JP2006324882A - Phase synchronization loop circuit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、無線通信装置やレーダなどのマイクロ波送受信装置にマイクロ波の波源に用いる位相同期ループ回路に関するものである。 The present invention relates to a phase-locked loop circuit used for a microwave wave source in a microwave transmission / reception apparatus such as a radio communication apparatus and a radar.
例えば、特開2001−24547には従来の位相同期ループ回路が開示されている。この従来の位相同期ループ回路は、電圧制御発振器の出力信号を可変分周器により分周し、基準発振器からの信号を可変分周器により分周し、これらの分周された各信号を位相比較器により比較するものである。これらの可変分周器には、初期に小さい分周数を設定されて位相同期が確認された後、大きい分周数を設定し位相同期する。このように分周数を変化させることによって、位相同期に至る時間が短縮されるものである。 For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2001-24547 discloses a conventional phase locked loop circuit. This conventional phase-locked loop circuit divides the output signal of the voltage controlled oscillator by the variable divider, divides the signal from the reference oscillator by the variable divider, and phase-divides each of these divided signals. The comparison is made by a comparator. These variable frequency dividers are initially set to a small frequency division number and phase synchronization is confirmed, and then a large frequency division number is set to perform phase synchronization. Thus, by changing the frequency division number, the time to reach phase synchronization is shortened.
従来の位相同期ループ回路では、生成する信号の周波数分解能を高分解能にしようとすると、原理的に、電圧制御発振器からの帰還信号を分周する分周数を大きくする必要があり、位相比較器の雑音フロアによる位相雑音が劣化するという問題点があった。特にΔΣ方式のフラクショナルN型の分周器を用いた場合には、スプリアス成分が発生するという問題点があった。また、従来の位相同期ループ回路では、複数の分周数を設定することができる可変分周器を有するために回路規模が増大するという問題点もあった。 In the conventional phase-locked loop circuit, in order to increase the frequency resolution of the signal to be generated, in principle, it is necessary to increase the frequency dividing number to divide the feedback signal from the voltage controlled oscillator. There was a problem that the phase noise due to the noise floor deteriorated. In particular, when a ΔΣ type fractional N type frequency divider is used, there is a problem that spurious components are generated. Further, the conventional phase-locked loop circuit has a problem that the circuit scale increases because it has a variable frequency divider that can set a plurality of frequency division numbers.
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、周波数分解能が高く、位相雑音特性が良好であり、また、出力スプリアスを抑制することができる位相同期ループ回路を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a phase-locked loop circuit that has high frequency resolution, good phase noise characteristics, and can suppress output spurious. With the goal.
請求項1の発明に係る位相同期ループ回路は、電圧制御発振器と、この電圧制御発振器の出力信号を分周する分周回路と、この分周回路により分周した信号と基準信号との位相誤差又は周波数誤差を検出して誤差電圧を出力する位相比較器と、この位相比較器が出力する誤差電圧を濾波し、上記電圧制御発振器へ出力するループフィルタと、源信号を逓倍して上記基準信号を生成する逓倍器とを備えたものである。 A phase-locked loop circuit according to a first aspect of the present invention includes a voltage controlled oscillator, a frequency dividing circuit that divides an output signal of the voltage controlled oscillator, and a phase error between a signal divided by the frequency dividing circuit and a reference signal Alternatively, a phase comparator that detects an error error and outputs an error voltage, a loop filter that filters an error voltage output from the phase comparator and outputs the error voltage, and a reference signal that is multiplied by a source signal And a multiplier for generating.
請求項2の発明に係る位相同期ループ回路は、電圧制御発振器と、この電圧制御発振器の出力信号を分配する第1の電力分配器と、この第1の電力分配器により分配した1の分配信号を分周する第1の分周回路と、上記第1の電力分配器により分配した他の1の分配信号を分周する第2の分周回路と、源信号を逓倍して基準信号を生成する逓倍器と、この逓倍器により生成した基準信号を分配する第2の電力分配器と、この第2の電力分配器により分配した1の基準信号を分周する第3の分周回路と、上記第2の電力分配器により分配した他の1の基準信号を分周する第4の分周回路と、上記第1の分周回路により分周した信号と上記第3の分周回路により分周した基準信号との位相誤差又は周波数誤差を検出して誤差信号を出力する第1の位相比較器と、上記第2の分周回路により分周した信号と上記第4の分周回路により分周した基準信号との位相誤差又は周波数誤差を検出して誤差信号を出力する第2の位相比較器と、上記第1の位相比較器と上記第2の位相比較器の誤差信号をループフィルタを介して混合し、上記電圧制御発振器へ出力する混合器とを備えたものである。 A phase-locked loop circuit according to a second aspect of the present invention includes a voltage-controlled oscillator, a first power distributor that distributes an output signal of the voltage-controlled oscillator, and one distribution signal that is distributed by the first power distributor. A first frequency dividing circuit for frequency dividing, a second frequency dividing circuit for frequency dividing the other one distributed signal distributed by the first power distributor, and a reference signal by multiplying the source signal A frequency divider, a second power distributor that distributes a reference signal generated by the multiplier, a third frequency divider that divides one reference signal distributed by the second power distributor, The fourth frequency dividing circuit that divides the other one reference signal distributed by the second power divider, the signal divided by the first frequency dividing circuit, and the third frequency dividing circuit A first error signal is output by detecting a phase error or a frequency error with respect to the reference signal that has been rotated. A phase comparator, a second error signal is output by detecting a phase error or a frequency error between the signal frequency-divided by the second frequency divider circuit and the reference signal frequency-divided by the fourth frequency divider circuit. A phase comparator; and a mixer that mixes error signals of the first phase comparator and the second phase comparator through a loop filter and outputs the mixed signal to the voltage controlled oscillator.
請求項1に記載の発明によれば、電圧制御発振器の出力信号を分周する分周回路の出力と、逓倍器により源信号を逓倍して生成する基準信号とを位相比較器により比較することにより、周波数分解能が高く、位相雑音特性が良好な位相同期ループを得ることができる。 According to the first aspect of the present invention, the output of the frequency dividing circuit that divides the output signal of the voltage controlled oscillator and the reference signal generated by multiplying the source signal by the multiplier are compared by the phase comparator. Thus, a phase-locked loop with high frequency resolution and good phase noise characteristics can be obtained.
請求項2に記載の発明によれば、第1の電力分配器により分配された1の出力信号と他の1の出力信号を第1の分周回路と第2の分周回路により分周し、逓倍器により源信号を逓倍して生成した基準信号を第2の電力分配器により分配し、第2の電力分配器により分配した1の基準信号と他の1の基準信号を第3の分周回路と第4の分周回路により分周し、第1の分周回路の出力と第3の分周回路の出力とを位相比較し、第2の分周回路と第4の分周回路の出力とを位相比較し、これらの位相比較により得られる誤差電圧を、ループフィルタを介して混合器により混合して電圧制御発振器に入力するので、位相同期ループ回路の出力スプリアスを低減することができる。 According to the second aspect of the present invention, the first output signal distributed by the first power divider and the other one output signal are divided by the first frequency dividing circuit and the second frequency dividing circuit. The reference signal generated by multiplying the source signal by the multiplier is distributed by the second power distributor, and one reference signal and the other reference signal distributed by the second power distributor are distributed to the third distribution. Frequency division is performed by the frequency divider circuit and the fourth frequency divider circuit, the phase of the output of the first frequency divider circuit and the output of the third frequency divider circuit is compared, and the second frequency divider circuit and the fourth frequency divider circuit The output voltage of the phase-locked loop circuit is reduced and the error voltage obtained by these phase comparisons is mixed by the mixer through the loop filter and input to the voltage controlled oscillator. it can.
実施の形態1
この発明の実施の形態1に係る位相同期ループ回路を図1に基づいて説明する。図1はこの発明の実施の形態1に係る位相同期ループ回路の構成を示すブロック図である。図1において、1は位相同期ループ回路の源信号を生成する水晶発振器などの高安定な発振器であり、2は発振器1からの源信号を逓倍して基準信号を生成する逓倍器である。3は電圧制御発振器であり、4は電圧制御発振器3の出力信号を結合して出力するカプラーである。5はΔΣ方式のフラクショナルN型の分周回路、6は分周回路5からの信号と逓倍器2からの基準信号との位相誤差又は周波数誤差を検出し、誤差電圧を出力する位相比較器であり、7は位相検出器6が出力する誤差電圧信号を濾波するループフィルタであり、このループフィルタ7の出力を電圧制御発振器3に入力して位相同期ループ回路を形成する。ループフィルタ7のフィルタ特性により位相同期ループの応答特性が決まるものである。
A phase-locked loop circuit according to
次に位相同期ループ回路の動作について説明する。図1に示す位相同期ループ回路において、発振器1からの源信号を逓倍器2によりM逓倍(Mは整数)して基準信号を生成し、この基準信号を位相比較器6に入力する。電圧制御発振器3の出力信号の一部をカプラー4により取り出して、分周器5に入力してN分周(Nは分数)する。分周器5により分周された出力信号を位相比較器6に入力する。位相比較器6は、分周器5からの信号と逓倍器2からの基準信号とを比較し、位相誤差又は周波数誤差を検出し、誤差電圧を出力する。位相比較器6が出力する誤差電圧は、ループフィルタ7により濾波して、電圧制御発振器3に入力する。
Next, the operation of the phase locked loop circuit will be described. In the phase-locked loop circuit shown in FIG. 1, the source signal from the
ここで、発振器1が出力する源信号の周波数をf1、電圧制御発振器3の出力周波数をf2とし、これらの比率をkとしたとき、f2=k×f1、k=N×Mの関係にある。また、この位相同期ループ回路において、位相同期ループ回路の出力(電圧制御発振器3出力)の雑音フロアをLpとし、この雑音フロアLp中の発振器1側からのノイズによる成分Lp1は、発振器1のノイズをLrとすれば、Lp1=Lr+20Log(k)となる。このLp1は、f2とf1の比率kの値を設定すると、Mの値に拠らず、ノイズレベルが定まるものである。
Here, when the frequency of the source signal output from the
一方、雑音フロアLp中の位相検出器6からのノイズによる成分Lp2は、位相比較器6の雑音フロアをLpdとすると、Lp2=Lpd+20Log(N)となる。このLp2は、f2とf1の比率kの値を設定するとMの値に拠って変化する。即ち、N=k/Mであるから、Mの値を大きくすると、その分、Nの値が減少し、雑音フロアLp2が減少することになる。
On the other hand, the component Lp2 due to noise from the
従って、図1に示す位相同期ループ回路において、kの値を予め設定し、Mの値を1より大きな整数とすることによってLp2が減少し(Lp1は一定)、全体として出力雑音フロアLp(=Lp1+Lp2)を減少させることができる。 Therefore, in the phase-locked loop circuit shown in FIG. 1, by setting the value of k in advance and setting the value of M to an integer larger than 1, Lp2 decreases (Lp1 is constant), and the output noise floor Lp (= Lp1 + Lp2) can be reduced.
分周器5はΔΣ型の分周器であり、分周数Nには分数を設定するが、設定できる桁数により、位相同期ループ回路の周波数分解能が決まる。例えば、発振器1が生成する源信号の周波数f1を10MHz、逓倍器2の逓倍数Mを10、位相同期ループ回路の出力周波数を2300MHz帯(2295MHz〜2305MHz、200kHzステップ)とすると、分周器5に設定する分周数Nは、N=22.950〜23.050、0.002ステップで設定することになる。なお図1には、この数値例を記載している。このように、分周数Nを分数とし、所定のステップで変化させることによって、位相同期ループ回路の周波数分解能を高めることができる。
The frequency divider 5 is a ΔΣ type frequency divider, and a fraction is set as the frequency division number N. The frequency resolution of the phase locked loop circuit is determined by the number of digits that can be set. For example, when the frequency f1 of the source signal generated by the
実施の形態2
この発明の実施の形態2に係る位相同期ループ回路を図2に基づいて説明する。図2はこの発明の実施の形態2に係る位相同期ループ回路の構成を示すブロック図である。図2において、8は電圧制御発振器3の出力信号を分配する第1の電力分配器であり、電圧制御発振器3の出力信号はカプラー4により結合し、電力分配器8に入力している。9は電力分配器8が出力する1の分配信号を分周する第1の分周回路であり、10は電力分配器8が出力する他の1の分配信号を分周する第2の分周回路であり、分周回路9及び分周回路10は、位相同期ループ回路の周波数分解能を高分解能とすべくΔΣ方式のフラクショナルN型で分数分周する分周回路により構成している。11は基準信号の周波数を変換するダイレクトデジタルシンセサイザ(以下、「DDS」と表記する。)であり、発振器1から出力された源信号を逓倍器2により逓倍し、DDS11に入力している。DDS11は、基準信号の周波数を高精度にステップ変化させるために用いるが、これを用いないこともできる。12は、DDS11からの、又はDDS11を用いない場合には逓倍器2からの基準信号を分配する第2の電力分配器である。13は電力分配器12により分配された1の基準信号を分周する第3の分周回路であり、14は電力分配器12により分配された他の1の基準信号を分周する第4の分周回路である。これらの分周回路13及び分周回路14は、整数分周する分周回路であっても、また、分数分周するΔΣ方式のフラクショナルN型の分周回路であってもよい。15は分周回路9により分周した信号と分周回路13により分周した基準信号との位相誤差又は周波数誤差を検出して誤差信号を出力する第1の位相比較器であり、16は分周回路10により分周した信号と分周回路14により分周した基準信号との位相誤差又は周波数誤差を検出して誤差信号を出力する位相比較器である。17は位相比較器15が出力する誤差電圧信号を濾波するループフィルタであり、18は位相比較器16が出力する誤差電圧信号を濾波するループフィルタであり、これらのループフィルタのフィルタ特性により位相同期ループの応答特性が決まる。19はループフィルタ17の出力とループフィルタ18の出力を混合する混合器であり、この混合器19の出力を電圧制御発振器3に入力して位相同期ループを形成する。
A phase locked loop circuit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a phase-locked loop circuit according to
次に実施の形態2に係る位相同期ループ回路の動作について説明する。図2に示す位相同期ループ回路において、発振器1からの源信号を逓倍器2によりM逓倍(Mは整数)して基準信号を生成し、この基準信号をDDS11に入力する。DDS11はM逓倍後の基準信号の周波数を高精度にステップ変化させるために用いるが、これを用いないこともできる。DDS11が出力する基準信号は、電力分配器12により分配され、分周回路13及び分周回路14に入力する。ここで、電力分配器12は複数の基準信号に分配しており、これらの分配された複数の基準信号は、それぞれ分周回路に入力される。ここで、電力分配器12は基準信号をX分配し、分配された基準信号をそれぞれX個の分周回路に入力し、各分周回路の分周数をRi(i=1、2、・・・X)とする。分周回路13の分周数はR1であり、分周回路14の分周数はRXである。
Next, the operation of the phase locked loop circuit according to the second embodiment will be described. In the phase-locked loop circuit shown in FIG. 2, a source signal from the
一方、電圧制御発振器3の出力信号は、その一部をカプラー4により取り出して、電力分配器8に入力する。ここで、電力分配器8は電圧制御発振器3の出力信号をX個の信号に分配し、これらの信号をそれぞれX個の分周回路に入力し、各分周回路の分周数をNi(i=1、2、・・・X)とする。分周回路9の分周数はN1であり、分周回路10の分周数はNXである。分周回路9によりN1分周した信号と分周回路13によりR1分周した基準信号とを位相比較器15により位相比較して誤差電圧を出力する。また、分周回路10によりNX分周した信号と分周回路14によりRX分周した基準信号とを位相比較器16により位相比較して誤差電圧を出力する。位相比較器15及び位相比較16の誤差電圧出力は、それぞれループフィルタ17及びループフィルタ18を介して、混合器19により混合し、混合器19の出力を電圧制御発振器3に入力する。
On the other hand, a part of the output signal of the voltage controlled
ここで、発振器1が出力する源信号の周波数をf1、電圧制御発振器3の出力周波数をf2、これらの比率をkとし、NiとRiとの比を一定(iの値に拠らず一定という意未)とすれば、f2=k×f1、k=(Ni/Ri)×Mの関係が得られる。即ち、NiとRiとの比が一定となるように各NiとRiの値を設定することによって、発振器1が出力する源信号の周波数に対して、k倍された周波数の電圧制御発振器出力を得ることができる。
Here, the frequency of the
いま、分周回路9、分周回路13、位相比較器15及びループフィルタ17からなる構成を1つのループ系とし、分周回路10、分周回路14、位相比較器16及びループフィルタ18からなる構成を他の1つのループ系として見ると、NiとRiとの比を一定としつつ、Niの値を異なるように設定すれば(即ち、N1とNXの値が異なるように設定すれば)、各ループ系で発生するスプリアスの周波数を異なる値にすることができる。各ループ系で発生するスプリアスの周波数が異なることにより、混合器19によって混合される誤差電圧に生じるスプリアスは、特定の周波数に堆積することなく、複数の周波数において低レベルで混合される。この混合された誤差電圧信号を電圧制御発振器3に入力することにより、電圧制御発振器3の出力に発生するスプリアスを、特定の周波数で堆積することなく、低レベルに抑えることができる。
Now, the configuration composed of the frequency dividing circuit 9, the
実施の形態2に係る位相同期ループ回路の雑音フロアは、逓倍器2による源信号のM逓倍と、分周回路9及び分周回路10におけるNi分周により、実施の形態1と同様に、位相同期ループ回路全体として、出力雑音フロアLp(=Lp1+Lp2)を減少させることができる。
Noise floor of the phase locked loop circuit according to the second embodiment, and M multiplied source signal by the
実施の形態2に係る位相同期ループ回路の周波数分解能は、分周回路の分周数Ni及びRiを固定値とした場合には、DDS11による周波数ステップにより決定される。DDS11には、必要な周波数ステップがとれるように周波数設定機能を設ける。また、DDS11を用いずに逓倍器2出力を電力分配器12に入力する構成としても良い。この場合、NiとRiの比の設定値を全てのi値に対してkと設定し、位相同期ループ回路の出力(即ち、電圧制御発振器4の出力)の周波数f2(k)が得られ、出力周波数を変化させるときには、NiとRiの比の設定値を全てのi値に対してk+Δkと変化させることにより、位相同期ループ回路の出力(即ち、電圧制御発振器4の出力)の周波数f2(k+Δk)が得られる。
The frequency resolution of the phase-locked loop circuit according to the second embodiment is determined by the frequency step by the
2 逓倍器
3 電圧制御発振器
5 分周回路
6 位相比較器
7 ループフィルタ
8 第1の電力分配器
9 第1の分周回路
10 第2の分周回路
11 ダイレクトデジタルシンセサイザ
12 第2の電力分配器
13 第3の分周回路
14 第4の分周回路
15 第1の位相比較器
16 第2の位相比較器
17、18 ループフィルタ
19 混合器
2
Claims (2)
A voltage controlled oscillator; a first power distributor that distributes an output signal of the voltage controlled oscillator; a first frequency divider that divides one distributed signal distributed by the first power distributor; A second frequency dividing circuit for frequency-dividing the other one distributed signal distributed by the first power divider; a multiplier for multiplying the source signal to generate a reference signal; and a reference signal generated by the multiplier , A third frequency dividing circuit that divides one reference signal distributed by the second power divider, and another one distributed by the second power distributor. Detects a phase error or a frequency error between a fourth frequency dividing circuit that divides the reference signal, a signal divided by the first frequency dividing circuit, and a reference signal divided by the third frequency dividing circuit Frequency division by the first phase comparator that outputs an error signal and the second frequency divider circuit. A second phase comparator for detecting a phase error or a frequency error between the received signal and the reference signal divided by the fourth frequency dividing circuit and outputting an error signal; the first phase comparator; A phase-locked loop circuit comprising: a mixer for mixing error signals of the two phase comparators through a loop filter and outputting the mixed signal to the voltage controlled oscillator.
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