CN105634480B - 宽带电荷泵锁相环及动态阈值自动频率调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带电荷泵锁相环及其动态阈值自动频率调谐方法，其中，宽带电荷泵锁相环包括依次电连接的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，还包括动态阈值自动频率调谐模块。本发明由压控振荡器、分频器和动态阈值自动频率调谐模块组成粗调频环路以进行粗调频，随后由压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器组成精调频锁相环路以进行精调频锁定。其中粗调频过程采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，每次逼近通过动态阈值自动频率调谐模块对参考时钟和分频时钟分别计数并基于动态阈值对计数结果进行比较判决，从而可在不影响AFC粗调频速度的情况下，提高粗调频准确性，进而改进了锁相环的相位噪声和杂散性能。

Description

宽带电荷泵锁相环及动态阈值自动频率调谐方法

技术领域

本发明涉及无线射频通信技术领域，尤其涉及一种宽带电荷泵锁相环及其动态阈值自动频率调谐方法。

背景技术

宽频带锁相环(Wide-Band Phase-Locked Loop，简称WBPLL)是无线通信系统及其他众多应用中的重要模块，是实现频率合成器的基础，它主要为发送端和接收端提供宽频带的本地时钟以形成本振，同时要保证时钟的噪声和杂散性能。目前为了实现足够大的频率覆盖范围，同时保持较低的压控振荡器(Voltage-controlled Oscillator,简称VCO)增益，宽频带锁相环中的压控振荡器通常包含2的N(N为正整数)次方条互相有一定程度交叠的调频曲线，由开关电容阵列实现。宽频带锁相环收到频率控制字后，锁定通常会经过先粗调(Coarse tuning)、后精调(Fine tuning)的过程，其中，粗调过程由自动频率控制电路(Adaptive Frequency Calibration，简称AFC)完成最佳调频曲线的选择；精调过程由锁相环路调节VCO中变容器的控制电压完成频率锁定。

而AFC电路有闭环和开环两大类型，其开环结构因具有更快的选频速度而成为众多宽频带锁相环的实现选择。通过对国内外专利及学术交流文献进行大量的查阅对比，发现目前应用于宽频带电荷泵锁相环的开环AFC模块的主要改进方向在提高粗调频的速度，减小锁相环的锁定时间，而在AFC粗调频的准确性对锁相环噪声和杂散性能的影响方面却鲜有分析和研究。实际上，在无线通信系统中普遍采用的II型电荷泵锁相环中，电荷泵的电流匹配性能与其输出电压有关，其最佳位置通常在VDD/2附近，偏离VDD/2越远，电荷泵的电流匹配性能越差，锁相环的噪声和杂散也会相应恶化，而最终锁定时电荷泵的输出电压与AFC粗调频的准确性(即最终收敛的调频曲线)有关，对于宽频带锁相环，由于VCO增益随其振荡频率的大幅变化，会使得低频段下AFC粗调频准确性的进一步恶化。目前通常采用增加AFC计数器计数位宽来提高准确性，但是会增加粗调频时间，即AFC工作的速度与准确性存在一定程度的折中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带电荷泵锁相环及其动态阈值自动频率调谐方法，用以解决现有技术中粗调频的准确性对锁相环噪声和杂散性能的影响问题。

本发明的第一个方面是提供一种宽带电荷泵锁相环，包括依次电连接的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，分频器的输出端连接鉴频鉴相器的一个输入端，鉴频鉴相器的另一个输入端连接参考时钟，还包括动态阈值自动频率调谐模块，分频器的输出端连接动态阈值自动频率调谐模块的一个输入端，动态阈值自动频率调谐模块的另一个输入端连接参考时钟，动态阈值自动频率调谐模块的输出端连接压控振荡器的输入端。

进一步的，动态阈值自动频率调谐模块包括并连的第一计数器和第二计数器，第一计数器的输入端连接参考时钟Fref，第二计数器的输入端与分频器的输出端连接，第一计数器和第二计数器的输出端连接有比较器，比较器还连接有粗调频状态机和判决阈值动态控制单元。

本发明的另一个方面是提供一种动态阈值自动频率调谐的方法，包括：

通过由压控振荡器、分频器和动态阈值自动频率调谐模块组成的环路进行粗调频；

通过由压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器组成的锁向环路进行精调频锁定。

采用上述本发明技术方案的有益效果是：由压控振荡器、分频器和动态阈值自动频率调谐模块组成粗调频环路以进行粗调频，并通过动态阈值自动频率调谐模块进行计数和动态阈值的比较判决，采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，从而实现动态调整阈值以选定压控振荡器工作的粗调频曲线；由压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器组成精调频锁相环路以进行精调频锁定，从而可在不影响AFC粗调频速度的情况下，提高粗调频准确性，使得锁相环锁定后VCO的控制电压更靠近电荷泵工作的最佳位置，从而改进了锁相环的噪声和杂散性能。

附图说明

图1为本发明宽带电荷泵锁相环的结构示意图；

图2为本发明宽带电荷泵锁相环的一种实现方式的结构示意图；

图3为本发明动态阈值自动频率调谐的方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、鉴频鉴相器，200、电荷泵，300、环路滤波器，400、压控振荡器，500、分频器，600、动态阈值自动频率调谐模块，700、第一开关，800、第二开关，601、第一计数器，602、第二计数器，603、比较器，604、粗调频状态机，605、判决阈值动态控制单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明公开了一种宽带电荷泵锁相环，如图1所示，该宽带电荷泵锁相环包括：依次电连接的鉴频鉴相器100、电荷泵200、环路滤波器300、压控振荡器400和分频器500，还包括动态阈值自动频率调谐模块600，其中，分频器500的输出端连接鉴频鉴相器100的一个输入端，鉴频鉴相器100的另一个输入端连接参考时钟Fref，分频器500的输出端还连接动态阈值自动频率调谐模块600的一个输入端，动态阈值自动频率调谐模块600的另一个输入端连接参考时钟Fref，动态阈值自动频率调谐模块600的输出端连接压控振荡器400的输入端。

具体的，压控振荡器400的输入端通过第一开关700连接环路滤波器300的输出端，压控振荡器400进一步通过第二开关800连接一偏置电压Vref，其中，第一开关700和第二开关800不会同时闭合。

在本实施例中，由压控振荡器400、分频器500和动态阈值自动频率调谐模块600组成粗调频环路(即自动频率控制电路，Adaptive Frequency Calibration，简称AFC)以进行粗调频；由压控振荡器400、分频器500、鉴频鉴相器100、电荷泵200和环路滤波器300组成精调频锁相环路以进行精调频锁定。

具体工作时，通常会经过先粗调(Coarse tuning)、后精调(Fine tuning)的过程。首先，分频器500接收频率控制字，设定宽带电荷泵锁相环的最终锁定频率，由数字接口控制第二开关800闭合，第一开关700断开，压控振荡器400以Vref为输入电压，此时压控振荡器400经分频器500分频后的信号Fdiv与参考时钟Fref送入动态阈值自动频率调谐模块600进行粗调频，通过动态阈值自动频率调谐模块600进行计数和动态阈值的比较判决，采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，使其振荡频率朝着使前述计数值之差的绝对值减小的方向改变，直至比较结果在当前判决阈值之内，从而选定压控振荡器400工作的粗调频曲线。随后第二开关800断开，第一开关700闭合，从而断开AFC环路，闭合锁相环路进入精调过程。

压控振荡器400经分频器500分频后的信号Fdiv与参考时钟Fref一并输入鉴频鉴相器100，鉴频鉴相器100对两信号进行鉴频及鉴相操作，产生的相位误差信号送入电荷泵200，控制电荷泵200内电流源与电流沉的开启状态，电荷泵200输出的电流信号经环路滤波器300充放电与滤波操作，转换为压控振荡器400的电压控制信号，调节压控振荡器400的振荡频率，该频率经分频器500分频后反馈到鉴频鉴相器100继续与参考时钟Fref进行鉴频鉴相操作得出相位误差，最终锁相环路在Fdiv与Fref的相位误差为零时实现频率锁定，从而输出与频率控制字对应的稳定的时钟信号。

图2为本发明宽带电荷泵锁相环的一种实现方式的结构示意图，如图2所示，动态阈值自动频率调谐模块600包括并连的第一计数器601和第二计数器602，第一计数器601的输入端连接参考时钟Fref，第二计数器602的输入端与分频器500的输出端连接，第一计数器601和第二计数器602的输出端连接有比较器603，比较器603还连接有粗调频状态机604和判决阈值动态控制单元605。

具体工作时，由数字接口控制第二开关800闭合，第一开关700断开，压控振荡器400以Vref为输入电压，此时压控振荡器400经分频器500分频后的信号Fdiv送入第二计数器602进行第一次计数，同时参考时钟Fref送入第一计数器601计数，一定时间后计数同时停止，第一计数器601和第二计数器602的计数值送入比较器603进行比较判决。若第一计数器601和第二计数器602的计数值之差超出比较器603的判决阈值，则通过比较器603输出判决结果，粗调频状态机604根据判决结果控制压控振荡器400，使其振荡频率朝着使前述计数值之差的绝对值减小的方向改变。

当压控振荡器400的频率改变后，通过分频器500分频新的信号Fdiv送入第二计数器602进行第二次计数，同时第一计数器601对参考时钟Fref计数，一定时间后两计数同时停止，第一计数器601和第二计数器602的计数值送入比较器603进行第二次比较判决。此时，判决阈值动态控制单元605根据第一次的比较结果，对本次(也就是第二次)比较的判决阈值做出调整，随后通过比较器603输出第二次判决结果，粗调频状态机604根据第二次判决结果控制压控振荡器400，使其振荡频率朝着使前述计数值之差的绝对值减小的方向改变。

在本发明实施例中，压控振荡器具有2^N条互相有一定程度频率范围交叠的调频曲线(其中N为正整数)，整个粗调频过程可以采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，通过比较器比较第一计数器和第二计数器的计数结果，另外通过阈值动态控制单元在比较器每次比较前根据之前的判决结果对本次判决的阈值做出调整，直至比较结果在当前判决阈值之内，使得粗调频状态机对压控振荡器的粗调频曲线进行选择和配置，通过若干次的计数、比较进行逼近，从面最终确定压控振荡器工作的粗调频曲线。

与现有技术相比，本发明提出的一种宽带电荷泵锁相环，其在不影响粗调频速度的前提下，改善了粗调频精度，锁相环锁定后VCO的控制电压更靠近电荷泵工作的最佳位置，从而提高了锁相环的噪声和杂散性能。具体地，对于包含开关电容结构的宽频带VCO，其振荡频率对电容量的微分值与电容量是反向关系，这导致在电荷泵工作电压范围一定且VCO中变容器大小不变的情况下，VCO的每条调频曲线覆盖的频率范围会随振荡频率降低而减小，对于宽频带VCO，最高频处调频曲线的覆盖范围会比最低频处调频曲线的覆盖范围大2至3倍，即VCO增益会变化2到3倍。传统的开环AFC，在比较器设置上采用固定阈值，每次计数所能分辨的频率差也为固定值，为保证AFC工作收敛，该阈值取值一般以VCO增益最大的调频曲线为计算根据，当AFC在低频处工作时，VCO增益已大幅减小，此时AFC选择的调频曲线，即使可以保证锁定，但锁定后VCO的控制电压会远离电荷泵最佳工作位置，使得锁相环相噪和杂散性能恶化。本发明通过在AFC中增加判决阈值动态控制单元，根据之前的比较结果动态调整当前计数下比较器的判断阈值，使得AFC最终能准确收敛在最佳调频曲线，从而改善了锁相环的相噪和杂散性能。

以下通过一个具体的实施例说明本发明的工作原理，如图2所示，为实现宽频带，假设压控振荡器包含2⁶(即32)条粗调频曲线，则电路中由6组开关电容阵列C1～C6实现，电容阵列的每种开关组合状态对应一条调频曲线，设开关控制字为COA，其中0＜COA＜5，从最高位到最低位依次控制压控振荡器中的电容C1～C6，1为开启，0为断开，其中C1＝2*C2＝4*C3＝8*C4＝16*C5＝32*C6。为保证电路对于工艺、温度等变化具备鲁棒性，粗调频曲线设计为两两有67％的频率交叠，即每个频点至少有3条粗调频曲线覆盖。若F为压控振荡器振荡频率，并假设电感L在调频过程中保持不变，由于：

设压控振荡器中变容器的容值随工作电压变化速率为K，即

则压控振荡器的增益可表示为：

由上可知，在调频过程中，压控振荡器的增益会随其振荡频率的降低呈3次方速率下降，一般压控振荡器的调频电压范围受电荷泵和变容器工作电压的限制而不会改变，所以压控振荡器增益的迅速下降意味着每条粗调频曲线的频率覆盖范围也会随振荡频率下降而快速减小，在设计实例中，最高频处调频曲线(COA＝<000000>)的覆盖范围可达80MHz，而最低频处调频曲线(COA＝<111111>)只有30MHz，二值相差2.7倍。

在开环AFC进行粗调频的过程中，压控振荡器控制电压被设置在Vref，Vref一般为其工作电压范围的中点(一般为VDD/2)，即压控振荡器震荡在每条调频曲线的中点频率处。该频率经分频器分频后送入自动频率调谐模块的第二计数器中进行计数，参考频率Fref在相同时间内通过第一计数器进行计数。计数完成后，比较器对两计数值进行比较和判决，因为计数值之差代表着Fref与Fdiv两频率之差，同时代表着振荡器当前振荡频率Fosc＝Fdiv*N与目标锁定频率Fgoa＝Fdiv*N之差，其中N为频率控制字，三者为同比例正向关系。若该差值在一定阈值范围内，说明压控振荡器在当前的粗调频曲线上，可以完成精调频锁定，若该差值大于比较器阈值，比较器会控制粗调频状态机，使其改变电容开关控制字COA，即切换到下一条调频曲线，再重复上述计数和判决过程，直到粗调频结束。

传统的开环AFC方案中，比较器阈值通常设置为固定值，以上述的实际设计情况为例，为保证COA＝000000时AFC能顺利收敛，比较器判决阈值的设定需保证Fosc与Fgoa之差小于27MHz(粗调频曲线两两67％交叠)时，判决粗调频结束，若该阈值设定不变，则当COA＝111111时，27MHZ已相当接近30MHz的覆盖范围，此时锁定环依然可以通过精调频锁定，但最终振荡器的控制电压会部分在电荷泵工作电压的90％范围内，很可能远离其最佳工作电压(通常为VDD/2)，使得电荷泵电流失配的影响更加显著而恶化锁相环的噪声和杂散性能。

而本发明针对该问题，通过本发明提出的宽带电荷泵锁相环实现动态阈值自动频率调谐，具体工作中，设置第一次计数时，COA＝100000，即振荡器工作在最中间一条调频曲线，此时根据该调频曲线的频率覆盖范围(约50MHz)，设定比较器的判决阈值(约21MHz),若判决结果为切换到更高频的调频曲线(COA＝110000)，则判决阈值也相应增加，若判决结果为切换到更低频的调频曲线(COA＝010000)，则判决阈值相应减小，由于整个粗调频过程采用二进制折半查找算法，所以每次计数后动态调整的判决阈值，都可通过先前已完成的判决次数及其判决结果推算得出，最终每次计数后的比较判决都基于振荡器当前工作调频曲线的频率覆盖范围，保证粗调频准确性，即保证精调频锁定后，振荡器控制电压在电荷泵工作电压的最佳30％范围内，大大降低了电荷泵电流失配的影响，提高了锁相环的噪声和杂散性能。另外值得指出的是，该发明结构并不会影响提高AFC粗调频速度的各项技术的应用，互相间并不存在折中关系，而比较器动态阈值控制模块中数字逻辑电路所带来的面积和功耗开销，对于整个锁相环系统是极其微小可以忽略不计的。

本发明还公开了一种通过上述宽带电荷泵锁相环进行动态阈值自动频率调谐的方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤S301，通过由压控振荡器、分频器和动态阈值自动频率调谐模块组成的环路进行粗调频；

步骤S302，通过由压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器组成的锁向环路进行精调频锁定。

具体的，粗调频过程采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，以确定压控振荡器工作的粗调频曲线。

本实施例的动态阈值自动频率调谐的方法可以通过图1图2所示宽带电荷泵锁相环执行，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种宽带电荷泵锁相环，包括依次电连接的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器，所述分频器的输出端连接所述鉴频鉴相器的一个输入端，所述鉴频鉴相器的另一个输入端连接参考时钟，其特征在于，还包括动态阈值自动频率调谐模块，所述分频器的输出端连接所述动态阈值自动频率调谐模块的一个输入端，所述动态阈值自动频率调谐模块的另一个输入端连接参考时钟，所述动态阈值自动频率调谐模块的输出端连接压控振荡器的输入端；所述动态阈值自动频率调谐模块包括并连的第一计数器和第二计数器，所述第一计数器的输入端连接所述参考时钟，所述第二计数器的输入端与所述分频器的输出端连接，所述第一计数器和第二计数器的输出端连接有比较器，所述比较器还连接有粗调频状态机和判决阈值动态控制单元；所述判决阈值动态控制单元根据逼近次数和所述比较器上一次的输出结果调整所述比较器当前的判决阈值，以使比较器将第一计数器输出值和第二计数器的输出值的差值与所述动态变化的判决阈值进行比较判决；所述粗调频状态机用于根据所述比较判决结果确定压控振荡器工作的粗调频曲线。

2.根据权利要求1所述的宽带电荷泵锁相环，其特征在于，所述压控振荡器还连接有并联的第一开关和第二开关，所述压控振荡器通过所述第一开关与所述环路滤波器连接，通过第二开关与偏置电压连接，所述压控振荡器的输入端还与所述粗调频状态机连接。

3.根据权利要求1所述的宽带电荷泵锁相环，其特征在于，所述压控振荡器具有2^N条互相有一定程度频率范围交叠的调频曲线，其中N为正整数。

4.根据权利要求3所述的宽带电荷泵锁相环，其特征在于，采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，以确定所述压控振荡器工作的粗调频曲线。

5.根据权利要求1～4任一项所述的宽带电荷泵锁相环，其特征在于，所述压控振荡器、分频器和动态阈值自动频率调谐模块组成粗调频环路。

6.根据权利要求1～4任一项所述的宽带电荷泵锁相环，其特征在于，所述压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器组成精调频锁相环路。

7.一种根据权利要求1～6任一项所述的宽带电荷泵锁相环进行动态阈值自动频率调谐的方法，其特征在于，包括：

通过由压控振荡器、分频器和动态阈值自动频率调谐模块组成的环路进行粗调频；在所述粗调频过程中，动态阈值自动频率调谐模块对参考时钟和分频器输出值的差值与根据预设规律动态变化的判决阈值进行比较判决，并根据所述比较判决结果确定压控振荡器工作的粗调频曲线；

通过由压控振荡器、分频器、鉴频鉴相器、电荷泵和环路滤波器组成的锁向环路进行精调频锁定。

8.根据权利要求7所述的动态阈值自动频率调谐的方法，其特征在于，所述粗调频过程采用二进制折半查找算法进行粗调频曲线的逐次逼近，以确定所述压控振荡器工作的粗调频曲线。

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