JP5951160B2 - バースト信号受信回路 - Google Patents
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Description
本発明は、バースト信号受信回路に関する。
時分割多重方式を適用した1対多の光通信システムでは、1または複数の子局装置から親局装置への上り方向の信号において、各子局装置からのパケットは、間隔が空いたバースト信号となる。このようなバースト信号を受信する親局装置の構成としては、光信号を電気信号へと変換するフォトディテクタ(Photo Detector:PD)、PD出力の電流信号を電圧信号へと変換するトランスインピーダンスアンプ(Transimpedance Amplifier:TIA)、TIA出力をデジタル的に処理可能な振幅まで増幅するリミッティングアンプ(LImiting Amplifier:LIA)、LIA出力をシステムクロックに同期した信号へと変換するクロックデータリカバリ(Clock and Data Recovery:CDR)回路から構成されるのが一般的である。
ここで、従来のバースト信号受信回路における信号検出回路は、AC過渡応答によるバースト受信信号の先頭でのビット誤り発生をさけるため、TIAとの接続をDC結合にするか(例えば、下記特許文献1)、AC結合にした場合でもAC過渡応答が発生しないように無信号区間をアイドル信号で埋めるなどの処理を行っていた(例えば、下記非特許文献1)。
特許文献1では、TIA出力回路の単相出力を2分岐し、一方をそのままLIAへと入力し、もう一方を平均値検出回路へと入力し、この平均値検出回路から差動信号生成用の平均値電圧を得ている。ここで、平均値検出回路の出力電圧が差動信号のほぼ平均値に達する前は、その後段に位置するバーストモード対応のLIAにおいて、当該差動信号を再生できないため、バースト信号先頭でデータ欠損が生ずることとなる。
そこで、特許文献1では、この課題を解決するために高速で動作するが同符号連続耐力の弱い高速時定数の平均値検出回路と、低速で動作するものの同符号連続耐力の強い低速時定数の平均値検出回路とを外部リセット信号によって切り替えることでバースト信号先頭におけるデータ欠損量を最小とする回路構成としている。
また、非特許文献1では、無信号区間でのDC電圧ドリフトを回避するために、無信号区間に受信信号と同速度でかつ低周波遮断周波数の高い信号(例えばPRBS(Pseudo Random Binary Sequence)7信号)を外挿している。これにより、AC結合後のDC電圧は、常にバースト信号受信時と同じになるため、容量の大きなコンデンサ(例えば0.1uF)でAC結合を行ったとしてもDC電圧ドリフトは発生せず、バースト信号先頭でのプリアンブル長を短くすることが可能となるとされている。
T. Myouraku, S. Takahashi, and A. Tajima, "AC−coupled Reset−less 10 Gbps Burst−mode 3R Receiver Using an Internal Scrambling Scheme," in Proc. OFC/NFOEC 2011, NTuD3, Los Angeles, USA, March 2011.
まず、TIAとLIAとの間もしくはLIAとCDR回路との間(以下「入出力回路間」という)の接続をDC結合にした場合、電圧レベルを入出力回路間で合わせる必要があるが、特にCDR回路以降のデジタル信号を取り扱う回路は、近年のCMOS微細化技術の進展も相まって電源電圧が低下する傾向にある一方で、LIAまでの受信回路の電源電圧は、高速かつ高利得かつ低雑音が求められるために下げ止まっており、回路間の電源電圧にミスマッチが生じている。よって、近年のトレンドでは、DC結合が物理的に困難な状況が発生している。
特許文献1では、上述の通り、TIA出力回路の単相出力を2分岐し、一方をそのままLIAへと入力し、もう一方を平均値検出回路へと入力し、そこから差動信号生成用の平均値電圧を得ることを特徴としている。
しかしながら、特許文献1は、その明細書の記載からも明らかなように、想定している信号速度が1.25Gbps程度であり、10Gbps以上の高速な信号に対しては、入出力回路間のインピーダンス整合や雑音に対する耐力が低下するため、高速信号には用いることが困難であるという問題が発生する。
また、非特許文献1では、LIAとCDR回路との間をAC結合するために無信号区間をアイドル信号で埋める処理を行っているが、この処理を行うためには、AC結合前において、アイドル信号と主信号を合わせる処理を行う必要がある。しかしながら、バースト信号受信回路では、LIAまでをトランシーバの筐体内に実装するのに対し、CDR回路以後は、メディア・アクセス・コントロール(Media Access Control:MAC)処理部と合わせて一体化したLSIとすることが一般的であり、トランシーバとのインタフェースも規格化されるのが一般的である。よって、トランシーバは外部から一般的でないアイドル信号を受信して主信号と合わせなければならないという問題が発生する。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、入出力回路間をDC結合できずAC結合が必要な場合においても、バースト信号先頭でのデータ欠損をなくすか、もしくは、極めて小さくすることができるバースト信号受信回路を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、前置増幅器を介して入力されるバースト信号の差動信号を受信するバースト信号受信回路であって、前記差動信号をコンデンサを介して入力する差動増幅器と、前記差動増幅器への差動入力信号の平均値を検出する平均値検出回路と、前記平均値検出回路の出力信号に基づいて前記差動入力信号のDC電圧レベル差をキャンセルするように動作する差動オフセットキャンセル回路と、を備え、前記平均値検出回路の平均値検出速度は、バースト信号受信の有無によって切り替えられるように構成されており、前記バースト信号の先頭部分では高速側に切り替えられ、当該先頭部分以外ではより低速側に切り替えられることを特徴とする。
この発明によれば、入出力回路間をDC結合できずAC結合が必要な場合においても、バースト信号先頭でのデータ欠損をなくすか、もしくは、極めて小さくすることができる、という効果を奏する。
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係るバースト信号受信回路について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係るバースト信号受信回路を含むバースト信号受信器の一構成例を示す図である。実施の形態1に係るバースト信号受信回路3は、図1に示すように、PD1に流れる電流信号を前置増幅器2(図1ではTIAを例示)が電圧信号に変換し、その電圧信号に含まれる信号成分を検出して後段の回路に出力信号として伝達する回路である。
図1は、実施の形態1に係るバースト信号受信回路を含むバースト信号受信器の一構成例を示す図である。実施の形態1に係るバースト信号受信回路3は、図1に示すように、PD1に流れる電流信号を前置増幅器2(図1ではTIAを例示)が電圧信号に変換し、その電圧信号に含まれる信号成分を検出して後段の回路に出力信号として伝達する回路である。
図2は、実施の形態1に係るバースト信号受信回路の一構成例を示す図である。実施の形態1に係るバースト信号受信回路3は、図2に示すように、差動信号入力端15a,15bからの差動入力信号をAC結合を行うコンデンサ11a,11bを介して入力する差動増幅器4と、差動入力信号の平均値を検出するための正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8b、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bの各出力信号に基づいて差動入力信号のDC電圧レベル差をキャンセルするための差動オフセットキャンセル回路5とを備えて構成される。
差動増幅器4は、入力終端抵抗21および22、初段差動対トランジスタ31および32、初段差動対負荷抵抗41および42ならびに、初段差動対電流源45を備えて構成される。差動オフセットキャンセル回路5は、オフセットキャンセル用差動対61および62ならびに、オフセットキャンセル用差動対電流源55を備えて構成される。これら差動増幅器4および差動オフセットキャンセル回路5において、それぞれの差動対トランジスタおよび差動対電流源を識別するため、便宜上、差動増幅器4においては「初段」という用語を頭部に付し、差動オフセットキャンセル回路5においては「オフセットキャンセル用」という用語を頭部に付している。なお、初段差動対負荷抵抗41および42について、図2では、差動増幅器4のみに示されているが、差動オフセットキャンセル回路5にも設けることは可能である。ただし、図2のように、差動増幅器4と差動オフセットキャンセル回路5とで兼用するように構成すれば、部品点数を削減できるので効果的である。初段差動対トランジスタ31とオフセットキャンセル用差動対61の各コレクタ端および、初段差動対トランジスタ32とオフセットキャンセル用差動対62の各コレクタ端は、それぞれが接続されて差動信号出力端16a,16bとして構成され、差動信号出力端16a,16bの出力がバースト信号受信回路3の出力信号となる。
図2において、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bは、同一の回路構成としており、図3には、その回路構成のみを示している。これ以後、共通の回路部を平均値検出回路8と総称する。
図3において、平均値検出回路8は、平均値検出回路抵抗81および82、平均値検出回路コンデンサ83、平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84ならびに、平均値検出回路オペアンプ85を備えて構成される。なお、図3では、平均値検出回路8をオペアンプを用いた1次のLPFの形態として構成しているが、2次以上の次数を持つLPFで構成してもよく、またオペアンプを用いない形態として構成してもよい。
図2に戻り、差動増幅器4では、差動入力信号のDCレベルが一致しない場合においても出力信号が得られるような線形増幅器の構成となっている。そのため、初段差動対トランジスタ31および32のエミッタ間に抵抗を挿入する構成であってもよい。さらに、図2では、NPNトランジスタとしているが、NMOSトランジスタであってもよい。なお、本実施の形態では、10Gbpsのような高速信号をやり取りするため、AC結合前にはCML(Current Mode Logic)レベルのように入力終端抵抗21および22と同じ抵抗で出力端が終端されたバッファが接続されていることを前提としている。
図4は、実施の形態1に係るバースト信号受信回路における要部波形を示す図であり、無信号区間が長く続いた後に信号が入力された場合の波形を示している。
図4に示すように、信号入力の直前において、AC結合前では、差動信号間にDC電圧ドリフトが発生し、正相出力側の電圧が通常のDC電圧レベルと比較して振幅電圧分だけ低く、一方、逆相出力側の電圧が電源電圧となっている。
ここで、出力側の電源電圧をVcc1、信号振幅電圧をVsignalとした場合、AC結合の影響により、正相出力電圧は(Vcc1−2×Vsignal)、逆相出力電圧はVcc1となる。一方、AC結合を超えたバースト信号受信回路の入力側では、AC結合されているために、正相逆相両入力ともに電源電圧となる。すなわち、入力側の電源電圧をVcc2とした場合、正相逆相両入力ともにVcc2となる。
この状態から図4に示すように、例えば2.5Gbpsの高速信号が入力された場合、AC結合前では、正相側で(Vcc1−2×Vsignal)からVsignalだけ振幅が発生し、逆相側でVcc1から−Vsignalだけ振幅が発生し始める。この結果、1ビット目は正相逆相両信号が交わることが無いが、その後、入出力の抵抗およびAC結合容量で決まる時定数に基づいて正相逆相各信号のDCレベルがドリフトするため、最終的には(Vcc1−Vsignal/2)の電圧レベルを中心に信号が出力されることとなる。図4では、入出力共に50Ωの終端抵抗を用いており、0.1μFの容量を持つコンデンサでAC結合を行ったため、収束するのに30μs以上必要となっている。
一方、AC結合を超えた後では、正相側でVcc2からVsignalだけ振幅が発生し、逆相側でVcc2から−Vsignalだけ振幅が発生し始める。この結果、1ビット目は正相逆相両信号が交わることが無くなり、その後のCDR入力段における差動対増幅器で信号が再生できないためビット欠損となる。しかしながら、AC結合後にも正相逆相両信号のDC電圧レベルが一致すればCDR入力段における差動対増幅器以後で信号を再生させることが可能となるため、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bにて正相逆相間のDC電圧レベルがずれた場合にキャンセル可能な構成としている。
ここで、本発明では、ビット欠損数をより小さくするため、平均値検出回路8および差動オフセットキャンセル回路5を用いて時定数を切り替える回路構成としている。具体的には以下の通りである。
図3に示すように、平均値検出回路8には、外部からリセット入力端18を通して、LOS(Loss of Signal)信号が入力される。LOS信号は、平均値検出回路8に設けられた平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84に入力され、このMOSスイッチ84が導通することで、時定数が切り替えられる。すなわち、バースト信号受信の有無を表すLOS信号に従って動作するMOSスイッチ84は、平均値検出回路8の平均値検出速度を切り替えるための切り替え回路9として動作する。
ここで、無信号区間においては、MOSスイッチ84を短絡することで抵抗値を小さくする。すなわち、無信号区間では、平均値検出回路8の時定数を高速としておき、バースト信号の先頭で数bitから数10bitで急速に収束させる(図3参照)。
一方、LOS信号によりバースト信号を識別できた後は、MOSスイッチ84を開放することで抵抗値を大きくする。すなわち、バースト信号を識別できた後は、平均値検出回路8の時定数を下げて低速とする。その際、AC結合と入出力終端抵抗より決定されるAC応答時定数に追従可能な速度(例えばその10倍の速度)に設定する。このような設定にすれば、AC過渡応答に追従しつつ、CID(Consecutive Identical Digit)信号のような同符号連続耐力が求められる信号に対しても十分耐力を持つことが可能となる。
なお、LOS信号は、例えばLIAとCDR回路との間をAC結合する場合、LIA内部において高々数100ns程度以下で応答が可能であるため、CDR回路側でその信号を用いることができる。また、TIAとLIAとの間をAC結合する場合、PDの電流値や、TIA内部の振幅値を読み取ることで信号の有無を識別することができるため、そのように生成したLOS信号をLIAにおいて用いることができる。
このように、時定数を切り替えることで生成した平均値検出回路8の出力電圧を、差動オフセットキャンセル回路5の差動対、すなわちオフセットキャンセル用差動対61および62のそれぞれのベースに入力することで、差動増幅器4の差動出力電圧のオフセットレベルを調整することができる。例えば、差動入力信号のDC電圧レベルの正相(例えば差動信号入力端15a側の電圧)が高い場合は、差動増幅器4の正相出力側の電流値(初段差動対負荷抵抗41に流れる電流値)を増加させることで初段差動対負荷抵抗41でのドロップ電圧量を増加させ、差動信号出力端16a,16b間におけるオフセットを解消することが可能となる。
以上説明したように、実施の形態1に係るバースト信号受信回路によれば、平均値検出回路は、コンデンサを介して入力される差動増幅器への差動入力信号の平均値を検出し、差動オフセットキャンセル回路は、平均値検出回路の出力信号に基づいて差動入力信号のDC電圧レベル差をキャンセルするように動作し、バースト信号受信の有無によって平均値検出回路の平均値検出速度を、バースト信号の先頭部分では高速側に切り替え、先頭部分以外ではより低速側に切り替えるように構成したので、入出力回路間をDC結合できずAC結合が必要な場合においても、バースト信号先頭でのプリアンブル時間内に信号を受信側で再生することができ、バースト信号先頭でのデータ欠損を消滅させ、もしくは、極めて小さくすることが可能となる。
また、実施の形態1に係るバースト信号受信回路を用いれば、AC結合する場合の前段回路(例えばLIAとCDR回路間をAC結合する場合にはLIA側)に新規回路を作成しなくても、AC結合を要求する後段回路側にのみ新規回路を付け加えることで高速なバースト受信を実現できるため、すでに前段回路が完成している場合でも、当該前段回路に影響を与えることがないという効果がある。
実施の形態2.
上述した実施の形態1では、図3に示したように平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84と並列に、平均値検出回路抵抗81を配置し、抵抗値を変更することで時定数を変更していた。一方、実施の形態2では、抵抗値の変更ではなく、コンデンサの容量値を変更することで時定数の変更(切り替え)を行う実施の形態について説明する。なお、バースト信号受信回路の構成は、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bの構成を除き、実施の形態1と同一または同等であり、同一または同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
上述した実施の形態1では、図3に示したように平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84と並列に、平均値検出回路抵抗81を配置し、抵抗値を変更することで時定数を変更していた。一方、実施の形態2では、抵抗値の変更ではなく、コンデンサの容量値を変更することで時定数の変更(切り替え)を行う実施の形態について説明する。なお、バースト信号受信回路の構成は、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bの構成を除き、実施の形態1と同一または同等であり、同一または同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図5は、実施の形態2に係る平均値検出回路の一構成例を示す図である。実施の形態2に係る平均値検出回路8は、平均値検出回路抵抗82、平均値検出回路コンデンサ83,86、平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ87、平均値検出回路オペアンプ85を備えて構成される。この平均値検出回路8は、図2に示す正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bとして適用される。
なお、図5の構成では、平均値検出回路8は、オペアンプを用いた1次のLPFの形態となっているが、2次以上の次数を持つLPFであってもよく、またオペアンプを用いない形態であってもよい。
実施の形態2における動作は、殆どが実施の形態1と同一であるが、異なる点もある。具体的に説明すると、実施の形態2では、無信号区間においてはMOSスイッチ87を短絡することで合成容量を大きくし、一方、信号受信区間においてはMOSスイッチ87を開放することで容量を小さくして時定数を変更する点である。この構成により、パケット先頭におけるビット欠損量をより小さくすることができるとともに、バースト信号のデータ領域における同符号連続耐力を維持することが可能となる。
実施の形態3.
上述した実施の形態1,2では、図3または図5に示したように平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84と並列に、抵抗またはコンデンサを接続し、抵抗値または容量値の何れかを変更することで時定数を変更していた。一方、実施の形態3では、抵抗値および容量値の双方を変更することで時定数の変更(切り替え)を行う実施の形態について説明する。なお、バースト信号受信回路の構成は、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bの構成を除き、実施の形態1(もしくは実施の形態2)と同一または同等であり、同一または同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
上述した実施の形態1,2では、図3または図5に示したように平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84と並列に、抵抗またはコンデンサを接続し、抵抗値または容量値の何れかを変更することで時定数を変更していた。一方、実施の形態3では、抵抗値および容量値の双方を変更することで時定数の変更(切り替え)を行う実施の形態について説明する。なお、バースト信号受信回路の構成は、正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bの構成を除き、実施の形態1(もしくは実施の形態2)と同一または同等であり、同一または同等の構成部には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
図6は、実施の形態3に係る平均値検出回路の一構成例を示す図である。実施の形態3に係る平均値検出回路8は、平均値検出回路抵抗81,82、平均値検出回路コンデンサ83,86、平均値検出速度切り替え用のMOSスイッチ84,87、平均値検出回路オペアンプ85を備えて構成される。この平均値検出回路8は、図2に示す正相入力用平均値検出回路8aおよび逆相入力用平均値検出回路8bとして適用される。
なお、図6の構成では、平均値検出回路8は、オペアンプを用いた1次のLPFの形態となっているが、2次以上の次数を持つLPFであってもよく、またオペアンプを用いない形態であってもよい。
実施の形態3における動作は、殆どが実施の形態1もしくは2と同一であるが、異なる点もある。具体的に説明すると、実施の形態3では、無信号区間においては、MOSスイッチ84を短絡することで抵抗値を小さくし、且つ、MOSスイッチ87を短絡することで合成容量を大きくする。一方、バースト信号を識別できた後は、MOSスイッチ84を開放することで抵抗値を大きくし、且つ、MOSスイッチ87を開放することで容量を小さくして時定数を変更する点である。この構成により、実施の形態1,2と比べて、高速時定数と低速時定数との差分を大きくとることができ、より最適な時定数を設定することが可能となる。
なお、以上の実施の形態1〜3に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
以上のように、本発明は、入出力回路間をDC結合できずAC結合が必要な場合においても、バースト信号先頭でのデータ欠損をなくすか、もしくは、極めて小さくすることができるバースト信号受信回路として有用である。
1 PD(フォトディテクタ)、2 前置増幅器、3 バースト信号受信回路、4 差動増幅器、5 差動オフセットキャンセル回路、8 平均値検出回路、8a 正相入力用平均値検出回路、8b 逆相入力用平均値検出回路、9 切り替え回路、11a,11b コンデンサ、15a,15b 差動信号入力端、16a,16b 差動信号出力端、18 リセット入力端、21,22 入力終端抵抗、31,32 初段差動対トランジスタ、41,42 初段差動対負荷抵抗、45 初段差動対電流源、55 オフセットキャンセル用差動対電流源、61,62 オフセットキャンセル用差動対、81,82 平均値検出回路抵抗、83,86 平均値検出回路コンデンサ、84,87 MOSスイッチ、85 平均値検出回路オペアンプ。
Claims (6)
- 前置増幅器を介して入力されるバースト信号の差動信号を受信するバースト信号受信回路であって、
前記差動信号をコンデンサを介して入力する差動増幅器と、
前記差動増幅器への差動入力信号の平均値を検出する平均値検出回路と、
前記平均値検出回路の出力信号に基づいて前記差動入力信号のDC電圧レベル差をキャンセルするように動作する差動オフセットキャンセル回路と、
を備え、
前記平均値検出回路の平均値検出速度は、バースト信号受信の有無によって切り替えられるように構成されており、
前記バースト信号の先頭部分では高速側に切り替えられ、当該先頭部分以外ではより低速側に切り替えられる
ことを特徴とするバースト信号受信回路。 - 前記差動オフセットキャンセル回路は、初段差動差動器と負荷抵抗を同一とする差動増幅器であることを特徴とする請求項1に記載のバースト信号受信回路。
- 前記平均値検出回路は、抵抗、コンデンサおよびオペアンプを用いたLPFであることを特徴とする請求項1または2に記載のバースト信号受信回路。
- 前記平均値検出回路の平均値検出速度は、抵抗値の切り替えによって変更されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のバースト信号受信回路。
- 前記平均値検出回路の平均値検出速度は、容量値の切り替えによって変更されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のバースト信号受信回路。
- 前記平均値検出回路の平均値検出速度は、抵抗値および容量値の双方の切り替えによって変更されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載のバースト信号受信回路。
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