽样器116包括由所提取的时钟信号控制的D型触发器，用于对数据信号进行抽样并相应地提取数据。
在本发明的另一实施例中，控制器108还根据由数据抽样器116提供给控制器108的相位差来控制第三时钟发生器。在本发明的另一实施例中，控制器108控制第三时钟发生器114，从而使所提取数据的差错率最小。
在根据本发明的方法中，从周期数据信号中提取时钟信号。在该方法的第一步骤中，检测数据信号和上升沿时钟信号的上升沿之间的第一相位差，并且检测数据信号和下降时钟信号的下降沿之间的第二相位差。在该方法的第二步骤中，产生上升沿时钟信号，从而使第一相位差最小，并且产生下降沿时钟信号，从而使第二相位差最小，并且根据第一相位差和第二相位差来产生时钟信号。优选地，根据第一相位差和第二相位差之间的平均值来产生时钟信号。在本发明的另外的步骤中，根据所提取出的时钟信号的速率，从数据信号中提取数据。优选地，产生时钟信号，从而使所提取出的数据的差错率最小。优选地，在数字信号处理器(DSP)中实现本发明的方法。
本发明的一个优点在于通过单独地找到数据信号的平均过渡值，不再存在任何不工作区。数据信号的上升和下降沿的单独平均过渡值可以用来定义接收数据眼图的理想抽样点，从而使数据抽样具有最低可能的差错率。
参考符号列表图1100数据提取设备102接收机104第一相位检测器106第二相位检测器108控制器110第一时钟发生器112第二时钟发生器114第三时钟发生器116数据抽样器图2200时钟和数据恢复电路202相位检测器204相位泵206环路滤波器208电压控制振荡器210数据抽样器
权利要求
1.一种从周期数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备，包括-相位检测器(104，106)，用于检测所述数据信号和上升沿时钟信号的上升沿之间的第一相位差，并且检测所述数据信号和下降沿时钟信号的下降沿之间的第二相位差；以及-时钟发生器(110，112)，用于产生所述上升沿时钟信号，从而使所述第一相位差最小，产生所述下降沿时钟信号，从而使所述第二相位差最小，并且根据所述第一相位差和第二相位差来产生所述时钟信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述时钟发生器(104，106)根据所述第一相位差和第二相位差的平均值来产生所述时钟信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述时钟发生器包括-第一时钟发生器(110)，用于产生所述上升沿时钟信号；-第二时钟发生器(112)，用于产生所述下降沿时钟信号；-第三时钟发生器(114)，用于产生所述时钟信号；以及-控制器(108)，用于处理所述第一相位差和所述第二相位差，并且控制所述第一、第二和第三时钟发生器(110，112，114)。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于所述相位检测器包括-第一相位检测器(104)，用于检测所述数据信号和所述上升沿时钟信号的所述上升沿之间的所述第一相位差；以及-第二相位检测器(106)，用于检测所述数据信号和所述下降沿时钟信号的所述下降沿之间的所述第二相位差。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于所述第一、第二和第三时钟发生器(110，112，114)中的每一个均包括电压控制振荡器。
6.根据权利要求3、4或5所述的设备，其特征在于所述控制器(108)包括相位泵和环路滤波器。
7.根据前述权利要求任一个所述的设备，其特征在于所述设备用于数据提取设备(100)中，用于根据所述时钟信号的速率从所述数据信号中提取数据。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述控制器(108)控制所述时钟发生器(110，112，114)产生所述时钟信号，从而使所提取出的数据的差错率最小。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于所述数据提取设备(100)包括用于抽样所述数据信号的数据抽样器(116)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述数据抽样器(116)包括D型触发器。
11.一种从周期数据信号中提取时钟信号的方法，包括-检测所述数据信号和上升沿时钟信号的上升沿之间的第一相位差，并且检测所述数据信号和下降沿时钟信号的下降沿之间的第二相位差；以及-产生所述上升沿时钟信号，从而使所述第一相位差最小，产生所述下降沿时钟信号，从而使所述第二相位差最小，并且根据所述第一相位差和第二相位差来产生所述时钟信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述产生步骤包括根据所述第一相位差和所述第二相位差的平均值来产生所述时钟信号。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于所述产生步骤还包括-处理所述第一相位差和所述第二相位差；以及-产生并控制所述上升沿时钟信号、所述下降沿时钟信号和所述时钟信号。
14.根据权利要求11到13所述的方法，其特征在于所述方法还包括-根据所述时钟信号的速率从所述数据信号中提取数据。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述产生步骤还包括产生所述时钟信号，从而使所述提取出的数据的差错率最小。
16.根据前述权利要求任一个所述的设备或方法，其特征在于所述数据信号是光数据信号。
全文摘要
本发明提出了一种从周期数据信号中提取时钟信号的时钟信号提取设备，包括相位检测器(104，106)，用于检测所述数据信号和上升沿时钟信号的上升沿之间的第一相位差，并且检测所述数据信号和下降沿时钟信号的下降沿之间的第二相位差；以及时钟发生器(110，112)，用于产生所述上升沿时钟信号，从而使所述第一相位差最小，产生所述下降沿时钟信号，从而使所述第二相位差最小，并且根据所述第一相位差和第二相位差来产生所述时钟信号。本发明还提出了一种从周期数据信号中提取时钟信号的方法。
文档编号H03L7/07GK1685656SQ02829734
公开日2005年10月19日 申请日期2002年10月10日 优先权日2002年10月10日
发明者安东尼·桑德斯, 爱德华多·普雷特 申请人:印芬龙科技股份有限公司