實現異步數據跨時鐘域的裝置的制作方法

專利名稱：實現異步數據跨時鐘域的裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，特別是涉及一種實現異步數據跨時鐘域的裝置。
背景技術：
在復雜的數字電路系統中，整個系統由多個單元或多個單板，即多個印刷電路板(PCB，Printed circuit board，)構成，所述多個單板之間通過背板或電纜連接。在數字電路系統中，一般都會涉及時鐘域的轉換。如何實現數據可靠的跨越時鐘域往往是設計中的重點和難點。
在寬帶碼分多址WCDMA基站(NodeB)的設計中，也存在著如何實現數據可靠的跨越時鐘域的問題。在基站內部，所有的基帶處理都是以幀同步和基站幀號(BFN，NodeB Frame Number)為基準的。幀同步由主控單元產生，送給基帶處理的各個單板。由于各個單元和單板處在不同的時鐘域，需要嚴格可靠的幀同步信號。所以接收主控單元的幀同步信號需要實現從外部時鐘域到本地時鐘域的轉換。因此，可靠的幀同步信號對于基站NodeB來說至關重要。所有的上行和下行的公共信道和專用信道都以基站幀號和幀同步信號作為時序參考信號的，并且基站NodeB的幀定時信息通過主同步信道SCH發送到整個小區，用戶設備UE在小區搜索過程中只有從主同步信道SCH獲得可靠的幀定時信息時才能接入該小區。
目前，實現異步數據跨時鐘域的裝置，通常是用硬件來保證跨越時鐘域時幀同步信號的可靠采樣。也就是在硬件時序的分析基礎上對信號進行直接采樣，即通過D觸發器鎖存來實現數據從異步時鐘域到本地時鐘域的轉換。如圖1所示，為幀同步信號直接采樣的原理框圖，包括單板11和單板12(即單板A和單板B)，所述單板11至少包括一個D觸發器111，單板B也至少包括一個D觸發器121。現以單板中包括一個D觸發器為例進行說明，單板11工作在時鐘域A，單板12工作在時鐘域B，幀同步信號從單板11的D觸發器111經過板間接口傳輸到單板12的D觸發器121，其中，用D觸發器121直接鎖存得到工作在時鐘域B的幀同步信號，其幀同步信號的時序圖如圖2所示，需要測量出時鐘域A的幀同步信號經過板間接口傳輸到單板12時與本地時鐘Clk_B的相對關系，也就是說，如果是用時鐘上升沿來采樣幀同步信號，必須對單板硬件進行分析和實際測量，才能得到幀同步信號的邊沿與時鐘的上升沿的相位關系，即ΔT。ΔT實際上就是采樣的建立時間Tsu。在實際應用中，ΔT至少需要滿足兩個條件一是ΔT必須大于邏輯器件，在實際應用中可能是FPGA(Field ProgrammableGate Array)或ASIC(Application Specific Integrated Circuit)的建立時間加上2ns左右的余量；二ΔT在各種惡劣條件和單板批次情況下都必須滿足上述第一個條件。否則采樣出的幀同步信號周期至少會有1個時鐘周期的抖動，從而帶來基站NodeB解調性能的嚴重惡化。
由此可知，在現有技術中，跨越時鐘域時幀同步信號的可靠采樣是需要硬件時序的保證，并且完全依賴于硬件時序的固定。其中，硬件時序主要包括發送端的Tco、發送端到接口傳輸芯片的印刷電路板PCB的延時、傳輸芯片的收發處理延時、接收端的傳輸芯片到目的芯片的PCB的延時、采樣的建立時間等等。硬件人員不僅需要對以上硬件時序進行精確的分析和上板實際測量外，還需要分析各段通道在各種條件(比如電流電壓變化、溫度變化、芯片和單板批次變化)等等情況下的延時差異。如果在以上分析和實際測量中某一處出現了問題或者沒有考慮到，在實際應用中就會在幀同步跨時鐘域時出現抖動的情況。此外，在基站NodeB的實際應用中，現有裝置還存在很大的局限性，比如，常常需要實現射頻拉遠和并柜等應用，這時就需要采用光纖來傳輸數據，甚至需要通過光纖來傳輸時鐘。如果只靠硬件來保證跨越時鐘域時幀同步信號的可靠采樣是無法實現的。
因此，現有技術的缺點為(1)在硬件時序不確定或不能滿足要求(即采樣的建立時間ΔT必須滿足如下條件a、ΔT必須大于邏輯器件的建立時間加上2ns左右的余量；b、ΔT在各種惡劣條件和單板批次情況下都必須滿足上述第一個條件)的情況下，跨越時鐘域的信號存在至少1個時鐘周期的抖動。
(2)現有裝置在光纖傳輸數據的過程中受到一定的局限性。

發明內容
本發明解決的技術問題是提供一種實現異步數據跨時鐘域的轉換裝置，以結構簡單、使用靈活、容易實現以及不依靠硬件時序來實現跨越時鐘域時幀同步信號的可靠采樣，從而解決了周期信號(如幀同步信號)跨越時鐘域時可能出現的抖動現象。
為解決上述問題，本發明提供一種實現異步數據跨時鐘域的裝置，包括，采樣提取上升沿電路，用于對主控單元時鐘域中的幀同步信號進行采樣，并將采樣后的幀同步信號提取上升沿；松耦合計數單元，與采樣提取上升沿電路電連接，根據提取幀同步信號的上升沿確保跨時鐘域時采樣的確定性，用于實現幀同步信號跨時鐘域后依然保持穩定的幀同步周期。
所述松耦合計數單元包括幀同步計數器，是根據本地的時鐘頻率設置一個周期與幀同步周期相同的計數器；松耦合判斷調整子單元，與幀同步計數器和采樣提取上升沿電路分別電連接，用于實現本地幀同步計數器與提取上升沿的幀同步信號的同步。
所述設置一個周期與幀同步周期相同的計數器是由幀同步周期與本地的時鐘頻率的比值來確定的。
所述松耦合判斷調整子單元具體包括判斷器，與幀同步計數器電連接，用于判斷幀同步計數器當前所處的位置；調整器，與判斷器和采樣提取上升沿電路分別電連接，根據判斷結果確定是否對幀同步計數器進行清零。
所述調整器至少包括兩個與門，一個與判斷器相連，另一個與采樣取上升沿電路相連，用于產生幀同步計數器的清零信號。
采樣提取上升沿電路至少包括三個觸發器和一個與門，用于采樣從一個時鐘域得到另一個時鐘域的幀同步信號并提取其上升沿。
所述跨時鐘域為一個幀同步信號從一個時鐘的電路轉到另一個時鐘的電路中。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果本發明提供了一種松耦合機制，不依靠任何硬件時序的保證，采用松耦合機制根據提取幀同步信號的上升沿來避免跨時鐘域時采樣的不確定性，實現了幀同步信號跨時鐘域后依然保持穩定的幀同步周期。其中，所述松耦合機制為將本地時鐘域產生的幀同步周期信號與跨時鐘域的外部信號進行有機的統一，以使二者同步，有效解決了在硬件時序不滿足條件或不確定時，特別是通過光纖傳輸數據的情況下，實現跨時鐘域后幀同步信號的嚴格同步。此外，本發明對于無線基站系統(WCDMA或者CDMA2000等)和其他任何需要周期性的信號進行同步處理的數字信號系統都具有顯著的效果。


圖1是現有技術中對幀同步信號直接采樣的原理框圖；圖2是現有技術中對幀同步信號直接采樣的時序圖；圖3是本發明實現異步數據跨時鐘域的裝置的原理框圖；圖4是本發明松耦合判斷調整子單元的原理框圖；圖5是幀同步信號直接跨時鐘域可能會出現的一個時鐘周期的抖動(即現有技術在異常情況下的缺點)；圖6是分析跨時鐘域后的幀同步信號與幀同步計數器相對關系的示意圖；圖7A是本發明實施例在正常情況下，幀同步做計數器的Clr信號的示意圖；圖7B是在異常情況下，采用現有技術，幀同步做計數器的Clr信號的示意圖；圖7C是采用本發明解決異常情況下一個時鐘周期抖動的時序圖。
具體實施例方式
本發明實現異步數據跨時鐘域的裝置是在現有技術采樣提取上升沿電路的基礎上增加了松耦合計數單元，用于實現幀同步信號跨時鐘域時輸出穩定的幀同步信號，有效的解決了在硬件時序不確定或不滿足條件的情況下，幀同步跨時鐘域時出現的抖動現象，也就是說，本發明采用結構簡單、使用靈活，且不依賴于硬件時序的固定，來獲得幀同步的可靠采樣，實現幀同步信號可靠的跨越時鐘域，保證將發送到各個單元和各個單板的幀同步信號保持穩定的周期。本發明不但在光纖傳輸數據系統中具有顯著的功能，還在需要周期性信號進行同步處理的數字信號系統中也具有很好的效果。
下面結合附圖對本發明做進一步的說明。
請參考圖3，為本發明實現異步數據跨時鐘域的裝置的原理框圖，該裝置包括采樣提取上升沿電路1，用于對主控單元時鐘域中的幀同步信號進行采樣，并將采樣后的幀同步信號提取上升沿；松耦合計數單元2，與采樣提取上升沿電路電連接1，根據提取幀同步信號的上升沿確保跨時鐘域時采樣的確定性，用于實現幀同步信號跨時鐘域時輸出穩定的幀同步信號。
本發明所述幀同步信號，主要來源于主控單元或者其它單元，現以主控單元為例來說明。在WCDMA的基站中主控單元產生定時信號即幀同步信號。主控單元有一個高精度的恒溫晶振，可以產生精度非常高的時鐘頻率。并且主控單元也可以通過GPS(Global Position System)或者E1線等獲得高精度的時鐘信號。主控單元對時鐘進行分頻產生10ms的幀同步信號。并將所述幀同步信號送給基帶處理的各個單板(即印刷電路板PCB)。而各個單板處在不同的時鐘域，將接收的幀同步信號實現從外部時鐘域到本地時鐘域的轉換。可靠的幀同步信號對于基站NodeB的用戶來說至關重要，所有與用戶相連的上行和下行的公共信道和專用信道都以基站的幀號和幀同步信號來作為時序參考信號的，并且基站NodeB的幀定時信息是通過主同步信道SCH發送到整個小區，用戶設備UE在小區搜索過程中只有從主同步信道SCH獲得可靠的幀定時信息時才能接入該小區。
所述采樣提取上升沿電路1，與現有技術實現過程相同，至少包括三個D觸發器和一個與門。圖1為現有技術的示意圖。其中，單板11工作在時鐘域A，單板12工作在時鐘域B，幀同步信號從單板11的D觸發器111經過板間接口傳輸到單板12。用一個D觸發器直接鎖存得到工作在時鐘域B的幀同步信號，并對采樣后的幀同步信號提取上升沿(采用兩個D觸發器和一個與門的電路實現如圖1中121所示)。所述采樣提取上升沿電路實現了幀同步信號跨越時鐘域。
所述松耦合計數單元2，用于實現幀同步信號跨時鐘域時輸出穩定的幀同步信號，包括松耦合判斷調整子單元21和幀同步計數器22。下面對幀同步計數器和松耦合判斷調整子單元分別進行詳細的說明。
所述幀同步計數器22，也可以稱為本地時鐘域的計數器，是根據本地的時鐘的頻率設置一個周期與幀同步周期相同的計數器；所述設置是用幀同步周期與時鐘頻率的比值來確定幀同步計數器的計數次數，其公式為幀同步計數器的計數次數＝幀同步周期/時鐘頻率。為了更能清楚的說明幀同步計數器的設置過程，現舉例進行說明。比如幀同步周期為10ms的計數器，如果本地時鐘的頻率為1MHz(就是說時鐘周期為1us)，由上述公式可知，幀同步計數器的計數次數為10ms/1us＝10000次，所以設計一個從0計到9999(一共加10000次)的計數器就可以實現10ms的幀同步周期。通過所述設置幀同步計數器而產生的幀同步信號可以保持穩定、可靠的幀同步周期。但是，如果單純使用所述的幀同步計數器產生幀同步信號，由于幀同步計數器與主控單元沒有任何固定關系，產生的幀同步信號與主控單元的幀同步信號關系是任意的，也就是不確定的，因此，本地產生的幀同步周期與外部輸入的幀同步信號是完全不同步的。所以，直接使用幀同步計數器產生的幀同步信號沒有任何意義。只有和松耦合判斷調整子單元相結合，才能使產生的幀同步周期與外部輸入的幀同步信號完全同步，發揮其最大的優越性。
所述松耦合判斷調整子單元21，與幀同步計數器22和采樣提取上升沿電路1分別電連接，用于實現幀同步計數器的時鐘周期與提取上升沿的幀同步信號的同步。所述松耦合判斷調整子單元包括判斷器211和調整器212(詳見圖4)，所述判斷器211與幀同步計數器22電連接，用于判斷幀同步計數器的當前所處的位置；所述調整器212，與判斷器211和采樣提取上升沿電路1分別電連接，根據判斷結果確定是否對幀同步計數器進行清零。
在松耦合判斷調整子單元21的實現過程中，對跨時鐘域過來的幀同步信號(即圖3中在時鐘域2中D觸發器對幀同步信號進行采樣并提取上升沿后的信號)和本地幀同步計數器值進行判斷，并根據判斷結果確定是否產生幀同步計數器的清零信號，此過程如圖4所示。所述松耦合判斷調整子單元21實現幀同步計數器22與主控單元(或其它單元)過來的幀同步信號的同步。也就是說，根據跨時鐘域幀同步信號的上升沿，判斷幀同步計數器的值是否為最大或最小的位置，若幀同步計數器的值為最大或最小，則不產生清零信號，否則，產生清零信號，即對幀同步計數器進行清零，這就是松耦合機制。
由于本發明采用松耦合機制，解決了直接跨時鐘域的幀同步信號出現的抖動。現有技術在硬件時序不滿足的情況下會出現如圖5所示的采樣不確定。當時鐘域A的幀同步信號與時鐘域B的時鐘上升沿的相對關系ΔT(即建立時間Tsu)不滿足D觸發器需要的建立時間時，就會出現現象本來D觸發器應該在A位置狀態變為高電平，結果到下一個時鐘周期即B狀態才變為高電平。這樣就出現了1個時鐘周期的抖動。
本發明的機制是在本地時鐘域使用幀同步計數器重新產生穩定的幀同步信號，該幀同步計數器與異步時鐘域過來的幀同步信號進行同步。但直接用跨時鐘域的幀同步信號作為幀同步計數器的清零信號時，會存在如圖6所示的問題，所述圖6為本發明解決幀同步采樣的不確定性的示意圖。其中Max表示計數器的最大值，從0到Max為幀同步計數器的計數周期。直接跨時鐘域的幀同步由于硬件時序可能不滿足，一般存在一個時鐘周期的不確定性，如圖中位置52和位置54(直接跨越時鐘域的幀同步信號與本地幀同步計數器的可能出現的相對位置)。也就是說由于存在一個時鐘周期的抖動，使得幀同步計數器有時計數到Max時被清零，有時計到0后又被清零。這樣就會導致最終生成的幀同步信號的抖動。從以上分析我們可以看出直接跨時鐘域存在一個時鐘周期的抖動，那么我們可以通過放寬異步時鐘域的幀同步信號和本地幀同步計數器的耦合程度即容忍一個時鐘周期的抖動來解決這個問題，這就是松耦合。具體的機制就是當所述幀同步信號在位置1或位置2時，不對幀同步計數器清零，而當幀同步信號不在位置1或位置2時，對該幀同步計數器進行立即清零，使幀同步計數器清零信號與與主控制單元的幀同步周期實現同步，以解決跨時鐘域時幀同步信號的抖動問題。
本發明在單板上電后，采用松耦合機制，使跨時鐘域的幀同步信號對幀同步計數器清零，使幀同步計數器清零信號與與主控制單元的幀同步周期實現同步；然后幀同步計數器可以自己維持一個穩定、嚴格的周期。這個周期與主控單元的幀同步周期的相位差是固定的，即兩者是同步的。以后的每個周期，幀同步信號不管是在位置1或位置2之間是怎么跳動的，本地的幀同步計數器都不會受到它的影響。并且該方案還對抗外界因素變化導致硬件時序嚴重惡化的情況。通過松耦合判斷調整單元會用外部幀同步信號重新對幀同步計數器清零進行一次同步過程。所述松耦合的判斷條件可根據實際情況進行調整，一般情況下判斷兩個位置即可。在接口時序可能抖動較大的情況下可適當增加一到兩個判斷位置(比如計數器為Max-1位置或者1位置時也進行判斷)，即可實現幀同步信號可靠地跨越時鐘域。
為了能進一步的說明本發明所解決的幀同步采樣的不確定性，下面還請參考圖7A、圖7B和圖7C，所述圖7A為幀同步采樣正常情況下的時序圖；圖7B是幀同步采樣異常情況下的示意圖；所述圖7C是采用本發明解決異常情況下一個時鐘周期抖動的時序圖。在正常情況下，跨時鐘域后的幀同步信號周期穩定(如圖7A所示)，所述周期為10(即0到9)。在異常情況下，即硬件時序不確定或不滿足時序要求時，跨時鐘域后的幀同步信號存在著抖動現象(如圖7B中所示)。所述圖7B中的虛線為正確位置，旁邊的實線為抖動后的位置，此時幀同步計數器就出現了7、8、9、0、0、1、2這樣的異常，也就是說多計了一個“0”，這樣計數器的周期也發生了變化。而本發明采用了松耦合機制，可以有效地解決在異常情況下跨時鐘域后的幀同步信號出現的抖動問題。從圖中可知，如果跨時鐘域的幀同步信號為高電平時本地幀同步計數器的值等于9或者0時，則為正常情況，不產生幀同步計數器的清零信號，如果幀同步計數器的值不等于9或者0的位置時，則為異常情況，產生幀同步計數器的清零信號。圖7C是采用了松耦合機制消除了異步跨時鐘域的幀同步的抖動對本地幀同步計數器的影響，使得本地幀同步計數器可以產生一個穩定的幀同步信號。
本發明的關鍵是將本地自己產生幀同步周期信號與跨時鐘域的外部信號(幀同步信號)進行同步這兩方面有機的統一起來。通過本發明，在硬件時序不滿足或不確定時，特別是只能通過光纖傳輸數據的情況下，依然能夠實現幀同步信號的嚴格同步。一般來說，數據在跨越時鐘域時存在一定的不確定性，要消除這種不確定性，普遍的做法是依靠硬件時序。然而硬件時序有時是不能保證幀同步周期的穩定性。本發明采用了松耦合的機制，不依靠任何硬件時序的保證，實現了數據可靠地跨越時鐘域。
此外，本發明在寬帶碼分多趾WCDMA的基站設計中得到了很好的應用。在基站中有些單元與主控單元沒有直接的數據通道傳送幀同步信號，只能通過其他單元將幀同步信號和數據一起轉發給該單元。為了解決跨時鐘域時的幀同步信號的不確定性，即跨時鐘域后的幀同步信號周期會出現1個時鐘周期的抖動。而采用了松耦合計數單元產生了穩定可靠的幀同步信號。使幀同步計數器的清零信號與與主控制單元的幀同步周期實現同步。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種實現異步數據跨時鐘域的裝置，包括采樣提取上升沿電路，用于對主控單元時鐘域中的幀同步信號進行采樣，并將采樣后的幀同步信號提取上升沿；其特征在于，還包括松耦合計數單元，與采樣提取上升沿電路電連接，根據提取幀同步信號的上升沿確保跨時鐘域時采樣的確定性，用于實現幀同步信號跨時鐘域后依然保持穩定的幀同步周期。
2.根據權利要求1所述實現異步數據跨時鐘域的裝置，其特征在于，所述松耦合計數單元包括幀同步計數器，是根據本地的時鐘頻率設置一個周期與幀同步周期相同的計數器；松耦合判斷調整子單元，與幀同步計數器和采樣提取上升沿電路分別電連接，用于實現本地幀同步計數器與提取上升沿的幀同步信號的同步。
3.根據權利要求2所述實現異步數據跨時鐘域的裝置，其特征在于，所述設置一個周期與幀同步周期相同的計數器是由幀同步周期與本地的時鐘頻率的比值來確定的。
4.根據權利要求2所述實現異步數據跨時鐘域的裝置，其特征在于，松耦合判斷調整子單元具體包括判斷器，與幀同步計數器電連接，用于判斷幀同步計數器當前所處的位置；調整器，與判斷器和采樣提取上升沿電路分別電連接，根據判斷結果確定是否對幀同步計數器進行清零。
5.根據權利要求4所述實現異步數據跨時鐘域的裝置，其特征在于，所述調整器至少包括兩個與門，一個與判斷器相連，另一個與采樣取上升沿電路相連，用于產生幀同步計數器的清零信號。
6.根據權利要求1所述實現異步數據跨時鐘域的裝置，其特征在于，采樣提取上升沿電路至少包括三個觸發器和一個與門，用于采樣從一個時鐘域到另一個時鐘域的幀同步信號并對其取上升沿。
7.根據權利要求1所述實現異步數據跨時鐘域的裝置，其特征在于，所述跨時鐘域為一個幀同步信號從一個時鐘的電路轉到另一個時鐘的電路中。
全文摘要
本發明涉及一種實現異步數據跨時鐘域的裝置，包括，采樣提取上升沿電路，用于對主控單元時鐘域中的幀同步信號進行采樣，并提取其上升沿；松耦合計數單元，與采樣提取上升沿電路電連接，根據提取的上升沿信號確保跨時鐘域時采樣的確定性，用于實現幀同步信號跨時鐘域時輸出穩定的幀同步周期，所述松耦合計數單元包括幀同步計數器，用于根據本地的時鐘頻率設置一個與幀同步周期相同的時鐘周期；松耦合判斷調整子單元，用于實現幀同步計數器與提取上升沿的幀同步信號的同步。本發明以結構簡單、使用靈活、容易實現以及不依靠硬件時序來實現跨越時鐘域時幀同步信號的可靠采樣，從而解決了周期信號(如幀同步信號)跨越時鐘域時可能出現的抖動現象。
文檔編號H04L7/08GK1812319SQ20051000275
公開日2006年8月2日 申請日期2005年1月26日 優先權日2005年1月26日
發明者夏敏, 李剛 申請人:華為技術有限公司