时钟的小数分频方法.pdf

本发明公开了一种时钟的小数分频方法，该方法为：按m分频和m+1分频间插的方式对待分频时钟进行小数分频，得到一个基本时钟，并同时产生一个使能信号；利用所述使能信号整形所述基本时钟，获得所需频率的时钟信号。本发明通过不同分频的间插能够改善时钟的均匀度，通过使能信号扣除或增加脉冲，还能改善占空比，提高时钟性能。因而采用本发明得到的小数分频时钟与先倍频再小数分频得到的时钟在性能和质量上基本相同。

1、  一种时钟的小数分频方法，将待分频时钟进行m分频和m+1分频后得到所需时钟；其特征在于该方法为：
按m分频和m+1分频间插的方式对待分频时钟进行小数分频，得到一个基本时钟，并同时产生一个使能信号；
利用所述使能信号整形所述基本时钟，获得所需频率的时钟信号。

2、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据相同时间内，待分频时钟的时钟半周期的数目与二倍频待分频时钟的时钟周期的数目相等来确定m分频和m+1分频的间插数，使小数分频后得到的时钟信号的长短周期均匀。

3、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过与小数分频中采用的待分频时钟信号的触发沿的反向触发沿产生所述使能信号。

4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据m分频及m+1分频的间插数目和将二倍频待分频时钟小数分频到所需频率时钟的占空比来产生使能信号，使通过使能信号整形后的基本时钟的占空比与将二倍频待分频时钟小数分频到所需频率时钟的占空比相同。

5、  如权利要求1至4任一所述的方法，其特征在于，整形所述基本时钟是指将使能信号与基本时钟进行逻辑运算来从基本时钟信号中扣除或增加脉冲。

6、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，确定m分频和m+1分频的间插数是按照以m分频的间插数和m+1分频间插数差的绝对值最小为原则的。

时钟的小数分频方法
技术领域
本发明涉及通信领域的时钟技术，尤其涉及一种时钟的小数分频方法。
背景技术
在目前的通讯系统中，由于设计的需要，对一些同步设计，需要采用小数分频的办法得到时钟，如在一个38.88M的SDH同步系统中，对应STM-1的开销的提取，有时需要用到2.048M的开销提取时钟。但是2.048M不能通过38.88M整数得到，只能通过小数分频得到。
时钟小数分频的原理如下：
假设输入时钟的频率为f0，输出频率为fx，则：
k＝f0/fx＝m+n，其中 m = [ f 0 fx ] , 0 ≤ n < 1 ]]>其中，m是f0/fx的整数部分，n是f0/fx的小数部分。
为了实现K分频，可以对f0进行a次m分频和b次m+1分频，并且满足下面关系：
( a + b ) &CenterDot; k f 0 = a &CenterDot; m f 0 + b &CenterDot; m + 1 f 0 ]]>
即：(a+b)·k＝a·m+b·(m+1)
整理后得到：
a b = m + 1 - k k - m = 1 - n n ]]>
如果要由38.88M得到2.048M时钟，则将f0＝38.88MHz、fx＝2.048MHz代入上式计算得到：m＝18，a＝1，b＝63，即对38.88MHz进行1次18分频和63次19分频就能得到2.048MHz时钟。
参阅图1，常用的小数分频是根据上述的小数分频的原理，将频率为fo的时钟a次m分频、b次m+1分频后间插得到需要的小数分频时钟，其频率为fx。在具体实现时小数分频主要有以下两种方法：
方法一：
如果由38.88M时钟小数分频到8.192时钟，根据上述小数分频的原理：
将f0＝38.88MHz、fx＝8.192MHz代入计算得m＝4，a＝65，b＝191，即对38.88MHz进行65次4分频和191次5分频就能得到8.192MHz时钟。这时采用的方法就有很多，如：可以先进行65次4分频，再进行191次5分频；也可以先进行65次4-5交替分频，再进行126次5分频。
虽然这种实现方法较简单，但从上面的小数分频特点可知，采用38.88M分频到8.192M的时钟占空比，可以到60％；同时时钟的抖动/频偏比较大。因此采用这种小数分频的得到的时钟，只适用于对时钟占空比不高的情况；如果需要用这个小数分频时钟作为锁相环的参考时钟，锁相环回就会出现失锁等情况。
方法二：
为了提高小数分频的时钟质量，将38.88M倍频到77.76M或者到155.52M时钟，然后用77.76M及155.52M时钟小数分频得到8.192M时钟。
1、将f0＝77.76MHz、fx＝8.192MHz代入前述公式计算得到m＝9，a＝65，b＝63，即对77.76MHz进行65次9分频和63次10分频就能得到8.192MHz时钟。
采用65次9-10分频，在进行2次9分频就可以得到占空比及抖动有很大提高的时钟。
2、将f0＝155.52MHz、fx＝8.192MHz代入计算得到m＝18，a＝1，b＝63；即对155.52MHz进行1次18分频和63次19分频就能得到8.192MHz时钟。
这个时钟已经基本上接近用2.048晶振产生的时钟了。
虽然从原理上看，提高时钟地频率差可以有效的改善小数分频后的时钟的性能和质量；但是由于要先对时钟进行倍频处理，这样会使系统结构变得复杂，而且成本大幅度地提高。
发明内容
本发明提供一种时钟的小数分频方法，以解决现有技术中提高时钟性能时存在结构复杂和成本高的问题。
一种时钟的小数分频方法，该方法为：
按m分频和m+1分频间插的方式对待分频时钟进行小数分频，得到一个基本时钟，并同时产生一个使能信号；
利用所述使能信号整形所述基本时钟，获得所需频率的时钟信号。
根据上述方法：
根据相同时间内，待分频时钟的时钟半周期的数目与二倍频待分频时钟的时钟周期的数目相等来确定m分频和m+1分频的间插数，使小数分频后得到的时钟信号的长短周期均匀，以提高小数分频后的时钟均匀度。
通过与小数分频中采用的待分频时钟信号的触发沿的反向触发沿产生所述使能信号。
根据m分频及m+1分频的间插数目和将二倍频待分频时钟小数分频到所需频率时钟的占空比来产生使能信号，使通过使能信号整形后的基本时钟的占空比与将二倍频待分频时钟小数分频到所需频率时钟的占空比相同。
整形所述基本时钟是指将使能信号与基本时钟进行逻辑运算来从基本时钟信号中扣除或增加脉冲。
本发明通过不同分频的间插能够改善时钟的均匀度，通过使能信号扣除或增加脉冲，还能改善占空比，提供时钟性能。因而采用本发明得到的小数分频时钟与先倍频再小数分频得到的时钟在性能和质量上基本相同；由于不需要对待分频时钟信号进行倍频处理，因而系统结构更简单，从而能够在一定程度上降低系统成本。
图1为现有技术中小数分频原理框图；
图2为本发明小数分频原理框图；
图3为典型的同频数字传输系统(SDH)设备开销处理示意图；
图4为时钟产生示意图。
参阅图2所示，本发明实现小数分频的方法为：根据待分频时钟f0(以下称时钟f0)的频率和所需时钟fx(以下称时钟fx)的频率确定实现小数分频需进行的a次m分频和b次m+1分频的参数a、b、m；然后按m分频和m+1分频间插的方式对待分频时钟f0进行小数分频，得到基本时钟f1；并同时产生使能信号，通过该使能信号去整形基本时钟f1，得到所需频率的时钟信号fx。
如果小数分频采用时钟f0的上升沿，则使能信号采用下降沿；反之，如果小数分频采用时钟f0的下降沿，则使能信号采用上升沿。使能信号同小数分频后的时钟信号进行的逻辑运算根据具体实现可采用“与”、“或”、“非”等。
使能信号产生的原则：根据时钟f0小数分频到时钟fx的m分频及m+1分频的间插数目，以及用倍频时钟2f0小数分频到相同频率时钟的占空比的情况，合理产生使能信号，使用使能信号整形后的时钟的占空比与用时钟2f0小数分频到的相同频率时钟的占空比相同。
上述方法的详细说明如下：
根据小数分频的原理可知：如果由时钟f0进行小数分频到时钟fx，必然会是进行a次m分频，b次m+1分频。
(1)、如果m是奇数，则m分频的高电平最大为：(m+1)/2，低电平为：(m-(m+1)/2)＝(m-1)/2；反之低电平最大为：(m+1)/2，高电平为：(m-(m+1)/2)＝(m-1)/2。因此得到的小数分频时钟fx的占空比最大为((m+1)/2)/m＝(m+1)/2m。
(2)、如果m是偶数，则m+1分频得到的占空比较大。同理可以得到m+1分频的高电平最大为：(m+2)/2，低电平为：((m+1)-(m+2)/2)＝m/2；反之低电平最大为：(m+2)/2，高电平为：((m+1)-(m+1)/2)＝m/2。因此得到的小数分频时钟fx的占空比最大为((m+1)+1)/2)/(m+1)＝(m+2)/2(m+1)。
(3)、综合(1)、(2)可得，小数分频的最大占空比为(m+1)/2m(m为大于等于3的奇数)。
由(3)的公式可以得到，小数分频的最大占空比为2/3。随着分频比的增大，占空比越来越小。这就说明通过小数分频到相同的时钟，提高待分频时钟的频率可以得到占空比更好时钟的原因。
根据上述小数分频的原理可得：如果由时钟f0进行小数分频到时钟fx，k1＝f0/fx＝m1+n1；时钟2f0进行小数分频到时钟fx，k2＝2f0/fx＝m2+n2；
对f0进行半周期计数，如果需要达到同2f0分频到fx的效果，需要以下的等式：
X*2m1+Y*2(m1+1)＝Z*(m2)+W*(m2+1)
其中：
(1)、等式前部分是一段时间内f0分频的时钟半周期的数目，后部分是相同时间内2f0分频的时钟周期的数目。
(2)、X、Y、Z、W是不定因子：
X：表示用f0分频到fx的短周期(进行m1分频)的f0的时钟周期数；
Y：表示用f0分频到fx的长周期(进行m1+1分频)的f0的时钟周期数；
W：表示用2f0分频到fx的短周期(进行m2分频)的2f0的时钟周期数；
Z：表示用2f0分频到fx的长周期(进行m2+1分频)的2f0的时钟周期数。
这个方程是不定方程，确定其解的原则是使得到的小数分频时钟的占空比尽量小，时钟抖动尽量小，也就是使不同占空比的时钟进行合理得间插。比如：对于如果需要进行50次5分频，40次4分频的时钟来说，最好采用40次5-4分频，然后再10次5分频。而不采用先50次分频，再40次分频的方法。当得到合理解后，用f0小数分频到fx可以采用多种不同方法，如扣半个脉冲等，得到需要的小数分频时钟fx。
这就是本发明方法采用频率为f0的时钟小数到分频频率为fx的时钟，也可以达到用2倍的f0时钟分频到fx的时钟性能的理论依据。
参阅图4所示，在光同步数字传输系统(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)中，目前对于传送的开销信息，采用2.048M/8.192M的时钟，而系统中采用的基本上都是38.88M/77.76M的时钟，在一些小容量系统中，常采用38.88M的系统时钟(见图1)，因此这时需要由38.88M分频得到2.048M/8.192M时钟。现以38.88M分频到8.192M时钟为例说明本发明的方法。
(1)、确定小数分频中的参数
根据小数分频可知，由38.88M分频到8.192M时钟需要4/5分频；由77.76M分频到8.192M时钟需要9/10分频；
代入公式：X*2m1+Y*2(m1+1)＝Z*(m2)+W*(m2+1)
有：8*X+10*Y＝9*Z+10*W；
这个方程的解很多，由对77.76MHz进行65次9分频和63次10分频就能得到8.192MHz时钟。可以得到，77.76M分频到8.192M采用9-10-9-10分频得到的时钟最好，因此可以取Z＝W，于是可以得到8*X+10*Y＝19*Z。
可见这个方程的解有：
X＝1，Y＝3，Z＝2；
X＝2，Y＝6，Z＝4；
X＝3，Y＝9，Z＝8；等；
由于分频间隔越大，时钟的抖动越大，因此应取X＝1，Y＝3，Z＝2这组解，这样对38.88M进行5-5-5-4分频得到的8.192M时钟，可以同用77M进行10-10-9-9的分频得到的8.192M时钟质量差不多。
从上述取解可知，确定m分频和m+1分频的间插数是按照以m分频的间插数和m+1分频间插数差的绝对值最小为原则的。
(2)、具体实现，参阅图4所示：
A、采用先63次5-5-5-4分频，然后再进行2次4-5分频，分频次数总数为63*4+4＝256。用时钟信号sys38m的上升沿小数分频后得到时钟信号sysclk8m_tmp。
B、然后再用时钟信号sys38m的下降沿做一个使能信号enable，enable信号的关键是要将第1，2次5分频的8M时钟的高电平扣掉半个38M周期，将5分频的占空比调整为50％；在第3个5分频的8M时钟前后各扣掉半个38m周期，调整第3个5分频及第4个4分频的占空比为55.55％。
C、将使能信号enable与信号sysclk8m_tmp相与就得到sysclk8m信号，即传送开销信息的时钟信号。
可见得到的sysclk8m的占空比最大为55.5％，同时时钟的抖动也有很大提高。基本上接近于用77M分频的效果，相当于77M小数分频时进行10-10-9-9的分频。对于其他频率的时钟，其小数分频与上述处理过程相同。