專利名稱：在有線電視數字返回路徑中求和異步信號抽樣的方法和裝置的制作方法
相關申請的交叉參考本發明涉及美國臨時申請60/209,083(2000年6月2日提交)，在此全部引用作為參考。
本發明的背景本發明一般涉及數字化多重數據流的方法和裝置，特別涉及數字化地理互異的多重數據流的方法和裝置。
在模擬—數字轉換器(A/D)中的進展產生了作為模擬傳輸的有吸引力另一種方式的在同軸混合光纖(HFC)電纜系統中的數字化模擬RF返回路徑傳輸，因為數字傳輸減輕了對昂貴的線性傳輸激光的要求。而且，在被稱為現場可編程門陣列(FPGA)的，在可重新配置的數字硬件裝置中實施的現代數字信號處理(DSP)技術，能夠進行以前歸屬于RF裝置的處理任務。這些功能的例子特別包括信號加法、濾波、信道化和解調。雖然模擬信號處理功能具有數字對應物(counterpart)，但是數字化處理引導出不具有模擬對應物的附加靈活性和折衷。簡單的例子是數字式字的長度(如位/抽樣數目)和抽樣速率。
一直存在著對HPC系統的數字返回路徑獨特的主要問題。在這樣的系統中，RF返回路徑能在節點數字化，然后數字傳輸到集線器和/頭端。問題發生在不同的節點發出兩個或多個數字化的信號流要累加在一起時，特別是如果各節點地理互異，并因此處在不同的維護時間表和環境條件下時。理想的是，兩個信號流將以同樣的抽樣速率抽樣，因此在求和前被同步。
雖然每個節點具有從晶體振蕩器產生的同一采樣時鐘頻率，但是從對HFC的性能和經濟觀點來看適合的振蕩器會隨時間和溫度漂移到百萬分之五。對于在5-40兆赫返回路徑使用的100兆赫振蕩器，這相當于一種振蕩器，它的實際頻率范圍可能在99.995MHz到100.005MHz。要相加的兩個數字數據流之間的最壞的差是10千赫之多。
因為在這兩個數據流之間抽樣速率差，必須考慮同步先進先出緩沖器(FIFO)要費多長時間上溢或下溢。使用上述數目能夠說明，根據FIFO緩沖器的大小，這可能是在1-2毫秒范圍。這造成約每一毫秒的返回路徑數據的損失，這是不能夠接受的性能。
為了保持FIFO平衡(即，輸入數據速率等于輸出數據速率)，能夠從FIFO的輸入中周期地撤消抽樣保持它不上溢，或在FIFO的輸出上周期地重復抽樣，以保持它不下溢。但是，除非初始RF信號被過高地過抽樣(根據數量級)，周期地撤消或添加抽樣會導致不可接收的高度失真，以致數據過分退化。當前的10位A/D能夠計時到105兆赫，這足以滿足尼奎斯特抽樣理論，但是遠小于在抽樣5-40兆赫回程波段時需要的數量級。
因此，本發明的目的是開發一種數字化多重數據流的方法和裝置，所述多沖數據流的時鐘由于振蕩器的漂移會有偏差。
發明概述本發明通過提供一種數字化具有不同時鐘的多重數據流的方法和裝置解決了上述問題，其中由于時鐘漂移的誤差以極小的量被分散到多個時鐘周期。
根據本發明的一個方面，結合兩個數據流的方法，在所述兩個數據流的一個的現有抽樣之間內插一個或多個抽樣，然后調節這兩個數據流的所述一個的抽樣數目，以保持下游同步緩沖器的平衡。這發生在結合這兩個數據流之前。可以通過累加或從內插抽樣中十個中抽一地間取抽樣進行這個調節。
根據本發明的另一方面，結合兩個數據流的裝置包括兩個緩沖器；內插濾波器；多路復用器；緩沖器控制器和加法器。這兩個緩沖器的第一個接收這兩個數據流的第一數據流，并具有由與第一數據流相關的第一抽樣時鐘計時開始的輸入，以及具有由第一抽樣時鐘計時結束的輸出。內插濾波器接收第二數據流，輸出第二數據流的十中抽一的過抽樣版本。多路復用器的第一輸入耦合到內插濾波器的輸出，在它的第二輸入上接收第二數據流，并輸出修改的數據流。這兩個緩沖器的第二個接收這個修改的數據流，并具有由與第二數據流相關的第二抽樣時鐘計時開始的輸入，以及具有由第一抽樣時鐘計時結束的輸出。第二緩沖器包括電平監控器輸出。所述緩沖器控制器具有耦合到第二緩沖器的電平監控器輸出的輸入，具有控制多路復用器輸出的第一輸出，具有控制內插多相濾波器的輸出的第二輸出，和具有控制第二緩沖器的輸出的第三輸出。然后，加法器結合第一和第二緩沖器的輸出。
根據本發明的另一方面，在四個步驟結合時鐘頻率偏差的兩個異步數據流。第一，用與第一數據流相關的第一時鐘計時第一數據流進和流出第一緩沖器。第二，用與第二數據流相關的第二時鐘計時第二數據流進第二緩沖器，并使用第一時鐘計時第二數據流從第二緩沖器流出。第三，根據第二緩沖器的上溢或下溢，在計時第二數據流進入第二緩沖器前，向第二數據流內插和從中十中抽一地間取抽樣。最后，結合第一和第二緩沖器的輸出。除了上述四個步驟外，在第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，以致當第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣，則不能夠寫入到第二緩沖器時，可以撤消從第二緩沖器的抽樣。而且，在第二緩沖器的緩沖器電平減少一個抽樣，以致當第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣，則不能夠從第二緩沖器讀出時，可以向第二緩沖器增加抽樣。
附圖簡要說明
圖1是根據本發明一個方面的裝置實施例方框圖；和圖2是根據本發明另一個方面的方法實施例的流程圖。
詳細說明值得注意的是，本文中的“一個實施例”或“實施例”是指在本發明至少一個實施例中包括的就此實施例說明的特征、結構或特性。各處出現的“在一個實施例中”的提法不一定是指相同的實施例。
根據本發明的一個方面，公開的方法使得兩個數據流能夠這樣累加，以致從由于例如通常的時鐘漂移所致的，兩個稍有偏差的不同的抽樣速率產生的退化是可接受的。在一個意義上，本發明的方法是通過在多個時鐘周期施加極小的量，將不同的時鐘漂移造成的誤差分布在多個時鐘周期，而不是在單一時鐘周期上分布一個大的誤差。
根據本發明的一個實施例，所述方法通過使用改型的多相內插濾波器內插(即在現有的抽樣之間加多個抽樣)這兩個數據流之一。然后，根據保持下游同步緩沖器(例如，FIFO，先進先出緩沖器)平衡的需要，增加或撤消抽樣。在由非內插的數據流計時下游緩沖器的輸出時，通過在內插的數據流中增加抽樣或從中除掉抽樣來到達平衡。其結果，兩個流因為隨后的累加被同步。然后，內插數據流被十中抽一地間取(即除去抽樣)到原始抽樣速率，然后饋入同步FIFO。然后，從兩個FIFO讀出數據，并將數據累加在一起，并發送到用于傳輸的光路。
圖1給出進行數據流同步的裝置的實施例10方框圖。每周期n個點的抽樣數據輸入與抽樣時鐘1一起被輸入到FIFO13，時鐘1用于計時進入到FIFO13的數據，并計時從FIFO13出來的數據。將FIFO13的輸出饋入到加法器1的一個輸入。加法器1的輸出是結合的數據，它輸出到返回數據路徑的一部分的激光發射機。FIFO13的輸出以每個周期約n個點被抽樣數據。
將抽樣數據輸入2饋入到多路復用器5的一個輸入上，也傳送到改型的多相插入器×m濾波器11。這兩個抽樣時鐘和數據流是異步的，頻率偏差達到百萬分之10。
將改型的多相內插器×m濾波器11的輸出饋入到多路復用器5的第二輸入。改型的多相內插器×m濾波器11的輸出是在每周期約n點上的十中抽一地間取抽樣的數據。將多路復用器5的輸出饋入到FIFO22，用抽樣時鐘2計時輸入這個輸入。用抽樣時鐘1計時輸出FIFO22的輸出進入到加法器1的第二輸入，也用時鐘1計時從FIFO13的輸出出來的時間。用時鐘1計時FIFO13和FIFO22的輸出并將同步這兩個數據流，但是如果抽樣時鐘2不如時鐘1那樣精確，FIFO22也可以上溢或下溢。
所述FIFO監測和控制電路4運行于監視在FIFO22中的抽樣數目。只要FIFO22中的抽樣數目在預定的上下閾值之間，則監測電路4處在正常狀態。如果抽樣數目下降到下閾值之下，那麼監測電路4測定出下溢，并使得多相濾波器11能夠增加抽樣，直到FIFO22的抽樣數目又在下閾值以上為止。如果在FIFO22中的抽樣的數目增加到高于上閾值以上，則監控電路4測定出上溢，使得多相濾波器11能夠撤消抽樣，直到FIFO22的抽樣數目又在上閾值以下為止。
在FIFO監測控制電路4沒有測定出上或下溢出狀態時，不需要校正。因此，它設定輸入多路復用器5，使得數據輸入2能夠直接向FIFO22流動。
回到見圖3，它示出根據本發明一個方面的校正處理30的實施例。處理30由測定在緩沖器中的抽樣數目開始(步驟31)。在步驟32，當測定出一個上溢時，則監測電路4使得多相濾波器11能夠撤消抽樣。在第一周期，設定輸入多路復用器(IMUX)5到輸入2(步驟32)。其余的校正處理保持在輸入多路復用器5這個狀態。另外在第一周期，將濾波器多路復用器(FMUX)6設定到輸入1(步驟32)，這使得能夠向FIFO22載入來自相位濾波器(PF)7中的值。在第二周期，將濾波器多路復用器6設定到輸入2，這使得能夠向FIFO22載入相位2濾波器(PF)8中的值。在每個連續的周期，選擇濾波器多路復用器6的下一個較高的輸入，使得來自每個相位濾波器的值被載入到FIFO22(步驟33)。在周期256，將濾波器多路復用器6設定到輸入256，并且相位256濾波器9的值被載入到FIFO22(步驟34)。在周期257，將輸入多路復用器設定到輸入1，并且濾波器多路復用器6被設定到輸入1(步驟35)。也在周期257，FIFO22的允許寫入被中止，以致沒有值能夠寫入到FIFO22(步驟35)。在此時，抽樣被撤消，并且校正處理完成，處理返回到步驟31。在周期258，啟動FIFO22的允許寫入，并且能夠載入新的抽樣。監測電路4或返回它的正常狀態，或如果仍存在上溢狀態，那麼監測電路4再次啟動校正處理以撤消另一個抽樣。
在測定出下溢時(步驟32)，則監控電路4使得多相濾波器11能夠增加抽樣。在第一周期，將輸入多路復用器5設定到輸入2(步驟36)。它將處在這個位置以便進行其余的校正處理。另外在第一周期，濾波器多路復用器6被設定到輸入256(步驟36)。在這第一周期，定期的抽樣插輸和從相位256濾波器9來的值都被載入到FIFO22(步驟36)。這要求FIFO22的特定設備以提供這個能力。在第二周期，將濾波器多路復用器6設定到輸入255，使得來自相位255濾波器的值被載入FIFO22(步驟37)。在每個連續周期，選擇濾波器多路復用器6的下一個較低輸入(即選擇下一個較低相位濾波器的輸出作為濾波器多路復用器6的輸入)(步驟37)。在這種方式，所有的相位濾波器以逆順序循環通過，且每個相位濾波器的值被載入到FIFO22(步驟37)。在周期256，將濾波器多路復用器6設定到輸入1，并且將相位1濾波器7的值載入FIFO22(步驟37)。在周期257，輸入多路復用器5被重新設置到輸入1(步驟38)。這時完成了校正處理，并且該處理返回到步驟31。監測電路4或返回到它的正常狀態，或如果仍存在上溢狀態，則監控電路4重新啟動校正處理以增加另一個抽樣。
內插濾波器11包括m個相位7-9，將它們的輸出饋入到向多路復用器5提供內插濾波器11的輸出的多路復用器6。一個可能的實施方式是使用256個相位。本質上，內插濾波器根據FIFO2的上溢和下溢增加抽樣，然后分十中抽一的抽樣，在多個時鐘周期上附加小量的延遲，以造成在抽樣時鐘1和2之間的相對小的時鐘偏差。內插濾波器11的輸出是在每個周期n個點上十中抽一地間取抽樣的數據。
內插和十中抽一地間取抽取是速率匹配一個數據流到另一個的成熟技術，因此在此不必詳細說明。在一些書籍中，速率改變也意味著新的數據流能以更高速率計時(對于內插情況)，撤消抽樣，然后十中抽一地抽取內插數據流，將回到100兆赫的抽樣速率。
本文說明的技術不增加時鐘速率，因為FPGA的最大時鐘速率約為120兆赫。在這個應用中，以100兆赫抽樣速率開始，內插256次產生難以到達的25.6千兆赫的抽樣時鐘速率。多相濾波器結構使得我們允許具有并行的原始100兆赫數據的256個新相位。
但是，這提出了一個新問題，因為256個多相濾波器要求多個FPGA裝置(約100個)。為了不損失性能保存設計的尺寸，本發明的實施例使用FIR內插濾波器，它的系數被存儲在FPGA裝置的一部分的隨機存儲器(RAM)中。為了內插到256次，本發明實施例在存儲器中存儲256組系數。對于8抽頭的FIR內插濾波器，每個組具有8個系數。在中等大小的FPGA上，這要求占用可用的RAM的30％容量。
對這個實施例，改變了改型的多相濾波器11。代替256相濾波器和256-1的多路復用器，相位濾波器11包括能夠從RAM載入系數的一個相位濾波器。而不是改變濾波器多路復用器6的輸入，從一個內插相位切換到下一個，而是，此實施例是將一組新系數轉換到所述相濾波器。
為了在不使用25.6千兆赫時鐘的情況保持系統在實時速率運行，必須引入255個相位時延，隨后撤消抽樣，然后并十中抽一地抽取。這個技術本質上是引入在多個時鐘周期上散布的256個極小的相位誤差，而不是在一個時鐘周期上集中一個大的相位誤差。依此方式，引入的相位誤差很小，以致可忽略對性能的影響。例如，如果用100兆赫A/D轉換器抽樣的RF信號集中在10兆赫上，則每周期有10個抽樣。從每周期2560個抽樣撤消一個抽樣等于0.14(360/2560)度誤差，是一個無關緊要的相位躍變值。而且，這個誤差在與時鐘偏差相關的時間周期上散布。這樣一來，節點的通信性能不受影響。
圖2示出了根據本發明另一方面的方法實施例20。為了結合兩個異步數據流，其中由于正常時鐘漂移，時鐘頻率相對偏差百萬分之10，必須同步這兩個數據流。
為此，在步驟21，用與第一數據流相關的第一時鐘計時第一數據流輸入和輸出第一緩沖器。在步驟第22，用與第二數據流相關的第二時鐘計時第二數據流進第二緩沖器。然后使用第一時鐘計時第二數據流從第二緩沖器出來。這同步了這兩個數據流。如果存在頻率很小的或沒有偏差，這是充分的。但是，由于偏差，還需要進行某些調節。
在步驟23，根據第二緩沖器的上溢或下溢，在計時第二數據流進入第二緩沖器前，內插和然后十中抽一地抽取第二數據流的抽樣，其是來自內插和十中抽一地抽取處理的下游。
在步驟24，在第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，從第二緩沖器撤消抽樣。例如，當第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，則不能夠寫入到第二緩沖器。
在步驟25，在第二緩沖器電平減少一個抽樣時，從第二緩沖器撤消抽樣。例如，當第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，則不能夠從第二緩沖器讀出。
最后，在步驟26，將第一和第二緩沖器的輸出結合以提供返回數據路徑的輸入。
因此，本發明提供一種地理位置有差異的數據流的數字和方法。這個方法與HFC體系結構特性一致。DSP算法的獨特應用和性能影響的模型化和分析表示出徹底解決了在HFC裝置中分布時鐘問題。而且，所述方法適用于，希望應用到從異步時鐘引出的數據流的任何DSP功能。
雖然特別地說明和描述了各種實施例，但是，通過上述教導，應該能理解本發明的各種修改和變化將包括在所附的權利要求的范圍內，而不會脫離本發明的精神。例如，雖然幾個實施例說明使用特定的數據格式和協議，但是可用滿足任何格式和協議。而且，雖然一些實施例說明了特定的計算機、客戶和服務器等，但是本發明可以使用其他形式的上述設備。另外，這些例子不應解釋為限定本發明權利要求的范圍內的修改后變化，而只是說明了可能的變化一些形式。
權利要求
1.一種結合兩個數據流的方法，其中包括在這兩個數據流之一的現有抽樣之間內插一個或多個抽樣；調節這兩個數據流所述之一的抽樣數目，以保持在下游同步緩沖器中的平衡。
2.根據權利要求1的方法，其中所述調節包括在內插的抽樣中加入或減去抽樣。
3.根據權利要求1的方法，其中進一步包括在所述一個數據流調節后，將所述兩個數據流的一個和另一個結合。
4.根據權利要求1的方法，進一步包括檢測在同步緩沖器中的抽樣數目；在檢測的抽樣數目在預定的較低閾值以下時，向所述同步緩沖器輸入定期抽樣和最后相位時延的抽樣，然后向所述同步緩沖器以相反順序輸入預定數目的相位時延的抽樣；和在檢測的在同步緩沖器中的抽樣數目在預定的較高閾值以上時，向同步緩沖器依序輸入預定數目的相位時延的抽樣，然后中止一個周期的相同步緩沖器的寫入。
5.一種用于結合兩個數據流的裝置，包括第一緩沖器，它接收這兩個數據流中的第一數據流，并具有通過與第一數據流相關的第一抽樣時鐘計時開始的輸入，以及具有由第一抽樣時鐘計時結束的輸出；內插濾波器，它接收第二數據流，并輸出第二數據流的十中抽一的過抽樣版本；多路復用器，具有耦合到內插濾波器的輸出的第一輸入，具有接收第二數據流并輸出修改的數據流的第二輸入；第二緩沖器，它接收所述修改的數據流，具有由與第二數據流相關的第二抽樣計時開始的輸入，具有由第一抽樣時鐘計時結束的輸出，并具有電平監控器輸出；緩沖器控制器，具有耦合到第二緩沖器的電平監控器輸出的輸入，具有控制多路復用器輸出的第一輸出，具有控制內插多相濾波器的輸出的第二輸出，和具有控制第二緩沖器的輸出的第三輸出。
6.根據權利要求5的裝置，其中緩沖器控制器監控第二緩沖器的抽樣數目，并在檢測出的抽樣數目低于預定的下閾值，使得能夠從內插濾波器向第二緩沖器輸入定期抽樣和最后相位時延抽樣，并且使得能夠在相反順序向第二緩沖器輸入預定數目的相位時延抽樣；以及在檢測的在第二緩沖器中的抽樣數目高于預定的閾值時，使得能夠向第二緩沖器依序輸入預定數目的相位時延抽樣，然后中止一個周期的向第二緩沖器的寫入。
7.根據權利要求5的裝置，進一步包括加法器，它具有兩個耦合到第一和第二緩沖器的輸出的輸入，并提供結合的數據輸出。
8.根據權利要求5的裝置，其中在緩沖器電平增加一個抽樣時，所述緩沖器控制器中止向第二緩沖器的寫入。
9.根據權利要求5的裝置，其中在緩沖器電平減少一個抽樣時，所述緩沖器控制器中止第二緩沖器的讀出。
10.根據權利要求5的裝置，其中在緩沖器電平增加一個抽樣時，所述緩沖器控制器使得內插濾波器十中抽一地抽樣。
11.根據權利要求5的裝置，其中在緩沖器電平減少一個抽樣時，所述緩沖器控制器使得內插濾波器增加抽樣。
12.根據權利要求5的裝置，其中內插濾波器包括多個相位(m)，通過360度/m連續遞增，每個輸出第二數據流的延遲版本，以及包括多路復用器，它耦合到多個相位的輸出，并輸出第二數據流的十中抽一的過抽樣版本。
13.根據權利要求12的裝置，其中所述緩沖器控制器控制內插濾波器的多路復用器的輸出，以在緩沖器電平增加一個抽樣時十中抽一的抽樣，并在緩沖器電平減少一個抽樣時增加抽樣。
14.根據權利要求5的裝置，進一步包括存儲器和開關，其中所述內插濾波器包括具有多個系數的單個有限脈沖響應濾波器，所述存儲器存儲多(m)組系數，每m個相一組，并且所述開關，按照每相的需要，用有限沖擊響應濾波器更換使用的多組系數。
15.一種結合兩個在頻率上具有時鐘偏差的異步數據流的方法包括用與第一數據流相關的第一時鐘計時第一數據流進出第一緩沖器的時間；用與第二數據流相關的第二時鐘計時第二數據流進第二緩沖器的時間，和用第一時鐘計時第二數據流出第二緩沖器的時間；根據第二緩沖器的上溢或下溢，在計時第二數據流進入第二緩沖器前，內插和進行第二數據流的十中抽一抽樣；和結合第一和第二緩沖器的輸出。
16.根據權利要求15的方法，進一步包括在第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，從第二緩沖器撤消抽樣。
17.根據權利要求15的方法，進一步包括在第二緩沖器的緩沖器電平減少一個抽樣時，向第二緩沖器增加抽樣。
18.根據權利要求15的方法，進一步包括在第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，中止向第二緩沖器寫入。
19.根據權利要求15的方法，進一步包括在第二緩沖器的緩沖器電平增加一個抽樣時，中止第二緩沖器的讀出。
20.根據權利要求15的方法，其中內插和十中抽一步驟進一步包括，通過多個并行的相位時延來延遲第二數據流，并向單個流多路復用多個延遲。
21.根據權利要求20的方法，進一步包括在存儲器中給多個相位時延的每個存儲一組系數。
22.根據權利要求21的方法，進一步包括用單個有限沖擊響應濾波器進行多個相位時延，當必需提供內插濾波器的每個相位時，在存儲器中存儲的各組系數之間進行切換。
23.根據權利要求15的方法，其中內插和十中抽一的步驟包括檢測在第二緩沖器中的抽樣數目；在第二緩沖器中檢測的抽樣數目低于預定的下閾值時，向第二緩沖器輸入定期抽樣和最后相位時延抽樣，然后反順序向第二緩沖器輸入預定數目的相位時延抽樣；和在檢測的在第二緩沖器中的抽樣數目高于預定上閾值時，向第二緩沖器依序輸入預定數目的相位時延抽樣，然后中止一個周期的向第二緩沖器的寫入。
全文摘要
一種數字化由于時鐘漂移具有不同時鐘頻率偏差的多重數據流的方法和裝置，由于時鐘漂移的誤差以極小的量被分散到多個時鐘周期。為了結合兩個數據流，所述方法在兩個數據流中的一個的現有抽樣之間內插一個或多個抽樣，然后調節這兩個數據流中的一個的現有抽樣數目，保持下游同步緩沖器的平衡，這發生在結合兩個數據流前。可以通過在內插抽樣中增加抽樣或從其十中抽一取抽樣進行調節。為了結合兩個具有時鐘頻率偏差的異步數據流，第一，用與第一數據流相關的第一時鐘計時第一數據流進出第一緩沖器。第二，用與第二數據流相關的第二時鐘計時第二數據流進第二緩沖器，并用第一數據流計時第二數據流從第二緩沖器輸出。第三，根據第二緩沖器的上溢或下溢，在計時第二數據流進入第二緩沖器的時間前，向第二數據流的抽樣內插抽樣和從其十中抽一地抽樣。最后，結合第一和第二緩沖器的輸出。
文檔編號H04N7/173GK1636401SQ01810607
公開日2005年7月6日 申請日期2001年6月4日 優先權日2000年6月2日
發明者羅伯特·蘭迪斯·霍瓦爾德, 肖恩·加拉格爾, 西奧多·布思 申請人:通用儀表公司