CN1036561C - 自动频率控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的优选实施例包括在无线电话机(101)中实施的自动频率控制系统。无线电话机(101)包括一个频率合成器。该频率合成器通过一个多累加器分数N分频系统(140)使用一个随时间变化的分频比，以致于有效的分频率可以通过非整数步进变化。该分频比被编程以实现所需的信道频率，所需的调制波形和任何自动频率校正偏移。利用第二多累加器分数N分频系统(139)向无线电话机(101)的控制(104)和用户接口部分(105)部分提供精确的时钟。这个第二分数N分频系统(139)根据第一分数N分频系统(140)的自动频率控制编程进行编程。这个较低的频率而后可以在一个锁相环中倍频，以第二基准频率提供一个精确的基准。

Description

自动频率控制装置
本发明涉及自动频率控制(AFC)，具体涉及根据接收的数据来调节振荡器的频率以使振荡器的频率与外部基准同步。
在数字蜂窝技术的GSM(全球移动通信系统)标准中，大量的移动站可以与基站网络通信。移动站对来自基站网络的数字形式的数据解码和在许多其它功能中利用这个数据周期性地调整移动站的主基准振荡器频率。
从传统上讲，对于主基准振荡器频率的这种调整是利用数/模变换器将数字的频率相关数据变换为模拟形式然后把所产生的模拟信号施加到一个变容二极管上的偏调晶体基准振荡器来实现的。
这种方法有以下几个缺点：第一，频率相关数据在GSM系统中总是数字形式。从而希望利用数字形式的数据和因此去掉数/模变换器。
第二，利用变容二极管偏调晶体导致调谐特性曲线的非线性。这要求一个复杂的相位算法使该特性曲线线性化。
第三，数/模变换器分辨率的实际限制和晶体振荡器元件容限要求在频率调谐特性中的相当大的步级。在GSM系统中是导致约50Hz的步级。因为GSM的频率精度要求要小于100Hz，这可能成为一个主要问题。
数字自动频率控制系统可以利用分数(Fractional)N合成法实现。这样的系统在授予Hietala等人的名称为“具有AFC的数字频率合成器和用于分频器的调制”的美国专利5111162中进行了描述。在这个专利中，利用了一个第二级分频器从主振荡器输出导出一个低频基准，用于偏移合成器和逻辑电路。这个第二级分频率工作在输出频率上，从而消耗过量的电流。
为此，设计一种数字自动频率控制系统将是有益的，该系统能够所用数字自动频率控制数据而不必转变成模拟形式，同时提供具有非常精细的频率步级的线性调谐性和不消耗过量的电流。
图1示出本发明的无线电话收发信机的方框图。
图2示出本发明的无线电话收发信机的方框图。
图3示出本发明的能够执行数字自动频率控制的无线电话收发信机的合成器部分的方框图。
本发明的优选实施例包括在无线电话机中实施的一个数字自动频率控制系统。该无线电话机包含一个频率合成器，在合成器中，将一个可变振荡器的输出馈送到一个数字分频器。数字分频器的分频比是利用一个多累加器的分数N分频系统而随时间变化的，以使有效分频比可以按照非整数步来改变。然后分频比被编程以实现所希望的信道频率，所希望的调制波形和任何自动频率相关偏调。数字分频器的输出馈送到相位比较网络的一个输入端。该相位比较网络的另一个输入端从一个基准振荡器馈送。相位比较网络的输出被滤波，去掉附加的噪声分量，然后送到可变振荡器的控制输入端。控制输入可使可变振荡器的输出频率自身调整一直到它等于数字分频比乘以基准振荡频率时为止。这导致数字的自动频率校正输入端具有极精密的分辨率。此外，基准振荡器不需要由变容二极管来偏调，于是，该基准振荡器是具有仅接近所期望的是准频率精度的一个自由振荡晶体振荡器。
在GSM系统中，用移驱动该无线设备的逻辑部分的时钟信号要求同步于无线频率的输出信号。因此，自由振荡晶体振荡器不能直接用作该无线设备逻辑部分的时钟。通过利用第二累加器分数N分频系统将不精确的基准振荡器分频为一个固定的精确频率，向该无线电设备的逻辑部分和向该无线电设备的任何偏移合成器的基准输入端提供一个精确的时钟。这种第二分数N分频系统是根据第一分数N分频系统的自动频率控制编程进行编程的。如果需要的话，这个较低的频率而后可以在锁相环中倍增，在原来期望的基准频率上提供一个精确的基准。
图1示出无线电话机101的方框图。无线电话机101可以是，但不限于是一个使用GSM操作标准的蜂窝无线电话机。在图2中，无线电话机101被表示为包括一个发信机102、一个收信机103、一个控制系统104、一个用户接口105和一个合成器107。合成器107向收信机103和发信机102提供调谐到适当频率的信号，允许来自用户接口105的数据的接收与发送。此外，合成器107向用户接口105和控制逻辑电路104提供必需的时钟信号，以使在这些方框中的逻辑电路的正确操作。一般地用户接口105包括一个麦克风、一个扬声器、一个显示器和一个键盘。
控制逻辑104的一个功能是从收信机103接收的数据中导出一个数字信号，用于调整合成器107的频率。这个数字信号称为自动频率控制信号。
参照图3，自动频率控制信号以称为串行编程接口(SPI)形式的串行装入形式加到数据端口114。该串行数据被装入锁存器117，在该锁存器中数据被变为并行形式，然后被加到加法器118。两个其他输入加到加法器118。设置信道频率的分频的分数部分的控制逻辑104以SPI形式输入到数据端口113。这个数据由锁存器116变换为并行形式，然后输入到加法器118。调制被输入到串行数据端口115。查表只读存储器(ROM)119根据在口115接收的串行数据流跟踪频率对时间图形。只读存储器119的输出然后输入到加法器118。
然后加法器118的输出用作输入到累加器120的数据。累加器(121、122和123)的级联与重组逻辑124一起形成一个时间可变序列，该序列在加法器126中被加到分频的非分数部分。产生的序列则用于控制分频器109。该分频器控制序列产生有效分频比，该分频比使合成器实现精细的频率步进而在合成器输出138中没有过量的寄生量。分频器控制序列含有信道设定、调制和自动频率控制的全部信息。(对此结果的详细说明参见名称为“具有残余纠错的锁存累加由分数N综合法”、授予Hietala等人的美国专利5093632或名称为“具有串行重新组合的多累加器分数N综合法”，授予Hietala的美国专利5166642。)
分频器109的输出用于向分数N合成器140(由累加器120、121、122和123、重新组合逻辑124和查询表ROM119组成)提供内部时钟。另外，分频器109的输出被输入到相位检测器110，其相位在相位检测器中与基准振荡器127的相位相比较。相位检测器110的输出驱动充电泵激电路(Charge Pump)111，而充电泵激电路又驱动环路滤波器112。环路滤波器112产生一个电压控制可变振荡器108的电压敏感端口。最后，可变振荡器108的输出被用作合成器输出138并提供给收信机103和发信机102，而且还提供给分频器109的输入端完成锁相环。
在该优选实施例中，自动频率控制是提供给口114而不直接提供给基准振荡器127。因此基准振荡器127的精度是仅由晶体128的稳定度保持的。由于温度、制造容限或老化引起的晶体128的不精确是通过在端口114调整自动频率控制数据被补偿的，以便在合成器输出端138上保持正确的频率。
为了保持与合成器输出端138同步的、用于无线电话机101的控制器104和用户接口105部分的时钟，利用累加器133、134、135和136，重新组合逻辑132，加法器131和可编程分频器129构成一个第二多累加器分数N分频系统139。这个分数N系统的编程数据是从端口114上的SPI数据得到的和由锁存器137变为并行形式。
第二分数N合成器139是根据第一分数N合成器140的编程进行编程的。由于第一分数N合成器140确定调整主合成器140到正确输出频率138所需要的自动频率控制偏移，这个原理产生一个精确的时钟频率130，从而自由振荡晶体振荡器127的实际频率是不言而喻的。
作为一个例子，令主VCO输出频率138是fVCO和分频器109的总的主环路分频比是Nt。则自由振荡晶体128的频率(fM)可以确定为：
fM＝fVCO/Nt
现在增加一个具有分频比等于N2的第二分频器129到自由振荡晶体振荡器127的输出端。则低频基准频率130可以表示为：
fR＝fM/N2
组合这两个式子得到仅作为主VCO输出138的函数的低频基准130。
fR＝fVCO/(Nt*N2)对于GSM系统，按照下列步骤实现这一过程：
1)该无线电话机101锁定到任何ARFCN。
(实际射频信道号)
这个结果为fvco＝890+0.2*(ARFCN)MHz
2)下一步假设fR＝200KHz(例如)
然后利用上面对fR导出的公式
0.2＝(890+0.2(ARFCN)}/(Nt*N2)
3)解N2
N2＝4450/Nt+ARFCN/Nt
如果ARFCN改变，这个初始编程将不改变，因为Nt将随AR-FCN改变以保持N2恒定。如果Nt由自动频率控制算法改变，则唯一情况N2需要改变。如果自动频率控制算法要改变，则N2可能利用上面的公式或利用3)中的公式的二项表示式重新计算，获得下面的结果。
N2折＝N2旧(1-ΔNt/Nt)
在上面的描述中，Nt的所似是用于求出N2旧和ΔNt＝分子AFC/分母。因为ΔNt＜10～5Nt，对于GSM系统，这个近似将是高精确的。
第二锁相环141可以加到图3的基准时钟输出130上。这个第二锁相环141可用以作为一个乘法器，以增加基准频率130的精度。

Claims (10)

1.一种自动频率控制装置，具有：
一个压控振荡器(VCO)，用以产生一个频率可变信号，具有一个控制输入端；
一个第一分数N合成器，用于产生第一可编程值，该第一可编程值至少一部分具有一个非整数值；
第一可编程分频器，耦合在所述的VCO与所述的第一分数N合成器之间，利用所述的第一可编程值对所述第一频率可变信号进行分频，以产生一个分频的信号；
一个基准振荡器，用以产生第一固定频率信号，其频率基本上等于所述的分频信号的频率；
一个相位检测器，耦合在所述的第一可编程分频器与所述的基准振荡器之间，用以将所述的第一固定频率信号的相位与所述的分频信号的相位相比较，以产生一个输出误差信号，所述的输出误差信号具有代表所述第一固定频率信号与所述的分频信号之间相位差的电压，并被耦合到所述VCO的所述控制输入端；其特征在于：
一个第二分数N合成器，用以产生第二可编程值，该第二可编程值至少一部分具有一个非整数值；及
一个第二可编程分频器，耦合在所述的第二分数N合成器与所述的基准振荡器之间，利用所述的第二可编程值对所述的第一固定频率信号进行分频，以产生一个第二固定频率信号。
2.按照权利要求1的自动频率控制装置，其特征在于，所述的第二固定频率信号耦合到PLL的基准输入端。
3.按照权利要求1的自动频率控制装置，其特征在于，所述的第二固定频率信号耦合到包括一个微处理器的逻辑电路。
4.按照权利要求1的自动频率控制装置，其特征在于，所述的基准振荡器是一个自由振荡晶体振荡器。
5.按照权利要求1的自动频率控制装置，其特征在于，所述的第二可编程值取决于所述第一可编程值。
6.一种无线电话机，具有：
一个射频(RF)发信机，用于在第一频率发送第一数据；
一个射频(RF)收信机，用于在第二频率接收第二数据，该第二数据包含自动频率控制信息；
一个控制逻辑电路，用于控制该无线电话机，并提供自动频率控制信息，该控制逻辑电路的第一部分以第三固定频率工作；和
一个合成器，包括：
一个压控振荡器(VCO)，用以产生一个频率可变信号，具有一个控制输入端，该频率可变信号耦合到该RF发信机上，用以在第一时段期间提供第一频率，还耦合到RF收信机上，用以在第二时段期间提供第二频率；
一个第一分数N合成器，用于根据自动频率控制信息产生第一可编程值，该第一可编程值至少一部分具有一个非整数值；
一个第一分频器，耦合在所述的VCO与所述的第一分数N合成器之间，利用所述第一可编程值，分频所述的频率可变信号，以产生一个分频的信号；
一个基准振荡器，用以产生第一固定频率信号，其频率基本上等于所述的分频信号的频率；
一个相位检测器，耦合在所述的基准振荡器与所述的第一分频器之间，用以将所述的第一固定频率信号的相位与所述的分频信号的相位相比较，以产生一个输出误差信号，所述的输出误差信号具有代表所述的第一固定频率信号与所述的分频信号相位差的电压，并被耦合到所述VCO的控制输入端；所述的合成器其特征在于：
一个第二分数N合成器，用于产生第二可编程值，该第二可编程值至少一部分具有一个非整数值；和
一个第二分频器，耦合在所述的第二分数N合成器与所述的基准振荡器之间，利用所述第二可编程值，分频所述的第一固定频率信号，以产生第二固定频率信号，所述的第二固定频率信号具有所述的第三频率。
7.按照权利要求6的无线电话机，其特征在于，所述的第二固定频率信号被耦合到锁相环(PLL)的基准输入端，该PLL产生第四频率，用于操作所述的控制逻辑电路的第二部分。
8.按照权利要求6的无线电话机，其特征在于，所述的第二固定频率信号用于操作用户接口。
9.按照权利要求6的无线电话机，其特征在于，所述的基准振荡器是一个自由振荡晶体振荡器。
10.按照权利要求6的无线电话机，其特征在于，所述的第二可编程值取决于所述第一可编程值。
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