利用相位同步本地載波產生多點信號的方法和系統的制作方法

專利名稱：利用相位同步本地載波產生多點信號的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明的實施例總體上涉及模擬和數字信號分配/同步方法和系統，尤其涉及相干系統中在分配點實現載波相位/頻率同步的調制信號的分配。
背景技術：
用于通信、計算、數據處理、軍事和其它應用的許多模擬和數字系統及子系統(下面統稱為“相干系統”)被設計成同步工作。典型的相干系統包括能夠產生和傳送信號的子 系統，比如電子、電氣、機械、光學或聲納子系統。電子相干系統的一個例子是存在于現代數 字系統或子系統中的大批邏輯門。這些邏輯門按照由適當產生或分配的時鐘信號提供的絕 對時鐘節拍來開關。一般來說，本地時鐘信號分配自主時鐘源。為了降低系統級EMI (電磁 干擾)，有時用低頻信號或噪聲調制該時鐘信號。例如，在VLSI系統中常常使用這種技術。 在這種情況下，分配的“時鐘”信號是相位調制載波，所述相位調制載波是非周期性的，盡管 在短時間間隔內具有近似周期的形狀。分配網絡必須保證準確的載波同步，以致所有邏輯 每個時鐘節拍都被正確計時，即使在相當長的一段時間內，時鐘信號的相位都在平均絕對 值左右。除了數字應用之外，還存在許多要求調制信號的時間同步的模擬、RF和混合信號 系統。例如，有源陣列，比如相控陣雷達或電控天線依賴于RF信號的精確載波相位調整。這 些調制信號的分配原理上與數字系統中的時鐘分配相似。典型的具有相控對準輸出的信號分配網絡是利用樹型拓撲分級建立的，所述樹型 拓撲始于與樹干連接的主發生器，樹枝附接在樹干上，之后是其它樹枝等，直到在樹頂到達 最終的信號傳遞點為止。如果對所使用的載頻來說，分配網絡在電學上較小，即，如果與載 波周期相比，從發生器到任意最終傳遞點的信號傳播時間較小，那么如上所述的無任何附 加約束的樹形網絡就足夠了。不過，在多數現代應用中，載頻如此之高(例如，數量級為 GHz)，以致即使小型化的系統，比如完全集成的電路在電學上也不小。這種情況下，提供精 確同步的分配網絡的設計變得極具挑戰性。電學上大型的系統中的信號分配的一種已知方法以“相等飛行時間”原理為基礎。分配網絡被設計成以致信號從主發生器傳播到位于樹頂的所有傳遞點所需的時間是 恒定不變的。RF聯合饋電網絡或VLSI H-樹計時網絡是實現該原理的典型例子。這種方 法是事實上的主力信號分配/同步方法，但是存在大量文件證明的實際限制嚴格的幾何 約束，能耗高，對噪聲靈敏，和對稱為時滯(skew)的定時誤差靈敏。通常，為了遏制這些 缺陷，要采用費用高的附加技術。就有源分配樹，比如用于VLSI計時的有源分配樹來說， 很難獲得在高于幾GHz的頻率下的操作。最近，受功率耗散、噪聲和成本方面的理論性 能改善推動，提出了通過波導的串行時鐘分配。例如，參見Wayne DGrover "Method and Apparatus for Clock Distribution and forDistributed Clock Synchronization"^ 國專利 No. 5361277，1994 年 11 月 1 日；Michael Farmwald 和 Mark Horowitz, "Apparatus forSynchronously Generating Clock signals in a Data ProcessingSystem，，美國專利No. 5243703，1993 年 9 月 7 日；Charles D. Miller "Signals Distribution System” 美國 專利 No. 5712882，1998 年 1 月 27 日；NARO, A Proposal for a Very Large Array Radio Telescope,Vol. II,National Radio Astronomy Observatory,Green Bank,WestVirginia, Ch. 14,1967 ；Richard R Goulette, "Technique forDistributing Common Phase Clock Signals，，美國專利No. 6531358B1，2003年 5 月 13 日；和 V. Prodanov 和 Μ. Banu" GHz Serial Passive ClockDistribution in VLSI Using Bidirectional Signaling，，， Proceedings, 2006 IEEE Custom Integrated Circuits Conference。通過計算沿相反方向傳播的兩個 信號的時間平均值，減輕由于串行傳輸而引起的固有的時滯累積。這種技術的主要基本缺 陷是a)波導的總長度較大，可能導致信號損耗和分散，和b)已知的時間平均電路的實際精 度有限。另外，這些方法預定用于周期性的未調制信 號的分配。以前提出的第一類的串行時鐘分配方案參見Wayne D. Grover "Method and Apparatus for Clock Distribution and forDistributed Clock Synchronization"^ 國專利 No. 5361277，1994 年 11 月 1 日；Michael Farmwald 和 Mark Horowitz, "Apparatus forSynchronously Generating Clock signals in a Data ProcessingSystem，，美國專利 No. 5243703，1993 年 9 月 7 日；和 Charles D. Miller "Signals Distribution System”美 國專利No. 5712882，1998年1月27日，使用通過傳輸線路的電脈沖信令。對這些技術來說， 任何脈沖分散會引入定時誤差，隨著脈沖傳播得越來越遠離發生器，所述定時誤差增大。避 免高頻下的這些誤差的理論可能性是使用極好的低分散傳輸線路，或者使傳輸線路的總長 度保持較短。第一種選擇會增大系統成本，第二種選擇會減小有益應用的數目。結合通過 光學波導傳送的高速光脈沖應用這種方法應提供明顯更低的分散，不過這樣的系統需要與 光電轉換相關的容易產生誤差的附加功能。提出的第二類的串行時鐘分配方案，參見NAR0，A Proposal fora Very Large Array Radio Telescope, Vol. II, National RadioAstronomy Observatory, Green Bank, West Virginia, Ch. 14, 1967 ；Richard R Goulette, "Technique for Distributing Common PhaseClock Signals，，美國專利 No. 6531358B1，2003 年 5 月 13 日；和 V. Prodanov 禾口 M. Banu "GHz Serial Passive Clock Distribution inVLSI Using Bidirectional Signaling，，, Proceedings, 2006 IEEECustom Integrated Circuits Conference,把經由傳 輸線路的正弦電激勵和模擬乘法器用于時間平均。單音信令的一個優點在于作為系統性能 的消極因素的分散的消除。此外，由于這種方案的明顯簡易性，乘法器的使用看起來有吸引 力。不過，這種理論上的簡易性是靠不住的。當更周密地分析時，顯然整個方案的精度依賴于實際能夠實現的模擬乘法器的質 量。特別相關的是乘法器輸出諧波純度。典型的高頻乘法器電路，比如用作RF混頻器的那 些高頻乘法器電路會產生富含諧波的輸出。這種電路不能用于進行精確的時間平均，因為 輸出諧波會引入相當大的定時誤差。于是，需要具有低諧波輸出內容的特殊模擬乘法器電 路。對諸如VLSI計時之類的低成本應用來說，這不是微不足道的設計任務，使用集成的RF 濾波器來清除每個乘法器輸出會不經濟。如果兩個乘法器輸入不具有相同的幅度，那么會 使具有極低諧波內容的集成乘法器的設計更復雜。于是，實際上，必須使傳輸線路內的信號 損耗保持較低。如前所述，由于要求實現昂貴的低損耗傳輸線路，從而在成本方面限制了這 種技術，或者由于總傳輸線路長度較短而應用可能性有限，也限制了這種技術。
發明內容
傳統的樹(S卩，聯合饋電)分配方案和純粹的串行分配方案代表兩種情況。本發 明的實施例包括在不要求過度的傳輸線路長度的情況下，接近純串行方案的優點的方法和 系統。本發明的實施例把調制信號，而不是純音調用于最廣泛的可能應用。按照本發明的一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一樹形網絡和第二樹 形網絡，所述第一樹形網絡在其樹干的一端由第一發生器用載頻f的第一信號激勵，所述 第二樹形網絡在其樹干的一端由第二發生器用載頻f的第二信號激勵。信號分配系統還包 含一組多對信號檢測點。所述多對信號檢測點包含相位同步對，其中在每一對中，一個點在 第一樹形網絡上，另一個點在第二樹形網絡上。此外，每一對具有從第一發生器到其第一點 的信號傳播時間和從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和是稱為同步飛行時間的 恒量的性質。信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信號，以便產生每一對的輸出 信號的裝置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步飛行時間的函數。本實施例的第一和第二發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取 兩個輸入脈沖之間的平均到達時間。第一和第二發生器可以是正弦波發生器，處理相位同 步對信號的電路可以是模擬乘法器。第一和第二樹形網絡可以是無源光網絡。第一和第二 樹形網絡可以是包括光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡可 以是無源電網絡。第一和第二樹形網絡可以是包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網 絡。按照本發明的再一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一樹形網絡和第二 樹形網絡，所述第一樹形網絡在其樹干的一端由第一發生器用載頻f的第一信號激勵，所 述第二樹形網絡在其樹干的一端由第二發生器用載頻f的第二信號激勵，其中第一發生器 的調制和第二發生器的調制在幅度方面相等，在相位方面相反。本實施例的信號分配系統 還包含一組多對信號檢測點。信號檢測點包含相位同步對，以致在每一對中，一個點在第一 樹形網絡上，另一個點在第二樹形網絡上。每一對包含從第一發生器到其第一點的信號傳 播時間和從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和，所述和是稱為同步飛行時間的恒 量。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信號，以便產生每一對的輸 出信號的裝置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步飛行時間的函數。本實施例的第一和第二發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取 兩個輸入脈沖之間的平均到達時間。第一和第二發生器包含正弦波發生器，處理相位同步 對信號的電路可以是模擬乘法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形 網絡包含還包括光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無 源電網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的又一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一樹形網絡和第二 樹形網絡，所述第一樹形網絡在其樹干的一端由第一發生器用載頻f的第一信號激勵，所 述第二樹形網絡的樹干與第一樹形網絡連接。信號分配系統還包含一組多對信號檢測點。 信號檢測點包含相位同步對，其中就每一對來說，一個點在第一樹形網絡上，另一個點在第 二樹形網絡上，每一對具有從第一發生器到其第一點的信號傳播時間和從第二發生器到其 第二點的信號傳播時間之和是稱為同步飛行時間的恒量的性質。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信號，以便產生每一對的輸出信號的裝置，所述每一對的 輸出信號的載頻相位只是同步飛行時間的函數。
本實施例的第一發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取兩個輸 入脈沖之間的平均到達時間。第一發生器包含正弦波發生器，處理相位同步對信號的電路 包含模擬乘法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括 光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源電網絡。第一 和第二樹形網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一和第二樹形網絡， 每個網絡包括樹干和與樹干連接的N個樹枝，其中第一樹形網絡樹干在一端由第一發生器 用載頻f的第一信號激勵，第二樹形網絡樹干在一端由第二發生器用載頻f的第二信號激 勵。本實施例的信號分配系統還包含一組多對信號檢測點。信號檢測點包含相位同步對， 以致在每一對中，一個點在第一樹形網絡上，另一個點在第二樹形網絡上。每一對包含從第 一發生器到其第一點的信號傳播時間和從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和是 稱為同步飛行時間的恒量的性質。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步對中 的信號，以便產生每一對的輸出信號的裝置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步 飛行時間的函數。本實施例的第一和第二發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取 兩個輸入脈沖之間的平均到達時間。第一和第二發生器包含正弦波發生器，處理相位同步 對信號的電路包含模擬乘法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網 絡包含包括光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源電 網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一和第二樹形網絡。 每個網絡包含樹干和與樹干連接的N個樹枝，第一樹形網絡樹干在一端由第一發生器用載 頻f的第一信號激勵，第二樹形網絡樹干與第一樹形網絡的樹干連接。本實施例的信號分 配系統還包含一組多對信號檢測點。信號檢測點包含相位同步對，以致在每一對中，一個點 在第一樹形網絡上，另一個點在第二樹形網絡上。每一對包含從第一發生器到其第一點的 信號傳播時間和從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和是稱為同步飛行時間的恒 量的性質。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信號，以便產生每一 對的輸出信號的裝置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步飛行時間的函數。第一發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取兩個輸入脈沖之間 的平均到達時間。第一發生器包含正弦波發生器，處理相位同步對信號的電路包含模擬乘 法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括光傳輸線路 和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源電網絡。第一和第二樹形 網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一和第二樹形網絡， 每個網絡包括樹干、與樹干連接的一組N個樹枝、和與第一組中的樹枝連接的第二組M個樹 枝，其中第一樹形網絡樹干在一端由第一發生器用載頻f的第一信號激勵，第二樹形網絡 樹干在一端由第二發生器用載頻f的第二信號激勵。本實施例的信號分配系統還包含一組 多對信號檢測點。信號檢測點包含相位同步對，以致在每一對中，一個點在第一樹形網絡上，另一個點在第二樹形網絡上。每一對包含從第一發生器到其第一點的信號傳播時間和 從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和是稱為同步飛行時間的恒量的性質。本實施 例的信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信號，以便產生每一對的輸出信號的裝 置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步飛行時間的函數。第一和第二發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取兩個輸入脈 沖之間的平均到達時間。第一和第二發生器包含正弦波發生器，處理相位同步對信號的電 路包含模擬乘法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網絡包含還包 括光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源電網絡。第 一和第二樹形網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一和第二樹形網絡，每 個網絡包含樹干、與樹干連接的一組N個樹枝、和與第一組中的樹枝連接的第二組M個樹 枝，其中第一樹形網絡樹干在一端由第一發生器用載頻f的第一信號激勵，第二樹形網絡 樹干與第一樹形網絡樹干連接。本實施例的信號分配系統還包含一組多對信號檢測點。信 號檢測點包含相位同步對，以致在每一對中，一個點在第一樹形網絡上，另一個點在第二樹 形網絡上。每一對包含從第一發生器到其第一點的信號傳播時間和從第二發生器到其第二 點的信號傳播時間之和是稱為同步飛行時間的恒量的性質。本實施例的信號分配系統還包 括處理每個相位同步對中的信號，以便產生每一對的輸出信號的裝置，所述每一對的輸出 信號的載頻相位只是同步飛行時間的函數。第一發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取兩個輸入脈沖之間 的平均到達時間。第一發生器包含正弦波發生器，處理相位同步對信號的電路包含模擬乘 法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括光傳輸線路 和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源電網絡。第一和第二樹形 網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括沒有任何樹枝的第一 樹干網絡和沒有任何樹枝的第二樹干網絡，其中第一樹干網絡在一端由第一發生器用載頻 f的第一非周期信號激勵，第二樹干網絡在一端由第二發生器用載頻f的第二非周期信號 激勵。本實施例的信號分配系統還包含一組多對信號檢測點。信號檢測點包含相位同步對， 以致在每一對中，一個點在第一樹干網絡上，另一個點在第二樹干網絡上，每一對具有從第 一發生器到其第一點的信號傳播時間和從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和是 稱為同步飛行時間的恒量的性質。所述信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信 號，以便產生每一對的輸出信號的裝置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步飛行 時間的函數。本實施例的第一和第二發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取 兩個輸入脈沖之間的平均到達時間。第一和第二發生器包含正弦波發生器，處理相位同步 對信號的電路包含模擬乘法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網 絡包含還包括光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源 電網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。 按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括沒有任何樹枝的第一 樹干網絡和沒有任何樹枝的第二樹干網絡，其中第一樹干網絡在一端由包含載頻f的第一非周期信號的第一發生器激勵，第二樹干網絡在一端由包含載頻f的第二非周期信號的第 二發生器激勵，第一發生器的調制和第二發生器的調制在幅度方面相等，在相位方面相反。 本實施例的信號分配系統還包含一組多對信號檢測點。信號檢測點包含相位同步對，以致 在每一對中，一個點在第一樹干網絡上，另一個點在第二樹干網絡上。每一對具有從第一發 生器到其第一點的信號傳播時間和從第二發生器到其第二點的信號傳播時間之和是稱為 同步飛行時間的恒量的性質。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步對中的信 號，以便產生每一對的輸出信號的裝置，所述每一對的輸出信號的載頻相位只是同步飛行 時間的函數。本實施例的第一和第二發生器包括脈沖發生器，處理相位同步對信號的電路提取兩個輸入脈沖之間的平均到達時間。第一和第二發生器包含正弦波發生器，處理相位同步 對信號的電路包含模擬乘法器。第一和第二樹形網絡包含無源光網絡。第一和第二樹形網 絡包含包括光傳輸線路和有源光信號再生器的有源網絡。第一和第二樹形網絡包含無源電 網絡。第一和第二樹形網絡包含還包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括沒有任何樹枝的第一、 第二、第三和第四樹干網絡，其中第一和第三樹干分別由第一和第三發生器用載頻fl的第 一和第三信號激勵，第二和第四樹干分別由第二和第四發生器用載頻f2的第二和第四信 號激勵。本實施例的信號分配系統還包含一組信號檢測點四元組。信號檢測點四元組包含 相位同步四元組，以致在每個四元組中，第一個點在第一樹干上，第二個點在第二樹干上， 第三個點在第三樹干上，第四點在第四樹干上，每個四元組具有從第一發生器到其第一個 點的信號傳播時間和從第三發生器到其第三個點的信號傳播時間之和是稱為第一同步飛 行時間的恒量，從第二發生器到其第二個點的信號傳播時間和從第四發生器到其第四個點 的信號傳播時間之和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質，第二同步飛行時間可以 不同于第一同步飛行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步四元組中的 信號，以便產生每個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的輸出信號的載頻相位只 是第一同步飛行時間和第二同步飛行時間的函數。本實施例的四個發生器包括正弦波發生器，處理相位同步四元組信號的電路還包 括三個模擬乘法器，第一個乘法器與四元組中的第一和第二個點連接，第二個乘法器與四 元組中的第三和第四個點連接，第三個乘法器被連接成把第一和第二個乘法器的濾波輸出 相乘。所述四個樹干網絡包含無源光網絡。所述四個樹干網絡是包括光傳輸線路和有源光 信號再生器的有源網絡。所述四個樹干網絡包含無源電網絡。所述四個樹干網絡包含包括 電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括沒有任何樹枝的第一、 第二、第三和第四樹干網絡，其中第一和第三樹干分別由第一和第三發生器用載頻fl的第 一和第三信號激勵，第一和第三調制具有相等的幅度和相反的相位。第二和第四樹干分別 由第二和第四發生器用載頻f2的第二和第四信號激勵，第二和第四調制具有相等的幅度 和相反的相位。本實施例的信號分配系統還包含一組稱為相位同步四元組的信號檢測點四 元組，以致在每個四元組中，第一個點在第一樹干上，第二個點在第二樹干上，第三個點在 第三樹干上，第四點在第四樹干上，每個四元組具有從第一發生器到其第一個點的信號傳 播時間和從第三發生器到其第三個點的信號傳播時間之和是稱為第一同步飛行時間的恒量，從第二發生器到其第二個點的信號傳播時間和從第四發生器到其第四個點的信號傳播 時間之和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質，第二同步飛行時間可以不同于第一 同步飛行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步四元組中的信號，以便 產生每個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的輸出信號的載頻相位只是第一同步 飛行時間和第二同步飛行時間的函數。 本實施例的四個發生器包括正弦波發生器，處理相位同步四元組信號的電路包括 三個模擬乘法器，第一個乘法器與四元組中的第一和第二個點連接，第二個乘法器與四元 組中的第三和第四個點連接，第三個乘法器被連接成把第一和第二個乘法器的濾波輸出相 乘。所述四個樹干網絡是無源光網絡。所述四個樹干網絡是包括光傳輸線路和有源光信號 再生器的有源網絡。所述四個樹干網絡包含無源電網絡。所述四個樹干網絡包含還包括電 傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個方面，提供一種信號分配系統，包括沒有任何樹枝的第一、第 二、第三和第四樹干網絡，其中第一樹干由第一發生器用載頻fl的第一信號激勵，第二樹 干由第二發生器用載頻f2的第二信號激勵，第三樹干與第一樹干連接，第四樹干與第二樹 干連接。本實施例的信號分配系統還包含一組包含相位同步四元組的信號檢測點四元組， 以致在每個四元組中，第一個點在第一樹干上，第二個點在第二樹干上，第三個點在第三樹 干上，第四點在第四樹干上，每個四元組具有從第一發生器到其第一個點的信號傳播時間 和從第一發生器到其第三個點的信號傳播時間之和是稱為第一同步飛行時間的恒量，從第 二發生器到其第二個點的信號傳播時間和從第二發生器到其第四個點的信號傳播時間之 和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質，第二同步飛行時間可以不同于第一同步飛 行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步四元組中的信號，以便產生每 個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的輸出信號的載頻相位只是第一同步飛行時 間和第二同步飛行時間的函數。本實施例的四個發生器是正弦波發生器，處理相位同步四元組信號的電路包括 三個模擬乘法器，第一個乘法器與四元組中的第一和第二個點連接，第二個乘法器與四元 組中的第三和第四個點連接，第三個乘法器被連接成把第一和第二個乘法器的濾波輸出相 乘。所述四個樹干網絡包含無源光網絡。所述四個樹干網絡包含還包括光傳輸線路和有源 光信號再生器的有源網絡。所述四個樹干網絡包含無源電網絡。所述四個樹干網絡包含還 包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一、第二、第三和第 四樹形網絡，其中第一和第三樹形網絡的樹干分別由第一和第三發生器用載頻fl的第一 和第三信號激勵，第二和第四樹形網絡的樹干分別由第二和第四發生器用載頻f2的第二 和第四信號激勵。本實施例的信號分配系統還包含一組稱為相位同步四元組的信號檢測點 四元組，以致在每個四元組中，第一個點在第一棵樹上，第二個點在第二棵樹上，第三個點 在第三棵樹上，第四點在第四棵樹上，每個四元組具有從第一發生器到其第一個點的信號 傳播時間和從第三發生器到其第三個點的信號傳播時間之和是稱為第一同步飛行時間的 恒量，從第二發生器到其第二個點的信號傳播時間和從第四發生器到其第四個點的信號傳 播時間之和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質，第二同步飛行時間可以不同于第 一同步飛行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步四元組中的信號，以便產生每個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的輸出信號的載頻相位只是第一同 步飛行時間和第二同步飛行時間的函數。本實施例的四個發生器包含正弦波發生器，處理相位同步四元組信號的電路包括 三個模擬乘法器，第一個乘法器與四元組中的第一和第二個點連接，第二個乘法器與四元 組中的第三和第四個點連接，第三個乘法器被連接成把第一和第二個乘法器的濾波輸出相 乘。所述四個樹形網絡包含無源光網絡。所述四個樹形網絡包含還包括光傳輸線路和有源 光信號再生器的有源網絡。所述四個樹形網絡包含無源電網絡。所述四個樹干網絡包含包 括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一、第二、第三和第 四樹形網絡，其中第一和第三樹形網絡的樹干分別由第一和第三發生器用載頻fl的第一 和第三信號激勵，第一和第三調制具有相等的幅度和相反的相位，第二和第四樹形網絡的 樹干分別由第二和第四發生器用載頻f2的第二和第四信號激勵，第二和第四調制具有相 等的幅度和相反的相位。本實施例的信號分配系統還包含一組稱為相位同步四元組的信號 檢測點四元組，以致在每個四元組中，第一個點在第一棵樹上，第二個點在第二棵樹上，第 三個點在第三棵樹上，第四點在第四棵樹上，每個四元組包含從第一發生器到其第一個點 的信號傳播時間和從第三發生器到其第三個點的信號傳播時間之和是稱為第一同步飛行 時間的恒量，從第二發生器到其第二個點的信號傳播時間和從第四發生器到其第四個點的 信號傳播時間之和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質，第二同步飛行時間可以不 同于第一同步飛行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相位同步四元組中的信 號，以便產生每個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的輸出信號的載頻相位只是 第一同步飛行時間和第二同步飛行時間的函數。本實施例的四個發生器包含正弦波發生器，處理相位同步四元組信號的電路包括 三個模擬乘法器，第一個乘法器與四元組中的第一和第二個點連接，第二個乘法器與四元 組中的第三和第四個點連接，第三個乘法器被連接成把第一和第二個乘法器的濾波輸出相 乘。所述四個樹形網絡包含無源光網絡。所述四個樹形網絡包含包括光傳輸線路和有源光 信號再生器的有源網絡。所述四個樹形網絡包含無源電網絡。所述四個樹干網絡包含還包 括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括第一、第二、第三和第 四樹形網絡，其中第一樹形網絡的樹干由第一發生器用載頻fl的第一信號激勵，第二樹形 網絡的樹干由第二發生器用載頻f2的第二信號激勵，第三樹形網絡的樹干與第一樹形網 絡連接，第四樹形網絡的樹干與第二樹形網絡連接。本實施例的信號分配系統還包含一組 稱為相位同步四元組的信號檢測點四元組，以致在每個四元組中，第一個點在第一棵樹上， 第二個點在第二棵樹上，第三個點在第三棵樹上，第四點在第四棵樹上，每個四元組包含從 第一發生器到其第一個點的信號傳播時間和從第一發生器到其第三個點的信號傳播時間 之和是稱為第一同步飛行時間的恒量，從第二發生器到其第二個點的信號傳播時間和從第 二發生器到其第四個點的信號傳播時間之和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質， 第二同步飛行時間可以不同于第一同步飛行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每 個相位同步四元組中的信號，以便產生每個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的 輸出信號的載頻相位只是第一同步飛行時間和第二同步飛行時間的函數。
本實施例的四個發生器包含正弦波發生器，處理相位同步四元組信號的電路包括 三個模擬乘法器，第一個乘法器與四元組中的第一和第二個點連接，第二個乘法器與四元 組中的第三和第四個點連接，第三個乘法器被連接成把第一和第二個乘法器的濾波輸出相 乘。所述四個樹形網絡包含無源光網絡。所述四個樹形網絡包含還包括光傳輸線路和有源 光信號再生器的有源網絡。所述四個樹形網絡包含無源電網絡。所述四個樹干網絡包含還 包括電傳輸線路和電信號再生器的有源網絡。 按照本發明的另一個實施例，提供一種信號分配系統，包括沒有任何樹枝的第一、 第二、第三和第四樹干網絡，其中第一和第三樹干分別由第一和第三發生器用載頻Π，并 且載波相位正交的第一和第三信號激勵，第二和第四樹干分別由第二和第四發生器用載頻 f2，并且載波相位正交的第二和第四信號激勵。本實施例的信號分配系統還包含一組稱為 相位同步四元組的信號檢測點四元組，以致在每個四元組中，第一個點在第一樹干上，第二 個點在第二樹干上，第三個點在第三樹干上，第四點在第四樹干上，每個四元組具有從第一 發生器到其第一個點的信號傳播時間和從第二發生器到其第二個點的信號傳播時間之和 是稱為第一同步飛行時間的恒量，從第三發生器到其第三個點的信號傳播時間和從第四發 生器到其第四個點的信號傳播時間之和是稱為第二同步飛行時間的另一恒量的性質，第二 同步飛行時間可以不同于第一同步飛行時間。本實施例的信號分配系統還包括處理每個相 位同步四元組中的信號，以便產生每個四元組的輸出信號的裝置，所述每個四元組的輸出 信號的載頻相位只是第一同步飛行時間和第二同步飛行時間的函數。


通過參考附圖中圖解說明的實施例，可獲得詳細理解本發明的上述特征的方式， 艮口，上面簡要概述的本發明的實施例的更詳細說明。不過，要注意的是附圖只是圖解說明包 含在本發明的范圍內的典型實施例，于是，不應被視為對本發明的限制，因為本發明可以允 許其它等效實施例，其中圖1按照本發明的實施例，描述同步系統的示意圖，所述同步系統具有由兩個獨 立發生器激勵的兩個獨立樹形網絡，所述兩個獨立樹形網絡具有成對的樹枝；圖2按照本發明的實施例，描述圖1的同步系統的樹形網絡的示意圖，其中取到達 時間平均值客戶端(ATAC)電路布置在樹枝對上；圖3按照本發明的實施例，圖解說明在發生器信號包含脈沖的情況下，ATAC電路 的定時圖和功能；圖4按照本發明的實施例，描述圖2的同步系統的示意圖，所述示意解說明從 兩個發生器到ATAC電路B的傳播時間TBl和TB2，并把系統參量SFT (同步飛行時間)定義 為TBl禾口 TB2之和；圖5描述圖2的同步系統的示意圖，所述示意解說明從兩個發生器到ATAC電 路D的傳播時間TDl和TD2，并表明它們之和TD1+TD2等于SFT ；圖6按照本發明的一個實施例，描述同步系統的示意圖，所述示意解說明從 兩個發生器到虛擬ATAC電路B'的傳播時間TBl'和TB2'，并表明它們之和TBI' +TB2' 等于SFT ； 圖7按照本發明的一個實施例，圖解說明圖6的同步系統的定時圖，所述定時圖描述在圖6的客戶端B、客戶端D和虛擬客戶端B'的脈沖到達時間，假定兩個發生器都在等 于零的時間發送脈沖，證明對所有情況來說，到達時間平均值都相同，并且是SFT的函數；圖8按照本發明的一個實施例，圖解說明圖6的同步系統的定時圖，所述定時圖描 述具有δ T峰間相位變化的發生器#2角調制的效果；圖9按照本發明的一個實施例，圖解說明普通S客戶端電路的定時圖和功能，所述 S客戶端電路的輸出是SFT的函數，并且所述功能比任何ATAC電路的功能更具有一般性；圖10按照本發明的一個實施例，圖解說明具有單一發生器的同步系統的示意圖；圖11按照本發明的一個實施例，圖解說明具有單一發生器的同步系統的示意圖；圖12按照本發明的一個實施例，圖解說明具有描述二維笛卡爾體系的物理分離樹干的同步系統的示意圖；圖13按照本發明的一個實施例，圖解說明具有帶在物理上分離的樹干的笛卡爾 體系的同步系統的示意圖；圖14按照本發明的一個實施例，圖解說明沒有任何樹枝，具有兩個發生器(一個 發生器正被調制)的同步系統的示意圖；圖15按照本發明的一個實施例，圖解說明沒有任何樹枝，具有兩個發生器(兩個 發生器正被調制)的同步系統的示意圖；圖16按照本發明的一個實施例，圖解說明沒有任何樹枝，具有一個已調制發生器 的同步系統的示意圖；圖17按照本發明的一個實施例，圖解說明圖2的具有“扭曲”的樹干的同步系統 的示意圖；圖18按照本發明的一個實施例，圖解說明圖2的具有“扭曲”的樹干和樹枝的同 步系統的示意圖；圖19按照本發明的一個實施例，描述具有兩個普通樹形網絡的同步系統的示意 圖，其中檢測點被選擇成以便形成相位同步對(al，a2)、(bl，b2)、(cl,c2)... (nl,n2)；圖20按照本發明的一個實施例，描述圖19的樹形網絡的示意圖，其中在相位同步 對(al，a2)、(bl，b2)、(cl，c2)、(nl，n2)的點添加 S 客戶端電路；圖21按照本發明的一個實施例，描述圖20的利用單一發生器的一般信號分配原 理的示意圖；圖22按照本發明的一個實施例，描述圖20的在所有相位同步對中具有相鄰點的 系統的實現方法的示意圖；圖23按照本發明的一個實施例，描述具有兩個發生器的三維笛卡爾同步系統的 示意圖；圖24按照本發明的一個實施例，描述具有一個發生器的三維笛卡爾同步系統的 示意圖；圖25按照本發明的一個實施例，描述具有四個樹干和四個發生器的雙頻同步系 統的示意圖；圖26按照本發明的一個實施例，描述具有四個樹干和兩個發生器的雙頻系統的 示意圖；圖27按照本發明的一個實施例，描述圖25-26的同步系統的S客戶端電路的示意圖；圖28按照本發明的一個實施例，描述具有四個樹形網絡和四個發生器的雙頻系 統的示意圖；圖29按照本發明的一個實施例，描述具有四個樹形網絡和兩個發生器的雙頻系 統的示意圖；圖30按照本發明的一個實施例，描述具有兩個樹干和兩個發生器的雙頻系統的 示意圖；圖31按照本發明的一個實施例，描述具有四個樹干和四個發生器的雙頻I/Q系統 的示意圖；圖32按照本發明的一個實施例，描述具有四個樹干和兩個發生器的雙頻I/Q系統 的示意圖；圖33按照本發明的一個實施例，描述具有兩個樹形網絡和兩個發生器的雙頻I/Q 系統的示意圖；圖34按照本發明的一個實施例，描述具有兩個樹形網絡和兩個發生器的單頻I/Q 系統的示意圖；圖35按照本發明的一個實施例，描述具有全局同步的雙向本地振蕩器(LO)信號 的雙變換系統的示意圖；圖36按照本發明的一個實施例，描述具有任意拓撲的兩個網絡，并且根據信號相 位關系選擇相位同步對(al，a2)、(bl，b2)、(cl, c2)、(dl，d2)的同步系統的示意圖；圖37按照本發明的一個實施例，描述圖36的具有單一發生器的同步系統的示意 圖。這里使用的標題只是為了組織下面的說明，并不意圖用于限制說明書或權利要求 的范圍。在整個申請文件中使用的詞語“可以”表示許可的意思(即，意味有可能)，而不是 表示強制性的意思(即，意味必須)。類似地，用語“包括”意味包括(但不限于)。為了便 于理解，在可能的情況下，使用相同的附圖標記表示各個附圖所共有的相同元件。
具體實施例方式利用兩層樹的單頻系統本發明的實施例包括在空間中的多個點生成至少兩個調制信號，以致其載波具有 相同的頻率，并且彼此具有精確的相位關系。圖1描述兩個獨立的樹形網絡的示意圖，每個樹形網絡由樹干1和樹枝2組成。樹 干和樹枝恰當地端接傳輸線路(為了簡潔起見，圖1中未示出端接電路)，比如微帶電線， 光波導或者聲波導。樹干1和樹枝2之間的差別不是實質上的，而只是名義上的差別，以傳 輸線路(TL)相對于樹形網絡輸入端口的相對位置為基礎。樹干1被定義為直接與輸入端 口連接的傳輸線路。樹枝2通過無源或有源電路3與樹干1耦接。無源耦接電路可以是簡 單的信號分離器。就電氣系統來說，有源耦接電路可以是在耦接點感測樹干的電壓，并驅動 樹枝的電壓放大器。通過這些耦接電路的信號延遲被假定為或者對所有耦接電路來說都相 等，或者彼此成已知的關系。為了簡潔和清楚起見，圖1中的樹形網絡圖和本說明書的所有 其它附圖中的樹形網絡圖都未明確地顯示任何端接電路。然而，所有網絡樹干和樹枝都被恰當地端接(用簡單的電阻器或者更復雜的網絡端接)，以便避免任何顯著的信號反射。關于圖1描述的樹形網絡是本說明書中稱為TL樹形網絡的一大類樹形網絡的特 殊情況。通常，TL樹形網絡具有樹干和許多樹枝，所述樹干是與TL樹輸入端耦接的TL，所 述樹枝是或者與樹干或者與其它樹枝耦接的TL。TL樹形網絡的層級是在TL樹輸入端施加 的信號所通過的樹枝的最大數目加1(把樹干視為樹枝)。例如，圖1中的TL樹為兩層樹 (輸入信號通過一個樹干和一個樹枝)。下面，提供層級大于2的TL樹的例子(例如，圖 19-20)。應明白本發明的實施例不僅考慮了 TL樹形網絡，而且還考慮了作為非TL樹形網 絡的許多樹形網絡。例如，可在無TL的情況下構成樹干和一些或全部的樹枝。TL組件的使 用并不重要。圖1中的兩個樹形網絡具有平行的樹干，它們的樹枝被配對，以致所有各對樹枝4 都具有實質相同的物理結構。每對樹枝連接到平行樹干的位置并不重要。每對中的兩根樹 枝彼此接近。兩個發生器5向圖1中的樹形網絡施加輸入信號。發生器信號可以是頻率f的調 制載波。載波是當不存在調制(零調制)時的任何周期性信號，載頻是當不存在調制時載 波的頻率。當存在調制，比如相位調制或頻率調制時，載波通常不是周期性信號。圖2描述由圖1的網絡結構和附接在網絡上的許多(服從最大實際極限_將在下 面說明)實質相同的電路塊組成的信號分配系統的示意圖，所述電路塊稱為“取到達時間 平均值客戶端”或ATAC電路。塊5代表圖2中的ATAC電路之一。圖2中的其它ATAC電路 標記為 A、B、D、Z、AA 禾口 AF。如圖3中所示，每個ATAC電路具有兩個輸入端和一個輸出端。ATAC電路輸入端與 在相鄰位置的樹枝對的樹枝連接。一些ATAC電路可不同于其它ATAC電路，按照相反的順 序被連接。例如，如果“正常的”連接順序被定義為使ATAC電路的第一輸入端與第一樹形 網絡連接，ATAC電路的第二輸入端與第二樹形網絡連接，那么可通過使一些ATAC電路的第 一輸入端連接到第二樹形網絡，使其第二輸入端連接到第一樹形網絡而連接所述一些ATAC 電路。ATAC電路被認為不會以任何顯著的方式加重形成樹枝的傳輸線路的負載。換句 話說，認為在每棵樹上傳播的信號不會因ATC電路的存在而受到干擾。作為進一步的澄清， 如果圖2中的系統是純粹的電氣系統，那么相對于傳輸線路的特性阻抗來說，認為ATAC電 路的輸入阻抗較大，以致ATAC電路只感測樹枝上的電壓或電流，對樹信號沒有任何顯著影 響。如果ATAC電路的數目并不過大，那么這種假定實際上是合理的。這解釋了早先關于 ATAC電路的數目的最大實際極限的論述。圖3中關于當發生器信號是周期脈沖(零調制)時的情況，解釋了 ATAC電路的 功能。通常，這些脈沖在不同的時間到達兩個ATAC電路輸入端。在這兩個輸入脈沖之間 的時段的中間，ATAC電路產生輸出脈沖，因此命名該電路。換句話說，ATAC電路輸出脈沖 被放在輸入脈沖的到達時間之間的平均時間。在Wayne D. Grover "Method andApparatus for Clock Distribution and for Distributed ClockSynchronization"美國專禾1J No.5361277，1994 年 11 月 1 日；MichaeIFarmwald 禾口 Mark Horowitz, "Apparatus for SynchronouslyGenerating Clock signals in a Data Processing System，，美國專利 No. 5243703，1993 年 9 月 7 日；和 Charles D. Miller"SignalsDistribution System，，美國專利No. 5712882，1998年1月27日中更詳細地以時鐘提取電路的形式描述了 ATAC電路關 于周期脈沖情況的功能，這些專利的公開內容在此整體引為參考。實際的實現包括PLL和 DLL電路。 圖2的系統中的ATAC電路的輸出具有相位同步載波。為了簡潔起見，考慮周期性 的無任何調制的發生器信號的情況。圖4-6中也表示了圖2中的系統，同時具體示出不同 的信號傳播路徑和時間。標記為A、B、C、Ζ、AA、AF的ATAC電路將被稱為客戶端A、B、C等。在圖4中，從樹輸入端到客戶端B的信號傳播時間為TBl和TB2。我們把稱為“同 步飛行時間”或者說SFT的參數定義為TBl與TB2之和SFT = TB1+TB2 (1)圖5表示到客戶端D的信號路徑和相關的信號傳播時間TDl和TD2。這兩個參量 可如下用TBl和TB2表示TDl = TBl-Δ Tl (2a)TD2 = ΤΒ2+ΔΤ1 (2b)關系式⑵中的參量ΔΤ1是在客戶端B和D的位置之間的樹枝上的信號傳播時 間(圖5)。把關系式(2)相加，并利用(1)，我們得到TD1+TD2 = SFT (3)關系式(3)是在沒有關于客戶端D在其樹枝對上的位置的任何特定假設的情況下 得到的。于是，對于所考慮的樹枝對，SFT是恒量。依據類似的論證，所有樹枝對都具有恒 定的SFT。此外，我們能夠證實所有樹枝對的SFT具有相同的值，于是，SFT是系統常數。這 將在下面進行。圖6集中在相對于最左側的樹枝對的SFT，計算最右側的樹枝對的SFT。如果我們 假定某一客戶端在其樹枝對中以與客戶端B在最左側樹枝對中的相同的相對位置，位于最 右側樹枝對中，那么這種計算是直截了當的。用于舉例說明的這種假想客戶端被稱為虛擬 客戶端B'。根據前面的討論，對最右側的樹枝對來說，虛擬客戶端B'的SFT是恒量。信 號從發生器到虛擬客戶端B'的位置的傳播時間TB' 1和TB' 2被計算為ΤΒ，1=ΤΒ1+ΔΤ2 (4a)TB' 2 = ΤΒ2-ΔΤ2 (4b)關系式(4)中的參量ΔΤ2是對連接所考慮的兩個樹枝對(最左側和最右側)的 樹干對部分來說，樹干上的信號傳播時間。對此進行說明的一種不同方式是注意最右側的 樹枝對可被看作最左側的樹枝對的空間平移，ΔΤ2表示信號越過該平移所必需的時間。把 關系式(4)相加，得到作為系統恒量的SFT TB，1+TB，2 = TD1+TD2 = SFT (5)可以斷定對于圖2中的分配系統，置于樹枝對上的任何任意位置的所有客戶端 (ATAC電路)檢測從其相應的發生器開始的組合總傳播時間為恒量(SFT)的信號。圖7中 圖解說明這種性質的意義。 假定發生器信號是始于時間零的周期脈沖，圖7表示這些脈沖到達位置B、D和B' 的實例。用實線表示的脈沖發源于發生器#1，用虛線表示的脈沖發源于發生器#2。平均脈 沖到達時間是等于SFT值的一半的絕對時刻(假定時間零被定義為當發生器產生脈沖時的 時刻)。于是，所有客戶端輸出處于精確的相位同步。這種性質與脈沖發生時間無關，借助圖7中的示圖能夠容易地核實這一點。發源于每個發生器的脈沖的相對位置僅僅依賴于參量ΔΤ1和ΔΤ2，它們是由系統結構設定的系統不變量，S卩，參量。這些不變量確定來自發生 器#1的脈沖和來自發生器#2的脈沖在時間坐標上的固有對稱性。這種對稱性確定了 ATAC 電路提取的全局基準。前面的討論表明盡管圖2的系統中的客戶端被布置在不同的空間坐標，不過如果 輸入是周期信號，即，未調制的載波，那么它們的輸出的相位精確對準。其帶寬相對于載波 較小的角調制的添加不會以任何明顯的方式改變實際的系統行為。圖8以圖形方式證明了 這一點。在圖8中，假定用其帶寬遠小于載頻的信號對發生器#2進行相位調制。例如，載 頻為1GHz，調制信號帶寬為ΙΚΗζ。這種情況下，對IKHz正弦調制來說，在每個調制信號周 期中存在100000個載波周期。如果調制信號是帶寬IKHz的普通隨機信號，那么調制信號 的變化率甚至更小。這種調制的添加將通過在數千個脈沖內非常緩慢地來回移動圖8中的 虛線脈沖，改變脈沖圖。圖8圖解說明了來自發生器#2的脈沖的峰間δΤ相位變化。由于 利用零調制信號(來自發生器#1)進行平均，客戶端輸出包含降低1/2的相同調制。通常，調制信號沿著傳輸線路從發生器#2到任何客戶端的傳播具有和載波傳播 相同的速度。于是，每個客戶端將以適當的延遲收到該信號。不過，在關心的許多實際情況 下，相對于調制自相關寬度(即，調制帶寬的倒數)，從發生器到最遠客戶端的信號傳播時 間很短。于是，從實際的觀點來看，所有客戶端立刻收到調制信號。如果圖2中的兩個發生器信號都被角調制，那么客戶端輸出包含平均角調制。重 要的情況是當用相反的角方向調制這兩個發生器時。盡管每棵樹傳送調制信號，不過輸出 的客戶端平均調制變為零(只輸出載波)。對于EMI是潛在問題的VLSI時鐘分配來說，這 是一種重要的情況。代替分配能量集中在一個頻率的具有諧波的純周期信號，本發明的實 施例設想分配具有較低EMI的更寬能量分布，但是在客戶端輸出端仍能重新獲得純時鐘信 號的調制信號。圖9描述仍然實現全局輸出相位同步的ATAC電路功能的一個實施例。SFT是系統 不變量。于是，SFT的任何函數也是不變量。為此，通常可以使用產生作為SFT的函數的輸 出的任何客戶端電路來獲得全局相位同步。為了清楚起見，這里術語“函數”指的不是任何 具體公式，而是聯系固定集合的每個元素(例如，數字)的單一值的一般數學概念。實現SFT的函數的電路被稱為同步客戶端或者“S客戶端”。例如，圖9中的S客戶 端功能在平均脈沖到達時間中加入恒定時間延遲。ATAC電路是所有可能的S客戶端的特殊 情況。按照圖9中的功能，簡單的S客戶端(它不是ATAC電路)應是鎖定在偏離平均脈沖 到達時間的恒定時間偏移處的DLL(延遲鎖定環)。可從越過兩個網絡的脈沖串的周期得到 恒定時間延遲 Δ T0 在 NAR0,A Proposal for a VeryLarge Array Radio Telescope, Vol. II,National Radio AstronomyObservatory,Green Bank,West Virginia,Ch. 14,1967 ；禾口 RichardR Goulette"Technique for Distributing Common Phase ClockSignals，，美國專 利No.6531358Bl，2003年5月13日中可找到關于當正弦波信號被用作模擬乘法器時的情 況的S客戶端的其它例子，上述文獻的內容在此整體引為參考。其它例子包括具有相移的 模擬乘法器。圖2中的系統還具有另一個重要的潛在能力，S卩，相對于載波單獨移動客戶端輸出的相位的可能性。實現此的方式有兩種。一種方式是使用不同的S客戶端，這會實現不 同的SFT函數，同時仍然保持基本的絕對時間基準。例如，可以使用具有相對于輸入脈沖的 可變鎖定位置的DLL客戶端。對客戶端輸出進行移相的第二種方法是在樹枝或樹干耦接處 引入延遲或相移。這會賦予相對于其它樹枝，移動整個樹枝的提取載波相位的能力。在天 線陣列應用，例如關于僅僅方位角或高度的波束控制應用中，這是有益的。具有兩層樹的其它單頻系統
用于介紹本發明的實施例的圖2的系統可被擴展成許多變型。圖10-16描述非窮 盡的一些例子。圖10-13表示使用單一發生器的系統。在這些情況下，第二棵樹與相應的 第一棵樹的樹干連接。圖14-16表示只有樹干，沒有樹枝的系統的情況。本發明的實施例包括優于現有技術的許多優點。例如，代替局限于使用簡單的串 行連接，本發明的實施例使用專門設計的樹形網絡。用這些樹形網絡代替純粹的串行鏈路 可大大減小傳輸線路總長度，同時類似地降低信號損耗。在難以設計寬度小，并且特性阻抗 相當高的極長的低損耗傳輸線路的VLSI應用中，這是特別重要的。如本發明的實施例設想 的樹形網絡的使用不同于傳統的信號分配中的樹形網絡的使用，因為至少不要求從樹根到 樹頂的相同飛行時間，并且不存在幾何限制。此外，代替僅僅使用周期信號，本發明的實施例設想使用包含載頻的任何信號，包 括非周期信號。對于比如有源陣列發射器中的載波同步調制信號的分配或生成來說，這是 重要的。另外，這可應用在具有低EMI的VLSI時鐘分配中。SFT被確定為基本的系統不變量和基本的絕對時間單位。所有同步特征來源于 SFT0從而，SFT的任何函數提供有效的定時基準。現有技術只把到達時間平均值看作絕對 時間基準。于是，本發明的實施例揭示關于同步載波電路的合成的更普遍原理。推廣單頻系統圖17-18中圖形表示了圖2中的系統的第一種普遍化可能性。從圖2中的初始系 統開始，可如圖17中那樣扭曲樹干，而對客戶端輸出的載波同步沒有任何影響。根據前面 關于圖4-6的討論進一步闡明了這一點。改變樹干長度或者甚至扭曲樹干的物理形狀(只 要兩個樹干都具有相同的區段長度)的一個效果是全局定時基準偏移。類似地，如圖18中 所示，如果在長度和形狀方面扭曲所有樹枝，那么同樣如此。樹的物理形狀并不重要的優點在實踐中很有價值，本發明考慮了該優點。就陣列 同步來說，本發明的實施例設想保形設計。另外，就VLSI時鐘分配來說，不同于諸如H樹之 類的分配樹，在TL長度和形狀方面沒有強加任何約束。圖19-20表示本發明的其它實施例。在圖19中，描述了通常不相等的兩棵樹，每 棵樹具有一個樹干和按照許多層級連接的任意數量的樹枝。發生器激勵每個樹干。可以選 擇各對樹點，以致每對包含出自第一棵樹的一個點和出自第二棵樹的一個點。這些點被稱 為相位同步對。每個相位同步對具有唯一的SFT。通常，能夠識別出具有相同SFT的許多相 位同步點。例如，能夠任意選擇分別位于一棵樹上，并形成第一對的兩個點。對于該特定點對，存在作為從發生器#1到該對中的第一個樹點的信號傳播時間 與從發生器#2到該對中的第二個樹點的信號傳播時間之和計算的SFT。接下來，可以離開 第一棵樹上的發生器#1，走向第二棵樹上的發生器#2，找出具有相同SFT的其它點對。此 夕卜，可以搜索其它樹枝，找出具有相同SFT的其它點對。顯然，對于任何雙樹網絡，存在許多可能的SFT和相關的多組樹點對。具有相同SFT的一組同步對被稱為同步對集合。圖19 圖解說明了三個相位同步對(al，a2)、(bl，b2)和(cl，c2)的集合。圖20表示在圖19中的網絡中添加S客戶端電路，以致SFT被用于提取絕對時間 基準(利用相位同步載波產生信號)。自然地，如前所述，可以消除一個發生器，第二棵樹與 第一棵樹耦接。圖21中表示了這種可能性。圖19-21中的情況與前述情況之間的唯一差 別在于S客戶端電路必須具有另外的物理裝置，以便在相位同步對挑選(tap)信號，因為相 應的樹枝通常不會彼此接近。于是，如果需要的話，要求S客戶端電路具有足夠長的輸入端 子以達到所有點。圖22中僅僅關于一對樹枝表示了保證相位同步對包含彼 此接近的點的 一種實際方式。折疊所考慮的第二棵樹的樹枝，并將其放在所考慮的第一棵樹的樹枝附近。圖19-20中的一般系統可被用于利用僅僅基于點的一個子集的相位同步載波產 生信號。事實上，通常相同的網絡結構能夠產生許多組載波同步輸出，每組利用相位同步對 的特定集合。圖2的網絡和以其為基礎的其它網絡是布置成彼此相鄰的樹枝上的所有相鄰 點形成相位同步對集合的特殊情況。在使用兩個發生器的圖23中，和使用一個發生器的圖 24中表示了稱為笛卡爾體系的三維擴展。按照與這種定義一致的方式，圖2或圖12等的系 統是二維笛卡爾體系。具有不同SFT的相位同步點的集合能夠產生相同的S客戶端輸出。例如，如果S 客戶端是模擬乘法器(正弦信號情況)，那么具有相差整數倍信號周期的SFT的相位同步點 的所有集合會產生同樣的S客戶端輸出。其原因在于在這兩個樹形網絡上傳播的波不但在 時間中，而且在空間中都產生周期性的信號。在前面的情況中，考慮了沒有信號反射的樹形網絡，S卩，樹干和樹枝被恰當端接的 網絡。在使用脈沖信令的實施例中，這尤其重要。如果允許信號反射，那么多個反射脈沖在 網絡中的存在容易妨礙S客戶端的操作。就正弦信令來說，反射的存在只產生相位和幅度 變化。假定信號幅度過小的點沒有用處，通過在網絡上選擇不同的分接點(taping point), 可減輕相位變化。于是，在最一般的情況下，不能如前根據信號傳播時間選擇相位同步對，而是根據 信號相位之間的具體關系選擇相位同步對。例如，這樣的關系可以是恒定的平均相位。另 夕卜，兩個網絡可以是任何網絡，不一定是樹形網絡。圖36表示了這種一般情況，其中選擇點對(al, a2)、(bl, b2)、(cl, c2)和(dl， d2)，以致信號相位相加為常數，或者具有恒定的平均值，等等。S客戶端可以是模擬乘法器。 S客戶端的輸出是相位同步的載波。圖37表示本發明的具有單一發生器的這種實施例，其中網絡之一由從另一個網 絡抽取的信號來激勵。雙頻系統本發明的實施例設想把上面的討論應用于兩個頻率和兩個系統SFT。圖25中表示 了最簡單的示例。四棵只有樹干而沒有樹枝的樹由四個相應的發生器激勵。在布置成彼此 相鄰的第一和第三樹干上傳播的信號具有載頻Π，在布置成彼此相鄰的第二和第四樹干上 傳播的信號具有載頻f2。所有信號在樹干內的傳播速度被認為恒定不變，與頻率Π和f2 無關。如果頻率Π和f2并不過于不同，或者如果傳輸線路具有低分散，那么這種假設實際 上是合理的。
對于相位同步對(al, a3)、(bl，b3)、(cl, c3)的集合，圖25中被視為一對的第一 和第三棵樹具有稱為SFTl的系統SFT，對于相位同步對(a2，a4)、(b2，b4)、(c2, c4)的集 合，被視為一對的第二和第四棵樹具有稱為SFT2的系統SFT。這種情況，S客戶端電路由 如圖25中所示抽取樹信號的兩個模擬乘法器、兩個濾波器、和把濾波器輸出相乘的第三模 擬乘法器形成。簡單的三角計算表明所得到的頻率2 (fl+f2)下的載波與位置無關，如下所示意。在任意坐標X，四個信號為
Sl(t) = Al sin [(x/c 一 t) ω + φ ](6a)
S2(t) = A2 sin [(x/c — t) ω2 + φ2](6b)
S3(t) = A3 sin [(x/c +1) ω + φ3](6c)
S4(t) = A4 sin [(x/c +1) ω2 + cp4](6d)信號Sl(t)和S2(t)沿一個方向傳播，信號S3(t)和S4(t)沿相反的方向以相同 的速度c(TL中的光速)傳播。關于角頻率ω1(2πΠ)和co2(2Jif2)以及任何初始相位 <pU φ2, φ3,識4寫出關系式(6)。把關系式(6a)與(bb)相乘，把關系式(6c)與(6d)
相乘，我們得到
Sl(t) S2(t) = (1/2)A1 A2 cos [(x/c 一 t) (ω - ω2) + (φ - φ2)]-
(1/2)Α1 Α2 cos [(x/c -1) (ω + ω2) + (φ + φ2)](7a)
S3(t) S4(t) = (1/2)Α3 A3 cos [ (x/c +1) (ω - ω2) + (φ3 - φ4)]-
(1/2)Α3 Α4 cos [ (x/c +1) (ω + ω2) + (φ3 + φ4)](7b)圖25中的濾波器丟棄不合需要的(fl_f2)分量，在把(7a)和(7b)中的剩余 (fl+f2)項相乘之后，我們得到
Sl(t) S2(t) S3(t) S4(t)=
(1/4)A1 A2 A3 A4 cos [ 2 (ω + ω2) t + (φ3 + φ4 - φ - φ2 )] +
(1/4)Α1 Α2 A3 Α4 cos [ 2 (x/c) (ω + ω2) + (φ3 + φ4 + φ + φ2)] (8)(8)中的第一項與位置無關，(8)中的第二項是能夠容易地除去的DC分量。通過注意到在數學上能夠顛倒乘法的順序，而不改變結果(乘法是可交換和結合的)，即使不進行計算也能夠解釋前面的載波同步效果。于是，首先，可把第一和第三樹干 上的信號相乘，把第二和第四樹干上的信號相乘，隨后把結果相乘。按照這種順序進行信號 乘法等同于得到如圖15中的產生同步載波的兩種情況，一個具有頻率Π，另一個具有頻率 f2。自然地，把兩個同步載波相乘得到第三個同步載波。圖26中的系統是與圖25中的系統類似的變型，不過只使用兩個發生器。圖27表 示如前所述的客戶端電路。圖28-29表示把本發明的雙頻原理推廣到任何樹。如前所述， 只明確地表示了四根樹枝。其它可能性設想了本發明的其它實施例，其中先前的單頻系統中的兩個發生器以不同的頻率 工作。圖30表示最簡單的例子，其中兩個樹干由來自相對兩側的正弦信號激勵，客戶端電 路是簡單的模擬乘法器。在任意坐標X，信號是<formula>formula see original document page 21</formula>
把這些信號相乘，我們得到<formula>formula see original document page 21</formula>
如預期一樣，關系式(10)顯示兩個正弦分量，一個是頻率為(fl+f2)的分量，一個 是頻率為(fl-f2)的分量。不幸的是，兩個分量都與坐標χ相關。不過，對兩個分量來說，相 關度極其不同對(fl+f2)分量來說，相關度較弱，對(fl_f2)分量來說，相關度較強。如果 頻率fl和f2彼此非常接近，那么該性質變得相當顯著。在fl = f2的極限情況下，(fl+f2) 分量變得與位置無關，(fl"f2)分量變成DC分量。從實際的觀點來看，如果fl和f2非常接近，那么在樹干上的長距離內，(fl+f2)分 量幾乎與位置無關。于是，這種雙頻系統可被用于產生同步載波。自然地，應借助濾波器丟 棄(fl-f2)分量。由于(fl+f2)分量和(fl-f2)分量在頻率方面彼此遠離，因此這并不困難。圖30中的雙頻系統的一個不同特征是產生具有相移的載波的可能性，所述相移 與位置X成線性關系。換句話說，如果諸如有源陣列之類的應用需要具有隨位置線性變化 的相移的不同客戶端，那么通過調整頻率π和f2，以便獲得n+f2下的所需載波和系統相 移，可以使用圖30的系統。此外，通過純粹差分地改變fl和f2，而不改變它們的共模分量 <formula>formula see original document page 21</formula>，其中f0是希望的載頻，Δ f是頻移)，客戶端能夠被動態地相 互移相。這種原理的另一種應用是通過使用同相⑴信號和正交(Q)信號。圖31表示當 樹只是沒有任何樹枝的樹干時的情況。第一和第三樹干構成在頻率π下工作的I/Q信號 傳輸子系統(I和Q信號)，第二和第四樹干構成在頻率f2下工作的另一個I/Q信號傳輸子系統。和前面一樣，樹干內所有信號的傳播速度被假定恒定不變，與頻率π和f2無關。S 客戶端電路是兩個乘法器和一個加法器的組合。在任意坐標χ處的四個信號是(假定相同 的信號幅度)
Sl(t) = A sin [ (x/c -1) ω + φ ](Ila)
S2(t) = A sin [ (x/c + t) ω2 + φ2 ](lib)
S3(t) = A sin [ (x/c -1) ω + φ + π/2 ](Ilc)
S4(t) = A sin [ (x/c +1) ω2 + φ2 + π/2 ](1 Id)把關系式(Ila)乘以(11b)，把(Ilc)乘以(Ild)，我們得到
Sl(t) S2(t) = (1/2)A2 cos [ (x/c) (ω - ω2) -1 (ω + ω2) + (φ 一 φ2]-
(1/2)Α2 cos [ (x/c) (ω + ω2) -1 (ω - ω2) + (φ + φΖ](12a)
S3(t) S4(t) = (1/2)Α2 cos [ (x/c) (ω - ω2) -1 (ω + ω2) + (φ - φ2]-
(1/2)Α2 cos [ (x/c) (ω + ω2) -1 (ω - ω2) + (φ + φ2+ π ]
=(1/2)Α2 cos [ (x/c) (ω - ω2) -1 (ω + ω2) + (φ - φ2] +
(1/2)Α2 cos [ (x/c) (ω + ω2) -1 (ω - ω2) + (φ + φ2](12b)通過相加關系式(12a)和(12b)，(fl_f2)項抵消，我們得到
Sl(t) S2(t) + S3(t) S4(t)=
A2 cos [ (x/c) (ω - ω2) -1 (ω + ω2) + (φ — φ2](13)關系式(13)只包含(fl+f2)項，于是，該I/Q系統消除了對圖30系統中必需的濾 波器的需要。在fl = f2的情況下，I/Q系統消除了與χ相關的DC項。和前面一樣，該系 統可被用于產生具有與χ相關的相移的載波。圖32利用僅僅兩個發生器和I/Q分相器，表示了 I/Q系統的一種可能變型。此外， 和前面的情況一樣，該原理可被推廣到任何樹型拓撲。圖33-34圖解說明當fl和f2不同 時，以及fl = f2時的這種可能性。雙變換系統在前面的所有情況下，一直關注的是生成全局同步的載波信號或時鐘信號。在一 些應用中，比如天線陣列中，本發明的實施例設想獲得許多RF信號的全局同步頻率變換，而不明確地生成同步的LO(本地振蕩器)信號。圖35表示了這種情況。這里，RF信號首先 被乘以第一 LO樹干中的第一信號，所得到的信號再被乘以第二 LO樹干中的第二信號。一 些濾波(圖35中未示出)可能是必需的。相對于初始RF信號，使產生的所有IF信號全局 同步，就好像已使RF信號與全局基準混合一樣。和前面的情況一樣，這種原理也適用于任何樹形網絡。為了舉例說明本發明的實施例，提供了上面的描述。不過，上面的描述不應被認為 限制在附加權利要求中限定的本發明的范圍。本申請要求2007年7月20日提交的美國臨時申請No. 60/961，367的優先權，通 過引用將其全部內容并入于此。
權利要求
一種在相干系統中的多個空間分離的點產生載波同步信號的方法，包括對所述相干系統的第一和第二輸入端施加第一和第二調制載波信號，所述相干系統包含與所述第一輸入端耦接的第一樹形網絡，和與所述第二輸入端耦接的第二樹形網絡，所述相干系統還包括至少一個相位同步對組；和處理所述相位同步對組的信號，以產生多個輸出信號，其中所述輸出信號包含調制的載波信號，所述調制的載波信號的相位實質上與所述相位同步對組的物理位置無關，并且是相應的相位同步對組的同步飛行時間的函數。
2.按照權利要求1所述的方法，其中所述相干系統的第一和第二樹形網絡包括TL樹形 網絡。
3.按照權利要求1所述的方法，其中所述第一和第二調制的載波信號在載頻、載波相 位和調制方面相互關聯。
4.按照權利要求2所述的方法，其中所述相干系統輸入信號包括調制的正弦波信號， 輸出信號的生成通過每個相位同步對中的輸出信號的模擬乘法來處理。
5.按照權利要求4所述的方法，其中所述第一載波信號和所述第二載波信號包含零調 制，所述兩個TL樹形網絡中的至少一個包含至少一個TL樹樹枝。
6.按照權利要求4所述的方法，其中所述第一載波信號和所述第二載波信號包含不同 的頻率，所述頻率的值被調整，以產生規定的輸出相移。
7.一種在相干系統中的多個空間分離的點產生載波同步信號的系統，包括與由第一調制載波信號激勵的第一輸入端耦接的第一樹形網絡；與由第二調制載波信號激勵的第二輸入端耦接的第二樹形網絡，其中第一和第二樹形 網絡包含至少一個相位同步對組；和多個電子電路，用于處理所述相位同步對組的信號，以產生多個輸出信號，其中所述輸 出信號是調制的載波信號，所述調制的載波信號的相位實質上與所述相位同步對組的物理 位置無關，并且是相應相位同步對組的同步飛行時間的函數。
8.按照權利要求7所述的系統，其中第一和第二樹形網絡包括TL樹形網絡。
9.按照權利要求7所述的系統，其中第一和第二輸入端由調制的正弦波信號激勵，并 且處理所述相位同步對組的信號，以產生所述輸出信號的電子電路包括模擬乘法器。
10.按照權利要求8所述的系統，其中第一和第二輸入端由無調制的載波信號激勵，所 述兩個TL樹形網絡中的至少一個包含至少一個TL樹樹枝。
11.一種在相干系統中的多個空間分離的點產生載波同步信號的方法，包括對所述相干系統的第一、第二、第三和第四輸入端施加第一、第二、第三和第四調制載 波信號，所述相干系統包含與第一輸入端耦接的第一樹形網絡、與第二輸入端耦接的第二 樹形網絡、與第三輸入端耦接的第三樹形網絡、和與第四輸入端耦接的第四樹形網絡，所述 相干系統還包括在第一和第三樹形網絡上的至少一個相位同步對組，和在第二和第四樹形 網絡上的至少一個相位同步對組；和處理所述相位同步對組的信號，以產生多個輸出信號，其中所述輸出信號是調制的載 波信號，所述調制的載波信號的相位實質上與所述相位同步對組的物理位置無關，并且是 相應相位同步對組的同步飛行時間的函數。
12.按照權利要求11所述的方法，其中所述相干系統的第一、第二、第三和第四樹形網絡是TL樹形網絡。
13.按照權利要求11所述的方法，其中第一、第二、第三和第四調制載波信號在載頻、 載波相位和調制方面相互關聯。
14.按照權利要求11所述的方法，其中所述系統輸入信號是調制的正弦波信號，所述 輸出信號的生成包括第一和第二中間信號的模擬乘法，其中第一中間信號的生成包括第一 和第二樹形網絡中的信號之間的模擬乘法，第二中間信號的生成包括第三和第四樹形網絡 中的信號的模擬乘法。
15.一種在相干系統中的多個空間分離的點產生調制載波信號的方法，包括對所述相干系統的第一、第二、第三和第四輸入端施加第一、第二、第三和第四調制載 波信號，所述相干系統包含與第一輸入端耦接的第一樹形網絡、與第二輸入端耦接的第二 樹形網絡、與第三輸入端耦接的第三樹形網絡、和與第四輸入端耦接的第四樹形網絡，所述 相干系統還包括在第一和第二樹形網絡上的第一相位同步對組，和在第三和第四樹形網絡 上的第二相位同步對組，第一相位同步對組具有與第二相位同步對組的載波信號正交的載 波信號；和處理所述相位同步對組的信號，以產生多個輸出信號，其中所述輸出信號是調制的載 波信號，所述調制的載波信號的相位是相應相位同步對組的同步飛行時間的函數。
16.按照權利要求15所述的方法，其中所述相干系統的第一、第二、第三和第四樹形網 絡是TL樹形網絡。
17.一種在相干系統中平移多個調制載波信號中的信號的載頻的方法，包括對所述相干系統的第一和第二輸入端施加第一和第二周期信號，所述相干系統包含與 第一輸入端耦接的第一樹形網絡，和與第二輸入端耦接的第二樹形網絡，所述相干系統還 包括至少一個相位同步對組；和處理所述相位同步對組的信號，和所述多個調制載波信號中的信號，以產生多個輸出 信號，所述多個輸出信號具有與所述多個調制載波信號中的信號的載頻相比，被平移相同 量的載頻，和與所述多個調制載波信號中的信號相同的相對相位。
18.按照權利要求17所述的方法，其中所述系統的第一和第二樹形網絡是TL樹形網絡。
19.按照權利要求17所述的方法，其中對所述一組相位同步對的信號和所述多個調制 載波信號中的信號的處理是所述多個調制載波信號中的信號與所述相位同步對組中的第 一信號的相乘，并且相乘結果與相位同步對中的第二信號的再次相乘。
全文摘要
公開了一種對樹形網絡應用調制的載波信號，和處理從樹形網絡抽取的信號，以利用相位同步載波產生輸出信號的方法和系統。
文檔編號H04L7/00GK101803267SQ200880106615
公開日2010年8月11日 申請日期2008年7月21日 優先權日2007年7月20日
發明者M·巴努, V·普羅達諾夫 申請人:藍色多瑙河實驗室公司;M·巴努