DE60131016T2

DE60131016T2 - Funksender/-empfänger mit phasenregelkreis

Info

Publication number: DE60131016T2
Application number: DE60131016T
Authority: DE
Inventors: Paul Burgess
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2021-11-16
Also published as: US7466173B2; ATE376282T1; AU2002231624A1; US7061288B2; EP1881607A1; WO2002047271A1; US20060181318A1; EP1342322B1; DE60131016D1; US20040066219A1; EP1342322A1; EP1213840A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Funksendeempfänger, die einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) in einer Phasenregelkreisschaltung (PLL) verwendet. Sie bezieht sich auch allgemein auf Funksendeempfänger, die optimiert sind, um eine große Frequenzabdeckung zu erzielen, unter Verwendung der Fähigkeit, unter einer Anzahl von VCOs auszuwählen, um den am besten geeigneten VCO zu finden, um eine vorbestimmte Kanalfrequenz zu erzeugen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Phasenregelkreisschaltung für die Detektion des linearen Betriebs des VCO und auf ein Verfahren für deren Betrieb.
Die zunehmende Verbreitung zellularer Telefone in den letzten Jahren zeigte die Forderung nach kostengünstigen Sendeempfängern. Wie bei den Telefonen ist ein drahtloses Übertragungssystem geplant, um die Verbindungsleitungen auf anderen technischen Gebieten zu ersetzen.
Ein konventionelles System, um Verbindungsleitungen zu ersetzen, ist das Bluetooth^TM System. Dies ist ein Funkkommunikationssystem mit niedriger Leistung, geringer Reichweite und geringen Kosten, das geplant wurde, um Drähte oder Kabel zwischen Computerkomponenten, beispielsweise Monitoren und dergleichen, zu ersetzen. Das Bluetooth^TM System arbeitet bei einer Frequenz von 2,4 GHz. Das Frequenzband wird ISM (Industrie, Wissenschaft und Medizin) genannt, und ist für den nicht lizenzierten Funkbetrieb geringer Leistung bis zu einer maximal ausgestrahlten Leistung von 100 mW oder 20 dbm bestimmt. Mit einer abgestrahlten Leistung von bis zu 100 mW kann ein räumlicher Übertragungsbereich von einigen wenigen Zentimetern bis zu einigen wenigen hundert Metern erricht werden. Durch die Beschränkungen in verschiedenen Ländern sind eine variierende Anzahl von 23 bis 79 Kanälen, die eine Bandbreite von 1 MHz aufweisen, für die lizenzfreie Nutzung zugewiesen. Das Bluetooth^TM System verwendet einen Frequenzsprungalgorithmus, um die Interferenz zu reduzieren, die durch andere Benutzer des ISM-Bandes verursacht wird. Das Frequenzspringen wird mit einer Rate von 1600 Sprüngen pro Sekunde ausgeführt.
Mit einer solchen Funkübertragung kurzer Distanz werden alle Verbindungsprobleme bei beispielsweise Laptop-Computern, die periphere Vorrichtungen, wie Drucker, Speichermittel oder ein Netz aufweisen, auf einfache Art gelöst, um somit die Notwendigkeit einer Drahtverbindung zu vermeiden.
Bei den meisten Sendeempfängern, die eine variable Frequenz haben, wird eine PLL verwendet, um die Kanalfrequenz zu erzeugen. Die Verwendung einer PLL ist ein wohl bekannter und preiswerter Weg, um einen Generator mit variabler Frequenz zu bauen, der fast die Frequenzstabilität eines Quarzoszillators besitzt.
Ein Standard-PLL umfasst mindestens einen VCO, einen Frequenzteiler, einen Referenzoszillator, einen Phasendetektor und eine Ladungspumpe. Im Standardbetrieb schwingt der VCO bei einer Frequenz, die durch die Gleichspannung bestimmt wird, die von der Ladungspumpe geliefert wird, wobei die Ausgangsschwingung vom VCO durch einen Frequenzteiler geteilt und die Phasen mit den Phasen eines Referenzoszillators in einem Phasendetektor verglichen werden, dessen Ausgangsspannung die Aktion der Ladungspumpe bestimmt, wobei die Ladungspumpe die Gleichspannung für das Bestimmen einer Schwingfrequenz des VCO steuert.
Die Ausgangsfrequenz der PLL wird durch den Teilungsfaktor des Frequenzteilers und die Frequenz des Referenzoszillators bestimmt.
Die PLL weist eine Hauptbeschränkung auf, insofern als ihr Frequenzbereich durch den Resonanzfrequenzbereich des VCO beschränkt ist. Wenn ein Bluetooth^TM Modul in Ländern mit einem Frequenzbereich des ISM-Bandes, der auf 23 Kanäle begrenzt ist, verwendet wird, ist es ausreichend, einen VCO zu verwenden, dessen Frequenzbereich die 23 Kanäle abdeckt. Die Empfangs- und die Sendefrequenzen des VCO werden gemäß dem Frequenzsprungalgorithmus abgestimmt.
Es ist wichtig zu wissen, ob der VCO linear arbeitet, um zu verhindern, dass Energie verschwendet wird und dass die Einstellzeit eines Rahmens erhöht wird. So ist es hilfreich, einen Indikator zu haben, um zu detektieren, ob sich die PLL in einem linearen Betriebszustand befindet. Es ist Stand der Technik, die Gleichspannungseingangsspannung des VCO zu messen und das Ausgangssignal auf seine Linearität zu prüfen, um eine Beziehung zwischen der Eingangsspannung und der Linearität des Betriebs der PLL zu bestimmen. Dies umfasst, dass die Eingangsspannung des VCO leicht geändert wird, wenn sie gemessen wird.
In einer PLL, die eine Vielzahl von VCOs mit überlappenden Frequenzbereichen umfasst, ist die PLL so konstruiert, dass ein VCO in den nicht überlappenden Gebieten des Frequenzbereichs verwendet wird. Für Frequenzen im Bereich der Überlappung der zwei VCOs kann die PLL alternativ mit einer der beiden VCOs betrieben werden. Im Überlappungsgebiet der Frequenzbereiche besteht das Problem in der Bestimmung, welcher von beiden VCOs verwendet werden sollte, um eine gegebene Frequenz zu bestimmen. Es ist somit notwendig, eine Grenze des Frequenzbereichs für jeden VCO zu bestimmen. Der Frequenzbereich des VCO und seine Mittenfrequenz (Mittelwert) kann von Produkttoleranzen abhängen. Die Grenzfrequenz muss daher getrennt für jede Vorrichtung bestimmt werden.
Die Steuerspannung des VCO kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein anderer VCO als der arbeitende VCO in die PLL eingeschaltet werden sollte, um eine maximale Linearität des PLL-Ausgangssignals zu erreichen.
Der Hauptnachteil dieser bekannten Technik ist die Tatsache, dass der Frequenzbereich jedes VCO gemessen werden muss, dass die Schaltpunkte bestimmt werden müssen, und dass alle diese Daten in einem speziellen Speichermittel im Sendeempfänger zu speichern sind. Die VCOs können zusätzlich ihre Frequenzbereiche durch eine Temperaturverschiebung und durch Alterungseffekte ändern.
Ein System, das verschiedene VCOs in einer einzigen PLL-Schaltung verwendet, ist im Dokument US-5,389,898A offenbart, das sich auf eine Phasenregelkreisschaltung bezieht, die mehrere auswählbare spannungsgesteuerte Oszillatoren aufweist. Dieses Dokument US-5,389,898A offenbart eine PLL, die durch einen Phasendetektor, einen Filter, drei VCOs (VCO1, VCO2 und VCO3), einen Multiplexer und einen Frequenzteiler gebildet wird. VCO1, VCO2 und VCO3 haben unterschiedliche Mittenfrequenzen, wobei jeder bei einer Frequenz schwingt, die gemäß dem Spannungswert eines phasengesteuerten Signals vom Filter gesteuert wird. Der Multiplexer wählt einen der VCOs, die parallel arbeiten. Wenn ein Puls eines digitalen Phasendifferenzsignals UP, das anzeigt, dass ein internes Signal in der Phase in Bezug auf ein Referenzsignal verzögert ist, zweimal in Folge ausgegeben wird, oder wenn ein Puls eines digitalen Phasendifferenzsignals AB, der anzeigt, dass ein internes Signal in Bezug auf ein Referenzsignal in der Phase voreilt, zweimal in Folge ausgegeben wird, bewirkt ein Zähler, dass der Multiplexer seine aktuelle VCO-Wahl über ein Schieberegister ändert. Somit ist eine Hochgeschwindigkeits-PLL-Lastverstimmung erzielbar, sogar wenn ein variabler Frequenzbereich einer PLL ausgedehnt wird.
Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, um zu detektieren, ob ein VCO in einer PLL linear arbeitet, vorzugsweise ohne die Verwendung irgendwelcher größer Abgleich- oder Speichermittel.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kapazität des Herstellungsverfahrens durch das Vereinfachen des Abgleichverfahrens zu erhöhen, was zu kürzeren Zykluszeiten führt, und die Konstruktion einer PLL mit einem breiten Frequenzbereich zu vereinfachen.
Dies wird gemäß einem Aspekt der Erfindung durch eine Phasenregelkreisschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 erzielt. Dies wird gemäß einem Aspekt der Erfindung auch durch eine Phasenregelkreisschaltung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 2 gelöst. Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gemäß anderen Aspekten der Erfindung mit einem Funksendeempfänger mit den Merkmalen der Ansprüche 17 oder 18 oder durch ein Funknetz, das die Merkmale des Anspruchs 19 umfasst, erzielt. Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung durch die Verfahren der unabhängigen Ansprüche 20 und 21 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Dies wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch eine Phasenregelkreisschaltung erreicht, in welcher eine Abzweigleitung von der Verbindung zwischen dem Phasendetektor und dem Ladungspumpenmittel vorgesehen ist. Die Abzweigleitung erlaubt es, die Pulsbreite des Signals vom Phasendetektorausgang ohne eine Rückkopplung in die PLL zu messen.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst die PLL zwei VCOs und ein selektives Schaltmittel, um einen breiteren Frequenzbereich abzudecken. Ein Sendeempfänger kann die Pulsbreite des Signals von der Abzweigleitung verwenden, um den PLL-Betrieb durch ein Protokollieren der Grenzfrequenz zu optimieren. Wenn ein Bluetooth-Modul mit einem Frequenzsprungalgorithmus in einem Sendeempfänger mit einem breiten Frequenzbereich verwendet wird, beträgt die Frequenzsprungrate 1600 Sprünge pro Sekunde. Mit jedem Frequenzsprung zu einer anderen Frequenz innerhalb des Frequenzbereichs des aktuell verwendeten VCO muss die Abstimmung des aktuell verwendeten VCO geändert werden. Mit jedem Frequenzsprung zu einer Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs des aktuell verwendeten VCO, muss der VCO gewechselt werden, und der andere VCO muss abgestimmt werden. Mit einer Frequenzsprungrate von 1600 Sprüngen pro Sekunde und einer permutierenden Verwendung von 79 Kanälen führt dieses Verfahren zu einer VCO-Wechselrate zwischen 40 und 1600 VCO-Wechseln pro Sekunde.
Gemäß einem nochmals anderen bevorzugten Aspekt der Erfindung umfasst die PLL eine Vielzahl von mindestens drei VCOs. Die Frequenzbereiche der VCOs sollten für eine gleichmäßige Abdeckung eines breiten Frequenzbereichs benachbart oder nebeneinander und überlappend sein. Das Signal von der Abzweigleitung kann verwendet werden, um die Grenzfrequenzen nachträglich automatisch abzugleichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ladungspumpenvorrichtung eine Ladungsquelle und/oder eine Ladungssenke. Diese können verwendet werden, um das Einschwingverhalten der PLL zu optimieren. Dies umfasst auch die Tatsache, dass die Verbindung zwischen dem Phasendetektor und dem Ladungspumpenmittel eine Mehrdrahtleitung ist, und deswegen ist auch die Abzweigleitung eine Mehrdrahtleitung.
Vorzugsweise kann die Abzweigleitung auch eine logische Einheit als einen Treiber oder einen Inverter einschließen. Wenn eine Mehrdrahtabzweigleitung verwendet wird, können die logischen Einheiten UND-, Nicht-UND, Nicht-ODER oder Exklusiv-Nicht-Oder-Gatter einschließen.
Vorzugsweise umfasst die logische Einheit Exklusiv-ODER-Gatter oder ODER-Gatter.
Diese logischen Einheiten erlauben es einerseits, ein einzelnes Signal aus einer Mehrdrahtleitung heraus zu erzeugen. In Kombination mit geeigneten Filtern kann nahezu jedes Signal in Übereinstimmung mit der Linearität des Betriebs des VCO erzeugt werden. So kann sogar ein spezifisches Phasendetektorfehlersignal erzeugt werden, wenn die Abzweigleitung mit einem Exklusiv-Nicht-ODER-Gatter verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die PLL einen Gleichrichter, so dass wenn ein Hochpassfilter verwendet wird, der Gleichrichter ein Wechselspannungssignal in ein Gleichspannungssignal gleichrichten kann, wenn dies notwendig ist.
Vorzugsweise umfasst die PLL mindestens eine Zeitverzögerungseinheit. Die Zeitverzögerungseinheit kann verwendet werden, um ein Gleichspannungssignal am Ende eines ODER-Gatters zu erzeugen, wenn die Eingänge parallel verbunden sind, wobei ein Eingang eine eingeschleifte Zeitverzögerungseinheit umfasst. Es wird erwartet, dass die Verzögerungszeit zwischen null und einer Periode der Schwingung des Referenzoszillators variabel ist. Wenn das Ausgangssignal des ODER-Gatters hochpassgefiltert und gleichgerichtet ist, so zeigt die Ausgangsspannung ein stufenartiges Übergangsverhalten.
Gemäß einem anderen bevorzugten Aspekt der Erfindung werden die Signale der Abzweigleitung in eine Steuereinheit eingegeben, die die Signale zur Schaltposition eines selektiven Schaltmittels vermittelt, um automatisch einen linear arbeitenden VCO auszuwählen. Wenn die PLL nur zwei VCOs umfasst, kann es ausreichend sein, das Signal zu verwenden, um ein bistabiles Schaltmittel zu steuern. Mit einer PLL, die eine Vielzahl von VCOs umfasst, können die Signale von der Abzweigleitung verwendet werden, um den am besten geeigneten VCO zu bestimmen, zu dem die Steuereinheit umschaltet. In diesem Fall kann die PLL ein multistabiles schrittgesteuertes Schaltmittel umfassen.
Vorzugsweise weist die Steuereinheit eine Hystereseeigenschaft auf, um zu verhindern, dass die Einheit kontinuierlich von einem VCO zu einem anderen schaltet. Dies wird vorzugsweise durch eine passende Überlappung der Frequenzbereiche der VCOs erreicht.
Vorzugsweise umfasst die Steuereinheit eine Zeitverzögerungseinheit, um zu verhindern, dass die Einheit kontinuierlich von einem VCO zu einem anderen umschaltet. Dies wird vorzugsweise durch eine passende Überlappung der Frequenzbereiche der VCOs oder eine Hystereseeigenschaft in der Steuereinheit gewährleistet. Es verhindert, dass die Steuereinheit kontinuierlich von einem VCO zu einem anderen umschaltet, sogar wenn die Überlappung angrenzender Frequenzbereiche durch Betriebszustände oder Produktionstoleranzen zu klein ist.
Gemäß einem anderen bevorzugten Aspekt der Erfindung sind ein Sender, ein Empfänger oder ein Sendeempfänger, die eine PLL gemäß der Erfindung verwenden, leichter zu gebrauchen, unterliegen weniger einer Interferenz und verbrauchen weniger Leistung insbesondere in mobilen elektrischen Geräten.
Gemäß einem nochmals anderen bevorzugten Aspekt der Erfindung ermöglicht ein Netz, das Sendeempfänger verwendet, die eine PLL gemäß der Erfindung aufweisen, einen linearen Betrieb jedes VCO der PLLs, die im Netz verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Betriebsperiode des Phasendetektors detektiert und tiefpassgefiltert am Ende der Abzweigleitung von der Verbindung zwischen dem Phasendetektor und der Ladungspumpenvorrichtung, und nachfolgend wird die Ausgangsgleichspannung des Tiefpassfilters gemessen, um zu entscheiden, ob der VCO linear arbeitet. Dies ist ein Verfahren, um ein Signal zu detektieren, wenn der Schwingung die Linearität fehlt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Betriebsperiode (operation period) des Phasendetektors detektiert und hochpassgefiltert am Ende der Abzweigleitung von der Verbindung zwischen dem Phasendetektor und der Ladungspumpenvorrichtung, und nachfolgend wird die Ausgangsgleichspannung des Tiefpassfilters gemessen, um zu entscheiden, ob der VCO linear arbeitet. Dies ist eine Standardanwendung, um ein Signal zu detektieren, wenn der VCO linear schwingt.
Vorzugsweise werden die Signale von der Abzweigleitung zur Filtervorrichtung logisch oder zeitlich verarbeitet. Mit dieser Verarbeitung kann vermieden werden, Rauschsignale zu messen. Die Verwendung von logischen Gattern erlaubt es, nur ein Tiefpassfilter zu verwenden, sogar dann, wenn zwei oder mehr Ladungspumpenmittel verwendet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Ausgangssignal des Filtermittels verwendet, um ein Schaltmittel zu veranlassen, einen anderen VCO in die PLL-Schaltung einzuschalten. Mit dieser Maßnahme wird eine PLL eines Sendeempfängers sich immer in einem linearen Betriebszustand befinden. Somit kann ein sich selbst einstellender linear arbeitender Sendeempfänger vorgesehen werden.
Wenn mehr als zwei VCOs verwendet werden, ist es vorteilhaft, ein Richtungssignal für oder in der Steuereinheit zu erzeugen, um den VCO, zu dem umgeschaltet werden soll, zu bestimmen. Somit wird vermieden, dass die Steuereinheit beim Schalten zwischen dem ersten und dem zweiten VCO bleibt, statt dass sie zum dritten VCO schaltet, der den am besten passendsten Frequenzbereich aufweist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Linearität des Betriebszustandes detektiert und verwendet, um ein optisches oder akustisches Signal zu erzeugen, um einen Benutzer oder Techniker über den aktuellen Betriebszustand zu informieren. Dies umfasst das Anzeigen von Information in Bezug auf die Linearität des arbeitenden VCO oder in Bezug darauf, welcher VCO aktuell in die Schaltung eingeschleift ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Sendeempfänger mit einem breiten Frequenzbereich geliefert, der eine Phasenregelkreisschaltung (PLL) verwendet, die automatisch zwischen einer Vielzahl von spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO) umschalten kann und eine Anzahl von Vorteilen für den Hersteller als auch den Benutzer oder einen Wartungstechniker liefert. Der Hersteller kann sich nahezu das gesamte Abgleichverfahren während des Zusammenbaus sparen, als auch Mittel für das Speichern des Schaltpunktes des selektiven Schaltmittels. Der Benutzer zieht Vorteil aus der Tatsache, dass sich die PLL des Sendeempfängers gemäß der Erfindung immer in einem linearen Betriebszustand befindet, unabhängig von externen Bedingungen, wie der Temperatur oder anderen den Frequenzbereich verschiebenden Effekten. Der Benutzer des Sendeempfängers kann jegliche variable Widerstandspositionen innerhalb des Sendeempfängers ignorieren. Ein Wartungstechniker profitiert von der Tatsache, dass es bei der Erfindung keine variablen Widerstände gibt, die empfindlich gegen Staub und Feuchtigkeit sind, keine Speichermittel, deren Daten verloren gehen können, und keine Schwierigkeit, analoge Signale zu messen, um einen Fehler oder Defekt auf der Leiterplatte zu finden.
Während des normalen linearen Betriebs der PLL werden die Ladungssenke und die Ladungsquelle der Ladungspumpenvorrichtung mit nur sehr kurzen Pulsen angeschaltet. Wenn der VCO außerhalb seines linearen Bereichs betrieben wird, wird die Ladungssenke oder die Ladungsquelle ausgeschaltet bleiben, während die andere der beiden für eine lange Dauer angeschaltet bleiben wird. Eine Exklusiv-ODER-Logik wird daher einen langen Puls produzieren, der vom Tiefpassfilter gefiltert wird, um ein logisch hohes Signal zu erzeugen, um anzuzeigen, dass der lineare Bereich des VCO überschritten worden ist.
Die Pulsbreite wird in Bezug zur Steuergleichspannung des VCO gesetzt. Diese Gleichspannung des VCO steht in Bezug zur Linearität des Betriebs des VCO. Somit wird statt des Messens der analogen Gleichspannung zwischen der Ladungspumpe und dem VCO ins Auge gefasst, die digitale Pulsbreite zwischen dem Phasendetektor und der Ladungspumpe zu überwachen. Mit einem gefilterten digitalen Pulsbreitensignal kann ein Signal erzeugt werden, das in Bezug zum linearen Betrieb der PLL steht. Dies kann insbesondere ein "Außerbereichsignal" oder ein "Inbereichsignal" sein.
Ein Sendeempfänger, der eine PLL gemäß der Erfindung verwendet, ist preisgünstiger und leichter herzustellen, leichter zu verwenden und leichter zu warten.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und zusätzliche Anwendungen der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen geliefert.
1 ist ein Blockdiagramm einer konventionellen PLL mit zwei VCOs.
2 ist ein Blockdiagramm einer PLL, die zwei VCOs gemäß der Erfindung umfasst.
3 ist ein Blockdiagramm einer PLL, die drei VCOs gemäß der Erfindung umfasst.
4 ist ein Blockdiagramm eines Funksendeempfängernetzes, das eine PLL gemäß der Erfindung aufweist.
Während die folgende Beschreibung im Kontext drahtloser Kommunikationssysteme erfolgt, die tragbare oder mobile Funktelefone und/oder Computerkommunikationssysteme umfassen, werden Fachleute verstehen, dass die vorliegende Erfindung auf andere Oszillationsvorrichtungen angewandt werden kann. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung in allen, keine Funkfrequenz ausstrahlenden Vorrichtungen, wie in variablen Oszillatoren, wie Computer etc. verwendet werden.
1 beschreibt eine konventionelle Lösung eines Fabrikabgleichs einer PLL mit zwei VCOs. Eine konventionelle PLL mit zwei VCO mit breitem Frequenzbereich umfasst zwei VCOs 2, 4, um eine variable Frequenz zu erzeugen, die sich auf eine Eingangsgleichspannung bezieht. Sie umfasst auch einen Frequenzteiler 8, um die Frequenz dieses VCO zu teilen, einen Referenzoszillator 10 und einen Phasendetektor 12, um die Phasen der geteilten Frequenz und des Referenzoszillators zu vergleichen. Der Phasendetektor, der mit dem Pumpenmittel 14 verbunden ist, erzeugt ein Gleichspannungssignal, das in Bezug steht zur Divergenz der geteilten Frequenz zur Referenzfrequenz. Dieses Signal wird über ein Kreisfilter 16 zurück zum VCO geführt. Das Signal verriegelt die VCO-Frequenz auf ein Mehrfaches der Frequenz des Referenzoszillators 10. Das Kreisfilter 16 filtert alle hochfrequenten Wechselspannungen, um zu verhindern, dass die Rückkopplung resonant und unstabil wird. Die Ausgangsfrequenz der PLL wird durch den Teilungsfaktor des Frequenzteilers 8 und die Frequenz des Referenzoszillators 10 bestimmt. Die PLL-Ausgangsfrequenz wird durch eine Frequenzsteuereinheit 30 bestimmt, die den Teilungsfaktor des Frequenzteilers 8 und die Schaltposition des selektiven Schaltmittels 18 bestimmt. Das Fabrikabgleichverfahren bestimmt den Schaltpunkt in der Frequenzsteuereinheit 30. Die Funktion der Fabrikabgleichung besteht darin, die VCO-Steuerspannung zu messen, wenn der VCO eine bekannt Frequenz erzeugt. Das Blockdiagramm in 1 zeigt ein Beispiel eines Ausführungssystems, das zwei VCOs verwendet, die durch das Messen der VCO-Steuerspannung während der Produktion abgeglichen werden können. Der Algorithmus, dem man während des Abgleichens der PLL in der Fabrik folgt, gestaltet sich folgendermaßen:

– Setze die Schalter 18 in die "Auf-Position", wie das gezeigt ist, um den ersten VCO 2 zu verbinden
– Verriegle die PLL, um mit einer Frequenz dicht am Ende des Frequenzbereichs des Sendeempfängers zu beginnen
– Messe die Steuerspannung des VCO 2
– Erhöhe die Verriegelungsfrequenz, bis die Steuerspannung einen gegebenen Spannungsbereich übersteigt
– Schalte die Schalter 18 in die "Ab-Position", um den zweiten VCO 4 zu verbinden
– Verriegle die PLL, um den Betrieb zu starten, bis die Frequenz dicht am anderen Ende des Frequenzbereichs des Sendeempfängers liegt
– Messe die Steuerspannung des VCO 4
– Reduziere die Verriegelungsfrequenz, bis die Steuerspannung einen gegebenen Bereich übersteigt
– Lege die Frequenzgrenze fest, an der die Verwendung des VCO gewechselt wird und lege den Schaltpunkt der Frequenzsteuereinheit fest.

Die Anzahl der Schritte und die Tatsache, dass eine analoge Gleichspannung in einer kurzen Distanz zu einer Funkquelle gemessen werden muss, zeigt die Schwierigkeiten, die zu erwarten sind. Ein andere Nachteil ist der, dass der gesamte Frequenzbereich des Sendeempfängers abgetastet werden muss. Und sogar dies beweist nicht den linearen Betrieb des gewählten Oszillators in jedem Zustand. Ein anderer schwerwiegender Nachteil ist die Tatsache, dass die Frequenzbereiche der VCOs durch Temperatur- und Alterungseffekte wandern können. Dieses konventionelle PLL-System kann solche Frequenzverschiebungseffekte nicht kompensieren.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer PLL gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie bei einer konventionellen PLL mit zwei VCOs umfasst die PLL gemäß der Erfindung zwei VCOs 2, 4, um eine variable Frequenz in Bezug zu einer Eingangsgleichspannung zu erzeugen. Sie umfasst auch einen Frequenzteiler 8, um die Frequenz zu teilen, einen Referenzoszillator 10 und einen Phasendetektor 12, um die Phasen der geteilten Frequenz und des Referenzoszillators zu vergleichen. Der Phasendetektor, der mit einem Ladungspumpenmittel 14 verbunden ist, erzeugt ein Gleichspannungssignal, das in Bezug steht zur Abweichung der geteilten Frequenz von der Referenzfrequenz. Dieses Signal wird zum VCO über ein Kreisfilter 16 zurückgegeben. Das Signal verriegelt die VCO-Frequenz auf ein Mehrfaches der Frequenz des Referenzoszillators 10. Das Kreisfilter 16 filtert alle hochfrequenten Wechselspannungen, um zu verhindern, dass die Rückkopplung resonant und unstabil wird. Die Ausgangsfrequenz der PLL wird durch den Teilungsfaktor des Frequenzteilers 8 und die Frequenz des Referenzoszillators 10 bestimmt. Die Frequenz wird durch eine Frequenzsteuereinheit 30 bestimmt, die den Teilungsfaktor des Frequenzteilers 8 und die Schaltposition des selektiven Schaltmittels 18 bestimmt.
Die PLL gemäß der Erfindung umfasst ferner eine Abzweigleitung 15 von der Verbindung 13 zwischen dem Phasendetektor 12 und dem Ladungspumpenmittel 14. Das Ende der Abzweigleitung 15 ist mit einer Logikeinheit 20 verbunden. Die Logikeinheit 20 ist in diesem Fall ein Exklusiv-Oder-Gatter für das Empfangen der Signale für die Ladungssenke und Ladungsquelle. Wenn der Phasendetektor Signale mit einer langen Impulsbreite erzeugt, weist die Ausgangsvariable des Exklusiv-Oder-Gatters eine entsprechende Pulsbreite auf. Das Ausgangssignal der Logikeinheit 20 wird durch ein Tiefpassfilter 22 gefiltert, in dem die Pulsbreite in eine Gleichspannung transformiert wird, die in Bezug steht zur Linearität des Betriebszustands des VCO. Diese Gleichspannung kann als eine Eingangsvariable einer Steuereinheit 24 verwendet werden, die die Schaltposition des selektiven Schaltmittels zur Gleichspannung des Tiefpassfilters 22 in Bezug setzt. So steht die Linearität des Betriebszustands des VCO 2, 4 in Bezug zur Pulsbreite der Phasendetektorsignale, die in Bezug stehen zur Pulsbreite der Signale der Logikeinheit. Dies steht wieder in Bezug zur Gleichspannung des Tiefpassfilters 22, die durch die Steuereinheit 24 mit der Schaltposition des selektiven Schaltmittels 18 in Bezug steht. Somit wird gewährleistet, dass in dem Fall, bei dem der VCO nicht länger linear arbeitet, der vorher aktive VCO 2 durch den vorher inaktiven VCO 4 ersetzt wird.
Mit diesem zweiten Rückkoppelungskreis, der sich auf die Linearität eines Betriebszustands eines VCO bezieht, wird gewährleistet, dass kein Abgleichverfahren notwendig ist, da die PLL selber entscheiden kann, ob oder wann der aktive VCO zu wechseln ist.
Dieselbe PLL kann auch verwendet werden, um das Festlegen einer Grenzfrequenz in der folgenden Weise zu unterstützen:
Schalte die Schalter 18 in die "Auf-Position", wie das gezeigt ist, um den ersten VCO 2 zu verbinden

– Verriegle die PLL, um die Operation mit einer Frequenz dicht am Ende des Frequenzbereichs des Sendeempfängers zu starten
– Erhöhe die Verriegelungsfrequenz, bis die Gleichspannung vom Tiefpassfilter einen gewissen Pegel erreicht
– Schalte die Schalter 18 in die "Ab-Position", um den zweiten VCO 4 zu verbinden
– Verriegle die PLL, um die Frequenz zu starten, bis man sich dicht am anderen Ende des Frequenzbereichs des Sendeempfängers befindet
– Reduziere die Verriegelungsfrequenz, bis die Gleichspannung vom Tiefpassfilter einen gewissen Pegel erreicht
– Lege Grenzfrequenz zwischen den beiden Enden des Frequenzbereichs des Sendeempfängers fest, an der die Betriebszustände des ersten und des zweiten VCO zwischen aktiv und inaktiv gewechselt werden

Dieses simple Einstellen einer Grenzfrequenz ist viel leichter, da es nur 7 statt 9 Schritte umfasst, und da es nur ein Voltmeter statt ein Funkfrequenztestaufbau für das Messen benötigt.
Dieses einfache Einstellen der Grenzfrequenz ist für ein Fabrikabgleichverfahren für PLLs, die VCOs aufweisen, deren Frequenzbereiche und Mittenfrequenzen temperatur- und alterungsbeständig sind, ausreichend. Während des Abgleichverfahrens kann ein zusätzliches 1/0-Bit zusammen mit jeder Frequenz in die Frequenzsteuereinheit 30 oder die Steuereinheit 24 eingeschoben werden, um die Schaltposition der Schalter 18 auf die aktuell verwendete Frequenz zu beziehen.
Dies ermöglicht es der PLL, die eine passende Frequenzsteuereinheit 30 und eine passende Steuereinheit 24 aufweist, während des Feldbetriebs unabhängige Tests auszuführen. Solche unabhängigen Tests können auch verwendet werden, um Temperatur- und Alterungseffekte zu kompensieren. Die angegebenen zusätzliche 1/0-Bits werden neu auf die Frequenzen verteilt, um die PLL an eine verschobene Grenzfrequenz anzupassen.
Solche unabhängigen Teste können auch verwendet werden, um einen Ausfall oder Fehler im VCO oder der PLL zu detektieren.
Mit der Möglichkeit eines unabhängigen Tests kann die Steuereinheit die Grenzfrequenz in vorbestimmten Intervallen prüfen.
Es ist möglich, einen unabhängigen Test vor jedem Senden oder Empfangen auszuführen, um den am besten linear arbeitenden VCO zu bestimmen.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer PLL mit breiten Frequenzbereich mit 3 VCOs gemäß der Erfindung. Sie umfasst dieselben Elemente wie die in 2 gezeigte PLL und sie umfasst zusätzlich einen dritten VCO 6, eine zweite Abzweigleitung von der Verbindung 13 zwischen dem Phasendetektor und dem Ladungspumpenmittel 14 und einer Anzeige 26. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Steuereinheit 24 fähig ist, zu unterscheiden, ob die Ladungssenke oder die Ladungsquelle des Ladungspumpenmittels 14 aktiv ist. Diese Information erlaubt es der Steuereinheit 24, die Schaltposition des selektiven Schaltmittels 18 in einer Richtung zu ändern, die den VCO verbindet, dessen Frequenzbereich die tatsächlich verwendete Frequenz einschließt. Die PLL umfasst auch eine Anzeige, in welcher angezeigt wird, welcher VCO tatsächlich aktiv ist und/oder ob die Steuereinheit ein Außerbereichssignal vom Tiefpassfilter empfängt. Das Blockdiagramm in 3 zeigt, dass die Logikeinheit 20 und das Tiefpassfilter 22 in die Steuereinheit 24 voll integriert sind.
4 zeigt ein Funknetz 38 von Sendeempfängereinheiten, die PLLs gemäß der Erfindung aufweisen, das einen Hauptsendeempfänger 40 und Slave-Sendeempfänger 42, 44 und 46 einschließen, die durch das Senden und Empfangen von Funkpaketen kommunizieren. Der Hauptsendeempfänger 40 initiiert die Verbindung eines Slaves mit dem Netz. Das Netz arbeitet in einer Zeitduplexweise. Die Sendeempfängereinheiten sind auf einen gemeinsamen Zeitrahmen synchronisiert, der vom Hauptsendeempfänger 40 bestimmt wird. Um eine Interferenz zu verhindern, wird die Zeitduplexübertragung mit einem Frequenzsprungalgorithmus kombiniert. Die Sendeempfängereinheiten sind mit dem Frequenzsprungalgorithmus durch den Hauptsendeempfänger 40 synchronisiert. Der Hauptsendeempfänger 40 kann eine Punkt- zu-Punkt-Kommunikation oder eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Kommunikation ausführen. Die Slave-Sendeempfänger 42, 44, 46 können nur auf einen Befehl vom Hauptsendeempfänger 40 antworten. In diesem Netz 38 können der Hauptsendeempfänger 40 und die Slave-Sendeempfänger 42, 44, 46 einen unabhängigen Test ausführen, um die Grenzfrequenzen neu abzugleichen. In diesem Netz 38 kann der Hauptsendeempfänger 40 einen Befehl an die Slave-Sendeempfänger 42, 44, 46 schicken, um unabhängige Test auszuführen, um ihre Grenzfrequenzen neu abzugleichen. Ein solches Netz arbeitet mit einer Frequenz von 2,4 GHz, verwendet einen Frequenzsprungalgorithmus, ein auf Zeitschlitzen basierendes Übertragungsprotokoll und erlaubt somit Sprach- und Datenkommunikationen in Echtzeit.
Während spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, sollte verständlich sein, dass die Erfindung nur durch die angefügten Ansprüche begrenzt ist.

Claims

Phasenregelkreis-Schaltung (1) für die Erfassung des linearen Betriebs eines spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6), umfassend – einen Frequenzteiler (8); – einen Referenzoszillator (10); – einen Phasendetektor (12) zum Vergleichen der Phasen des Referenzoszillators (10) mit einer vom dem Frequenzteiler (8) geteilten Frequenz; – ein Ladungspumpenmittel (14), das mit dem Phasendetektor (12) verbunden ist; wobei – die Verbindung (13) zwischen dem Phasendetektor (12) und dem Ladungspumpenmittel (14) mindestens eine Abzweigleitung (15) aufweist; – der Phasendetektor (12) konfiguriert ist zum Erzeugen von zwei Ausgabepulssignalen (Sink, Source) an das Ladungspumpenmittel (14) und die Abzweigleitung (15); und – die Abzweigleitung (15) mit mindestens einem Filtermittel (22) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – die Phasenregelkreis-Schaltung (1) weiter eine Logikeinheit (20) umfasst, die konfiguriert ist zum Empfangen der zwei Ausgabepulssignale (Sink, Source) des Phasendetektors (12) und zum Erzeugen eines Ausgabepulssignals der Logikeinheit mit einem Arbeitszyklus, der durch die zwei Ausgabepulssignale (Sink, Source) bestimmt wird; – wobei das Filtermittel (22) konfiguriert ist, um den Arbeitszyklus in ein DC-Spannungssignal umzuwandeln, und um das DC-Spannungssignal als ein Maß bereitzustellen, um den linearen Betrieb eines spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6) zu erfassen, der in die Phasenregelkreis-Schaltung zwischen dem Ladungspumpenmittel (14) und dem Frequenzteiler (8) eingeschleift ist.
Phasenregelkreis-Schaltung (1) für die Erfassung des linearen Betriebs eines spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6), umfassend – einen Frequenzteiler (8); – einen Referenzoszillator (10); – einen Phasendetektor (12) zum Vergleichen der Phasen des Referenzoszillators (10) mit einer vom dem Frequenzteiler (8) geteilten Frequenz; – ein Ladungspumpenmittel (14), das mit dem Phasendetektor (12) verbunden ist; wobei – die Verbindung (13) zwischen dem Phasendetektor (12) und dem Ladungspumpenmittel (14) mindestens eine Abzweigleitung (15) aufweist; – der Phasendetektor (12) konfiguriert ist zum Erzeugen von zwei Ausgabepulssignalen (Sink, Source) an das Ladungspumpenmittel (14) und die Abzweigleitung (15); und – die Abzweigleitung (15) mit mindestens einem Filtermittel (22) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass – die Phasenregelkreis-Schaltung (1) weiter eine Logikeinheit (20) umfasst, die konfiguriert ist zum Empfangen der zwei Ausgabepulssignale (Sink, Source) des Phasendetektors (12) und zum Erzeugen eines Ausgabepulssignals der Logikeinheit mit einem Arbeitszyklus, der durch die zwei Ausgabepulssignale (Sink, Source) bestimmt wird; – wobei das Filtermittel (22) konfiguriert ist, um den Arbeitszyklus in ein AC-Spannungssignal umzuwandeln, und um das AC-Spannungssignal als ein Maß bereitzustellen, um den linearen Betrieb eines spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6) zu erfassen, der in die Phasenregelkreis-Schaltung zwischen dem Ladungspumpenmittel (14) und dem Frequenzteiler (8) eingeschleift ist.
Phasenregelkreis-Schaltung (1) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend – zwei spannungsgesteuerte Oszillatoren (2, 4, 6): einen ersten spannungsgesteuerten Oszillator (2) und einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator; wobei – der zweite spannungsgesteuerte Oszillator (4) einen Frequenzbereich bereitstellt, der mit einem Frequenzbereich des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (2) überlappt; und – die Phasenregelkreis-Schaltung weiter ein selektives Schaltmittel (18) zum Einschleifen des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (2) oder des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (4) in die Phasenregelkreis-Schaltung umfasst.
Phasenregelkreis-Schaltung (1) nach Anspruch 3, umfassend – mindestens drei spannungsgesteuerte Oszillatoren (2, 4, 6): den ersten spannungsgesteuerten Oszillator (2), den zweiten spannungsgesteuerten Oszillator und mindestens einen weiteren spannungsgesteuerten Oszillator (6), der einen Frequenzbereich bereitstellt, der mit dem Frequenzbereich des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (2) oder dem Frequenzbereich des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (4) überlappt; wobei – das selektive Schaltmittel (18) bereitgestellt ist, um den ersten, zweiten oder mindestens einen der weiteren spannungsgesteuerten Oszillatoren (2, 4, 6) in die Phasenregelkreis-Schaltung einzuschleifen.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend – Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpass-Filter.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei – das Ladungspumpenmittel (14) eine Ladungssenke und/oder eine Ladungsquelle umfasst.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend – mindestens eine Logikeinheit (20), die zwischen der Abzweigleitung (15) und dem Filtermittel (22) eingefügt ist.
Phasenregelkreis-Schaltung nach Anspruch 7, wobei – die Logikeinheit (20) ein OR oder ein Exclusive-OR-Gatter umfasst.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – ein Gleichrichtermittel.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – mindestens eine Zeitverzögerungseinheit.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, weiter umfassend – ein Anzeigemittel zum Anzeigen, welcher spannungsgesteuerte Oszillator (2, 4, 6) arbeitet.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend – ein Anzeigemittel (26) zum Anzeigen von Informationen, die den Betriebszustand des arbeitenden spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6) betreffen, so wie der Grad des linearen Betriebs, die Temperatur und der Stromverbrauch.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 12, weiter umfassend – eine Steuereinheit (24) zum Ändern der Schaltposition des selektiven Schaltmittels (18) gemäß der Ausgangsspannung des Filtermittels (22).
Phasenregelkreis-Schaltung nach Anspruch 13, wobei – die Steuereinheit (24) eine Hysterese-Charakteristik aufweist.
Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der Ansprüche 13 und 14, wobei – die Steuereinheit (24) eine Zeitverzögerungsschaltung umfasst.
Funkempfänger, umfassend mindestens eine Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Funksender, umfassend mindestens eine Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Funksendeempfänger, umfassend mindestens eine Phasenregelkreis-Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Funknetzwerk (38), umfassend Sendeempfänger (40, 42, 44, 46) nach Anspruch 18.
Verfahren zum Betreiben einer Phasenregelkreis-Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 15 wenn abhängig von Anspruch 1, zum Erfassen des linearen Betriebs eines spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6), umfassend die Schritte a. Empfangen der zwei Ausgabepulssignale des Phasendetektors (12) an der Logikeinheit (20); b. Erzeugen eines Ausgangspulssignals der Logikeinheit mit einem Arbeitszyklus, der durch die zwei Ausgabepulssignale (Sink, Source) bestimmt wird; c. Umwandeln des Arbeitszyklus in ein DC-Spannungssignal durch die Filtermittel (22), Messen der Spannung des DC-Spannungssignals; d. Erfassen des linearen Betriebs des spannungsgesteuerten Oszillators aus der DC-Spannung.
Verfahren zum Betreiben einer Phasenregelkreis-Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 2 und 3 bis 15 wenn abhängig von Anspruch 2, zum Erfassen des linearen Betriebs eines spannungsgesteuerten Oszillators (2, 4, 6), umfassend die Schritte a. Empfangen der zwei Ausgabepulssignale des Phasendetektors (12) an der Logikeinheit (20); b. Erzeugen eines Ausgangspulssignals der Logikeinheit mit einem Arbeitszyklus, der durch die zwei Ausgabepulssignale (Sink, Source) bestimmt wird; c. Umwandeln des Arbeitszyklus in ein AC-Spannungssignal durch die Filtermittel (22); d. Messen der Spannung des AC-Spannungssignals; e. Erfassen des linearen Betriebs des spannungsgesteuerten Oszillators aus der AC-Spannung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, weiter umfassend den Schritt a. logisches und/oder zeitliches Verarbeiten des Signals der Abzweigleitung (15).
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, weiter umfassend den Schritt a. Umschalten zu einem anderen spannungsgesteuerten Oszillator, falls der arbeitende Oszillator sich in einem nicht-linearen Betriebszustand befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, weiter umfassend die Schritte a. logisches und/oder zeitliches Verarbeiten des Signals des Phasendetektors (12) und/oder des Filtermittels (22), um den spannungsgesteuerten Oszillator auszuwählen, der in die Phasenregelkreis-Schaltung geschaltet werden soll, und Umschalten zu dem ausgewählten spannungsgesteuerten Oszillator.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, weiter umfassend den Schritt a. Anzeigen, welcher spannungsgesteuerte Oszillator aktiv ist und/oder die Linearität des Betriebs des aktiven spannungsgesteuerten Oszillators.