CN107222211B - 扩频时钟产生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种扩频时钟产生电路，其与无线通信模块一同设于电子装置内，此扩频时钟产生电路包括锁相环电路以及扩频控制电路；锁相环电路包括压控振荡器；压控振荡器依据控制电压而输出扩频时钟信号，而扩频时钟信号的输出频率取决于该控制电压；扩频控制电路依据无线通信模块的通信品质参数产生控制电流并输出控制电流至锁相环电路，以利用控制电流来调整控制电压；控制电压依据控制电流而定，致使扩频时钟信号的扩频范围依据该通信品质参数而定。
Description
技术领域
本发明涉及一种扩频时钟发生器(SSCG:spread-spectrum clock generator)，尤其涉及一种可编程的电荷泵的扩频时钟产生电路。
背景技术
随着电子电路产业发展迅速，使得电子元件的操作频率日益加速，因而引发了电磁干扰(electronic magnetic interference，EMI)的问题。换言之，时钟信号所造成的高频电磁噪声干扰变成了不可忽略的议题。电磁噪声干扰不仅会影响电路的稳定性，也可能干扰到周遭的其他电子元件。电磁干扰的主要来源通常为系统时钟，例如来自于时钟发生器、晶体振荡器、压控振荡器以及锁相环。尤其是，对于强调无线通信品质的电子装置而言，时钟信号所引起的电磁噪声将干扰到电子装置的无线通信系统的接收信号。
传统的电磁干扰的预防措施包括电磁干扰滤波器、铁氧体磁珠(ferrite beads)、控流线圈(choke)、金属屏蔽、特殊涂层以及射频垫片(RF gasket)等等。当今降低整体系统的电磁噪声干扰的有效方法之一为使用扩频(spread spectrum)技术，扩频技术是对时钟频率进行调变的一种技术。纵然扩频的作法可以减少电磁干扰效应且成本较低，但时钟信号因扩频技术而产生的抖动现象(Jitter)却可能过度剧烈，因此设计者必须在降低电磁干扰效应与降低时钟抖动现象之间做出取舍与妥协。一旦设计者决定扩频范围之后，传统的扩频时钟发生器仅能以固定的扩频范围不间歇地运行，而时钟信号的抖动现象也将不停地发生。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种扩频时钟产生电路，可依据无线通信模块的通信品质参数连续且弹性地调整扩频范围。
本发明提供一种扩频时钟产生电路，其与无线通信模块一同设于电子装置内。此扩频时钟产生电路包括锁相环电路以及扩频控制电路。锁相环电路包括压控振荡器。压控振荡器依据控制电压而输出扩频时钟信号，而扩频时钟信号的输出频率取决于该控制电压。扩频控制电路连接锁相环电路，依据无线通信模块的通信品质参数产生控制电流并输出控制电流至锁相环电路，以利用控制电流来调整控制电压。控制电压依据该控制电流而定，致使扩频时钟信号的扩频范围依据该通信品质参数而定。
进一步地，上述的扩频控制电路包括可编程的电荷泵，此可编程的电荷泵连接该锁相环电路，依据数字控制码决定控制电流的准位，以依据控制电流调整扩频时钟信号的输出频率。
基于上述，进一步地，扩频控制电路可依据无线通信模块的通信品质参数来调变控制电流，使得锁相环电路的滤波器可响应控制电流的变化来改变控制电压。因此，在扩频时钟信号的扩频范围依据控制电压而改变情况下，扩频时钟信号的扩频范围可响应时变的通信品质参数而弹性且连续的调整，以妥当地降低噪声对无线通信模块的干扰并减少时钟抖动现象。
附图说明
图1是依据本发明一实施例所绘制的具有扩频时钟产生电路的电子装置的示意图。
图2是依据本发明一实施例所绘制的扩频时钟产生电路的电路示意图。
图3是依据本发明一实施例所绘制的扩频时钟产生电路的运行状态的示意图。
图4是依据本发明一实施例所绘制的电子装置远离存取点的示意图。
图5是依据本发明一实施例所绘制的扩频时钟产生电路的操作方法的流程图。
附图标记说明：
10：电子装置； Vc：控制电压；
100：扩频时钟产生电路； CLKsp：扩频时钟信号；
110：锁相环电路； Qs：通信品质参数；
111：压控振荡器； Ic：控制电流；
120：扩频控制电路； CLK1：原始时钟信号；
12：无线通信模块； CLK2：参考时钟信号；
13：天线； CLK3：回授时钟信号；
112：时钟源； C1：比较结果；
113：参考分频器； I1：充电电流；
114：相位频率检测器； Vdet：第一电压信号；
115：电荷泵； Vamp：第二电压信号；
116：滤波器； d1：数字控制码；
117：第二分频器； CLK4：第一时钟信号；
121：可编程的电荷泵； T1～T4：时间点；
122：电压产生电路； 50：电子装置；
123：放大器； 40：存取点；
124：模数放大器； S501～S506：步骤；
125：第一分频器。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
现将详细参考本示范性实施例，在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。
图1是依据本发明一实施例所绘制的具有扩频时钟产生电路的电子装置的示意图。请参照图1，电子装置10为具有无线通信功能的电子装置，例如是手机、智能手机、个人数字助理、平板电脑、数码相机、电子书、游戏机或笔记本电脑等等，但本发明并不限制于此。在本实施例中，电子装置10包括扩频时钟产生电路100、无线通信模块12以及天线13。
无线通信模块12可通过天线13收发无线通信信号，并依据一无线通信协议进行通信。本发明对于无线通信协议的种类并不限制，其例如是全球微波互联接入(WorldwideInteroperability for Microwave Access，WiMAX)、第三代移动通信(3G)、第四代移动通信(4G)、第五代移动通信(5G)、超宽频通信(UltraWide Band，UWB)、蓝牙通信(Bluetooth，BT)、无线保真通信(wireless fidelity，WiFi)或ZigBee通信等。换言之，天线13基于无线通信模块12所使用的无线通信协议而在对应的频带上发射与接收无线射频信号。
在一实施例中，无线通信模块12可自行依据天线13所接收的无线信号来估测当下的通信品质参数。通信品质参数例如为接收信号强度指示(Received Signal StrengthIndicator，RSSI)、信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)、载波噪声比(Carrier to NoiseRatio，CNR)其中之一或其组合者。或者，在一实施例中，电子装置10的其他元件(例如功率检测器)可检测天线13所接收的无线信号的信号特性而获取天线13所接收的无线信号的通信品质参数。此外，随着通信环境的变化，通信品质参数为时变的。
扩频时钟产生电路100包括锁相环电路110以及扩频控制电路120。锁相环电路100包括压控振荡器111。压控振荡器11依据控制电压Vc而输出扩频时钟信号CLKsp，而扩频时钟信号CLKsp的输出频率取决于控制电压Vc。当控制电压Vc的电压准位改变，扩频时钟信号CLKsp的输出频率也将改变。
扩频控制电路120连接锁相环电路110，依据无线通信模块12的通信品质参数Qs产生控制电流Ic并输出控制电流Ic至锁相环电路110，以利用控制电流Ic来调整控制电压Vc。换言之，控制电流Ic的电流准位依据通信品质参数Qs而定，致使控制电流Ic的电流准位可响应通信品质参数Qs的改变而改变。
此外，控制电压Vc的振幅依据控制电流Ic而定，致使扩频时钟信号CLKsp的扩频范围依据通信品质参数Qs而定。也就是说，扩频控制电路120所提供的控制电流Ic可使原本为固定频率的时钟信号小幅度的递增或递减，使扩频时钟信号CLKsp的输出频率在扩频范围内变动。如此，经过扩频的扩频时钟信号CLKsp的能量可被分散，以降低扩频时钟信号CLKsp对无线通信模块12的干扰。可知的，通信品质参数将随着通信环境而改变。假设通信品质足够佳，则压控振荡器111所引起的电磁噪声干扰是可以忽略的。相反地，假设通信品质不佳，则压控振荡器111所引起的电磁噪声干扰是不可忽略的。本实施例的扩频控制电路120依据可表示通信品质的通信品质参数Qs来产生对应的控制电流Ic，以随着无线通信模块12的通信品质的好坏而适应性地调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率在对应的扩频范围内变动。
为了详细说明本发明，以下将列举一实施范例说明。图2是依据本发明一实施例所绘制的扩频时钟产生电路的电路示意图。请参照图2，锁相环电路110包括时钟源112、参考分频器113、相位频率检测器114、电荷泵115、滤波器116、第二分频器以及压控振荡器111。
时钟源112产生原始时钟信号CLK1，时钟源112例如是由一石英振荡器(未绘制)所建构，也可以是可提供时钟信号的其他电子元件。参考分频器113连接时钟源112，对原始时钟信号CLK1进行分频而产生参考时钟信号CLK2。相位频率检测器114连接参考分频器113，以接收参考时钟信号CLK2。相位频率检测器114依据回授时钟信号CLK3与参考时钟信号CLK2产生一比较结果C1。电荷泵115连接相位频率检测器114与滤波器116，依据比较结果C1而产生充电电流I1。
滤波器116连接压控振荡器111与电荷泵115，依据充电电流I1与控制电流Ic产生控制电压Vc。一般来说，滤波器116通常为低通滤波器，但本发明并不以此为限。压控振荡器111依据控制电压Vc产生扩频时钟信号CLKsp。第二分频器117连接于压控振荡器111与相位频率检测器114之间，对扩频时钟信号CLKsp进行分频而产生回授时钟信号CLK3。
扩频控制电路120包括电压产生电路122、放大器123、模数转换器124、第一分频器125以及可编程的电荷泵121。在本实施例中，电压产生电路122连接无线通信模块12，以依据通信品质参数Qs产生第一电压信号Vdet。进一步来说，电压产生电路122可依据一转换函数依据通信品质参数Qs输出第一电压信号Vdet，而第一电压信号Vdet的电压准位取决于通信品质参数Qs。在一实施例中，上述的转换函数例如是一线性转换函数，但本发明并不以此为限。或者，电压产生电路122也可通过查表的方式而依据通信品质参数Qs输出对应的第一电压信号Vdet。
举例而言，无线通信模块12的功率检测器可检测无线接收信号的功率能量，并依据检测到的功率能量估测出无线接收信号的RSSI。于是，电压产生电路122所输出的第一电压信号Vdet的峰对峰电压值可依据无线接收信号的RSSI决定。也就是说，本实施例的第一电压信号Vdet的峰对峰电压值依据通信品质参数Qs而定。
表1为本发明一实施例的第一电压信号Vdet与接收信号强度指示符的范例，但非用于限定本发明。
表1
放大器123连接电压产生电路123，接收并放大第一电压信号Vdet而产生第二电压信号Vamp。例如，放大器123为一线性放大器，可线性放大第一电压信号Vdet而产生第二电压信号Vamp。模数转换器124连接放大器123与可编程的电荷泵121，取样模拟的第二电压信号Vamp而产生数字控制码d1，并输出数字控制码d1至可编程的电荷泵121。因为第二电压信号Vamp的峰对峰电压值是依据通信品质参数Qs而决定且数字控制码d1是取样第二电压信号Vamp的结果，所以数字控制码d1的多个位也是取决于通信品质参数Qs。本发明对于数字控制码d1的位数并不加以限制，其可视实际需求而定。
第一分频器125接收锁相环电路110所输出的参考时钟信号CLK2并进行分频而产生第一时钟信号CLK4。可编程的电荷泵121依据第一时钟信号CLK4与数字控制码d1产生控制电流Ic。详言之，可编程的电荷泵121连接锁相环电路110，依据数字控制码d1决定控制电流Ic的准位，以依据控制电流Ic调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。举例而言，可编程的电荷泵121可包括多个开关，这些开关分别基于数字控制码d1中对应的位而切换，而控制电流Ic的准位也将依据这些开关的切换状态而决定。
滤波器116接收充电电流I1以及控制电流Ic，以依据充电电流I1以及控制电流Ic输出对应的控制电压Vc。举例而言，控制电压Vc可基于控制电流Ic而被载入具有一特定频率的三角波信号(但不限于此)，致使压控振荡器111所产生的扩频时钟信号的输出频率可在一扩频范围内变动。
在一实施例中，当通信品质参数Qs大于预设门槛值，可编程的电荷泵121依据关联于通信品质参数Qs的数字控制码d1禁能控制电流Ic，致使扩频时钟信号CLKsp的输出频率实质上维持于一固定频率。在一实施例中，扩频控制电路120可依据通信品质参数Qs与多个门槛值之间的比较结果而从多个预设扩频范围决定出扩频范围，以产生对应于扩频范围的控制电流Ic。
表2为本发明一实施例的数字控制码d1、扩频因子、扩频范围以及扩频时钟信号的干扰能量强度的范例，但非用于限定本发明。
表2
请同时参照表1与表2，假设通信品质参数为接收信号强度指示符。假设接收信号强度指示符为-70dBm时，表示无线接收信号的强度足以抵抗干扰，可禁能扩频控制电路120调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。具体来说，模数转换器124将响应-70dBm的RSSI而产生为(0,0,0)的数字控制码d1。当数字控制码d1为(0,0,0)，则可编程的电荷泵121禁能控制电流Ic，因此控制电压Vc实质上维持在一固定电压，而扩频时钟信号CLKsp的输出频率实质上维持在240MHz。
此外，假设当接收信号强度指示符为-80dBm时，表示无线接收信号的强度不足以抵抗干扰，可致能扩频控制电路120调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。具体来说，模数转换器124将响应-80dBm的RSSI而产生为(1,1,0)的数字控制码d1。当数字控制码d1为(1,1,0)，则可编程的电荷泵121产生对应的控制电流Ic。控制电压Vc依据控制电流Ic而决定，而扩频时钟信号CLKsp的输出频率将在扩频范围239.4MHz～240.6MHz内变动。此时，扩频时钟信号的干扰能量强度为-83dBm。因此，扩频后的扩频时钟信号CLKsp所引起的噪声干扰可降至小于RSSI(RSSI＝-80dBm)，从而降低扩频时钟信号CLKsp对无线接收信号的干扰。
再者，假设当接收信号强度指示符为-90dBm时，表示无线接收信号的强度难以抵抗干扰，可致能扩频控制电路120调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。具体来说，模数转换器124将响应-90dBm的RSSI而产生为(1,1,1)的数字控制码d1。当数字控制码d1为(1,1,1)，则可编程的电荷泵121产生对应的控制电流Ic。控制电压Vc依据控制电流Ic而决定，而扩频时钟信号CLKsp的输出频率将在扩频范围237.6MHz～242.4MHz内变动。须特别说明的是，对应于RSSI＝-80dB的扩频范围小于对应于RSSI＝-90dB的扩频范围。然而，表1与表2仅为示范性说明，并非用于限定本发明。数字控制码与扩频因子的对应关系以及RSSI与第一电压信号的对应关系可是实际应用而设计。举例而言，在另一实施例中，数字控制码可以分别是(0,0,0,0)、(0,0,0,1)、(0,0,1,1)、(0,1,1,1)、(1,1,1,1)，且依序对应至扩频因子0％、0.5％、1％、2％。
图3是依据本发明一实施例所绘制的扩频时钟产生电路的运行状态的示意图。图4是依据本发明一实施例所绘制的电子装置远离存取点的示意图。请先参照图4，假设具有本发明知扩频时钟产生电路100的电子装置50与存取点40进行无线通信，且电子装置50随时间的递增而远离存取点40。在没有其他因素干扰的强况下，电子装置50所检测到的RSSI也将随着时间的递增而递减。
具体来说，在时间点T1，电子装置50最靠近存取点40，并检测到RSSI等于R1。电子装置50逐渐远离存取点40，因此分别在时间点T2以及T3检测到RSSI＝R2以及RSSI＝R3。在时间点T4，电子装置50最远离存取点40，并检测到RSSI＝R4。也就是说，各个时间点T1～T4所对应的RSSI之间的关系可表示为R1>R2>R3>R4。
请再参照图3，依据图1与图2的说明可知，电子装置50的扩频时钟产生电路100可依据各个时间点的RSSI决定禁能或致能扩频控制电路120，而据以调整或不调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。在时间区间T1～T2，RSSI从R1开始减少，但在时间区间T1～T2内检测到的RSSI皆大于一预设门槛值。因此，在时间区间T1～T2，扩频控制电路120被禁能(控制电流Ic被禁能)，而扩频因子也响应扩频控制电路120的禁能而为0％。也就是说，扩频时钟信号CLKsp在时间区间T1～T2内并没有经过扩频处理，因此扩频时钟信号CLKsp也无因扩频处理而产生抖动现象。
在时间区间T2～T3，依据时间区间T2～T3内检测到的RSSI，扩频控制电路120被致能来调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。因此，在时间区间T2～T3，扩频控制电路120被致能且产生对应的控制电流Ic，而扩频因子也响应控制电流Ic的准位而为0.5％。也就是说，扩频时钟信号CLKsp在时间区间T2～T3内经过扩频处理，因此扩频时钟信号CLKsp也存在因扩频处理而产生抖动现象。
在时间区间T3～T4，依据时间区间T3～T4内检测到的RSSI，扩频控制电路120被致能来调整扩频时钟信号CLKsp的输出频率。因此，在时间区间T3～T4，扩频控制电路120被致能且产生对应的控制电流Ic，而扩频因子也响应控制电流Ic的准位而为1％。也就是说，扩频时钟信号CLKsp在时间区间T3～T4内经过扩频处理，因此扩频时钟信号CLKsp也存在因扩频处理而产生抖动现象。
以下列举一范例说明扩频控制电路的操作状态，图5是依据本发明一实施例所绘制的扩频时钟产生电路的操作方法的流程图。在此，假设预设门槛值TH1>预设门槛值TH2>预设门槛值TH3。请参照图5，在步骤S501，判断通信品质参数是否大于预设门槛值TH1。当步骤S501判断为是，接续步骤S502，扩频时钟信号的输出频率实质上维持于一固定频率。当步骤S501判断为是，接续步骤S503，判断通信品质参数是否小于预设门槛值TH2。若步骤S503判断为否，回到步骤S502。若步骤S503判断为是，接续步骤S504，判断通信品质参数是否小于预设门槛值TH3。若步骤S503判断为否，在步骤S505，依据第一扩频范围调整扩频时钟信号的输出频率。若步骤S503判断为是，在步骤S506，依据第二扩频范围调整扩频时钟信号的输出频率。
综上所述，在本发明的一实施例中，扩频控制电路可依据无线通信模块的通信品质参数而被致能或禁能来调整扩频时钟信号的输出频率。此外，扩频范围也可依据无线通信模块的通信品质参数而决定。因此，扩频时钟信号的扩频范围可响应时变的通信品质参数而弹性且连续的调整，以妥当地降低噪声对无线通信模块的干扰并减少时钟抖动现象。如此，时钟抖动现象的时间与程度可依据实际需求而调整，因而提升电路的整体稳定性。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明，任何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，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (8)
1.一种扩频时钟产生电路，与一无线通信模块一同设于一电子装置内，包括：
一锁相环电路，包括一压控振荡器，其中该压控振荡器依据一控制电压而输出一扩频时钟信号，其中该扩频时钟信号的输出频率取决于该控制电压；以及
一扩频控制电路，连接该锁相环电路，依据该无线通信模块的一通信品质参数产生一控制电流并输出该控制电流至该锁相环电路，以利用该控制电流来调整该控制电压，
其中，该控制电压依据该控制电流而定，致使该扩频时钟信号的扩频范围依据该通信品质参数而定；
该扩频控制电路包括一可编程的电荷泵，该可编程的电荷泵连接该锁相环电路，依据一数字控制码决定该控制电流的准位，以依据该控制电流调整该扩频时钟信号的该输出频率；
该扩频控制电路还包括一第一分频器，该第一分频器接收该锁相环电路所输出的一参考时钟信号并进行分频而产生一第一时钟信号，其中该可编程的电荷泵依据该第一时钟信号与该数字控制码产生该控制电流。
2.根据权利要求1所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，该扩频控制电路还包括：
一电压产生电路，连接该无线通信模块，以依据该通信品质参数产生一第一电压信号；
一放大器，连接该电压产生电路，接收并放大该第一电压信号而产生一第二电压信号；以及
一模数转换器，连接该放大器与该可编程的电荷泵，取样该第二电压信号而产生该数字控制码，并输出该数字控制码至该可编程的电荷泵。
3.根据权利要求1所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，该通信品质参数为时变的，且包括接收信号强度指示、信噪比或载波噪声比。
4.根据权利要求1所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，当该通信品质参数大于一预设门槛值，该可编程的电荷泵依据关联于该通信品质参数的该数字控制码禁能该控制电流，致使该扩频时钟信号的该输出频率实质上维持在一固定频率。
5.根据权利要求1所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，该扩频控制电路依据该通信品质参数与多个门槛值之间的比较结果而从多个预设扩频范围决定出该扩频范围，以产生对应于该扩频范围的该控制电流。
6.根据权利要求1所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，该锁相环电路包括：
一滤波器，连接该压控振荡器与该可编程的电荷泵，依据一充电电流与该控制电流产生该控制电压。
7.根据权利要求6所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，该锁相环电路还包括：
一相位频率检测器，依据一回授时钟信号与一参考时钟信号产生一比较结果；
一电荷泵，连接该相位频率检测器与该滤波器，依据该比较结果而产生该充电电流；以及
一第二分频器，连接于该压控振荡器与该相位频率检测器之间，对该扩频时钟信号进行分频而产生该回授时钟信号。
8.根据权利要求7所述的扩频时钟产生电路，其特征在于，该锁相环电路还包括：
一时钟源，产生一原始时钟信号；以及
一参考分频器，连接该时钟源，对该原始时钟信号进行分频而产生该参考时钟信号。
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