CN101753287A - 全数字全集成的频率综合发生器及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可用于无线通信系统的全数字全集成的频率综合发生器及方法，其包括：参考时钟，作为对输出时钟计数的时钟基准；可编程频率字，作为输出时钟计数结果的比较基准，判断数控振荡器输出时钟频率偏高还是偏低；粗调控制字，调整数控振荡器输出时钟频率找到最接近目标频率的电容线；细调控制字，调整数控振荡器输出时钟频率找到最接近目标频率且满足频偏要求的电容点，数控振荡器数字校准模块根据参考时钟和频率字，通过调节其输出给数控振荡器的粗调控制字和细调控制字进行粗调及细调，使得数控振荡器输出时钟频率与目标频率最接近，且满足一定的频偏要求。本发明采用全数字全集成，其结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于通信领域，涉及一种频率综合发生器及方法，尤其是一种可用于无线通信系统的全数字全集成的频率综合发生器及方法，特别是涉及用于调频和调幅接收系统中，产生满足一定频偏要求的全数字全集成频率综合发生器及方法。
背景技术
频率综合发生器是一个完整的无线通信收发系统中重要的组成部分，用于产生接收和发射装置都必不可少的本振信号。对频率综合发生器的基本要求包括三个方面：可编程，从而在工作频带内的所有信道都可以产生相应的本振信号；稳定时间短，从而实现快速建立连接，减少数据信息丢失；输出的本振信号要尽可能的“干净”，低相位噪声对发射信号质量和接收选择性都起着至关重要的作用。
锁相环是频率综合发生器最普遍的实现方式之一，其基本构成框图如图1所示，包括鉴频鉴相器、电荷泵，环路滤波器，压控振荡器和可编程分频器。锁相环将输出时钟频率锁定在参考时钟频率的整数或小数倍上，这个倍数由可编程分频数决定，通过∑-Δ调制器控制可编程分频器的分频数，可以实现小数分频，获得更高的频率精度。
对于本振信号的相位噪声和建立时间的要求，决定了锁相环的环路带宽，对于窄环路带宽的应用，环路滤波器的电容值太大，无法片内集成，需要通过器件实现环路滤波器，从而降低了芯片集成度，提高了成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于无线通信系统的全数字全集成的频率综合发生器及方法，该频率综合发生器可产生满足一定频偏要求的信号用作接收装置的本振信号，通过全数字控制的方案替代传统锁相环的模拟方案，去掉环路滤波器，从而去掉相应的片外器件，实现全集成，降低成本。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种可用于无线通信系统的全数字全集成的频率综合方法，其包括：
参考时钟，作为对输出时钟计数的时钟基准；
可编程频率字，作为输出时钟计数结果的比较基准，判断数控振荡器输出时钟频率偏高还是偏低；
粗调控制字，调整数控振荡器输出时钟频率找到最接近目标频率的电容线；
细调控制字，调整数控振荡器输出时钟频率找到最接近目标频率且满足频偏要求的电容点，
数控振荡器数字校准模块根据参考时钟和频率字，通过调节其输出给数控振荡器的粗调控制字和细调控制字进行粗调及细调，使得数控振荡器输出时钟频率与目标频率最接近，且满足一定的频偏要求。
进一步，数控振荡器数字校准模块的粗调过程包括：
细调控制字设为中间值；
在M1个参考时钟周期内对数控振荡器输出时钟计数N1；
计数结果N1与可编程频率字(M1*Freq.word)比较，判断当前数控振荡器输出时钟偏高还是偏低，调整数控振荡器粗调控制字，找到最接近目标频率的电容线。
数控振荡器数字校准模块的细调过程包括：
粗调控制字保持不变；
在M2个参考时钟周期内对数控振荡器输出时钟计数N2；
计数结果N2与可编程频率字(M2*Freq.word)比较，判断当前数控振荡器输出时钟偏高还是偏低，调整数控振荡器细调控制字，找到最接近目标频率且满足频偏要求的电容点，参考时钟周期M2远大于M1。
当温度电压等外界条件发生变化时，数控振荡器振荡频率会发生漂移，DSP频偏检测模块通过计算解调到基带的信号的瞬时相位的平均值检测出频偏大小，并反馈给数控振荡器数字校准模块，要求振荡频率增加Δf或减小Δf，数字校准模块通过改变数控振荡器的细调控制字调整振荡频率并且保持频偏始终满足指标要求。
一种全数字全集成的频率综合发生器，其包括数控振荡器、数控振荡器数字校准模块、数字信号处理频偏检测模块，数控振荡器数字校准模块与数控振荡器相连，数字校准模块以参考时钟和可编程频率字为基准，对数控振荡器的输出时钟进行粗调及细调控制；数控振荡器数字校准模块还与数字信号处理频偏检测模块相连，数字校准模块以频偏检测结果为基准，对数控振荡器的输出时钟进行细调控制。
该频率综合发生器通过数控振荡器、数控振荡器数字校准模块以及数字信号处理频偏检测模块之间的反馈连接及控制，实现了全数字的频率综合方法，去掉了环路滤波器，从而实现了全集成。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：通过全数字控制的方案替代传统锁相环的模拟方案，去掉环路滤波器，从而去掉相应的片外器件，实现全集成，其结构简单并可降低成本。
本发明的频率综合发生器及方法，采用全数字全集成，其结构简单，成本低。本发明通过全数字控制的方案替代传统锁相环的模拟方案，去掉环路滤波器，从而去掉相应的片外器件，实现全集成，降低成本。
附图说明
图1为一种典型的锁相环结构图。
图2为一种典型的VCO电路图。
图3为VCO振荡频率及其控制示意图。
图4为本发明全数字全集成频率综合发生器结构图。
图5为本发明DCO电路图。
图6为本发明DCO振荡频率及其控制示意图。
图7为本发明DCO数字校准流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
无线通信系统的接收装置欲接收工作频带内不同信道对应的射频信号，频率综合发生器需相应产生不同频率的本振信号，也就是对应不同的频率字。对于传统锁相环结构的频率综合发生器，频率字用于控制可编程分频器。当目标频率已设定时，先通过数字校准电路在VCO开关电容阵列对应的一组电容线中选择一条最接近目标频率的电容线，然后由锁相环闭环环路通过调整VCO的控制电压Vtune，在选定的电容线上将VCO振荡频率锁定在目标频率点上。当温度、电压等外界条件发生变化时，VCO振荡频率会发生漂移，Vtune需随之变化以保持闭环锁定。典型的VCO电路图如图2所示，VCO振荡频率及其控制示意图如图3所示。
对于本发明提供的全数字全集成频率综合发生器，用数控振荡器DCO替代模拟压控振荡器VCO。典型的VCO电路包含数字开关电容阵列和模拟可调变容管，DCO电路包含数字粗调电容阵列SCA2和数字细调电容阵列SCA1。可编程频率字用于控制DCO数字校准模块。DCO校准模块根据参考时钟和频率字，通过调节其输出给DCO的粗调控制字和细调控制字，使得DCO输出时钟频率与目标频率最接近，且满足一定的频偏要求。当温度电压等外界条件发生变化时，DCO振荡频率会发生漂移，对于调频或调幅接收系统，DSP频偏检测模块可通过计算解调到基带的信号的瞬时相位的平均值检测出频偏大小，并反馈给DCO校准模块，要求DCO振荡频率增加Δf或减小Δf，DCO校准模块通过改变DCO的细调控制字，达到调整DCO振荡频率并且保持频偏始终满足指标要求的目的。典型的DCO电路图如图5所示，粗调电容阵列通常用无源电容实现，细调电容阵列通常用有源电容实现，频偏大小能否满足指标要求由DCO有源电容的精度和DCO校准算法分别能实现的精度决定。DCO振荡频率及其控制示意图如图6所示。
为了通过DCO校准模块找到最接近目标频率且满足频偏要求的DCO输出时钟，本发明采取方法如下：DCO校准分为粗调和细调2个阶段，粗调和细调过程的原理相同，都是在指定个数的参考时钟周期内对DCO输出时钟计数，计数结果与频率字比较，判断DCO输出时钟频率偏高还是偏低，并分别调整粗调控制字和细调控制字逐步使DCO输出时钟频率逼近目标频率并最终满足频偏要求。粗调和细调过程的精度要求不同，前者的作用是找到最接近目标频率的电容线，后者的作用是找到最接近目标频率且满足频偏要求的电容点，因此后者对校准精度的要求比前者高。对校准精度要求越高，对DCO输出时钟计数的参考时钟的周期数应该越多。DCO数字校准流程示意图如图7所示。
当温度、电压等外界条件发生变化，DCO振荡频率会发生漂移，为了及时调整DCO振荡频率并保持频偏大小始终满足指标要求，本发明采取方法如下：DSP模块可通过对解调到基带的信号进行处理，计算得出当前本振的频偏大小，例如对于调频和调幅接收系统，可通过计算基带信号瞬时相位的平均值计算得出当前本振的频偏大小。根据频偏的方向和大小，DSP频偏检测模块会向DCO校准模块发出指示信号，要求DCO频率增加Δf或减小Δf。DCO校准模块通过改变DCO的细调控制字，调整DCO频率，从而实现调整本振频偏直到其满足指标要求的目的。
上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种全数字全集成的频率综合方法，其特征在于：其包括：
参考时钟，作为对输出时钟计数的时钟基准；
可编程频率字，作为输出时钟计数结果的比较基准，判断数控振荡器输出时钟频率偏高还是偏低；
粗调控制字，调整数控振荡器输出时钟频率找到最接近目标频率的电容线；
细调控制字，调整数控振荡器输出时钟频率找到最接近目标频率且满足频偏要求的电容点；
数控振荡器数字校准模块根据参考时钟和频率字，通过调节其输出给数控振荡器的粗调控制字和细调控制字进行粗调及细调，使得数控振荡器输出时钟频率与目标频率最接近，且满足一定的频偏要求。
2.如权利要求1所述的全数字全集成的分频方法，其特征在于：数控振荡器数字校准模块的粗调过程包括：
细调控制字设为中间值；
在M1个参考时钟周期内对数控振荡器输出时钟计数N1；
计数结果N1与可编程频率字(M1*Freq.word)比较，判断当前数控振荡器输出时钟偏高还是偏低，调整数控振荡器粗调控制字，找到最接近目标频率的电容线。
3.如权利要求1所述的全数字全集成的频率综合方法，其特征在于：数控振荡器数字校准模块的细调过程包括：
粗调控制字保持不变；
在M2个参考时钟周期内对数控振荡器输出时钟计数N2；
计数结果N2与可编程频率字(M2*Freq.word)比较，判断当前数控振荡器输出时钟偏高还是偏低，调整数控振荡器细调控制字，找到最接近目标频率且满足频偏要求的电容点，参考时钟周期M2远大于M1。
4.如权利要求1所述的全数字全集成的频率综合方法，其特征在于：当温度电压等外界条件发生变化时，数控振荡器振荡频率会发生漂移，DSP频偏检测模块通过计算解调到基带的信号的瞬时相位的平均值检测出频偏大小，并反馈给数控振荡器数字校准模块，要求振荡频率增加Δf或减小Δf，数字校准模块通过改变数控振荡器的细调控制字调整振荡频率并且保持频偏始终满足指标要求。
5.一种全数字全集成的频率综合发生器，其特征在于：其包括数控振荡器、数控振荡器数字校准模块、数字信号处理频偏检测模块，数控振荡器数字校准模块与数控振荡器相连，数字校准模块以参考时钟和可编程频率字为基准，对数控振荡器的输出时钟进行粗调及细调控制；数控振荡器数字校准模块还与数字信号处理频偏检测模块相连，数字校准模块以频偏检测结果为基准，对数控振荡器的输出时钟进行细调控制。
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