时脉恢复装置与时脉恢复方法与流程

本发明是有关于一种时脉同步电路，且特别是有关于一种时脉恢复装置与时脉恢复方法。

背景技术：

随着科技的发达，网络乃成为信息交换的必要配置。在各种不同的网络配置中，由于乙太网络(Ethernet)具有取得容易、架设方便及传输速度快等特性，使得乙太网络有关的设备蓬勃发展，其传输速率亦由10Mbps演进至100Mbps甚至1Gbps。为了满足业界对封包交换网络日益成长的需求，乙太网络(Ethernet)技术也不断进化，像是超高速乙太网络是被定义在IEEE 802.3标准中。其中，1000Base-T标准是使用于同轴电缆及定义在IEEE 802.3ab的其中一种标准协定。可预料的，数据传输速度越来越快，对于发送端与接收端的时钟同步以及时脉精度的要求也越来越高。

进一步来说，在乙太网络设备的网络实体层(PHY)中，为确保接收端电路所回复的数据的准确性，发送端的锁相回路(phase locked loops，PLL)所产生的取样时脉与接收端的锁相回路所产生的取样时脉理想上应为同频，致使接收端能够正确恢复发送端所传送的数据。但无论是发送端或接收端，其用以产生取样时脉的本地振荡都可能存在频率偏差，从而导致接收端与发送端的取样时脉不同步。网络实体层(PHY)中的时脉恢复装置系用以针对上述频偏所导致的不同步现象进行校正，致使接收端的取样时脉与传送端的取样时脉可以同步。习知的时脉恢复装置透过统计固定长度的统计窗口内的相位差变化来锁定PLL的输出相位。然而，于长线传输或频偏较大的操作环境中，习知的时脉恢复装置的回路滤波器所产生的统计特性并不明显，不适于作为锁定PLL的输出相位的依据。尤其是，利用固定时间的统计窗口来统计无法预知的频偏是一种非常不灵活的作法，更可能因为频偏过大且统计窗口的时间过长而发生来不及调整PLL的输出相位的现象。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种时脉恢复装置与时脉恢复方法，可更准确的同步接收端与发送端的取样时脉，以降低封包错误率并提升乙太网络的实体层的性能。

本发明提出一种时脉恢复装置，其包括模拟数字转换器、多相位时脉产生电路，以及时脉恢复电路。模拟数字转换器利用取样时脉取样模拟输入信号而输出数字输入信号。多相位时脉产生电路耦接模拟数字转换器，输出取样时脉至模拟数字转换器，并依据相位选择信号决定取样时脉的相位。时脉恢复电路耦接模拟数字转换器与多相位时脉产生电路，接收数字输入信号。于第一时期，时脉恢复电路检测数字输入信号的相位偏移而产生相位选择信号，并依据数字输入信号估测频偏参数。于第二时期，时脉恢复电路依据于第一时期所产生的频偏参数以及数字输入信号的相位偏移产生相位选择信号。

在本发明的一实施例中，上述的时脉恢复电路包括相位侦测器、回路滤波器、频偏估测器，以及相位调整电路。相位侦测器耦接模拟数字转换器与多相位时脉产生电路，对数字输入信号进行相位检测而产生相位指示信号以指示数字输入信号的相位偏移。回路滤波器耦接相位侦测器，对相位指示信号进行滤波以产生相位控制信号。频偏估测器耦接回路滤波器，于第一时期藉由统计相位控制信号于估计窗口内的脉冲数量估测频偏参数与相位调整方向。相位调整电路耦接回路滤波器与频偏估测器，输出相位选择信号。

在本发明的一实施例中，上述的频偏估测器于第二时期依据频偏参数与相位调整方向产生自动调整信号，且相位调整电路于第二时期依据自动调整信号与相位控制信号产生相位选择信号。

在本发明的一实施例中，上述的相位调整电路于第一时期依据相位控制信号产生相位选择信号。

在本发明的一实施例中，上述的频偏估测器包括基于频偏参数所建立的数值控制振荡器，数值控制振荡器初始化累加结果。数值控制振荡器周期性累加频偏参数于累加结果。当累加结果大于预设相位差，数值控制振荡器依据相位调整方向控制自动调整信号提供脉冲。

在本发明的一实施例中，上述的多相位时脉产生电路产生多个时脉信号，并依据相位选择信号来选择时脉信号其中之一作为取样时脉。上述的时脉信号具有相同频率与不同相位。

从另一观点来看，本发明提出一种时脉恢复方法，所述方法包括下列步骤。接收模拟输入信号，并依据取样时脉取样模拟输入信号而产生数字输入信号。于第一时期，检测数字输入信号的相位偏移而产生相位选择信号，以依据相位选择信号决定取样时脉的相位。于第一时期，依据数字输入信号估测频偏参数。于第二时期，依据于第一时期所产生的频偏参数以及数字输入信号的相位偏移产生相位选择信号，以依据相位选择信号决定取样时脉的相位。

基于上述，本发明的时脉恢复装置更增设有一频偏估测器，且此频偏估测器可于第一时期统计相位调整的次数以估测出频偏参数。于第二时期，频偏估测器可利用上述的频偏参数建立一数值控制振荡器，以依据频偏参数预测当前的相位偏移是否超过预设相位差。若频偏估测器判断当前的相位偏移已超过预设相位差，频偏估测器可据以控制多相位时脉产生电路自动调整取样时脉的相位，以同步乙太网络中接收端与发送端的振荡时脉。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复装置的方块示意图。

图2是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复方法的流程图。

图3是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复装置的方块示意图。

图4是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复电路的方块示意图。

图5是依据本发明一实施例所绘示的数值控制振荡器产生自动调整信号的流程图。

图6是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复电路的信号时序示意图。

附图标记说明

10：时脉恢复装置

110：模拟数字转换器

120：多相位时脉产生电路

130：时脉恢复电路

131：相位侦测器

132：回路滤波器

133：频偏估测器

133_1：估测电路

133_2：数值控制振荡器

134：相位调整电路

R1：模拟输入信号

A1：数字输入信号

P_h：相位指示信号

P_c：相位控制信号

C1：自动调整信号

P1：相位选择信号

CLK：取样时脉

ted_adv：鉴相前进控制信号

ted_ret：鉴相后退控制信号

fw_adv：估测前进控制信号

fw_ret：估测后退控制信号

PLL_ADV：前进控制信号

PLL_RET：后退控制信号

t1～t6：时间点

S201～S204、S601～s607：步骤

具体实施方式

图1是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复装置10的方块示意图。时脉恢复装置10用以产生乙太网络物理层所需的时脉，并用以同步接收端与发送端的时脉，例如可设置于1000Base-T规格的乙太网络收发器内，但本发明并不限制于此。时脉恢复装置10包括模拟数字转换器(ADC)110、多相位时脉产生电路120，以及时脉恢复电路130。模拟数字转换器110基于取样时脉CLK取样模拟输入信号R1而输出一数字输入信号A1。具体来说，时脉恢复装置10的模拟数字转换器110可经由乙太网络接口接收经由同轴电缆或双绞线所传输的模拟输入信号R1，模拟数字转换器110对模拟输入信号R1进行数字模拟转换而输出数字输入信号A1。

多相位时脉产生电路120耦接至模拟数字转换器110，输出取样时脉CLK至模拟数字转换器110，并依据一相位选择信号P1控制取样时脉CLK的相位。在一实施例中，多相位时脉产生电路120可产生多个时脉信号，并依据相位选择信号P1来输出这些时脉信号其中之一作为取样时脉CLK。上述的时脉信号具有相同频率与不同相位。举例而言，多相位时脉产生电路120可以是128相位时脉产生器，可产生对应至128个相位的多个时脉信号，并依据相位选择信号P1输出上述128个时脉信号其中之一作为取样时脉CLK。更详细而言，多相位时脉产生电路120可响应于相位选择信号P1的脉冲而使其输出的取样时脉CLK提前一个相位或后退一个相位。

时脉恢复电路130耦接模拟数字转换器110与多相位时脉产生电路120，接收数字输入信号A1。于第一时期，在一实施例中，时脉恢复电路130检测数字输入信号A1的相位偏移而产生相位选择信号P1，并依据数字输入信号A1的相位偏移的统计结果估测一频偏参数。进一步来说，上述的数字输入信号A1的相位偏移系因为取样时脉CLK与输出模拟输入信号R1的发送端的工作时脉具有频率差异而造成。接着，于第二时期，时脉恢复电路130依据于第一时期所产生的频偏参数以及数字输入信号A1的相位偏移产生相位选择信号P1。也就是说，时脉恢复装置10可于第一时期先行预测出输出模拟输入信号R1的发送端的工作时脉与取样时脉CLK之间的频偏状态。基此，时脉恢复装置10可于第二时期依据估测的频偏参数而自动调整多相位时脉产生电路120的输出相位，并同时依据数字输入信号A1的相位偏移状态来纠正残留的偏频。

图2是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复方法的流程图。在本实施例中，所述时脉恢复方法可适用于如图1所绘示的时脉恢复装置10，但本发明不仅限于此。

请参照图2，于步骤S201，模拟数字转换器110接收模拟输入信号R1，并依据取样时脉CLK取样模拟输入信号R1进而产生数字输入信号A1。于步骤S202，于第一时期，时脉恢复电路130检测数字输入信号A1的相位偏移而产生相位选择信号P1，多相位时脉产生电路120依据相位选择信号P1决定取样时脉CLK的相位。于步骤S203，于第一时期，时脉恢复电路130依据数字输入信号A1估测频偏参数。于步骤S204，于第二时期，时脉恢复电路130依据于第一时期所产生的频偏参数以及数字输入信号A1的相位偏移产生相位选择信号P1，致使多相位时脉产生电路120依据相位选择信号P1决定取样时脉CLK的相位。如此，透过于第一时期估测频偏参数，时脉恢复装置10可于第二时期利用频偏参数而自动调整调整取样时脉CLK的相位。因此， 即使处于接收端与发送端的频偏较大的操作环境中，时脉恢复装置10还是可以先将取样时脉CLK的相位回复至较接近发送端的时脉信号的相位的状态。

图3是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复装置10的方块示意图。请参照图3，图3所示的时脉恢复电路130更包括相位侦测器131、回路滤波器132、频偏估测器133，以及相位调整电路134。相位侦测器131耦接模拟数字转换器110，接收数字输入信号A1，并对数字输入信号A1进行相位检测而产生一相位指示信号P_h以指示数字输入信号A1的相位偏移。简单来说，当相位侦测器131接收到数字输入信号A1时，相位侦测器131可透过各式的演算法来检测数字输入信号A1的相位偏移来产生相位指示信号P_h，以指示取样时脉CLK与模拟输入信号R1的发送端的工作时脉之间的相位差。举例而言，相位侦测器131可利用最大似然性演算法或最小均方误差(MMSE)演算法等等来估测出数字输入信号A1的相位偏移，本发明对此并不限制。

回路滤波器132耦接相位侦测器131，对相位指示信号P_h进行滤波以产生相位控制信号P_c。回路滤波器132例如可由比例积分滤波器来实现，但本发明并不限制于此。

频偏估测器133耦接回路滤波器132，于第一时期藉由统计相位控制信号P_c于估计窗口内的脉冲数量来估测频偏参数与相位调整方向。相位调整电路134耦接至回路滤波器132与频偏估测器133，相位调整电路134于第一时期依据相位控制信号P_c产生相位选择信号P1。也就是说，于第一时期，相位调整电路134可根据回路滤波器132的输出而控制相位选择信号P1形成脉冲，而多相位时脉产生电路120可响应于上述的脉冲而控制取样时脉CLK前进一个相位或后退一个相位。

于第二时期中，频偏估测器133依据频偏参数与相位调整方向产生一自动调整信号C1，且相位调整电路134于第二时期依据自动调整信号C1与相位控制信号P_c产生一相位选择信号。详细来说，相位调整电路134可根据回路滤波器132与频偏估测器133的输出信号(即相位控制信号P_c以及自动调整信号C1)进而控制相位选择信号P1形成脉冲，而多相位时脉产生电路120可响应于上述的脉冲而控制取样时脉CLK前进一个相位或后退一个相位。

值得一题的是，于第二时期，频偏估测器133可继续统计相位控制信号P_c于估计窗口内的脉冲数量，以修正于第一时期估测出来的频偏参数。此外，回路滤波器132于第一时期所使用的统计窗口的窗口长度与于第二时期所使用的统计窗口的窗口长度不同，且回路滤波器132于第二时期所使用的统计窗口的窗口长度较长。于一实施例 中，第二时期的回路滤波器132例如可由无限脉冲响应滤波器(IIR)来实现，但本发明并不限制于此。

于本发明的一实施例中，频偏估测器133可包括基于频偏参数所建立的数值控制振荡器(NCO)，从而依据频偏参数适时地控制自动调整信号C1形成脉冲。以下将列举一实施例以详细说明之。

图4是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复电路130的方块示意图。需先说明的是，于本实施例中，相位控制信号P_c包括鉴相前进控制信号ted_adv以及鉴相后退控制信号ted_ret，而相位选择信号P_c包括前进控制信号PLL_ADV以及后退控制信号PLL_RET，而自动控制信号C1包括估测前进控制信号fw_adv以及估测后退控制信号fw_ret。在一实施例中，多相位时脉产生电路120响应于前进控制信号PLL_ADV的脉冲而控制取样信号CLK前进一个相位，或响应于后退控制信号PLL_RET的脉冲而控制取样信号CLK后退一个相位。

于本实施例中，相位调整电路134依据鉴相前进控制信号ted_adv以及估测前进控制信号fw_adv产生前进控制信号PLL_ADV，相位调整电路134依据鉴相后退控制信号ted_ret以及估测后退控制信号fw_ret产生后退控制信号PLL_RET。

频率估测器133包括估计电路133_1以及数值控制振荡器133_2。估计电路133_1接收鉴相前进控制信号ted_adv以及鉴相后退控制信号ted_ret，以依据鉴相前进控制信号ted_adv以及鉴相后退控制信号ted_ret估测出频偏参数offset_s。数值控制振荡器133_2从估计电路133_1获取频偏参数offset_s，并累加频偏参数offset_s而获取一累加结果。当上述的累加结果大于预设相位差，数值控制振荡器133_2依据相位调整方向控制估测前进控制信号fw_adv以及估测后退控制信号fw_ret形成脉冲。

于本实施例中，估计电路133_1在估计窗口(假设为N个时脉)内统计鉴相前进控制信号ted_adv的脉冲数量adv_cnt以及鉴相后退控制信号ted_ret的脉冲数量ret_cnt。然后，估计电路133_1比较上述两个信号的脉冲数量以判断相位调整方向。进一步来说，估计电路133_1可将脉冲数量adv_cnt减去脉冲数量ret_cnt而获取脉冲数量差M，并根据脉冲数量差M的正负来决定相位调整方向。此外，假设多相位时脉产生电路120是可提供128种相位选择，则频偏参数offset_s可透过公式(1)而获取。

举例而言，假设估计窗口的长度N为2¹⁶(N＝2¹⁶)个时脉周期，估计电路133_1在估计窗口内统计到脉冲数量adv_cnt等于1000且脉冲数量ret_cnt等于300，则脉冲数量差M等于700(M＝1000-300＝700)。由此可知，脉冲数量差M大于0，所以估计电路133_1判定相位调整方向为向前。依据公式(1)的计算，此时频偏参数offset_s等于83.45ppm，小数字的精度可以根据实际需求而设计。如此，数值控制振荡器133_2便可依据频偏参数offset_s与相位调整方向而控制估测前进控制信号fw_adv或估测后退控制信号fw_ret形成脉冲。

图5是依据本发明一实施例所绘示的时脉恢复电路的信号时序示意图。请同时参照图4与图5，于时间点t1，回路滤波器132依据相位指示信号P_h侦测出取样时脉CLK的相位需要调整，其中相位指示信号P_h用以指示数字输入信号A1的相位偏移，因此回路滤波器132控制鉴相前进控制信号ted_adv形成脉冲，与此同时，相位调整电路134响应于鉴相前进控制信号ted_adv的脉冲而控制前进控制信号PLL_ADV于时间点t1形成脉冲。于是，多相位时脉产生电路120依响应于前进控制信号PLL_ADV于时间点t1的脉冲而控制取样时脉CLK前进一个相位。

于时间点t2，数值控制振荡器133_2依据频偏参数offset_s控制估测前进控制信号fw_adv形成脉冲，与此同时，相位调整电路134响应于估测前进控制信号fw_adv的脉冲而控制前进控制信号PLL_ADV于时间点t2形成脉冲。于是，多相位时脉产生电路120依响应于前进控制信号PLL_ADV于时间点t2的脉冲而控制取样时脉CLK前进一个相位。

于时间点t3，回路滤波器132依据相位指示信号P_h而侦测出取样时脉CLK的相位需要调整，因此回路滤波器132控制鉴相后退控制信号ted_ret形成脉冲，与此同时，相位调整电路134响应于鉴相后退控制信号ted_ret的脉冲而控制后退控制信号PLL_RET于时间点t3形成脉冲。于是，多相位时脉产生电路120依响应于后退控制信号PLL_RET于时间点t3的脉冲而控制取样时脉CLK后退一个相位。

相似的，于时间点t4与t6，数值控制振荡器133_2依据频偏参数offset_s控制估测前进控制信号fw_adv形成脉冲，与此同时，相位调整电路134响应于估测前进控制信号fw_adv的脉冲而控制前进控制信号PLL_ADV于时间点t4与t6形成脉冲。于是，多相位时脉产生电路120依响应于前进控制信号PLL_ADV于时间点t4与t6的脉冲而控制取样时脉CLK前进一个相位。于时间点t5，回路滤波器132依据相位指示信号P_h而侦测出取样时脉CLK的相位需要调整，因此回路滤波器122控制鉴相前进控制 信号ted_adv形成脉冲，与此同时，相位调整电路134响应于鉴相前进控制信号ted_adv的脉冲而控制前进控制信号PLL_ADV于时间点t5形成脉冲。于是，多相位时脉产生电路120依响应于前进控制信号PLL_ADV于时间点t5的脉冲而控制取样时脉CLK前进一个相位。

基于上述可知，估测前进控制信号fw_adv以及估测后退控制信号fw_ret上的脉冲是根据频偏参数而自动形成，鉴相前进控制信号ted_adv以及鉴相后退控制信号ted_ret系根据相位侦测器131以及回路滤波器132的即时侦测而生成。但是，估测前进控制信号fw_adv、估测后退控制信号fw_ret、鉴相前进控制信号ted_adv以及鉴相后退控制信号ted_ret都可控制前进控制信号PLL_ADV以及后退控制信号PLL_RET形成脉冲来改变取样时脉CLK的相位。

以下将列举一实施例以详细说明数值控制振荡器133_2如何依据频偏参数offset_s而产生自动调整信号C1的估测前进控制信号fw_adv以及估测后退控制信号fw_ret。图6是本发明一实施例所绘示的数值控制振荡器产生自动调整信号的流程图。

请参照图6，于步骤S601，数值控制振荡器133_2初始化累加结果。换言之，数值控制振荡器133_2将累加结果归零。于步骤S602，数值控制振荡器133_2周期性累加频偏参数offset_s于累加结果。进一步来说，数值控制振荡器133_2响应于时脉信号(即本实施例中的取样时脉CLK)而于每个时脉周期累加频偏参数offset_s一次而产生累加结果。于步骤S603，数值控制振荡器133_2判断累加结果是否大于预设相位差。若步骤S603判定为否，数值控制振荡器133_2继续累加频偏参数offset_s。

若步骤S603判定为是，于步骤S604，数值控制振荡器133_2判断相位调整方向是否为向前。若步骤S604判定为是，于步骤S605，数值控制振荡器133_2控制估测前进控制信号fw_adv产生脉冲。若步骤S604判定为否，于步骤S606，数值控制振荡器133_2控制估测后退控制信号fw_ret产生脉冲。于步骤S607，数值控制振荡器133_2将累加结果减掉单位可调相位，并回到步骤S602。上述的单位可调相位的大小取决于多相位时脉产生电路120可提供的相位的数量。以128相位的多相位时脉产生电路120为例，单位可调相位为1/128(Ts)。

综上所述，藉由增设一频偏估测器，本发明的时脉恢复电路可于第一时期统计取样时脉的输出相位基于相位差侦测结果而被调整的次数，以估测出频偏参数。于第二时期，频偏估测器可利用上述的频偏参数建立一数值控制振荡器，以控制多相位时脉产生电路自动调整取样时脉的相位。整体来说，本发明的时脉恢复装置联合频偏估测 器与既有的相位差侦测电路来准确地锁定接收端的振荡时脉，更可提升乙太网络物理层于长线传输或频偏较大的操作环境中的表现性能。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。