CN101257302B - 振荡器的频率调节方法及小数分频锁相环频率合成器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振荡器的频率调节方法及小数分频锁相环频率合成器，所述锁相环频率合成器包括数字频段粗调机构和模拟频率细调机构。在数字频段粗调过程中利用二分查找法，在调整步长减小的同时，逐次提高频率比较精度，从而加速自校准过程。
Description
技术领域
本发明涉及射频微波通讯领域，尤其涉及锁相环频率合成器及其振荡器的频率调节方法。
背景技术
在射频微波收发器中往往需要使用锁相环频率合成器来产生稳定的频率。在现有技术中，经常采用粗调和细调相结合的方法将锁相环频率合成器中振荡器(VCO)的输出频率锁定在参考频率上。如美国专利US 6,597,249就公开了一种锁相环频率合成器的调节方法。如US 6,597,249的图3所示，锁相环频率合成器包括数字粗调模块10和模拟锁相环细调机构，模拟锁相环细调机构的VCO分频器16具有2n个分立的频率。粗调开始时，VCO15的输入控制字VCO_DIN被设置在2n个分立频率的中间值，即2n-1，而相位探测器没有输出，即模拟锁相环细调机构在整个粗调期间内不工作。数字粗调模块10采用二分查找法来调节VCO的频率，直至VCO的频率与参考频率的误差在设定的精度范围内。粗调结束后，VCO15的输入控制字VCO_DIN被固定在粗调过程所确定的最终频段上，模拟锁相环细调机构被启动，对VCO进行细调，直至频率锁相成功。其中，在数字粗调模块10的二分查找算法中，调整步长逐次减小一半，而调节精度在整个频段粗调过程中保持不变。
现在越来越多的射频微波收发器开始使用小数分频锁相环。相比于整数分频锁相环，小数分频锁相环根本性的拆分了频率合成精细度和锁相环环路带宽之间的联系。它带来以下的三点好处：一，小数分频锁相环不再对晶体振荡器的参考频率有所限制。比如说需要综合一个信道间隔为300KHz的本振信号，整数分频锁相环就会要求晶振振在300KHz的整数倍数频率上，而小数分频锁相环就不再有这个限制，于是对晶振就可以有比较大的选择余地。二，小数分频锁相环可以有很精细的频率综合能力。一般情况下，整数分频锁相环的频率综合精度就是鉴频鉴相器电路的更新频率，而小数分频电路的频率综合精度是鉴频鉴相器电路的更新频率除与分频调制的模，可以达到几十Hz到几Hz的精度。三，在同等条件下，小数分频锁相环可以有更快的锁定时间。因为频率合成精细度和环路带宽之间的固定比例关系不再存在，所以在电路速度、相位噪声、杂散允许的范围内，可以采取比较宽的环路带宽，从而得到比较快的锁定时间。
而锁相环的自校准电路和算法则是在需要压控振荡器有比较大的频率覆盖范围而使用开关电容阵列的情况下必须采取的技术方案。开关电容阵列是一组并联的带有开关的有大有小的电容，根据开关的情况，它们或连到或脱离振荡器的电容电感谐振回路。有两种情况压控振荡器需要比较大的频率覆盖范围，一是，系统本身要求，比如调频应用或是数字电视应用，二是为了降低本振信号的相位噪音而使用芯片封装中的键合金丝电感的情况。电感是压控振荡器的关键器件，它在很大程度上决定了振荡器的相位噪声指标。封装模块中的键合金丝的品质因数一般能达到普通CMOS或BiCMOS工艺片上电感的五倍以上。但键合金丝电感的缺点就是封装到封装的变化比较大，这样就会导致振荡器的中心频率的偏移，从而带来系统性能的下降或根本失败。所以在这种情况下必须使用开关电容阵列扩大压控振荡器的频率以抵消封装金丝电感带来的中心频率的偏移。频率的自动校准一般需要在三种情况下执行：1.电路上电；2.频道切换；3.由于温度、电压或时间造成的频率漂移。这种自校准过程的速度直接影响收发器启动的快慢和频道切换的快慢。对于一些需要锁相环速度比较快的应用，加快自校准过程是满足系统指标的关键技术。
而现有技术的锁相环频率合成器中VCO的数字频段调节时间较长，其根本原因有二：一是没有充分利用小数分频锁相环频率合成器中鉴频鉴相器的频率比较高的特点，二是在数字频段粗调的过程中，没有配合二分查找法的特点，比较精度保持不变。
发明内容
本发明的目的是解决现有的小数分频锁相环频率合成器中VCO的频率调节时间较长的问题，提出一种锁相环频率合成器中的振荡器的频率调节方法及采用该调节方法的小数分频锁相环频率合成器。
本发明的技术方案如下：
一种锁相环频率合成器中的压控振荡器的频率调节方法，所述锁相环频率合成器包括数字频段粗调机构和模拟锁相环细调机构，所述模拟锁相环细调机构包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器、分频调制器和参考频率产生电路，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接成环路，参考频率被输入所述鉴频鉴相器；所述分频调制器与所述分频器相连接，使所述分频器经所述分频调制器的控制，对所述压控振荡器的输出作分频，从分频器输出的反馈频率被 输入所述鉴频鉴相器；先通过所述数字频段粗调机构对锁相环频率合成器中的压控振荡器的工作频段进行粗调，而模拟锁相环细调机构在整个粗调期间内不工作；然后，使用粗调过程所确定的最终频段启动所述模拟锁相环细调机构对所述压控振荡器进行细调，直至频率锁相成功；其中，所述数字频段粗调机构包括自校准控制模块，所述自校准控制模块包括顺序相连的比较窗口产生模块、计数模块、比较和二分查找模块；所述粗调过程包括自校准过程；其特征在于：所述自校准过程是通过下述步骤实现的：
(1)将所述参考频率输入所述比较窗口产生模块，将所述反馈频率输入所述计数模块；(2)所述比较窗口产生模块读入初始比较精度和产生比较窗口，所述计数模块计算在所述比较窗口中出现的反馈脉冲的个数；(3)所述比较和二分查找模块比较计数模块的计数结果和比较窗口产生模块输入的持续时间参数，利用二分查找法查找合适的控制字，逐步减半调整步长并且比较窗口逐步加大一倍，以及向所述压控振荡器输出频段控制数字信号。
其中，所述粗调过程还包括判断是否需要触发自校准过程的步骤；通过模拟方式连续或间隔式的检测压控振荡器的控制电压，或者是通过数字方式比较参考频率和除法器的反馈频率，从而判断是否需要触发自校准过程。其中，所述振荡器还包括开关电容阵列；所述步骤(3)中利用二分查找法查找合适的控制字的实现方法包括：比较精度本次参数NR与所述计数模块对反馈脉冲在比较窗口内的计数结果NF进行比较；根据比较的结果，分三种情况对压控振荡器的控制字进行调节：NR＝NF，控制字不变；NR＞NF，控制字加上步长；NR＜NF，控制字减去步长；以上的操作是设压控振荡器随控制字的增大而震荡频率加大；反之则对控制字进行相反的加减操作；自校准数字控制应用二分查找法的时候需要循环的次数为K-1次，其中K是开关电容阵列的控制位数，逐次循环完成后都要对比较精度和调节步长进行调节。
一种小数分频锁相环频率合成器，其包括数字频段粗调机构和模拟锁相环细调机构；所述模拟锁相环细调机构包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、具有开关电容阵列的压控振荡器VCO、分频器、分频调制器和参考频率产生电路，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接成环路，参考频率被输入所述鉴频鉴相器；所述分频调制器与所述分频器相连接，使所述分频器经所述分频调制器的控制，对所述压控振荡器的输出作分频，从分频器输出的反馈频率被输入所述鉴频鉴相器；首先通过数字频段粗调机构对所述具有开关电容阵列电路的压控振荡器进行粗调，所述模拟锁相环细调机构在整个粗调期间内不工作，粗调结束后，模拟锁相环细调机构被启动，对VCO进行细调，直至频率锁相成功，其特征在于，所述数字频段粗调机构包括自校准控制模块、自校准触发模块和电压偏置模块；所述自校准控制模块包括顺序相连的比较窗口产生模块、计数模块、比较和二分查找模块；所述参考频率被输入所述比较窗口产生模块，所述反馈频率被输入所述计数模块；所述比较窗口产生模块用于读入初始比较精度和产生比较窗口，所述计数模块用于计算在所述比较窗口中出现的反馈脉冲的个数，所述比较和二分查找模块用于比较计数模块的计数结果和比较窗口产生模块输入的持续时间参数，利用二分查找法查找合适的控制字，逐步减半调整步长并逐步加倍比较精度，以及向所述压控振荡器输出频段控制数字信号；所述自校准触发模块与所述比较窗口产生模块、计数模块、比较和二分查找模块分别相连，用于提供触发信号，以启动粗调；所述电压偏置模块在数字粗调过程中为压控振荡器提供一个固定的控制电压。
在所述比较和二分查找模块中进行的二分查找算法中，步长逐次减小一半，且比较窗口逐次加大，即比较精度逐次提高。
其中，比较窗口逐次加大一倍。
其中，输入所述比较窗口产生模块的初始精度是可调的。
由于在本发明的小数分频锁相环频率合成器的二分查找算法中，在步长减小的同时，比较窗口加大，因此，可以加速自校准过程，有效高速的逼近目标值。
附图说明
图1是根据本发明的小数分频锁相环频率合成器的一个实施例的电路原理框图。
图2是图1所示的小数分频锁相环频率合成器中的自校准控制电路的电路框图。
图3是本发明的小数分频锁相环频率合成器的一个实施例的频率自校准流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实例进一步说明本发明。
图1所示是一个包含有开关电容阵列的压控振荡器以及频率自校准功能的小数分频锁相环频率合成器的系统构图。所述模拟锁相环细调机构包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、具有开关电容阵列的压控振荡器VCO、分频器、分频调制器和参考频率产生电路，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接成环路，参考频率被输入所述鉴频鉴相器；所述分频调制器与所述分频器相连接，使所述分频器经所述分频调制器的控制，对所述压控振荡器的输出作分频，从分频器输出的反馈频率被输入所述鉴频鉴相器；所述数字频段粗调机构包括自校准触发模块、自校准数字控制模块和电压偏置模块。自校准触发模块的功能是通过模拟方式连续或间隔式的检测压控振荡器的控制电压，或者是通过数字方式比较参考频率和除法器的反馈频率，从而判断是否需要触发自校准，以及在需要触发自校准的情况下产生触发信号给自校准控制模块。自校准数字控制模块接受触发，使电压偏置模块为压控振荡器提供一个固定的控制电压，对参考频率和反馈频率进行比较，从而产生合适的压控振荡器开关电容控制字。锁相环环路开关模块在自校准控制模块的控制下断开或者连接锁相环回路。
而如图2所示，自校准数字控制模块主要是由比较窗口产生模块，计数模块和比较和二分查找模块构成。比较窗口产生模块负责读入初始比较精度设定和产生持续时间依次加长的比较窗口，计数模块负责计算在比较窗口中出现的反馈脉冲的个数，而比较和二分查找模块用于比较计数模块的计数结果和比较窗口产生模块输入的持续时间参数，利用二分查找法查找合适的控制字，逐步减半调整步长并逐步加倍比较精度，以及向所述压控振荡器输出频段控制数字信号。其中，初始比较精度是可调的，如可以由用户通过控制软件设置，并由数字接口模块传递至比较窗口产生模块。
图3是数字频段粗调的流程。在自校准模块被触发后，锁相环回路被切断，压控振荡器的控制电压被固定，同时自校准数字控制模块被初始化。比较窗口根据本步的比较精度参数，产生不同长度的比较窗口。比较精度本次参数(NR)与计数模块对反馈脉冲在比较窗口内的计数结果(NF)进行比较。根据比较的结果，分三种情况对压控振荡器的控制字进行调节：NR＝NF，控制字不变；NR>NF，控制字加上步长；NR<NF，控制字减去步长。以上的操作是假设压控振荡器随控制字的增大而震荡频率加大，反之则对控制字进行相反的加减操作。自校准数字控制应用二分查找法的时候需要循环的次 数为(K-1)次，其中K是开关电容阵列的控制位数。逐次循环完成后都要对比较精度和调节步长进行调节。假设逐次比较的比较精度参数为Ai，i＝1，2，。。。，(K-1)而逐次比较之后的调节步长为Si，i＝1，2，。。。，(K-1)，本专利的特点就在于配合逐次比较之后Si减半，同时加倍Ai。
在实际应用中，由于在频率自校准过程中的参考频率和反馈频率的相位不相干性，比较精度参数可以设为一个变量，根据需要的比较精度和需要的自校准速度加以调节。
以下以一个实例来说明自校准数字控制模块的工作过程。如图1所示的小数分频锁相环频率合成器，其参考频率为20MHz，另外假设需要综合的频率为2340MHz，这样分频器的分频比就需要被调整至117。另设压控振荡器具有四个控制位的开关电容阵列，其振荡频率和控制位的关系如表一所示。栏一为控制字，栏二为本频段频率下限值，而栏三为本频段频率上限值。在一定的控制字的控制下，压控振荡器只能综合出大于下限而小于上限的频率。通过二分查找法，三次循环(控制字数减1)即可以查找出压控振荡器的合适频段。下面将详细叙述数字频段粗调的过程。
表一
频率自校准功能被触发后，控制字被重置到中间值，在本例中为1000。因为在比较和二分查找模块中，步长初始值为0100，所以第一步只需要判断所需频段是不是在(1000±0100)的范围内。如果在，控制字不变，如果是低于这个范围，则控制字变为 0100，如高于这个范围，则控制字变为1100。对比压控振荡器的对应频率范围，考虑初始相位误差，我们可以算出初始的比较精度参数可以设为32，也就是比较窗口为参考周期的32倍。因为如果在比较窗口产生模块产生一个周期为参考信号周期的32倍的信号，同时利用此信号对反馈频率进行计数，那么本步就可以检测出反馈信号频率是不是在参考信号频率的(1±1/32)倍之内，从而可以满足对应频段的频率比值。可以推出，经过第一次次比较，NR>NF，控制字加上本步步长，变为1100。完成第一步比较后，步长减半，变为0010，而比较精度参数此时就需要在初始比较精度的基础上加倍，变为64，以满足更加精细的比较要求。在第二步中，NR＝NF，控制字不变。步长减半，变为0001，比较精度参数变为128。在第三步中，NR>NF，控制字加上本步步长，变为1101，比较完成。2340刚好落在控制字1101对应的频段范围之内，频率自校准成功。整个数字频段粗调过程所需时间为：Tcal＝(32+64+128)/20MHz＝11.2uS。
对照美国专利US 6,597,249，设所有参数同本例中保持一致，由于它的调节精度在整个频段粗调过程中保持不变，而要完成最后一步调制，它需要的调节精度参数至少为128，也就决定了第一，二，三轮调制的调节精度参数都是128。所以，把压控振荡器的频段调节到正确的结果所需的时间可以计算如下：
Tcal＝(128+128+128)/20MHz＝19.2uS。
本发明可以明显缩短振荡器数字频段粗调的时间，从而加快频率合成的速度。
自校准完成之后，压控振荡器的控制字被固定，自校准模块发送指令给配合模拟模块，锁相环恢复正常工作状态，进入模拟频率细调过程。模拟频率细调过程可以采用现有技术的方法，在此不做详细描述。
Claims (7)
1.一种锁相环频率合成器中的压控振荡器的频率调节方法，所述锁相环频率合成器包括数字频段粗调机构和模拟锁相环细调机构，所述模拟锁相环细调机构包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、分频器、分频调制器和参考频率产生电路，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接成环路，参考频率被输入所述鉴频鉴相器；所述分频调制器与所述分频器相连接，使所述分频器经所述分频调制器的控制，对所述压控振荡器的输出作分频，从分频器输出的反馈频率被输入所述鉴频鉴相器；先通过所述数字频段粗调机构对锁相环频率合成器中的压控振荡器的工作频段进行粗调，而所述模拟锁相环细调机构在整个粗调期间内不工作；然后，使用粗调过程所确定的最终频段启动模拟锁相环细调机构对所述压控振荡器进行细调，直至频率锁相成功；
所述数字频段粗调机构包括自校准控制模块，所述自校准控制模块包括顺序相连的比较窗口产生模块、计数模块、比较和二分查找模块；所述粗调过程包括自校准过程；其特征在于：
所述自校准过程是通过下述步骤实现的：
(1)将所述参考频率输入所述比较窗口产生模块，将所述反馈频率输入所述计数模块；
(2)所述比较窗口产生模块读入初始比较精度和产生比较窗口，所述计数模块计算在所述比较窗口中出现的反馈脉冲的个数；
(3)所述比较和二分查找模块比较计数模块的计数结果和比较窗口产生模块输入的持续时间参数，利用二分查找法查找合适的控制字，逐步减半调整步长并且比较窗口逐步加大一倍，以及向所述压控振荡器输出频段控制数字信号。
2.根据权利要求1所述的锁相环频率合成器中的压控振荡器的频率调节方法，其特征在于，
所述粗调过程还包括判断是否需要触发自校准过程的步骤；通过模拟方式连续或间隔式的检测压控振荡器的控制电压，或者是通过数字方式比较参考频率和除法器的反馈频率，从而判断是否需要触发自校准过程。
3.根据权利要求1或2所述的锁相环频率合成器中的压控振荡器的频率调节方法，其特征在于，所述压控振荡器还包括开关电容阵列；所述步骤(3)中利用二分查找法查找合适的控制字的实现方法包括：
比较精度本次参数NR与所述计数模块对反馈脉冲在比较窗口内的计数结果NF进行比较；根据比较的结果，分三种情况对压控振荡器的控制字进行调节：NR＝NF，控制字不变；NR＞NF，控制字加上步长；NR＜NF，控制字减去步长；
以上的操作是设压控振荡器随控制字的增大而振荡频率加大；反之则对控制字进行相反的加减操作；
自校准数字控制应用二分查找法的时候需要循环的次数为K-1次，其中K是开关电容阵列的控制位数，逐次循环完成后都要对比较精度和调节步长进行调节。
4.一种小数分频锁相环频率合成器，其包括数字频段粗调机构和模拟锁相环细调机构；所述模拟锁相环细调机构包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、具有开关电容阵列的压控振荡器VCO、分频器、分频调制器和参考频率产生电路，其中，所述鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器依次连接成环路，参考频率被输入所述鉴频鉴相器；所述分频调制器与所述分频器相连接，使所述分频器经所述分频调制器的控制，对所述压控振荡器的输出作分频，从分频器输出的反馈频率被输入所述鉴频鉴相器；首先通过数字频段粗调机构对所述具有开关电容阵列电路的压控振荡器进行粗调，所述模拟锁相环细调机构在整个粗调期间内不工作，粗调结束后，模拟锁相环细调机构被启动，对VCO进行细调，直至频率锁相成功，其特征在于，所述数字频段粗调机构包括自校准控制模块、自校准触发模块和电压偏置模块；所述自校准控制模块包括顺序相连的比较窗口产生模块、计数模块、比较和二分查找模块；所述参考频率被输入所述比较窗口产生模块，所述反馈频率被输入所述计数模块；所述比较窗口产生模块用于读入初始比较精度和产生比较窗口，所述计数模块用于计算在所述比较窗口中出现的反馈脉冲的个数，所述比较和二分查找模块用于比较计数模块的计数结果和比较窗口产生模块输入的持续时间参数，利用二分查找法查找合适的控制字，逐步减半调整步长并逐步加倍比较精度，以及向所述压控振荡器输出频段控制数字信号；所述自校准触发模块与所述比较窗口产生模块、计数模块、比较和二分查找模块分别相连，用于提供触发信号，以启动粗调；所述电压偏置模块在数字粗调过程中为压控振荡器提供一个固定的控制电压。
5.根据权利要求4所述的小数分频锁相环频率合成器，其特征在于，在所述比较和二分查找模块中进行的二分查找算法中，调整步长逐次减小一半，且比较窗口逐次加大。
6.根据权利要求5所述的小数分频锁相环频率合成器，其特征在于，所述比较窗口逐次加大一倍。
7.根据权利要求4或5或6所述的小数分频锁相环频率合成器，其特征在于，输入所述比较窗口产生模块的初始精度是可调的。
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