CN1029720C - 具有快速锁定锁相环的无线电装置 - Google Patents

Abstract

一种通信装置包括一个发送机、一个接收机、以及一个频率扫描器，还包括一个锁相环。该锁相环包括一个具有一控制信号输入端的压控振荡器(VCO)，还包括一第一滤波器和一第二滤波器。该第一滤波器具有一宽频响应，该第二滤波器包括一存储元件，具有窄频响应。该锁相环还包括一转换电路确定两个滤波器中的哪个耦合到压控振荡器上。

Description

本发明一般来说涉及通信装置，特别涉及具有快速锁定（acquisition）锁相环的通信装置。

在本领域中，带有锁相环（PLL）的无线电装置是公知的。一般来说，PLL带有一个VCO和一个环滤波器，它能用于从VCO的控制信号中消除噪声成分。环滤波器在两个状态之间可以转换，即第一状态，该状态具有用于实现锁相环大的噪声带宽的一个宽带通，以便获得一个大的掳获范围及迅速的锁定（acquistion）以及一个第二状态，它具有用于实现环的小的噪声带宽的一个窄通带，以减少在振荡器上噪声输出信号的影响以及在给定频谱 内相位的振颤。在F.M.Gardner，John    Wiley及Sons公司等所著的书“锁相技术”（1966年，第53页）已举例说明。

在时间分隔多路（TDM）通信系统中，这时，需用一高速接收机和发送机去扫描并在可使用的信道上进行通信，那么，如上所述的环滤波器可能不能满足系统的要求。问题的产生在于这样一个事实，即窄带滤波器对于锁定正在被扫描的那些信道来说不是足够地快，因此，为了成功地扫描多个信道，在扫描时间方面必须作出牺牲，美国专利4，117，420（Deconinck等）揭示了一个PLL，它具有一个VCO和一个耦合在VCO控制线上的附加的滤波器。该环滤波器包括两个电阻与一个存储元件串联，以允许在两个状态间转换。两个状态转换过程存在于这样一个时刻，即存储在环滤波器电容中的信号的瞬时值等于VCO控制信号的平均值。而且，这种可转换性通过与存储元件串联的两个电阻来提供。该滤波器的两个状态之间转换的时间与方法使VCO的输出信号呈现出对瞬变极其敏感。这些瞬变在快速转换TDM系统中不能容许。因此，显然存在一种需要，即对于具有PLL的无线电装置来说，它能成功地，快速扫描多个信道并具有最少瞬变，且不牺牲稳定性、抗噪声度及发送时间。

（本发明）提供了一种用在时间分隔多路传输（TDM）通信系统中的无线电装置。它包括一个发送装置，一个接收装置，以及一个快速扫描射频通信信道以确定一个可利用信道的扫描装置。该无线电装置也包括一个锁相环，用来提供一个用于该无线电装置的参考信号，并且锁定上述可利用的信道。这个锁相环包括一个压控振荡器（VCO），它带有一个控制信号输入端。该锁相环也包括一个第一滤波器和一个第二滤波器。该第一滤波器具有一个输出端和一个宽频响应。该第二滤波器包括一个存储元件，且具有窄频响应。所述锁相环还包括一个开关电路，它确定两个滤波器中的哪一个与压控振荡器进行耦合。

图1是根据本发明原理的锁相环框图。

图2是与本发明有关的图1的锁相环部分的原理图。

图3是一个无线电通信装置的框图。

图4是一个TDM通信系统的一个时间图。

图5是根据本发明的TDM通信系统。

首先参照图5，它示出了依据本发明的时间分隔多路通信系统500。该通信系统500包括一个控制站504，带有一个与它相关的天线502。该通信系统500还包括若干个无线电收发机，如所表示的分别带有相关天线506和510的两个便携式无线电装置508和512。在两个便携式无线电装置508和512之间的通信通过控制站504连通。该控制站504也提供便携式无线电装置508和512之间到包括不限于电话系统的其它系统的单元的通信。其它类型的收发机例如移动无线电装置也适合于这个系统，也可以使用。上述便携式无线电装置508构成本发明的通信装置。

现在参见图1，它显示了本发明的锁相环（PLL）100的框图。尽管将PLL用于本发明是较好的，但采用一个锁频环也可以满足本发明的目的。所示的PLL100包括一个相位检测器102，它具有连接到一个参考信号101的第一输入端，参考信号101是一个自激稳定振荡器。相位检测器102的第二输入信号是来自PLL电路100的输出端的反馈信号，当对PLL100的组成进行解释以后，这个反馈信号的起源就会清楚了。相位检测器102的输出耦合到压控振荡器（VCO）104的控制输入端上。开关电路106的输出耦合到控制输入线103上。开关路106含有一些门，它们用于使一个宽环滤波器110和一个窄环滤波器108耦合或从控制输入线103上去耦。所述宽环滤波器110和窄环滤波器108分别构成本发明中的第一和第二滤波器。在开关电路106中的门的开关受控于控制器116。控制器116被包含有PLL100的通信装置508的其它元件使用。VCO104的一个输出采样经一个N分频器112N次分频后，反馈到相位检测器102的第二输入端，VCO104的一个输出信号114被耦合到通信装置508中的适当电路上，如下文将要讨论的那样。

相位检测器102检测参考信号输入101和由单元112N次分频的输出端上可得到的VCO的输出采样之间的相位差。这个相位差被转换成一个控制信号，该控制信号然后被送到控制输入线103上并加到VCO104。这个控制信号将VCO104控制到一个适当的频率。这个控制信号充满着环噪声，它必须被滤波才能用于VCO104以产生一个 稳定的频率。两个滤波器110和108被用来实现所需的滤波。在起始处，一个特别的环滤波器被需要以完成快速锁定。宽环滤波器110用于这种操作。该宽环滤波器的缺点在于它的宽带通响应。由于宽带通，附加在控制输入线103上的不希望的噪声就被允许进入到VCO104，从而形成干扰和低劣的发送质量。如同下文中将要解释的那样，这种干扰在某些方式的操作中能被容许。然而，在其它的操作方式中，例如，需要一更高程度的操作精确度。这时，必须用窄滤波器。窄环滤波器108提供所希望的频率响应，然而，这种所希望的频率响应与长锁定时间相关，窄环滤波器108在快速系统，例如，这里讨论的TDM系统500中变得不起作用。（无益）。

为了解决这个问题，在控制器116的控制下，开关电路106预先给窄环滤波器108的存储元件充电，同时使得宽环滤波器110耦合到控制线103上。由于预先充电，那么，当它被耦合时，窄环滤波器108是有准备的。这个预先充电导致了在窄环滤波器108的有效锁定时间大大的减少。当使用含有PLL100的通信装置时，窄环滤波器108的有效缩短锁定时间的意义将变得更明显。在发送方式中，在确定了一个可使用的信道后，就产生了一个从宽环滤波器110到窄环滤波器108的转换命令。然后，在接收方式中，利用所使用的宽环滤波器110接收合适的数字码之后，该命令就可产生。

参照图2，它是根据本发明原理的锁相环的部分原理图，包含有这个图中的是两个滤波器110和108的元件，开关电路106、相位检测器102的部分，以及VCO104。为了避免不必要的烦琐，分频器112的元件、控制器116以及相位检测器102的大部分元件未包含在图2中。来自相位检测器102的两个控制信号201和203被耦合到两个电流源，即源装置202和陷落（sinking）装置204。作为其运行的一部分、源装置202提供电流到开关电路106以对窄环滤波器108的存储元件预先充电。开关电路106的元件包括一个缓冲器206，不倒转（noninverting）输入耦合到源装置202和陷落（sinking）装置204的结点。缓冲器206的输出耦合到一个模拟门208，该门的控制信号是D1214模拟门用以对电容218和222充电，它们是窄环滤波器108的存储元件。电阻220也包含在窄环滤波器108中。耦合到电阻220结点的是模拟门216的输出，该模拟门216的控制信号是D1214，其输入端接地。模拟门208的输出接到第三模拟门212，模拟门212的控制信号是D2210。控制信号D1和D2是由控制器116提供它们各自模拟门上的信号。模拟门212的输出耦合到控制线103及宽环滤波器110的元件上。这些元件包括一个电容228，与电容224和电阻226的串联的支路相并联。它们的总结合处接到模拟门230的输入端，该模拟门的输出端接地，其控制信号为D1214。电容228、224及电阻226的特征是这样的，即它们提供给宽环滤波器110以所要求的宽带通特征，用于快速频率锁定操作。

当锁相环100由控制器116命令去锁定一个特定的频率时，控制信号D1214和D2210分别是高的和低的。当控制信号D1214高时，三个模拟门208、216、230处于接通（ON）状态。模拟门208将缓冲器206的输出耦合到两个电容222和218。这时，电容222和218通过缓冲器206开始预充电。当模拟门216处于按通（ON）位置时，电阻220从电容218的接地路径中移去。因此，可提供较低阻抗用于对电容218充电的充电电流。由于模拟门212处于断开（OFF）位置，窄环滤波器108从控制线103上去耦。取面代之的是由于模拟门230处于ON状态，宽环滤波器110耦合到控制线103上。由于宽环滤波器110在控制输入线103的路径上，某些噪声成分或被消除。经过一段时间后，（该时间）由锁相环100的特征或所接收到的通信信号的特征确定，控制信号D1214和D2210改变状态。控制器116命令控制线D1214和D2210分别变为低的和高的状态。这导致模拟门208、216和230转换成OFF态，模拟门212呈ON状态。模拟门208的OFF状态，就断开了电容218和222与预充电缓冲器206之间的联接，模拟门216的OFF状态就断开电容218和电阻220的接地路径，以便允许两个元件起滤波器作用。模拟门230的OFF状态，宽环滤波器110的接地路径断开，使之呈现漂浮状。另一方面，模拟门212的ON状态，将窄环滤波器108耦合到VCO104的控制输入线103上。由于窄环滤波器108在电路中，那么存在于控制输入线103 上的更多的噪声成分能被消除。

总之，所示的锁相环100要使用两个滤波器，即宽环滤波器110和窄环滤波器108。这两个滤波器的使用利用了它们各自的特征以取得快速锁定并满足锁相环100的低噪声要求。当宽环滤波器110工作时，窄环滤波器108的存储元件经过缓冲器206和模拟门208对其充电至一个准确的控制电压。滤波器108的预充电有效地减少了它的锁定时间。当充电过程完成后，（该过程是否完成）可以由窄环滤波器108输出端的控制电压指示，该控制电压大体上等于宽环滤波器110输出端的电压，这时，宽环滤波器110可以在操作中移出，并由窄环滤波器108代替，以便给VCO控制信号103提供窄环滤波器。这种两个滤波器108和110之间的转换方式消除了在滤波器108和110耦合过程中的转换瞬变值。控制信号D1214和D2210ON和OFF的转换所需要的时间对锁相环100的运行是重要的。因为对PLL100来说，要在尽可能短的时间内锁定一个所希望的频率，所以上述时间要被仔细计算。两个宽环滤波器110和窄环滤波器108之间的转换对允许获得快速锁定时间而又不牺牲环的性能是重要的。

参照图3，它示出的是依据本发明原理的一种通信装置508。该通信装置508包括一个发送机和一个接收机以及使其具有扫描功能的其它元件，和一个用于快速发送锁定的PLL装置。通信装置508的发送机和接收机共有一些方块，如图3所示。为避免复杂性，通信装置508的元件的工作将依据它们之间相互关系来加以描述。天线302用于接收和发送射频信号。天线302耦合到一个天线开关304上。在控制器116的指导下，天线开关304可在通信装置508的发送部分和接收部分之间转换。

在接收方式中，一个射频信号，最好是数字调制的，可由天线302接收，并且，通过天线开关304和一个预选择器滤波器305耦合到一个RF放大器306上。放大的RF信号由滤波器308滤波。并送到一个混频器310的第一输入端上。该混频器310的第二输入端耦合到一个开关316的第一输出端上。该开关316的输入端（pole）耦合到一个倍频器314的输出端上，该倍频器314的输入是PLL100的输出。这时（在这一点上），宽环滤波器110是啮合（engaged）在PLL100中。由数字调制系统提供固有的更大抗噪声度是可能的，一般说来，数字发送具有相当高的控制随机噪声电平能力，因此宽环带宽对于解码一个所接收的信号是容许的。

接下来，混频器310的第二输入端接收由倍频器314倍频的信号114，混频器310的输出经过滤波器311耦合到一个TDM解调器312上，并在这里被解调，已解调的信号送到控制器116上，控制器116确定所接收的信号是否是通信装置508所希望的。其结果就是，控制器116命令开关电路106以去耦宽环滤环器110并以窄环滤波器108取代它。当窄环滤波器108的存储元件218和222被充电到控制信号103的所需电压时，上述转换再一次完成。由于电容218和222的所预期的充电过程存在，那么这种从一个滤波器110转换到一个滤波器108的转换过程只会引起最小程度的相关噪声。缓冲器206是一个运放，具有非常低的补偿电压。该缓冲器206的低补偿电压使得它的输出电压非常接近于跟随它的输入电压，该输入电压是宽环滤波器110连接的控制信号103。模拟门208、212、216和230具有非常低的开（ON）阻抗，这对于将电容218和222充电至控制信号103的精确电压来说是必要的。这些元件的选择提供了一个从滤波器110到另一个滤波器108的大体平滑转换，这对于PLL100的适当运行是必要的。

控制器116对已解调的信号的内容进行解码以确定它的合适的终点。音频信息经TDM解调器312耦合到扬声器318上。数据信息经控制器316耦合到显示器326上。通信装置508的各个方块的工作在现有技术中是已知的。为了最大可能也减少复杂化，免去对这些方块工作的详细描述，除了那些对本发明的元件的工作是必要的外，TDM解调器312可以包括一个第二转换电路的进一步减小所进入的信号的频率。包含在TDM解调器312中的还有数字解调器、编码器、解码器、以及一些用于对在混频器310的输出端处的IF信号加以解调的电路。倍频器314用于增加锁相环100的输出频率，以使之与所接收的信号的频率相匹配以满足混频器310的要求。PLL100的参考信号101经振荡器340提供。控制器116提供了通信装置508 的接收机的扫描装置。

在发送方式中，开关316转换到发送端（pole），天线开关304转换到发送方式。施加在PLL的FM输入端322的信息信号调制VCO104的输出信号，如同现有技术中已知的那样。PLL100的输出信号114送到倍频器314上。在314处，VCO输出信号114的频率被增加以满足通信装置508的工作频率的要求。然后倍频信号经过开关316耦合到放大器324。放大信号在它被送到天线开关304之前先由发送机滤波器322滤波，再由功放320放大。天线开关304使被放大的发送信号耦合到天线302上用于发送。控制器116耦合到天线开关304和开关316上。这两个开关的工作以及该通信装置508的几个其它元件如显示器326和解调器312都由控制器116控制。

再次参考图5，当通信装置508的用户提出一个发送请求时，接收机就要试图多次扫描所有可使用的信道以确定哪一个信道可以用于通信。在优选的实施例中，通信系统500包括40个信道并且接收机和发送机工作在同一频率上。那么，接收机扫描这40个信道多次，特别是5次，每一次确定两个可使用的信道。可使用的信道是根据它们的信号强度来选择的。通信装置508的接收机选取具有最低信号强度的两个信道。这个过程重复5次。然后，由控制器116检测以确定这些具有最低信号强度的信道中哪一个在持续扫描中能保持在低信号强度。这样，控制器116选择一个信道用于通信装置508的发送。正是这种通信装置508的运行中的快速扫描方式，它要求锁相环100具有一个对偶（dual）滤波器方案，于是能够在发送中提供快速锁定及最低噪声度。扫描多个信道，特别是，40个，以及多次扫描（此实施例中为5次）要求锁相环能以非常高的速度锁定一个信道。图1所示的锁相环100能提供给通信装置508具有这种高速要求。

参照图4，它显示了通信装置508的工作过程的时间图。这个时间图包括了过程的起点以及整个过程。402表示用户请求开始发送的起点。换句话说，402是这样一个时刻即合成器接收命令去搜寻并进入到一个新的信道。时期403是PLL100的建立时间。在合成器的建立期间，宽环滤波器110输入，窄环滤波器108的存储元件即电容218和222被预充电。这个时间的持续由403表示。在404的起点，通信装置508准备接收信息。在时期405中，通信装置508接收信息;这里，它对数据进行解码以识别它的个数。在406处，已经确实地识别个数，通信装置508开始处理所接收的信息。通信装置508的处理时间由407标示。在407完成之后，由408指示的，锁相环100转换到窄环滤波器108上。在时期409中。通信装置508根据TDM协定（Protocol）开始所要求信号的发送过程。

为了更好地理解所讨论的系统，这里列出时间图400中的一些特定时间。然而，易于理解，其它时间可用于在其它应用中提供相似的结果。持续期403等于1微秒，它表示在PLL100中的合成器的建立时间。可以看出宽环滤波器100的一个重要长处是提供给PLL100一个具有快速锁定时间的滤波器。持续期405等于5微秒。从402至408之间的时间差指示出的时间期间大约等于6 1/2 微秒。在这个期间中，窄环滤波器108被充电并接入在锁相环电路中。可以看出，宽环滤波器110的短锁定时间的好处，可以完成高速扫描信道。由宽环滤波器110引起的与性能衰退相关的问题可以因窄环滤波器108的接入而减至最小，该窄环滤波器108在一个信道被锁定后就被预充电并开始工作。当扫描过程完成后，并且信息的发送和接收开始后，窄环滤波器108就被转换进入环中。

总之，已经说明了通过使用具有两个滤波器的锁相环100，即一个具有窄环特征在108和一个具有宽环特征的110，那么，具有高扫描速率的通信装置能够在TDM系统中运行，在发送方式中，当宽环滤波器正用于扫描可使用信道时，窄环滤波器108正被充电以提供一个具有精确频率的参考信号，这样的频率经可使用信道的扫描来确定。由于使用了具有两个滤波器110和108的PLL100，因此，在短时间期间内扫描多个信道是可能的。在扫描时间中的超越（overriding）因素不再是环滤波器的性能特征。在速度和环性能之间，用于牺牲的需要会大大减小。在接收方式中，当窄环滤波器108的存储元件218和222正在被充电时，一个被接收的信息信号的前兆（preamble）就由宽环滤波器110加以评估（evaluated）。很快，当该信号确定为是该接收机所需要时，两个滤波器110和108 被转换以提供给PLL100具有滤波器108的窄环特征的全部优越性，并且不必减慢充电速度。基于这个方案，转换实际上是无瞬变的，因为VCO104的控制信号103的电压不存在下降。本发明的一个明显优点是由于有宽环滤波器110，通信装置508能接收、解码和处理数字信息信号而不影响它的灵敏性。在这个期间中，窄环滤波器108被预充电以准备接收命令。值得注意的是窄环特征需要用来保持由说明书中讨论的那样所产生的发送机的优势（spurs）。

本发明的快速锁定PLL的另一个重要的优点是提供到接收机中的节电特征。PLL的快速度允许无线电装置保持在较长时间睡眠（Sleep）方式，具有较低的电池消耗。这一长处特别有利于具有电池尺寸限制的便携式通信装置中。

本领域技术人员能利用其它的锁相环完成相同的结果。的确，使用锁频环的电路也适用于通信装置508的工作。这里所示出的通信系统500以及它的元件提供本发明的优选实施例。然而，这并不认为是限制。它不仅仅是本发明得以工作的唯一一种可能方式。不脱离本发明的精神（如权利要求的）其它的变化是可能的。

Claims (9)

1、一个锁相环(PLL)，它用于能在多个信道上工作的通信装置，该PLL包括：

一个压控振荡器(VCO)，具有一个控制信号输入；

其特征在于所述的PLL还包括：

耦合到VCO的第一滤波器装置，具有一个输出端和宽频响应；

耦合到VCO的第二滤波器装置，具有一个输出端，一个存储元件以及一个窄频响应，用于提供给PLL所述滤波器装置以锁定多个信道中的一个；

转换装置，具有一个耦合到VCO控制信号输入端的输出端，一个第一输入端耦合到第一滤波器的输出端上，一个第二输入端耦合到第二滤波器的输出端上，以及一个充电输出端耦合到第二滤波器装置的存储元件上，当对第二滤波器的存储元件预充电时，转换装置用于在预确定的时间期间内使第一滤波器的输出耦合到VCO的控制信号输入端，然后，在预定时间期间完成后，将第二滤波器的输出耦合到VCO的控制信号输入端。

2、根据权利要求1的PLL，其中，存储元件包括一个电容。

3、根据权利要求1的PLL，其中，转换装置包括多个开关。

4、根据权利要求1的PLL，其中，转换装置包括一个模拟门。

5、一种收发机，用于一种时间分隔多路通信系统，该通信系统具有至少一个控制站、多个无线电装置，以及多个射频通信信道，它们分配在至少两个时隙（time  slots）中用于在一个预定速率上互通信息信号，该收发机包括：

扫描装置，耦合到接收机装置上，用于有选择地在且极快地扫描射频通信信道以确定一个可使用的信道;

发送机装置，用于利用所述可使用的信道发送信息信号;

接收机装置，用于利用所述可使用的信道接收信息信号;

锁相环（PLL）装置，用于锁定上述可使用的信息，并且提供一个参考信号给收发机，该PLL包括：

一个压控振荡器（VCO），它具有一个控制信号输入端，其特征在于所述的锁相环（PLL）还包括：

第一滤波器装置，它具有一个输出端和一宽频响应，用于给扫描装置提供滤波器装置以快速地扫描通信信道;

第二滤波器装置，它具有一个输出端，一个存储元件，以及一个窄频响应，用于给PLL提供滤波器装置以锁定可使用的信道，且具有最低的干扰噪声电平;

转换装置，具有一个耦合到VCO控制信号输入端的输出端，一个第一输入端耦合到第一滤波器的输出端，一个第二输入端耦合到第二滤波器的输出端，以及一个充电输出端耦合到第二滤波器装置的存储元件，当时所述第二滤波器的存储元件预充电时，所述转换装置用于在预定的时间期间内，使第一滤波器的输出端耦合到VCO的控制信号输入端，然后，在上述预定的时间期间完成之后，将第二滤波器的输出端耦合到VCO的控制信号输入端。

6、根据权利要求5的收发机，其中，发射机装置和接收机装置在同一频率上工作。

7、根据权利要求5的收发机，其中，存储元件包括电容。

8、根据权利要求5的收发机，其中，转换装置包括多个开关（转换器）。

9、根据权利要求5的收发机，其中，转换装置包括模拟门。

Images