DE10308921A1 - Phase locked loop (PLL) for frequency syntehsis for HF PLL in digital circuit technique for mobile radio application, e.g. in blue tooth standard, with digitally controllable oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Phasenregelanordnung zur Frequenzsynthese.The present invention relates to a phase control arrangement for frequency synthesis.
Zur Frequenzsynthese werden üblicherweise Phasenregelkreise, sogenannte PLL, Phase-Locked Loop, eingesetzt. Für Mobilfunkanwendungen, bei denen Trägerfrequenzen im Gigahertz-Bereich benötigt werden, ist es üblich, analog arbeitende PLL zu verwenden. Bei dem Mobilfunkstandard Bluetooth beispielsweise muß eine Trägerfrequenz in der Größenordnung von 2,4 Gigahertz erzeugt werden, auf die Nutzdaten auf moduliert werden.Frequency synthesis is usually used Phase locked loops, so-called PLL, phase-locked loop, are used. For mobile applications, at which carrier frequencies in the gigahertz range become, it is common to use analog PLL. For example, with the Bluetooth mobile radio standard must be one carrier frequency in the order of magnitude of 2.4 gigahertz are generated on which user data is modulated on become.
Bei analogen PLL ist üblicherweise ein analoger, spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen, ein sogenannter VCO, Voltage Controlled Oscillator, dessen Ausgangssignal, über einen Teiler frequenzgeteilt, einem Phasen-/Frequenzdetektor zugeführt wird. Dieser vergleicht das heruntergeteilte Oszillatorsignal mit einem Bezugssignal und steuert in Abhängigkeit von einer Phasen- und/oder Frequenzabweichung über eine Ladungspumpenschaltung und ein Schleifenfilter den Oscillator an. In Weiterbildungen dieser analogen PLL kann der Frequenzteiler als sogenannter Multi-Modulus-Teiler ausgeführt sein, der mit einem digitalen Modulationssignal beispielsweise über einen Sigma-Delta-Wandler angesteuert wird.With analog PLL is common an analog, voltage-controlled oscillator is provided, a so-called VCO, Voltage Controlled Oscillator, whose output signal, via a Divider frequency divided, a phase / frequency detector is supplied. This compares the divided oscillator signal with one Reference signal and controls depending from a phase and / or frequency deviation via a charge pump circuit and a loop filter to the oscillator. In further training of these The frequency divider can function as an analog PLL as a so-called multi-modulus divider accomplished be with a digital modulation signal, for example via a Sigma-delta converter is controlled.
Derartige, analoge PLL umfassen sowohl analog als auch digital arbeitende Funktionsblöcke. Ein wesentlicher Nachteil derartiger, sogenannter hybrider PLL im Hinblick auf deren Herstellungsmöglichkeiten in integrierter Schaltungstechnik liegt in dem verhältnismäßig großen Platzbedarf auf dem Chip, insbesondere bezüglich der Ladungspumpenschaltung und des Schleifenfilters, und auch in der hohen Anzahl der analog aufgebauten Funktionsblöcke.Such analog PLL include both analog as well as digitally working function blocks. A major disadvantage such, so-called hybrid PLL in terms of their manufacturing capabilities in integrated circuit technology lies in the relatively large space requirement on the chip, especially regarding the charge pump circuit and the loop filter, and also in the high number of analog function blocks.
Es ist daher wünschenswert, eine Hochfrequenz-PLL möglichst weitgehend in digitaler Schaltungstechnik aufzubauen, einschließlich des Oszillators.It is therefore desirable to have a high frequency PLL preferably largely build in digital circuitry, including the Oscillator.
Eine Problematik ergibt sich bei einem rein digitalen Aufbau des gesteuerten Oszillators aufgrund des notwendigerweise vorhandenen Quantisierungsfehlers. Es sind bei einem digital gesteuerten Oszillator lediglich diskrete Frequenzen erzeugbar mit einer vom geringwertigsten Bit abhängigen Quantisierungsschrittweite. Aufgrund einer derartigen, digitalen Ansteuerung des Oszillators entstehen in dessen Ausgangsspektrum unerwünschte Seitenlinien im Abstand der Schaltfrequenz, mit der frequenzbestimmende Bauteile im Oszillator geschaltet werden. Da die Schaltfrequenz normalerweise deutlich kleiner als die Oszillatorfrequenz ist, führt dies zur Verletzung der spektralen Sendemaske. Bei dem Mobilfunksystem Bluetooth beispielsweise muß die ausgesendete Leistung, genauer die sogenannte in-band spurious emission, bei einer Meßbandbreite von einem Megahertz im Abstand von größer als 3 MHz einen Wert kleiner als –40 dBm betragen. Dies ist in der Bluetooth-Spezifikation angegeben.A problem arises with a purely digital structure of the controlled oscillator of the necessarily present quantization error. There are in the case of a digitally controlled oscillator, only discrete frequencies can be generated with a quantization step size dependent on the least significant bit. Because of such a digital control of the oscillator undesirable side lines arise at a distance in its output spectrum the switching frequency with which frequency-determining components in the oscillator be switched. Because the switching frequency is usually clear is less than the oscillator frequency, this leads to the violation of the spectral transmission mask. With the mobile radio system Bluetooth, for example must be the broadcast Performance, more precisely the so-called in-band spurious emission a measuring bandwidth of one megahertz at a distance greater than 3 MHz, a value smaller than –40 dBm. This is stated in the Bluetooth specification.
Die unerwünschte Schaltfrequenz könnte dadurch unterdrückt werden, daß am Eingang des Oszillators ein Digital-Analog(DA)-Wandler angeschlossen ist, der das digitale Steuerwort in eine analoge Abstimmspannung konvertiert. Durch eine derartige Mittelwertbildung am Ausgang des DA-Wandlers wird die Taktfrequenz unterdrückt. Dieser Lösungsansatz hat jedoch den gravierenden Nachteil, daß ein hochpräziser und vor allem sehr schnell arbeitender DA-Wandler nötig ist, der aufgrund der benötigten Bittiefe einen sehr großen Aufwand bezüglich der Integration des Funktionsblockes bedeuten würde.This could result in the undesired switching frequency repressed be that on Input of the oscillator a digital-to-analog (DA) converter is connected which converts the digital control word into an analog tuning voltage. Through such averaging at the output of the DA converter the clock frequency is suppressed. This approach has the serious disadvantage, however, that a highly precise and above all, very fast-working DA converter is necessary, due to the bit depth required a very big one Effort related to the integration of the function block would mean.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstig integrierbare Phasenregelanordnung anzugeben, welche zur Anwendung in Mobilfunkgeräten gemäß moderner, digitaler Mobil funkstandards geeignet ist und die dort vorgesehenen Spezifikationen einhält.Object of the present invention is an inexpensive one integrable phase control arrangement to specify which to use in mobile devices according to modern, digital mobile radio standards and the specifications provided there comply.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Phasenregelanordnung, aufweisend
- – einen digital steuerbaren Oszillator mit einem Steuereingang und mit einem Ausgang,
- – eine Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung mit einem ersten Eingang zum Zuführen eines Referenzsignals, mit einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist, und mit einem Ausgang zur Abgabe eines Fehlersignals und
- – ein Mittel zur Erhöhung der Abtastrate des Fehlersignals, welches den Ausgang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung mit dem Steuereingang des Oszillators koppelt.
- A digitally controllable oscillator with one control input and one output,
- A phase / frequency comparison device with a first input for supplying a reference signal, with a second input which is coupled to the output of the oscillator, and with an output for outputting an error signal and
- - A means for increasing the sampling rate of the error signal, which couples the output of the phase / frequency comparison device to the control input of the oscillator.
Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip ist eine digital arbeitende Phasenregelanordnung vorgesehen, welche sich durch die besondere Ansteuerung des Oszillators mit erhöhter Abtastrate des digital codierten Abstimmsignals auszeichnet.According to the proposed principle a digitally operating phase control arrangement is provided, which due to the special control of the oscillator with an increased sampling rate of the digitally coded voting signal.
Die Referenzseitenbänder des Ausgangsspektrums liegen wegen der Überabtastung des digitalen Ausgangsworts des Phasen-/Frequenzvergleichers außerhalb des Nutzbandes.The reference sidebands of the Output spectrum are due to the oversampling of the digital Output word of the phase / frequency comparator outside of the useful band.
Durch die vorgeschlagene Erhöhung der Abtastrate des Steuersignals oder Abstimmsignals des Oszillators ist es möglich, spektrale Sendemasken auch moderner, digitaler Mobilfunkstandards bei Verwendung kostengünstiger, digitaler Funktionsblöcke, insbesondere eines digital abstimmbaren Oszillators, einzuhalten.By the proposed increase in Sampling rate of the control signal or tuning signal of the oscillator Is it possible, spectral transmission masks also of modern, digital mobile radio standards when using cheaper, digital function blocks, in particular of a digitally tunable oscillator.
Die Überabtastung des digitalen Abstimmwortes des Oszillators gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird auch als Oversampling bezeichnet.The oversampling of the digital tuning word of the oscillator according to the proposed one The principle is also known as oversampling.
Die Taktfrequenz, mit der die Übertastung erfolgt, und die dem Mittel zur Erhöhung der Abtastrate zuführbar ist, ist bevorzugt deutlich größer als die Bezugsfrequenz des Phasenregelkreises.The clock frequency with which the oversampling takes place, and which can be supplied to the means for increasing the sampling rate, is preferably significantly larger than the reference frequency of the phase locked loop.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Wandler vorgesehen, der den Ausgang des digital steuerbaren Oszillators mit dem zweiten Eingang des Phasen-/Frequenzvergleichers koppelt und der ausgelegt ist zur Abgabe eines digital codierten Phasensignals in Abhängigkeit von der Ausgangsfrequenz des Oszillators.According to a preferred development the invention a converter is provided which the output of the digital controllable oscillator couples to the second input of the phase / frequency comparator and which is designed to emit a digitally coded phase signal dependent on from the output frequency of the oscillator.
Durch Zuführen lediglich der Phaseninformation des Oszillators sowie des Ausgangssignals des digital steuerbaren Oszillators kann ein einfach aufgebauter, digitaler Phasen-/Frequenzvergleicher, bevorzugt ein sogenannter Digital Fractional Phase Comparator, eingesetzt werden.By supplying only the phase information of the oscillator and the output signal of the digitally controllable Oscillators can be a simple digital phase / frequency comparator, preferably a so-called digital fractional phase comparator is used become.
Bevorzugt ist zwischen den Ausgang des digital steuerbaren Oszillators und den Wandler, der der Ausgangsfrequenz des Oszillators das digital codierte Phasensignal zuordnet, ein begrenzender Verstärker geschaltet. Dieser dient bevorzugt zur Konversion des Ausgangssignals des Oszillators in ein Rechteck- oder Trapezsignal und ermöglicht damit eine verbesserte Konvertierbarkeit des so gewonnenen Taktsignals in ein Phasensignal.Is preferred between the exit of the digitally controllable oscillator and the converter that the output frequency assigns the digitally encoded phase signal to the oscillator limiting amplifier connected. This is preferably used to convert the output signal of the oscillator into a square wave or trapezoidal signal and thus enables one improved convertibility of the clock signal thus obtained into a Phase signal.
Das Mittel zur Erhöhung der Abtastrate hat bevorzugt einen Takteingang zu Synchronisationszwecken, welcher mit dem Ausgang des Oszillators gekoppelt ist.The means to increase the Sampling rate preferably has a clock input for synchronization purposes, which is coupled to the output of the oscillator.
Durch die bevorzugte Kopplung des Takteingangs des Mittels zur Erhöhung der Abtastrate mit dem Ausgang des Oszillators kann das digitale Abstimmsignal, welches dem Oszillator zu dessen Steuerung zugeführt wird, auf eine Taktfrequenz synchronisiert werden, welche mit Vorteil bei geringem Aufwand der Schaltung deutlich größer ist als die Referenzfrequenz der Phasenregelanordnung.Due to the preferred coupling of the Clock input of the means for increasing the sampling rate with the output of the oscillator can be digital Tuning signal, which is fed to the oscillator for its control, be synchronized to a clock frequency, which is advantageous with little effort of the circuit is significantly larger than the reference frequency the phase control arrangement.
Die Taktfrequenz zur Synchronisierung des Mittels zur Erhöhung der Abtastrate wird bevorzugt durch Frequenzteilung aus dem Signal mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators gewonnen.The clock frequency for synchronization of the means to increase the sampling rate is preferred by frequency division from the signal obtained with the output frequency of the oscillator.
Der Frequenzteilerwert des Frequenzteilers, der den Ausgang des Oszillators mit dem Takteingang des Mittels zur Erhöhung der Abtastrate bevorzugt koppelt, kann einen festen Wert haben. Dieser Teilerwert kann beispielsweise Zwei oder Vier betragen.The frequency divider value of the frequency divider, the the output of the oscillator with the clock input of the means for increase the sampling rate preferably couples, can have a fixed value. This division value can be, for example, two or four.
Zur Zuführung des Referenzsignals an den Phasen-/Frequenzvergleicher ist bevorzugt ein Akkumulator vorgesehen, der einem eingangsseitig anliegenden, digitalen Kanalwort an seinem Ausgang ein Phasen-Referenzsignal zuordnet und an den ersten Eingang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung abgibt.To supply the reference signal an accumulator is preferably provided for the phase / frequency comparator, of the digital channel word on the input side at its Output assigns a phase reference signal and to the first input outputs the phase / frequency comparison device.
Ebenso wie die Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung hat auch der Akkumulator bevorzugt einen Eingang zum Zuführen eines Synchronisationssignals.Just like the phase / frequency comparison device the accumulator also preferably has an input for feeding one Synchronization signal.
Hierfür ist bevorzugt eine Synchronisationseinrichtung vorgesehen, der am Eingang ein unsynchronisiertes Bezugsfrequenz-Signal zugeführt werden kann. Die Synchronisationseinrichtung selbst hat einen Takteingang, der bevorzugt mit dem Ausgang des Oszillators zum Zuführen eines Synchronisationstakts gekoppelt ist. Der Ausgang der Synchronisationseinrichtung ist bevorzugt mit einem Synchronisationseingang des Akkumulators verbunden. Der Ausgang der Synchronisationseinrichtung ist mit Vorteil mit einem Synchronisationseingang der Phasen-/Frequenzvergleichseinrichtung verbunden.A synchronization device is preferred for this provided that an unsynchronized reference frequency signal is fed to the input can. The synchronization device itself has a clock input, which preferably with the output of the oscillator for feeding a Synchronization clock is coupled. The output of the synchronization device is preferred with a synchronization input of the accumulator connected. The output of the synchronization device is advantageous with a synchronization input of the phase / frequency comparison device connected.
Das Mittel zur Erhöhung der Abtastrate umfaßt bevorzugt mehrere D-Flip-Flops. Diese sind mit besonders geringem Aufwand in digitaler Schaltungstechnik integrierbar.The means to increase the Sampling rate includes preferably several D flip-flops. These are particularly low Effort can be integrated in digital circuit technology.
Der digital steuerbare Oszillator umfaßt bevorzugt zwei schaltbare Kapazitätsfelder, welche jeweils frequenzbestimmende Kapazitäten umfassen. Eines dieser Kapazitätsfelder umfaßt bevorzugt binär abgestufte Kapazitäten, während die schaltbaren Kapazitäten des weiteren Kapazitätsfeldes alle gleich groß sind, das heißt gleiche Kapazitätswerte aufweisen. Die Kapazitäten beider Kapazitätsfelder sind bevorzugt unabhängig voneinander, jedoch in Abhängigkeit von dem Abstimmsignal, zu- und abschaltbar.The digitally controllable oscillator comprises preferably two switchable capacitance fields, each of which determines the frequency capacities include. One of these capacity fields comprises preferably binary graded Capacities, while the switchable capacities of the further capacity field all are the same size, this means same capacity values exhibit. The capacities of both capacity fields are preferably independent from each other, but dependent from the tuning signal, can be switched on and off.
Die Ansteuerung der gleich großen Kapazitäten im zweiten Kapazitätsfeld erfolgt bevorzugt über einen Thermometer-Code. Damit ist ein besonders feines Abstimmen der Oszillator-Frequenz möglich, beispielsweise mit einem Modulationssignal. Zugleich kann mit den binär abgestuften Kapazitäten ein sehr großer Frequenzbereich mit verhältnismäßig geringem Aufwand abgedeckt werden.The control of the same capacities in the second capacity field is preferably done via a thermometer code. This is a particularly fine tuning the oscillator frequency possible, for example with a modulation signal. At the same time with the binary graded Capacities very big Frequency range with a relatively small Effort to be covered.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.More details and advantageous Refinements of the proposed principle are the subject of Dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.The invention will follow several embodiments based on the drawings explained.
Es zeigen:Show it:
Der digitale Frequenz-/Phasendetektor
Der Bezugsphaseneingang
Der Ausgang des Phasenvergleichers
Das Mittel zur Abtastratenerhöhung
Der Quantisierungsfehler des digital
abstimmbaren Oszillators DCO läßt sich
beschreiben durch
Dabei bezeichnet f0 die Oszillatorfrequenz bei der Steuergröße x = 0 und fLSB die Quantisierungsschrittweite im Hinblick auf die diskret einstellbaren Frequenzen.Here, f 0 denotes the oscillator frequency for the control variable x = 0 and f LSB the quantization step size with regard to the discrete adjustable frequencies.
Das Ausgangswort des digitalen Fractional-Phase
Komparators
Die Phasenregelanordnung gemäß
Eine weitere Verringerung unerwünschter Emissionen
ist bei vorliegendem Prinzip dadurch möglich, daß die Energie der Schaltfrequenz
nicht auf diskrete Frequenzkomponenten konzentriert wird, sondern
die Energie verteilt wird. Dies wird auch als Noise-Shaping oder
Dithering bezeichnet. Dieses Dithering-Verfahren ist aus Analog/Digital-Wandlern bekannt
und kann auch für
die Ansteuerung des digitalen Oszillators
Zur Vermeidung von Monotoniefehlern
werden die niederwertigen Bits des Abstimmworts mit Einheitskapazitäten im Kapazitätsfeld
Der gezeigte Hochfrequenzoszillator
Das Bezugsphasensignal φref wird demnach nicht nur in Abhängigkeit von dem Kanalwort, sondern auch von dem Modulationssignal gebildet.The reference phase signal φ ref is therefore formed not only as a function of the channel word, but also from the modulation signal.
Bei der vorliegenden Einspeisung von Modulationsdaten in den Referenzzweig der Phasenregelanordnung spricht man auch von einer Direktmodulation der Referenzphase oder einer Einpunkt-Modulation.With the present feed of modulation data in the reference branch of the phase control arrangement one also speaks of a direct modulation of the reference phase or a single point modulation.
Derartige Phasenregelanordnungen sind besonders zur Anwendung in Sendeanordnungen des Mobilfunks geeignet.Such phase control arrangements are particularly suitable for use in mobile radio transmission arrangements suitable.
Somit ist eine Zweipunkt-Modulatoranordnung geschaffen. Ein Vorteil ist, daß die Bandbreite des Modulationssignals dabei größer sein kann als die Bandbreite des Phasenreglers selbst.This is a two-point modulator arrangement created. An advantage is that the bandwidth of the modulation signal can be larger than the bandwidth of the phase controller itself.
Derartige Phasenregelanordnungen sind besonders zur Anwendung in Sendeanordnungen des Mobilfunks mit hohen Übertragungsraten geeignet.Such phase control arrangements are particularly suitable for use in mobile radio transmission arrangements with high transfer rates suitable.
- 11
- Oszillatoroscillator
- 22
- Eingangentrance
- 33
- Ausgangoutput
- 44
- Limiterlimiter
- 55
- Wandlerconverter
- 66
- Eingangentrance
- 77
- digitaler fraktionaler Phasendetektordigital fractional phase detector
- 88th
- D-FlipflopD flip-flop
- 99
- Summiergliedsumming
- 1010
- Eingangentrance
- 1111
- Takteingangclock input
- 1212
- Akkumulatoraccumulator
- 1313
- D-FlipflopD flip-flop
- 1414
- Summiergliedsumming
- 1515
- Synchronisationseinrichtungsynchronizer
- 1616
- D-FlipflopD flip-flop
- 1717
- D-FlipflopD flip-flop
- 1818
- Stromquellepower source
- 1919
- Versorgungsanschlußsupply terminal
- 2020
- SpuleKitchen sink
- 2121
- SpuleKitchen sink
- 2222
- Kapazitätsfeldcapacity field
- 2323
- Kapazitätsfeldcapacity field
- 2424
- Verstärkeramplifier
- 2525
- Transistortransistor
- 2626
- Transistortransistor
- 2727
- BezugspotentialanschlußReference potential connection
- 2828
- Thermometer-Code-WandlerThermometer code converter
- 2929
- Multiplizierermultipliers
- 3030
- Mittel zur Abtastratenerhöhungmedium to increase the sampling rate
- 3131
- Frequenzteilerfrequency divider
- 3232
- D-FlipflopD flip-flop
- 3333
- D-FlipflopD flip-flop
- 3434
- Addierknotenadding node
- 3535
- Addierknotenadding node
- 3636
- Oszillatoroscillator
- 3737
- Schwingquarzquartz crystal
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