CN104639161B - 一种晶体振荡器的频率自动校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线电设备频率自校准技术领域，特别涉及一种晶体振荡器的频率自动校准方法。该晶体振荡器的频率自动校准方法包括以下步骤：步骤1，设置晶体振荡器的频率自动校准装置，所述晶体振荡器的频率自动校准装置包括数字电位器，所述数字电位器的抽头电连接晶体振荡器的电压控制管脚，所述数字电位器的控制端用于接入控制信号；步骤2，获取晶体振荡器的实际精度β、以及数字电位器的抽头移动单位步进时晶体振荡器精度的改变量α，得出数字电位器抽头所需移动的步进数ε，步骤3，根据数字电位器抽头所需移动的步进数ε，向数字电位器的控制端发送对应的控制信号，使数字电位器抽头移动至相应位置。

Description

一种晶体振荡器的频率自动校准方法

技术领域

本发明属于无线电设备频率自校准技术领域，特别涉及一种晶体振荡器的频率自动校准方法。

背景技术

晶体振荡器存在老化效应，其输出频率会随时间发生偏移，在某些对频率精度要求较高的场合(频率精度要求大于年老化率时)，就需要经常对晶体进行校准。目前所采取的校准方案是：把整机或单元的频率输出端连接到频谱分析仪(标准仪器，校验合格)，观察频谱仪上显示的频率偏移，通过手动调节晶体振荡器压控端模拟电位器的方式，达到频率校准的目的。这种方法必须依赖一台频谱分析仪(相对信号源来说，频谱分析仪价格高得多)，而且需要对设备进行一定的拆解操作(为了确保设备工作的稳定性，频率调整电位器一般不暴露在设备外部)，这在经济和时间上都是不划算的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种晶体振荡器的频率自动校准方法。本发明中采用数字电位器代替传统机械式电位器的方案来解决，而对电位器的控制是自动进行的，因此，这就消除了由于手动调节电位器所存在的不足。方案中统一采用本地晶体振荡器的输出频率作为基准参考时钟，在数字单元内部进行载波跟踪，利用相干解调的方式恢复出基带信号。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种晶体振荡器的频率自动校准方法包括以下步骤：

步骤1，设置晶体振荡器的频率自动校准装置，所述晶体振荡器的频率自动校准装置包括数字电位器，所述数字电位器的抽头电连接晶体振荡器的电压控制管脚，所述数字电位器的控制端用于接入控制信号；

步骤2，获取晶体振荡器的实际精度β、以及数字电位器的抽头移动单位步进时晶体振荡器精度的改变量α，得出数字电位器抽头所需移动的步进数ε：

步骤3，根据数字电位器抽头所需移动的步进数ε，向数字电位器的控制端发送对应的控制信号，使数字电位器抽头移动至相应位置。

本发明的特点和进一步改进在于：

在步骤1中，所述晶体振荡器的频率自动校准装置还包括第一混频器、数字电位器控制模块、锁相环、以及用于接收射频信号的低噪声放大器，所述射频信号的频率表示为f_RF，所述低噪声放大器的输出端电连接所述第一混频器的输入端，所述锁相环分别电连接所述晶体振荡器的输出端和第一混频器的本振端；所述数字电位器控制模块包括第二混频器、低通滤波器、载波跟踪环路、以及压控振荡器，所述压控振荡器的输入端电连接所述晶体振荡器的输出端，所述第二混频器的输入端电连接第一混频器的输出端，所述第二混频器的本振端电连接压控振荡器的输出端，所述第二混频器的输出端电连接低通滤波器的输入端，所述载波跟踪环路分别电连接所述接低通滤波器的输出端、以及压控振荡器，所述数字电位器控制模块用于向数字电位器的控制端发送控制信号；

所述载波跟踪环路用于对低通滤波器输出信号进行载波跟踪，并用于根据载波跟踪的结果向所述压控振荡器输出对应的频率控制字；所述载波跟踪环路向所述压控振荡器输出的频率控制字的位数为N；

在步骤2中，晶体振荡器的实际精度β为：

其中，f_R表示本地晶体振荡器的初始输出频率，M为设定的大于1的自然数，Δ＝K'-K₀，K'表示当前时刻载波跟踪环路向压控振荡器输出的频率控制字，K₀表示载波跟踪环路向压控振荡器输出的频率控制字的初始值。

在步骤1中，所述晶体振荡器的频率自动校准装置还包括用于生成射频信号的信号源、或用于接收地球同步轨道卫星信号的天线，所述低噪声放大器的输入端电连接所述信号源的输出端或所述天线。

本发明的有益效果为：1)本发明在对晶体振荡器的频率进行校正时，其输入信号没有严格的规定，既可以是地球同步轨道卫星的信号，也可以是信号源的信号。2)克服了传统晶体振荡器频率校准方法的繁琐步骤，这在时间和花费上都是非常经济的。

附图说明

图1为本发明的一种晶体振荡器的频率自动校准方法的电路结构框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种晶体振荡器的频率自动校准方法的电路结构框图。该晶体振荡器的频率自动校准方法包括以下步骤：

设置晶体振荡器的频率自动校准装置，所述晶体振荡器的频率自动校准装置包括数字电位器，所述数字电位器的抽头电连接晶体振荡器的电压控制管脚，所述数字电位器的控制端用于接入控制信号。

具体地说，晶体振荡器的频率自动校准装置还包括第一混频器、数字电位器控制模块、锁相环、以及用于接收射频信号的低噪声放大器LNA，射频信号的频率表示为f_RF，所使用的射频信号既可以由信号源提供，也可以由天线接收到的地球同步轨道卫星信号作为使用的射频信号，同时，对接收系统进行设置时，接收和处理接收信号的前端射频部分和处理信号基带部分，统一使用晶体振荡器作为标准参考源。数字电位器控制模块可以通过DSP和FPGA实现。

本发明实施例中，低噪声放大器的输出端在串接低通滤波器之后电连接第一混频器的输入端，锁相环分别电连接所述晶体振荡器的输出端和第一混频器的本振端；数字电位器控制模块包括第二混频器、低通滤波器、载波跟踪环路、以及压控振荡器，压控振荡器的输入端电连接所述晶体振荡器的输出端，第二混频器的输入端电连接第一混频器的输出端，第二混频器的本振端电连接压控振荡器的输出端，第二混频器的输出端电连接低通滤波器的输入端，载波跟踪环路分别电连接所述接低通滤波器的输出端、以及压控振荡器，数字电位器控制模块用于向数字电位器的控制端发送控制信号。载波跟踪环路用于对低通滤波器输出信号进行载波跟踪，并用于根据载波跟踪的结果向所述压控振荡器输出对应的频率控制字；载波跟踪环路向所述压控振荡器输出的频率控制字的位数表示为N。

本发明实施例中，晶体振荡器所产生信号的频率表示为f_R，晶体振荡器的输出信号分成两路，一路为锁相环提供参考频率，再经压控振荡器后最终产生频率为f_LO的本振信号；另一路为数字电位器控制模块提供外部基准时钟，数字电位器控制模块内部的压控振荡器(例如为数字控制振荡器)在晶体振荡器提供的基准时钟的控制下，利用相位累加器对频率控制字进行线性累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码，经过数/模转换器，得到相对应的阶梯波形，最后经低通滤波器得到连续变化的所需要的波形，设该波形的频率为f_if，并且f_if随着基准频率(晶体振荡器所产生信号的频率)的精确度β(单位为ppm)的变化而变化，利用压控振荡器内部的锁相环作为倍频器，设倍频系数为M，则压控振荡器的系统时钟(频率值)为参考基准时钟(晶体振荡器所产生信号的频率)的M倍，同时，f_if随着频率控制字的变化而变化，f_if与频率控制字的函数关系可记为：

其中，K₀为表示载波跟踪环路向压控振荡器输出的频率控制字的初始值。

第一混频器对输入信号(频率为f_RF)和本振信号(频率为f_LO)进行混频后，向外输出频率为f_IF的信号，

f_IF＝f_RF-f_LO (2)

当晶体振荡器的输出频率不发生偏移时，第一混频器的输出信号和压控振荡器的输出信号应具有同频的性质，因此，在数字电位器控制模块内，第二混频器的输出信号经低通滤波器滤波后在进行载波跟踪，在载波跟踪时采用相干解调的方式还原出基带信号，实现信号的解调。由f_IF与f_if具有同频的性质可得

但由于晶体振荡器本身的老化，使得晶体振荡器的输出频率产生一定的偏移，则第一混频器接收的本振信号也会产生一定的频率偏移，此时，第一混频器接收的本振信号的频率值f'_LO＝f_LO(1+β)，β表示晶体振荡器的实际精度。这样，该本振信号经第一混频器混频后，向外输出的信号的频率变为f'_IF，

f'_IF＝f_RF-f'_LO (4)

该频率与晶体振荡器频率精确度之间的函数关系可记为

f'_IF＝G(β)＝f_RF-f'_LO＝f_RF-f_LO(1+β) (5)

＝f_IF-f_LO×β

可以看出，当晶体振荡器发生了频偏后，会导致数字电位器控制模块的系统时钟也发生频率偏移，使得输出信号的频率将发生变化，该频率发生变化是由于晶体振荡器的老化导致的，压控振荡器内部所置的频率控制字还没发生改变，则此时压控振荡器的输出信号的频率表示为f_if'，

由(5)式和(6)式可知，f'_IF≠f'_if。这时，频率f'_IF与频率f'_if通过数字电位器控制模块进行跟踪锁定(进入载波跟踪环路的鉴频器，在鉴频之后在载波跟踪环路的锁相环路中开始跟踪锁定)，直到f'_IF＝f'_if，当这两个频率相等的时候，压控振荡器所置的频率控制字就发生了变化，设这时的频率控制字表示为K'，K'＝K₀+Δ，则(6)式变为

把(5)式和(7)式代入等式f'_IF＝f_if″中

(8)式整理得到

由(9)式可看出，差值Δ是关于以晶体振荡器的精确度β为变量的函数，K₀是晶体振荡器未发生偏移时在f_IF＝f_if的条件下压控振荡器所置频率控制字的值。把(3)式代入(9)式化简得到

其中，

晶体振荡器的电压控制管脚是与数字电位器的抽头即电阻输出端连接的，电位器的抽头每移动单位步进，晶体振荡器的输出频率将发生一定量的变化，所以，电位器的精度与晶体振荡器的精度是相关的。设在晶体振荡器精度的范围内，数字电位器的抽头移动单位步进时晶体振荡器精度的改变量为α，

根据上述分析，获取晶体振荡器的实际精度β、以及数字电位器的抽头移动单位步进时晶体振荡器精度的改变量α之后，即可得出数字电位器抽头所需移动的步进数ε：

在得出数字电位器抽头所需移动的步进数ε之后，根据数字电位器抽头所需移动的步进数ε，向数字电位器的控制端发送对应的控制信号，使数字电位器抽头移动至相应位置，完成晶体振荡器的频率自动校准。

本发明实施例中，数字电位器的实现可以通过单片机或逻辑电路实现，以单片机为例，单片机通过SPI串行数据接口接收来自数字电位器控制模块的控制信号，将其存入寄存器或EEPROM中，在对频率进行校准时，调用寄存器或EEPROM中的数据，可对数字电位器的抽头进行对应的控制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种晶体振荡器的频率自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设置晶体振荡器的频率自动校准装置，所述晶体振荡器的频率自动校准装置包括数字电位器，所述数字电位器的抽头电连接晶体振荡器的电压控制管脚，所述数字电位器的控制端用于接入控制信号；

其中，所述晶体振荡器的频率自动校准装置还包括第一混频器、数字电位器控制模块、锁相环、以及用于接收射频信号的低噪声放大器，所述射频信号的频率表示为f_RF，所述低噪声放大器的输出端电连接所述第一混频器的输入端，所述锁相环分别电连接所述晶体振荡器的输出端和第一混频器的本振端；所述数字电位器控制模块包括第二混频器、低通滤波器、载波跟踪环路、以及压控振荡器，所述压控振荡器的输入端电连接所述晶体振荡器的输出端，所述第二混频器的输入端电连接第一混频器的输出端，所述第二混频器的本振端电连接压控振荡器的输出端，所述第二混频器的输出端电连接低通滤波器的输入端，所述载波跟踪环路分别电连接所述低通滤波器的输出端、以及压控振荡器，所述数字电位器控制模块用于向数字电位器的控制端发送控制信号；

所述载波跟踪环路用于对低通滤波器输出信号进行载波跟踪，并用于根据载波跟踪的结果向所述压控振荡器输出对应的频率控制字；所述载波跟踪环路向所述压控振荡器输出的频率控制字的位数表示为N；

步骤2，获取晶体振荡器的实际精度β、以及数字电位器的抽头移动单位步进时晶体振荡器精度的改变量α，得出数字电位器抽头所需移动的步进数ε：

其中，晶体振荡器的实际精度β为：

其中，f_R表示本地晶体振荡器的理想输出频率，M为设定的大于1的自然数，Δ＝K′-K₀，K′表示当前时刻载波跟踪环路向压控振荡器输出的频率控制字，K₀表示载波跟踪环路向压控振荡器输出的频率控制字的初始值；

步骤3，根据数字电位器抽头所需移动的步进数ε，向数字电位器的控制端发送对应的控制信号，使数字电位器抽头移动至相应位置。

2.如权利要求1所述的一种晶体振荡器的频率自动校准方法，其特征在于，在步骤1中，所述晶体振荡器的频率自动校准装置还包括用于生成射频信号的信号源、或用于接收地球同步轨道卫星信号的天线，所述低噪声放大器的输入端电连接所述信号源的输出端或所述天线。