DE10308921B4 - Phase control arrangement for frequency synthesis - Google Patents
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Abstract
Phasenregelanordnung
zur Frequenzsynthese, aufweisend
– einen digital steuerbaren
Oszillator (1) mit einem Steuereingang (2) und mit einem Ausgang
(3),
– eine
Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung (7) mit einem ersten Eingang
(10) zum Zuführen
eines Referenzsignals (φref), mit einem zweiten Eingang (6), der
mit dem Ausgang (3) des Oszillators (1) gekoppelt ist, und mit einem Ausgang
zur Abgabe eines Fehlersignals und
– ein Mittel zur Erhöhung der
Abtastrate (30) des Fehlersignals, welches den Ausgang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung
(7) mit dem Steuereingang (2) des Oszillators (1) koppelt,
– einen
Akkumulator (12), der am ersten Eingang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung
(7) mit seinem Ausgang angeschlossen ist und der einem digitalen
Kanalwort an seinem Eingang das Referenzsignal (φref)
als Phasensignal zuordnet und an seinem Ausgang abgibt, und
– eine Synchronisationseinrichtung
(15) mit einem Ausgang, der mit einem Synchronisationseingang des
Akkumulators (12) gekoppelt ist, mit einem ersten Eingang zum Zuführen eines
unsynchronisierten Bezugssignals (fref,unsync) und
mit...Phase control arrangement for frequency synthesis, comprising
A digitally controllable oscillator (1) with a control input (2) and with an output (3),
- A phase / frequency comparison means (7) having a first input (10) for supplying a reference signal (φ ref ), with a second input (6) which is coupled to the output (3) of the oscillator (1), and with an output for outputting an error signal and
A means for increasing the sampling rate (30) of the error signal, which couples the output of the phase / frequency comparison means (7) to the control input (2) of the oscillator (1),
- An accumulator (12) which is connected to the first input of the phase / frequency comparator (7) with its output and the reference signal (φ ref ) as a phase signal assigns a digital channel word at its input and outputs at its output, and
A synchronization device having an output coupled to a synchronization input of the accumulator, having a first input for supplying an unsynchronized reference signal , and
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Phasenregelanordnung zur Frequenzsynthese.The The present invention relates to a phase control arrangement for frequency synthesis.
Zur Frequenzsynthese werden üblicherweise Phasenregelkreise, sogenannte PLL, Phase-Locked Loop, eingesetzt. Für Mobilfunkanwendungen, bei denen Trägerfrequenzen im Gigahertz-Bereich benötigt werden, ist es üblich, analog arbeitende PLL zu verwenden. Bei dem Mobilfunkstandard Bluetooth beispielsweise muß eine Trägerfrequenz in der Größenordnung von 2,4 Gigahertz erzeugt werden, auf die Nutzdaten auf moduliert werden.to Frequency synthesis is usually Phase locked loops, so-called PLL, phase-locked loop, used. For mobile applications, at those carrier frequencies needed in the gigahertz range be, it is common to use analog PLL. For example, in the case of the mobile radio standard Bluetooth must have one carrier frequency in the order of magnitude of 2.4 gigahertz are modulated on the payload on become.
Bei analogen PLL ist üblicherweise ein analoger, spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen, ein sogenannter VCO, Voltage Controlled Oscillator, dessen Ausgangssignal, über einen Teiler frequenzgeteilt, einem Phasen-/Frequenzdetektor zugeführt wird. Dieser vergleicht das heruntergeteilte Oszillatorsignal mit einem Bezugssignal und steuert in Abhängigkeit von einer Phasen- und/oder Frequenzabweichung über eine Ladungspumpenschaltung und ein Schleifenfilter den Oscillator an. In Weiterbildungen dieser analogen PLL kann der Frequenzteiler als sogenannter Multi-Modulus-Teiler ausgeführt sein, der mit einem digitalen Modulationssignal beispielsweise über einen Sigma-Delta-Wandler angesteuert wird.at analog PLL is common an analog, voltage-controlled oscillator provided, a so-called VCO, Voltage Controlled Oscillator, whose output signal, via a Divider frequency divided, a phase / frequency detector is supplied. This compares the divided oscillator signal with a Reference signal and controls in dependence from a phase and / or frequency deviation across a charge pump circuit and a loop filter on the oscillator. In further developments of this analog PLL, the frequency divider as a so-called multi-modulus divider accomplished be with a digital modulation signal, for example via a Sigma-delta converter is driven.
Derartige, analoge PLL umfassen sowohl analog als auch digital arbeitende Funktionsblöcke. Ein wesentlicher Nachteil derartiger, sogenannter hybrider PLL im Hinblick auf deren Herstellungsmöglichkeiten in integrierter Schaltungstechnik liegt in dem verhältnismäßig großen Platzbedarf auf dem Chip, insbesondere bezüglich der Ladungspumpenschaltung und des Schleifenfilters, und auch in der hohen Anzahl der analog aufgebauten Funktionsblöcke.such, Analog PLL include both analog and digital function blocks. One significant disadvantage of such, so-called hybrid PLL in terms on their production possibilities in integrated circuit technology is in the relatively large footprint on the chip, especially regarding the charge pump circuit and the loop filter, and also in the high number of analog function blocks.
Es ist daher wünschenswert, eine Hochfrequenz-PLL möglichst weitgehend in digitaler Schaltungstechnik aufzubauen, einschließlich des Oszillators.It is therefore desirable a high-frequency PLL possible build largely in digital circuit technology, including the Oscillator.
Eine Problematik ergibt sich bei einem rein digitalen Aufbau des gesteuerten Oszillators aufgrund des notwendigerweise vorhandenen Quantisierungsfehlers. Es sind bei einem digital gesteuerten Oszillator lediglich diskrete Frequenzen erzeugbar mit einer vom geringwertigsten Bit abhängigen Quantisierungsschrittweite. Aufgrund einer derartigen, digitalen Ansteuerung des Oszillators entstehen in dessen Ausgangsspektrum unerwünschte Seitenlinien im Abstand der Schaltfrequenz, mit der frequenzbestimmende Bauteile im Oszillator geschaltet werden. Da die Schaltfrequenz normalerweise deutlich kleiner als die Oszillatorfrequenz ist, führt dies zur Verletzung der spektralen Sendemaske. Bei dem Mobilfunksystem Bluetooth beispielsweise muß die ausgesendete Leistung, genauer die sogenannte in-band spurious emission, bei einer Meßbandbreite von einem Megahertz im Abstand von größer als 3 MHz einen Wert kleiner als –40 dBm betragen. Dies ist in der Bluetooth-Spezifikation angegeben.A Problem arises in a purely digital structure of the controlled Oscillator due to the necessarily existing quantization error. There are only discrete in a digitally controlled oscillator Frequencies can be generated with a least significant bit dependent quantization step size. Due to such, digital control of the oscillator arise in its output spectrum unwanted side lines in the distance the switching frequency, with the frequency-determining components in the oscillator be switched. As the switching frequency is usually clear is smaller than the oscillator frequency, this leads to violation of the spectral transmission mask. In the mobile radio system Bluetooth, for example must the sent out Performance, more precisely, the so-called in-band spurious emission a measuring bandwidth of one megahertz at a distance greater than 3 MHz, a value smaller as -40 dBm. This is stated in the Bluetooth specification.
Die unerwünschte Schaltfrequenz könnte dadurch unterdrückt werden, daß am Eingang des Oszillators ein Digital-Analog(DA)-Wandler angeschlossen ist, der das digitale Steuerwort in eine analoge Abstimmspannung konvertiert. Durch eine derartige Mittelwertbildung am Ausgang des DA-Wandlers wird die Taktfrequenz unterdrückt. Dieser Lösungsansatz hat jedoch den gravierenden Nachteil, daß ein hochpräziser und vor allem sehr schnell arbeitender DA-Wandler nötig ist, der aufgrund der benötigten Bittiefe einen sehr großen Aufwand bezüglich der Integration des Funktionsblockes bedeuten würde.The undesirable Switching frequency could thereby repressed be that on Input of the oscillator is connected to a digital-to-analog (DA) converter, which converts the digital control word to an analog tuning voltage. By such an averaging at the output of the DA converter the clock frequency is suppressed. This approach However, has the serious disadvantage that a high-precision and Above all, very fast DA converter is necessary because of the required bit depth a very big one Effort regarding the integration of the function block would mean.
In dem Dokument US 2002/0033737 A1 ist ein digital gesteuerter Oszillator, DCO, in einem Regelkreis gezeigt. Mit einem Schieberegister und einem Multiplexer, der von einem Sigma- Delta-Modulator angesteuert wird, sollen vom DCO verursachte Störungen reduziert werden.In Document US 2002/0033737 A1 is a digitally controlled oscillator, DCO, shown in a loop. With a shift register and a multiplexer driven by a sigma-delta modulator disruptions caused by the DCO be reduced.
Das
Dokument
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstig integrierbare Phasenregelanordnung anzugeben, welche zur Anwendung in Mobilfunkgeräten gemäß moderner, digitaler Mobilfunkstandards geeignet ist und die dort vorgesehenen Spezifikationen einhält.task It is the object of the present invention to provide a cost-effective phase control arrangement specify which for use in mobile devices according to modern digital mobile radio standards is suitable and complies with the specifications provided there.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Phasenregelanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.According to the invention Task solved by a phase locked arrangement having the features of the claim 1.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip ist eine digital arbeitende Phasenregelanordnung vorgesehen, welche sich durch die besondere Ansteuerung des Oszillators mit erhöhter Abtastrate des digital codierten Abstimmsignals auszeichnet.According to the proposed Principle, a digitally operating phase control arrangement is provided, which is due to the special control of the oscillator increased Sampling rate of the digitally coded tuning signal distinguished.
Die Referenzseitenbänder des Ausgangsspektrums liegen wegen der Überabtastung des digitalen Ausgangsworts des Phasen-/Frequenzvergleichers außerhalb des Nutzbandes.The Reference sidebands the output spectrum are due to the oversampling of the digital Output words of the phase / frequency comparator outside the useful tape.
Durch die vorgeschlagene Erhöhung der Abtastrate des Steuersignals oder Abstimmsignals des Oszillators ist es möglich, spektrale Sendemasken auch moderner, digitaler Mobilfunkstandards bei Verwendung kostengünstiger, digitaler Funktionsblöcke, insbesondere eines digital abstimmbaren Oszillators, einzuhalten.By the proposed increase the sampling rate of the control signal or tuning signal of the oscillator Is it possible, Spectral transmission masks of modern, digital mobile radio standards when using cheaper, digital function blocks, in particular a digitally tuned oscillator to comply.
Die Überabtastung des digitalen Abstimmwortes des Oszillators gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird auch als Oversampling bezeichnet.The oversampling the digital Abstimmwortes of the oscillator according to the proposed principle is also called oversampling.
Die Taktfrequenz, mit der die Überabtastung erfolgt, und die dem Mittel zur Erhöhung der Abtastrate zuführbar ist, ist bevorzugt deutlich größer als die Bezugsfrequenz des Phasenregelkreises.The Clock frequency at which oversampling occurs and the means of increase the sampling rate fed is preferably much larger than that Reference frequency of the phase locked loop.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Wandler vorgesehen, der den Ausgang des digital steuerbaren Oszillators mit dem zweiten Eingang des Phasen-/Frequenzvergleichers koppelt und der ausgelegt ist zur Abgabe eines digital codierten Phasensignals in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz des Oszillators.According to one preferred embodiment of the invention, a converter is provided, the output of the digitally controllable oscillator with the second Input of the phase / frequency comparator couples and designed is for delivering a digitally coded phase signal in dependence from the output frequency of the oscillator.
Durch Zuführen lediglich der Phaseninformation des Oszillators sowie des Ausgangssignals des digital steuerbaren Oszillators kann ein einfach aufgebauter, digitaler Phasen-/Frequenzvergleicher, bevorzugt ein sogenannter Digital Fractional Phase Comparator, eingesetzt werden.By Respectively only the phase information of the oscillator and the output signal of the digitally controllable oscillator can be a simply constructed, digital phase / frequency comparator, preferably a so-called Digital Fractional Phase Comparator.
Bevorzugt ist zwischen den Ausgang des digital steuerbaren Oszillators und den Wandler, der der Ausgangsfrequenz des Oszillators das digital codierte Phasensignal zuordnet, ein begrenzender Verstärker geschaltet. Dieser dient bevorzugt zur Konversion des Ausgangssignals des Oszillators in ein Rechteck- oder Trapezsignal und ermöglicht damit eine verbesserte Konvertierbarkeit des so gewonnenen Taktsignals in ein Phasensignal.Prefers is between the output of the digitally controllable oscillator and the converter, which is the output frequency of the oscillator's digital assigns coded phase signal, a limiting amplifier switched. This is preferably used to convert the output signal of the oscillator in a rectangular or trapezoidal signal, thus enabling an improved Convertability of the thus obtained clock signal into a phase signal.
Das Mittel zur Erhöhung der Abtastrate hat bevorzugt einen Takteingang zu Synchronisationszwecken, welcher mit dem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist.The Means to increase the sampling rate preferably has a clock input for synchronization purposes, which is coupled to the output of the oscillator.
Durch die bevorzugte Kopplung des Takteingangs des Mittels zur Erhöhung der Abtastrate mit dem Ausgang des Oszillators kann das digitale Abstimmsignal, welches dem Oszillator zu dessen Steuerung zugeführt wird, auf eine Taktfrequenz synchronisiert werden, welche mit Vorteil bei geringem Aufwand der Schaltung deutlich größer ist als die Referenzfrequenz der Phasenregelanordnung.By the preferred coupling of the clock input of the means for increasing the Sampling rate with the output of the oscillator can be the digital tuning signal, which is supplied to the oscillator for its control, to a clock frequency be synchronized, which with advantage at low cost of Circuit is significantly larger as the reference frequency of the phase locked loop.
Die Taktfrequenz zur Synchronisierung des Mittels zur Erhöhung der Abtastrate wird bevorzugt durch Frequenzteilung aus dem Signal mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators gewonnen.The Clock frequency for synchronization of the means for increasing the Sample rate is preferred by frequency division from the signal the output frequency of the oscillator won.
Der Frequenzteilerwert des Frequenzteilers, der den Ausgang des Oszillators mit dem Takteingang des Mittels zur Erhöhung der Abtastrate bevorzugt koppelt, kann einen festen Wert haben. Dieser Teilerwert kann beispielsweise Zwei oder Vier betragen.Of the Frequency divider value of the frequency divider, which is the output of the oscillator preferred with the clock input of the means for increasing the sampling rate couples, can have a fixed value. For example, this divisor value Two or four.
Zur Zuführung des Referenzsignals an den Phasen-/Frequenzvergleicher ist ein Akkumulator vorgesehen, der einem eingangsseitig anliegenden, digitalen Kanalwort an seinem Ausgang ein Phasen-Referenzsignal zuordnet und an den ersten Eingang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung abgibt.to feed the reference signal to the phase / frequency comparator is an accumulator provided the one input side, digital channel word at his Output assigns a phase reference signal and to the first input the phase / frequency comparator outputs.
Ebenso wie die Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung hat auch der Akkumulator bevorzugt einen Eingang zum Zuführen eines Synchronisationssignals.As well like the phase / frequency comparator, the accumulator also has preferably an input for feeding a synchronization signal.
Hierfür ist eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen, der am Eingang ein unsynchronisiertes Bezugsfrequenz-Signal zugeführt werden kann. Die Synchronisationseinrichtung selbst hat einen Takteingang, der mit dem Ausgang des Oszillators zum Zuführen eines Synchronisationstakts gekoppelt ist. Der Ausgang der Synchronisationseinrichtung ist mit einem Synchronisationseingang des Akkumulators verbunden. Der Ausgang der Synchronisationseinrichtung ist bevorzugt mit einem Synchronisationseingang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung verbunden.For this is one Synchronization device provided at the input an unsynchronized reference frequency signal supplied can be. The synchronization device itself has a clock input, with the output of the oscillator for supplying a synchronization clock is coupled. The output of the synchronization device is with a Synchronization input of the accumulator connected. The exit the synchronization device is preferably with a synchronization input the phase / frequency comparator connected.
Das Mittel zur Erhöhung der Abtastrate umfaßt bevorzugt mehrere D-Flip-Flops. Diese sind mit besonders geringem Aufwand in digitaler Schaltungstechnik integrierbar.The Means to increase the sampling rate includes preferably several D flip-flops. These are particularly low Effort can be integrated in digital circuit technology.
Der digital steuerbare Oszillator umfaßt bevorzugt zwei schaltbare Kapazitätsfelder, welche jeweils frequenzbestimmende Kapazitäten umfassen. Eines dieser Kapazitätsfelder umfaßt bevorzugt binär abgestufte Kapazitäten, während die schaltbaren Kapazitäten des weiteren Kapazitätsfeldes alle gleich groß sind, das heißt gleiche Kapazitätswerte aufweisen. Die Kapazitäten beider Kapazitätsfelder sind bevorzugt unabhängig voneinander, jedoch in Abhängigkeit von dem Abstimmsignal, zu- und abschaltbar.Of the digitally controllable oscillator preferably comprises two switchable Capacitor banks, which each comprise frequency-determining capacities. One of these capacitor banks comprises preferably binary graduated Capacities, while the switchable capacities the further capacity field all are the same size, this means same capacity values exhibit. The capacities both capacity fields are preferably independent from each other, but in dependence from the tuning signal, on and off.
Die Ansteuerung der gleich großen Kapazitäten im zweiten Kapazitätsfeld erfolgt bevorzugt über einen Thermometer-Code. Damit ist ein besonders feines Abstimmen der Oszillator-Frequenz möglich, beispielsweise mit einem Modulationssignal. Zugleich kann mit den binär abgestuften Kapazitäten ein sehr großer Frequenzbereich mit verhältnismäßig geringem Aufwand abgedeckt werden.The Control of the same size capacities in the second capacity field preferably takes place via a thermometer code. This is a very fine tuning the oscillator frequency possible, for example with a modulation signal. At the same time can with the binary graduated Capacities very big Frequency range with relatively low Effort to be covered.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.Further Details and advantageous embodiments of the proposed Principles are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.The Invention will be described below in several embodiments with reference to the Drawings closer explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Der
digitale Frequenz-/Phasendetektor
Der
Bezugsphaseneingang
Der
Ausgang des Phasenvergleichers
Das
Mittel zur Abtastratenerhöhung
Der
Quantisierungsfehler des digital abstimmbaren Oszillators DCO läßt sich
beschreiben durch
Dabei bezeichnet f0 die Oszillatorfrequenz bei der Steuergröße x = 0 und fLSB die Quantisierungsschrittweite im Hinblick auf die diskret einstellbaren Frequenzen.In this case, f 0 denotes the oscillator frequency at the control variable x = 0 and f LSB the quantization step width with regard to the discretely adjustable frequencies.
Das
Ausgangswort des digitalen Fractional-Phase Komparators
Die
Phasenregelanordnung gemäß
Eine
weitere Verringerung unerwünschter Emissionen
ist bei vorliegendem Prinzip dadurch möglich, daß die Energie der Schaltfrequenz
nicht auf diskrete Frequenzkomponenten konzentriert wird, sondern
die Energie verteilt wird. Dies wird auch als Noise-Shaping oder
Dithering bezeichnet. Dieses Dithering-Verfahren ist aus Analog/Digital-Wandlern bekannt
und kann auch für
die Ansteuerung des digitalen Oszillators
Zur
Vermeidung von Monotoniefehlern werden die niederwertigen Bits des
Abstimmworts mit Einheitskapazitäten
im Kapazitätsfeld
Der
gezeigte Hochfrequenzoszillator
Das Bezugsphasensignal φref wird demnach nicht nur in Abhängigkeit von dem Kanalwort, sondern auch von dem Modulationssignal gebildet.Accordingly, the reference phase signal φ ref is formed not only in response to the channel word but also by the modulation signal.
Bei der vorliegenden Einspeisung von Modulationsdaten in den Referenzzweig der Phasenregelanordnung spricht man auch von einer Direktmodulation der Referenzphase oder einer Einpunkt-Modulation.at the present supply of modulation data in the reference branch The phase control arrangement is also called a direct modulation the reference phase or a one-point modulation.
Derartige Phasenregelanordnungen sind besonders zur Anwendung in Sendeanordnungen des Mobilfunks geeignet.such Phase-locked arrangements are particularly suitable for use in transmission arrangements the mobile phone suitable.
Somit ist eine Zweipunkt-Modulatoranordnung geschaffen. Ein Vorteil ist, daß die Bandbreite des Modulationssignals dabei größer sein kann als die Bandbreite des Phasenreglers selbst.Consequently a two-point modulator arrangement is provided. An advantage is, that the Bandwidth of the modulation signal can be greater than the bandwidth the phase controller itself.
Derartige Phasenregelanordnungen sind besonders zur Anwendung in Sendeanordnungen des Mobilfunks mit hohen Übertragungsraten geeignet.such Phase-locked arrangements are particularly suitable for use in transmission arrangements the mobile with high transfer rates suitable.
- 11
- Oszillatoroscillator
- 22
- Eingangentrance
- 33
- Ausgangoutput
- 44
- Limiterlimiter
- 55
- Wandlerconverter
- 66
- Eingangentrance
- 77
- digitaler fraktionaler Phasendetektordigital fractional phase detector
- 88th
- D-FlipflopD flip-flop
- 99
- Summiergliedsumming
- 1010
- Eingangentrance
- 1111
- Takteingangclock input
- 1212
- Akkumulatoraccumulator
- 1313
- D-FlipflopD flip-flop
- 1414
- Summiergliedsumming
- 1515
- Synchronisationseinrichtungsynchronizer
- 1616
- D-FlipflopD flip-flop
- 1717
- D-FlipflopD flip-flop
- 1818
- Stromquellepower source
- 1919
- Versorgungsanschlußsupply terminal
- 2020
- SpuleKitchen sink
- 2121
- SpuleKitchen sink
- 2222
- Kapazitätsfeldcapacity field
- 2323
- Kapazitätsfeldcapacity field
- 2424
- Verstärkeramplifier
- 2525
- Transistortransistor
- 2626
- Transistortransistor
- 2727
- BezugspotentialanschlußReference potential connection
- 2828
- Thermometer-Code-WandlerThermometer code converter
- 2929
- Multiplizierermultipliers
- 3030
- Mittel zur Abtastratenerhöhungmedium for sampling rate increase
- 3131
- Frequenzteilerfrequency divider
- 3232
- D-FlipflopD flip-flop
- 3333
- D-FlipflopD flip-flop
- 3434
- Addierknotenadding node
- 3535
- Addierknotenadding node
- 3636
- Oszillatoroscillator
- 3737
- Schwingquarzquartz crystal
Claims (8)
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