專利名稱：電磁耦合總線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的機制，特別涉及用于在電磁耦合總線系統(tǒng)中傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的機制。
背景技術(shù)：
諸如計算機的數(shù)字電子系統(tǒng)必須以越來越高的速率在其組件設(shè)備之間移動數(shù)據(jù)，從而充分利用這些組件設(shè)備所運行的更高速度。例如，計算機可能包括一個或多個運行于吉赫茲或更高頻率的處理器。這些處理器的數(shù)據(jù)吞吐量大大超過傳統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送帶寬。通過對數(shù)據(jù)進行智能高速緩存，而將頻繁使用的數(shù)據(jù)保持在處理器芯片上，使這個矛盾稍微得到緩解。但是，即使最好的高速緩存結(jié)構(gòu)也可能使處理器得不到充分的利用。相似的問題也在數(shù)字系統(tǒng)中出現(xiàn)，例如在通信網(wǎng)絡(luò)、路由器、背板、I/O總線、便攜式設(shè)備接口等等中出現(xiàn)，在這些數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)必須在運行于更高頻率的設(shè)備間傳送。
通信信道的數(shù)字帶寬(BW)可以表示為BW＝FsNs這里，F(xiàn)s為碼元在信道上傳送的頻率而Ns為每個時鐘周期每個碼元傳送的比特數(shù)目(“碼元密度”)。信道指通信的基本單元，例如單端信令中的電路板跡線或差分信令中的兩條互補跡線。對于一個典型的基于總線的系統(tǒng)，F(xiàn)s大約為200MHz，Ns為1，并且總線寬度(信道數(shù)目)為32，這提供低于一吉字節(jié)每秒的總線數(shù)據(jù)速率。
傳統(tǒng)的用于改善BW的策略集中于增加參數(shù)Fs和Ns中的一個或兩個。但是，這些參數(shù)不能無限地增加。例如，總線跡線的工作類似于用于信號波長變得可與總線尺寸相比的頻率的傳輸線。在此高頻狀況下，總線的電特性必須被小心地管理。這在包括三個或更多個通過平行短線而電連接到每條總線跡線的設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)多站(multi-drop)總線系統(tǒng)中特別明顯。所述連接可在跡線阻抗中產(chǎn)生不連續(xù)性，這種不連續(xù)性使高頻信號散射。散射的和非散射的信號之間的干擾顯著地降低了信號的可靠性。產(chǎn)生的噪聲可以通過系統(tǒng)組件的細(xì)致阻抗匹配得到減小。但是，阻抗匹配需要使用精確組件，這增加了這些系統(tǒng)的成本。除了阻抗不連續(xù)性以外，到總線跡線的連接也可以通過增加電容而影響系統(tǒng)性能。電容可以降低信號傳播速度并降低跡線阻抗，而這又需要更大的驅(qū)動器電路并且增加功率消耗。
基于RAMBUSTMDRAM(RDRAM)技術(shù)的計算機系統(tǒng)提供了另外一種用于高速信令的方法。對于這些系統(tǒng)，設(shè)備被安裝在子卡上，這些設(shè)備通過昂貴的、緊密匹配的連接器與總線串行連接。阻抗匹配的串聯(lián)連接消除了平行短線的阻抗不連續(xù)性，但是信號路徑必須穿越每個子卡，從而增加了信號路徑的長度。此外，不同子卡組件必須是相互阻抗匹配的，并且與連接器是阻抗匹配的，而這些組件(所有組件都與該總線的某些部分接觸)的寄生電容還影響到信號的傳播速度、阻抗、驅(qū)動器大小和功率耗散。這些影響一起嚴(yán)重限制了能夠置于總線上的組件的數(shù)目(或者總線容量)。
解決傳統(tǒng)總線系統(tǒng)的頻率限制的另一個策略是用總線跡線和設(shè)備之間的非直接(例如電磁)耦合替換直接電連接。例如，專利號為5,638,402的美國專利公開了使用電磁耦合器的系統(tǒng)。電磁耦合器對跡線阻抗的影響主要依賴于在其耦合組件之間傳輸?shù)男盘柲芰康陌俜致?，也就是其耦合系?shù)。具有大耦合系數(shù)和/或長度的耦合器將它取樣的信號能量的一個大百分率傳輸給其相關(guān)設(shè)備。大能量傳輸能夠使跡線阻抗的連續(xù)性被與標(biāo)準(zhǔn)直接電連接同樣多地降級。它們也可以快速地削弱信號能量，并且在多站總線上，距離信號源遠(yuǎn)的設(shè)備只能獲得很少的信號能量。另一方面，太小的耦合系數(shù)和太短的長度將導(dǎo)致在設(shè)備處較低的信噪比。此外，耦合系數(shù)對耦合組件的相對位置非常敏感。相對位置的變更可能會依據(jù)距離是減小或增加，而相應(yīng)地增加總線跡線上的噪聲或減小與非可變(non-scalable)的噪聲相關(guān)的傳輸信號。
實際的BW限制也通過BW參數(shù)之間的相互作用而產(chǎn)生，特別是在高頻時。例如，與高頻信號發(fā)送相關(guān)的更大的自感應(yīng)噪聲限制了信號解析的可靠性。這限制了使用更高碼元密度的可能性。
在一些數(shù)字系統(tǒng)中已經(jīng)采用調(diào)制技術(shù)來在每個發(fā)送碼元中編碼多個比特，因而增加了Ns。這些技術(shù)的使用在很大程度上限制于點到點通信系統(tǒng)，特別是在高信號發(fā)送頻率時。因為已編碼的碼元有更高的數(shù)據(jù)密度，所以它們只能在相對低的噪聲環(huán)境中被可靠地解析。傳輸線效應(yīng)限制了在高頻通信中使用調(diào)制，特別是在多站環(huán)境中使用調(diào)制。例如，基于RDRAM的系統(tǒng)可以使用4個電壓電平(稱為QRSL)來將Ns增加到2。更積極(aggressive)的調(diào)制(幅度調(diào)制或其它方式)被噪聲環(huán)境排除在外。
本發(fā)明尋求解決與數(shù)字電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信相關(guān)的這些和其它問題。


本發(fā)明可以通過參照后面的附圖來理解，在附圖中相同的元件用相同數(shù)字指示。這些附圖被提供用來圖示本發(fā)明的選擇實施例而不是用于限制本發(fā)明的范圍。
圖1是傳統(tǒng)的使用電磁耦合器的多站總線系統(tǒng)的框圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的電磁耦合多站總線系統(tǒng)的框圖。
圖2B是表示圖2A的電磁耦合總線系統(tǒng)的一個實施例的電特性的框圖。
圖3A-3E表示圖2A和圖2B的電磁耦合器的實施例以及這些耦合器在多站總線系統(tǒng)中的應(yīng)用。
圖4是通過適合于本發(fā)明使用的各種調(diào)制技術(shù)來表示多個數(shù)據(jù)比特的碼元的圖示。
圖5A和圖5B是適合本發(fā)明使用的接口的實施例的框圖。
圖6是通過幅度、脈沖寬度以及相位調(diào)制對比特進行編碼和解碼的收發(fā)機模塊的一個實施例的框圖。
圖7A-7D是圖6發(fā)射機的一個實施例的不同組件的電路圖。
圖8A-8E表示總線系統(tǒng)200的一個實施例中數(shù)據(jù)發(fā)射的不同階段時的信號。
圖9A-9E是適合本發(fā)明使用的接收機的一個實施例的不同組件的電路圖。
圖10是表示適合本發(fā)明使用的校準(zhǔn)電路的框圖。
圖11是總線系統(tǒng)200的通信信道的實施例的頻率響應(yīng)曲線。
具體實施例方式
下面的討論闡明了多個具體細(xì)節(jié)從而提供對本發(fā)明的完整理解。然而，利用這個公開文本，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解本發(fā)明可以不需要這些具體細(xì)節(jié)而被實施。此外，為了聚焦中于本發(fā)明的特征，對各種公知方法、過程、組件和電路沒有進行具體描述。
通過對用于傳輸數(shù)據(jù)的頻率和編碼機制提供更多的控制，本發(fā)明支持高帶寬通信。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括諸如總線的數(shù)據(jù)信道，該數(shù)據(jù)信道具有用于在通過其耦合的各設(shè)備間傳輸信號的基本上一致的電特性。該一致的電特性由這樣一種電磁耦合方案支持，該方案允許在不顯著增加可歸因于傳輸線效應(yīng)的噪聲的情況下使用更高頻率的信號發(fā)送。該方案使用平衡的電磁耦合器從而在通信信道和設(shè)備之間提供可靠的信號傳輸而不顯著影響該通信信道的阻抗。產(chǎn)生的更干凈的噪聲環(huán)境允許在選擇表示數(shù)據(jù)的編碼方案時具有更大的靈活性。
對于本發(fā)明的一個實施例，平衡的電磁耦合器包括被電介質(zhì)分離開并具有特定范圍內(nèi)的耦合系數(shù)的第一和第二耦合器組件。耦合器組件中的至少一個具有能夠降低耦合系數(shù)對耦合組件的相對位置變化的敏感度的幾何形狀。耦合器的長度可以被選擇，從而在不限制系統(tǒng)帶寬的情況下提供充足的信號能量傳輸。
對于本發(fā)明的另一個實施例，設(shè)備使用選定的調(diào)制方案通過電磁耦合器與多站總線相互傳送數(shù)據(jù)。電磁耦合器允許該設(shè)備取樣該總線上信號能量的較小部分，這降低了該設(shè)備對總線電特性的影響。采用的調(diào)制方案被選擇用來平衡碼元密度和對電磁耦合設(shè)備提供的阻抗環(huán)境中的碼元間和碼元內(nèi)干擾的易感度。
圖1是表示多站總線系統(tǒng)100電特性的框圖。系統(tǒng)100包括總線110以便在不同設(shè)備120(1)-120(n)(統(tǒng)稱為“設(shè)備120”)間傳送數(shù)據(jù)。設(shè)備120(1)電耦合到總線110，而設(shè)備120(2)-120(n)分別通過相關(guān)電磁耦合器160(1)-160(n-1)耦合到總線110。在后面的討論中，電耦合指總線110和設(shè)備120(1)之間的相對低阻抗的、能夠傳送低至零頻率(DC)信號的電路徑。圖1還顯示了當(dāng)設(shè)備120在分離的子卡上時的寄生現(xiàn)象130，寄生現(xiàn)象130可能與設(shè)備120或連接器的封裝相關(guān)。
對于多站總線系統(tǒng)，多個電磁耦合器160引入沿總線110的阻抗不連續(xù)性，它使阻抗匹配更困難。從阻抗不連續(xù)性反射的信號干擾其它信號(碼元間或者碼元內(nèi)干擾)。由耦合器160產(chǎn)生的噪聲環(huán)境和寄生現(xiàn)象130(當(dāng)存在時)限制了可以用在系統(tǒng)100上的信號發(fā)送頻率和碼元密度。
類似于系統(tǒng)100的電磁耦合總線在專利號為5,638,402、3,516,065和3,619,504的美國專利中公開了?！?02’號專利公開了具有平行平面形狀(“平行耦合部分”)和約為.3的“后向串音系數(shù)”(Kb)的電磁耦合器160。Kb表示由原始信號在耦合器160上引起的反向傳播信號的相對幅度。值為.3的Kb意味著在總線110上的強的信號散射以及每個耦合器上的巨大的信號能量損耗。它還向設(shè)備120的接收機強加較大的動態(tài)范圍需求。即使是值約為.2的Kb也表示總線110上有顯著的信號削弱和噪聲問題。
除了它們的強度外，平行平面耦合器160的耦合系數(shù)還對耦合器組件(162和164)的水平(x，y)和垂直(z)對齊中的變動非常敏感。一個解決方案是將電磁耦合器160的兩邊都嵌入到電路板中，并且具有足以保證耦合系數(shù)落入目標(biāo)范圍的精度。這個精度增加了系統(tǒng)100的成本。而且如寄生現(xiàn)象130所表示，它需要連接器來接納子卡。
如果平行平面耦合器160是在差分信號發(fā)送方案中實現(xiàn)，那么它們也對噪聲問題敏感，這里互補信號在總線跡線對上被驅(qū)動。對于這些系統(tǒng)，一對耦合器160傳送互補信號給設(shè)備120中的差分接收機。平行平面耦合器160對其組件位置變更的敏感性增加了耦合器對會具有失配的耦合系數(shù)的可能性。這導(dǎo)致差分噪聲的產(chǎn)生，它破壞了差分信號發(fā)送的益處。此外，除非耦合器在空間上分離足夠遠(yuǎn)(增加為支持它們所需的電路板區(qū)域)，否則互補信號能交叉耦合，從而導(dǎo)致信噪比損耗。
圖2A是表示根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)200的一個實施例的框圖。系統(tǒng)200可以是計算機系統(tǒng)，但是利用本公開文本，數(shù)字通信領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明的益處可以實現(xiàn)在任何需要高帶寬數(shù)據(jù)傳送的系統(tǒng)。
對于系統(tǒng)200，設(shè)備220(1)-220(m)(統(tǒng)稱為“設(shè)備220”)通過總線210通信。出于這個目的，設(shè)備220(1)-220(m)分別包括接口230(1)-230(m)以便將信號傳送給總線210或者從總線210接收信號。接口230(2)-230(m)與總線210分別通過相關(guān)的電磁耦合器240(1)-240(m-1)(統(tǒng)稱為“電磁耦合器240”)通信。電磁耦合器240被平衡以限制設(shè)備220對總線210電特性的影響，同時在設(shè)備220和總線210之間提供可靠的信號傳輸。例如，電磁耦合器240的耦合系數(shù)被選擇用來在總線210和設(shè)備220之間傳送充足的信號能量，以便保持信噪比容限(margin)，同時限制總線210上的信號反射和總線210上太快的信號能量衰減(信號能量的放出)。平衡的電磁耦合器240通常使用范圍在.1到.4的耦合系數(shù)，例如Kb＝.05到.2。可以選擇電磁耦合器240的幾何形狀來保持這些選中的耦合系數(shù)，使其不受總線和設(shè)備端耦合組件242和244各自的相對位置變動的影響(圖2B)。
電磁耦合器傳送的能量和使用電磁耦合器的系統(tǒng)支持的最大有效信號發(fā)送頻率依賴于耦合器長度。此外，更長的耦合器占用更多的空間并需要更高的系統(tǒng)成本。
耦合器240傳送的信號能量與感應(yīng)信號波形的平方在其持續(xù)時間上的積分成比例。感應(yīng)信號波形由Kb、總線跡線上的信號波形的幅度和耦合器的長度決定。對于給定的Kb值，耦合器越長，它傳送的取樣信號能量越多。此外，如果碼元在總線210上以充分高的頻率被驅(qū)動，該碼元周期就可以比感應(yīng)波形持續(xù)時間短。在這些環(huán)境下，耦合器240可以混合兩個或更多碼元的能量，也就是碼元干擾，并且此干擾使信噪比降級。由于這些原因，耦合器240的長度應(yīng)該足夠長，從而提供足夠的信號能量給該設(shè)備而不產(chǎn)生碼元間干擾或者過多的沿總線210的能量放出。
圖2B是系統(tǒng)200的電特性的示意表示。信號在設(shè)備(例如設(shè)備220(2))和總線210之間通過電磁耦合器240(1)電磁地傳送。在后面的討論中，電磁耦合指通過與信號相關(guān)的電場和磁場的信號能量傳送。電磁耦合包括與信號電場相關(guān)的電容組件以及和信號磁場相關(guān)的電感組件。例如，Kb與電感耦合系數(shù)(KL)電容耦合系數(shù)(KC)如下式地相關(guān)Kb＝.25(KL+KC)這里，KL是耦合器組件之間的每單位長度互感與耦合器組件的自感的幾何平均之比，而KC是耦合器組件之間的每單位長度的互電容與耦合器組件的每單位長度的自電容的幾何平均之比。
對傳過耦合器240的能量的電容性和電感性貢獻的影響隨信號頻率變化。通常，電感組件的相對貢獻隨著信號頻率的升高變得更顯著。例如，顯著的電感組件的存在可以用于為更高頻率處的信號提供定向性。此外，電磁耦合器240的表現(xiàn)類似于分布式設(shè)備而不是集總式設(shè)備。當(dāng)信號波長變得可與耦合器240的物理尺寸相比時，耦合器240的電容和電感方面的分布式特性在更高頻率時變得更為顯著。
相對于在依賴電連接或者不平衡電磁耦合器的系統(tǒng)中的阻抗不連續(xù)性，具有適當(dāng)選擇的耦合系數(shù)的電磁耦合器240的使用顯著降低了系統(tǒng)200的阻抗不連續(xù)性。此外，向電磁耦合器240提供對于設(shè)備和總線端組件242和244的各自位置的變動相對不敏感的幾何形狀，這樣就允許平衡耦合系數(shù)保持不變而不需要昂貴和精確的制造?？偩€210的更一致的阻抗提供了用來在其中傳送數(shù)據(jù)的更干凈的信號環(huán)境。根據(jù)本發(fā)明用來編碼數(shù)據(jù)的調(diào)制方案既反映了總線210的更干凈的噪聲環(huán)境，還反映了耦合器240對其傳送波形的影響。
對于本發(fā)明的一個實施例，電磁耦合器240將總線210上約5-10％的信號幅度傳送給其相應(yīng)的設(shè)備220。對于特定的耦合器形狀和長度(Kb＝.13，L＝1cm)，這相當(dāng)于少于1％的信號能量?？偩€210上信號能量相對小的衰減限制了多個設(shè)備220對總線210的阻抗的影響。這個受限的信號衰減的一個副作用是電磁耦合器240的設(shè)備端242上的信號波形(“傳送波形”)是總線210上發(fā)送能量的小百分率。既然耦合系數(shù)是對稱的，那么就有相似衰減在反方向從設(shè)備端242到總線210發(fā)生。這個信號衰減的重要性取決于系統(tǒng)200中的噪聲類型。
可變噪聲(scalable noise)是隨信號能量縮放的噪聲。與傳送波形相關(guān)的可變噪聲以與傳送波形自己相同的程度衰減?？勺冊肼曉窗]有被電磁耦合器240消除的信號反射。非可變噪聲包括外部耦合噪聲、熱噪聲，以及類似物。如果非可變噪聲沒有被解決，則由電磁耦合器240產(chǎn)生的信號衰減可能影響系統(tǒng)200的性能。用于解決系統(tǒng)200中的非可變噪聲的策略包括選擇魯棒的碼元調(diào)制方案和使用差分信號發(fā)送。對于系統(tǒng)200的一個實施例，接口230在對傳送波形進行解調(diào)以恢復(fù)傳送數(shù)據(jù)之前將該傳送波形放大。
電磁耦合器240的另一個副作用是傳送波形相對于總線210上的信號改變。通常，傳送過電磁耦合器240的信號被微分。例如，電磁耦合器240的總線端244上的正信號脈沖260在電磁耦合器240的設(shè)備端242上變?yōu)檎?負(fù)向脈沖270。選擇系統(tǒng)200中采用的調(diào)制方案，從而在不降低通信信道可靠性的情況下容納幅度衰減和與電磁耦合器240相關(guān)的信號微分。例如，在非可變噪聲源面前，信號衰減可能限制可用的幅度調(diào)制電壓電平的數(shù)目。如果需要用電平信號發(fā)送替換躍遷信號發(fā)送(transition signalling)，或者在躍遷信號發(fā)送之外加上電平信號發(fā)送，則微分可能需要使用積分電路來為電平信號發(fā)送恢復(fù)DC電壓。并且，在系統(tǒng)200中使用上升時間調(diào)制(下面將描述)需要信號波形的二階導(dǎo)數(shù)的測量。
對于本發(fā)明的一個實施例，多站總線系統(tǒng)200是計算機系統(tǒng)而設(shè)備220對應(yīng)于各種系統(tǒng)組件，例如處理器、存儲器模塊、系統(tǒng)邏輯以及類似物。本發(fā)明的實施例包括50厘米長的總線210，它最多支持17個能傳送信號頻率為400MHz數(shù)據(jù)的設(shè)備220。通過采用提供每碼元4比特的碼元密度的調(diào)制方案，系統(tǒng)200的這個實施例提供每信道每秒1.6吉比特的數(shù)字帶寬。總線210的相對干凈的噪聲環(huán)境實現(xiàn)的更高的信號頻率和更高的碼元密度可以用于提供更大的數(shù)字帶寬。例如，如果使用適當(dāng)?shù)牟牧?，則多站總線系統(tǒng)中可以采用約1GHz的信號發(fā)送頻率。
圖11顯示了描述材料和電子封裝方面現(xiàn)有技術(shù)的電磁耦合總線系統(tǒng)210的帶寬的曲線系列。不同的曲線表示目標(biāo)范圍內(nèi)不同數(shù)目的耦合器和不同的耦合系數(shù)。其形狀是具有標(biāo)為1101的通帶的帶通濾波器。頻率下界通過耦合器240的頻率響應(yīng)來設(shè)置，而上界取決于印刷電路板材料損耗和封裝寄生電感和電容。注意，對于1cm長的耦合器，長度感應(yīng)帶寬極限發(fā)生在約5GHz，但是，對于更長的耦合器，它會在更低的頻率上發(fā)生，例如，對于4cm長的耦合器，它在1.25GHz處發(fā)生。因此，材料和寄生現(xiàn)象限制了提高碼元頻率Fs的能力。例如，普通的PC板電介質(zhì)材料FR4嚴(yán)重衰減了3GHz以上的頻率。為了增加在這些限制下的數(shù)字帶寬，必須使用本發(fā)明中描述的調(diào)制技術(shù)來增加Ns。當(dāng)材料特性得到改善時，例如用聚四氟乙烯替換FR4時，本發(fā)明可以在Fs、Ns或者二者的某一組合中進行縮放，從而提供更高的數(shù)字帶寬，就象總線系統(tǒng)210的通帶1101被加寬一樣。
設(shè)備220和總線210之間的電磁耦合的一個優(yōu)點是可以比直接耦合系統(tǒng)中或者比需要對耦合器組件精確定位的電磁耦合系統(tǒng)中更容易地向系統(tǒng)200增加和從系統(tǒng)200拆除設(shè)備220。例如，使用了電磁耦合器240就不需要建立或者斷開到例如32比特總線的32根跡線的電連接。因為這一點，以及對靜電放電保護和信號完整性的好處，本發(fā)明的電磁耦合特征對諸如熱交換等應(yīng)用具有很大的優(yōu)點。
對于本發(fā)明的一個實施例，電磁耦合器240具有使得它們的耦合系數(shù)對設(shè)備端組件242和總線端組件244的相對位置不太敏感的幾何形狀。這些幾何形狀允許平衡耦合器240將它們的耦合系數(shù)保持在選定的范圍內(nèi)，而不用管設(shè)備端和總線端組件242和244各自的水平或者垂直間距的變動。
圖3A表示具有在設(shè)備220和總線210之間提供相對穩(wěn)定耦合的幾何形狀的平衡電磁耦合器240的一個實施例300。相對于圖2B(其中一部分在圖3A中再現(xiàn))中指示的坐標(biāo)而言，耦合器300是看向z軸負(fù)方向而被觀察的。對于這個方向，總線端組件320看來在電磁耦合器300的設(shè)備端組件330之上?？偩€和設(shè)備端組件320、330的幾何形狀允許通過耦合器300傳送的能量相對而言對總線和設(shè)備端組件320、330的相對對齊不敏感。
對于耦合器300，總線端組件320在由其端點定義的縱向(沿y軸)附近波動從而形成之字形式樣?？偩€端組件320的這個公開實施例包括4個在x軸上正向和負(fù)向中交替的縱向的偏移(excursion)。所公開的、縱向偏移的數(shù)目、大小和角度被提供用來一般性地圖示該幾何形狀。它們的值可以為適應(yīng)特定實施例的限制而變化。設(shè)備端組件330有與總線端組件320互補的相似之字形式樣。
重復(fù)的交叉形成了耦合器300的平行平面區(qū)域340(1)-340(4)(通常稱為“平行平面區(qū)域340”)和邊緣區(qū)域(fringe region)350(1)-350(3)(通常稱為“邊緣區(qū)域350”)。平行平面和邊緣區(qū)域340和350分別給耦合器300的耦合系數(shù)提供不同的貢獻，這減輕了組件320和330的相對對齊變動所產(chǎn)生的影響。例如，如果組件320和330從它們在x，y平面中的基準(zhǔn)位置稍微移動，則平面區(qū)域340的大小沒有顯著變化，而當(dāng)組件320和330從它們在x，y平面中的基準(zhǔn)位置移動時，邊緣區(qū)域350的大小發(fā)生變化，使得相鄰區(qū)域的變化大致互相補償。對于耦合器300的一個實施例，其中S為.125cm，δ＝35°，而W為5mil，當(dāng)組件320和330在x和/或y軸方向從它們正常對齊位置移動±8mil時，Kc僅僅變化±2％。
組件320和330之間的垂直距離變化的影響在耦合器300中減小了。平行平面區(qū)域340中的耦合隨間隔(z)而逆向變化，同時邊緣區(qū)域350中的變化隨間隔更慢地變化。凈效應(yīng)是降低了對耦合器300在z軸方向上變化的敏感度。在對耦合器幾何形狀的這個選擇下，耦合器間隔(z)±30％的變化導(dǎo)致電容性耦合系數(shù)以低于±15％變化。這與基于平行平面的耦合器幾何形狀相比是良好的，后者在相同范圍的導(dǎo)體間隔上顯示出+40％/-30％的變化。
對于耦合器300的這個公開實施例，組件320和330具有圓角，從而為沿任何一個組件傳送的信號提供相對一致的阻抗環(huán)境。出于相似的原因，組件320和330具有相對一致的橫截面?？傃灾?，耦合器300在設(shè)備220和總線210之間提供了魯棒的信號傳送，而沒有在任何一個環(huán)境中引入顯著的阻抗變化。
圖3B表示了平衡電磁耦合器240的另一個實施例304。對于這個公開實施例，一個組件324保留了類似于上面描述的組件320的起伏形狀或者之字形形狀，而第二組件334具有基本為直線的幾何形狀。組件334可以構(gòu)成耦合器304的總線端或者設(shè)備端組件，而組件324構(gòu)成相對側(cè)。耦合器304包括平行平面區(qū)域344和邊緣區(qū)域354，但是后者比耦合器300中的邊緣區(qū)域350小。因此，耦合器304對組件324和334的相對位置變化可能比耦合器300更敏感。
圖3C表示平衡電磁耦合器240的另一個實施例308。對于這個實施例，一個組件328比第二組件338窄，以便提供平行平面區(qū)域348和邊緣區(qū)域358這兩者。
圖3D圖示了包含耦合器300的多站總線系統(tǒng)360的一部分?？偩€跡線380包括沿著其長度間隔排列的多個總線端組件320。相應(yīng)的設(shè)備370通過它們相關(guān)的設(shè)備端組件330被耦合到總線跡線380。組件320和330循環(huán)顯示以便指明其幾何形狀。耦合器300的實施例可以在組件320和330之間包括選定的電介質(zhì)材料從而可以方便定位或者調(diào)整耦合系數(shù)。
圖3E圖示了將設(shè)備370耦合到總線跡線380的一個機制。對于這個公開的實施例，總線跡線380(包括耦合器300的總線端組件320)被裝配在電路板384上?？偩€跡線380的一端被連接到設(shè)備220(1)。設(shè)備370被裝配在撓曲(flex)電路386并且連接到設(shè)備端組件330，設(shè)備端組件330只有一部分在圖3E中可見。設(shè)備端組件330沿著撓曲電路386的表面延續(xù)，當(dāng)撓曲電路386壓在電路板384(如箭頭指示)上時，撓曲電路386對著總線端組件320。插座388只有部分在圖3E中可見，它被提供用來將撓曲電路386固定在適當(dāng)位置。
撓曲電路386的柔軟特性允許它在被壓到電路板384上時可以彎曲。對于一個實施例，設(shè)備端組件330存在于撓曲電路386上相對平坦的部分，這相對平坦的部分是在把該撓曲電路386壓到電路板384上時形成的。當(dāng)設(shè)備端組件330被完全插入時，在耦合器300上沿著z軸負(fù)向向下看時，設(shè)備端組件330和總線端組件320如圖3A一樣對齊?？赡苓€提供隔片來保持總線端組件和設(shè)備端組件320和330各自之間的距離，或者組件320和330中的一個或兩個都可涂上絕緣材料，這就允許它們被壓到一起而不產(chǎn)生短路。將設(shè)備端組件330耦合到設(shè)備370的跡線隨著撓曲電路386彎曲，從而在設(shè)備端組件330和設(shè)備370之間不需要連接器。
撓曲電路386可以包括例如一層或更多層諸如環(huán)氧電介質(zhì)材料、聚酰亞胺(例如，E.I.du Pont de Nemours of Wilmington，Delaware的Kapton)或者聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等的柔性和/或彈性材料。對于一個實施例，設(shè)備端組件330可以被柔軟/彈性材料層夾在中間，從而提供用于形成耦合器300的彈性和絕緣隔離。這個公開的機制僅僅是可以用于將設(shè)備370耦合到總線跡線380的許多方式中的一種。例如，柔性材料和剛性材料的各種組合、子卡以及這些機制的變型也可以被采用。
根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的多站總線系統(tǒng)提供的更干凈的噪聲環(huán)境允許比傳統(tǒng)的多站總線系統(tǒng)在更高的頻率上可靠地傳送信號。然而，僅僅由更高信號發(fā)送頻率提供的帶寬增益是有限的。例如，隨著信號頻率升高，能在傳送信道中散射信號的不規(guī)則尺度減小。此外，不能完全消除或者屏蔽的寄生電容和電感降低了傳送速度、衰減了信號幅度并在高頻產(chǎn)生電路諧振。而且，諸如集膚效應(yīng)和介電損失等的材料屬性可能限制高頻傳播。由電磁耦合器240引起的信號衰減也可能影響帶寬。例如，放大傳送信號從而補償衰減可能限制信號傳送的頻率。
如上所述，信道的數(shù)字帶寬通過BW＝Fs Ns給出，其中Fs為碼元頻率而Ns為每個碼元傳送比特的數(shù)目(“碼元密度”)。對于本發(fā)明的一個實施例，多種調(diào)制方案被用來在給定的碼元周期(1/Fs)上增加Ns。對于給定的Fs，更大的Ns提供了BW總的提高，這避免了單單與對高頻信號發(fā)送的依賴性相關(guān)的限制。選定的調(diào)制方案可以與高頻信號發(fā)送結(jié)合以提供BW的顯著增加。
在后面的討論中，多種時域調(diào)制方案被用于示例。本發(fā)明的益處并不局限于這些公開的調(diào)制方案。諸如形狀調(diào)制(在脈沖中改變邊沿的數(shù)目)等的其它時域調(diào)制方案、諸如頻率調(diào)制、相位調(diào)制和擴展頻譜等的窄帶和寬帶頻域調(diào)制方案或者時域與頻域調(diào)制方案的結(jié)合(脈沖與高頻正弦波疊加)也適合于本發(fā)明使用。
圖4圖示了一個信號410的示意表示，說明Fs、Ns以及多種可用于將多個數(shù)據(jù)比特編碼為一個碼元的調(diào)制方案之間的相互影響。信號410包括在碼元周期(Fs-1)上傳送的已調(diào)制碼元420。為了示例，相位調(diào)制、脈寬調(diào)制、上升時間調(diào)制和幅度調(diào)制方案在碼元420中顯示為對數(shù)據(jù)的5個比特(Ns＝5)編碼。為了增加特定系統(tǒng)的帶寬，本發(fā)明可以單獨實現(xiàn)這些調(diào)制方案和其它調(diào)制方案，也可以實現(xiàn)它們的組合。通過考慮比特間隔(見下面)、噪聲源、考慮中的每種調(diào)制方案中適用的電路限制和給定頻率下可用的碼元周期，調(diào)制方案可以被選定。
在后面的討論中，“脈沖”指具有上升沿和下降沿的信號波形。對于基于脈沖的信號發(fā)送，信息可以在例如邊沿位置、邊沿形狀(斜坡)以及邊沿對之間的信號幅度上被編碼。但是本發(fā)明不局限于基于脈沖的信號發(fā)送。諸如基于邊沿的信號發(fā)送和多種幅度、相位或者頻率調(diào)制周期波形等其它信號波形也可以實現(xiàn)。后面的討論集中在基于脈沖的信號發(fā)送調(diào)制方案上，以說明本發(fā)明的各個方面，但是這些方案不是實施本發(fā)明所必須的。類似于下面對基于脈沖的信號發(fā)送的那些討論的考慮可以用于其它信號波形以選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案。
對于信號410，第一比特的值(0或1)可以通過碼元周期(相位調(diào)制或PM)中碼元420的前沿位置出現(xiàn)在哪里來指示。第二和第三比特的值通過脈沖包含4個可能寬度(w0，w1，w2，w3)中的哪一個來指示(脈沖寬度調(diào)制或PWM)。第四比特的值通過下降沿有大斜坡(rt0)還是有小斜坡(rt1)來指示(上升時間調(diào)制或RTM)，而第五比特值通過脈沖幅度為正還是負(fù)(a0，a1)來指示(幅度調(diào)制或AM)。粗線表示碼元420的實際狀態(tài)，虛線表示對于描述的編碼方案的其它可能狀態(tài)。碼元周期中指示的選通脈沖(strobe)用來提供一個基準(zhǔn)時間，該上升和下降沿位置可能被與之比較。上述調(diào)制方案編碼的比特數(shù)目僅僅用于示例。此外，RTM可以用于碼元420的上升和/或下降沿，而AM可以將比特編碼到碼元420的大小和/或符號中。
PM、PWM和RTM是時域調(diào)制方案的實例。每種時域調(diào)制方案在一個或多個事件(例如上升沿或者其后跟著下降沿的上升沿)在碼元周期中發(fā)生的時間對一個或多個比特編碼。也就是說，不同的比特狀態(tài)通過碼元周期中不同的事件時間或者事件時間之間的差值來表示。與每個時域調(diào)制方案相關(guān)的比特間隔表示用來可靠區(qū)分該方案中的不同比特狀態(tài)的必要最小時間。為特定系統(tǒng)選定的調(diào)制方案和該選定調(diào)制方案所表示的比特數(shù)目在某種程度上由備選調(diào)制方案的比特間隔和可用于容納它們的時間(即碼元周期)來確定。
在圖4中，t1表示相位調(diào)制方案中用來區(qū)分p0和p1所必須的最小時間。持續(xù)時間為t1的一個比特間隔在碼元周期中被分配從而允許脈沖沿被可靠地分配到p0或p1。t1的值取決于能干擾相位測量的噪聲和電路限制。例如，如果選通脈沖由時鐘脈沖提供，時鐘顫動可能使選通脈沖位置(時間)不確定，這增加了可靠區(qū)分p0和p1所必須的最小間隔。在下面更詳細(xì)地討論了多種電路限制和解決方案。
同樣地，持續(xù)時間t3的一個比特間隔在碼元周期中分配，從而允許兩種狀態(tài)(rt0，rt1)被可靠地區(qū)分。t3的大小取決于與上升時間測量相關(guān)的噪聲和電路限制。例如，上升時間通過穿過耦合器240而被微分。因此，t3必須足夠長，從而能夠允許二階導(dǎo)數(shù)的測量。
持續(xù)時間t2的三個比特間隔在碼元周期中分配，從而允許四種狀態(tài)(w0，w1，w2，w3)被可靠地區(qū)分。t2的大小取決于與脈沖寬度測量相關(guān)的噪聲和電路限制。如果脈沖寬度相對于時鐘選通脈沖確定，就可以應(yīng)用涉及時鐘顫動的考慮。如果脈沖寬度相對于例如脈沖前沿確定，可以考慮諸如在前沿和后沿測量之間的電源電壓的變化等。
通常，在具有比特間隔ti的時域調(diào)制方案(i)中編碼n個比特值的所需時間為(2n-1)·ti。如果因為噪聲或電路原因而使不一致的比特間隔更好，則分配給調(diào)制方案的總時間為它所有的比特間隔之和。當(dāng)多個時域調(diào)制方案被采用時，碼元周期應(yīng)該足夠長，從而能夠容納∑(2n(i)-1)·ti，加上任何附加的定時余量。這里，求和是對于所有使用的時域調(diào)制方案。在上述實例中，碼元周期應(yīng)該能容納t1+t3+3t2，再加上任何其它的余量或定時。這些可能包括通過信道帶寬和殘留噪聲及類似物來指示的最小脈沖寬度。
使用多種編碼方案降低了對碼元時間的限制。例如，只使用脈寬調(diào)制對5個比特編碼需要至少31·t2。如果t2足夠大，則使用單一編碼方案可能需要比不采用單一編碼方案時所必需的更大的符號周期(更低的碼元頻率)。
最小分辨時間也可以與幅度調(diào)制相關(guān)。幅度調(diào)制不像時域調(diào)制方案，它在與邊沿位置基本正交的脈沖屬性中編碼數(shù)據(jù)。因此，它不必被直接加到碼元周期所容納的總比特間隔。例如，幅度調(diào)制使用電壓電平的符號或大小來編碼數(shù)據(jù)。
但是不同的調(diào)制方案并不完全正交。在上述實例中，兩種幅度狀態(tài)(正和負(fù))編碼一個比特，與這個間隔相關(guān)的最小時間可以通過例如檢測器電路對振幅為A的電壓的響應(yīng)時間來確定。脈沖寬度應(yīng)該至少足夠長，從而能夠判決A的符號。同樣地，以上升時間狀態(tài)rt1和寬度狀態(tài)w3為特征的碼元可能干擾下一個以相位狀態(tài)p0為特征的碼元。因此，當(dāng)選擇要用于本發(fā)明的調(diào)制方案時，需要考慮噪聲和電路限制(部分概括在比特間隔中)、調(diào)制方案的相對獨立性以及其它多種因素。
圖5A是適合于給設(shè)備220(2)-220(m)處理多比特碼元的接口230的實施例500的框圖。例如，接口500可以用來將例如來自設(shè)備220(2)的出站比特編碼為在總線210上傳送的相應(yīng)碼元，并且將在總線210上接收到的碼元解碼為設(shè)備220(2)要使用的進站比特。
接口230的公開實施例包括收發(fā)機510和校準(zhǔn)電路520。在圖5A中顯示的還有電磁耦合器240的設(shè)備端組件242，它提供傳送波形給收發(fā)機510。例如，傳送波形可以是發(fā)送脈沖420經(jīng)電磁耦合器240產(chǎn)生的微分波形。設(shè)備端組件242被提供給接口230在其上進行通信的每個信道，例如總線跡線。圖中指示的第二設(shè)備端組件242’用于采用差分信號發(fā)送的情況。
收發(fā)機510包括接收機530和發(fā)射機540。接收機530恢復(fù)在電磁耦合器240的設(shè)備端組件242上的傳送波形中被編碼的比特，并且將恢復(fù)的比特提供給與接口230相關(guān)的設(shè)備。接收機530的實施例可以包括放大器來補償通過電磁耦合器240時的信號能量衰減。發(fā)射機540將相關(guān)設(shè)備提供的數(shù)據(jù)比特編碼為碼元，并且將碼元驅(qū)動到電磁耦合器240的設(shè)備端組件242上去。
校準(zhǔn)電路520管理可能影響收發(fā)機510性能的各種參數(shù)。對于接口230的一個實施例，校準(zhǔn)電路520可以用于響應(yīng)于過程、溫度、電壓及類似現(xiàn)象的變化，而調(diào)整終端電阻、放大器增益或者收發(fā)機510中的信號延遲。
圖5B是適合為直接連接到通信信道的設(shè)備處理已編碼碼元的接口230的實施例504的框圖。例如，在系統(tǒng)200(圖2)中，設(shè)備220(1)可以表示直接連接到存儲器總線(210)的計算機系統(tǒng)的系統(tǒng)邏輯電路或芯片組，而設(shè)備220(2)-220(m)可以表示計算機系統(tǒng)的存儲器模塊。相應(yīng)地，DC連接506被提供給接口504在其上進行通信的每條信道或跡線。圖中指示的第二DC連接506’(每信道)用于采用差分信號發(fā)送的情況。接口504可以包括時鐘同步電路560用于解決從不同設(shè)備220(2)-220(m)轉(zhuǎn)發(fā)的信號和本地時鐘中的定時差異。
圖6是表示收發(fā)機510的實施例600的功能塊級框圖，該接收機510適合于處理其中數(shù)據(jù)比特使用相位、脈寬和幅度調(diào)制進行編碼的波形，并且選通脈沖由時鐘信號提供。收發(fā)機600支持如數(shù)據(jù)小緩沖區(qū)(datapad)602和604所指示的差分信號發(fā)送，并且收發(fā)機通過控制信號608從例如校準(zhǔn)電路520接收校準(zhǔn)控制信號。
對于收發(fā)機510的公開實施例，發(fā)射機540包括相位調(diào)制器640、脈寬調(diào)制器630、幅度調(diào)制器620和輸出緩沖器610。輸出緩沖器610分別提供反相的或非反相的輸出給小緩沖區(qū)602和604，從而支持差分信號發(fā)送。時鐘信號被提供給相位調(diào)制器640從而使收發(fā)機510與系統(tǒng)時鐘同步。調(diào)制器620、630和640的公開配置僅僅提供用作示例。相應(yīng)的調(diào)制方案可以按不同的順序使用，或者兩個或更多方案可并行使用。
接收機530的公開實施例包括放大器650、幅度解調(diào)器660、相位解調(diào)器670和脈寬解調(diào)器680。解調(diào)器660、670和680的順序提供出來作為示例，而不是實現(xiàn)本發(fā)明所必需的。例如，各種解調(diào)器可以在信號上并行運行或者按不同于圖中指示的順序運行。
設(shè)備690(a)和690(b)(統(tǒng)稱為“設(shè)備690”)充當(dāng)芯片上的終端阻抗，在本發(fā)明的一個實施例中，當(dāng)接口230正在接收時，它是激活的。設(shè)備690的有效性在碰到例如過程、溫度和電壓變化時可能由校準(zhǔn)電路520進行幫助。對于收發(fā)機600，設(shè)備690顯示為N設(shè)備，但是可以通過多個串行或并行的N和/或P設(shè)備來提供期望的功能。校準(zhǔn)電路520提供的控制可以是數(shù)字或模擬形式，并且可能通過一個輸出使能來調(diào)節(jié)。
圖7A是發(fā)射機540以及其組件調(diào)制器620、630和640的一個實施例的電路圖。在圖中顯示的還有適合產(chǎn)生選通脈沖信號的選通脈沖發(fā)射機790，該選通脈沖信號可以通過總線210傳送。對于系統(tǒng)200的一個實施例，提供了兩個獨立的選通脈沖。一個選通脈沖被提供用于從設(shè)備220(1)到220(2)-220(m)的通信，另一個選通脈沖被提供用于從設(shè)備220(2)-220(m)回到設(shè)備220(1)的反向通信。
發(fā)射機540的公開實施例調(diào)制時鐘信號(CLK_PULSE)，從而編碼每個碼元周期的4個出站比特。一個比特按碼元的相位編碼(相位比特)，兩個比特按照碼元的寬度編碼(寬度比特)，以及一個比特按碼元的幅度編碼(幅度比特)。發(fā)射機540可以用來產(chǎn)生每個碼元周期的差分碼元脈沖，并且選通脈沖發(fā)射機790可以用來產(chǎn)生每個碼元周期的差分時鐘脈沖。
相位調(diào)制器640包括MUX 710和延時模塊(DM)712。MUX 710通過DM 712接收延時版本的CLK_PULSE以及從輸入704接收未延時版本的CLK_PULSE。MUX 710的控制輸入響應(yīng)于相位比特的值，從而傳送延時的或未延時的CLK_PULSE的第一邊沿。通常，編碼p相位比特的相位調(diào)制器640可以選擇經(jīng)過不同延遲的2p個版本的CLK_PULSE中的一個。對于這個公開實施例，相位調(diào)制器640的輸出指示碼元420的前沿，并且該輸出被用作寬度調(diào)制器630產(chǎn)生后沿的定時基準(zhǔn)。延時匹配模塊(DMB)714被提供用來補償寬度調(diào)制器630中的電路延時(諸如MUX 720的延時等)，該電路延時可能對碼元420的寬度有不利的影響。DMB 714的輸出是起動信號(START)，它被提供給幅度調(diào)制器620作附加處理。
寬度調(diào)制器630包括DM 722、724、726、728和MUX 720從而產(chǎn)生相對于第一邊沿延遲了寬度比特指示的量的第二邊沿。延遲的第二邊沿形成停止信號(_STOP)，該停止信號被輸入幅度調(diào)制器620作附加處理。對于發(fā)射機540的公開實施例，用于控制MUX 720的輸入的兩個比特為第二邊沿選擇4個不同延時中的一個，第二邊沿在MUX 720的輸出端提供。MUX 720的輸入a、b、c和d在輸入信號(即第一邊沿)通過DM 722、724、726和728后分別對它進行抽樣。如果寬度比特指示例如，輸入c，則MUX 720輸出的第二邊沿相對于第一邊沿被延時DM 722+DM 724+DM726。
幅度調(diào)制器620使用START和_STOP來產(chǎn)生具有由相位、寬度和幅度比特分別指示的第一邊沿、寬度和極性的碼元脈沖，并且對于給定的碼元周期，該碼元脈沖被提供給發(fā)送機540。幅度調(diào)制器620包括開關(guān)740(a)和740(b)，它們分別根據(jù)幅度比特的狀態(tài)將START路由到邊沿到脈沖(edge-to-pulse)產(chǎn)生器(EPG)730(a)和730(b)。例如，開關(guān)740可以是與門。_STOP被提供給BPG 730(a)和730(b)(統(tǒng)稱為EPG 730)的第二輸入。一接收到START，EPG 730就開始一個碼元脈沖，而當(dāng)接收到_STOP時，它終止碼元脈沖。根據(jù)哪一個EPG 730被激活，正向或負(fù)向脈沖通過差分輸出緩沖器610被提供給發(fā)射機540的輸出端。
選通脈沖發(fā)射機790包括DM 750和匹配邏輯塊780。DM 750延時CLK_PULSE以便提供適合解析碼元420的數(shù)據(jù)相位選擇p0和p1的選通脈沖信號。對于選通脈沖發(fā)射機790的一個實施例，DM 750將選通脈沖均勻地安置在由p0和p1表示的相位比特狀態(tài)(圖4)之間。例如，該選通脈沖可以被接收機530通過判決數(shù)據(jù)前沿在選通脈沖之前還是之后到達來解調(diào)相位。因此，選通脈沖發(fā)射機790的DM 750對應(yīng)于數(shù)據(jù)發(fā)射機540的相位調(diào)制器640。在DM 750固定了其相對位置以后，匹配邏輯塊780重復(fù)發(fā)射機540的余下電路從而保持選通脈沖的定時與數(shù)據(jù)一致。
通常，在物理布局層上，DM 750和匹配邏輯塊780對選通脈沖重復(fù)發(fā)射機540對數(shù)據(jù)信號的操作。因此，此延時匹配對于過程、溫度和電壓等的變化來說是魯棒的。此外，從發(fā)射機540的輸出端經(jīng)過電路板跡線、電磁耦合器240、耦合器240另一端的電路板跡線而到達接收設(shè)備530的輸入端的剩余通信信道可以以數(shù)據(jù)和選通脈沖之間的延時來匹配，從而可以保持選定的相對定時。然而，延時的匹配是一個描述用于示例目的的實施例，而不是實施這個發(fā)明所必需的。例如，如果電路和剩余信道并沒有保持匹配的數(shù)據(jù)到選通脈沖延時，則接收機可以對選通脈沖的相對定時進行校準(zhǔn)，或者甚至是通過從正確編碼的數(shù)據(jù)恢復(fù)定時來對選通脈沖的缺乏進行補償。
圖7B是適合本發(fā)明使用的可編程延時模塊(DM)770的一個實施例的示意圖。例如，一個或多個DM 770可以用作發(fā)射機540的公開實施例中的DM 712、722、724、726、728和750中任何一個，從而在START和_STOP中引入可編程的延時。DM 770包括分別通過第一和第二晶體管組774(a)、774(b)和776(a)、776(b)耦合到基準(zhǔn)電壓V1和V2的反相器772(a)和772(b)?；鶞?zhǔn)電壓V1和V2在有些實施例中可以是數(shù)字電源電壓。編程信號P1-Pj和n1-nk分別連接到晶體管組774(a)、774(b)和776(a)、776(b)，這些編程信號改變反相器772(a)和722(b)所見的電導(dǎo)，并因此改變它們的速度。如下面更詳細(xì)的討論，校準(zhǔn)電路520可以用于給反相器772(a)和772(b)選擇編程信號P1-Pj和n1-nk。
圖7C是適合本發(fā)明使用的EPG 730的一個實施例的示意圖。EPG 730的公開實施例包括晶體管732、734、736以及反相器738。N型晶體管734的門電極由START驅(qū)動。START的正向邊沿指示碼元脈沖的開始。P和N型晶體管732和736的門電極分別由_STOP驅(qū)動，對于圖7A中的EPG 730(a)和730(b)來說，該_STOP是延時的和反相的START的復(fù)制。_STOP的負(fù)向邊沿指示碼元脈沖的結(jié)束。當(dāng)_STOP為高電平時，晶體管732斷開而晶體管736導(dǎo)通。START上的正向邊沿導(dǎo)通晶體管734，將節(jié)點N拉為低電平并且在EPG 730的輸出端產(chǎn)生碼元脈沖的前沿。隨后_STOP的負(fù)向邊沿斷開晶體管736并導(dǎo)通晶體管732，將節(jié)點N拉為高電平并終止碼元脈沖。
對于給定的碼元脈沖，START可以在相應(yīng)的_STOP被斷言(assert)之前或者之后被解除斷言(deassert)(負(fù)向邊沿)。例如，發(fā)射機540的公開實施例以CLK_PULSE定時，并且可以通過采用窄的CLK_PULSE獲得更高的碼元密度。START和_STOP的寬度因此是CLK_PULSE寬度的函數(shù)，同時START和_STOP之間的距離是寬度比特的函數(shù)。START的結(jié)束和_STOP的開始的不同的可能相對到達可對寬度比特調(diào)制碼元420有不利的影響。特別地，晶體管734可以在_STOP的負(fù)向邊沿終止碼元脈沖時導(dǎo)通或者斷開。節(jié)點N因而可以通過晶體管734暴露于節(jié)點P處的寄生電容，或不暴露。這個可變性可能通過EPG 730以非期望的方式影響尾隨的碼元后沿的延時。
圖7D是包括附加EPG 730(c)的發(fā)射機540的替換實施例。EPG 730(c)對START重新整型以便保證一個避免上述可變性的穩(wěn)定的定時。即，更改過的START被加寬，以使它經(jīng)常在_STOP開始后結(jié)束。這可以通過產(chǎn)生一個新的START完成，新START的開始由原START指示，但是其結(jié)束是由_STOP的開始而不是由CLK_PULSE的寬度指示。還應(yīng)該注意，在圖7D中的替換實施例中，通過延時匹配塊714和EPG 730(c)的延時總和必須和寬度調(diào)制器630中的非期望延時匹配。
對于系統(tǒng)200的一個實施例，圖8A到8E分別顯示了CLK_PULSE、START(起動)、STOP(停止)、SYMBOL(碼元)和TR_SYMBOL。這里，TR_SYMBOL表示傳送通過電磁耦合器240后的SYMBOL的形狀。TR_SYMBOL相對SYMBOL更小的幅度由圖8D和圖8E的波形之間的刻度變化大概地指示。TR_SYMBOL表示已被接口230解碼的信號，從而可以提取出給設(shè)備220作進一步處理的數(shù)據(jù)比特。每個SYMBOL編碼的4個出站比特在相應(yīng)的SYMBOL下面以(p，w1，w2，a)的順序指示。
圖9A是表示適合本發(fā)明使用的接收機530的一個實施例的示意圖。接收機530的這個公開實施例處理差分?jǐn)?shù)據(jù)信號。圖9A也顯示了適合處理差分選通脈沖信號的選通脈沖接收機902。選通脈沖接收機902可以為類似于上面描述的接收機530提供延時匹配。例如，接收機530和選通脈沖接收機902可以與上面討論的發(fā)射機540和選通脈沖發(fā)射機790的實施例一起在系統(tǒng)200中使用。
接收機530的這個公開實施例包括對單端放大器920(a)和920(b)的差分，單端放大器920(a)和920(b)補償與電磁耦合器240相關(guān)的能量衰減。響應(yīng)傳送信號(圖8E中的TR_SYMBOL)上的正或負(fù)脈沖以及其互補，例如響應(yīng)輸入端602和604的信號，放大器920(a)和920(b)產(chǎn)生數(shù)字脈沖。放大器920除了放大以外，它還使用正確的定時信號對它們的輸出進行鎖存從而為后續(xù)數(shù)字電路提供充足的脈沖寬度。
匹配選通脈沖接收機902同樣地放大伴隨的差分選通脈沖信號。對于這個公開實施例，接收到的選通脈沖被用于解碼數(shù)據(jù)碼元420中的相位信息。選通脈沖接收機902包括對單端放大器920(c)和920(d)以及匹配電路904的差分。匹配電路904重復(fù)接收機530中的許多余下電路，從而匹配數(shù)據(jù)和選通脈沖信號的延時，這類似于發(fā)射機540和選通脈沖發(fā)射機790的匹配。選通脈沖接收機902的一個實施例包括相應(yīng)于相位解調(diào)器670和寬度解調(diào)器680但有較小的修改的電路。例如，選通脈沖緩沖器990緩沖接收到的選通脈沖以便分發(fā)給多個接收機530，直到例如總線210中信道的數(shù)目。取決于其驅(qū)動的接收機的數(shù)目，選通脈沖緩沖器990可以很大。數(shù)據(jù)緩沖器980相應(yīng)于選通脈沖緩沖器990。為了節(jié)省面積，數(shù)據(jù)緩沖器980不必是選通脈沖緩沖器990的精確復(fù)制品。延時也可以這樣來匹配，即通過使數(shù)據(jù)緩沖器980以及其負(fù)載相對于選通脈沖接收機902中它們的對應(yīng)部分按比例縮小來進行。
uni_OR門(一致或門，UOR)940(a)組合放大器920(a)和920(b)的輸出來恢復(fù)TR_SYMBOL的第一邊沿。名字uni_OR表示對于兩個輸入而言，通過門940的傳播延時是一致的。UOR 940的一個實施例在圖9C中顯示。同樣地，uni-AND門(一致與門，UAND)930恢復(fù)TR_SYMBOL的第二邊沿。UAND 930的一個實施例在圖9B中顯示。
相位解調(diào)器670的公開實施例包括判優(yōu)器(arbiter)950(b)(統(tǒng)稱為“判優(yōu)器950”)和數(shù)據(jù)緩沖器980。判優(yōu)器950(b)比較UOR 940(a)從傳送碼元恢復(fù)的第一邊沿與來自UOR 940(b)的恢復(fù)的選通脈沖的相應(yīng)邊沿，并且根據(jù)恢復(fù)的碼元第一邊沿在選通脈沖的第一邊沿前面還是后面來設(shè)置相位比特。判優(yōu)器950的實施例在圖9D中顯示。如果輸入956在輸入958之前升為高電平，輸出952升為高電平。如果輸入958在輸入956之前升為高電平，輸出954升為高電平。
圖9E是表示放大器920的一個實施例的電路圖。放大器920的這個實施例包括復(fù)位均衡設(shè)備922、增益控制設(shè)備924和預(yù)充電鎖存(pre-charged latch)928。復(fù)位設(shè)備922加快在檢測到脈沖以后復(fù)位放大器920的速度，從而為下一個碼元周期做好準(zhǔn)備。增益控制設(shè)備924補償過程、電壓、溫度或類似變化時的放大器920的增益?？刂菩盘?26可以由校準(zhǔn)電路520提供。更一般地，設(shè)備924可以是多個串行或并行連接的設(shè)備，并且信號926可以是校準(zhǔn)電路520產(chǎn)生的幾個比特。預(yù)充電鎖存928為了后續(xù)電路的方便而將接收到的脈沖重新整形。產(chǎn)生的輸出脈沖寬度由定時信號_RST判決。對于放大器920的一個實施例，_RST和其它在接收機530中使用的定時信號一起由DM 916(圖9A)產(chǎn)生。因為加電順序或噪聲，預(yù)充電鎖存928和信號_RST可能處于不一致的狀態(tài)。附加的電路可能用來檢測和糾正這樣的事件。
幅度解調(diào)器660的這個公開實施例包括從放大器920(a)和920(b)接收放大傳送信號的判優(yōu)器950(a)。判優(yōu)器950(a)根據(jù)放大器920(a)和920(b)輸出中哪一個先出現(xiàn)脈沖來設(shè)置幅度比特。
寬度解調(diào)器680的這個公開實施例包括延時模塊(DM)910、912、914、判優(yōu)器950(c)、950(d)、950(e)以及解碼邏輯電路960。恢復(fù)的第一碼元邊沿發(fā)送通過DM910、912和914從而產(chǎn)生一系列邊沿信號，這些邊沿信號具有延時，該延時重復(fù)與不同碼元寬度相關(guān)的延時。對于本發(fā)明的一個實施例，DM 910、912和914可以實現(xiàn)為可編程延時模塊(圖7B)。判優(yōu)器950(c)、950(d)和950(e)確定第二邊沿對于產(chǎn)生的邊沿信號的(時間)位置。解碼邏輯電路960將這個位置映射為一對寬度比特。
鎖存970(a)、970(b)、970(c)和970(d)分別在其輸入端接收第一和第二寬度比特、相位比特和幅度比特，并且當(dāng)收到時鐘信號時將提取出的(入站)比特傳送給它們的輸出端。對于接收機530的這個公開實施例，通過對經(jīng)過DM 916的額外延時的、寬度解調(diào)器680的延時鏈的信號抽樣來為鎖存提供時鐘信號。該鎖存使解調(diào)的比特和伴隨的選通脈沖定時同步。此外，設(shè)備220可能還需要數(shù)據(jù)與本地時鐘的同步，例如圖5B中的時鐘同步電路560。利用本公開文本，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解這也可以通過許多不同方式來完成。
接口230的實施例中的各種組件包括許多可能為了補償過程、電壓、溫度及類似變化而作調(diào)整的電路元件。例如，補償可能要調(diào)整可編程延時模塊(DM 770)提供的延時、放大器(放大器920)提供的增益、或者終端阻抗(設(shè)備組690(a)和690(b))。
圖10顯示了校準(zhǔn)電路520的實施例。校準(zhǔn)的目的是使用反饋來測量和補償各種過程、溫度、電壓及類似現(xiàn)象。圖10中顯示的校準(zhǔn)電路520的這個實施例是延遲鎖定環(huán)路(DLL)。時鐘信號(CLK_PULSE)由串聯(lián)連接的DM 1000(1)-1000(m)延時。DM的數(shù)目被選定為使得延時的總和能被設(shè)置成匹配一個CLK_PULSE周期。判優(yōu)器950被用來檢測通過DM1000的延時總和什么時候低于、等于或大于一個時鐘周期。DLL控制1010通過延時控制設(shè)置而循環(huán)，直到延時總和與一個時鐘周期匹配。建立的控制設(shè)置反映了過程、溫度、電壓等對DM 1000延時的影響。當(dāng)環(huán)境(溫度、電壓等)改變了或者根據(jù)其它策略的任何變化，校準(zhǔn)電路520可以連續(xù)、周期地運行。
相同的校準(zhǔn)控制設(shè)置可以分配給整個接口230中使用的DM，例如DM 712、DM 910等。接口230中DM的期望延時可以通過給每個這樣的DM選擇多個可編程延時模塊770來實現(xiàn)，其中每個DM的可編程延時模塊數(shù)目與所有DM 1000中包括的延時模塊770的總數(shù)之比等于期望延時與時鐘周期之比。例如，如果DM 1000的合計中總共有20個延時模塊770，則通過為接口230中使用的任何特定DM使用2個延時模塊770，就可以選擇十分之一時鐘周期的延時。此外，通過將額外的小負(fù)載插入到組成DM的選定延時模塊770的輸出，也可以為任何特定DM選擇部分額外的延時。
面對易變的環(huán)境，校準(zhǔn)電路520獲得的校準(zhǔn)信息也可以用來控制其它的電路參數(shù)。這些參數(shù)可以包括終端設(shè)備690的阻抗和放大器920的增益。這可以通過使延時控制設(shè)置中包含的信息與過程、溫度、電壓和相似環(huán)境對其它電路參數(shù)的影響相關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)。
因此公開了用于在多站總線系統(tǒng)中提供高帶寬通信的一種機制。該公開的系統(tǒng)采用電磁耦合器來傳送數(shù)據(jù)到多站總線或者從多站總線接收數(shù)據(jù)。電磁耦合器對總線的電特性施加相對較小的微擾，減小了與高頻相關(guān)的噪聲和傳輸線效應(yīng)。更干凈的噪聲環(huán)境允許在多站總線系統(tǒng)中在更高的信號發(fā)送頻率上采用各種調(diào)制方案。
這個公開的實施例被提供用來示例本發(fā)明的各種特性?；诳偩€的系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員利用本公開文本，將認(rèn)識到這些公開實施例的各種變型和修改仍然落入所附權(quán)利要求的精神和范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括導(dǎo)電跡線；產(chǎn)生第一碼元并將所述碼元驅(qū)動到該導(dǎo)電跡線的第一設(shè)備；和通過相關(guān)的平衡電磁耦合器對所述第一碼元進行取樣的多個接收設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡電磁耦合器具有范圍在.1到.4的耦合系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個平衡電磁耦合器包括與所述接收設(shè)備中的一個接收設(shè)備相關(guān)的第一組件、與所述導(dǎo)電跡線相關(guān)的第二組件以及第一和第二跡線之間的電介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二組件中的至少一個組件具有一個幾何形狀，它降低選定耦合系數(shù)中隨第一和第二組件的位置變化的改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二組件具有互補的之字形幾何形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，選定的耦合系數(shù)在.1到.4的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡電磁耦合器的每一個具有選定的長度，從而在不限制系統(tǒng)帶寬的情況下傳送一個取樣的信號能量(ε)的目標(biāo)百分率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述平衡電磁耦合器包括被電介質(zhì)分隔開的第一組件和第二組件，并且該第一和第二組件中的至少一個具有一個幾何形狀，它降低該電磁耦合器的耦合系數(shù)中隨第一和第二組件的標(biāo)稱位置變化的改變。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一設(shè)備包括根據(jù)多個比特和一個時鐘信號來產(chǎn)生該第一碼元的發(fā)射機。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)電跡線包括傳送該時鐘信號的第一跡線和傳送該碼元的第二跡線。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二跡線是一對跡線，并且該碼元被作為差分信號傳送。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)電跡線在第一電路板上，而該接收設(shè)備中的至少一個在第二電路板上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電路板通過該電磁耦合器可分離地耦合到所述第一電路板。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一設(shè)備包括將第一組比特編碼到該碼元中的發(fā)射機和將接收到的碼元解碼為第二組比特的接收機。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多個接收設(shè)備中的至少一個包括將第一碼元解碼為第一組比特的接收機和將第三組比特編碼到第三碼元中的發(fā)射機。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，該至少一個接收設(shè)備通過它的相關(guān)電磁耦合器將第三碼元驅(qū)動到該總線上。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一、第二和第三碼元通過使用相位調(diào)制、脈寬調(diào)制、上升時間調(diào)制和幅度調(diào)制中的一個或多個來編碼。
18.一種系統(tǒng)，包括具有多個以第一幾何形狀為特征的第一耦合組件的導(dǎo)電跡線；將信號驅(qū)動到該導(dǎo)電跡線上的第一設(shè)備；和多個被與該第一耦合組件中相應(yīng)的一個相鄰地放置的接收設(shè)備，每個接收設(shè)備具有以第二幾何形狀為特征的第二耦合組件，并且相對于相應(yīng)的第一耦合組件放置從而形成電磁耦合器，該第一和第二幾何形狀用來給該電磁耦合器提供一個魯棒的耦合系數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述耦合系數(shù)具有從.1到.4的范圍內(nèi)選定的標(biāo)稱值。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述第一設(shè)備通過直接電連接而把該信號驅(qū)動到該導(dǎo)電跡線上。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二幾何形狀中的至少一個減輕了耦合系數(shù)對所述第一和第二耦合組件之間相對位置的依賴性。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述第一設(shè)備是第一集成電路的接口，并且所述信號包括編碼所述第一集成電路提供的多個比特的碼元。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述第二設(shè)備是第二集成電路的接口，所述接口包括從通過該相應(yīng)的第一和第二耦合組件傳送到第二設(shè)備的波形中提取該多個比特的解碼器。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的計算機系統(tǒng)，其特征在于，所述第二設(shè)備通過由所述第一和第二耦合組件形成的電磁耦合器將信號驅(qū)動到該導(dǎo)電跡線上。
25.一種系統(tǒng)，包括電路板上的一個總線跡線，所述總線跡線包括第一耦合組件；在相對于該第一耦合組件的第一位置中可拆卸地連接到該電路板上的一個設(shè)備，該第一位置具有指定的精度；和與所述設(shè)備相關(guān)的一個第二耦合組件，響應(yīng)于該設(shè)備安裝到第一位置，該第二耦合組件形成具有從范圍.1到.4中選定的耦合系數(shù)的標(biāo)稱值的電磁耦合器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一和第二耦合組件中的至少一個具有一個幾何形狀，它對于該第一位置的指定精度，將該選定的標(biāo)稱值保持在指定范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁耦合器的長度被選定用來支持在總線跡線上以最大到指定頻率的頻率進行的信號發(fā)送。
28.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁耦合器的長度被選定用來在該總線跡線上傳送信號能量的指定百分率。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述幾何形狀是之字形幾何形狀。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述設(shè)備和第二耦合組件被安裝到壓在所述第一電路板上的一個彈性電路板上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于在多站總線系統(tǒng)中支持高數(shù)字帶寬的機制。該系統(tǒng)的第一設(shè)備電耦合到總線。多個接收設(shè)備通過具有在特定范圍內(nèi)的耦合系數(shù)的相關(guān)電磁耦合器而耦合到該總線。電磁耦合器的幾何形狀被選擇從而減小因耦合器組件的相對位置變化而引起的耦合系數(shù)的變化。
文檔編號G06F13/40GK1486561SQ01822024
公開日2004年3月31日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月15日
發(fā)明者T·西蒙, R·阿米爾塔拉亞, T·小奈特, N·馬克特卡, J·本哈姆, T 西蒙, 翁, 錐, 頌乜 申請人:英特爾公司