专利名称：重复时钟电路之间的时钟相位调节的制作方法
技术领域：
本发明涉及时钟系统，特别涉及调节由重复时钟电路所产生的时钟信号的相位。
图1示出了用在数字访问交叉连接系统(DACS)中的现有技术的时钟系统，图1说明了时钟电路120的121。一个时钟电路处于现役状态，而另一个时钟电路处于备用状态。时钟控制器101和111通过电缆110进行通信并确定哪个时钟电路为现役时。如果时钟电路120为现役，则它通过相位锁定回路102产生的时钟信号驱动时钟总线108和118。时钟控制器111控制门电路115、116和117，以便用电缆109上的时钟信息驱动时钟总线118。相位锁定回路112利用经电缆109收到的信息使其在频率和相位上都与相位锁定回路102的输出一致。
为使时钟总线108和118之间的相位基本同步，相位锁定回路102到总线108的输出靠延迟线104延迟以补偿通过门电路103、117和电缆109到总线118的标称延迟。当时钟电路121为现役时，完成相似的功能。但使用延迟线补偿经过如门103、106和117的半导体器件的延迟时存在一些问题。首先，当半导体器件不在同一物理部件中时，具有变化范围很宽的传播延迟时间。再者，不能用延迟线对半导体器件、电缆和延迟线内部传播延迟的变化进行温度补偿。另外，众所周知延迟线是不可靠装置。
诸如时钟电路120和121这样的时钟电路的使用导致对重复数字交换系统的严格的限制。这些限制包括两个时钟电路必须放在相互相距很近的位置，在某些情况下，要放在同一设备层内。
另外，这种时钟系统的使用导致对重复数字交换系统的结构的限制。这种时钟系统通常仅在相对低速的接口允许重复数据信号之间的无错切换，这通常发生在数字交换系统的输入和输出端，然而，这种时钟系统不允许在重复数字系统的高速部分进行无错重复交换。这样限制了交换结构，特别是限制了交换系统的可靠性的提高。此外，当数字交换系统在输入和输出端交换高速数据时，需要在输入端使用高速缓冲存储器，以补偿重复时钟电路的时钟信号的时滞。在输入端使用高速缓冲器增加了系统的成本、功率和延迟。
美国专利No.5，239，562公开一种通过第一通路，即备用时钟电路、与时钟电路互连的两条传输链路和现役时钟电路，将现役时钟电路的时钟信号传送到其本地计时总线的装置。现役时钟电路通过第二通路，即现役时钟电路、一条长度约为其他两条传输链路之一的两倍的传输链路，和备用时钟电路将时钟信号传送至远程计时总线。在两个时钟电路的第一和第二通路中使用了可买到的收发器。为了保证由于收发器的传播时间的变化产生的延迟在两个通路保持相同，每个通路中，在每个时钟电路中使用相同数目的收发器。另外，为减小温度变化和搀杂程度引起的传播变化，每个时钟电路中，每个通路的收发器都在集成电路的同一单块衬底上。为减小传输链路中温度差引起的延迟变化，将这些链路设置得彼此很近，以使它们经历相同的温度。这种情况下，如果需要将备用时钟变为现役时钟，备用时钟电路用传输至远程总线(对备用时钟电路而言是本地)的时钟信号调节备用时钟电路产生的时钟信号的相位，使之与现役时钟电路产生的时钟信号的相位匹配。
上述专利中提出的时钟相位调节的方法提供了高精度的时钟相位调节。两个重复的时钟电路之间的时钟相位能很容易地在相互的几钠秒之内调节。但上述专利提出的方法存在一个限制，即需要将每个时钟电路的时钟信号通过另一时钟电路连成回路，这样使得现场维护非常困难且存在某些可靠性问题。
根据本发明的原理可解决上述问题并实现技术改进。本发明的方法和装置中，将两个计时子系统之间的成帧信号进行交叉耦合，以调节这两个计时子系统之间的相位关系。成帧信号定义了通过与计时子系统相联的交换网络交换的数据帧的开始。在备用计时系统中，备用计时系统的成帧信号用于起动一个计数器，而现役计时子系统的成帧信号用于停止该计数器。计数器由速率高于成帧信号速率的内部时钟计时。其优点是，驱动器、接收器和互连电缆产生的延迟被计为计数器的整数计数值(标称计数)，该标称计数等于以内部时钟的时钟周期为单位的延迟。计数器的内容和标称计数之间的任何差代表了备用计时子系统和现役计时子系统之间的相位差。调节备用计时子系统通过消除标称计数与计数器内容之间的差来消除该相位差。
图1示出了现有技术的重复时钟电路之间的时钟相位调节系统的方框图;
图2示出了数字访问交叉连接系统的方框图;
图3示出了系统计时单元的方框图;
图4示出了根据本发明的互连的两个系统计时单元部分的方框图;
图5以标准控制系统符号的形式示出了根据相位差而执行的相位调节。
图2示出了一个数字访问交叉连接系统。该系统有重复的交换网络和系统计时单元(STU)。虽然没有示出，但输入单元201和输出单元206也都是重复的单元。输入单元201响应输入线214，通过一个重复通路交换来自每条输入线的数据。重复通路中的一条通过电缆212把数据传送到交换网络202，另一重复的通路则通过电缆213把数据传送到交换网络205。交换网络202和205响应输入数据，适当地交换这些数据，并分别通过电缆210和211把交换后的数据传送到输出单元206。输出单元206只利用来自一个交换网络的数据。该交换网络通常称作现役交换网络。假设交换网络202是现役交换单元，而交换网络205是备用交换单元。系统计时单元203经过电缆207向交换网络202提供所有所需的计时，类似地，系统计时单元204经过电缆209向交换网络205提供所有所需的计时。由于交换网络202是现役交换网络，所以系统计时单元203是现役系统计时单元。作为备用系统计时单元，系统计时单元204通过系统计时单元203经电缆208传送的信息保持与系统计时单元203的相位校准。
系统计时单元203和系统计时单元204之间的相位校准是很重要的，因为主控制器216能通过电缆217和218发出信号使现役交换网络和备用交换网络作用互换。这时，交换网络202变成备用交换网络，而信号交换网络205变成备用单元。在两个交换网络改变其作用期间，不应由于这一变化而丢失数据。在数据线214上，由于进入每条线的数据速率为155，520KHz，所以相位校准非常困难。由于电缆208可能长至100米，所以相位的校准更为困难。下面将描述系统计时单元203和204之间的相位校准是如何保持的。
如前述图2所示，用于数字访问交叉连接系统(DACS)的计时设备在该系统中利用两个产生基本计时的系统计时单元。其中一个系统计时单元是现役系统计时单元，而另一个是备用系统计时单元。现役和备用系统计时单元之间的频率和相位必须保持严格确定，以使备用系统计时单元的交换单元能接管DACS进行工作，而不会由于频率或相位的任何变化丢失数据。
现在考虑系统计时单元的整个工作过程。图3更详细地示出了备用系统计时单元204。系统计时单元203也类似设计。在控制器322的控制下，频率合成器316产生一个2430KHz的基本时钟信号。而后该基本时钟信号由压控振荡器319进行频率增倍，使其频率为155，520KHz。在合成器316工作期间，相位会产生一定的变形。这一变形由元件313、315、317和318组成的闭合回路操作消除。计数器320和321把振荡器319的输出分成两个分谐波，经电缆209提供给交换网络204使用。
计数器309产生用于系统其他部分的多帧同步信号。该多帧同步信号以2KHz的速率发生，且在图2所示的系统中是最低的公共时钟信号。该多帧同步信号通过计数器309和310的工作产生。利用触发器308控制在备用系统计时单元204的初始起动期间的相位校准。
元件302到307组成交叉耦合控制301，其操作将根据图4更详细地进行描述。同时控制器322的工作也将根据图4做更详细地描述。根据本发明，交叉耦合控制301确定备用系统计时单元和现役系统计时单元之间的相位差。
图4示出了关于现役系统计时单元203和备用系统计时单元204的相位调节的系统计时单元203和204的相关部分。两交叉耦合控制301和421均产生一个1KHz的交叉耦合信号(也称作成帧信号)，该交叉耦合信号发送给另一交叉耦合控制。例如，在备用系统计时单元204，触发器305产生一个1KHz信号且经过驱动器306和电缆411把该信号传送给现役系统计时单元203。类似地，触发器425产生一个1KHz的信号且通过驱动器426和电缆431把该信号传送到备用系统计时单元204。
现在考虑备用系统计时单元204的交叉耦合控制是怎样利用经电缆431从现役系统计时单元203中的交叉耦合控制421中收到1KHz信号的。在交叉耦合控制301中利用该交叉耦合信号来控制计数器303。当由交叉耦合控制301传送到交叉耦合控制421的交叉耦合信号的上升沿产生时，使计数器303能够以高频，最好是以图4中所示的155，520KHz开始计数。计数器303计数，直到经电缆431接收到来自交叉耦合控制421的交叉耦合信号为止。然后，计数器303的内容被装入锁存器302，锁存器302的内容能由控制器322读取。这一计数代表了通过触发器425、驱动器426、电缆431和接收器307的物理延迟加上现役系统计时单元203和备用系统计时单元204之间的相位差。电缆411和电缆431都有一定的长度，以致通过电缆的延迟加上触发器、驱动器和接收器的延迟导致计数器303内的一个整数计数。该整数计数也就是前面所称的标称计数。
该标称计数和控制器322从锁存器302所读取的计数之间的任何差代表了现役系统计时单元203和备用系统计时单元204之间的相位差。控制器322根据该差值调节备用系统计时单元204的频率合成器，以校准现役系统计时单元203和备用系统计时单元204之间的相位差。
在现役系统计时单元203中，控制器432能够通过读取锁存器422判定备用系统计时单元204是否与现役系统计时单元203相位锁定。如果锁存器422的内容等于标称值加1或减1，则备用系统计时单元204与现役系统计时单元203相位校准。这是由于电缆411和431等长且元件425到427与元件305到307一致。此外，计数器423与计数器303以相同的时钟速率计时。
当备用系统计时单元204在掉电之后(通常存为冷启动)首先变为现役单元时，现役系统计时单元203和备用系统计时单元204之间的相位不相关。这能通过由控制器322读取锁存器302的内容易于确定。如果锁存器302的内容明显高于或低于标称值，则备用系统计时单元204与现役系统计时单元203的相位相差很大。为克服这一大的差值，控制器322使用一个快速锁定过程。作为快速锁定过程的一部分，控制器322向触发器308传送一个同步时钟(ASYNCCLR)信号。为响应该信号，触发器308允许现役系统计时单元203经电缆431向清零计数器309传送交叉耦合信号。在现役系统计时单元203中相应的计数器429完成类似的操作。一但大致完成相位校准，则控制器322消除同步时钟信号，并利用前述方法调节备用系统计时单元204和现役系统计时单元203之间的更精确的相位校准。
图5示出了用标准控制系统符号表示的由控制器322根据锁存器302的内容调节频率合成器316以便使系统计时单元300在相位上与现役系统计时单元更接近而完成的操作。元件501从锁存器302的实际内容中减去标称值。元件502把所得的差值乘以一个常数K1，而后元件502的输出传送至元件503和504。元件504把元件502的输出乘以第二常数K2，并把结果传送给积分器505。积分器505对来自元件502的大量数值进行积分。然后，积分器505的输出在加法器503中与元件502的输出相加。所得结果就是送到频率合成器316用以调节该合成器的值。
加法器503把加权的当前差值与来自积分器505的差的积分相加。注意，虽然图5使用了标准控制系统符号，但是操作是由使用了众所周知的现有技术的控制器322数字地完成的。
利用驱动计数器303的当前的频率信号，备用系统计时单元204和现役系统计时单元203之间相位调节的分辨度是±1ns。但是，靠增加驱动计数器403的信号的频率，该精确度能成比例地提高。此外，这一较高的频率允许具有计数器303和423的结果的控制器确定通过电缆411、431、元件305到307和元件425到427的延迟。用这方式确定延迟可使对于不同的电缆长度进行自动调节。最后，相位校准被大幅度提高，使系统计时单元达到更精确的相位校准。
延迟是用下述方法确定的。当备用系统计时单元204从冷启动开始执行时，假设图4中的计数器303有一个预定的标称计数，并根据这一标称计数进入相位锁定。在经过一预定的时间后，控制器432读取含有计数器423的计数的锁存器422的计数，并经过电缆217、主控制器216和电缆218把该计数传送给控制器322。控制器322响应锁存器422的计数，把该计数加到来自锁存器302的计数上。然后，控制器322把这一和值除以2，并用这一结果作为计数器303的新的标称计数。重复这一处理，直到锁存器302和422中的计数仅差某一预定的值为止。
权利要求
1.一种调节由第一时钟电路产生的第一计时信号的相位的装置，包括用于以一固定速率计数的装置(302-305)，它在第一时钟电路产生预定数目的第一计时信号后，响应由第一时钟电路重复产生的一个内部信号而开始计数；第二时钟电路中的装置(425，426)，用于在第二时钟电路产生预定数目的第二计时信号后，重复产生一个外部信号；其特征是，计数装置还响应于第一时钟电路收到外部信号而停止计数；以及当计数装置停止后，装置(322)根据计数装置的内容，修改第一计时信号的相位。
2.根据权利要求1所述的装置，其中计数装置包括一个计数器(303)，它响应内部信号开始计数，而响应外部信号停止计数;以及一个锁存器(302)，它响应外部信号储存计数器的内容，从而使锁存器的内容用于修改装置。
3.根据权利要求2所述的装置包括装置(208、209)，用于把外部信号传送给计数器，并且传送装置得以调节以产生一个延迟，该延迟导致计数器的整数计数。
4.根据权利要求3所述的装置，其中修改装置根据由于传送装置的延迟引起的锁存器内容与整数计数之间的差用于调节时钟电路的相位。
5.一种调节由第一时钟电路产生的第一计时信号的相位的方法，包括下列步骤在第一时钟电路产生预定数目的第一计时信号后，以固定速率计数(302-305)以响应由第一时钟电路重复产生的一个内部信号;在第二时钟电路产生预定数目的第二计时信号后，由第二时钟电路重复产生(425，426)一个外部信号;其特征在于计数步骤还响应于第一时钟电路收到外部信号而停止计数;以及当计数停止时，根据计数步骤产生的数值修改(322)第一时钟电路的第一计时信号的相位。
6.根据权利要求5所述的方法，其中第一时钟电路包括一个计数器(303)和锁存器(302)，计数步骤包括由计数器响应内部信号而开始计数的步骤和计数器响应外部信号而停止计数的步骤;以及锁存器响应外部信号而储存计数器的内容，从而使锁存器的内容供修改步骤使用。
7.根据权利要求6所述的方法还包括把外部信号传送给计数器的步骤，调节传送步骤使之产生一个延迟，该延迟导致计数器的整数计数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中修改步骤根据由于传送装置的延迟引起的锁存器内容与整数计数之间的差用于调节时钟电路的相位。
全文摘要
交叉耦合两个计时子系统之间的成帧信号，以调节计时子系统之间的相位关系。在备用计时系统中，备用计时系统的成帧信号用于启动计数器，而现役计时子系统的成帧信号用于停止计数器。将由于驱动器、接收器和互连电缆引起的延迟作为计数器的整数计数(标称计数)。计数器内容和标称计数之间的任何差值代表了备用计时子系统与现役计时子系统之间的相位差。调节备用计时子系统，通过消除标称计数与计数器内容之间的差值来消除相位差。
文档编号H04L7/02GK1093209SQ93120590
公开日1994年10月5日 申请日期1993年11月30日 优先权日1992年12月10日
发明者詹姆斯·R·博托利尼 申请人:美国电话电报公司