CN101783677B

CN101783677B - 一种锁相环的锁定方法及锁定电路

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Publication number: CN101783677B
Application number: CN2010101372592A
Authority: CN
Inventors: 罗海军; 李晓扬
Original assignee: Hytera Communications Corp Ltd
Current assignee: Hytera Communications Corp Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN101783677A

Abstract

本发明涉及一种锁相环的锁定方法及锁定电路，在该锁相环的锁定电路中，所述锁相环包括依次连接的低通滤波器和压控振荡器，该锁定电路包括预置模块，其中，所述预置模块，用于在低通滤波器上加预置压控电压，所述预置压控电压与目标频率相关；所述低通滤波器，用于根据所述预置压控电压使所述压控振荡器振荡在目标频率。实施本发明的锁相环的锁定方法及锁定电路，首先在低通滤波器上加预置压控电压，低通滤波器就可根据该预置压控电压对锁相环进行快速充放电，大幅度地减小频率的捕获时间，使锁相环快速锁定在目标频率，而且在快速锁定之后，相位噪声不受影响。

Description

一种锁相环的锁定方法及锁定电路

技术领域

本发明涉及通讯领域，更具体地说，涉及一种锁相环的锁定方法及锁定电路。

背景技术

频率源是无线通信设备的核心。频率源的相位噪声和频率锁定速度，是影响通讯设备性能的关键因素。特别是TDMA的无线通信，对频率源的频率锁定速度和输出信号相位噪声有更高的要求。尽可能的提高锁定速度和降低相位噪声的频率合成技术，是无线通信线路设计的重要课题。由于锁相环低通滤波器带宽的限制，频率源的相位噪声与锁相速度互相制约，环路带宽增大，可以提高锁相速度，相位噪声会加大。如果把环路带宽减小，可降低频率源的相位噪声，但锁定时间就会加长。频率源的振荡频率在两个频点之间切换所需要的时间与两个频点间的频率间隔有关，两个频点间隔越大，对应的压控电压相差越大，需要的切换的时间就越长。

如图1所示，一般来说，当频率切换时，锁定过程大致分为三个阶段：

1.捕获阶段

由于频点的切换，频率从稳定到不稳定的急剧变化，输出频率与参考时钟鉴相频率相位差非常大，锁相环处于失锁状态，需要大量的泵电流来捕获目标频率。

2.跟踪阶段

输出频率与参考时钟鉴相频率相位差较小，锁相环对输出频率进行跟踪，属于环路自身调节的阶段。主要由环路滤波器的电阻-电容参数、锁相环电荷泵的充电/放电电流以及锁相环各个模块由输入到输出的延时三者决定。

3.稳定阶段

输出频率与参考时钟鉴相频率相位差非常小，锁相环处于锁定的状态。锁定过程的三个阶段中，主要是由T1和T2阶段决定目标频率的锁定时间。而T2的时间主要是由于环路自身的参数以及锁相环各个模块由输入到输出的延时决定。T2时，相位差已经比较小了，靠锁相环自身的调节可以很快进入T3。然而，T1捕获阶段所消耗的时间，对整体锁定时间起直接的影响。

目前，在采用锁相环IC来设计频率源时，常用的快速锁定方法是利用锁相环IC自带的快速锁定功能来实现目标频率的快速锁定。图2是现有技术中锁相环的电路图，锁相环IC自带快速锁定功能，其实现原理是：在频率切换时，在具有快速锁定的引脚输出一个极性的电压方波到低通滤波器，来实现对目标频率的牵引。

发明人在研究中发现，如果利用上述方法进行频率锁定，在T1接近T2的过渡期，由于锁相环的目标频率发生变化，其压控电压也会发生变化，而锁相环快速锁定引脚输出的极性方波电压为固定值，这样低通滤波器就会出现过充或者过放的现象，导致锁定到目标频率的时间长，且此方法在T1转T2过渡期的这种不稳定现象会导致最终的锁定时间也会不稳定。另外，由于锁相环IC自带快锁引入了电流源，快锁功能使用不当也会影响锁定后的相位噪声。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述锁相环锁定速度慢、频率锁定后会影响相位噪声的缺陷，提供一种锁相环的锁定电路及锁定方法，使锁相环能快速锁定，且锁定后的相位噪声不受影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种锁相环的锁定电路，所述锁相环包括依次连接的低通滤波器和压控振荡器，该锁定电路包括控制器、预置模块，其中，

所述控制器，用于根据所述目标频率向预置模块输出预置压控电压控制信号，该预置压控电压控制信号控制预置模块输出预置压控电压；

所述预置模块，用于在低通滤波器上加预置压控电压，所述预置压控电压与目标频率相关；

所述低通滤波器，用于根据所述预置压控电压使所述压控振荡器振荡在目标频率；其中，

所述预置压控电压控制信号通过以下步骤产生：

A.在整个频率段上采集M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压，其中，M为大于1的自然数；

B.根据所采集的M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压，确定压控电压模型；

C.在频率切换时，根据所述压控电压模型计算目标频率的预置压控电压，并根据所计算的预置压控电压生成预置压控电压控制信号。

本发明还构造一种锁相环的锁定方法，包括：

根据目标频率产生预置压控电压控制信号，该预置压控电压控制信号控制预置模块输出预置压控电压；

预置模块在低通滤波器上加预置压控电压，所述预置压控电压与目标频率相关；

低通滤波器根据所述预置压控电压使压控振荡器振荡在目标频率；其中，所述预置压控电压控制信号通过以下步骤产生：

实施本发明的锁相环的锁定方法及锁定电路，首先在低通滤波器上加预置压控电压，低通滤波器就可根据该预置压控电压对锁相环进行快速充放电，大幅度地减小频率的捕获时间，使压控振荡器快速振荡在目标频率，从而使锁相环快速锁定目标频率，而且在快速锁定之后，由于没有引入电流源，所以相位噪声不受影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术锁相环在锁定过程的波形示意图；

图2是现有技术中锁相环的逻辑图；

图3是本发明实施例提供的锁相环的锁定方法实施例一的流程图；

图4是本发明实施例提供的锁相环的锁定方法实施例二的流程图；

图5是本发明实施例提供的预置压控电压控制信号产生方法实施例一的流程图；

图6是本发明实施例提供的压控电压模型实施例一的曲线图；

图7是本发明实施例提供的预置压控电压控制信号产生方法实施例二的流程图；

图8是本发明实施例提供的锁相环实施例一的逻辑图；

图9是本发明实施例提供的锁相环实施例二的逻辑图；

图10是本发明实施例提供的锁相环实施例三的逻辑图。

具体实施方式

如图3所示，在本发明实施例提供的锁相环的锁定方法实施例一的流程图中，该方法包括以下步骤：

步骤S200.预置模块在低通滤波器上加预置压控电压，所述预置压控电压与目标频率相关；

步骤S300.低通滤波器根据所述预置压控电压使压控振荡器振荡在目标频率。

实施本实施例的锁定方法，首先，在低通滤波器上加预置压控电压，低通滤波器就可根据该预置压控电压对锁相环进行快速充放电，大幅度地减小频率的捕获时间，使压控振荡器快速振荡在目标频率，从而使锁相环快速锁定在目标频率，而且在快速锁定之后，由于没有引入电流源，所以相位噪声也不会受影响。

如图4所示，在本发明实施例提供的锁相环的锁定方法实施例二的流程图中，该方法包括以下步骤：

步骤S100.根据目标频率产生预置压控电压控制信号，该预置压控电压控制信号控制预置模块输出预置压控电压；

步骤S200.预置模块根据预置压控电压控制信号，在低通滤波器上加预置压控电压，所述预置压控电压与目标频率相关；

步骤S300.低通滤波器根据所述预置压控电压使所述压控振荡器振荡在目标频率。

相比实施例一的锁定方法，本实施例的锁定方法中的预置模块还可根据预置压控电压控制信号自动输出预置压控电压，这样可提高预置模块输出预置压控电压的准确性和及时性。

优选地，如图5所示，所述预置压控电压控制信号可通过以下步骤产生：

步骤S110.在整个频率段上采集M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压，其中，M为大于1的自然数；在本实施例中，整个频率段的频率范围为500MHZ-590MHZ，M为10，表1是在500MHZ-590MHZ频率范围内均匀采集的10个频率点的频率值及每个频率点所对应的压控电压值，应当说明的是，本发明并不限定均匀采集，也可以是非均匀采集。

频率	压控电压
		f1＝500MHZ	CV_f1＝0.899V
f2＝510MHZ	CV_f2＝1.110V
		f3＝520MHZ	CV_f3＝1.327V
f4＝530MHZ	CV_f4＝1.732V
		f5＝540MHZ	CV_f5＝2.133V
f6＝550MHZ	CV_f6＝2.513V
		f7＝560MHZ	CV_f7＝2.918V
f8＝570MHZ	CV_f8＝3.363V
		f9＝580MHZ	CV_f9＝3.613V
f10＝590MHZ	CV_f10＝3.877V

表1

步骤S120.根据所采集的M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压，确定压控电压模型，该压控电压模型优选为：

h(f)＝Cv_f(i)+(Cv_f(i+1)-Cv_f(i))/(f(i+1)-f(i))*(f-f(i))

(i＝1、2、...、M-1，f(i)≤f＜f(i+1))

其中，f为目标频率，f(i)、f(i+1)为相邻两频率点的频率，Cv_f(i)、Cv_f(i+1)为相邻两频率点的压控电压，h(f)为所计算的目标频率的预置压控电压。

在本实施例中，所确定的压控电压模型为：

h (f) = \{\begin{matrix} {Cv}_{f 1} + ({Cv}_{f 2} - {Cv}_{f 1}) / (f 2 - f 1) * (f - f 1) & (f 1 \leq f < f 2); \\ {Cv}_{f 2} + ({Cv}_{f 3} - {Cv}_{f 2}) / (f 3 - f 2) * (f - f 2) & (f 2 \leq f < f 3); \\ {Cv}_{f 3} + ({Cv}_{f 4} - {Cv}_{f 3}) / (f 4 - f 3) * (f - f 3) & (f 3 \leq f < f 4); \\ {Cv}_{f 4} + ({Cv}_{f 5} - {Cv}_{f 4}) / (f 5 - f 4) * (f - f 4) & (f 4 \leq f < f 5); \\ {Cv}_{f 5} + ({Cv}_{f 6} - {Cv}_{f 5}) / (f 6 - f 5) * (f - f 5) & (f 5 \leq f < f 6); \\ {Cv}_{f 6} + ({Cv}_{f 7} {- Cv}_{f 6}) / (f 7 - f 6) * (f - f 6) & (f 6 \leq f < f 7); \\ {Cv}_{f 7} + ({Cv}_{f 8} {- Cv}_{f 7}) / (f 8 - f 7) * (f - f 7) & (f 7 \leq f < f 8); \\ {Cv}_{f 8} + ({Cv}_{f 9} - {Cv}_{f 3}) / (f 9 - f 8) * (f - f 8) & (f 8 \leq f < f 9); \\ {Cv}_{f 9} + ({Cv}_{f 10} - {Cv}_{f 9}) / (f 10 - f 9) * (f - f 9) & (f 9 \leq f < f 10); \end{matrix}

在图6示出的本发明压控电压模型实施例一的曲线图中，压控电压与频率的关系是分段的一次函数曲线。

步骤S130.在频率切换时，根据所述压控电压模型计算目标频率的预置压控电压，并根据所计算的预置压控电压生成预置压控电压控制信号；在本实施例中，若目标频率为535MHZ，则根据表1和图4可知，f3≤f(535)＜f4，该目标频率的预置压控电压h(f)：

h₍₅₃₅₎＝Cv_f4+(Cv_f5-Cv_f4)/(f5-f4)*(f-f4)

＝1.732V+(2.133V-1.732V)/(540MHZ-530MHZ)*(535MHZ-530MHZ)

＝1.9325V

在计算预置压控电压后，根据所计算的预置压控电压生成预置压控电压控制信号。

相比实施例二的锁定方法，本实施例的锁定方法中的预置压控电压控制信号是根据所建立的压控电压模型所确定的，而在该压控电压模型中，压控电压与频率的关系是分段的一次函数曲线，所以该预置压控电压控制信号更准确，从而使预置模块输出的预置压控电压更准确。

如图7所示，作为本发明的一个优选实施例，为更精确地计算目标频率所对应的预置压控电压，步骤S120和步骤S130之间还可包括以下步骤，应当说明的是，本实施例与上述实施例的相同步骤请参照上述说明，在此不做赘述。

步骤S121.在所述频率段上任取一点作为特征频点，并读取所述特征频点的压控电压；在本实施例中，若在500MHZ-590MHZ频率段上取545MHz作为特征频点，f5≤f(545)＜f6，且所读取的特征频点的压控电压Cv_f(545)为2.245V；

步骤S122.根据所述压控电压模型计算所述特征频点的压控电压h(f(d))；在本实施例中，结合表1与图4，所计算的特征频点的压控电压h₍₅₄₅₎为：

h₍₅₄₅₎＝Cv_f5+(Cv_f6-Cv_f5)/(f6-f5)*(f-f5)

＝2.133V+(2.513V-2.133V)/(550MHZ-540MHZ)*(545MHZ-540MHZ)

＝2.323V

步骤S123.根据所读取的所述特征频点的压控电压与所计算的所述特征频点的压控电压校准压控电压模型，优选地，根据下面公式校准压控电压模型：

CV(f)＝(1+ΔCV/h(f_(d)))*h(f)

ΔCV＝Cv_f(d)-h(f_(d))

其中，Cv_f(d)为所读取的所述特征频点的压控电压，h(f_(d))为所计算的所述特征频点的压控电压，ΔCV为所读取的所述特征频点的压控电压与所计算的所述特征频点的压控电压的差值，h(f)为所计算的目标频率的预置压控电压，CV(f)为校准后的目标频率的预置压控电压。

在本实施例中，

ΔCV＝Cv_f(d)-h(f_(d))＝2.245V-2.323V＝-0.078V

校准后的压控电压模型为：

CV(f)＝(1+ΔCV/h(545))*h(f)

即CV(f)＝(1-0.078/2.323)*h(f)＝0.96642*h(f)，

所以，根据校准后的压控电压模型计算目标频率的预置压控电压为：

CV(535)＝0.96642*h(535)

＝0.96642*1.9325＝1.8676V

在此应当说明的是，由于本实施例的锁定方法对压控电压模型进行了校准，所以根据本实施例的方法所产生的目标频率(535HZ)的预置压控电压(1.8676V)要比上一实施例中所产生的目标频率的预置压控电压(1.9325V)更准确。

如图7所示，在本发明锁相环实施例一的逻辑图中，该锁相环包括环路电路100和锁定电路200。环路电路100包括依次环路连接的鉴相器110、低通滤波器120和压控振荡器130。锁定电路200包括预置模块230，预置模块230将预置压控电压输出至低通滤波器120，低通滤波器120根据该预置压控电压对环路进行快速充放电，大幅度地减小频率的捕获时间，使锁相环快速锁定在目标频率，而且在快速锁定之后，相位噪声不受影响。

如图8所示，在本发明锁相环实施例二的逻辑图中，该锁相环包括环路电路100和锁定电路200。环路电路100包括依次环路连接的鉴相器110、低通滤波器120和压控振荡器130。锁定电路200包括控制器210和预置模块230，预置模块230分别与控制器210和低通滤波器120连接。应当说明的是，在实际操作中，每台锁相环机器在出厂前，就可在其控制器210中建立压控电压模型，而该压控电压模型是根据在整个频率段上所采集的M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压所确定的。当锁相环的频率需要切换时，首先，控制器210根据压控电压模型计算目标频率的预置压控电压，并根据所计算的预置压控电压向预置模块230输出预置压控电压控制信号，该预置压控电压控制信号控制预置模块230向低通滤波器120输出预置压控电压，低通滤波器120根据该预置压控电压对环路进行快速充放电，大幅度地减小频率的捕获时间，使压控振荡器快速振荡在目标频率，从而使锁相环快速锁定在目标频率，而且在快速锁定之后，由于没有引入电流源，所以相位噪声也不会受影响。

如图9所示，在本发明锁相环实施例三的逻辑图中，该锁相环包括环路电路100和锁定电路200。环路电路100包括依次环路连接的鉴相器110、低通滤波器120和压控振荡器130。锁定电路200包括控制器210、读取模块220和预置模块230，且读取模块220分别与控制器210和低通滤波器120连接，预置模块230分别与控制器210和低通滤波器120连接。读取模块220包括读取开关221、模数转换器222和存储器223，其中，读取开关221、模数转换器222和存储器223分别与控制器210连接，且读取开关221还分别和低通滤波器120和模数转换器222连接。预置模块230包括依次连接的数模转换器231、运算放大器231和快速开关233，且数模转换器231和所述快速开关233还分别和控制器210相连，快速开关233还和低通滤波器120连接。

首先应当说明的是，在实际操作中，每台锁相环机器在出厂前，就可在其控制器中建立压控电压模型，而该压控电压模型是根据在整个频率段上所采集的M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压所确定的。在每台锁相环机器使用前，首先，在该频率段上任取一点作为特征频点，控制器210控制读取开关221打开，这样模数转换器222的输入端就与低通滤波器120连接起来，便可读取该特征频点的压控电压，且在读取完成后，控制器210关断该读取开关221。模数转换器222将该特征频点的压控电压进行模数转换后，控制器210将转换后的特征频点的压控电压存储至存储器223。然后，控制器210根据上述压控电压模型计算该特征频点的压控电压，并根据所读取的该特征频点的压控电压与所计算的该特征频点的压控电压校准压控电压模型。当锁相环的频率需要切换时，控制器210根据校准后的压控电压模型计算目标频率的预置压控电压，并根据所计算的预置压控电压向数模转换器231输出预置压控电压控制信号，同时，控制器210控制快速开关233打开。数模转换器231将该目标频率的预置压控电压控制信号转换为模拟量的预置压控电压，并发送至运算放大器232，运算放大器232将该模拟量的预置压控电压进行电流缓冲和放大处理，并通过快速开关233输出至低通滤波器120，低通滤波器120根据该预置压控电压对环路进行快速充放电，快速开关233使压控振荡器130快速振荡在目标频率附近。快速锁定之后，控制器210关闭快速开关233，锁相环锁定后的相位噪声不受锁定电路的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种锁相环的锁定电路，所述锁相环包括依次连接的低通滤波器和压控振荡器，其特征在于，该锁定电路包括控制器、预置模块，其中，

所述控制器，用于根据目标频率向预置模块输出预置压控电压控制信号，该预置压控电压控制信号控制预置模块输出预置压控电压；

所述预置压控电压控制信号通过以下步骤产生：

B.根据所采集的M个频率点及该M个频率点所对应的压控电压，确定压控电压模型，其中，所述压控电压模型为：

h(f)＝Cv_f(i)+(Cv_f(i+1)-Cv_f(i))/(f(i+1)-f(i))*(f-f(i))

(i＝1、2、...、M-1，f(i)≤f＜f(i+1))

其中，f为目标频率，f(i)、f(i+1)为相邻两频率点的频率，Cv_f(i)、Cv_f (i+1)为相邻两频率点的压控电压，h(f)为所计算的目标频率的预置压控电压；

C.在频率切换时，根据所述压控电压模型计算目标频率的预置压控电压，并根据所计算的预置压控电压生成预置压控电压控制信号，其中，

所述步骤B和所述步骤C之间还包括：

在所述频率段上任取一点作为特征频点，并读取所述特征频点的压控电压；

根据所述压控电压模型计算所述特征频点的压控电压；

根据所读取的所述特征频点的压控电压与所计算的所述特征频点的压控电压校准压控电压模型，其中，根据下面公式校准压控电压模型：

CV(f)＝(1+ΔCV/h(f_(d)))*h(f)

ΔCV＝Cv_f(d)-h(f_(d))

2.根据权利要求1所述的锁相环的锁定电路，其特征在于，所述预置模块包括依次连接的数模转换器、运算放大器和快速开关，其中，所述数模转换器和所述快速开关分别与所述控制器相连，所述快速开关还和低通滤波器相连。

3.根据权利要求2所述的锁相环的锁定电路，其特征在于，还包括读取模块，所述读取模块包括分别与所述控制器连接的读取开关、模数转换器和存储器，且所述读取开关还分别和所述低通滤波器和所述模数转换器连接。

4.一种锁相环的锁定方法，其特征在于，包括：

h(f)＝Cv_f(i)+(Cv_f(i+1)-Cv_f(i))/(f(i+1)-f(i))*(f-f(i))

(i＝1、2、...、M-1，f(i)≤f＜f(i+1))

其中，f为目标频率，f(i)、f(i+1)为相邻两频率点的频率，Cv_f(i)、Cv_f(i+1)为相邻两频率点的压控电压，h(f)为所计算的目标频率的预置压控电压；

所述步骤B和所述步骤C之间还包括：

根据所述压控电压模型计算所述特征频点的压控电压；

CV(f)＝(1+ΔCV/h(f_(d)))*h(f)

ΔCV＝Cv_f(d)-h(f_(d))