CN108155906A - 一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器及粗调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器及粗调方法。所述频率综合器包括压控振荡器、存储模块和控制模块；所述方法包括根据压控振荡器所要切换的目标频率，按照目标频率组与预先构建的优选频率组之间的映射关系，从存有控制字列表的存储器中读取得到对应的控制字，用所得的控制字控制压控振荡器的输出，从而实现对锁相环输出频率的粗调等步骤。本发明仅需预存少量控制字列表即可对跨度大、数量多的目标频率组进行粗调，既减少对存储空间的要求，降低硬件芯片面积要求，从而降低硬件设计难度，又减少粗调过程的耗时以及产生的误差。本发明广泛应用于电子电路技术领域。

Description

一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器及粗调方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其是一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器及粗调方法。

背景技术

在电子电路，特别是通信电路中，广泛使用频率综合器来产生高精度的本振频率信号。在通信电路工作过程中，如果发送和接收信号的频率发生改变，那么通信电路中的频率综合器的输出信号频率也要相应地改变，即切换到对应的工作频率，即目标频率，这称为频率综合器频率的锁定。如果频率综合器没有锁定频率或者进行频率锁定所用时间太长，就不能进行有效的数据传输，将降低有效的频道容量。因此减少锁定频率所需时间是涉及频率综合器必须考虑的重要因素。

常用的频率综合器为锁相式频率综合器，锁相式频率综合器的本质是一个锁相环，其包括有鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、分频器和压控振荡器。部分压控振荡器采用了数字调谐技术，即压控振荡器的LC电路中的电容器件由可变电容和开关电容阵列组成，其中开关电容阵列受控制字的控制决定阵列中各电容的开与关，以实现开关电容阵列电容值的分立变化，从而实现锁相式频率综合器的粗调谐，即粗调；可变电容在控制电压的控制下实现电容值的连续变化，从而实现锁相式频率综合器的细调谐，即细调。因此，采用数字调谐压控振荡器的锁相式频率综合器，其通过粗调和细调两个步骤来锁定一个工作频率，即目标频率。由于频率综合器的主要结构是锁相环，锁相环的输出频率取决于压控振荡器的输出频率，因此对锁相环进行粗调，实质是对压控振荡器进行粗调，即针对想要输出的目标频率，找到合适的控制字输入到压控振荡器中，使得其输出频率接近目标频率。

为了减少粗调过程的耗时，最好的方法是将压控振荡器的所有目标频率，即目标频率组分别对应的控制字都存储起来，在实际工作时根据所要切换的目标频率查找对应的控制字并将其输入到压控振荡器，但在卫星通讯等多数应用场景下，压控振荡器的目标频率区间宽度非常大，可达数百MHz，在区间内通常有上千个可供切换的目标频率，如果要将目标频率组对应的全部控制字都存储起来，这将要求有更大的存储空间，使得芯片的面积变大，对硬件设计不利，而且，对多个目标频率的控制字进行搜索和切换，也将增加粗调过程的耗时。

一些现有技术为了克服上述问题，只是针对个别的工作频率进行粗调，例如只存储目标频率组中的最高频率和最低频率及其对应的控制字，其他目标频率则通过线性分配的形式，在进行频率锁定时计算其对应的控制字。这种方法，在压控振荡器的目标频率区间宽度很大、区间内目标频率很多时，将产生很大的粗调误差，使得后续细调受到不利影响，严重的甚至影响频率锁定。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器，第二目的在于提供一种对锁相环输出频率的粗调方法。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器，包括压控振荡器、存储模块和控制模块，所述控制模块分别与压控振荡器和存储模块连接；所述存储模块存储有用于对压控振荡器进行控制的控制字列表；所述控制模块用于根据所要切换的目标频率，从存储模块中读取得到对应的控制字，并输出到压控振荡器对其进行控制；所述压控振荡器用于根据控制模块输出的控制字，输出对应的频率。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种对锁相环输出频率的粗调方法，包括以下步骤：

根据压控振荡器所要切换的目标频率，按照目标频率组与预先构建的优选频率组之间的映射关系，从存有控制字列表的存储器中读取得到对应的控制字；

用所得的控制字控制压控振荡器的输出，从而实现对锁相环输出频率的粗调。

进一步地，所述控制字列表的获取方法为：

压控振荡器对优选频率组进行扫描输出，从而获得对应的控制字列表；

将控制字列表存入存储器。

进一步地，所述压控振荡器对优选频率组进行扫描输出，从而获得对应的控制字列表这一步骤，具体包括：

压控振荡器对优选频率组进行扫描，针对优选频率组中的每一个优选频率，执行以下步骤a-c：

a.将压控振荡器输出的自由振荡频率与优选频率进行比较，从而得到自由振荡频率与优选频率之间的偏差值；

b.调整压控振荡器的控制字，使得自由振荡频率与优选频率之间的偏差值最小化；

c.将自由振荡频率与优选频率之间的偏差值最小化时自由振荡频率对应的控制字作为所需获取的控制字；

将各优选频率对应的控制字列表成控制字列表。

进一步地，所述步骤a具体包括：

以第一分频系数，将优选频率分频，从而得到与基准频率相等的第一分频频率；

以第一分频系数，将自由振荡频率分频，从而得到第二分频频率；

在第一周期内，记录第一分频频率的脉冲累计计数，从而得到第一计数；

在第一周期内，记录第二分频频率的脉冲累计计数，从而得到第二计数；

将第一计数与第二计数差值的绝对值作为所需得到的自由振荡频率与优选频率之间的偏差值。

进一步地，所述优选频率组为目标频率组的子集。

进一步地，所述优选频率组与目标频率组的最大值相同和/或最小值相同，所述优选频率组构成等差数列。

进一步地，所述优选频率组的公差为目标频率组的公差的整数倍。

进一步地，所述目标频率组与优选频率组的映射关系按以下方法建立：

计算映射数目，所述映射数目为优选频率组的公差相对于目标频率组的公差的倍数；

从目标频率组的最大值或最小值开始，将目标频率组分成多个映射组，所述映射组中目标频率的个数等于映射数目；

分别将多个映射组依次映射到各个优选频率。

进一步地，所述将控制字列表分别存入存储器这一步骤，具体为：

将控制字列表按照对应优选频率组的排列顺序依次存入存储器的各存储单元。

本发明的有益效果是：通过本发明，事先将工作过程中可能用到的控制字存储起来，在实际工作时，直接读取与目标频率对应的控制字，可以减少粗调过程的耗时。而且，本发明方法还利用目标频率组与优选频率组之间的映射关系以及优选频率组与控制字列表之间的映射关系，建立目标频率组与控制字列表之间的映射关系，使得仅需预存少量控制字列表即可对跨度大、数量多的目标频率组进行粗调，既减少对存储空间的要求，降低硬件芯片面积要求，从而降低硬件设计难度，又减少粗调过程的耗时以及产生的误差。进一步地，本发明方法还提供了获取并存储控制字列表的方法，进一步提高粗调的精确度以及速度。

附图说明

图1为现有技术中压控振荡器的LC电路结构图；

图2为现有技术中开关电容阵列的结构图；

图3为现有技术中压控振荡器的粗调原理图；

图4为本发明对锁相环输出频率的粗调方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面结合具体实施例作进一步说明。

实施例1

本发明一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器，包括压控振荡器、存储模块和控制模块，所述控制模块分别与压控振荡器和存储模块连接。

所述存储模块存储有用于对压控振荡器进行控制的控制字列表；所述控制模块用于根据所要切换的目标频率，从存储模块中读取得到对应的控制字，并输出到压控振荡器对其进行控制；所述压控振荡器用于根据控制模块输出的控制字，输出对应的频率。

其中，压控振荡器还可以是通过其他原理实现的、以控制字或者其他形式来控制其输出频率的振荡器。

压控振荡器包括有LC电路，LC电路的结构如图1所示，其用于产生一定频率的振荡形成压控振荡器的输出，振荡频率由LC电路中的电感值和电容值共同决定。LC电路中包括开关电容阵列，开关电容阵列的结构与原理如图2所示。使用控制字对开关电容阵列进行控制，便可以改变开关电容阵列的总电容，从而控制压控振荡器的输出频率。现有技术中压控振荡器的粗调原理图如图3所示，每一个控制字分别对应一条控制电压-频率曲线，因此确定控制字的过程便是对压控振荡器的粗调过程，在控制字一定时，通过改变压控振荡器的控制电压，便可以进行小范围的频率调整，这就是对压控振荡器的细调过程。

本实施例中，存储模块存有事先获取的控制字列表，也就是一系列控制字，其每一个控制字都与压控振荡器的各个目标频率存在映射关系。在进行粗调时，由控制模块根据所要切换的目标频率，从存储模块中读取得到对应的控制字，并利用控制字对压控振荡器进行控制，压控振荡器输出相应频率的振荡。由于所要用到的控制字都已事先获取并存储，而对控制字的查找和读取的速度是非常快的，所以对压控振荡器的粗调过程可以非常快。

本实施例中的频率综合器还包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和分频器等与压控振荡器一起组成锁相环的器件。由于这些必要器件属于公知常识，而且锁相环的输出频率由压控振荡器决定，本实施例的改进是针对压控振荡器而进行，因此不再针对其他必要器件进行详细论述。

实施例2

参照图4，本实施例提供了一种对锁相环输出频率的粗调方法，包括以下步骤：

S1.压控振荡器对优选频率组进行扫描输出，从而获得对应的控制字列表；

S2.将控制字列表存入存储器。

S3.根据压控振荡器所要切换的目标频率，按照目标频率组与优选频率组的映射关系，从存有控制字列表的存储器中读取得到对应的控制字；

S4.用所得的控制字控制压控振荡器的输出，从而实现对锁相环输出频率的粗调。

存储器中存储的控制字列表，是通过压控振荡器对优选频率组进行扫描输出获得的，也就是说，使压控振荡器的输出频率与优选频率组中的优选频率相等或者相近，便能得到一个控制字，这个控制字便是对应输入到压控振荡器中的控制字。遍历所有优选频率，将得到一系列的控制字，这一系列控制字列表成控制字列表。

步骤S1、S2记载了控制字列表的获取方法，是步骤S3和S4的初始化步骤，步骤S1、S2可以在通信系统或芯片上电时便完成。在实际应用本方法时，初始化步骤执行完毕后，只需要从步骤S3开始执行即可。其中目标频率组是由压控振荡器在工作过程中所有可能切换的目标频率组成的集合。而优选频率组包括一系列优选频率，优选频率组与目标频率组存在映射关系，且优选频率的总数量比目标频率的总数量要少，因此，在优选频率组与控制字列表形成一一对应的映射关系的情况下，控制字列表中控制字的总数量比目标频率的总数量要少，将控制字列表全部存储起来，既不需要很大的存储空间，也能够减少粗调误差，可以减少对硬件设计的要求。

为方便说明，可以将目标频率组、优选频率组都是具有一定排列顺序的集合，如按照目标频率从大到小的顺序进行排列等。控制字列表也具有与优选频率组相对应的排列顺序。

如按照目标频率从小到大的顺序，目标频率组为f:f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆,f₇,f₈,f₉,f₁₀，优选频率组可以取为g:g₁,g₂,g₃,g₄，f和g通过映射关系f→g对应起来，即每一个目标频率都可以唯一确定一个优选频率，进而确定对应的控制字。可以看到，优选频率的总数量可以远小于目标频率的总数量，同时因为一个优选频率映射的目标频率数在合理范围内，所以不会增加粗调过程的误差。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1，具体包括：

压控振荡器对优选频率组进行扫描，针对优选频率组中的每一个优选频率，执行以下步骤a-c：

a.将压控振荡器输出的自由振荡频率与优选频率进行比较，从而得到自由振荡频率与优选频率之间的偏差值；

b.调整压控振荡器的控制字，使得自由振荡频率与优选频率之间的偏差值最小化；

c.将自由振荡频率与优选频率之间的偏差值最小化时自由振荡频率对应的控制字作为所需获取的控制字；

每一个优选频率对应的控制字列表成所需获得的控制字列表。

压控振荡器输出的自由振荡频率，就是在粗调的初始化过程中，芯片上电而未正式工作，断开压控振荡器与锁相环中环路滤波器的连接，而将压控振荡器与参考电平(一般为0.9V)连接，此时，压控振荡器的输出频率。通过步骤a-c这个负反馈过程，使得自由振荡频率与优选频率的偏差达到最小，此时的自由振荡频率对应的控制字，便是此优选频率对应的控制字，将此控制字来用粗调得到此优选频率可以得到最优的效果。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1中的步骤a，具体包括：

S1a1.以第一分频系数，将优选频率分频，从而得到与基准频率相等的第一分频频率；

S1a2.以第一分频系数，将自由振荡频率分频，从而得到第二分频频率；

S1a3.在第一周期内，记录第一分频频率的脉冲累计计数，从而得到第一计数；

S1a4.在第一周期内，记录第二分频频率的脉冲累计计数，从而得到第二计数；

S1a5.将第一计数与第二计数差值的绝对值作为所需得到的自由振荡频率与优选频率之间的偏差值。

基准频率可以采用专用的计时芯片或者晶振来提供，通常使用频率为26MHz的晶振。由于晶振的频率输出精确而稳定，因此将26MHz的输出频率进行65分频后，得到的400KHz频率作为基准频率。为了计算压控振荡器输出的自由振荡频率f_n与优选频率f_o之间的偏差值，首先，确定第一分频系数A的值，其可以通过公式来求得，具体地，可以调整第一分频系数A的值，使得优选频率f_o经过A分频后得到的第一分频频率f₁与基准频率相等，可以通过鉴频器等电路实现。

确定第一分频系数A的值后，计算压控振荡器输出的自由振荡频率f_n经过A分频后得到的第二分频频率f₂，即

在一个确定的时间段内，即本实施例中的第一周期T₁内，分别记录第一分频频率f₁的脉冲累计计数，即第一计数n₁，以及第二分频频率f₂的脉冲累计计数，即第二计数n₂。第一计数n₁与第二计数n₂的差的绝对值，即|n₂-n₁|，便可以作为所需得到的自由振荡频率与优选频率之间的偏差值。

下面说明优选频率组的构建方法。

进一步作为优选的实施方式，所述优选频率组为目标频率组的子集。

也就是说，用于产生控制字列表的优选频率组，其每一个优选频率都是取自压控振荡器的目标频率组。为了方便说明，目标频率组是具有顺序的排列，因此优选频率组可以目标频率组的一个子排列，也就是说，各优选频率的排列顺序与其在目标频率组中的排列顺序是相同的。这样，根据目标频率组，不用再进行复杂的运算过程，便能很快得到优选频率组，减少粗调初始化过程的耗时。

如目标频率组按从小到大的排列为f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆,f₇,f₈,f₉,f₁₀，则优选频率组可用取为f₂,f₃,f₅,f₉。当然，也可以选择其他子排列作为优选频率组，如f₁,f₃,f₄,f₅,f₉。

进一步作为优选的实施方式，所述优选频率组与目标频率组的最大值相同和/或最小值相同，所述优选频率组构成等差数列。优选频率组与目标频率组具有相同的最大值，或者具有相同的最小值，或者既具有相同的最大值，也具有相同的最小值，都可以方便优选频率组的获取，使得在确定优选频率组的首值或末值时耗时更短，可以进一步加快粗调的速度。优选频率组构成等差数列，使得优选频率组均匀分布，有效减少粗调过程的误差，而且，这同时使得步骤S1中压控振荡器在进行扫描输出时，可以固定的步长来进行，这可以增加扫描速度，而且减少硬件设计难度。

如目标频率组按从小到大的排列为f₁,f₂,f₃,f₄,f₅,f₆,f₇,f₈,f₉,f₁₀，则优选频率组可用取为f₁,f₄,f₇,f₁₀。当然，也可以选择其他子排列作为优选频率组。

进一步作为优选的实施方式，所述优选频率组的公差为目标频率组的公差的整数倍。

因为数字器件一般具有一定的固定工作步长，因此目标频率组一般是一个等差数列，为了使目标频率组与优选频率组的映射更方便，优选地，优选频率组的公差为目标频率组的公差的整数倍。

例如，目标频率组为3960MHz,3960.4MHz,3960.8MHz,3961.2MHz,...,4019.6MHz,4020MHz，其公差，即步长为0.4MHz，那么优选频率组的步长可设为4MHz，优选频率组可为3960MHz,3964MHz,3968MHz,3972MHz,...,4016MHz,4020MHz，即优选频率组的公差为目标频率组的公差的10倍。

进一步作为优选的实施方式，所述目标频率组与优选频率组的映射关系按以下方法建立：

计算映射数目，所述映射数目为优选频率组的公差相对于目标频率组的公差的倍数；

从目标频率组的最大值或最小值开始，将目标频率组分成多个映射组，所述映射组中目标频率的个数等于映射数目；

分别将多个映射组依次映射到各个优选频率。

例如，目标频率组为3960MHz,3960.4MHz,3960.8MHz,3961.2MHz,...,4019.6MHz,4020MHz，其步长为0.4MHz，优选频率组可为3960MHz,3964MHz,3968MHz,3972MHz,...,4016MHz,4020MHz，其步长为4MHz，则映射数目为4MHz/0.4MHz＝10。可以选择从目标频率组的最小值开始，每10个目标频率组成一个映射组，即3960MHz,3960.4MHz,3960.8MHz,3961.2MHz,...,3693.2MHz,3693.6MHz作为第一映射组，3964MHz,3964.4MHz,3964.8MHz,3965.2MHz,...,3697.2MHz,3697.6MHz作为第二映射组，如此类推。然后将各映射组与各优选频率按各自原来的顺序建立映射关系，如第一映射组与优选频率组中的3960MHz建立对应关系，第二映射组与优选频率组中的3964MHz建立对应关系，如此类推。

在实际操作时，为易于使用计算机程序实现，可以用通道号为各个目标频率依次做标记，例如3960MHz标记为channel_0，3960.4MHz标记为channel_1，3960.8MHz标记为channel_2，如此类推。在将目标频率组分成多个映射组时，channel_0-channel_9作为第一映射组，channel_10-channel_19作为第二映射组，如此类推。

在目标频率的总数量不是优选频率的总数量的整数倍的情况下，通过上述方法建立目标频率组与优选频率组的映射关系，将存在一个映射组，其所包括的目标频率数量小于其他组的目标频率数量，而其他所有组的目标频率数量均为映射数目。而这种情况不影响将各映射组与各优选频率按各自原来的顺序建立映射关系。

当建立目标频率组与优选频率组的映射关系后，目标频率组中的每一个目标频率，都可以在优选频率组中对应找到一个优选频率。在执行步骤S4的时候，例如，压控振荡器要切换到目标频率3961.2MHz，此目标频率映射到优选频率3960MHz，因此应从存储器中读取优选频率3960MHz对应的控制字，作为目标频率3961.2MHz的对应控制字，即粗调结果。

进一步作为优选的实施方式，所述将控制字列表分别存入存储器这一步骤，即步骤S2，具体为：

将控制字列表按照对应优选频率组的排列顺序依次存入存储器的各存储单元。

例如，目标频率组为3960MHz,3960.4MHz,3960.8MHz,3961.2MHz,...,4019.6MHz,4020MHz，优选频率组可为3960MHz,3964MHz,3968MHz,3972MHz,...,4016MHz,4020MHz，优选频率组与控制字列表的对应关系为3960MHz→0000，3964MHz→0001，3968MHz→0010，……4016MHz→1110，4020MHz→1111，即按照对应优选频率组的排列顺序，控制字列表为0000,0001,0010...1110,1111。当将控制字列表存入存储器时，可以按照0000,0001,0010...1110,1111的顺序将其依次存入存储器的各个存储单元，若一个存储单元存储一个控制字，其将一共占用15个存储单元。这样做的好处是方便寻址，在各个存储单元的地址连续时，只要将0000或1111所在存储单元的地址作为初始地址，根据存储器的寻址步长，便可以快速查找到其他控制字。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种可粗调锁相环输出频率的频率综合器，其特征在于，包括压控振荡器、存储模块和控制模块，所述控制模块分别与压控振荡器和存储模块连接；所述存储模块存储有用于对压控振荡器进行控制的控制字列表；所述控制模块用于根据所要切换的目标频率，从存储模块中读取得到对应的控制字，并输出到压控振荡器对其进行控制；所述压控振荡器用于根据控制模块输出的控制字，输出对应的频率。

2.一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据压控振荡器所要切换的目标频率，按照目标频率组与预先构建的优选频率组之间的映射关系，从存有控制字列表的存储器中读取得到对应的控制字；

用所得的控制字控制压控振荡器的输出，从而实现对锁相环输出频率的粗调。

3.根据权利要求2所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述控制字列表的获取方法为：

压控振荡器对优选频率组进行扫描输出，从而获得对应的控制字列表；

将控制字列表存入存储器。

4.根据权利要求3所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述压控振荡器对优选频率组进行扫描输出，从而获得对应的控制字列表这一步骤，具体包括：

压控振荡器对优选频率组进行扫描，针对优选频率组中的每一个优选频率，执行以下步骤a-c：

a.将压控振荡器输出的自由振荡频率与优选频率进行比较，从而得到自由振荡频率与优选频率之间的偏差值；

b.调整压控振荡器的控制字，使得自由振荡频率与优选频率之间的偏差值最小化；

c.将自由振荡频率与优选频率之间的偏差值最小化时自由振荡频率对应的控制字作为所需获取的控制字；

将各优选频率对应的控制字列表成控制字列表。

5.根据权利要求4所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述步骤a具体包括：

以第一分频系数，将优选频率分频，从而得到与基准频率相等的第一分频频率；

以第一分频系数，将自由振荡频率分频，从而得到第二分频频率；

在第一周期内，记录第一分频频率的脉冲累计计数，从而得到第一计数；

在第一周期内，记录第二分频频率的脉冲累计计数，从而得到第二计数；

将第一计数与第二计数差值的绝对值作为所需得到的自由振荡频率与优选频率之间的偏差值。

6.根据权利要求2-5任一项所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述优选频率组为目标频率组的子集。

7.根据权利要求6所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述优选频率组与目标频率组的最大值相同和/或最小值相同，所述优选频率组构成等差数列。

8.根据权利要求7所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述优选频率组的公差为目标频率组的公差的整数倍。

9.根据权利要求8所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述目标频率组与优选频率组的映射关系按以下方法建立：

计算映射数目，所述映射数目为优选频率组的公差相对于目标频率组的公差的倍数；

从目标频率组的最大值或最小值开始，将目标频率组分成多个映射组，所述映射组中目标频率的个数等于映射数目；

分别将多个映射组依次映射到各个优选频率。

10.根据权利要求3所述一种对锁相环输出频率的粗调方法，其特征在于，所述将控制字列表分别存入存储器这一步骤，具体为：

将控制字列表按照对应优选频率组的排列顺序依次存入存储器的各存储单元。