CN110999072A - 用于晶体振荡器热漂移的后补偿 - Google Patents

Abstract

描述了用于由于在工作期间晶体振荡器温度的变化而引起的频率漂移的后补偿的技术。例如，时钟系统与晶体振荡器耦合，并且可以使用来自该晶体振荡器的参考时钟信号，从而使用时钟发生器生成输出时钟信号。该时钟系统可以监测与该振荡器集成的热组件的电特性，其可以确定性地将该电特性映射到指示该振荡器的晶体组件的温度的热值。该时钟系统然后可以将该温度确定性地映射到远离标称值的该振荡器的频率偏移。该时钟系统然后可以生成后补偿信号，该后补偿信号引导该时钟发生器使该时钟输出信号的频率偏移，从而补偿该频率漂移的至少一部分。

Description

用于晶体振荡器热漂移的后补偿

优先权要求和相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月25日提交的第62/838,916号美国临时专利申请的权益，该临时专利申请的内容通过引用全部纳入于此。

技术领域

本发明总体上涉及收发机。更具体地，实施例涉及由于在工作期间晶体振荡器温度的变化而引起的频率漂移的后补偿。

背景技术

各种类型的振荡器通常用于提供用于电子应用中的参考信号。它们的压电特性使它们成为电子电路中的频率决定元件。当向晶体附近的电极或晶体上的电极施加电压时，晶体振荡器，特别是由石英晶体制成的晶体振荡器会因电场而变形。这种性质称为电致伸缩或逆压电。当移除电场时，以精确频率振荡的石英在恢复到其先前形状时产生电场，并且这会产生振荡电压，该振荡电压可用作精确时钟信号。

在某些应用中，晶体振荡器会在工作期间改变温度，而这种温度变化会导致晶体振荡的频率发生漂移。在许多情况下，漂移趋于足够小，以至于振荡频率保持在应用可接受的范围内。但是，在其他情况下，漂移往往太大而无法将振荡频率保持在应用可接受的范围内。例如，为了遵守适用的标准，可以将窄带物联网(narrow-band Internet of Things，NB-IoT)发射机设计为以相对较高的功率(例如，15dBm至23dBm)并且在相对紧密的带宽内进行发射。这种高功率传输可能会加热晶体，从而导致频率漂移；而甚至很小的漂移都可能使传输频率偏离紧密带宽。

解决这种热漂移的一些常规方法涉及使用专用振荡器组件，例如温度补偿晶体振荡器(temperature-compensated crystal oscillators，TCXO)。TCXO将大量组件与晶体振荡器集成，以有效地检测温度变化并对这些变化进行预补偿。与典型的(未补偿)晶体振荡器相比，预补偿试图将晶体振荡器拉回到其所需的频率，使得TCXO的输出频率在较大的温度范围内保持更恒定。尽管TCXO很有效，但它们往往体积大、耗电且昂贵；并且通常会导致振荡器在欠佳条件下工作。

发明内容

实施例提供了用于由于在工作期间晶体振荡器温度的变化而引起的频率漂移的后补偿的电路、设备和方法。例如，时钟系统与晶体振荡器耦合，并且可以使用来自晶体振荡器的参考时钟信号，从而通过使用时钟发生器生成输出时钟信号。时钟系统可以使用片上组件监测与振荡器的片外晶体组件集成的热组件的电特性，其可以确定性地将电特性映射到指示晶体组件的温度的热值(例如，振荡器的片外晶体组件的温度可能与片上振荡器电路组件的温度不同)。然后，时钟系统可以确定性地将温度映射到振荡器远离标称值的频率偏移。时钟系统然后可以生成后补偿信号，该后补偿信号引导时钟发生器使时钟输出信号的频率偏离，从而补偿振荡器的频率漂移的至少一部分。

根据一组实施例，提供了一种时钟系统。该系统，包括：时钟发生器，与振荡器电路耦合并响应于以参考频率接收来自该振荡器电路的时钟参考信号而以输出频率生成时钟输出信号，该时钟参考信号是该振荡器电路响应于耦合到该振荡器电路的晶体组件的谐振而生成的；测量子系统，与热组件耦合以测量该热组件的电域电平；映射子系统，与该测量子系统耦合，用于：根据存储的用于该热组件的电热映射数据，生成与该电域电平对应的热域信号，使得该热域信号指示该热组件的温度，该热组件设置在该晶体组件附近，使得该热组件的温度变化指示该晶体组件的温度的相应变化；以及根据存储的热频映射数据，生成与该热域信号对应的频域信号，使得该频域信号指示该时钟参考信号远离该参考频率的频率漂移；以及后补偿子系统，与该映射子系统和该时钟发生器耦合，以将后补偿信号输出到该时钟发生器，使得该后补偿信号对应于该频域信号并引导该时钟发生器使该输出频率偏移，从而补偿该频率漂移的至少一部分。

根据另一组实施例，提供了一种发射机系统。该发射机系统，包括：晶体系统，具有集成在其中的晶体组件和热敏电阻；振荡器电路，与该晶体组件耦合，以响应于该晶体组件的谐振而以参考频率生成时钟参考信号；以及时钟系统。该时钟系统包括：时钟发生器，与该振荡器电路耦合，以响应于接收来自该振荡器电路的该时钟参考信号而以载波频率生成载波信号；测量子系统，与该热敏电阻耦合以测量指示该热敏电阻的电阻的电域电平；映射子系统，与该测量子系统耦合，以根据该热敏电阻的电阻生成指示该晶体组件的温度的热域信号，并根据该温度生成指示该时钟参考信号远离该参考频率的频率漂移的频域信号；以及后补偿子系统，与该映射子系统和该时钟发生器耦合，以将后补偿信号输出到该时钟发生器以引导该时钟发生器使该载波频率偏移，从而根据该频域信号补偿该频率漂移的至少一部分。

根据另一组实施例，提供了一种用于振荡器电路中频率漂移的后补偿的方法，该振荡器电路以参考频率输出时钟参考信号，使得该时钟参考信号可被时钟电路使用，从而以输出频率生成时钟输出信号。该方法包括：测量包括晶体组件、热组件和振荡器电路的振荡器系统的电域电平；根据存储的电热映射数据，生成与该电域电平对应的热域信号，使得该热域信号指示该晶体组件的温度；根据存储的热频映射数据，生成与该热域信号对应的频域信号，使得该频域信号指示该时钟参考信号远离该参考频率的频率漂移；以及将后补偿信号输出到该时钟电路，使得该后补偿信号对应于该频域信号并引导该时钟输出信号使该输出频率偏移，从而补偿该频率漂移的至少一部分。

附图说明

本文中引用的并构成本文一部分的附图示出了本公开的实施例。附图连同说明书用于解释本发明的原理。

图1示出了用于本文所述的实施例的具有接收机和发射机部分的说明性收发机电路的框图；

图2示出了说明性的常规温度补偿晶体振荡器；

图3示出了根据各种实施例的说明性时钟信号生成系统的框图；

图4A至图4D示出了本文所述的实施例利用的各种电和热特性的代表性曲线图；

图5示出了根据一些实施例的时钟系统的一部分的说明性实现方式的框图；以及

图6示出了根据各种实施例的用于振荡器电路中频率漂移的后补偿的说明性方法的流程图。

在所附附图中，类似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种组件可以通过在附图标记后附上在类似组件之间进行区分的第二标记来加以区分。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则描述适用于具有相同第一附图标记的类似组件中的任何一个，而不管第二附图标记如何。

具体实施方式

在以下描述中，提供了许多特定细节以透彻理解本发明。然而，本领域技术人员应当想到，本发明在没有这些细节中的一个或多个的情况下也可以实现。在其他示例中，为了简洁起见，将不再描述本领域中已知的特征和技术。

晶体振荡器通常用于在电子应用中，例如在收发机中，提供参考时钟信号。例如，当向晶体附近的电极或晶体上的电极施加电压时，石英晶体的晶体振荡器会因电场而失真。当移除电场后，以精确频率振荡的石英在恢复到其先前形状时产生电场。这样会产生振荡电压，该振荡电压可用作精确的参考时钟信号。

出于上下文考虑，图1示出了用于本文所述的实施例的具有接收机和发射机部分的说明性收发机电路100的框图。在发射机部分中，发射机侧晶体振荡器电路110t用于生成参考发射机时钟信号。发射机侧锁相环(phase-locked loop，PLL)120t可以耦合到发射机侧晶体振荡器电路110t，从而以参考发射机时钟信号频率的倍数(整数和/或分数)的载波频率生成发射机侧载波信号。发射机侧调制器(例如，倍频器)130t可以接收数据信号150，并且可以根据数据信号150对发射机侧载波信号进行调制。调制信号可以经由天线或其他合适的传输信道作为射频输出信号155发射。

在接收机部分中，接收机侧晶体振荡器电路110r用于生成参考接收机时钟信号(例如，可以基本上等于参考发射机时钟信号)。接收机侧锁相环(PLL)120r可以耦合到接收机侧晶体振荡器电路110r，从而以参考接收机时钟信号频率的倍数(整数和/或分数)的载波频率生成接收机侧载波信号。将接收机侧载波信号的频率设置为与发射机侧载波信号的频率基本相同可以使接收机“调谐到”来自发射机的传输。接收机侧调制器130r(或解调器)可以接收射频输出信号155，并且可以根据接收机侧载波信号对射频输出信号155进行解调，从而恢复数据信号150。恢复的数据信号可以被接收机作为接收数据信号140输出。

在一些应用中，特定于应用的规范可以对这种收发机电路100施加严格的工作条件、要求和/或限制。例如，窄带物联网(NB-IoT)是为称作物联网设备开发的一种通信技术，旨在以低功率在广域上进行传输(例如，称为低功率广域网(Low Power Wide Area，LPWA)技术)。例如，尽管这种NB-IoT传输仅在短突发(例如256毫秒)内，但它们通常处于相对较高的功率电平(例如，15dBm至23dBm)；因此，传输功率平均较低。如上所述，传输频率可以取决于由晶体振荡器(例如，发射机侧晶体振荡器110t)设置的基准，并且发射机的频率精度因此可以取决于由晶体振荡器设置的频率基准的精度。

许多NB-IoT应用可能要求通信保持在非常紧密的带宽内(例如，载波频率的百万分之0.1(parts-per-million，ppm))。以这样高的功率电平发射会趋于加热传输电路，从而可以加热晶体振荡器。尽管晶体振荡器可以具有高度稳定的频率响应，但是频率响应可能会随温度而变化。即使在短暂的突发传输窗口内，NB-IoT发射机中晶体振荡器的温度也会发生足够的变化，导致其频率响应漂移到NB-IoT、或其他应用和/或标准施加的紧密带宽规范之外(例如，超出0.1ppm以上)。

解决这种热漂移的一些常规方法涉及使用专用振荡器组件，例如温度补偿晶体振荡器。为了更加清楚起见，图2示出了说明性的常规温度补偿晶体振荡器(TCXO)200。如图所示，TCXO 200将大量组件与晶体振荡器230集成，以有效地检测温度变化并对这些变化进行预补偿。与典型的(未补偿)晶体振荡器相比，预补偿试图将晶体振荡器拉回到其期望的频率，使得TCXO 200的输出频率在较大的温度范围内保持相对恒定。

例如，如图所示，常规的TCXO 200可以通过在晶体振荡器230周围集成电压调节器210、预补偿网络220、振荡器电路240和输出缓冲器250来生成输出信号(TCXO_OUT)255。电压调节器210通常可以控制电源电压，以限制外部电压变化对TCXO_OUT 255的频率的影响(并且不会引入任何其他温度影响)。预补偿网络220可以包括补偿查找电路和拉动网络。例如，补偿查找电路可以感测TCXO 200中的温度，并且可以典型地根据晶体振荡器230的近似温度频率响应曲线的倒数来输出信号。然后，拉动网络可以使用来自补偿查找电路的信号以补偿与温度相关的频率漂移的方式拉动晶体振荡器230的频率。例如，拉动网络使用变容二极管、滤波器和其他组件来直接影响晶体振荡器230的振荡。然后，晶体振荡器230可以根据来自拉动网络的拉动和振荡器电路240的组件(例如，其可以提供适当的驱动电压、滤波等)来振荡。然后，输出缓冲器250可以向输出提供放大、隔离(例如，阻抗匹配)和/或其他特征，使得TCXO_OUT 255不受外部负载和其他条件的影响。

这种TCXO 200虽然总体上有效，但是往往具有许多限制。一个限制是，与其他晶体振荡器实现方案相比，TCXO 200往往相对体积大且耗电。另一个限制是预补偿会导致振荡器在欠佳条件下工作。通常，当晶体振荡器以其固有的谐振频率在稳态下振荡时，其工作是最佳的。在特定温度下(或在一定温度范围内)，固有谐振频率对应于晶体振荡器的标称频率。如本文所述，随着晶体振荡器的温度改变，固有谐振频率可以偏离标称频率；因此，TCXO200的组件(例如，预补偿网络220)的作用是将晶体振荡器的频率拉回到标称频率。但是，拉向标称频率也会使晶体振荡器远离该温度下的固有谐振频率，从而使晶体振荡器远离该温度下的最佳工作点。此外，这样的TXCO 200通常被设计成使得当TCXO 220处于最佳工作点时，拉动网络的组件(例如，变容二极管)倾向于以最小的功耗工作。但是，TCXO 200的欠佳工作会导致拉动网络改变负载电容，从而无法以最小的功耗工作。

本文所描述的实施例试图从基于晶体振荡器的时钟电路提供热稳定的振荡，而不依赖于诸如TCXO之类器件中的常规预补偿方法。相反，实施例采用新颖的后补偿方法。这种方法可以在较大的温度范围内产生稳定的频率响应，同时允许晶体振荡器在最佳工作点振荡。

图3示出了根据各种实施例的说明性时钟信号生成系统300的框图。时钟信号生成系统300可以包括时钟系统330和晶体系统305。晶体系统305可以包括晶体组件317和热组件315。如本文所述，晶体组件317可以包括石英晶体或任何经历期望的电致伸缩、逆压电等(即，使得可以电激发频率稳定的共振)的其他晶体。晶体组件317可以与振荡器电路310耦合，振荡器电路310可以包括任何合适的组件以根据晶体组件317生成稳定的参考信号。例如，振荡器电路310可以包括驱动电路，以在晶体组件317两端施加受控的、特定的激励和驱动电压。

热组件315工作，以具有随着热组件315的温度改变而改变的一个或多个电特性。例如，热组件315可以被实现为热敏电阻，其具有根据温度确定地变化的电阻。热组件315被设置为足够地邻近(例如，非常接近)晶体组件317，使得热组件315的温度变化可以用来测量晶体组件317的相应温度变化。如图所示，在一些实现方式中，晶体组件317和热组件315被集成到单个晶体系统305(例如，封装)上，和/或被集成在单个组件外壳内。

时钟系统330的实施例可以包括时钟发生器335、测量子系统340、映射子系统345和后补偿子系统350。如图所示，时钟系统330的实施例还可以包括振荡器电路310。时钟发生器335的实施例可以例如经由时钟参考节点320与晶体系统305的晶体振荡器电路310耦合。在工作期间，时钟参考节点320处的信号是由晶体组件317和振荡器电路310以参考频率生成的时钟参考信号。时钟发生器335的实施例可以以输出频率(在时钟输出节点355处)生成时钟输出信号，该时钟输出信号响应于在时钟参考节点320处以参考频率接收的时钟参考信号。在一些实施例中，时钟发生器335包括锁相环PLL，该锁相环以输出频率被锁定为参考频率的倍数的方式生成时钟输出信号。例如，PLL包括分频器块，该分频器块将时钟输出信号的频率除以分频值，并将分频后的频率反馈到PLL输入侧的比较块。比较块可以将反馈的分频频率与参考频率进行比较。通过将反馈的分频频率锁定为参考频率，PLL可以有效地将输出频率锁定为对应于分频值的参考频率的倍数。例如，如果分频值为N.F(其中N为整数分量，F为分数分量)，则输出频率可以锁定为N.F乘以参考频率。然而，如上所述，在时钟参考节点320处看到的参考频率的漂移会引起在时钟输出节点355处看到的输出频率的相应漂移。实际上，在时钟输出节点355处看到的输出频率中的相应漂移可能会更大，因为输出频率通常是参考频率的倍数(例如，输出频率漂移可以是N.F乘以参考频率漂移)。

因此，时钟系统330的其他组件试图对这种频率漂移进行后补偿。特别地，实施例可以在不干预晶体组件317或振荡器电路310的工作的情况下实现这种后补偿。测量子系统340的实施例可以与晶体系统305的热组件315耦合以测量热组件315的电域电平。例如，测量子系统340可以经由测量节点325与热组件315耦合。在晶体系统305的工作期间，测量节点325处的信号可以对应于热组件315的电域电平。测量节点325处测量的电域电平可以是电流电平、电压电平或任何其他合适的电域电平。在一些实现方式中，热组件315是热敏电阻，并且测量子系统340的实施例可以包括可控电流源，以驱动已知电流通过热敏电阻。在这样的实现方式中，在测量节点325处测量的电域电平是热敏电阻两端的电压。

映射子系统345的实施例可以与测量子系统耦合，以根据用于热组件315的电热映射数据生成与电域电平对应的热域信号。具体地，生成热域信号，以指示晶体组件317的温度(例如，用于指示热组件315的温度，其用作晶体组件317的温度的适当测量值)。在一些实现方式中，测量子系统340生成可用于推导出热组件315的电阻的电测量值(例如，电压和电流测量值)，并且热组件315可以表现出其电阻和其温度之间的预定关系(即其电阻随温度而确定地变化)。电阻和/或温度的变化可以以任何合适的方式表示，例如，表示为非相对值(例如，表示为电阻和/或温度值)，或表示为相对值(例如，表示为电阻和/或温度的大小变化、电阻和/或温度的百分比或其他变化等)。

映射子系统345的实施例还可以根据用于晶体组件317的热频映射数据生成与热域信号对应的频域信号。例如，晶体组件317可以表现出其温度的变化与其振荡频率的变化之间的预定关系。振荡频率的变化可以以任何合适的方式来表示，以指示时钟参考信号远离参考频率的频率漂移，例如，作为非相对谐振频率、作为远离标称谐振频率的漂移量等。在一种实现方式中，振荡频率的变化表示为与标称频率的偏差，以百万分之一(ppm)为单位。例如，如果晶体组件317被设计为名义上以500兆赫振荡，则20ppm的漂移可以对应于10千赫的漂移。对于许多晶体振荡器，可以通过三阶或更高阶多项式来估算整个温度范围内的频率漂移，并且许多这样的晶体振荡器在典型的工作温度范围内可以表现出正负20ppm或更高的频率漂移。

为了说明起见，图4A-图4D示出了本文描述的实施例所利用的各种电和热特性的代表性曲线图400。图4A示出了对于典型热敏电阻，例如图3的热组件315的实现方式，电阻410相对于温度415的说明性曲线图400a。随着热敏电阻的温度415增加，电阻410趋于沿着由指数衰减函数近似的曲线减小。这种函数关系通常在特定的热敏电阻组件中是确定性的，因此该关系是可预测的、可重复的、可测量的等。

图4B示出了对于典型晶体组件，例如图3的晶体组件317的实现方式，相对频率漂移420相对于温度415的说明性曲线图400b。随着晶体组件的温度415增加，其谐振频率趋于沿着由多项式函数近似的曲线变化。例如，在某个标称工作温度T₀ 425(例如，20摄氏度)下，谐振频率处于标称频率，表示为0ppm漂移。随着温度在某个范围内增加或减小，晶体组件的谐振频率趋于偏离标称频率。对于更高阶的响应(例如，三阶、五阶或其他多项式响应)，可能存在某些部分的温度范围，在该部分中，谐振频率趋于向标称频率漂移、或者甚至返回到标称频率。这种函数关系通常在特定的晶体组件中是确定性的，因此该关系是可预测的、可重复的、可测量的等。

如参考图3所描述的，测量子系统340的一些实施例可以将已知电流注入热组件315中，以获得测量节点325处的电压测量值。利用已知的电流和测得的电压，热组件315的电阻可以根据欧姆定律推导出(电压等于电流乘以电阻)，从而根据图4A中的曲线图400a，可以允许推导出温度。在一些这样的实施例中，期望在热组件315的电阻410的大范围内(即，在温度415的大范围内)获得具有明确定义的、相对线性的响应的电压电平。然而，由于例如热敏电阻等电阻组件中电压、电流和电阻之间的比例关系，在所有温度415下注入相同的电流将在整个温度范围内产生非线性电压响应。

因此，测量子系统340的一些实现方式根据基本上作为图4A中的函数关系的倒数的函数来注入电流。这种实现方式由图4C的曲线图400c表示，其示出了针对不同温度的代表性电流注入曲线。如图所示，随着晶体组件317的温度415增加，注入更多的电流。电流420相对于温度415的曲线可以遵循对数增长响应，该对数增长响应基本上对应于热组件315的电阻410相对于温度415的曲线的指数衰减响应的倒数。以这种方式注入电流可以产生电压响应曲线，如图4D所示。图4D示出了测量的电压440相对于温度415的说明性曲线图400d，测量的电压440例如可以响应于根据图4C注入电流而在图3的测量节点325处被测量。根据欧姆定律，可以控制注入电流430以在每个温度415处产生特定的测量电压440值。因此，所得的电压响应曲线400d可以是增大或减小、线性或非线性等(示出了减小的、基本上线性的响应)。

因此，测量子系统340的一些实施例可以根据预定曲线(例如，曲线400c)注入已知电流。测量子系统340可以响应于注入的电流来测量热组件315两端的电压。利用预定的电压响应曲线(例如400d)，测得的电压可用于确定热组件315的当前温度，该温度对应于晶体组件317的当前温度。推导出晶体组件317的当前温度之后，映射子系统345可以使用预定的热漂移响应曲线(例如，400b)来确定晶体组件317的频率(例如，以及在振荡器电路310的输出处生成的相应参考频率)已偏离当前温度下的标称值的量(例如，幅度和方向)。

返回图3，可以以任何合适的方式获得各种曲线(例如，包括参照图4A至图4D描述的曲线)。在一些实施例中，这些曲线的部分或全部可以根据特定组件的规范来确定。例如，特定晶体组件317随温度变化的频率漂移可在该组件的数据表上列出。在其他实施例中，这些曲线的部分或全部可以在将组件集成到时钟信号生成系统300(例如，作为测试台架的一部分、作为用于启动时钟信号生成系统300子程序的一部分)之前和/或之后被测量。例如，测试台可以用于可控地调节热组件315的温度，并且可以在测试的温度范围内记录电阻值。

这些曲线的部分或全部可以被存储，以供时钟信号生成系统300的组件使用。在一些实现方式中，时钟系统330包括简档数据存储器347。简档数据存储器347可以被实现为单独的组件、或者被实现为另一组件的一部分(例如，作为测量子系统340的一部分和/或作为映射子系统345的一部分)。在一些实现方式中，简档数据存储器347包括一个或多个查找表。在其他实现方式中，简档数据存储器347被实现为一个或多个状态机。在其他实施例中，简档数据存储器347包括关系数据库或其他合适的数据结构。作为示例，测量子系统340可以通过根据存储在简档数据存储器347中的简档来注入电流电平(或确定电压电平)，并响应于此，获得热组件315的电域电平测量值，从而测量热组件315的电域电平。测量子系统340然后可以将电域电平测量值提供给映射子系统345，映射子系统345可以使用简档数据存储器347存储的简档将电域电平测量值映射到频率漂移。例如，映射子系统345可以使用针对热组件315存储的电热映射数据(例如，热敏电阻的电阻-温度曲线)来将电域电平映射到由热域信号指示的温度。映射子系统345然后可以使用所存储的晶体组件317的热频映射数据将温度映射到如频域信号所指示的振荡频率的变化(即，到频率漂移)。

后补偿子系统350可以与映射子系统345耦合以接收频域信号，并且后补偿子系统350也可以与时钟发生器335耦合。后补偿子系统350的实施例可以使用频域信号来生成后补偿信号，该后补偿信号可以引导时钟发生器335使输出频率偏移，从而补偿晶体组件317的频率漂移的至少一部分。在一些实施例中，后补偿信号与频域信号成比例，或者在函数上与频域信号直接相关。例如，后补偿信号指示频率去漂移电平，其具有与频域信号幅度相同的幅度(或放大的幅度，例如根据映射子系统345的倍频器)，但是方向相反。在其他实施例中，后补偿子系统350传送数据给(和/或包括部分或全部的)简档数据存储器347；并且简档数据存储器347具有存储在其上的频域信号的特定值和后补偿信号的特定值之间的映射。例如，后补偿子系统350可以确定查找表中最接近接收到的频域信号电平的值，标识存储在查找表中与确定的值相关联的特定数字比特值，并生成后补偿信号以指示所标识的比特值。

图5示出了根据一些实施例的时钟系统500的一部分的说明性实现方式的框图。所示的部分时钟系统500可以是图3的时钟系统330的实现方式的一部分。为了避免使附图过于复杂，仅示出了后补偿子系统350和时钟发生器335的特定实现方式(表示为335’)。时钟发生器335’被实现为具有分数分频器块540的锁相环PLL。尽管未示出，但是PLL可以在晶体振荡器(例如，晶体振荡器电路310)的场景中工作，该晶体振荡器以参考时钟频率生成参考时钟信号，该参考时钟信号由PLL经由节点320接收。PLL包括相位比较块510、环路滤波器块520、压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)块530和分数分频器块540。这些组件通常被布置在反馈环路中，以调节由PLL在节点355处生成的输出信号。如上所述，PLL通常可以试图以锁定到参考频率的倍数的输出频率来生成输出信号，并且该倍数通常是由分数分频器块540设置的分频值的函数(例如，其倒数)。分频值被示为“N.F”，其中“N”是指整数分量，而“F”是指分数分量。例如，如果参考时钟信号频率为32兆赫，且N.F为‘3.125’(即N为‘3’，F为‘125’)，则PLL将以100兆赫(即32乘以3.125)的频率锁定输出时钟信号。分数分频器块540可以任何合适的方式实现。在一些实现方式中，分数分频器块使用Δ-∑调制来有效地生成分数分频值作为随时间变化的平均值。在其他实现方式中，分数分频器块使用周期函数或其他方法来有效地生成分数分频值作为随时间变化的平均值。

在工作中，分频器块540将时钟输出信号的频率除以分频值，并将其反馈回相位比较块510。相位比较块510可以包括任何合适的组件，例如相位/频率检测器(phase/frequency detector，PFD)等，其接收参考时钟信号并将参考时钟信号与来自分频器块540的反馈信号进行比较。相位比较块510的输出是比较的函数，并且被反馈给环路滤波器块520，该环路滤波器块520可以包括用于促进对反馈环路进行滤波的任何合适的组件，例如电荷泵和低通滤波器。环路滤波器块520的输出可以用于控制VCO块530，该VCO块530可以包括环形振荡器和/或任何其他合适的VCO实现方式，以在节点355处生成输出时钟信号。

如参考图3所描述的，后补偿子系统350可以生成后补偿信号，该后补偿信号可以引导时钟发生器335使输出频率偏移，从而补偿(由于晶体组件317的频率漂移而引起的)振荡器电路310的频率漂移的至少一部分。在所示的时钟系统500中，后补偿子系统350的输出是用于调整PLL的分数分频器块540的分频值的信号。在一些实施例中，分数分频器块540包括多个输入节点，通过该输入节点来确定定义分数分频器块540的“N”和“F”的一个或多个信号(例如，对应于数字值)；后补偿信号与一个或两个输入节点耦合。在一个实现方式中，后补偿信号直接耦合到控制“F”的输入节点，使得后补偿子系统350以补偿振荡器电路310的任何频率漂移的部分或全部的方式直接调整分频值的分数分量。在另一实现方式中，后补偿子系统350将后补偿信号作为定义整个“N.F”分频值的字来输出。在其他实现方式中，后补偿信号由有助于控制“N”和/或“F”的一个或多个中间组件接收。例如，在一些实现方式中，PLL的分频值还可以通过一个或多个其他信号(例如，通过数据信号)进行调制，使得在任何特定时刻通过多种因素(例如，通过所需的载波频率、数据信号和后补偿信号)确定“N.F”值。在其他实施例中，后补偿信号可用于(附加地或替代地)控制PLL的一个或多个其他组件。例如，后补偿信号可以用于控制VCO块530的微调参数。

上述各种系统可以以各种方式来实现(例如，参照图1和图3至图5)。例如，参考图3，时钟系统330可以包括(例如，被实现为)集成电路，该集成电路具有集成在其上的测量子系统340、映射子系统345和后补偿子系统350。在一些这样的实施例中，集成电路可以是与振荡器电路310分离的组件。例如，时钟系统330被集成在一个集成电路上，并且振荡器电路310被集成在另一集成电路上。在其他这样的实施例中，时钟系统330和振荡器电路310中的部分或全部可以被集成到单个集成电路上和/或被容纳在单个组件封装中。在一些实施例中，一个或多个集成电路可以包括一个或多个处理器和非暂时性处理器可读存储器。存储器可以具有存储在其上的指令，当执行该指令时，这些指令使得一个或多个处理器实现测量子系统340、映射子系统345和后补偿子系统350的功能。例如，时钟系统330的一个或多个组件可以由处理器实现。此外，尽管将实施例图示和描述为包括具有特定的各个功能的特定的块或组件，但是那些块、组件和/或功能可以以任何合适的方式组合和/或分布。晶体系统305

本文描述的一些实施例也可以集成到其他系统中。参考图1描述的收发机系统的实施例可以包括本文描述的实施例。例如，图1的发射机侧振荡器110t可以被实现为与图3的晶体系统305耦合的图3的振荡器电路310，并且图1的发射机侧PLL 120t可以在图3的时钟系统330的组件的场景中实现。在一些这样的系统中，发射机系统包括晶体系统，具有集成在其中的晶体组件和热敏电阻；振荡器电路，与该晶体组件耦合，以响应于该晶体组件的谐振而以参考频率生成时钟参考信号；以及时钟系统。该时钟系统包括：时钟发生器，与该振荡器电路耦合，以响应于接收来自该振荡器电路的该时钟参考信号而以载波频率生成载波信号；测量子系统，与该热敏电阻耦合以测量指示该热敏电阻的电阻的电域电平；映射子系统，与该测量子系统耦合，以根据该热敏电阻的电阻生成指示该晶体组件的温度的热域信号，并根据该温度生成指示该时钟参考信号远离该参考频率的频率漂移的频域信号；以及后补偿子系统，与该映射子系统和该时钟发生器耦合，以将后补偿信号输出到该时钟发生器，以引导该时钟发生器使该载波频率偏移，从而根据该频域信号补偿该频率漂移的至少一部分。如图1所示，这样的系统还可以包括调制器，该调制器具有与该时钟发生器耦合以接收该载波信号的第一调制器输入、用于接收数据信号的第二调制器输入、以及用于输出根据该数据信号的数字频率估计值对该载波信号进行调制而生成的传输信号的调制器输出。

图6示出了根据各种实施例的用于振荡器系统中频率漂移的后补偿的说明性方法600的流程图。该振荡器系统可以包括与振荡器电路耦合的晶体组件，以驱动该晶体组件并输出响应于该晶体组件的谐振的信号。该振荡器系统还可以包括非常接近该晶体组件的热组件，使得该热组件的温度变化指示该晶体组件的温度的相应变化。例如，该振荡器系统可以实现为图3的晶体系统305的晶体组件317和热组件315以及图3的振荡器电路310。如上所述，尽管将振荡器系统描述为包括那些组件，但是晶体组件317和热组件315可能在单个物理封装中实现，而振荡器电路310很可能与其分开实现。方法600的实施例可以在以参考频率输出时钟参考信号的振荡器电路的场景中进行，使得时钟参考信号可被时钟电路使用，从而以输出频率生成时钟输出信号。方法600的实施例可以通过测量振荡器系统的电域电平在阶段604开始。

在阶段608，实施例可以根据存储的电热映射数据，生成与该电域电平对应的热域信号。生成的热域信号可以指示热组件的温度，该热组件的温度可以对应于该振荡器系统的晶体组件的温度。在一些实施例中，该振荡器系统包括热敏电阻，并且在阶段604处测量电域电平可以包括测量该热敏电阻的电阻。例如，在阶段604处测量热敏电阻的电阻可以包括：驱动电流信号通过该热敏电阻；响应于该电流信号，测量该热敏电阻两端的电压信号；以及根据该电流信号和该电压信号，推导该热敏电阻的电阻。在这样的实施例中，在阶段608处生成该热域信号可以包括根据存储的电热映射数据将该热敏电阻的电阻映射到该热敏电阻的温度。

在阶段612，实施例可以根据存储的热频映射数据，生成与该振荡器系统的热域信号对应的频域信号。该频域信号可以指示该时钟参考信号远离该参考频率的频率漂移。在阶段616，实施例可以将后补偿信号输出到该时钟电路。该后补偿信号可以对应于该频域信号，并且可以引导该时钟输出信号使该输出频率偏移，从而补偿该频率漂移的至少一部分。在一些实施例中，该时钟发生器包括锁相环PLL，该锁相环生成该时钟输出信号，使得该输出频率是该参考频率和分频值的函数。在这样的实施例中，该后补偿信号可以引导分频器块调整该分频值以使该输出频率偏移，从而补偿该频率漂移的至少一部分。在一些实施例中，方法600还可以包括与发射机的集成等有关的功能。例如，一些实施例可以通过接收数据信号以及根据该数据信号对该时钟输出信号进行调制(例如，和/或通过在传输信道上发射该数据信号)而生成传输信号来继续进行到阶段620。

在一些实施例中，方法600通过检测指示发射机的临时激活的传输使能信号而在阶段602(而不是阶段604)开始。例如，在属于发射机部分的实施例中，并且该发射机用于突发传输，可能希望仅在传输期间执行该方法的各个阶段(例如，晶体振荡器不太可能经历热漂移，和/或当发射机不进行发射时，热漂移不太可能产生影响)。在这样的实施例中，可以确定是否检测到传输使能信号。如果没有，则实施例可以继续等待这种检测而无需执行方法600的各个阶段。否则，可以响应于阶段602处的检测来执行阶段604-616中的至少部分阶段(例如，仅当发射机处于活动状态时)。

将理解，当一个元件或组件在本文中被称为“连接”或者“耦合”到另一个元件或组件时，其可连接或者耦合到另一个元件或组件，或者也可存在中间元件或组件。相反，当一个元件或组件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件或组件时，它们之间不存在中间元件或组件。将理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可在本文中用于描述各种元件、组件，但这些元件、组件、区域不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、组件和另一个元件、组件。因此，下文讨论的第一元件、组件可以被称为第二元件、组件，而不背离本发明的教导。如本文所使用的，术语“逻辑低”、“低状态”、“低电平”、“逻辑低电平”、“低”或“0”可互换使用。术语“逻辑高”、“高状态”、“高电平”、“逻辑高电平”、“高”或“1”可互换使用。

如本文所使用的，术语“一”，“一个”和“该”可以包括单数和复数引用。还将理解，术语“包括”、“包含”、“具有”及其变体在本说明书中使用时指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。相反，术语“由……组成”在本说明书中使用时，指明了所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或组件，并且排除了附加的特征、步骤、操作、元件和/或组件。此外，如本文中所使用的，术语“和/或”可以指代且涵盖相关联所列项目中的一个或多个的任一可能组合。

尽管这里参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并非旨在以限制性的意义来解释。相反，说明性实施例的目的是使本领域技术人员更好地理解本发明的精神。为了不模糊本发明的范围，省略了公知的工艺和制造技术的许多细节。当参考说明书时，说明性实施例以及其他实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何此类修改。

此外，本发明的优选实施例的一些特征可以在没有相应使用其他特征的情况下被利用。因此，上述的描述应被认为仅是本发明原理的说明，而不是对其的限制。本领域技术人员能够想到落入本发明范围内的上述实施例的变型。因此，本发明不限于上述讨论的特定实施例和说明，而是由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种时钟系统，包括：

时钟发生器，与振荡器电路耦合并响应于以参考频率接收来自所述振荡器电路的时钟参考信号而以输出频率生成时钟输出信号，所述时钟参考信号是所述振荡器电路响应于耦合到所述振荡器电路的晶体组件的谐振而生成的；

测量子系统，与热组件耦合以测量所述热组件的电域电平；

映射子系统，与所述测量子系统耦合，用于：

根据存储的用于所述热组件的电热映射数据，生成与所述电域电平对应的热域信号，使得所述热域信号指示所述热组件的温度，所述热组件设置在所述晶体组件附近，使得所述热组件的温度变化指示所述晶体组件的温度的相应变化；以及

根据存储的热频映射数据，生成与所述热域信号对应的频域信号，使得所述频域信号指示所述时钟参考信号远离所述参考频率的频率漂移；以及

后补偿子系统，与所述映射子系统和所述时钟发生器耦合，以将后补偿信号输出到所述时钟发生器，使得所述后补偿信号对应于所述频域信号并引导所述时钟发生器使所述输出频率偏移，从而补偿所述频率漂移的至少一部分。

2.如权利要求1所述的时钟系统，其中：

所述热组件是热敏电阻；

所述测量子系统用于测量所述电域电平以指示所述热敏电阻的电阻；以及

所述映射子系统用于根据存储的所述电热映射数据将所述热敏电阻的电阻映射到所述热敏电阻的温度而生成所述热域信号。

3.如权利要求2所述的时钟系统，其中所述测量子系统用于通过以下方式测量所述电域电平以指示所述热敏电阻的电阻：

驱动电流信号通过所述热敏电阻；

响应于所述电流信号，测量所述热敏电阻两端的电压信号；以及

根据所述电流信号和所述电压信号，推导所述热敏电阻的电阻。

4.如权利要求1所述的时钟系统，其中：

所述时钟发生器包括锁相环PLL、用于接收来自所述振荡器电路的时钟参考信号的所述PLL的输入、以及用于输出所述时钟输出信号的所述PLL的输出。

5.如权利要求4所述的时钟系统，其中：

所述PLL包括分频器块以定义分频值，使得所述输出频率是所述参考频率和所述分频值的函数；以及

所述后补偿子系统用于与所述分频器块耦合，使得所述后补偿信号引导所述分频器块调整所述分频值以使所述输出频率偏移，从而补偿所述频率漂移的至少一部分。

6.如权利要求5所述的时钟系统，其中：

所述分频器块是Δ-Σ分数分频器块；

所述分频值具有整数分量和分数分量；以及

所述分数分量至少由所述后补偿信号控制。

7.如权利要求1所述的时钟系统，其中所述映射子系统还包括：

映射数据存储器，其上存储有用于所述热组件的电热映射数据和用于所述晶体组件的热频映射数据。

8.如权利要求7所述的时钟系统，其中：

用于所述热组件的电热映射数据被存储为查找表，所述查找表具有用于所述热组件的多个测量的电值，每个电值与所述热组件的多个温度值中的相应一个温度值相关联地存储；以及

所述映射子系统用于通过以下方式生成所述热域信号：

将所述查找表中所述多个测量的电值之一标识为最接近所述电域电平；

标识存储在所述查找表中与所标识的多个测量的电值之一相关联的所述多个温度值中的相应一个温度值；以及

生成所述热域信号，以将所述晶体组件的温度指示为所标识的多个温度值中的相应一个温度值。

9.如权利要求1所述的时钟系统，还包括：

集成电路，其上集成有所述测量子系统、所述映射子系统和所述后补偿子系统，所述集成电路是与所述晶体组件和所述热组件分离的组件。

10.如权利要求9所述的时钟系统，其中所述集成电路还具有集成在其上的所述时钟发生器。

11.如权利要求9所述的时钟系统，其中所述集成电路还具有集成在其上的所述振荡器电路。

12.如权利要求9所述的时钟系统，其中所述集成电路还包括：

一个或多个处理器；以及

非暂时性处理器可读存储器，其上存储有指令，当执行所述指令时，这些指令使得所述一个或多个处理器实现所述测量子系统、所述映射子系统和所述后补偿子系统。

13.一种发射机系统，包括：

晶体系统，具有集成在其中的晶体组件和热敏电阻；

振荡器电路，与所述晶体组件耦合，以响应于所述晶体组件的谐振而以参考频率生成时钟参考信号；以及

时钟系统，包括：

时钟发生器，与所述振荡器电路耦合，以响应于接收来自所述振荡器电路的所述时钟参考信号而以载波频率生成载波信号；

测量子系统，与所述热敏电阻耦合以测量指示所述热敏电阻的电阻的电域电平；

映射子系统，与所述测量子系统耦合，以根据所述热敏电阻的电阻生成指示所述晶体组件的温度的热域信号，并根据所述温度生成指示所述时钟参考信号远离所述参考频率的频率漂移的频域信号；以及

后补偿子系统，与所述映射子系统和所述时钟发生器耦合，以将后补偿信号输出到所述时钟发生器以引导所述时钟发生器使所述载波频率偏移，从而根据所述频域信号补偿所述频率漂移的至少一部分。

14.如权利要求13所述的发射机系统，还包括：

调制器，具有与所述时钟发生器耦合以接收所述载波信号的第一调制器输入、用于接收数据信号的第二调制器输入、以及用于输出根据所述数据信号对所述载波信号进行调制而生成的传输信号的调制器输出。

15.一种用于振荡器电路中频率漂移的后补偿的方法，所述振荡器电路以参考频率输出时钟参考信号，使得所述时钟参考信号可被时钟电路使用，从而以输出频率生成时钟输出信号，所述方法包括：

测量包括晶体组件、热组件和振荡器电路的振荡器系统的电域电平；

根据存储的电热映射数据，生成与所述电域电平对应的热域信号，使得所述热域信号指示所述晶体组件的温度；

根据存储的热频映射数据，生成与所述热域信号对应的频域信号，使得所述频域信号指示所述时钟参考信号远离所述参考频率的频率漂移；以及

将后补偿信号输出到所述时钟电路，使得所述后补偿信号对应于所述频域信号并引导所述时钟输出信号使所述输出频率偏移，从而补偿所述频率漂移的至少一部分。

16.如权利要求15所述的方法，其中：

所述热组件是热敏电阻；

测量所述电域电平包括测量所述热敏电阻的电阻；以及

生成所述热域信号包括根据存储的所述电热映射数据将所述热敏电阻的电阻映射到所述热敏电阻的温度。

17.如权利要求15所述的方法，其中测量所述热敏电阻的电阻包括：

驱动电流信号通过所述热敏电阻；

响应于所述电流信号，测量所述热敏电阻两端的电压信号；以及

根据所述电流信号和所述电压信号，推导所述热敏电阻的电阻。

18.如权利要求15所述的方法，其中：

所述时钟发生器包括锁相环PLL，所述PLL生成所述时钟输出信号，使得所述输出频率是所述参考频率和分频值的函数；以及

所述后补偿信号引导分频器块调整所述分频值以使所述输出频率偏移，从而补偿所述频率漂移的至少一部分。

19.如权利要求15所述的方法，其中所述时钟电路和所述振荡器系统是发射机电路的一部分，并且还包括：

检测指示发射机的临时激活以进行突发传输的传输使能信号，

其中，响应于所述检测，执行测量所述电域电平、生成所述热域信号、生成所述频域信号以及输出所述后补偿信号中的至少一些步骤。

20.如权利要求15所述的方法，其中所述时钟电路和所述振荡器系统是发射机电路的一部分，并且还包括：

接收数据信号；以及

根据所述数据信号的数字频率估计对所述时钟输出信号进行调制，生成传输信号。

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