CN1237289A - 用于执行相位比较的方法和相位比较器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及执行相位比较的一种方法和一个相位比较器。在该解决方案中,使用两个功能上相似的异步的状态机(200和202)比较两个二进制信号(A和B),产生输出信号(PA和PB)。该输出信号(PA和PB)被用于控制相位。给第一状态机(200)馈送:要比较的第一信号(A),第二状态机(202)的输出信号(PB)和第二状态机(202)的符号交换信号(RB)。给第二状态机(202)馈送:要比较的第二信号(B),第一状态机(200)的输出信号(PA)和第一状态机(200)的符号交换信号(RA)。在已经检测到要比较的信号(分别为A和B)已经激活之后,两个状态机(200和202)激活它们的各自符号交换信号(RA和RB)。该符号交换信号(RA和RB)保证该相位比较器的逻辑运算。检测在两个状态机(200和202)的相位中的相位差和控制两个状态机中的相位的输出信号(PA和PB)的激活包括检验要比较的传送给每一个状态机(200和202)的信号(A和B)的状态,相邻状态机(200和202)的输出信号(PA和PB)的状态和相邻状态机(200和202)的符号交换信号(RA和RB)的状态。

Description

用于执行相位比较的方法和相位比较器
本发明涉及用于执行相位比较的方法，在该方法中利用两个异步的状态机比较两个二进制信号，利用该状态机产生两个输出信号来控制相位。
本发明又涉及一个相位比较器，它包括两个异步的状态机，被安排用于产生两个输出信号来控制相位。
在例如锁相环的操作中需要一个数字相位比较器。锁相环用于时钟信号与外部信号同步的应用中。典型的应用是数字无线电系统接收器，其中接收器与接收信号同步以便检测该信号。
有各种的现有技术相位比较器解决方案。最通常的解决方案包括同步地或异步地起作用的逻辑电路和反馈。专利EP520558包含在这里作为参考，公开了一个相位比较电路解决方案，它包括逻辑门。为了避免瞬变过程，使用延迟装置保证相位比较器的逻辑电路的操作，延迟装置也是逻辑门。当两个输入信号同时地变化时出现瞬变过程，这是对异步电路的可靠操作最有害的。然而为避免瞬变过程而使用延迟装置不是所希望的，因为使用延迟装置例如要求特别地小心的电路布局设计。
因此本发明的一个目的是提供一种方法和实现该方法的一个设备，以便解决上面提到的问题和避免使用延迟装置。
利用在前言中描述的方法达到了这个目的，其特征在于在该方法中使用两个异步的、功能上相似的状态机，因此给第一状态机馈送：要比较的第一信号，第二状态机的输出信号和第二状态机的符号交换信号，而给第二状态机馈送：要比较的第二信号，第一状态机的输出信号和第一状态机的符号交换信号；第一状态机在检测到要比较的第一信号被激活之后激活它的符号交换信号；第二状态机在已经检测要比较的第二信号被激活之后激活它的符号交换信号，该符号交换信号确保该方法的逻辑运算；和为了激活检测第一状态机的相位中的相位差和控制第一状态机中的相位的输出信号，采取下列步骤：检验要比较的第一信号的状态，第二状态机的输出信号的状态和第二状态机的符号交换信号的状态；以及为了激活检测第二状态机的相位中的相位差和控制第二次状态机中的相位的输出信号，采取下列步骤：检验要比较的第二信号的状态，第一状态机的输出信号的状态和第一状态机器的符号交换信号的状态。
而本发明的相位比较器的特征在于该状态机功能上是相似的，第一状态机将要比较的第一信号，第二状态机的输出信号和第二状态机的符号交换信号作为输入信号；第二状态机将要比较的第二信号，第一状态机的输出信号和第一状态机的符号交换信号作为输入信号；安排第一状态机从要比较的第一信号的触发沿(active edge)产生它的符号交换信号，而安排第二状态机从要比较的第二信号的触发沿产生它的符号交换信号，该符号交换信号通过检测要比较的每一信号的触发沿来保证该相位比较器的逻辑运算；以及为了激活检测第一状态机中的相位差的输出信号，安排第一状态机：检验要比较的第一信号的状态，第二状态机的输出信号的状态和第二状态机的符号交换信号的状态；以及为了激活检测第二状态机中的相位差的输出信号，安排第二状态机：检验要比较的第二信号的状态，第一状态机的输出信号的状态和第一状态机的符号交换信号的状态。
该方法和相位比较器提供各种的优点。本发明的解决方案允许分开安排延迟装置，并且该解决方案很适合数字asic(专用集成电路)电路。该操作利用符号交换机理保证。另外，该结构是对称的，因此提供对于每个输入信号和每个输出信号相似的定时。
现在结合优选的实施例和参照附图更详细地描述本发明，其中
图1是说明锁相环的方框图；
图2是说明相位比较器的方框图；
图3是说明第一状态机的流程图；
图4是说明第二状态机的流程图；
图5是说明第一状态机的状态图；
图6是说明第二状态机的状态图；和
图7说明实现状态机的一个例子。
本发明的解决方案特别地适合于在锁相环(PLL)中使用，然而并非仅限于此。在更宽的基础上，本发明的解决方案适用于数字无线电系统的PLL接收器。
图1说明一个锁相环，它包括一个基准频率源100，第一除法器102，一个相位比较器104，一个电荷泵106，一个环路滤波器108，一个缓冲区级110，一个压控振荡器112和第二除法器114。第一除法器102、相位比较器104、电荷泵106和第二除法器114形成一个合成器电路116。第二除法器114是在从压控振荡器112反馈到相位比较器104的反馈中。参考信号源100例如可以是对应于通过接收器接收的信号的频率的信号，该信号前进到除法器102，在此通过应用适当的系数M减少了信号频率。除了要比较的第一信号即参考信号A之外，具有对应于输出信号的频率的要比较的第二信号B也供应给相位比较器并且频率相位彼此比较。要比较的第一信号A和要比较的第二信号B是二进制。比较产生两个信号PA和PB，其中PA增加由电荷泵106提供电压，而PB减少由电荷泵106提供的电压。从电荷泵106传送的电压信号在环路滤波器108中滤波，从该信号中除去干扰。在滤波之后，信号前进到缓冲区级110，它放大该信号以适合振荡器112。用于控制振荡器110的电压信号越高，振荡器110的频率越高。缓冲区110供给压控振荡器112的电压取决于电荷泵106的电压电平，该电压电平又取决于相位比较器104的信号相位。因此由压控振荡器112提供的频率是基准频率的函数。
现在我们参见图2更详细地研究本发明的相位比较器104。相位比较器104包括两个功能上相似的异步的状态机(ASM)200和202。状态机200和202具有作为输出信号的电荷泵106的控制信号PA和PB。状态机200接收参考信号A，状态机202的输出信号PB和状态机202的符号交换信号RB。状态机202又接收反馈信号B，状态机200的输出信号和状态机200的符号交换信号RA。当状态机200已经检测参考信号A中的触发沿时，符号交换信号RA是有效的。类似地，当检测反馈信号B中的触发沿时，符号交换信号RB是有效的。例如上升沿可以起触发沿作用。因此本发明的解决方案包括对称地连接一起的两个对称的异步状态机200和202，如图2所示。符号交换机理(信号RA和RB)确保相邻状态机的操作，而无信号的延迟。
现在我们参见图3和4更详细地研究相位比较器的操作。我们首先讨论第一状态机200的操作。在方框300和302中状态机控制参考信号A的激活。当在方框302激活该参考信号时，过程在方框304中检查第二状态机202的符号交换信号RB是否已经激活。如果符号交换信号RB没有激活，过程继续到方框306，在此信号PA和RA被激活。信号PA指示电荷泵106增加该信号的输出电压以及符号交换信号RA通知第二状态机202已经检测到信号A的触发沿。
另一方面，如果符号交换信号RB是有效的，过程继续到方框316，在此仅仅激活符号交换信号RA，指示已经检测到一个触发沿。因此同时不激活两个(双方)输出信号PA以及PB。符号交换信号RA保持有效的，直到在方框318检测到第二状态机202的输出信号PB被激活为止，在此过程前进到等待信号A的状态变化。
从方框306过程继续到方框308，在此第二状态机202的符号交换信号RB被测试。只要符号交换信号RB是非有效的，第一状态机的输出信号PA以及符号交换信号RA是有效的。信号A和B之间的频率差别越大，如在相位比较器104中表示的相位差，在方框306以及308第一状态机200保持得越长以及输出信号PA指示电荷泵106越长以增加振荡器112的电压和频率到对应于基准频率的频率值。当在方框308状态机200检测第二状态机202的符号交换信号RB是激活时，状态机200移到方框310，在此只要在方框312中第二状态机202的输出信号是有效的，符号交换信号RA保持有效的。然而当过程继续到方框310时，输出信号PA被设置为非有效的。当第二状态机202的输出信号PB被去激活，过程保持在方框314，等待参考信号A的状态也变化。图4是说明在方框400到414中第二状态机202的操作的流程图，它对应于第一状态机200的方框300到314。第二状态机202的操作类似于第一状态机200的操作，因此不作更详细描述。状态机200可以代替状态机202的操作，反之亦然。
图5是稍微更详细地说明状态机200的操作的状态图。紧跟在信号符号之后的指向上的箭头指示信号的激活和指向下的箭头表示去激活。第一状态机200的每个有效的信号在状态转换中去激活，除非在状态转换之后的状态所讨论的信号被重新激活。在状态图的每一个状态可以由3个比特表示，并且状态被有利地进行编码使得仅仅一个比特彼此不同。状态机200保持它的初态000直到参考信号A被激活为止。由于参考信号被激活，状态机200移到状态001，由此进行到状态011或者101的转换，这取决于第二状态机202的符号交换信号RB是不是有效的。如果符号交换信号RB是非有效的，过程移到状态110，只要RB是非有效的就保持在那里。同时，只要过程停留在状态011，状态机200的符号交换信号RA和输出信号PA就保持有效。当第二状态机202的符号交换信号被激活，过程继续到状态111并且第一状态机的输出信号PA被去激活。然而符号交换信号RA仍然保持有效的。当第二状态机202的符号交换信号PB被去激活时过程从状态111移到状态110。状态110也从状态101进入，如果第二状态机202的符号交换信号RB是有效的，过程从状态001移向该处。状态101被保持直到第二状态机202的输出信号被去激活为止，在此之后过程移到状态110。当必要时从状态110过程移动到状态100等待第一状态机200的参考信号被去激活。图6说明第二状态机202的相似的状态图，因此这里不再详细地描述。第二状态机202的状态600到612对应于第一状态机200的状态500到512。
图7表示状态机200和202的实现方法的例子。根据图5和6所示的状态图，本领域技术人员可以以各种不同的方法实现状态机200和。图7表示使用非门700至704、与门706至722、736和738以及或门724至728和740的一个例子。状态机的输入包括一个复位输入RESET，它根据所讨论的状态机是第一状态机200或者第二状态机202，来用于复位该机器为零，和信号RB/RA,A/B与PB/PA。输出是信号PA/PB和RA/RB．
虽然本发明在上面参见附图所示的一个例子描述了，显然本发明不限于此，而是它可以在所附的权利要求书公开的本发明思想的范围内以各种的方法改变。

Claims (14)

1．一种执行相位比较的方法，在该方法中利用两个异步的状态机(200与202)比较两个二进制信号(A和B)，利用状态机(200和202)产生两个输出信号(PA与PB)控制相位，其特征在于两个异步的、功能上相似的状态机(200与202)用于该方法中，因此给第一状态机(200)馈送：要比较的第一信号(A)，第二状态机(202)的输出信号(RB)和第二状态机(202)的符号交换信号(RB)，并且给第二状态机(202)馈送：要比较的第二信号(B)，第一状态机(200)的输出信号(PA)和第一状态机(200)的符号交换信号(RA)；
在已经检测到要比较的第一信号(A)被激活之后，第一状态机(200)激活它的符号交换信号(RA)；在已经检测到要比较的第二信号(B)被激活之后，第二状态机(202)激活它的符号交换信号(RB)，符号交换信号(RA和RB)保证该方法的逻辑运算；并且
为了激活检测第一状态机(200)的相位中的相位差和控制第一状态机(200)中的相位的输出信号(PA)，采取下列步骤：
检验要比较的第一信号(A)的状态、第二状态机(202)的输出信号(PB)的状态和第二状态机(202)的符号交换信号(RB)的状态；并且
为了激活检测第二状态机(202)的相位中的相位差和控制第二状态机(202)中的相位的输出信号(PB)，采取下列步骤：
检验要比较的第二信号(B)的状态、第一状态机(200)的输出信号(PA)的状态和第一状态机(200)的符号交换信号(RA)的状态。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于：第一状态机(200)的输出信号(PA)和符号交换信号(RA)在至少一个状态的持续期间被激活，如果仅仅检测到要比较的第一信号(A)是有效的，由第一状态机(200)接收的其它信号保持非有效；和
第二状态机(202)的输出信号(B)和符号交换信号(RB)在至少一个状态的持续期间被激活，如果仅仅检测到要比较的第二信号(B)是在有效状态，由第二状态机(202)接收的其它信号保持非有效。
3．根据权利要求2的方法，其特征在于：第一状态机(200)的符号交换信号(RA)和输出信号(PA)已经被激活，在第二状态机(202)的符号交换信号(RB)已经被激活之后，设置第一状态机(200)的输出信号(PA)为非有效；
第一状态机(200)的符号交换信号(RA)和输出信号(PA)已经激活并且第二状态机(202)的符号交换信号(RB)已经激活，只要第二状态机(202)的符号交换信号(RB)是有效的，第一状态机(200)的符号交换信号(RA)保持有效；并且
第二状态机(202)的符号交换信号(RB)和输出信号(PB)已经激活，在第一状态机(200)的符号交换信号(RA)已经激活之后，设置第二状态机(202)的输出信号(PB)为非有效；
第二状态机(202)的符号交换信号(RB)和输出信号(PB)已经激活并且第一状态机(200)的符号交换信号(RA)已经激活，只要第一状态机(200)的符号交换信号(RA)是有效的，第二状态机(202)的符号交换信号(RB)保持有效。
4．根据权利要求2的方法，其特征在于：只要第二状态机(202)的符号交换信号(RB)是非有效的，第一状态机(200)的输出信号(PA)和符号交换信号(RA)保持有效的，和
只要第一状态机(200)的符号交换信号(RA)是非有效的，第二状态机(202)的输出信号(PB)和符号交换信号(RB)保持有效。
5．根据权利要求1的方法，其特征在于：要比较的第一信号(A)已经激活，如果第二状态机(202)的符号交换信号(RB)也被检测是有效的，第一状态机(200)的符号交换信号(RA)在至少一个状态的持续期间是激活的，和
要比较的第二信号(B)已经激活，如果第一状态机(200)的符号交换信号(RA)也被检测是有效的，第二状态机(202)的符号交换信号(RB)在至少一个状态的持续期间是激活的。
6．根据权利要求5的方法，其特征在于：只要第二状态机(202)的输出信号(PB)是有效的，第一状态机(200)的符号交换信号(RA)保持有效，和
只要第一状态机(200)的输出信号(PA)是有效的，第二状态机(202)的符号交换信号(RB)保持有效。
7．根据权利要求1的方法，其特征在于每一个状态机(200和202)的连续的状态彼此仅仅一个比特不同。
8．一个相位比较器(104)，包括两个异步的状态机(200和202)，它们被安排产生两个输出信号(PA和PB)控制一个相位，其特征在于状态机(200和202)是功能上相似的，第一状态机(200)将要比较的第一信号(A)，第二状态机(202)的输出信号(PB)和第二状态机(202)的符号交换信号(RB)作为输入信号；
第二状态机(202)将要比较的第二信号(B)，第一状态机(200)的输出信号(PA)和第一状态机(200)的符号交换信号(RA)作为输入信号；
安排第一状态机(200)从要比较的第一信号(A)的触发沿产生它的符号交换信号(RA)，并且安排第二状态机(202)从要比较的第二信号(B)的触发沿产生它的符号交换信号(RB)，符号交换信号(RA和RE)通过检测要比较的每一个信号(A和B)的触发沿保证相位比较器(104)的逻辑运算；以及
为了激活检测第一状态机(200)中的相位差的输出信号(PA)，安排第一状态机(200)：
检验要比较的第一信号(A)的状态，第二状态机(202)的输出信号(PB)的状态以及第二状态机(202)的符号交换信号(RB)的状态；以及
为了激活检测第二状态机(202)中的相位差的输出信号(PB)，安排第二状态机(202)：
检验要比较的第二信号(B)的状态，第一状态机(200)的输出信号(PB)的状态以及第一状态机(200)的符号交换信号(RA)的状态。
9．根据权利要求8的相位比较器(104)，其特征在于：安排第一状态机(200)在至少一个状态的持续期间激活它的输出信号(PA)，如果仅仅要比较的第一信号(A)在有效状态，由第一状态机(200)接收的其它信号是非有效的，以及
安排第二状态机(202)在至少一个状态的持续期间激活它的输出信号(PB)，如果仅仅要比较的第一信号(B)在有效状态，由第二状态机(202)接收的其它信号是非有效的。
10．根据权利要求9的相位比较器(104)，其特征在于：第一状态机(200)的符号交换信号(RA)和输出信号(PA)已经激活以及第二状态机(202)的符号交换信号(RB)已经激活，只要第二状态机(202)的符号交换信号(RB)是有效的，安排第一状态机(200)保持符号交换信号(RA)有效，和
第二状态机(202)的符号交换信号(RB)和输出信号(PB)已经激活以及第一状态机(202)的符号交换信号(RB)已经激活，只要第一状态机(200)的符号交换信号(RA)是有效的，安排第二状态机(202)保持符号交换信号(RB)有效。
11．根据权利要求9的相位比较器(104)，其特征在于：只要第二状态机(202)的符号交换信号(RB)是非有效的，安排第一状态机(200)保持输出信号(PA)以及符号交换信号(RA)有效，以及
只要第一状态机(200)的符号交换信号(RA)是非有效的，安排第二状态机(202)保持输出信号(PB)以及符号交换信号(RB)有效。
12．根据权利要求8的相位比较器(104)，其特征在于：要比较的第一信号(A)已经激活，如果第二状态机(202)的符号交换信号(RB)也是有效的，安排第一状态机(200)在至少一个状态的持续期间激活符号交换信号(RA)，以及
要比较的第一信号(B)已经激活，如果第一状态机(200)的符号交换信号(RA)也是有效的，安排第二状态机(202)在至少一个状态的持续期间激活符号交换信号(RB)。
13．根据权利要求12的相位比较器(104)，其特征在于：只要第二状态机(202)的输出信号(PB)是有效的，安排第一状态机(200)保持符号交换信号(RA)有效，以及
只要第二状态机(200)的输出信号(PA)是有效的，安排第二状态机(202)保持符号交换信号(RB)有效。
14．根据权利要求8的相位比较器(104)，其特征在于：安排两个状态机(200和202)的连续的状态彼此仅仅一个比特不同。
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