一种自适应均衡电路及方法

专利名称：一种自适应均衡电路及方法
技术领域：
本发明涉及一种均衡器，具体地说，涉及一种自适应均衡电路及 方法。
背景技术：
当通过线缆或者PCB走线进行高速串行数据传输时，因为数据传 送的信道特征与低通滤波器相似，所以，当信号通过信道传输时，信 号的不同频率成分就会有不同程度的能量衰减和相位失真。这样，接 收端接接收到的信号将会被破坏，这就是众所周知的码间干扰(ISI )。 均衡器被用来消除或减小码间干扰(ISI)的影响。从而保证了数据 传输的可靠性。
自适应均衡器的频率响应特征与线缆对信号的频率响应特征相 反，它可以补偿高速串行信号在线缆等其他信道传输时产生的频率相 关的能量衰减。信道加上自适应均衡器后，对频率总的响应在我们所 感兴趣的带宽内是一样的。所以自适应均衡器可以将接收到的数据重 新恢复。自适应均衡器可以分为连续时间自适应均衡器和离散时间自 适应均衡器。工作频率为高频(Gbps以上)时，连续时间自适应均衡 器较离散时间自适应均衡器有更大的优势。
到目前为止，已经有很多关于连续时间的自适应均衡器(以下简 称自适应均衡器)的研究成果。J. N. Babanezhad在"A 3.3-V Analog Adaptive Line-Equalizer for Fast Ethernet Data Connection," IEEE CICC: pp. 343-346， 1998中， G. P. Hartman等在"Continuous-Time Adaptive-Analog Coaxial Cable Equalizer in 0.5 .mu.m CMOS," IEEE ISCAS， pp. 97-100, 1999中，描述了 一种传统的自适应均衡器，其实现 的方法如图l。如图l中，接收到的信号首先通过一个均衡滤波器101, 这个均衡滤波器具有两个信号通道单位增益通道102和高频增益提 高通道103。通道102和103的输出通过加法器104相加作为均衡滤波器 101的输出。均衡滤波器101的输出作为调整比较器107的输入。调整 比较器107的最大摆幅被限定在一个预先确定的值内。为了确定均衡 滤波器101的高频增益提高通道103的增益， 一个高频增益调节环路被 用来调节通道103的高频增益，这个高频增益调节环路描述如下均 衡滤波器101输出的一个支路通过高通滤波器105，高通滤波器105的 输出作为整流器106的输入。调整比较器107的输出通过高通滤波器 108,高通滤波器108的输出作为整流器109的输入，整流器106和109的输出作为误差放大器110的输入。这样，调整比较器107的输入和输 出信号经过高通滤波和整流，其高频部分的能量被分别抽取出来。之
后，调整比较器107的输入和输出信号高频部分能量的差异经过误差 放大器110放大输出，IIO的输出经过电容C的积分，电容c上的电压 作为高频增益提高通道103的增益调节信号，这个调节信号确定了高 频增益提高通道103的增益。当调整比较器107的输入和输出信号的斜 率相等时，积分电容C上的电压维持在一个稳定的数值上，高频增益 提高通道103的增益确定，整个高频增益调节环路工作在稳定状态。 图1中的高频增益提高通道103补偿了信道的高频衰减。所以，在
理想情况下，最终得到的信号在其整个频谱上的损耗都是相等的。但 是，这个结论是建立在单位增益通道102的增益为1的基础上的。在实 际的电路中，单位增益通道102往往要在工作带宽和保持增益为1之间 进行折衷。所以单位增益通道l往往会偏离假设的理想值l，从而使高 频增益的自适应调节精度降低。
为了解决这个问题，Choi， Jong-Sang (Seoul, KR)在美国专利 6819166"Continuous-time,low-frequency-gain/high-frequency-boosting joint adaptation equalizer and method"中，提出，一种较新的自适应调 节方法，其方法如图2。新方法在传统的自适应均衡器基础上，增加 了低频增益调节环路。低频增益调节环路的工作原理和高频增益调节 环路类似。
如图2，自适应均衡器的高频增益调节环路由增益可调的高通滤 波器203、调整比较器209、高通滤波器207和212、整流器208和213、 误差放大器215组成，环路的工作原理与图l中的高频增益调节环路相 同；自适应均衡器的低频增益调节环路由增益可调低通滤波器202、 调整比较器209、低通滤波器205和210、整流器206和211、误差放大 器214组成。调整比较器209的输入和输出信号经过低通通滤波和整 流，其低频部分的能量被分别抽取出来。之后，调整比较器209的输 入和输出信号低频部分能量的差异经过误差放大器214放大输出，214 的输出经过电容C1的积分，电容C1上的电压作为低频增益可调通道 202的增益调节信号，这个调节信号确定了低频增益可调通道202的增 益。当调整比较器209的输入和输出信号的低频能量相等时，积分电 容C1上的电压维持在一个稳定的数值上，低频增益可调通道202的增 益确定，整个低频增益调节环路工作在稳定状态。
图2实现自适应均衡器的方法也具有其自身的缺点高频增益调 节环路和低频增益调节环路是相互独立的。这个缺点会导致通过自适 应均衡器数据的抖动增大。Jri Lee在"A 20-Gb/s Adaptive Equalizer in 0.13卞m CMOS Technolog"， IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 41, NO. 9, pp. 2058-2066, SEPTEMBER 2006中，描
7述了另一种较新的自适应调节方法，其方法如图3。如图3，输入信号
通过均衡滤波器301, 301对该信号的高频成分和低频成分的增益进行 调节。301的输出分为三路， 一路通过输出缓冲307后作为自适应均衡 器的输出，另外两路分别作为低通滤波器305和高通滤波器306的输 入。经过整流器308后，信号的高频和低频部分的平均能量被提取出 来。信号的高频和低频部分的平均能量的差异通过电压转电流电路 309可以对电容C充电或者放电。这样，通过控制电容C的电压，可以 调节低通滤波器302增益和高通滤波器303的增益。
图3中，自适应均衡器的高低频增益调节环路的工作原理如下 对于数据率一定的随机信号，其频谱能量的分布比例是一定的。所以 我们可以根据信号的数据传输速率来确定一个频率fm (图3中为高通 滤波器306和低通滤波器305的截止频率与fm相等)，在以fm作为低频
部分和高频部分的分界点时，信号低频和高频部分频谱的能量相等。 所以当图3中均衡滤波器301输出信号的低频和高频部分相等时，电容 C上的电压值随之确定，电路工作在稳定状态。
但是，高低频增益调节是通过同一个控制信号来完成的，这导致 信号低频和高频部分频谱的能量很难达到精确的相等。另外，因为高 低频增益调节是通过同 一个控制信号来完成的，如果自适应均衡器接 收到的信号的数据传输速率是可变的，则分界频率fm也会发生变化。 但是高通滤波器306和低通滤波器305的截止频率无法随着数据传输 速率的变化而变化。所以当信号的数据传输速率发生变化时，图3的 自适应均衡器的自适应调节精度变差，甚至电路会没法稳定工作。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够更好、更稳定工作并具有更高的自 适应调节精度的自适应均衡电路。本发明的另 一个目的是提供一种自 适应均衡方法
为了实现本发明目的，本发明的技术方案是
一种自适应均衡电路，包括增益可调的低通滤波单元，通过低 频增益调节环路调节其增益来控制输入信号的低频成分；
增益可调的高通滤波单元，通过高频增益调节环路调节其增益来 控制输入信号的高频成分；
第一低频增益调节环路，通过均衡信号的低频成分抽取比较电路 来控制增益可调的低通滤波单元的增益；
第一高频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路 和比较电路，来控制增益可调的高通滤波单元的增益；
至少有一个信号混合电路单元将增益可调的低通滤波单元和增 益可调的高通滤波单元输出信号融合为一个信号输出。所述的自适应均衡电路，还包括第二低频增益调节环路，通过 均衡信号的高、低频成分抽取电路和比较电路，来控制增益可调的低 通滤波单元的增益；
一个选择控制电路，这个电路控制第一低频增益调节环路和第二
低频增益调节环路之间的切换；
所述第二低频增益调节环路和第一高频增益调节环路相互协调 工作。
所述的均衡信号的低频成分抽取比较电路，在调整比较器的输入 输出端分别通过低频抽取电路抽取低频成分并进行比较。
一种自适应均衡电路，包括
增益可调的低通滤波单元，通过低频增益调节环路调节其增益来
控制输入信号的低频成分；
增益可调的高通滤波单元，通过高频增益调节环路调节其增益来 控制输入信号的高频成分；
第一低频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路 和比较电路，来控制增益可调的低通滤波单元的增益；
第一高频增益调节环路，通过均衡信号的高频成分抽取比较电路 电路来控制增益可调的高通滤波单元的增益；
至少有一个信号混合电路单元将增益可调的低通滤波单元和增 益可调的高通滤波单元输出信号融合为一个信号输出。
所述的自适应均衡电路，还包括
第二高频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路 和比较电路，来控制增益可调的高通滤波单元的增益；
一个选择控制电路，这个电路控制第一高频增益调节环路和第二 高频增益调节环路之间的切换；
所述第二高频增益调节环路和第一低频增益调节环路相互协调 工作。
所述的均衡信号的高频成分抽取比较电路为在调整比较器的输 入输出端分别抽取高频成分并通过比较器进行比较的电路。
所述均衡信号的高、低频成分抽取电路和比较电路为通过高频成 分抽取电路或者低频成分抽取电路将均衡信号的高频成分和低频成 分中的频率成分抽取出来，并通过比较器比较均衡信号的高频成分和 低频成分的能量的电路。
所述均衡信号的高频成分抽取电路为高通滤波器和整流器的依 次串联；所述均衡信号的低频成分抽取电路为低通滤波器和整流器的 依次串联。
一种自适应均衡电路实现的自适应均衡方法，包括以下步骤
Sl:至少具备两个增益调节环路，其中通过第一低频增益调节环路控制增益可调的低通滤波单元的增益，来控制输入信号低频成分的增益大小，通过第一高频增益调节环路控制增益可调的高通滤波单元的增益，来控制输入信号高频成分的增益大小；
S2:第一低频增益调节环路通过自身的电路达到稳定的工作状态，第一高频增益调节环路最终的工作状态依赖于第一低频增益调节环路电路的工作状态，当第一低频增益调节环路稳定工作之后，第一高频增益调节环路才能达到稳定的工作状态，这时第一低频增益环路
和第一高频增益环路都达到稳定工作状态；
S3:然后通过低通滤波单元和高通滤波单元的信号混合电路单元输出均衡后的信号。
在步骤S2之后，还包括步骤S21:在第一低频增益调节环路和第一高频增益调节环路稳定工作一段时间后，选择控制电路切换到第二低频增益调节环路，第一低频增益调节环路停止工作，通过比较低频成分和高频成分的差异，第二低频增益调节环路与第一高频增益调节环路开始相互协调工作，当低频成分和高频成分的能量的比例达到一个固定的预设值时，第二低频增益调节环路与第一高频增益调节环路才能都处于稳定的工作状态。
所述步骤S2进一步地包括第一低频增益调节环路独立的工作，将接收到的输入信号的低频成分的增益进行调节，并最终得到稳定的低频增益；第一低频增益稳定后，根据均衡信号稳定的低频成分能量的大小，通过比较均衡信号的低频成分和高频成分的能量的差异，第一高频增益调节环路将输入信号的高频增益调节到某个稳定的值。这时，均衡信号的低频成分和高频成分的能量的比例是一个固定的预设值。
一种自适应均衡电路实现的自适应均衡方法，包括以下步骤
Sl:至少具备两个增益调节环路，其中通过第一低频增益调节环路控制增益可调的低通滤波单元的增益，来控制输入信号低频成分的增益大小，通过第一高频增益调节环路控制增益可调的高通滤波单元的增益，来控制输入信号高频成分的增益大小；
S2:第一高频增益调节环路通过自身的电路达到稳定的工作状态，第一低频增益调节环路最终的工作状态依赖于第一高频增益调节环路的工作状态，当第一高频增益调节环路稳定工作之后，第一低频增益调节环路才能达到稳定的工作状态，这时第一低频增益环路和第一高频增益环路都达到稳定工作状态；
S3:然后通过低通滤波单元和高通滤波单元的信号混合电路单元输出均衡后的信号。
在步骤S2之后，还包括步骤S21:在第一低频增益调节环路和第一高频增益调节环路稳定工作一段时间后，通过选择控制电路切换到第二高频增益调节环路，第一高频增益调节环路停止工作，第二高频增益调节环路开始与第一低频增益调节环路通过比较低频成分和高频成分的差异开始相互协调工作，当低频成分和高频成分的能量的差异达到一个固定的预设值时，第二低频增益调节环路与第一高频增益调节环路才能都处于稳定的工作状态。
所述步骤S2进一步地包括第一高频增益调节环路独立的工作，将接收得到的输入信号的高频成分的增益进行调节，并最终得到稳定的高频增益；第一高频增益稳定后，根据均衡信号稳定的高频成分能量的大小，通过比较均衡信号的低频成分和高频成分的能量的差异，第一低频增益调节环路将输入信号的低频增益调节到某个稳定的值。这时，均衡信号的低频成分和高频成分的能量的比例是一个固定的预设值。
所述比较均衡信号的低频成分和高频成分的能量的差异的方法
包括将均衡信号的低频成分和高频成分抽取出来，然后再将均衡信
号的低频成分与高频成分的能量进行比较；或将均衡信号的低频成分
抽取出来，然后再将均衡信号的低频成分与均衡信号的总能量进行比
较；或将均衡信号的高频成分抽取出来，然后再将均衡信号的高频成
分与均衡信号的总能量进行比较。
有益效果
本发明提出的新的自适应均衡器的方法和电路，由于在低频增益调节环路和高频增益调节环路不是完全独立工作的，因此即使低频部分和高频部分的分界频率fm随信号的数据传输速率发生变化，而低通滤波单元和高通滤波单元的截止频率不变，低频增益调节环路或高频增益调节环路总能随着它们中的另一个环路进行对信号调节，因而本发明能够更好、更稳定地工作，并且具有更高的自适应调节精度。


图l为传统的自适应均衡器一种实施例的简图；图2为传统的自适应均衡器第二种实施例的简图；图3为传统的自适应均衡器第三种实施例的简图；图4为本发明的自适应均衡器第一种实施例的简图；图5为本发明的自适应均衡器第二种实施例的简图；图6为本发明的自适应均衡器第三种实施例的简图；图7为本发明的自适应均衡器第四种实施例的简图；图8为图4实施例更切近实际电路结构的简图；图9为图8中均衡滤波器401较好的电路实施方案图；图10为图9中均衡滤波器单元801、 802、 803和804较好的电路实施方案图11为图9中NMOS偏置产生电路805较好的电路实施方案ii图12为图8中的调整比较器409较好的电路实施方案图；图13为图12中1103、 1104、 1105、 1101和1102较好的电路实施方案图14为图12中1106和1107较好的电路实施方案图15为图4和图8中的低通滤波器407和410较好的电路实施方案
图16为图4和图8中的高通滤波器405较好的电路实施方案图；图17是将图4和图8中整流器和误差放大器融合设计在一起的电路实施方案图。
具体实施例方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1
图4为本发明实现自适应均衡器方法和电路的第一个实施例。本实施例的工作过程和原理如下
接收到的信号首先通过一个均衡滤波器401，这个均衡滤波器具有两个信号通道增益可调低通滤波器402和增益可调高通滤波器403 。 402和403的输出通过加法器404相加作为均衡滤波器401的输出。均衡滤波器401的输出分别作为调整比较器409 (其最大摆幅被限定在一个预先确定的值内)、高通滤波器405和低通滤波器407的输入。调整比较器409输出的一个支路作为自适应均衡器的输出，另 一个支路作为低通滤波器410的输入。高通滤波器405、低通滤波器407和低通滤波器410的输出分别输入整流器406、 408和411。整流器408和411的输出分别作为误差放大器413的两个输入，误差放大器413的输出经过电容C1的积分(或者413的输出对C1的充放电进行控制)后作为低通滤波器402的增益调节信号；整流器406和408的输出作为误差放大器412的两个输入，误差放大器412的输出经过电容C2的积分(或者412的输出对C2的充放电进行控制)后作为高通滤波器403的增益调节信号。
低频增益调节环路包括增益可调低通滤波器402、调整比较器409、低通滤波器407和410、整流器408和411、误差放大器413和积分电容C1。
高频增益调节环路包括增益可调高通滤波器403、高通滤波器405、低通滤波器407整流器406和408、误差放大器412和积分电容C2。
图4中低频增益调节环路独立于髙频增益调节环路，但是高频增益调节环路工作的稳定状态是依赖于低频增益调节环路稳定工作的状态。低频增益调节环路中，均衡滤波器401的输出的其中一个支路作
为低通滤波器407的输入，低通滤波器407的输出作为整流器408的输入，401的输出的另外一个支路作为调整比较器409的输入，调整比较器409输出经过低通滤波器410,低通滤波器410的输出作为整流器411的输入，整流器408和411的输出作为误差放大器413的输入。这样，调整比较器409的输入和输出信号分别经过低通滤波和整流，其低频部分的能量被抽取出来。409的输入和输出信号低频部分能量的差异经过误差放大器413放大输出，误差放大器413的输出经过电容C1的积分(或者误差放大器413的输出控制电容C1的充放电)，Cl积分(充放电)所得的电压值作为402的低频增益控制信号。这个控制信号是整流器408和411输出信号的函数。当409的输入和输出信号低频部分能量相等时，电容C1上的电压值处在稳定状态，402的增益也稳定，这时低频增益调节环路处在稳定工作状态。
高频增益调节环路中，均衡滤波器401的输出的其中一个支路作为低通滤波器407的输入，低通滤波器407的输出作为整流器408的输入，401的输出的另外一个支路作为高通滤波器405的输入，405的输出作为整流器406的输入，整流器406和408的输出作为误差放大器412的输入。这样，均衡滤波器401的输出信号分别经过低通滤波和整流、高通滤波和整流，其低频部分和高频部分的能量分别被抽取出来。均衡滤波器401的输出信号高低频部分能量的差异经过误差放大器412放大输出，误差放大器412的输出经过电容C2的积分(或者误差放大器412的输出控制电容C2的充放电)，C2积分(充放电)所得的电压值作为403的高频增益控制信号。这个控制信号是整流器406和408输出信号的函数。当均衡滤波器401的输出信号高低频部分能量的比值达到一个固定的预设值时(比如预设值为l,也即高低频成分的能量相等时)，电容上的电压值处在稳定状态，403的增益也稳定，这时高频增益调节环路处在稳定工作状态。
本实施例的低频增益调节环路独立于高频增益调节环路，但是，高频增益调节环路只有在低频增益调节环路稳定工作后，根据信号稳定的低频部分的能量大小，才能将高通滤波器403的高频增益调节到一个稳定值上。
本发明实现自适应均衡器方法和电路，即使低频部分和高频部分的分界频率fin随信号的数据传输速率发生变化而低通滤波器407和高通滤波器405的截止频率不变，高频增益调节环路总能根据低频部分的能量对信号的高频增益进行调节，并最终达到稳定(在高通滤波器403的最大增益一定或者有辅助电路使C2上的电压最大值一定的情况
13下)。所以本发明的自适应均衡器有很好的自适应调节精度。
实施例2
图5为本发明实现自适应均衡器方法和电路的第二个实施例。本 实施例的工作原理如下
接收到的信号首先通过一个均衡滤波器501,这个均衡滤波器具 有两个信号通道增益可调低通滤波器502和增益可调高通滤波器 503。 502和503的输出通过加法器504相加作为均衡滤波器501的输出。 均衡滤波器501的输出分别作为调整比较器509(其最大摆幅被限定在 一个预先确定的值内)、低通滤波器505和高通滤波器507的输入。调 整比较器509输出的一个支路作为自适应均衡器的输出，另外一个支 路作为高通滤波器510的输入。低通滤波器505、高通滤波器507和高 通滤波器510的输出分别输入整流器506、 508和511。整流器508和511 的输出作为误差放大器513的两个输入，误差放大器513的输出经过电 容C2的积分(或者误差放大器513的输出控制电容C2的充放电)后作 为高通滤波器503的增益调节信号；整流器506和508的输出作为误差 放大器512的两个输入，误差放大器512的输出经过电容C1的积分(或 者误差放大器512的输出控制电容C1的充放电)后作为低滤波器502 的增益调节信号。
低频增益调节环路包括增益可调低通滤波器502、低通滤波器 505、高通滤波器507、整流器506和508、误差放大器512和积分电容 Cl。
高频增益调节环路包括增益可调高通滤波器503、调整比较器 509、高通滤波器507和510、整流器508和511、误差放大器513和积分 电容C2。
图5中高频增益调节环路独立于低频增益调节环路，但是低频增 益调节环路工作的稳定状态是依赖于高频增益调节环路稳定工作的 状态。
高频增益调节环路中，均衡滤波器501的输出的其中一个支路作 为高通滤波器507的输入，高通滤波器507的输出作为整流器508的输 入。501的输出的另外一个支路作为调整比较器509的输入，调整比较 器509输出经过高通滤波器510，高通滤波器510的输出作为整流器511 的输入，整流器508和511的输出作为误差放大器513的输入。这样， 调整比较器509的输入和输出信号分别经过高通滤波和整流，其高频 部分的能量被抽取出来。509的输入和输出信号高频部分能量的差异 经过误差放大器513放大输出，误差放大器513的输出经过电容C2的积 分(或者误差放大器513的输出控制电容C2的充放电)，C2积分(充放电)所得的电压值作为503的高频增益控制信号。这个控制信号是
整流器508和511输出信号的函数。当509的输入和输出信号的斜率相 等时，电容上的电压值处在稳定状态，503的增益也稳定，这时高频 增益调节环路处在稳定工作状态。
低频增益调节环路中，均衡滤波器501的输出的其中一个支路作 为高通滤波器507的输入，高通滤波器507的输出作为整流器508的输 入，501的输出的另外一个支路作为低通滤波器505的输入，505的输 出作为整流器506的输入，整流器506和508的输出作为误差放大器512 的输入。这样，均衡滤波器501的输出信号分别经过低通滤波和整流、 高通滤波和整流，其低频部分和高频部分的能量分别被抽取出来。均 衡滤波器501的输出信号高低频部分能量的差异经过误差放大器512 放大输出，误差放大器512的输出经过电容C1的积分(或者误差放大 器512的输出控制电容C1的充放电)，Cl积分(充放电)所得的电压 值作为502的低频增益控制信号。这个控制信号是整流器506和508输 出信号的函数。当均衡滤波器501的输出信号高低频部分能量的比值 达到一个固定的预设值时(比如预设值为l,也即高低频成分的能量 相等时)，电容上的电压值处在稳定状态，502的增益也稳定，这时低 频增益调节环路处在稳定工作状态。
本实施例的高频增益调节环路独立于低频增益调节环路，但是， 低频增益调节环路只有在高频增益调节环路稳定工作后，根据信号稳 定的高频部分的能量大小，才能将高通滤波器502的低频增益调节到 一个稳定值上。
本发明实现自适应均衡器方法和电路，即使低频部分和高频部分 的分界频率fm随信号的数据传输速率发生变化而低通滤波器505和高
通滤波器507的截止频率不变，低频增益调节环路总能根据高频部分 的能量对信号的低频增益进行调节，并最终达到稳定(在低通滤波器 502的最小增益一定或者有辅助电路使C1上的电压最小值一定的情况 下)。所以本发明的自适应均衡器有很好的自适应调节精度。 实施例3
图6为本发明实现自适应均衡器方法和电路的第三个实施例。本 实施例的工作原理如下
如图6,电路在图4电路基础上(图6和图4中，相同并且在电路起 相同作用的组成单元，标识的号码一样)增加了六个组成单元，它们 是误差放大器614、整流器615、比较器616、延迟电路617和开关618、 619。
本实施例中，电路包括两个低频增益调节环路和一个高频增益调
15节环路；本实施例的自适应均衡器的工作过程分为两个阶段第一个 阶段与第一个实施例电路的工作原理一样。当增益调节环路在第一个
阶段的工作稳定下来后，增益调节环路进入第二个工作阶段。在这个 阶段中，高频增益调节环路和低频增益调节环路都不是独立的，而是 相互协调的工作。
第一个低频增益调节环路包括增益可调低通滤波器402、调整比 较器409、低通滤波器407和410、整流器408和411、误差放大器413、 开关618和积分电容C1;第二个低频增益调节环路包括增益可调高通 滤波器402、高通滤波器405、低通滤波器407整流器406和408、误差 放大器614、开关619和积分电容C1。在第一个工作阶段，开关618打 开，619关断，第一个低频增益调节环路被选通；在第二个工作阶段， 开关618关断，619打开，第二个低频增益调节环路被选通；在实际电 路的设计中，可以将开关618和619嵌入误差放大器，通过使能误差放 大器的输出来对这两个低频增益调节环路进行选通。
高频增益调节环路包括增益可调高通滤波器403、高通滤波器 405、低通滤波器407、整流器406和408、误差放大器412和积分电容 C2。
第一个工作阶段的工作原理如下
409的输出经过整流器615整流，615的输出通过比较器616与参考 电压d比较，在电路上电启动(或者复位)时，或者自适应均衡器还 没有收到任何信号时，比较器616输出为零，延迟电路617的正输出为 零，负输出为高电平。这时，开关618被打开，开关619被关断，第一 个低频增益调节环路工作。这种状况要一直持续到自适应均衡器收到 信号，.比较器616输出高电平，这个高电平通过延迟电路617延迟一段 时间后，延迟电路617的正输出为高电平，负输出为零。所以如果假 设延迟电路的延迟时间常数为Td，则电路工作在第 一个阶段的时间至 少是Td。
在第一个阶段，低频增益调节环路独立于高频增益调节环路。但 是，高频增益调节环路只有在低频增益调节环路稳定工作后，根据信 号稳定的低频部分的能量大小，才能将的高频增益调节到一个稳定值 上。
低频增益调节环路中，均衡滤波器401的输出的其中一个支路作 为低通滤波器407的输入，低通滤波器407的输出作为整流器408的输 入，401的输出的另外一个支路作为调整比较器409的输入，调整比较 器409输出经过低通滤波器410 ，低通滤波器410的输出作为整流器411 的输入，整流器408和411的输出作为误差放大器413的输入。这样，调整比较器409的输入和输出信号分别经过低通滤波和整流，其低频
部分的能量被抽取出来。409的输入和输出信号低频部分能量的差异 经过误差放大器413放大输出，误差放大器413的输出经过电容C1的积 分(或者误差放大器413的输出控制电容C1的充放电)，Cl积分(充 放电)所得的电压值作为402的低频增益控制信号。这个控制信号是 整流器408和411输出信号的函数。当409的输入和输出信号低频部分 能量相等时，电容上的电压值处在稳定状态，402的增益也稳定，这 时低频增益调节环路处在稳定工作状态。
高频增益调节环路中，均衡滤波器401的输出的其中一个支路作 为低通滤波器407的输入，低通滤波器407的输出作为整流器408的输 入，401的输出的另外一个支路作为高通滤波器405的输入，405的输 出作为整流器406的输入，整流器406和408的输出作为误差放大器412 的输入。这样，均衡滤波器401的输出信号分别经过低通滤波和整流、 高通滤波和整流，其低频部分和高频低频部分的能量分别被抽取出 来。均衡滤波器401的输出信号高低频部分能量的差异经过误差放大 器412放大输出，误差放大器412的输出经过电容C2的积分(或者误差 放大器412的输出控制电容C2的充放电)，C2积分(充放电)所得的 电压值作为403的高频增益控制信号。这个控制信号是整流器406和 408输出信号的函数。当均衡滤波器401的输出信号高低频部分能量的 比值达到一个固定值的预设值时(比如预设值为l，也即高低频成分 的能量相等时)等时，电容上的电压值处在稳定状态，403的增益也 稳定，这时高频增益调节环路处在稳定工作状态。
第二个工作阶段的工作原理如下
自适应均衡器接收到信号后，比较器616输出高电平，这个高电 平通过延迟电路617长达Td的时间延迟后，延迟电路617的正输出为由
零转变为高电平，负输出为由高电平转变为零。这时，电路进入到第 二个工作阶段。在这个阶段，由增益可调高通滤波器402、高通滤波 器405、低通滤波器407、整流器406和408、误差放大器614、开关619 和积分电容C1组成的第二个低频增益调节环路被选通，而增益可调低 通滤波器402、调整比较器409、低通滤波器407和410、整流器408和 411、开关618、误差放大器413、开关618和积分电容C1组成的第一个 低频增益调节环路被禁用。
在这个工作阶段，高频增益调节环路的组成与第一个工作阶段的 一样。除了误差放大器614跟整流器406和408接法的极性与误差放大 器412跟整流器406和408接法的极性相反外，这个阶段的低频增益调 节环路组成与该阶段的高频增益调节环路的组成一样(开关619打开
17后，将C1看作与误差放大器614直接相连)。
在这个阶段中，高频增益调节环路和低频增益调节环路都不是独 立的，而是相互协调的工作。
高频增益调节环路中，整流器406的输出与误差放大器412的反相 输入端相连，整流器408的输出与误差放大器412正相端相连。但是， 在低频增益调节环路中，整流器406的输出与误差放大器614的正相输 入端相连，整流器408的输出与误差放大器614反相端相连。
当均衡滤波器401的输出信号的高频部分能量大于低频部分能量 时，低频增益调节环路通过误差放大器614的输出对电容C1充电(或 者误差放大器614的输出控制恒流源对C1进行充电)，而电路的高频增 益调节环路通过误差放大器412的输出对电容C2放电(或者误差放大 器412的输出控制恒流源对C2进行放电)；当均衡滤波器401的输出信 号的低频部分能量大于高频部分能量时，低频增益调节环路通过误差 放大器614的输出对电容C1放电(或者误差放大器614的输出控制恒流 源对C1进行放电)，而电路的高频增益调节环路通过误差放大器412 的输出对电容C2充电(或者误差放大器412的输出控制恒流源对C2进 行充电)；当均衡滤波器401的输出信号的低频部分和高频部分能量的 比值达到一个固定的预设值时(比如预设值为l,也即高低频成分的 能量相等时)时，C1和C2上的电量不再发生变化，电路第二个阶段 的工作处于稳定状态。
这样，在经过第一个工作阶段赋予的值后，再经过第二个阶段的 调整，C1和C2上的电压值能使衡滤波器401的输出信号的低频部分和 高频部分能量更加趋于相等，本实施例实现自适应均衡器的方法使自 适应调节精度又得到了提高。 实施例4
图7为本发明实现自适应均衡器方法和电路的第四个实施例。和 实施例3—样，本实施例是在图5电路基础上(图7和图5中，相同并且 在电路起相同作用的组成单元，标识的号码一样)增加了五个组成单 元，它们是误差放大器714、整流器715、比较器716、延迟电路717 和开关718和开关719。
本实施例中，电路包括两个高频增益调节环路和一个低频增益调 节环路；本实施例的自适应均衡器的工作过程分为两个阶段第一个 阶段与实施例2电路的工作原理一样。当增益调节环路在第一个阶段 的工作稳定下来后，增益调节环路进入第二个工作阶段，在这个阶段 中，高频增益调节环路和低频增益调节环路都不是独立的，而是相互 协调的工作。实施例4基本原理同实施例3，在这里不作赘述，从上述四个实施 例，本领域普通技术人员可以想到其它的相关替换和修改，这些都应 是本发明保护的范围。
本发明的实施例中，实现对均衡信号的低频成分与高频成分的能 量的进行比较的方法或者电路，是通过将均衡信号的低频成分和高频 成分抽取出来，然后再将均衡信号的低频成分与高频成分的能量进行 比较。根据本发明也可以想到，将均衡信号的低频成分抽取出来，然 后再将均衡信号的低频成分与均衡信号的总能量进行比较，或将均衡 信号的高频成分抽取出来，然后再将均衡信号的高频成分与均衡信号 的总能量进行比较，也同样可以达到对均衡信号的低频成分与高频成 分的能量的进行比较的目的。这里并不局限于本发明的实施例，而是 从列举的这几个实施例可以从中得到其共同的思想。
在实际的应用中，自适应均衡器接收到的信号 一般为差分信号， 加上本发明实现自适应均衡器的方法一般在集成电路实现，为了进一 步描述本发明实施例中各个组成单元的详细实施方法，将本发明的实
施例1相应的图4改画为图8。图8中的各个基本组成单元都由图4中单 端的输入输出改为差分的输入输出，并将调整比较器409更加详细地 描画。图8中与图4中一致对应的单元号码标识是一样的。自适应均衡 器通过差分输入对"正输入"和"负输入"来接收线缆传送的信号，经过 自适应均衡器处理的信号通过"正输出"和"负输出"输出差分信号。
我们应该意识到图4和图8均衡滤波器401所画的只是示意图，它 并不一定是由分立的单元402、 403和404相互连接而成。图4和图8中 的均衡滤波器401较好的电路实施方案如图9。图中均衡滤波器由四个 相同的均衡滤波器单元801、 802、 803和804串联而成。串联的均衡滤 波器单元的个数可以在设计时根据信号的高低频部分的增益和电路 工作带宽要求进行调整。均衡滤波器单元的高频增益通过"高频增益 控制信号"来调节，而均衡滤波器单元的低频增益通过"低频增益控制 信号"来调节。NMOS管偏置产生电路805可以产生对应于"参考电压a" 的偏置电压"NBIAS", "NBIAS"为均衡滤波器单元801、 802、 803和 804提供电压偏置。均衡滤波器单元801、 802、 803和804较好的电路 实施方案如图IO。 NMOS管偏置产生电路805较好的电路实施方案如 图ll。
图10中的均衡滤波器单元将低频增益调节功能和高频增益调节 功能融合设计在一起。"低频增益控制信号"通过调整MOS管903的栅 极电压改变903的导通电阻，从而控制低频通路的增益；"高频增益控 制信号"通过调整变容二极管901两端和902两端的电压降改变变容二极管的等效电容(另外一种实现可变电容的方法是使用电容矩阵， 通过数字控制信号和选通开关来组合出不同电容值的电容)，从而控 制高频通路的增益；无源电阻Rb为低频通路的增益设置一个最小初始 值，以避免自适应调节环路进入了一个不希望出现的状态，比如信号
的低频增益为零或者非常低。如图ll中，NMOS管偏置产生电路805 的"NBIAS"为图10中的均衡滤波器单元的"NBIAS"提供电压偏置。
图4和图8中的调整比较器409较好的电路实施方案如图12。图12 中，调整比较器单元1101和1102串联组成调整比较器，用于增益调节 环路中。而输出缓冲单元1103、 1104和1105作为自适应均衡器的输出 缓冲，以适应自适应均衡器负载并放大信号。因为调整比较器的负载 是高通或者低通滤波器，所以这样的结构可以减少信号通过调整比较 器时而造成的失真。NMOS偏置产生电路1106为调整比较器单元提供 "NBIAS"偏置电压，NMOS偏置产生电路1107为输出缓冲单元提供 "NBIAS"偏置电压；缓冲单元1103、 1104和1105与调整比较器单元 1101和1102的电路实施方案是一样的，其电路如图13。图13的电路结 构釆用无源电阻负载，从而提高了电路的工作带宽，其输出的最高电 平为电路的工作电压，而最低电平是由负载和"NBIAS"来共同决定。 NMOS偏置产生电路1106和1107较好的电路实施方案如图14,缓冲单 元1103、 1104和1105与调整比较器单元1101和1102的"NBIAS"电压由 图14的电路产生，该电路釆用偏置复制的方法来为其他电路提供偏置 电压。
图4和图6中的低通滤波器407和410的电路实施方案如图15,而高 通滤波器405的电路实施方案如图16。实际电路中，误差放大器(如 406和412)、比较器616的电路是一样的。我们可以将整流器和误差放 大器(如406和412)设计成独立的两个部分电路。本发明设计的电路 将整流器和误差放大器两部分电路融合设计在一个电路模块里。图4 和图8中，406、 408和412将被融合设计在一起，其电路结构如图17, 408、 411和413的设计跟406、 408和412的设计一样，615和616的也被 融合设计成图17的结构。
图6和图7中的开关618和619、 718和719可以设计为模拟开关电 路，也可通过在图17使用使能功能来实现相应的开关功能(图17没有 标出该功能)；617的延迟电路可以使用计数器计数延迟的方法，也可 以使用简单的RC电路来延迟。以上的电路都很简单并且有不同实现 的方法，所以本文不再将其一一详述。
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权利要求
1、一种自适应均衡电路，其特征在于，包括增益可调的低通滤波单元，通过低频增益调节环路调节其增益来控制输入信号的低频成分；增益可调的高通滤波单元，通过高频增益调节环路调节其增益来控制输入信号的高频成分；第一低频增益调节环路，通过均衡信号的低频成分抽取比较电路来控制增益可调的低通滤波单元的增益；第一高频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路和比较电路，来控制增益可调的高通滤波单元的增益；至少有一个信号混合电路单元将增益可调的低通滤波单元和增益可调的高通滤波单元输出信号融合为一个信号输出。
2、 如权利要求l所述的自适应均衡电路，其特征在于，还包括 第二低频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路和比较电路，来控制增益可调的低通滤波单元的增益；一个选择控制电路，这个电路控制第一低频增益调节环路和第二低频增益调节环路之间的切换；所述第二低频增益调节环路和第一高频增益调节环路相互协调工作。
3、 如权利要求l或2所述的自适应均衡电路，其特征在于，所述 的均衡信号的低频成分抽取比较电路，在调整比较器的输入输出端分 别通过低频抽取电路抽取低频成分并进行比较。
4、 一种自适应均衡电路，其特征在于，包括 增益可调的低通滤波单元，通过低频增益调节环路调节其增益来控制输入信号的低频成分；增益可调的高通滤波单元，通过高频增益调节环路调节其增益来 控制输入信号的高频成分；第一低频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路 和比较电路，来控制增益可调的低通滤波单元的增益；第一高频增益调节环路，通过均衡信号的高频成分抽取比较电路 电路来控制增益可调的高通滤波单元的增益；至少有一个信号混合电路单元将增益可调的低通滤波单元和增益可调的高通滤波单元输出信号融合为一个信号输出。
5、 如权利要求4所述的自适应均衡电路，其特征在于，还包括第二高频增益调节环路，通过均衡信号的高、低频成分抽取电路和比较电路，来控制增益可调的高通滤波单元的增益；一个选择控制电路，这个电路控制第一高频增益调节环路和第二高频增益调节环路之间的切换；所述第二高频增益调节环路和第一低频增益调节环路相互协调 工作。
6、 如权利要求4或5所述的自适应均衡电路，其特征在于，所述 的均衡信号的高频成分抽取比较电路，在调整比较器的输入输出端分 别通过高频抽取电路抽取高频成分并进行比较。
7、 如权利要求l、 2、 4或5所述的自适应均衡电路，其特征在于，所述均衡信号的高、低频成分抽取电路和比较电路，通过高频成分抽 取电路和低频成分抽取电路将均衡信号中的高频成分和低频成分抽 取出来，并通过比较器比较均衡信号的高频成分和低频成分的能量。
8、 如权利要求3、 6或7所述的自适应均衡电路，其特征在于，所 述均衡信号的高频成分抽取电路为高通滤波器和整流器的依次串联； 所述均衡信号的低频成分抽取电路为低通滤波器和整流器的依次串 联。
9、 一种自适应均衡电路实现的自适应均衡方法，其特征在于， 包括以下步骤Sl:至少具备两个增益调节环路，其中通过第一低频增益调节环 路控制增益可调的低通滤波单元的增益，来控制输入信号低频成分的 增益大小，通过第一高频增益调节环路控制增益可调的高通滤波单元 的增益，来控制输入信号高频成分的增益大小；S2:第一低频增益调节环路通过自身的电路达到稳定的工作状 态，第一高频增益调节环路最终的工作状态依赖于第一低频增益调节 环路电路的工作状态，当第一低频增益调节环路稳定工作之后，第一 高频增益调节环路才能达到稳定的工作状态，这时第一低频增益环路 和第一高频增益环路都达到稳定工作状态；S3:然后通过低通滤波单元和高通滤波单元的信号混合电路单元 输出均衡后的信号。
10、 如权利要求9所述的自适应均衡方法，其特征在于，在步骤S2之后，还包括步骤S21:在第一低频增益调节环路和第一高频增益调节环路稳定工 作一段时间后，选择控制电路使第二低频增益调节环路开始工作，第 一低频增益调节环路停止工作，通过比较均衡信号的低频成分和高频 成分的差异，第二低频增益调节环路与第一高频增益调节环路开始相 互协调工作，当低频成分和高频成分的能量的比例达到一个固定的预 设值时，第二低频增益调节环路与第一高频增益调节环路才能都处于 稳定的工作状态。
11、 如权利要求9或10所述的自适应均衡方法，其特征在于，所 述步骤S2进一步地包括第一低频增益调节环路独立的工作，对输入 信号的低频成分的增益进行调节，并最终得到稳定的低频增益；第一 低频增益稳定后，根据均衡信号中稳定的低频成分能量的大小，通过 比较均衡信号的低频成分和高频成分的能量的差异，当均衡信号的低 频成分和高频成分的能量的比例达到一个固定的预设值时，第一高频 增益调节环路才能将输入信号的高频增益调节到某个稳定的值。
12、 一种自适应均衡电路实现的自适应均衡方法，其特征在于， 包括以下步骤Sl:至少具备两个增益调节环路，其中通过第一低频增益调节环 路控制增益可调的低通滤波单元的增益，来控制输入信号低频成分的 增益大小，通过第一高频增益调节环路控制增益可调的高通滤波单元 的增益，来控制输入信号高频成分的增益大小；S2:第一高频增益调节环路通过自身的电路达到稳定的工作状 态，第一低频增益调节环路最终的工作状态依赖于第一高频增益调节 环路的工作状态，当第一高频增益调节环路稳定工作之后，第一低频 增益调节环路才能达到稳定的工作状态，这时第一低频增益环路和第 一高频增益环路都达到稳定工作状态；S3:然后通过低通滤波单元和高通滤波单元的信号混合电路单元 输出均衡后的信号。
13、 如权利要求12所述的自适应均衡方法，其特征在于，在步骤 S2之后，还包括步骤S21:在第一低频增益调节环路和第一高频增益调节环路稳定工 作一段时间后，通过选择控制电路切换到第二高频增益调节环路，第 一高频增益调节环路停止工作，通过比较均衡信号的低频成分和高频成分的差异，第二高频增益调节环路与第一低频增益调节环路开始相 互协调工作，当低频成分和高频成分的能量的比例达到一个固定的预 设值时，第二低频增益调节环路与第一高频增益调节环路才能都处于 稳定的工作状态。
14、 如权利要求12或13所述的自适应均衡方法，其特征在于，所 述步骤S2进一步地包括第一高频增益调节环路独立的工作，对接收 到输入信号的高频成分的增益进行调节，并最终得到稳定的高频增 益；第一高频增益稳定后，根据均衡信号中稳定的高频成分能量的大 小，通过比较均衡信号的低频成分和高频成分的能量的差异，当均衡 信号的低频成分和高频成分的能量的比例达到一个固定的预设值时， 第一低频增益调节环路才能将输入信号的低频增益调节到某个稳定 的值。
15、 如权利要求11或14所述的自适应均衡方法，其特征在于，所 述比较均衡信号的低频成分和高频成分的能量的差异的方法包括将均衡信号的低频成分和高频成分抽取出来，然后再将均衡信号 的低频成分与高频成分的能量进行比较；或将均衡信号的低频成分抽取出来，然后再将均衡信号的低频成 分与均衡信号的总能量进行比较；或将均衡信号的高频成分抽取出来，然后再将均衡信号的高频成 分与均衡信号的总能量进行比较。
全文摘要
本发明提供了一种自适应均衡电路和方法，本发明的自适应电路包括增益可调的低通滤波单元，增益可调的高通滤波单元，低频增益调节环路，高频增益调节环路，低频增益调节环路不依赖于高频增益调节环路；而高频增益调节环路依赖于低频增益调节环路，或者高频增益调节环路不依赖于低频增益调节环路，而低频增益调节环路依赖于高频增益调节环路，或者二者相互协调工作。本发明提出的新的自适应均衡器的方法和电路能够更好、更稳定地工作，并且具有更高的自适应调节精度。
文档编号H04L25/02GK101459632SQ20071017934
公开日2009年6月17日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者武 林 申请人:武 林