CN103427866A - 振荡信号提供器、同相与正交振荡信号提供器以及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一振荡信号提供器，包含有一正交电压控制振荡器、一相位矫正器以及一频率调整电路。该正交电压控制振荡器提供多个振荡信号，其具有不同相位。该相位矫正器，选择这些振荡信号其中的一第一振荡信号，从一第一输出端输出，并选择这些振荡信号其中的一第二振荡信号，从一第二输出端输出。该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系。该频率调整电路耦接至该相位矫正器，依据这些振荡信号，产生一正交信号以及一同相信号。这些振荡信号的频率为该同相与正交信号的频率的非整数倍。

Description

振荡信号提供器、同相与正交振荡信号提供器以及信号处理方法

技术领域

本发明大致相关于无线通信，尤指可以减缓一电压控制振荡器(voltage-controlled oscillator)遭受到频率牵引(pulling)的方法与技术。

背景技术

在无线通信中，要被传递的信号基本上是一开始产生在一相对低的频率信号中，此较低频率一般称为基频(baseband frequency)。之后，经过一些处理，此基频信号被附带在一频率相对高的射频(radio frequency)信号中发射出去。如此的处理过程一般称为升频(up-conversion)，由无线电收发器(RF transceiver)中的发射器(transmitter)所执行；而相反的处理过程则称之为降频(down-conversion)，由无线电收发器中的接收器(receiver)所执行。升频与降频都需要有相位准确的本端振荡信号(local oscillation signals，简称为LO signals)，而LO信号可由稳定振荡的一电压控制振荡器(voltage controlled oscillator，简称为VCO)与相关电路来产生。

VCO的振荡稳定度可能受到邻近装置的正常操作而被干扰。这样的干扰现象大致可以归类为两种：频率推移(frequency pushing)与频率牵引(frequency pulling)。简单的说，频率推移指的是VCO所产生的信号频率，因为VCO的电源线或是接地线的电压不够稳定，所产生的变化。引起的原因可能是VCO附近元件所需要的电流突然地大量变化(rush current)，或是电源线与接地线上的寄生电阻、电容、电感等所产生的耦合效果。相对的，频率牵引指的是大能量射频信号、或是射频信号的谐振频率(harmonics)等，透过电、磁、或是电磁耦合的交互作用，对VCO的操作频率所产生的影响。

图1显示一直接转换收发器(direct conversion transceiver)100，包含有发送器12以及接收器16。为了效率考量，收发器100仅有一个频率合成器14，其提供同相/正交(in-phase/quadrature)的射频信号SI与SQ，让发送器12与接收器16所共享。在其他例子中，发送器12与接收器16可以个别具有一频率合成器。

请看发送器12。讯息以数字位元信号的形式，送至数字逻辑电路18。在这个例子中，数字逻辑电路18可能具有许多种功能，譬如多增加一些数字位元来提供通信信号的除错运算。数字逻辑电路18其中的一个功能，是依据所接收到的数字位元信号，来产生相互正交的调制信号(quadrature modulation signals)，即，A(n)cos(θ(n))与A(n)cos(θ(n)+π/2)。其中，A(n)与θ(n)是依据发送器12所要执行的调制形式(举例来说：移相键控(PSK)、移频键控(FSK)、移幅键控(ASK)等)来决定。在此说明书中，两个信号相互正交指的是两个信号有π/2弧度或是90度相位的差异。

两个调制信号其中之一送到一同相发送路径(in-phase transmit path)，而两个调制信号其中的另一送到一正交发送路径(quadrature-phase transmit path)。从图中可以看出，数字逻辑电路18确保送到两个路径上的数字信号有π/2弧度(或是90度相位)的差异。在每个发送路径上，数字模拟转换器(digital-to-analog convertor，DAC)20把数字逻辑电路18所送来，以数字位元形式表示的调制信号，转换成以模拟形式表示。DAC 20所产生的模拟调制信号，经过低通滤波器LPF 22滤波后，就准备用来和频率合成器14所提供的一射频信号，透过混波器(mixer)24混成，升频到射频。

频率合成器14提供相互正交的二射频信号(相差π/2弧度)S_I与S_Q，分别给同相发送路径与正交发送路径的两个混波器24。两个混波器24所产生的结果则由加法器28组合，送至功率放大器26来增加其中的信号强度后，透过天线30发射到空中。

收发器100中，提供给混波器24的两射频信号S_I与S_Q是由一锁相回路(phaselock loop，简称为PLL)所产生。相位检测器32比较一参考信号f_ref以及由频率合成器14所产生的一回馈信号。所以相位检测器32的输出信号对应到参考信号f_ref与该回馈信号的相位差，其被低通滤波器34处理后，产生控制电压V_ctrl。

在图1中，振荡信号提供器35中的电压控制振荡器(voltage-controlledoscillator，VCO)36依据控制电压V_ctrl，产生具有相对应振荡频率的高频信号。除数为2的除法器38将VCO 36所产生的高频信号除频后，提供相互正交的同相射频信号S_I与正交射频信号S_Q，给予发送器12与接收器16。射频信号其中之一，经过除数为N的除法器40除频后，产生回馈信号。

射频信号S_I与S_Q分别送到同相发送路径与正交发送路径内的混波器24。混波结果会经过加法器28组合，再由功率放大器26来增加其中的信号强度。从1图可知，假定射频信号S_I与S_Q分别为cos(wt)与cos(wt+π/2)，那功率放大器26所输出的大功率射频信号大概会具有cos(wt+(θ(t))的成分。从1图也可得知，如果射频信号S_I与S_Q分别为cos(wt)与cos(wt+π/2)，那VCO 36所产生的高频信号可以用cos(2wt)来表示。

既然功率放大器26所输出的大功率射频信号的基础频率(fundamentalfrequency)为w，免不了的，其谐振频率(也就是基础频率的整数倍频率)所带有的能量也可能相当可观。在图1中，VCO 36的振荡频率(2w)刚好与功率放大器26所输出的谐振频率其中之一一样，因此，只要功率放大器26所输出的大功率射频信号有些许泄漏，这些泄漏的能量就会成为干扰信号(spurious)，透过天线30、或收发器100中的电磁耦合效应而抵达VCO 36，对VCO 36的相位产生牵引作用，对其振荡稳定性造成影响。

发明内容

本发明的一实施例提供一种振荡信号提供器，包含有一正交电压控制振荡器、一相位矫正器以及一频率调整电路。该正交电压控制振荡器提供多个振荡信号，其具有不同相位。该相位矫正器，选择这些振荡信号其中的一第一振荡信号，从一第一输出端输出，并选择这些振荡信号其中的一第二振荡信号，从一第二输出端输出。该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系。该频率调整电路耦接至该相位矫正器，依据这些振荡信号，产生一正交信号以及一同相信号。这些振荡信号的频率为该同相与正交信号的频率的非整数倍。

本发明的一实施例提供一种同相与正交振荡信号提供器，包含有一振荡信号提供器以及二分数除法器。该振荡信号提供器提供一第一振荡信号以及一第二振荡信号。该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系。该二分数除法器，用以将该第一与第二振荡信号的频率除以一预设分数，以分别产生一同相信号以及一正交信号。该同相信号的相位领先该正交信号的相位实质为90度。

本发明的一实施例提供一种信号处理方法。首先以一正交电压控制振荡器，提供多个振荡信号。接着辨识这些振荡信号中的一相位关系，并据以选择这些振荡信号其中之二，分别作为第一与第二振荡信号。该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系。对这些振荡信号进行处理，以产生一正交信号以及一同相信号。这些振荡信号的频率为该同相与正交信号的频率的非整数倍。

本发明的一实施例提供一种同相与正交振荡信号的产生方法。首先以一振荡信号提供器，提供一第一振荡信号以及一第二振荡信号。该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系。接着将该第一与第二振荡信号的频率除以一预设分数，以分别产生一同相信号以及一正交信号。该同相信号的相位领先该正交信号的相位实质为90度。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1显示一直接转换收发器。

图2A显示依据本发明所实施的一收发器。

图2B举例了图2A中的振荡信号提供器。

图3举例图2B中的QVCO。

图4举例图2B中的相位比较器。

图5A与图5B分别显示两种不同的起始状态下，图4中的一些信号波形。

图6举例多工器组。

图7例示图2B中的内插器。

图8举例一除数为1.5的分数除法器。

图9举例了另一种振荡信号提供器。

主要元件符号说明

12发送器            14、14a频率合成器

16接收器            18数字逻辑电路

20数字模拟转换器    22低通滤波器

24混波器            26功率放大器

28加法器            30天线

32相位检测器        34低通滤波器

35振荡信号提供器    36电压控制振荡器

38、40除法器            60、60a  振荡信号提供器

62正交电压控制振荡器

63相位矫正器            64相位比较器

65频率调整电路          66多工器组

68内插器                70分数除法器

82、83、84D正反器       100收发器

具体实施方式

图2A显示依据本发明所实施的一收发器，包含有发送器12与频率合成器14_a。频率合成器14_a中有振荡信号提供器60，用来提供相互正交的二射频信号S_I与S_Q，分别给予发送器12中两个混波器24。图2A中的振荡信号提供器60可以取代图1中的振荡信号提供器35，做为本发明的一实施例。为了解释方便，以下同相射频信号S_I与正交射频信号S_Q分别以cos(wt)与cos(wt+π/2)表示，同时也意味了正交射频信号S_Q落后同相射频信号S_I有π/2弧度。在本说明书中，如果A信号落后另B信号有X弧度，便同时意味着A信号的相位落后B信号的相位有X*180/π度。所以，正交射频信号S_Q的相位落后同相射频信号S_I有90度。

图2B举例了图2A中的振荡信号提供器60，其包含有一正交电压控制振荡器(quadrature voltage-controlled oscillator，QVCO)62、相位矫正器63、以及频率调整电路65。频率调整电路65有内插器68以及两个除数为1.5的分数除法器70。

如同业界人士所知的，QVCO 62可以提供四个相位不同的振荡信号S_VCO1、S_VCO2、S_VCO1B、以及S_VCO2B，两两正交(相位差90度)或是相位相反(相位差180度)。但是，从弧度或是相位来看，一振荡信号是领先或是落后另一振荡信号，则会视QVCO 62的起震起始条件不同而决定。

在一实施例中，相位矫正器63中的相位比较器64可以辨识出振荡信号彼此相位差的关系，并控制多工器组66，将振荡信号S_VCO1、S_VCO2、S_VCO1B、以及S_VCO2B，排序成振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀。振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀中，后者的相位落后前一个的相位有90度。

内插器68依据振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀为基础，以内插方式产生振荡信号S₁₃₅，其相位落后振荡信号S0有135度(等于3*π/4弧度)。

两个分数除法器70分别对振荡信号S₀与S₁₃₅的频率除以1.5，产生同相射频信号SI与正交射频信号S_Q。因此，如果同相射频信号S_I与正交射频信号S_Q的振荡频率为w，那QVCO 62的振荡频率就大约是1.5w。

从图2A与图2B中的架构可以得知，QVCO 62的振荡频率(频率为1.5w)并不会等于发送器12所输出的大功率射频信号的基频(频率为w)或是谐振频率(频率为2w、3w、4w等)其中之一。因此，图2A与图2B中的架构可以有效降低频率牵引的现象。

图3举例图2B中的QVCO 62。QVCO 62具有一对架构相同的差动振荡电路VCO_a与VCO_b。每一差动振荡电路有受控制电压V_ctrl控制的电感电容振荡器，以及互耦(cross-coupled)的N型晶体管(M13、M14、M23与M24)。因此，节点N1与N1B上的振荡信号S_VCO1与S_VCO1B的相位差会是180度；同理，节点N2与N2B上的振荡信号S_VCO2与S_VCO2B的相位差也会是180度。N型晶体管M11、M12、M21与M22则提供两个差动振荡电路VCO_a与VCO_b彼此正交耦合。

因此，振荡信号S_VCO1与S_VCO2的相位差会是90度。只是，因为差动振荡电路彼此起震条件是相互独立的，振荡信号S_VCO1可能领先振荡信号S_VCO2有90度，也可能落后振荡信号S_VCO2有90度。换言之，振荡信号S_VCO1与S_VCO2之间的相位差可能是正90度或是负90度。

图4举例图2B中的相位比较器64，其具有相互连接的三个D正反器(Dflip-flop)82、83与84。图5A与图5B则分别显示两种不同的起始状态下，图4中的一些信号波形。图5A与图5B中，每一张图所显示的信号波形，由上而下，分别是振荡信号S_VCO1、振荡信号S_VCO2、开始信号S_R1、开始信号S_R2、以及选择信号S_swap。

如同图5A所显示的，振荡信号S_VCO1领先振荡信号S_VCO2有90度的相位。当振荡信号S_VCO1上升超过一定值时，D正反器82便把开始信号S_R1的逻辑值，由0转态成1。同理，当振荡信号S_VCO2上升超过一定值时，开始信号S_R2的逻辑值，由0转态成1。如同图5A所示的，当开始信号S_R2转态为1时，开始信号S_R1的逻辑值已经为1，所以D正反器83输出的选择信号S_swap的逻辑值，由0转态为1。

图5B中，振荡信号S_VCO1落后振荡信号S_VCO2有90度的相位。因此，当开始信号S_R2转态为1时，开始信号SR1的逻辑值依然停留在0，所以D正反器83输出的选择信号S_swap的逻辑值，将一直维持在0。

从图5A与图5B可知，只要经过一次振荡周期后，相位比较器64便可以辨识出振荡信号S_VCO1的相位是领先还是落后于振荡信号S_VCO2，而决定选择信号S_swap的逻辑值。

图6举例多工器组66，具有多个多工器，可以对振荡信号S_VCO1、S_VCO2、S_VCO1B、与S_VCO2B重新排序，成为振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀。

当选择信号S_swap的逻辑值为1时，表示振荡信号S_VCO1领先振荡信号S_VCO2有90度的相位，因此多工器组66选择振荡信号S_VCO1、S_VCO2、S_VCO1B、与S_VCO2B，使他们输出分别做为振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀。

相反的，当选择信号S_swap的逻辑值为0时，表示振荡信号S_VCO1落后振荡信号S_VCO2有90度的相位，多工器组66选择振荡信号S_VCO2、S_VCO1、S_VCO2B、与S_VCO1B，使他们输出分别作为振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀。

因此，不论振荡信号S_VCO1领先还是落后振荡信号S_VCO2，在相位比较器64与多工器组66的合作之下，振荡信号S₀、S₉₀、S₁₈₀、与S₂₇₀中，后者一定落后前一个振荡信号有90度的相位(或是π/2弧度)。

图7例示图2B中的内插器68。从图7的电路分析可知，左边的电阻一端所输出的振荡信号S₁₃₅，其相位会是振荡信号S₉₀与S₁₈₀的弧度的中间值，等于相位落后振荡信号S₀有135(=(90+180)/2)度；电阻一端所输出的振荡信号S₃₁₅，其相位会与振荡信号S₁₃₅差180度，等于落后振荡信号S₀有315度相位。

分数除法器70的实施方式，已经是业界所广为知晓。譬如说，美国专利编号第5552732号揭示了除以1.5的时脉产生器；美国专利编号第5442670号则揭示了把时脉除以N.5的方法与装置，其中N为正整数。图8举例一除数为1.5的分数除法器70，其由数个D栓锁(D latch)、逻辑门、以及多工器所构成。只要适当的给予控制信号MOD与FB-CTRL固定的逻辑电位，输出的时脉信号CLK_OUT的频率，就会是输入时脉信号CLK_IN的频率的2/3倍。

请见图2B中的分数除法器70。假定振荡信号S₀与S₁₃₅分别为cos(1.5*wt)与cos(1.5*wt+3*π/4)。将频率除以1.5后，分数除法器70所输出的射频信号S_I与S_Q就会分别是cos(wt)与cos(wt+π/2)。射频信号S_I确实领先射频信号S_Q有π/2弧度(或是90度相位)。

采用QVCO作为振荡器的一个好处是其架构简单，且相位杂讯(phase noise)比较低，其输出的振荡信号波形比较近乎单一频率的正弦波。相位矫正器63辨识出QVCO 62中，振荡信号S_VCO2与S_VCO1之间的相位关系，进而提供了特定的相位差的振荡信号。分数除法器70使射频信号S_I与S_Q的基础频率与谐振频率，不会跟QVCO 62的振荡频率相同，可以降低频率牵引。为了让分数除法器70产生弧度正确的射频信号S_I与S_Q，内插器68提供相位差135度的振荡信号S₀与S₁₃₅。

相位差135度的振荡信号S₀与S₁₃₅并不限于采用QVCO 62、相位矫正器63与内插器68这样的组合来产生。图9举例了另一种振荡信号提供器60_a，其采用4级环型振荡器(4-stage ring-oscillator)来产生振荡信号S₀与S₁₃₅。振荡信号提供器60_a中，4级环形振荡器具有4级延迟器，每一级延迟器的输出都是落后前一级的输出有45度的相位。因此，如图9举例所示，只要选定某一级的一输出为振荡信号S₀，就可以很容易的找出另一输出来作为振荡信号S₁₃₅，其相位落后振荡信号S₀有135(=3*45)度。

多相滤波器(polyphase filter)的实施方式，已经是业界所广为知晓。故实施例中，振荡信号S₀与S₁₃₅亦可由一电压控制振荡器与一多相滤波器(polyphase filter)的组合来产生。

在另一个实施例中，一4级环形振荡器提供相位差225度的振荡信号S₀与S₂₂₅。除数为2.5的除法器分别对振荡信号S₀与S₂₂₅进行除频，产生射频信号S_I与S_Q，提供给一发送器。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围由权利要求书界定为准。

Claims (18)

1.一种振荡信号提供器，包含有：

一正交电压控制振荡器，用以提供多个振荡信号，其具有不同相位；

一相位矫正器，选择这些振荡信号其中的一第一振荡信号，从一第一输出端输出，选择这些振荡信号其中的一第二振荡信号，从一第二输出端输出其中，该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系；以及

一频率调整电路，耦接至该相位矫正器，其依据这些振荡信号，产生一正交信号以及一同相信号，

其中，这些振荡信号的频率为该同相信号与该正交信号的频率的非整数倍。

2.如权利要求1所述的振荡信号提供器，其特征在于，该第一振荡信号的相位早于该第二振荡信号的相位约90度。

3.如权利要求1所述的振荡信号提供器，其特征在于，该相位矫正器包含有：

一相位比较器，用以辨识这些振荡信号中的二振荡信号的一相位关系，以产生一选择信号；以及

二多工器，依据该选择信号，选取这些振荡信号中的二分别作为该第一与第二振荡信号。

4.如权利要求1所述的振荡信号提供器，其特征在于，该频率调整电路包含有：

一内插器，依据该第一与该第二振荡信号，产生一内插信号，该内插信号的相位位于该第一与第二振荡信号的相位之间；以及

二分数除法器，用以将该内插信号与这些振荡信号其中的一基础信号以一预设分数进行除频，以分别产生该正交信号以及该同相信号，且该正交信号的相位落后该同相信号的相位约90度。

5.如权利要求4所述的振荡信号提供器，其特征在于，该预设分数为1.5，且该内插信号的相位落后该基础信号的相位约135度。

6.一种同相与正交振荡信号提供器，包含有：

一振荡信号提供器，提供一第一振荡信号以及一第二振荡信号，其中，该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系；以及

二分数除法器，用以将该第一与第二振荡信号的频率除以一预设分数，以分别产生一同相信号以及一正交信号，其中，该同相信号的相位领先该正交信号的相位实质为90度。

7.如权利要求6所述的同相与正交振荡信号提供器，其特征在于，该预设分数为1.5，且该第二振荡信号的相位落后该第一振荡信号的相位约135度。

8.如权利要求7所述的同相与正交振荡信号提供器，其特征在于，该振荡信号提供器为一环形振荡器，该环形振荡器具有四级延迟器。

9.如权利要求7所述的同相与正交振荡信号提供器，其特征在于，该振荡信号提供器包含有一电压控制振荡器以及一多相滤波器。

10.如权利要求6所述的同相与正交振荡信号提供器，其特征在于，该振荡信号提供器包含有：

一正交电压控制振荡器，用以提供多个振荡信号，其具有不同相位；

一相位矫正器，用以选择这些振荡信号其中之二；以及

一内插器，依据该二被选择振荡信号，产生该第二振荡信号，该第二振荡信号的相位位于该二被选择振荡信号的相位之间。

11.如权利要求10所述的同相与正交振荡信号提供器，其特征在于，该相位矫正器选择这些振荡信号其中之一为该第一振荡信号，该预设分数为1.5，且该第二振荡信号的相位落后该第一振荡信号的相位约135度。

12.一种信号处理方法，包含有以下步骤：

以一正交电压控制振荡器，提供多个振荡信号；

辨识这些振荡信号中的一相位关系，并据以选择这些振荡信号其中之二，分别作为一第一振荡信号与一第二振荡信号，其中，该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系；以及

对这些振荡信号进行处理，以产生一正交信号以及一同相信号；

其中，这些振荡信号的频率为该同相信号与该正交信号的频率的非整数倍。

13.如权利要求12所述的信号处理方法，其特征在于，这些振荡信号具有彼此正交的二第三振荡信号，而该辨识步骤包含有以下步骤：

依据该二第三振荡信号，来产生一选择信号，其可代表该相位关系；以及

依据该选择信号，来产生该第一与该第二振荡信号。

14.如权利要求12所述的信号处理方法，其特征在于，另包含有以下步骤：

内插该第一与该第二振荡信号，以产生一内插信号，该内插信号的相位位于该第一与第二振荡信号的相位之间；以及

将这些振荡信号其中之一基础信号与该内插信号的频率除以一预设分数，以分别产生该同相信号以及该正交信号，且该正交信号的相位落后该同相信号的相位约90度。

15.一种同相与正交振荡信号的产生方法，其特征在于，包含有以下步骤：

以一振荡信号提供器，提供一第一振荡信号以及一第二振荡信号，其中，该第一振荡信号与该第二振荡信号的相位差符合一预设的关系；以及

将该第一振荡信号与该第二振荡信号的频率除以一预设分数，以分别产生一同相信号以及一正交信号，其中，该同相信号的相位领先该正交信号的相位实质为90度。

16.如权利要求15所述的产生方法，其特征在于，该预设分数为1.5，且该第二振荡信号的相位落后该第一振荡信号的相位约135度。

17.如权利要求15所述的产生方法，其特征在于，该振荡信号提供器包含有：一正交电压控制振荡器，用以提供多个振荡信号，其具有不同相位，而该产生方法另包含有以下步骤：

选择这些振荡信号其中之二；以及

依据该二被选择振荡信号，产生该第二振荡信号，其中，该第二振荡信号的相位位于该二被选择振荡信号的相位之间。

18.如权利要求15所述的产生方法，其特征在于，另包含有以下步骤：选择这些振荡信号其中之一为该第一振荡信号，

其中，该预设分数为1.5，且该第二振荡信号的相位落后该第一振荡信号的相位约135度。

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