JP4018246B2 - 周波数シンセサイザ及びその方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は可変周波数シンセサイザに関するものであり、とりわけ印加された周波数基準信号の有理数倍の周波数の信号を発生するための方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来技術及びその問題点】
周波数シンセサイザは、通常、通信システムや電子計測器に用いられる。フラクショナルN周波数シンセサイザは、周波数基準信号の有理数倍の周波数の出力信号を送り出すために、位相ロック・ループ(PLL)のフィードバック経路内において非整数の、つまり小数部を含んだ数による分周を行う。一般に、フラクショナルNシンセサイザにおける非整数分周は、整数分周器と、この分周器の分周比を動的に変更して所望の非整数分周比に近似した平均分周比が得られるようにする関連したコントローラによって実現される。フラクショナルNシンセサイザは、低位相ノイズの出力信号を発生することが可能であるが、これらのシンセサイザには、いくつかの性能上の欠陥がある。例えば、周波数分周比を動的に変更するとノイズが発生し、また、小数部分を含む分周費による分周を行うと、フラクショナルNシンセサイザが利用される計測器またはシステムの性能を劣化させることのあるスプリアス信号が発生する。
【0003】
【概要】
本発明の望ましい実施態様によれば、可変周波数シンセサイザは、位相ロック・ループ(PLL)のフィードバック経路内において整数の分周比による分周を行って、印加された周波数基準信号の有理数倍の周波数の出力信号を送出する。整数分周を利用し、位相予測器をPLLに組み込むことによって、シンセサイザの出力において低ノイズ及び低スプリアス信号レベルが達成できる。可変周波数発振器によって生じる出力信号は整数除数によって分周され、基準信号と位相比較される。この位相比較によって、誤差成分及び周波数分周出力信号と基準信号との間の既知の周波数差に起因する予測可能位相成分を有する時間変化位相差信号が発生する。位相予測器は、位相差信号と比較される予測信号を発生し、予測可能位相成分を相殺する。この比較によって、誤差成分が分離され、処理されて、この結果出力信号の周波数が基準信号の選択された有理数倍の周波数にちょうど等しくなるように、発振器の周波数を操作するために使用される。本発明の第1の望ましい実施態様によれば、可変周波数シンセサイザはアナログ回路要素を用いて実現される。本発明の第2の望ましい実施態様によれば、可変周波数シンセサイザはディジタル回路要素を用いて実現される。
【0004】
【実施例】
図1に、先行技術によるフラクショナルN周波数シンセサイザ100を示す。シンセサイザ100には位相ロック・ループ(PLL)が含まれている。ループ積分器/フィルタ102、位相検出器104、電圧制御発振器(VCO)106及び小数部を含む分周比つまり非整数による分周を実現するための、PLLのフィードバック経路内分周器108が含まれている。非整数分周は、周波数分周器108及び周波数基準信号101の各周期毎に分周比を動的に決定し、平均分周比が所望の正確度で非整数分周比に近似するようにするところの分周器に関連するコントローラ110を用いて実現される。このタイプのフラクショナルNシンセサイザ100については、米国特許第5,038,117号にMillerによる解説がある。発生する位相ノイズ・スペクトルを整形して、高周波スペクトル・エネルギーの増大という犠牲を払って、低周波スペクトル・エネルギーを減少させるように、動的に決定される分周比を生成することができる。高周波スペクトル・エネルギーは、その後、PLLにおける積分器/フィルタ102によってフィルタリングされる。
【0005】
フラクショナルN周波数シンセサイザ100でノイズのスペクトルを整形することによって低位相ノイズの出力信号103が得られるが、シンセサイザ100にはいくつかの性能上の問題点がある。第1の問題点は、シンセサイザ100の出力信号103に高レベルのスプリアス信号が現れることがあるということである。分周器の出力周波数はVCO出力周波数Foutを小数部付きの数で割ったものであるため、分周器の出力信号105の第N高調波はVCO出力周波数Foutから周波数がわずかにオフセットする。VCOはこれらの高調波信号に極めて影響されやすく、シンセサイザ100の出力信号103に望ましくないスプリアス信号が発生する。
【0006】
図2に、本発明の第1の望ましい実施態様に基づいて構成された可変周波数シンセサイザ10のアナログ実施例の機能ダイアグラムを示す。周波数シンセサイザ10は、可変周波数発振器12、整数分周器14、位相コンパレータ16、加算器18、位相予測器20及びループ積分器/フィルタ22を含む。本実施例では電圧制御発振器(VCO)である可変周波数発振器12は、出力端子2に周波数Foutの所望の出力信号5を生成するように、入力端子に与えられる制御信号7によって制御される。PLLが位相ロックされているという条件下で、制御信号7は出力周波数Foutを調整して、印加されたところの周波数Frefの基準信号3にある有理数を乗算した周波数と等しくなるようにする。有理周波数乗数は(N+.f)に等しい。ここでNは整数部を表し、.fは小数部を表す。
【0007】
周波数シンセサイザ10の出力端子25に生じる出力信号5は、整数分周器14に結合される。分周器14は、PLLがロックされているとき、出力周波数Fout((N+.f)×Frefに等しい)を整数Ndivで分周して、(N+.f)×Fref/Ndivに等しい周波数Fdivを有する分周信号9を発生する。出力周波数Foutが与えられるとこの整数分周比Ndivは一定であり、従って、分周比が基準信号3のサイクル毎に劇的に変化したとすれば発生したであろうところの位相ジッタが排除される。分周信号9は位相コンパレータ16の第1の入力Dに結合され、位相コンパレータ16の第2の入力Eに印加される基準信号3と位相が比較される。分周信号9と基準信号3は周波数が互いに異なるので、基準信号3と分周信号9の位相差θ(t)を表す時間変化信号が、位相コンパレータ16の出力に現れる。この位相差θ(t)には、予測可能位相成分θp(t)と誤差成分θerrorが含まれている。予測可能位相成分θp(t)は、θref(t)×(1−(N+.f)/Ndiv)に等しい。ここで、θref(t)=Fref×tは印加される基準信号3の時間変化位相である。位相誤差θerrorは、予測可能位相θp(t)からのVCO出力信号5の位相偏移を表している。位相差θ(t)は加算器18の負の入力Aに印加される。
【0008】
位相予測器20は、印加された基準信号3の位相成分θref(t)、分周比Ndiv、整数N部及び小数部.fに基づいて予測信号θs(t)を発生する。予測信号θs(t)は、予測可能位相成分θp(t)を模擬しており、またこの信号は加算器18の正の入力Bに印加される。加算器18において予測信号θs(t)から位相差θ(t)を減算することによって、加算器の出力Cには位相誤差θerrorが分離された形で現れる。次に、ループ積分器/フィルタ22によって、位相誤差θerrorを処理することによって、VCO12の周波数を操作するために用いられる制御信号7が発生される。PLLの働きによって、印加された基準信号3に位相ロックされ、また(N+.f)×Frefに等しい周波数Foutを有する出力信号5を供給するために、位相誤差θerrorが最小限に抑えられる。出力周波数Foutは、乗数の整数部Nの値、乗数の小数部.fの値及び分周比Ndivを調整することによって変更される。コントローラ15は分周比Ndiv、整数部N及び小数部.fを位相予測器20に供給し、また分周比Ndivを分周器14にロードする。
【0009】
周波数シンセサイザ10の機能素子はさまざまな既知の回路素子を利用して実現される。例えば、周波数シンセサイザ10をアナログ的に実現したものでは、VCO12からの出力信号5はプログラマブル周波数分周器14に印加される。周波数Foutを調整する場合を除き、分周器の分周比Ndivは不変状態に維持される。位相コンパレータ16は、高次混合積を除去する低域フィルタを有するミクサ(図示せず)を用いて実現される。周波数に対する有理乗数(N+.f)の整数部Nと異なる分周比Ndivを選択することによって、分周信号9は、その周波数が少なくとも(Fref/N+1)Hzだけ基準信号周波数Frefと異なる。この最小周波数差はFref×(1−N/Ndiv)に等しいので、Ndivは位相コンパレータ16によって発生する高次の混合積をPLLの帯域幅外に追い出すように選択することができる。この結果、積分器/フィルタ22によって混合積をフィルタリングして、周波数シンセサイザ10の出力におけるスプリアス信号レベルを低下させることができるようになる。代替案として、位相コンパレータ16を排他的ORゲートまたは他の既知のタイプの位相コンパレータ16を用いて実現することもできる。
【0010】
電圧源32からの事前同調信号31は、位相予測器20によって生じる予測信号θs(t)の勾配の極性と一致させるために必要なだけ、分周信号9の周波数FDIVを基準信号3の周波数Frefより確実に高くするかまたは低くするのに十分な精度で、VCO12の出力周波数Foutを粗調整する。位相予測器20は、基準信号3の時間変化位相θref(t)によって同期をとられて予測信号θs(t)を送り出す関数発生器によって実現される。一般に、加算器18及びループ積分器/フィルタ22は、演算増幅器を用いて実現される。
【0011】
図3には、本発明の第2の望ましい実施態様に基づいて構成された周波数シンセサイザのディジタル的な実施例が示されている。アナログ事前同調信号31及び制御信号7を受信してアナログ出力信号5を発生するVCO12を除けば、周波数シンセサイザ30はディジタル方式で実現される。DACまたは他の電圧源32からの事前同調信号31によって、VCO12の周波数Foutが粗調整され、他方では制御信号7によってVCOの周波数が微調整される。ゲート発生器34及びカウンタ36を用いて、出力信号5の時間変化位相θout(t)のディジタル推定値θest(m×Tref)を発生させる。ゲート発生器34は、出力信号5のサイクルがカウントされる時間間隔を決定する。VCO出力信号5はカウンタ36の入力に印加され、また分周器14にも印加される。分周器14の端子カウント出力における分周信号9または端子カウント9が、ゲート発生器34の第1の入力34aに供給され、他方では基準信号3がゲート発生器34の第2の入力34bに印加される。ゲート発生器34の入力34a、34bにおける端子カウント9と基準信号3の対応する振幅遷移(例えば、立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ)間の到着時間差から、イネーブル信号37が発生される。ゲート発生器34によって生じるイネーブル信号37がカウンタ36のイネーブル入力に印加され、VCO出力信号5のサイクルがカウントされるゲート時間間隔tdが決まる。基準信号3と端子カウント9の周波数は互いに相違するので、ゲート間隔tdは時間と共に変動する。カウンタ36は、その内容がラッチ信号Dclkによってラッチされた後、自己リセットする。本明細書において参照しているChu他の米国特許第4,519,091号には、カウント・プロセスを中断することなく高速カウンタ36の瞬時内容をラッチする方法が記載されている。
【0012】
出力信号5がプログラミングされた周波数Fout(これは(N+.f)×Frefである)の場合、各ゲート間隔td間にゲートが開いてカウンタに入る出力信号5のサイクル数は(N+.f)×Fref×tdである。(N+.f)は、基準信号3の周波数Frefの有理乗数であり、整数部分の乗数Nと小数部分の乗数.fを含んでいる。基準信号3の位相θref(t)はゲート間隔td内にFref×tdサイクルずつ進むので、間隔td内で基準信号3が進む位相サイクル数は以下のようになる:
△θref(m×Tref)=θref(m×Tref+td)−θref(m×Tref)
ここで、Tref=1/Frefであり、mは基準信号3のサイクル数を示す整数である。ゲート間隔td中に発生することが予測される出力信号5のサイクル数は以下の通りである:
△θref(m×Tref)×(N+.f)
△θref(m×Tref)及び(N+.f)はいずれも既知であるので、カウンタ36の出力でカウントされる出力信号5のサイクル数は予測可能である。このサイクル数は予測可能位相項θp(m×Tref)として表される。この予測可能位相項は以下の様に表される:θp(m×Tref)=trunc(△θref(m×Tref)(N+.f))。ここで、trunc()は引数の小数部を切り捨てることによって整数化する関数である。
【0013】
カウンタ36によって実現されるところの切り捨てによって整数化を行う関数により、整数ではないかもしれない出力信号5の実際のサイクル数が丸められて、完全なサイクルが何回あったかを表す整数カウントが得られる。カウンタ36によるこの丸めによって、カウンタ36の出力に量子化ノイズqEが発生する。カウンタ36の出力には、ノイズ及びVCO12の出力信号5の予測位相からの他の位相偏移による位相誤差θerror(m×Tref)も生じる。量子化ノイズqE及び位相誤差θerror(m×Tref)を考慮して、カウンタ36の出力におけるVCOの出力信号5の位相θout(t)に関するディジタル推定値は、次のように表される:
θest(m×Tref)=trunc(θref(m×Tref)×(N+.f))+θerror(m×Tref)
=θp(m×Tref)+θerror(m×Tref)−qE
カウンタ36によってディジタル推定値θest(m×Tref)に導入される量子化誤差qEは、発生した予測信号θs(m×Tref)に相関量子化ノイズを発生してカウンタの丸め誤差を相殺することによって、大幅に低減される。相関量子化ノイズqEは、位相予測器39において、その出力値すなわち予測信号θs(m×Tref)を切り捨てて整数にすることによって発生される。位相予測器39におけるこの切り捨ては、カウンタ36において行われる丸めを模擬している。この切り捨ての結果、予測信号θs(m×Tref)=θp(m×Tref)となる。バイポーラ・ディジタル加算器40である加算器においてθs(m×Tref)から項θest(m×Tref)を減算することによって予測可能位相項θp(m×Tref)と量子化誤差項qEが相殺され、加算器40の出力40Cに位相誤差項θerror(m×Tref)が残る。
【0014】
量子化ノイズqEが、小数部分.fがゼロである周波数を含む全ての出力信号周波数Foutにおいて相殺されることを保証するため、整数分周比Ndivが、整数Nと所定の整数値だけ異なるように選択される。例えば、分周比NdivはN−1に等しくなるようにセットされる。すると、小数部分.fがゼロである出力信号周波数Foutにおいてさえ、基準信号3と分周信号9が、ゲート発生器34の入力34a、34bにおいて非同期になることが保証され、これによって量子化ノイズの相殺が維持される。分周比Ndivをこのように選択することによって、ずれを導入しなかったら出力信号5中に生じていたはずのスプリアス信号も減少する。小数部分.fの値が小さい場合でも、基準信号3と端子カウント9との周波数差は、PLLの帯域幅範囲の充分外側に位置するかもしれないFref/(N−1)よりも大きい。この周波数差から発生するスプリアス信号は、PLLディジタル・フィルタ42によって簡単にフィルタリングできる。例えば、Fref=10MHzであり出力周波数Foutが500MHz〜1000MHzの場合、最低周波数のスプリアス信号は10MHz/(50−1)≒50.251KHzで発生する。PLLループの帯域幅が約5KHzあれば、周波数シンセサイザ30の出力25におけるスプリアス信号をフィルタリングするのに充分である。
【0015】
分周器14、ゲート発生器34及びカウンタ36によって得られる出力信号5の時間変化位相θout(t)のディジタル推定値θest(m×Tref)は、アナログ・ディジタル変換の結果であり、アナログ・ディジタル変換プロセスに固有の非線形性に影響される。線形化は、クロック発生器38とカウンタ36のLATCH入力との間に配置されたディザ発生器50を利用して、カウンタ36のラッチ信号Dclkにランダム時間変動を加えることによって実現される。ディザ発生器50によってラッチ信号Dclkにランダム時間変動が誘導されると、カウンタ36のラッチ値θest(m×Tref)に、VCO12のアナログ時間変化位相θout(t)とディジタル推定値θest(m×Tref)の関係を線形化するのに十分であるところの、誘導されたランダム時間変動に対応するランダム変動が生じる。
【0016】
図4には、ディザ発生器50の実施例の1つが示されている。PRN(疑似乱数)シーケンス発生器49によって発生するPRNシーケンスがエンコーダ52に印加される。エンコーダ52は、PRNシーケンス発生器49から入力される各整数を、ハイレベルにセットされているビットの個数が入力された各整数の値に等価であるところの、対応する論理値にマッピングする。エンコーダ52からの論理値は論理遅延ブロック54に印加され、エンコーダ52からの論理値に基づく論理遅延ブロック伝搬遅延が導入される。論理値がランダムであるという特性によって基準信号3にランダム時間変動が誘導され、ディザがかけられたラッチ信号Dclkが生じる。ディザがかけられたラッチ信号Dclkのランダム時間変動によって、カウンタ36の出力信号5の複数サイクルに相当するラッチされた値θest(m×Tref)に変動が導入される。
【0017】
このようにする代わりに、ディザ発生器50をゲート発生器34の第2の入力に直列に結合して(図示せず)、基準信号3を受信するようにしてもよい。ディザ発生器50の直列接続によって、基準信号3にランダム時間変動すなわちジッタが加えられ、この基準信号は次に第2の入力34bに供給される。このジッタによって、ゲート間隔tdに対するランダム時間変動が発生し、カウンタ36のラッチされた値θest(m×Tref)に、VCO12のアナログ時間変化位相θout(t)とディジタル推定値θest(m×Tref)との関係を線形化するのに充分な、対応するランダム変動が導入される。一般に、ゲート間隔tdのランダム時間変動によって、カウンタ36のラッチされた値θest(m×Tref)に、出力信号5の複数サイクルに相当する変動が導入される。
【0018】
位相予測器39にはbビット累算器が設けられ、その後には固定利得ブロック23が続いている。累算器27は、基準周波数Frefまたはその整数分の1でクロックされる。累算器27の出力は、(N+.f)×Frefの目標出力周波数で動作している場合に、VCO12の位相がゲート間隔tdの間に進むと予測されるところの、小数部を含むサイクル数を2↑(−b)(演算記号↑はべき乗を表す。ここでは2の−b乗を表している)の分解能で(ここで、bは累算器27容量をビットで表したもの)提示する。累算器27の出力におけるbビット・ワードは利得ブロック23に送られる。利得ブロック23は、このbビット・ワードを有理数である周波数乗数(N+.f)によってスケーリングする。利得ブロック23の出力における(p+b)ビット・ワードは、その上位側のp個のビットだけを加算器に送ることによって切り捨てられ、整数になる。この個数pはLOG2(Ndiv)(ここでLOG2は2を底とした対数を表す)、すなわちビットで表される分周器14の容量、と同じかあるいはそれよりも大きい。その結果、利得ブロック23の出力に生じる予測信号θs(m×Tref)は、目標周波数で動作する場合に、VCO12の位相がゲート間隔tdの間に進むと予測される整数サイクル数を表している。Fout/Ndiv>Frefの場合、ゲート間隔tdは、基準信号3のN/(N−Ndiv+.f)サイクルでその最大値Trefからゼロまで線形に低下し、ここまできた時点でゲート間隔tdはリセットされてその最大時間値Trefに戻る。さらに、このサイクルが繰り返される。例えば、t=0において、ゲート間隔td=0の場合、m番目のゲート間隔tdは、
td(m×Tref)=−(((N+.f−Ndiv)/N)×m×Tref)mod Tref
秒として表される。ここで、modはモジュロ関数を表す。位相誤差θerror(m×Tref)が含まれない場合、出力信号5の位相は、ゲート間隔td(m×Tref)中に、td(m×Tref)×Fref×(N+.f)サイクル、つまり、
((−((N+.f−Ndiv)/N)×m×Tref)mod Tref)×Fref(N+.f)
=((−((N+.f−Ndiv)/N)×m)mod 1)×(N+.f)
サイクル進むものと予測される。この予測される位相の進みtd(m×Tref)×Fref×(N+.f)は、クロック期間Tref毎にその先行出力から(N−Ndiv+.f)/Nを減算する、フル・スケール値が1のユニポーラ累算器27を用いて生成される。bビットは、利得ブロック23に送られて(N+.f)でスケーリングされ、(p+b)ビットが生じ、これが切り捨てられてpビットになり、これによって、整数の完全な出力信号サイクル数だけをカウントすることができるカウンタ36によって実現されるところの切り捨てによって整数化を行う関数を模擬する。その結果得られるpビット・ワードによって、
trunc(((−((N+.f−Ndiv)/N)×m)mod 1)×(N+.f))
に等しい予測信号θs(m×Tref)が生じ、これが、加算器40に与えられて、ゲート間隔td(m×Tref)中にカウンタ36によってカウントされた出力信号5の整数のサイクル数θout(m×Tref)と比較される。
【0019】
累算器のアンダーフロー事象及びゲート間隔リセット事象が同じクロック期間Tref内に生じない場合を除けば、累算器27に関してアンダーフローが補償されると、ゲート間隔td(m×Tref)の終了時における予測信号θs(m×Tref)とカウントされたサイクル数θest(m×Tref)の差は、位相誤差θerror(m×Tref)に対応する。累算器のアンダーフロー事象及びゲート間隔リセット事象が同じクロック期間Tref内に生じない場合、位相誤差θerror(m×Tref)は、予測可能位相成分θp(m×Tref)からの出力信号5の位相偏移に対応しない。例えば、出力信号5の位相が累算器27に保持された予測値より1サイクルだけ遅れると仮定すると、あるクロック期間Trefにおいて累算器27がアンダーフローを生じ、そのサンプルに関してフル・スケール値を出力する。位相予測器39の出力において、予測信号θs(m×Tref)はそのサンプルに関する値がNになる。出力信号5の遅相のため、ゲート間隔td(m×Tref)は、そのサンプルに関する最大値に近くなり、カウンタ36は1出力信号サイクルをカウントする。従って、位相誤差θerror(m×Tref)は、出力信号5の位相θout(t)が予測信号θs(m×Tref)よりN−1サイクルだけ進んでいることを表している。同様に、出力信号5の位相が予測位相より1VCOサイクルだけ進んでいる場合、ゲート間隔td(m×Tref)がその最大値Trefにリセットされるクロック期間によって、位相誤差θerror(m×Tref)が生じるが、この位相誤差は、出力信号5の位相θout(t)が予測信号θs(m×Tref)よりN−1サイクルだけ遅れていることを表している。
【0020】
アンダーフロー補償器29は、同時に生じないアンダーフロー事象とゲート間隔リセット事象について、位相誤差θerror(m×Tref)を補償する。図5には、下位桁補償器29の実施例の1つが示されている。アンダーフロー補償器29は、加算器40の出力から誤差項θerror(m×Tref)を受信する。次に、コンパレータ45において、誤差項とリミッタ43の制限値LIMの比較が行われる。正負検出器(SGN,Signum Function Block)41の2ビット出力は、θerror(m×Tref)>LIMの場合は1、θerror(m×Tref)<LIMの場合は−1、−LIM≦θerror(m×Tref)≦LIMの場合は0になる。乗算器47において、正負検出器41の出力にNを乗算して、アンダーフロー補正項θcorrを得る。位相誤差θerror(m×Tref)からアンダーフロー補正項θcorrを減算することによって補償位相誤差θ'errorを得て、それをディジタル・フィルタ42に送られる。LIMの値がtrunc(N/2)になるように選択することによって、補償位相誤差θ'errorに関する最大範囲が得られる。
【0021】
結果生じる補償位相誤差θ'errorは、VCO出力信号5と基準信号3の間の位相偏移を表している。この補償位相誤差θ'errorは、周波数シンセサイザ30のループ動特性を制御するディジタル・フィルタ42に印加される。ディジタル・フィルタ42の帯域幅はコントローラ15によって調整することが可能である。例えば、周波数シンセサイザ30の捕捉時間とセトリング時間を短縮するため、帯域幅を一時的に拡大する。PLLがロックされると、帯域幅を縮小して、ノイズ性能及びスプリアス信号フィルタリングを最適化することができる。ディジタル・フィルタ42によって、ディジタル入力信号33がディジタル・アナログ変換器(DAC)44に加えられ、VCO12の周波数Foutの操作に用いられるアナログ制御信号7に変換される。ディジタル・フィルタには、DAC44によって生じる制御信号7の量子化誤差を排除するため、DAC44の下位ビットをランダム化するオプションのディザ源を含んでいてよい。位相ロック・ループは、出力信号5の周波数Foutを操作し、Fref(N+.f)、すなわち基準信号3の有理数倍周波数に等しくなるようにすることによって、位相誤差を最小限に抑える。
【0022】
このようにする代わりに、ある周波数合成方法では、与えられた基準信号3の周波数の有理数(N+.f)倍に等しい周波数の出力信号5を発生する。この周波数合成方法は、図1または図3の周波数合成装置を利用した実施例に制限されるものではなく、また一連のステップを含んでいる。まず、出力信号の周波数が整数除数によって分周される。次に、周波数分周出力信号と基準信号の対応する振幅遷移間の時間差から決定される時間間隔tdにおける、出力信号のサイクルをカウントすることによって、出力信号と基準信号の既知の周波数差による誤差項及び予測可能項が得られる。次に、予測信号を発生し、カウントされたサイクル数と比較して、誤差項が分離される。次に、誤差項をフィルタリングして、出力信号の周波数調整に用いられ、この結果、誤差項が最小限に抑えられるので、出力信号の周波数は、基準信号の有理数倍周波数にほぼ等しくなる。該周波数合成方法には、カウントされたサイクル数と、分周出力信号と基準信号3の対応する振幅遷移間の時間間隔との関係を線形化するステップを含めることも可能である。線形化ステップの実施例の1つには、出力信号のサイクルがカウントされる時間間隔にランダム時間変動を加えるステップが含まれている。
【0023】
以上から明らかなように、本発明によって得られる周波数合成装置及び方法では、整数周波数除数を用いて、印加された基準信号の有理数倍周波数の出力信号を発生することによって、出力信号に生じるスプリアス信号を低減する。
【0024】
以下に本発明の実施態様の例を列挙する。
【0025】
[実施態様1]
有理周波数乗数(N+.f)によって、印加された基準信号に対して周波数が関連づけられる出力信号(Fout)を発生する可変周波数シンセサイザ(10)において、
制御信号(7)を受信する入力及び前記制御信号(7)に応答する周波数を有する出力信号(5)を送り出す出力を有する可変周波数発振器(12)と、
前記可変周波数発振器(12)の出力に結合されて、前記出力信号(5)を受信し、前記出力信号の周波数を整数除数(Ndiv)で分周して分周信号(9)を発生する周波数分周器(14)と、
是器周波数分周器(14)に結合されて、第1の入力(D)で分周信号(9)を受信し、第2の入力(E)で基準信号(Fref)を受信して、予測可能成分(θp(t))及び誤差成分(θerror)を有する位相差信号(θ(t))を発生する位相コンパレータ(16)と、
前記基準信号(Fref)を受信して、基準信号(Fref)、整数除数(Ndiv)及び有理周波数乗数(N+.f)に基づき予測可能成分(θp(t))と同一の相殺信号を発生する信号発生器(20)と、
前記位相コンパレータに結合されて、前記位相差信号を受信する第1の入力(A)及び信号発生器に結合されて、相殺信号を受信する第2の入力(B)を備え、前記相殺信号と前記予測可能成分の差を取って、出力から誤差成分(θerror)を送り出す加算器(18)と、
前記加算器(18)の出力(C)と前記可変周波数発振器(12)の入力の間に結合されて、前記誤差成分(θerror)を受信し、前記誤差成分(θerror)を処理して前記制御信号(7)を発生し、前記制御信号(7)によって前記誤差成分(θerror)が減少するように、前記出力信号(5)の周波数が調整されるようにする、フィルタ(22)とを
設けたことを特徴とする可変周波数シンセサイザ。
【0026】
[実施態様2]
前記周波数分周器(14)に結合され、前記整数除数(Ndiv)を選択し、前記信号発生器(20)に結合され、前記有理周波数乗数(N+.f)及び前記整数除数(Ndiv)を前記信号発生器(20)に供給するコントローラ(15)を設けたことを特徴とする、実施態様1に記載の可変周波数シンセサイザ(10)。
【0027】
[実施態様3]
前記出力信号(5)の周波数(Fout)が前記有理周波数乗数(N+.f)及び前記整数除数(Ndiv)を調整することによって選択されることを特徴とする、実施態様2に記載の可変周波数シンセサイザ(10)。
【0028】
[実施態様4]
基準信号(Fref)の位相が時間変化し、前記予測可能成分が、前記時間変化する位相×(1−前記有理周波数乗数)÷前記整数除数(Ndiv)に等しいことを特徴とする、実施態様3に記載の可変周波数シンセサイザ(10)。
【0029】
[実施態様5]
印加された基準信号(3)に対して有理周波数乗数(N+.f)によって周波数が関連づけられる出力信号(5)を発生する可変周波数シンセサイザ(30)において、
制御信号(7)を受信する入力及び前記制御信号(7)に応答する周波数を有する出力信号を提供する出力を有する可変周波数発振器(12)と、
前記可変周波数発振器(12)の出力に結合されて、前記出力信号(5)を受信し、前記出力信号の周波数を整数除数(Ndiv)で割って、分周信号(9)を発生する周波数分周器(14)と、
前記周波数分周器(14)に結合されて、第1の入力(34a)で前記分周信号(9)を受信し、第2の入力(34b)で基準信号(3)を受信して、前記第1の入力と前記第2の入力における前記分周信号(9)と前記基準信号(3)の互いに対応する振幅遷移間の時間差に応答し、前記時間差に基づいてその出力からパルスを発生するゲート発生器(34)と、
前記可変周波数発振器(12)の出力に結合されて、前記出力信号(5)を受信し、前記ゲート発生器(34)に結合されて、前記パルスを受信して、前記パルスの持続時間内における前記出力信号(5)のサイクル数をカウントし、その出力から前記出力信号(5)の予測サイクル数及び誤差項を含むカウント値を提供するカウンタ(36)と、
前記基準信号(3)、前記有理周波数乗数(N+.f)及び前記整数除数(Ndiv)を受信し、
その出力から前記出力信号(5)の前記予測サイクル数に等しい出力値を発生する位相予測器(39)と、
前記カウンタ(36)及び前記位相予測器(39)の出力に結合されて、前記カウント値と前記出力値を減算して、その出力から前記誤差項を提供する加算器(40)と、
前記加算器(40)の出力に結合されて、前記誤差項をフィルタリングする処理手段(29、42)と、
前記処理手段(29、42)に結合されて、デジタル処理された前記誤差項を受信し、前記制御信号(7)を発生し、前記制御信号は前記出力信号(5)の周波数(Fout)を調整して、誤差項を最小限に抑えるディジタル・アナログ変換器(44)と
を設けたことを特徴とする可変周波数シンセサイザ。
【0030】
[実施態様6]
前記有理乗数(N+.f)が整数(N)値と小数値(.F)の和で構成され、
前記位相予測器(39)は累算器(27)と利得ブロック(23)を含み、前記累算器(27)は、前記有理乗数(N+.f)と前記整数除数(Ndiv)の差を前記整数値で除算し、前記基準信号(3)に基づいてクロック処理し、前記利得ブロック(23)は前記累算器(27)及び前記処理手段(29、42)に結合されて、累算値に前記有理乗数でスケーリングし、
前記処理手段は、前記累算器及びフィルタ(42)のためのアンダーフロー補償器(29)を含み、前記アンダーフロー補償器(29)は前記加算器(40)及び前記フィルタ(42)の出力に結合されている
ことを特徴とする実施態様5に記載の可変周波数シンセサイザ(30)。
【0031】
[実施態様7]
前記累算器(27)の分解能は前記カウンタ(36)よりも高い分解能を有し、前記利得ブロック(23)は前記累算値を切り捨てて、前記カウンタ(36)の分解能に等しくなるようにすることを特徴とする実施態様6に記載の可変周波数シンセサイザ(30)。
【0032】
[実施態様8]
クロック発生器(38)とディザ発生器(50)を設け、前記クロック発生器(38)は前記基準信号(3)を受信して、前記基準信号(3)からクロック(CLOCK)信号を発生し、前記ディザ発生器(50)は前記クロック発生器(38)に結合されて、前記クロック信号(CLOK)を受信し、前記クロック信号にランダム・タイミング不確実性を加えて、前記カウンタ(36)に対するラッチ信号(DCLK)を発生することを特徴とする実施態様5に記載の可変周波数シンセサイザ(30)。
【0033】
[実施態様9]
前記ゲート発生器(34)の第2の入力(34b)に結合されて、前記基準信号(3)を受信し、前記基準信号(3)にランダム時間不確実性を加えて、対応するランダム時間不確実性が前記ゲート発生器(34)の出力に生じるパルス持続時間に生じるようにするディザ発生器(50)を含むことを特徴とする実施態様5に記載の可変周波数シンセサイザ(30)。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術によるフラクショナルNシンセサイザを示す図である。
【図2】本発明の第1の実施態様に基づいて構成された周波数シンセサイザのアナログ実施例を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施態様に基づいて構成された周波数シンセサイザのディジタル実施例を示す図である。
【図4】図3の周波数シンセサイザに組み込まれたディザ発生器を示す図である。
【図5】図4の周波数シンセサイザに組み込まれたアンダーフロー補償器を示す図である。
【符号の説明】
10:可変周波数シンセサイザ
12:可変周波数発振器
14:整数分周器
15:コントローラ
16:位相コンパレータ
18:加算器
20:位相予測器
22:ループ積分器/フィルタ
23:利得ブロック
25:出力端子
27:累算器
29:アンダーフロー補償器
30:周波数シンセサイザ
32:電源
34:ゲート発生器
36:カウンタ
38:クロック発生器
39:位相予測器
40:バイポーラ・ディジタル加算器
42:ディジタル・フィルタ
44:ディジタル・アナログ変換器
45:コンパレータ
49:PRNシーケンス発生器
50:ディザ発生器
52:エンコーダ
54:論理遅延ブロック
Claims (3)
- 基準信号の有理数倍の周波数の出力信号を生成するための周波数合成方法であって、
前記出力信号の周波数を分周するステップと、
前記分周された出力信号の振幅の遷移と、印加される前記基準信号の対応する振幅の遷移との間の時間間隔において生じる出力信号のサイクル数をカウントし、カウント値および誤差項を生成するステップと、
前記カウント値に等しい予測項を生成するステップと、
前記予測項を前記カウント値と比較して、前記誤差項を分離するステップと、
前記誤差項が最小のとき、前記基準信号の有理数倍の周波数に等しくなるように、前記出力信号の周波数を調節するステップと、
を含む、周波数合成方法。 - さらに、
前記分周された出力信号の振幅の遷移と、前記基準信号の対応する振幅の遷移との間の時間間隔と、前記サイクルのカウント値との間の関係を、線形化するステップを含む、
請求項1に記載の周波数合成方法。 - 前記線形化するステップは、さらに、
前記出力信号のサイクル数がカウントされる前記時間間隔にわたって、ランダムな時間変動を加えるステップを含む、
請求項2に記載の方法。
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