FI88837C

FI88837C - Frekvensdividering med udda tal och decimaltal

Info

Publication number: FI88837C
Application number: FI913862A
Authority: FI
Inventors: Raimo Kivari
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1991-08-15
Publication date: 1993-07-12
Also published as: US5365119A; GB9217037D0; FI88837B; GB2259620A; FI913862A0

Description

1 88837

Taajuuden jakaminen parittomilla luvuilla ja desimaaliluvuilla - Frekvensdividering med udda tai och decimaltai 5 Keksinnön kohteena on menetelmä digitaalisen signaalin taajuuden jakamiseksi parittomilla luvuilla ja desimaaliluvuilla jopa 50 % pulssisuhteella. Keksintö liittyy digitaalitekniikkaan ja pulssitekniikkaan sekä niiden soveltamiseen tietoliikennetekniikassa.

10

Taajuuden jakamiseen parillisilla luvuilla tunnetaan yleisesti monenlaisia tapoja. Näillä tavoilla saavutetaan myös haluttu 50 % pulssisuhde (duty cycle). Taajuuden jakaminen parittomilla luvuilla on tunnettua ja siihen löytyy monen-15 laisia toteutustapoja. Kuitenkin aikaisemmin tunnetuilla tavoilla on useimmiten se rajoitus, että lähtösignaali ei ole pulssisuhteeltaan 50 %, vaan vähintäänkin yhden tulotaa-juutta vastaavan kellonjakson verran alle tai sen yli tai jakaja on asynkroninen. Eräs ratkaisu, jossa lähtö ei ole 20 symmetrinen, on esitetty julkaisussa EP-247 769. Desimaaliluvuilla jakamiseen on usein tarvetta. Eräs toteutus on esitetty patentissa US-4 935 944, jossa tosin on haittana, että kytkentä sisältää takaisinkytkentöjä, jotka aiheuttavat viiveitä.

25

Jos tulokeIlotaajuuden ja lähtökellotaajuuden välinen suhde R on suhteellisen pieni (< 11...15), voidaan taajuuden jakamiseen käyttää ohjelmoitavaa laskuria, jonka pulssisuhde on 1/R, kun tulokellotaajuus on pienempi kuin 10 MHz. Jos suh-30 deluku R on suuri, tulokellotaajuuden on oltava suhteellisen pieni, korkeintaan 1...2 MHz. Molemmissa tapauksissa pulssi-: suhde on l/R, jos lisänä ei käytetä dekoodauslogiikkaa.

Kun suhdeluku R on suuri, voidaan taajuuden jakamiseen käyt-35 tää useita peräkkäisiä laskureita. Jos laskurit toimivat synkronisesti eli laskureiden kiikkujen kellotulot on kytketty suoraan samaan kelloon, jolloin ei synny etenemisvii-veitä, pulssisuhde on aina 1/R. Haluttu taajuus voidaan ge-

o p p r 7 O

neroida myös lisäämällä järjestelmään kokonaan uusi taajuus. Tämä kuitenkin vaatii ylimääräisen paikallisoskillaattorin.

Yleisesti tunnetaan tapoja tehdä jako parittomalla luvulla, 5 mutta lähtösignaalin pulssisuhde ei useimmiten ole 50 % tai jakaja on usein asynkroninen. Useimmiten kuitenkin lähtösig-naalista halutaan symmetristä ja esim. vaihevärinän tai muun särön välttämiseksi ainakin nousevien reunojen on esiinnyttävä keskenään tasavälein kuten vastaavasti myös laskevien 10 reunojen. Tähän ei ole yleisesti tunnettuja hyviä tapoja.

Parittomilla luvuilla jakamisesta on yleensä luovuttu. On otettu käyttöön useampia eritaajuisia oskillaattoreita. Tästä aiheutuu ylimääräisiä komponenttikuluja.

15

Yleisessä tiedossa ei ole ollut hyviä tapoja signaalin puls-sisuhteen mielivaltaiseen muokkaamiseen, mutta parittomilla luvuilla jakamisen periaatetta yleistäen löydetään tähän systemaattinen ja selväpiirteinen ratkaisu.

20

Keksinnön tavoitteena on saada aikaan taajuudenjako parittomalla luvulla pulssisuhteen ollessa 50 %. Jos pulssisuhde on 50 %, piirin ulostuloa voidaan käyttää suurten piirien kellotaajuutena sekä nousevalla että laskevalla reunalla 25 eikä aiheudu ongelmia nousevien reunojen ja laskevien reunojen poikkeavuuksista. Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on siten aikaansaada pariton taajuus tulotaajuudesta pulssisuhteen ollessa olennaisesti 50 %. Tämän saavuttamiseksi on keksinnölle tunnusomaista se, että jaetaan signaalin taa-30 juus aluksi epäsymmetrisesti parittomalla kokonaisluvulla Y*n+l, jossa n on positiivinen kokonaisluku ja Y on positiivinen kahdella jaollinen kokonaisluku, ja yhdistetään digitaalisella portilla mainittu taajuusjaettu signaali ja siitä muodostettu samantaajuinen viivästetty signaali lopullisen 35 taajuusjaetun signaalin muodostamiseksi.

Keksinnön mukaisen ratkaisun avulla tulotaajuus voidaan jakaa parittomalla luvulla. Lähtevä aaltomuoto on symmetrinen o p r. 7 '-· eli pulssisuhde (duty cycle) on 50 %. Keksinnön avulla saadaan tulokellotaajuudesta järjestelmän kellotaajuus, kun tulokellotaajuuden ja lähtökellotaajuuden välinen suhde R on pariton kokonaisluku. Aikaisemmin on pystytty ohjelmoitavan 5 synkronisen laskurin avulla saamaan aikaan sama tulo- ja lähtösignaalin suhde, mutta pulssisuhde ei ole ollut lähellä 50 %, varsinkaan suurilla suhdeluvuilla. Jos suhdeluku R on parillinen kokonaisluku, ohjelmoitavan laskurin ulostulo voidaan aina jakaa kahdella siten, että pulssisuhde pysyy 10 samana.

Keksintöä selostetaan seuraavassa yksityiskohtaisesti viitaten oheisiin kuviin. Kuva 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän toteuttavan laitteen piirikaaviota ja kuvat 2 ja 3 15 esittävät pulssikuvioita esimerkistä, jossa on tehty symmetrinen jako 3:11a. Kuva 4 esittää toista keksinnön mukaista suoritusmuotoa ja kuva 5 pulssikuvioita esimerkistä, jossa on tehty symmetrinen jako 5:llä. Kuva 6 esittää erästä keksinnön mukaista suoritusmuotoa sekä kuvat 7 ja 8 esittävät 20 pulssikuvioita esimerkistä, jossa on tehty jako luvuilla 1,5 ja 2,5.

Kuvassa 1 on esitetty piirikaavio keksinnön mukaisen menetelmän symmetrisestä jaosta 3:11a toteuttavasta laitteesta. 25 Tuleva kellotaajuus A jaetaan ensin epäsymmetriseksi lähtö-signaaliksi 3-jakajan 1 avulla. Jakajasta 1 tuleva signaali B viivästetään kiikussa 2, josta saadaan lähtönä samanlainen eri vaiheessa oleva signaali C kytkemällä kiikun 2 kellotulo invertterin 3 avulla invertoituun kellosignaaliin. Saadut 30 signaalit B ja C yhdistetään TAI-elimen 4 avulla, jolloin saadaan 3:11a jaettu symmetrinen lähtötaajuus D.

Koska parittomilla luvuilla ei voida tehdä symmetristä jakoa käyttäen pelkästään yhtä tulokellon reunaa, kuten esimerkik-35 si nousevaa reunaa, vaihesiirretty signaali C täytyy ajastaa tulokellon toisen, tässä tapauksessa laskevan, reunan kohdalle invertterin 3 avulla.

, Γ ri r, 7 r-, 4 <0^0/

Epäsymmetrinen jako on yleensä mielekkäintä tehdä siten, että jo epäsymmetrisen jakajan lähdössä pulssisuhde on mahdollisimman lähellä 50 prosenttia, jolloin vaihesiirto on yksinkertaisesti siirto toiselle tulokellon reunalle.

5

Kuvassa 2 on esitetty pulssikuviot kuvan l mukaisesta symmetrisestä jaosta 3:11a, kun jakajan 1 pulssisuhde on 1/3.

AI on tuleva kellotaajuus, Bl jakajan lähtösignaali, Cl viivästetty jakajan signaali ja Dl lähtötaajuus.

10

Vastaavasti kuvassa 3 on esitetty pulssikuviot symmetrisestä jaosta 3:11a, kun jakajan 1 pulssisuhde on 2/3. Tällöin pii-rikaavio on kuvan 1 mukainen, mutta TAI-elimen 4 tilalla käytetään JA-elintä. A2 on tuleva kellotaajuus, B2 jakajan 15 lähtösignaali, C2 viivästetty jakajan signaali ja D2 lähtö-taajuus .

Kun epäsymmetrisen jakajan 1 jakoluvuksi valitaan 3, 5, 7, 9 jne. eli siis mikä tahansa pariton luku, voidaan sen lähtö 20 muuttaa symmetriseksi vaihesiirron ja signaalien yhdistämisen avulla. Jos alkuperäinen pulssisuhde on sopiva, voidaan käyttää eri pituisia vaihesiirtoja ja lähtösignaalien yhdis-tämistapoja.

25 Keksinnön mukaista periaatetta voidaan yleistää mielivaltaiseen pulssisuhteen muokkaamiseen. Erilaisten vaihesiirtojen ja sopivan yhdistelemisen avulla pulssisuhdetta voidaan joko pienentää tai kasvattaa.

30 Kuvassa 4 on esitetty piirikaavio keksinnön mukaisen menetelmän symmetrisestä jaosta 5:llä toteuttavasta laitteesta. Tuleva kellotaajuus E jaetaan ensin epäsymmetriseksi läh-tösignaaliksi 5-jakajan 5 avulla. Jakajasta 5 tuleva 40 % pulssisuhteen omaava lähtötaajuus F viivästetään kiikussa 6, 35 jolloin saadaan samanlainen eri vaiheessa oleva signaali G. Signaali G viivästetään kiikussa 7, jolloin saadaan lähtönä signaali H, joka vastaavasti viivästetään kiikussa 8, jolloin saadaan lähtönä eri vaiheinen signaali I. Kiikun 7 kel- _ Ct Λ r. 1 t", 5 ' 0 t 0 / lotulo on kytketty suoraan kellosignaaliin E ja kiikkujen 6 ja 8 kellotulot on kytketty invertterin 9 avulla invertoituun kellosignaaliin. Saadut signaalit F ja G yhdistetään TAI-elimen 10 avulla, jolloin saadaan 50 % pulssisuhteen 5 omaava lähtötaajuus J. Vastaavasti signaalit F ja H yhdistetään TAI-elimen 11 avulla ja signaalit F ja I yhdistetään TAI-elimen 12 avulla, jolloin saadaan 60 % pulssisuhteen omaava lähtötaajuus K sekä 70 % pulssisuhteen omaava lähtö-taajuus L. Pulssikuviot E - L on esitetty kuvassa 5. Samaa 10 periaatetta voidaan luonnollisesti käyttää pelkkään pulssi-suhteen muokkaamiseen liittämättä siihen jakajia. Keksintöä voidaan soveltaa myös, kun jakajana oleva luku on muotoa (2n+l)/2, jossa n on mikä tahansa positiivinen kokonaisluku. Jakaja on tällöin muotoa 1,5, 2,5, 3,5 jne.

15

Kuva 6 esittää keksinnön mukaista piirikaaviota jaosta luvulla (2n+l)/2. Tällöin taajuus jaetaan ensin luvulla 2n+i ja se N kerrotaan sitten kahdella muodostamalla lisäksi vai-hesiirretty signaali 0 ja yhdistämällä se jaetun signaalin N 20 kanssa. Kun siis halutaan esimerkiksi jakaa tulotaajuus luvulla 1,5, tulotaajuus M jaetaan ensin luvulla 3 (1,5 * 2) jakajassa 13 ja lähtötaajuus N kerrotaan kahdella vaihesiir-ron avulla. Jakajan lähtötaajuus N viivästetään yhden kello-jakson verran kiikun 14 avulla. Tämän jälkeen taajuus vii-25 västetään puoli kellojaksoa kiikun 15 avulla, jonka kellotu-lo on kytketty invertterin 17 avulla käänteiseen kellosignaaliin. Saadut signaalit N ja O yhdistetään TAI-elimen 16 avulla, jolloin saadaan haluttu lähtötaajuus P. Jakaminen kaksinkertaisella luvulla on tehtävä, koska ei tunneta tapo-30 ja tehdä jako suoraan luvulla (2n+l)/2.

Kuvassa 7 on esitetty pulssikuviot kuvan 6 mukaisesta jaosta luvulla 1,5. Ml on tuleva kellotaajuus, N1 jakajan lähtösig-naali, 01 viivästetty kiikusta 15 saatava signaali ja Pl 35 lähtötaajuus.

Vastaavasti kuvassa 8 on esitetty pulssikuviot jaosta luvulla 2,5. Tällöin piirikaavio on kuvan 6 mukainen, mutta jaka- P n ^ n o < O (. ν ' / jana 13 on 5-jakaja ja viivekiikun 14 tilalla on kaksi sar-jaankytkettyä kiikkua. M2 on tuleva kellotaajuus, N2 jakajan lähtösignaali, 02 viivästetty kiikusta 15 saatava signaali ja P2 lähtötaajuus.

5

Ratkaisun mukainen kertominen kahdella toteutetaan siis muodostamalla aluksi esim. viivästämällä samantaajuinen signaali 0, joka on vastakkaisessa vaiheessa jaettuun signaaliin N nähden. Tämän jälkeen taajuus kerrotaan yhdistämällä nämä 10 kaksi erivaiheista signaalia N, 0 sopivasti signaaliksi P. Lähtösignaalin pulssisuhde ei ole enää 50 %, mutta nousevat reunat ovat toisiinsa nähden tasaisin välein samoin kuin vastaavasti laskevat reunat. Digitaalisissa sovellutuksissa, joissa signaalia käytetään pelkästään kellotukseen, tämä on 15 yleensä riittävää.

Ratkaisun mukaista periaatetta voidaan yleistää tekemällä jako ensin luvulla Y*(2n+l)/2, ja kertomalla jaetun lähtösignaalin taajuus luvulla Y. Yleensä Y:n arvo 2 tuottaa 20 helpoimman ja taloudellisimman toteutuksen logiikan määrän suhteen.

On huomattava, että keksinnön mukaista periaatetta voidaan soveltaa myös parittomilla luvuilla jakamiseen. Tällöin tu-25 lotaajuus jaetaan ensin luvulla (2n+l)/2 edellä esitetyn periaatteen mukaisesti ja sitten lähtötaajuus jaetaan luvulla 2. Kuitenkin aiemmin kuvattu parittomilla luvuilla jakamisen periaate on yleensä käyttökelpoisempi ja synkronisem-pi.

30

Jakajia voidaan myös kytkeä peräkkäin käyttämällä edellisen jakajan lähtökelloa seuraavan jakajan tulokellona. Näin voidaan muodostaa lähes mielivaltaisia jakosuhteita. Esimerkiksi kytkemällä peräkkäin 2,5-jakaja ja 3,5-jakaja, saadaan 35 jako 8,75:llä. Lisäämällä tähän vielä 4,5-jakaja saadaan jako 39,375:llä. Kun jakajia kytketään peräkkäin, kunkin jakajan lähdön pulssisuhde määräytyy kytkennässä edelliseltä jakajalta saatavan kellon pulssisuhteesta. Tapauskohtaisesti _ Q C r 7 7 < o o / viimeisestä jakajasta saadaan joko symmetrinen tai epäsymmetrinen lähtötaajuus.

Epäsymmetrisiä lähtötaajuuksia voidaan symmetrisoida keksin-5 nön mukaisella pulssisuhteen muokkaamisen periaatteella tai esim. tunnetun periaatteen mukaisesti suorittamalla viimeiseksi jako kahdella, joka symmetrisoi lähtötaajuuden. Jakajia peräkkäin kytkettäessä toiminta on kuitenkin osittain asynkronista eli kokonaisviive alkupäästä loppupäähän kasvaa 10 ja samoin testattavuus vaikeutuu.

On myös mahdollista tehdä vaihesiirto esimerkiksi invertte-reistä tai porteista muodostetulla asynkronisella viiveket-julla. Asynkroninen viiveketju on kuitenkin altis prosessis-15 ta, jännitteestä, lämpötilasta ja johdotuksen layoutista johtuville viivevaihteluille. Tällöin myös lähdön pulssisuh-de vaihtelee. Taajuuden jakoon voidaan myös käyttää kahta eri jakajaa, jotka ovat eri vaiheessa. Tällöin jakajien lähdöistä saadaan eri vaiheessa olevat signaalit. Toteutustapa 20 on muuten hyvä, mutta vaatii enemmän logiikkaa.

Monipuolisin, mutta eniten logiikkaa kuluttava, toteutus on tehdä jakajasta täysin parametrisoitava jakosuhteen ja lähdön pulssisuhteen osalta. Jakajalle annetaan tällöin toivo-25 tun jakosuhteen mukaan alkuarvo, joka vastaa haluttua jakajan pituutta ja samoin valitaan lähtöön sopiva portti edellä esitettyjen esimerkkien mukaisesti lopullisen signaalin muodostamiseksi. Tällöin sama jakaja voidaan tapauskohtaisesti ohjelmoida erilaisille jakosuhteille.

30

Keksinnön avulla digitaalisen signaalin taajuus voidaan jakaa parittomilla luvuilla ja lähtösignaali voidaan säilyttää symmetrisenä eli pulssisuhteella 50 %. Yleistettynä keksintöä voidaan käyttää mielivaltaiseen pulssisuhteen muokkaami-35 seen.

Keksinnön mukaista parittomilla luvuilla jakamisen periaatetta voidaan systemaattisesti soveltaa ja laajentaa myös 8 f Γ r ? π ^ κ.1 κ> / desimaaliluvuilla jakamiseen. Tällöin lähtösignaalin puls-sisuhde ei kuitenkaan ole enää 50 %.

Keksintö kuvaa systemaattisen periaatteen, jolla voidaan 5 tehdä jako millä tahansa parittomalla luvulla pientä logiik-kamäärää käyttäen. Keksinnön avulla voidaan toteuttaa sellaisia kellojakajia, joita ei aiemmin ole kyetty tekemään tai joiden toteutukset ovat olleet erittäin hankalia ja tapauskohtaisia. Keksinnön avulla saadaan aikaan synkroninen 10 lähtösignaali.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla saadaan aikaan täysin synkroninen kellotettu toiminta, mikä siis tarkoittaa, että kiikkujen kellotuloihin tulee sama kello {invertoituna tai 15 ei-invertoituna) eikä näin ollen synny mitään etenemisvii-veitä. Tulokelloa ei ole portitettu ja muistielimien asynkronista resetointia ei käytetä. Tästä syystä testi voidaan tehdä myös esim. SCAN-periaatteella.

20 Järjestelmä ei ole riippuvainen asynkronisista viiveistä tai johdotuksen layoutista. Ajoitukset ovat tarkat eikä järjestelmässä ole parametreistä johtuvia suuria viivevaihteluita. Keksinnössä ei ole lainkaan takaisinkytkentöjä, joten siinä ei esiinny takaisinkytkennän aiheuttamaa viivettä normaali-25 toiminnassa ja sen testattavuus on helpompi.

Keksinnössä on minimimäärä tulo- ja lähtösignaaleja. Myös viive tulosta lähtöön on minimaalinen, joten ratkaisua voidaan käyttää hyvin myös suurilla taajuuksilla. Keksinnön 30 mukaisen menetelmän toteuttavia taajuusjakajia on helppo kytkeä useita peräkkäin.

Claims

1. Menetelmä signaalin (A; E; M) taajuuden jakamiseksi parittomilla tai desimaaliluvuilla, tunnettu siitä, että 5. jaetaan signaalin (A; E; M) taajuus aluksi epäsymmetrises ti parittomalla kokonaisluvulla Y*n+1, jossa n on positiivinen kokonaisluku ja Y on positiivinen kahdella jaollinen kokonaisluku, ja - yhdistetään digitaalisella portilla (4; 10, 11, 12; 16) 10 mainittu taajuusjaettu signaali (B; F; N) ja siitä muodostettu samantaajuinen viivästetty signaali (C; G, H, I; O) lopullisen taajuusjaetun signaalin (D; J, K, L; P) muodostamiseksi .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että muodostetaan useampia viivästettyjä signaaleja (G, H, I) ja yhdistetään jokainen viivästetty signaali (G, H, I) erikseen taajuusjaetun signaalin (F) kanssa, jolloin saadaan useampia taajuusjaettuja signaaleja 20 (J, K, L).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että portti (4; 10, 11, 12; 16) on TAI-portti. 25

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että portti (4; 10, 11, 12; 16) on JA-portti.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että viivästetty signaali (0) on viivästetty siten, että yhdistettäessä se mainitun taajuusjaetun signaalin (N) kanssa saadaan taajuusjaettuun signaalin (N) nähden Y-kertaisen taajuuden omaava signaali (P).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että taajuusjaettu signaali (D; J) on symmetrinen 50 %:n pulssisuhteen (duty cycle) omaava signaali. 35 λ r - 7 n

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että.taajuusjaettu signaali (K, L; P) on epäsymmetrinen.

8. Taajuusjakaja signaalin (A; E; M) taajuuden jakamiseksi parittomilla tai desimaaliluvuilla, tunnettu siitä, että se käsittää - epäsymmetrisen taajuusjakajan (1; 5; 13), joka jakaa tu-losignaalin (A; E; M) taajuuden luvulla Y*n+1, jossa n on 10 positiivinen kokonaisluku ja Y on positiivinen kahdella jaollinen kokonaisluku, - ainakin yhden kiikun (2; 6, 7, 8; 14, 15), jonka datatulo on kytketty epäsymmetrisen taajuusjakajan (1; 5; 13) lähtöön ja jonka kellotulo on kytketty tulosignaaliin (A; E; M) suo- 15 raan tai invertterin (3; 9; 17) kautta, ja - ainakin yhden digitaalisen portin (4; 10, 11, 12; 16), jolla on kaksi tuloa, joista toinen on kytketty epäsymmetrisen taajuusjakajan (1; 5; 13) lähtöön ja toinen kiikun (2; 6, 7, 8; 14, 15) lähtöön, ja jolla on yksi lähtö, josta saa- 20 daan taajuusjakajan lähtösignaali (D; J, K, L; P).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen taajuusjakaja, tunnettu siitä, että kiikun (2; 6, 7, 8; 14, 15) datatulo on kytketty toisen kiikun (2; 6, 7, 8; 14, 15) lähtöön. 25

9 Γ Γ r 7· ''

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen taajuusjakaja, tunnettu siitä, että digitaalinen portti (4; 10, 11, 12; 16. on TAI-portti.

10. O V o /

11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen taajuusjakaja, tun nettu siitä, että digitaalinen portti (4; 10, 11, 12; 16. on JA-portti. r- p ^ -* i·· 11. u u ^ /