CN101242185A - 可动态配置自重构宽频带频率合成器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可动态配置自重构宽频带频率合成器，包括低频合成器、混频合成器、高频合成器、输出选择开关和参数配置重构控制器。参数配置重构控制器提供二进制参数配置信号给其它各部件；低频合成器产生中低输出频率，调制步长小，作为混频合成器的参考频率；高频合成器产生的高频输出频率，调制步长大，作为混频合成器的输入信号；混频合成器对低频合成器和高频合成器输出的频率进行混频，合成出具有较宽频段，分辨率高，并且转换速率快的输出时钟信号。输出选择开关对三路输出频率根据频率选择信号要求选择输出。本发明输出频率的调制步长小，覆盖的频段宽，转换速率快，并且具有良好的可扩展性，可以根据应用环境的要求灵活改变输出频率。

Description

可动态配置自重构宽频带频率合成器

技术领域

本发明属于射频集成电路领域，具体涉及一种可动态配置自重构宽频带频率合成器。

背景技术

目前无线通讯系统的发展速度非常快，也被越来越多的应用于医疗通信、电子设备通讯领域。随着集成电路产业的发展，系统集成通讯芯片设计渐渐成为可能并有相应的产品出现。频率合成技术是通信电子系统实现高性能指标的关键技术之一，很多现代电子设备和系统的功能实现都直接依赖于所用频率合成器的性能，因此频率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”。能够集成于芯片中的频率合成器也得到了射频IC工程师的青睐。通讯协议的更新换代，以及兼容多种通讯协议的通讯产品的需求，也对频率合成器提出可数字控制，能提供宽工作频段，低调制步长的要求。

802.11无线局域网通信协议族经过近年的发展，对通讯频段的要求越来越宽，为了使产品能够不仅兼容已有协议，也能兼容后续的协议，就要求频率合成器的输出频率能够灵活地、较小步长地调节，因为传输信道不断切换，相应地对频率合成器地要求是频率转换时间短，频率合成器的另一个重要的指标是较高的稳定度，在通信系统中，为了保证通信的高度稳定和可靠，对频率稳定度和准确度提出了极高的要求。

目前已有的应用于无线通讯的频率合成器产品，IEEE 2006CICC名为“A dual-band triple-mode SOC for 802.11a/b/g Embedded WLAN in 90nmCMOS”(一种90nmCMOS工艺的应用于802.11a/b/g嵌入式无线局域网的双带三模SOC)的文章中提出了应用于无线通讯领域的频率合成器设计，但是该设计还存在以下几个需要解决问题：

[1]该通常的频率合成器不能同时实现较宽的输出频段和较高的稳定度。

[2]频率合成器实现较高调制分辨率和较小锁定时间的情况下很难保证较小的调制步长。

[3]为了实现较高的频率稳定度，对噪声的抑制提出了较高的要求。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种可动态配置自重构宽频带频率合成器，该频率合成器可以根据频率选择信号的要求动态配置，输出具有较宽频段，分辨率高，并且转换速率快的输出时钟信号。

本发明提供的可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：它包括低频合成器、混频合成器、高频合成器、输出选择开关和参数配置重构控制器；

参数配置重构控制器根据频率选择信号产生8路同步的二进制参数配置信号，分别传送给低频合成器、混频合成器、高频合成器和输出选择开关；

低频合成器根据参数配置重构控制器提供的二路同步的二进制参数配置信号，对晶体振荡器提供的参考频率信号进行低倍数的倍频处理，再将处理后的频率信号发送给混频合成器；

高频合成器根据参数配置重构控制器提供的二路同步的二进制参数配置信号，对晶体振荡器提供的参考频率信号进行高倍数的倍频处理，再将处理后的频率信号发送给混频合成器；

混频合成器根据参数配置重构控制器提供的三路同步的二进制参数配置信号，混合调制低频合成器和高频合成器输出的频率信号，混频后的频率信号传送给输出选择开关；

输出选择开关接收参数配置重构控制器输出的开关控制信号，从低频合成器、混频合成器和高频合成器输出的频率信号中选择一个作为输出信号。

本发明是一种用于通讯领域的具有宽调节范围，低调制步长及较小锁定时间的可动态配置自重构频率合成器，具有良好的可扩展性，可以根据应用环境的要求灵活改变输出频率，具有输出频率调制范围宽、频率分辨率高，并且可由外部控制模块实现精确控制的特点。本发明频率合成器可以合成下述三种时钟频率：

(1)中低频，调制步长小的时钟频率；

(2)高频，调制步长大的输出时钟频率；

(3)从中低频到高频，调制步长小的时钟频率。

附图说明

图1为本发明可动态配置自重构宽频带频率合成器的结构示意图；

图2为低频合成器的结构示意图；

图3为高频合成器结构示意图；

图4为混频合成器结构示意图；

图5为参数配置重构控制器结构示意图；

图6为输出选择开关结构示意图；

图7为本发明可动态配置自重构宽频带频率合成器的应用实例图。

具体实施方式

如图1所示，本发明可动态配置自重构宽频带频率合成器包括低频合成器2、混频合成器3、高频合成器4、输出选择开关5和参数配置重构控制器6。

参数配置重构控制器6根据基带处理器的提供的频率选择信号产生8路同步的二进制参数配置信号，分别传送给低频合成器2、混频合成器3、高频合成器4和输出选择开关5，控制各模块工作，使之进行频率选择及切换。

低频合成器2用于提供精确的小步长调制。它根据参数配置重构控制器6提供的二路同步的二进制参数配置信号，对晶体振荡器1提供的参考频率信号进行低倍数的倍频处理，再将处理后的频率信号发送给混频合成器3。

高频合成器4用于提供较高频段的输出频率，它根据参数配置重构控制器6提供的二路同步的二进制参数配置信号，对晶体振荡器1提供的参考频率信号进行高倍数的倍频处理，再将处理后的频率信号发送给混频合成器3。

根据应用系统的带宽及调频间隔，调制精度，工作频段确定低频合成器和高频合成器的工作频段，输出参考频率及倍频倍数。

混频合成器3根据参数配置重构控制器6提供的三路同步的二进制参数配置信号，混合调制低频合成器2和高频合成器4输出的频率信号，混频后的频率信号传送给输出选择开关5。

输出选择开关5接收参数配置重构控制器6输出的开关控制信号，从低频合成器2、混频合成器3和高频合成器4输出的频率信号中选择一个作为输出信号，提供给系统内其它设备。

下面举例对上述各部分的具体构成作进一步详细的说明。

如图2所示，低频合成器2工作受参数配置重构控制器6的两个参数配置信号控制，可以灵活改变低频合成器分频比。低频合成器2包括低频预分频器21、低频鉴频鉴相器22、低频电荷泵23、低频滤波器24、低频压控振荡器25、低频分频器26和∑-Δ调制器27。

参数配置重构控制器6输出两路信号，一路输入低频预分频器21选择它的分频比，另一路输入∑-Δ调制器27从而控制低频分频器26的预设分频比。

低频预分频器21受一个参数配置信号控制，对基准频率进行预分频，供低频合成器作为参考频率。

低频鉴频鉴相器22比较输入参考频率和低频分频器26输出频率的相位，产生与相位差成正比的方波信号。

低频电荷泵23将低频鉴频鉴相器22输出的方波信号转换为电流信号。

低频滤波器24将低频电荷泵23输出的电流信号转换为电压信号，并滤除该电压信号中的高频噪声。

低频压控振荡器25的振荡频率受低频滤波器24输出电压的控制，该振荡频率与低频滤波器24输出电压成线性关系。

∑-Δ调制器27将参数配置重构控制器6的控制信号转化为优化了的低频分频器26的分频比选择信号，以减小低频分频器26中产生的分频噪声。

低频分频器26在∑-Δ调制器27输出的分频比选择信号作用下，将低频压控振荡器25的输出频率分频并反馈给低频鉴频鉴相器22。

采用∑-Δ调制技术的低频合成器2的工作情况是，参数配置重构控制器6输出一路参数配置信号通过∑-Δ调制器27将低频分频器26的分频比置在一个粗值上。晶体振荡器1的参考频率信号经过低频预分频器21分频后在低频鉴频鉴相器22中与低频分频器26(低频分频器26分频比经过∑-Δ调制器27的优化)输出的反馈信号进行比较，将相位差转化为占空比与之成正比的电压信号，电压信号在低频电荷泵23的充放电转化为电流信号，电流信号经过低通滤波器24滤除高频噪声转化为直流电压，直流电压输入低频压控振荡器25对低频压控振荡器25输出的振荡频率进行微调，使得其的输出频率锁定在预置频率上，其频率稳定度和准确度与基准频率相当。低频压控振荡器25的输出频率信号分别送到低频分频器26和混频合成器3。

将∑-Δ调制概念引入分数分频器设计中是为了减小分频噪声。∑-Δ调制器27将实际平均分频比中理想分频比意外的信号作为噪声，通过对输入信号以较高的取样频率进行高速取样，对每个取样信号量化比特数较低，产生一个对输入呈低通、对量化噪声呈高通的噪声整形器，将量化噪声功率的绝大部分移到信号频带之外，改变输入信号中总噪声能量的分布，降低噪声功率谱密度，使得在有用信号带宽内的噪声能量下降。从而可通过滤波有效地抑制分数分频产生的噪声，获得所需要的高质量的分数平均频率输出。分数分频精度可由低频分频器26改变的分数分频位数而设定。

如图3所示，高频合成器4包括高频预分频器41、高频鉴频鉴相器42、高频电荷泵43、高频滤波器44、高频压控振荡器45、高频分频器46和高频分频器47。

参数配置重构控制器6输出两路信号，一路输入高频预分频器41选择它的分频比，另一路输入高频分频器47控制它的分频比。

高频预分频器41受一个参数配置信号控制，对基准频率进行预分频，供高频合成器作为参考频率。

高频鉴频鉴相器42比较输入参考频率和高频分频器47输出频率的相位，产生与相位差成正比的方波信号。

高频电荷泵43将高频鉴频鉴相器42输出的方波信号转换为电流信号。

高频滤波器44将高频电荷泵43输出的电流信号转换为电压信号，并滤除该电压信号中的高频噪声。

高频压控振荡器45的振荡频率受高频滤波器44输出电压的控制，该振荡频率与高频滤波器44输出电压成线性关系。

高频分频器47在参数配置重构控制器6的一路选择信号作用下，将高频压控振荡器45的输出频率分频并反馈给高频鉴频鉴相器42。

高频合成器4中各模块的功能及工作流程与高频合成器中对应模块相同，高频分频器47采用整数分频比，不需要∑-Δ调制器，使输出频率为高频鉴频鉴相器42输入参考频率的整数倍。

如图4所示，混频合成器3包括混频预分频器31、混频鉴频鉴相器32、混频电荷泵33、混频滤波器34、混频压控振荡器35和双平衡混频器36。该模块的作用是实现低频合成器输出频率和高频合成器输出频率的频率混合，得到所需的输出频率f_out。

参数配置重构控制器6输出的三路参数配置信号：一路输入混频预分频器31控制它的分频比，一路输入混频电荷泵33控制它的充放电电流大小，一路输入混频压控振荡器35选择振荡频率段。

混频预分频器31根据参数配置重构控制器6提供的二进制配置信号选择分频比，对低频合成器输出频率进行分频，供混频合成器作为参考频率。

混频鉴频鉴相器32与双平衡混频器36的输出反馈信号比较，将相位差转化为占空比与之成正比的电压信号

混频电荷泵33将混频鉴频鉴相器32输出的方波信号转换为电流信号。

混频滤波器34将混频电荷泵33输出的电流信号转换为电压信号，并滤除该电压信号中的高频噪声。

混频压控振荡器35的振荡频率受混频滤波器34输出电压的控制，该振荡频率与混频滤波器34输出电压成线性关系。

双平衡混频器36将高频合成器4的输出信号与混频压控振荡器35的输出信号混频后反馈到混频鉴频鉴相器32输入端，它作用是实现频率相减。这样，通过混频合成器的环路反馈作用，实现频率锁定时，输出频率为f_out＝低频合成器预分频率f1+高频合成器输出f2。

因为混频压控振荡器35的振荡频率变化范围较大，所以该模块中将包含可调节的电容阵列，以根据需要选择振荡频率范围。混频压控振荡器35的输出频率变化范围从中低频率至高频，变化范围很大，用单独的振荡器不可能同时实现宽频段和高调制精度。在该环路中加入的由参数配置重构控制器输出的参数配置信号作用是根据参数配置信号配置混频合成器的振荡频率范围。对混频压控振荡器35的参数配置信号用来选择振荡器的电容阵列，通过改变起作用的电容个数可以改变振荡器的振荡频率范围。对电荷泵的参数配置信号作用是改变电荷泵充放电电流。因为对于不同振荡频段，混频控振荡器35中起作用的电容数不同，为了保证在不同频段锁定时间不会存在太大差别，混频滤波器34输出电压值改变速度应相应改变，通过根据参数配置信号改变电荷泵电流可以达到这个要求。

混频合成器3的工作原理是接收来自低频合成器2的输出信号经过混频预分频器31的分频后转化为更低频的信号，在混频鉴相鉴频器32中与双平衡混频器36的输出反馈信号比较，将相位差转化为占空比与之成正比的电压信号，电压信号在混频电荷泵33的充放电转化为电流信号，电流信号经过混频滤波器34滤除高频噪声转化为直流电压，直流电压输入混频压控振荡器35对混频压控振荡器35的振荡频率进行微调，使得其的输出频率锁定在预置频率上，其频率稳定度和准确度与基准频率相当。混频压控振荡器35的输出频率分别输出到双平衡混频器36中与输出选择开关。

如图5所示，参数配置重构控制器6包括寄存器逻辑控制模块61和配置寄存器62。寄存器逻辑控制模块61接收基带处理器提供的频率选择信号产生相应的数字参数配置信号发送给配置寄存器62。配置寄存器62根据数字参数配置信号输出7路同步的二进制参数配置信号及3位开关控制信号，配置频率合成器输出频率。

如图6所示，参数配置重构控制器6输出的开关控制信号对输出的频率进行选择。当输出频率要求为中低频率，且在低频合成器输出频率范围内时，开关51闭合，开关52和53断开；当输出频率较高，且调制步长为比较小时，开关52闭合，开关51和53断开；当输出频率较高，且要求调制较大时，开关53闭合，开关51和52断开。

如图7所示，该本发明处理器应用的实例为：在无线局域网模拟收发器前端模块中，为接收器和发送器提供稳定的1.6G左右的振荡信号，该振荡信号的频率可由系统的应用环境及需要自由调节，调节方式为改变控制逻辑的输出参数配置信号，如此可以得到输出频率步长5M/100k可配置、转换速率快、变化范围为60M的输出频率信号。

由高频合成器，低频合成器和混频合成组成。高频分频器分频比范围为320～334，低频分频器分频比范围为10～50，步长分别是5M，100k。

本说明虽然是选的一个优化实施例，但是本发明不局限于上述例子，而是适合多种类似的情况，如频率合成器应用于时钟校正，同步等的情况。

Claims (6)

1、一种可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：它包括低频合成器(2)、混频合成器(3)、高频合成器(4)、输出选择开关(5)和参数配置重构控制器(6)；

参数配置重构控制器(6)根据频率选择信号产生8路同步的二进制参数配置信号，分别传送给低频合成器(2)、混频合成器(3)、高频合成器(4)和输出选择开关(5)；

低频合成器(2)根据参数配置重构控制器(6)提供的二路同步的二进制参数配置信号，对晶体振荡器(1)提供的参考频率信号进行低倍数的倍频处理，再将处理后的频率信号发送给混频合成器(3)；

高频合成器(4)根据参数配置重构控制器(6)提供的二路同步的二进制参数配置信号，对晶体振荡器(1)提供的参考频率信号进行高倍数的倍频处理，再将处理后的频率信号发送给混频合成器(3)；

混频合成器(3)根据参数配置重构控制器(6)提供的三路同步的二进制参数配置信号，混合调制低频合成器(2)和高频合成器(4)输出的频率信号，混频后的频率信号传送给输出选择开关(5)；

输出选择开关(5)接收参数配置重构控制器(6)输出的开关控制信号，从低频合成器(2)、混频合成器(3)和高频合成器(4)输出的频率信号中选择一个作为输出信号。

2、根据权利要求1所述的可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：

低频合成器(2)包括低频预分频器(21)、低频鉴相器(22)、低频电荷泵(23)、低通滤波器(24)、低频压控振荡器(25)、低频分频器(26)和∑-Δ调制器(27)；

低频预分频器(21)对晶体振荡器(1)的参考频率信号进行分频处理，提供给低频鉴相器(22)；

低频鉴相器(22)将分频后的参考频率信号与低频分频器(26)输出的反馈信号进行比较，将相位差转化为占空比与之成正比的电压信号，提供给低频电荷泵(23)；

低频电荷泵(23)根据电压信号控制充放电时间，输出一个电流信号给低频滤波器(24)；

低频滤波器(24)滤除电流信号中的高频噪声，并转化为直流电压，提供给低频压控振荡器(25)；

低频压控振荡器(25)根据接收的直流电压，对自身产生的振荡频率进行微调，使得其输出频率锁定在预置频率上，并将微调后的频率信号分别提供给低频分频器(26)和混频合成器(3)；

低频分频器(26)在∑-Δ调制器(27)输出的分频比选择信号作用下，将低频压控振荡器(25)的输出频率分频并反馈给低频鉴频鉴相器(22)；

∑-Δ调制器(27)将参数配置重构控制器(6)的控制信号转化为低频分频器(26)的分频比选择信号，减小低频分频器(26)中产生的分频噪声。

3、根据权利要求1所述的可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：

高频合成器(4)包括高频预分频器(41)、高频鉴频鉴相器(42)、高频电荷泵(43)、高频滤波器(44)、高频压控振荡器(45)、高频分频器(46)和高频分频器(47)；

高频预分频器(41)对晶体振荡器(1)的参考频率信号进行分频处理，提供给低频鉴相器(42)；

高频鉴频鉴相器(42)将分频后的参考频率信号与高频分频器(47)输出的反馈信号进行比较，将相位差转化为占空比与之成正比的电压信号，提供给高频电荷泵(43)；

高频电荷泵(43)根据电压信号控制充放电时间，输出一个电流信号给高频滤波器(44)；

高频滤波器(44)滤除电流信号中的高频噪声，并转化为直流电压，提供给高频压控振荡器(45)；

高频压控振荡器(45)根据接收的直流电压，对自身产生的振荡频率进行微调，使得其的输出频率锁定在预置频率上，将微调后的频率信号分别提供给高频分频器(47)和高频分频器(46)；

高频分频器(47)在参数配置重构控制器(6)的分频比选择信号作用下，将高频压控振荡器(45)的输出频率分频并反馈给高频鉴频鉴相器(42)；

高频分频器(46)在参数配置重构控制器(6)的分频比选择信号作用下，将高频压控振荡器(45)的输出频率分频并提供给混频合成器(3)。

4、根据权利要求1、2或3所述的可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：

混频合成器(3)包括混频预分频器(31)、混频鉴频鉴相器(32)、混频电荷泵(33)、混频滤波器(34)、混频压控振荡器(35)和双平衡混频器(36)；

混频预分频器(31)根据参数配置重构控制器(6)提供的二进制配置信号选择分频比，对低频合成器(2)输出频率进行分频，将分频后的信号提供给混频鉴频鉴相器(32)；

鉴频鉴相器(32)将分频后的参考频率信号与双平衡混频器(36)输出的反馈信号进行比较，将相位差转化为占空比与之成正比的电压信号，提供给混频电荷泵(33)；

混频电荷泵(33)根据参数配置重构控制器(6)的一路二进制信号选择充放电电流信号的大小，并利用电压信号控制充放电时间，给混频滤波器(34)提供电流；

混频滤波器(34)滤除电流信号中的高频噪声，并转化为直流电压，提供给混频压控振荡器(35)；

混频压控振荡器(35)根据参数配置重构控制器(6)的一路二进制信号选择振荡器的工作频段，并根据接收的直流电压对自身产生的振荡频率进行微调，将微调后的频率信号分别提供给双平衡混频器(36)和输出选择开关(5)；

双平衡混频器(36)将混频压控振荡器(35)的输出频率与高频合成器(4)的输出信号混频后反馈到混频鉴频鉴相器(32)输入端；

5、根据权利要求4所述的可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：参数配置重构控制器(6)包括寄存器逻辑控制模块(61)和配置寄存器(62)；寄存器逻辑控制模块(61)接收基带处理器提供的频率选择信号产生相应的数字参数配置信号，并发送给配置寄存器(62)；

配置寄存器(62)根据数字参数配置信号输出7路同步的二进制参数配置信号，分别提供给低频合成器(2)、混频合成器(3)、高频合成器(4)，配置各频率合成器输出频率；还输出1路开关控制信号至输出选择开关(5)。

6、根据权利要求5所述的可动态配置自重构宽频带频率合成器，其特征在于：输出选择开关(5)由三个并联的开关构成。

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