KR20020087024A - Apparatus and Design Method of the Ultra-High Speed Fractional-N Type Digital Hybrid Frequency Synthesizer - Google Patents

Apparatus and Design Method of the Ultra-High Speed Fractional-N Type Digital Hybrid Frequency Synthesizer Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A method and an apparatus for designing a high speed fractional-N digital hybrid frequency synthesizer are provided, which can replace a complex digital look-up table(DLT) realized with a ROM(Read Only Memory) with a simple digital circuit. CONSTITUTION: According to the digital hybrid frequency synthesizer method, an open loop where a digital frequency synthesis command is applied directly to a voltage controlled oscillator(VCO)(5) through a ROM and a DAC(Digital Analog Converter)(9) is mixed to a phase locked loop(PLL) circuit, for a high speed frequency synthesis. According to the method, the digital look-up table realized with the ROM having a transfer characteristics of the voltage controlled oscillator is replaced, and thus a difference value between the frequency synthesis command in the previous state and a newly inputted frequency synthesis command is used. A timing synchronization is achieved using an auxiliary signal synchronized to a reference input signal, to be synchronized to the reference frequency at every new frequency synthesis command inputted to a programmable divider of the PLL and the digital look-up table or the circuit replacing the digital look-up table.

Description

초고속 분수형 디지털 하이브리드 주파수 합성기 설계방법과 장치 { Apparatus and Design Method of the Ultra-High Speed Fractional-N Type Digital Hybrid Frequency Synthesizer }Apparatus and Design Method of the Ultra-High Speed Fractional-N Type Digital Hybrid Frequency Synthesizer}

기존의 대표적인 주파수 합성기로는 위상고정루프(PLL:phase locked-loop)를 이용한 것이다. 폐쇄형 구조(closed loop)로서 가장 널리 쓰이는 방식이며, 가격과 다양성, 유연성에서 가장 뛰어난 편이다. 또한 스퍼리어스 잡음이 다른 방식에 비해 상대적으로 낮다. 그러나 스위칭 속도는 폐쇄형 구조 특성상 낮은 편이다.Conventional representative frequency synthesizer is using a phase locked loop (PLL). As a closed loop, it is the most widely used method and has the best price, variety, and flexibility. In addition, spurious noise is relatively low compared to other methods. However, the switching speed is low due to the closed structure.

폐쇄형 구조의 주파수 합성기에는 크게 정수형(integer-N type)과 분수형(fractional-N type) 주파수 합성기가 있다. 정수형 주파수 합성기는 출력주파수가 기준 주파수의 정수배로 출력되는 구조이고, 분수형 구조는 정수뿐만 아니라 분수배로도 합성이 가능한 구조이다. 그래서, 정수형 구조에 비해서 분수형 구조는 더 높은 기준 주파수를 사용할 수 있게 되어 위상비교기의 비교 시간이 짧아져서 정착시간(settling time)이 짧아지고, 동일한 출력 주파수에 대해서 분주비가 낮아지므로 위상잡음도 향상된다. 그러나, 분주비의 주기적인 변화로 인한 심각한스퍼리어스(spurious)의 존재와 주파수 합성간격에 비례하여 정착시간이 길어지는 단점을 갖는다.Closed-type frequency synthesizers generally include integer-type and fractional-N type frequency synthesizers. The integer frequency synthesizer is a structure in which the output frequency is output as an integer multiple of the reference frequency, and the fractional structure is a structure that can be synthesized not only as an integer but also as a fraction multiple. Therefore, compared to the integer structure, the fractional structure can use a higher reference frequency, the comparison time of the phase comparator is shorter, the settling time is shorter, and the division ratio is lowered for the same output frequency, thereby improving the phase noise. do. However, there is a disadvantage in that the settling time is long in proportion to the presence of severe spurious due to the periodic change of the division ratio and the frequency synthesis interval.

한편, 디지털 주파수 합성 명령을 곧바로 전압 제어 발진기(VCO :voltage controlled oscillator)에 인가하는 개방형 구조(open loop)를 기존의 폐쇄형 구조에 혼합한 디지털 하이브리드 주파수 합성기 방식을 이용하여 고속 주파수 합성을 하고자 한다. 주파수 합성명령이 기존 PLL의 카운터와 디지털 룩업 테이블(digital look-up table)에 인가된다. 디지털 룩업 테이블의 출력이 DAC(digital-to analog 변환기)에 인가되면 합성 명령에 해당하는 전압이 루프 필터의 전압과 더해져서 전압 제어 발진기를 구동한다. 디지털 룩업 테이블은 전압제어 발진기의 전압 대 주파수 관계의 정보가 저장된 ROM 구조이다. 그래서 주파수 합성 명령이 디지털 룩업 테이블에 의해 이에 맞는 전압 정보가 되고, 다시 DAC에 의해 원하는 전압으로 출력된다. 그러므로 새로운 합성 명령이 입력될 때마다 고속으로 스위칭이 가능하다. 그러나, 이 구조만으로는 스위칭 속도의 한계가 있어서 루프 필터의 파라미터를 최적으로 하여도 위상잡음(phase noise)과 정착시간(settling time)간의 상반관계(trade-off)가 있어서 완벽한 초고속 스위칭 이 어렵다. 또 디지털 룩업 테이블이 ROM 구조이므로, 최초 분주 명령이 같아야 하는 제약과 함께 하드웨어 복잡도가 증가하는 여러 문제점이 있다.On the other hand, high frequency frequency synthesis is performed using a digital hybrid frequency synthesizer method in which an open loop that directly applies a digital frequency synthesis command to a voltage controlled oscillator (VCO) is mixed with an existing closed structure. . The frequency synthesis instruction is applied to the counter and digital look-up table of the existing PLL. When the output of the digital lookup table is applied to a digital-to analog converter (DAC), the voltage corresponding to the synthesis command is added to the voltage of the loop filter to drive the voltage controlled oscillator. The digital lookup table is a ROM structure that stores information on voltage vs. frequency relationship of a voltage controlled oscillator. Thus, the frequency synthesizer command becomes the voltage information according to the digital lookup table, and is outputted to the desired voltage by the DAC. Therefore, switching is possible at high speed whenever a new synthesis command is input. However, this structure alone has a limitation in switching speed, and even though the loop filter parameters are optimized, there is a trade-off between phase noise and settling time, making it difficult to achieve perfect ultrafast switching. In addition, since the digital lookup table is a ROM structure, there are various problems in that hardware complexity increases with the constraint that the initial dispensing instruction must be the same.

본 발명은 앞에서 언급한 디지털 하이브리드 주파수 합성기 방식에서, 1) 주파수 합성 속도와 위상잡음간의 상반관계를 극복하고, 2) 주파수 합성 간격에 비례하여 정착시간을 갖는 문제점을 해결하고, 3) 실제적인 디지털 룩업 테이블인 ROM의 복잡도를 간소화한 디지털 대체 회로를 설계하며, 4) 주파수 합성 명령시 발생하는 동작의 위상 오차를 맞추는 타이밍 동기화 회로를 설계하여, 전체적으로 다양한 주파수 합성간격에서도 스위칭 시간이 일정한 초고속 디지털 하이브리드 주파수 합성기 설계 방법과 장치구성에 관한 것이다.According to the present invention, in the aforementioned digital hybrid frequency synthesizer method, 1) overcoming the tradeoff between frequency synthesis speed and phase noise, 2) solving the problem of settling time in proportion to the frequency synthesis interval, and 3) actual digital Design a digital replacement circuit that simplifies the complexity of ROM, a lookup table, and 4) Design a timing synchronization circuit that matches the phase error of the operation occurring during the frequency synthesis command. The present invention relates to a frequency synthesizer design method and apparatus configuration.

먼저, 속도의 한계를 극복하기 위해서 루프필터 대역에 의한 위상잡음과 정착시간간의 상반관계를 없애야 한다. 즉, 주파수 합성명령의 변화 시점에서 발생하는 위상오차를 제거하기 위해서 기준 입력신호와 동기된 보조 신호를 이용한다. 그리고 복잡한 ROM 형태로 구현되는 디지털 룩업 테이블을 대신하여, 이전 상태의 주파수 합성명령과 새롭게 입력된 주파수 합성 명령의 차이를 계산하는 간단한 디지털 회로 설계에 관한 것이다.First, in order to overcome the limitation of speed, the tradeoff between phase noise and settling time due to the loop filter band should be eliminated. That is, an auxiliary signal synchronized with the reference input signal is used to remove the phase error occurring at the time of change of the frequency synthesis command. In addition, the present invention relates to a simple digital circuit design that calculates a difference between a frequency synthesis instruction of a previous state and a newly input frequency synthesis instruction in place of a digital lookup table implemented in a complex ROM form.

제 1 도는 전체 디지털 하이브리드 주파수 합성기 블록 구성도1 is a block diagram of a full digital hybrid frequency synthesizer block

제 2 도는 3차 SDM(sigma-delta-modulator) 구조FIG. 2 shows a tertiary sigma-delta-modulator (SDM) structure

제 3 도는 1차 SDM(sigma-delta-modulator) 구조FIG. 3 shows a primary sigma-delta-modulator (SDM) structure

제 4 도는Nf분주기 구성도4 is an Nf divider configuration diagram

제 5 도는 DLT를 대체하는 디지털 회로 구성도5 is a digital circuit diagram replacing the DLT

제 6 도는 타이밍 동기화 블록 구성도6 is a timing synchronization block diagram

제 7 도는 주파수 변화 시점에서 문제되는 신호 파형7 is a signal waveform that is problematic at the time of frequency change

제 8 도는 주파수 합성과정의 전압제어발진기(VCO) 입력전압 파형8 shows the voltage controlled oscillator (VCO) input voltage waveform of the frequency synthesis process.

제 9 도는 주파수 합성과정의 출력의 주파수 스펙트럼 파형9 is the frequency spectrum waveform of the output of the frequency synthesis process

※ 제 1도의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of the code about the main part of FIG.

(1) 기준 주파수 (10) DLT 대체 블럭(1) reference frequency (10) DLT replacement block

(2) 위상 검출기 (11) checker 출력(2) phase detector (11) checker output

(3) 전하 펌프(charge pump) (12) DAC 제어 신호(3) charge pump (12) DAC control signal

(4) 루프 필터(loop filter) (13)Nf분주기(4) loop filter (13) Nf divider

(5) 전압 제어 발진기(VCO) (14) 분주된 신호(5) voltage controlled oscillator (VCO) (14) divided signal

(6) 출력 주파수 (15) 3차 SDM(6) Output Frequency (15) 3rd SDM

(7) 타이밍 동기화 블럭 (16) 3차 SDM 출력(7) Timing Synchronization Block (16) 3rd SDM Output

(8) 타이밍 동기화블록 출력 (17) 주파수 합성명령(분수부분)(8) Timing synchronization block output (17) Frequency synthesis instruction (fractional part)

(9) DAC(digital-analog 변환기) (18) 주파수 합성명령(정수부분)(9) DAC (digital-analog converter) (18) Frequency synthesis instruction (integer part)

※ 제 2도의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of Figure 2

(16) 3차 SDM 출력 (20) 1차 SDM의 캐리 출력(16) 3rd SDM Output (20) Carry Output of Primary SDM

(17) 주파수 합성명령(분수부분) (21) 4비트 D-플립플롭(17) Frequency synthesis instruction (fractional part) (21) 4-bit D-flip flop

(19) 1차 SDM(19) Primary SDM

※ 제 3도의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of the code about the main part of FIG.

(17) 주파수 합성명령(분수부분) (23) 1차 SDM 출력(17) Frequency synthesis command (fractional part) (23) Primary SDM output

(20) 1차 SDM의 캐리 출력 (24) k-bit D-플립플롭(20) Carry Output of Primary SDM (24) k-bit D-Flip-Flop

(22) 1비트 전가산기(22) 1-bit full adder

※ 제 4도의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of Figure 4

(6) 출력 주파수 (18) 주파수 합성명령(정수부분)(6) Output frequency (18) Frequency synthesis command (integer part)

(14) 분주된 신호 (25) 프로그래머블 분주기(14) Divided Signal (25) Programmable Divider

(16) 3차 SDM 출력(16) 3rd SDM Output

※ 제 5도의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of the code about the main part of FIG.

(11) checker 출력 (18) 주파수 합성명령(정수부분)(11) Checker output (18) Frequency synthesis command (integer part)

(12) DAC 제어신호 (26) D-플립플롭(12) DAC control signal (26) D-flip flop

(17) 주파수 합성명령(분수 부분) (27) checker(17) Frequency synthesis instruction (fractional part) (27) checker

※ 제 6도의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of the code about the main part of FIG.

(1) 기준 주파수 (28) 1bit D-플립플롭(1) Reference frequency (28) 1 bit D-flip flop

(8) 타이밍 동기화 블록 출력 (29) Duty ratio converter(8) Timing synchronization block output (29) Duty ratio converter

(11) checker 출력 (30) 2 : 1 다중화기(MUX)(11) checker output (30) 2: 1 multiplexer (MUX)

(14) 분주된 신호(14) divided signals

본 발명에 관련된 상세 설명 도면은 회로 블록도 도면(제 1, 2, 3, 4, 5, 6도)들과 회로를 동작시킨 결과 파형(제 7, 8, 9도)들로 구성된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention is composed of circuit block diagram drawings (first, second, third, fourth, fifth, and sixth) and waveforms (the seventh, eighth, and nineth) resulting from operating the circuit.

제 1도는 본 발명에서 제시한 전체 시스템 블록도로서, 폐루프 구조인 위상고정루프(PLL)와 직접적으로 전압 제어 발진기(VCO :voltage controlled oscillator)를 ROM과 DAC를 통해서 구동하는 개방형 구조를 결합시킨 것이다. 제 2도는 기존의 분수형 구조의 주파수 합성기에서 사용되는 3차 시그마-델타 변조기(SDM : sigma-delta modulator)의 블럭도이다. 제 3도는 3차 SDM에서 사용된 1차 SDM의 내부 블록도이다. 이것은 누적기(ACC:accumulator)와 같은 기능을 한다.제 4도는Nf분주기로 평균 분주비가 분수형태를 갖는 프로그래머블 분주기이다. 제 5도는 디지털 룩업 테이블을 대체한 블록 구성도이다. 제 6도는 주파수 합성명령이 변화하는 시점에서 발생하는 위상오차를 제거하기 위한 동기화 블록도이다. 제 7도는 제 6도의 타이밍 동기화 블록을 사용하지 않은 경우의 신호 파형이다. 제 8도는 기존의 3차 SDM을 이용한 분수형 주파수합성기와 새로운 주파수 합성기를 같은 주파수 합성명령에서 VCO입력 전압을 비교한 것이다. 제 9도는 제 8도에서 정착한 후의 출력신호의 주파수 스펙트럼을 비교한 것이다.1 is an overall system block diagram of the present invention, in which a closed loop structure, a phase locked loop (PLL), and an open structure for directly driving a voltage controlled oscillator (VCO) through a ROM and a DAC are combined. will be. 2 is a block diagram of a third-order sigma-delta modulator (SDM) used in a conventional fractional frequency synthesizer. 3 is an internal block diagram of the primary SDM used in the tertiary SDM. It functions like an accumulator (ACC). Figure 4 is an Nf divider, which is a programmable divider with an average divider fraction. 5 is a block diagram of a digital lookup table. 6 is a synchronization block diagram for removing a phase error occurring when a frequency synthesizing command changes. 7 is a signal waveform when the timing synchronization block of FIG. 6 is not used. 8 is a comparison of the input voltage of the VCO using the same frequency synthesis command and the fractional frequency synthesizer using the existing third-order SDM. FIG. 9 compares the frequency spectrum of the output signal after fixing in FIG.

제 1도의 (1)은 발진기에서 생성된 주파수 합성기의 기준 주파수이다. (2)는 위상검출기(Phase Detector)이며 본 발명에서는 '3-상태 주파수 위상 검출기'를 이용하였다. (2)는 두 개의 디지털 입력 신호의 위상차이를 계산하여 UP, 또는 Down 신호를 전하펌프(Charge pump)(3)에 전달하고, (3)은 (2)의 출력 신호를 하나의 신호로 만들어 주는 역할을 하며 상보형 (相補型) 금속 산화막 반도체 (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor)로 구성되었다. (4)는 아날로그 수동 소자로 이뤄진 루프 필터(Loop filter)로 저항(R)과 커패시터(C)로 구성되어진 2차 저역통과 필터 형태이다. (5)는 입력 전압값에 의해서 출력 주파수가 결정되는 전압 제어 발진기이다. 루프 필터(4)와 DAC(9)의 두 전압값이 연산증폭기(OP-AMP)를 이용한 아날로그 전압 덧셈기에 의해 더해져서 VCO(5)를 제어하여 최종 출력 주파수(6)가 생성된다.(1) of FIG. 1 is a reference frequency of the frequency synthesizer generated by the oscillator. (2) is a phase detector, and in the present invention, a '3-state frequency phase detector' was used. (2) calculates the phase difference between two digital input signals and transfers the UP or Down signal to the charge pump (3), and (3) makes the output signal of (2) into one signal. It is composed of Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS). (4) is a loop filter composed of analog passive elements and is a second low pass filter composed of a resistor (R) and a capacitor (C). (5) is a voltage controlled oscillator whose output frequency is determined by an input voltage value. The two voltage values of the loop filter 4 and the DAC 9 are added by an analog voltage adder using an operational amplifier OP-AMP to control the VCO 5 to produce the final output frequency 6.

주파수 합성 명령은 정수부분(18) N과 분수부분(17) K으로 구분되서 입력된다. 분수형 주파수 합성기의 최종 출력 주파수(6)는 식 (1)과 같다.The frequency synthesis command is input divided into an integer portion 18 N and a fractional portion 17 K. The final output frequency (6) of the fractional frequency synthesizer is given by equation (1).

식 (1)에서f OUT 은 최종 출력 주파수(6)이고,f REF 는 기준주파수(1), N은 주파수 합성명령의 정수부분(18), K는 분수부분(17), k는 K'의 디지털 워드길이이다. 먼저, 주파수 합성명령의 분수부분(17)인 K는 3차 SDM(15)으로 입력되어Nf분주기 출력(14)의 상승에지마다 {-3, -2, …, 3, 4}중에 하나의 값을 랜덤하게 출력한다.Nf분주기(13)에서 f 는 K/2k를 의미한다. 3차 SDM의 출력(16)은Nf분주기(13)에 입력되어 주파수 합성명령의 정수부분(18)과 더해져서 {N-3, N-2, …, N+3, N+4}의 값이 프로그래머블 분주기(25)로 입력된다. 또한 주파수 합성명령(17,18)은 ROM형태의 DLT를 대체한 블럭(10)으로 입력되어 현재 상태의 값과 이전 상태의 차이 값을 계산하여 DAC(9)를 제어할 디지털 값(12)을 출력하며, 주파수 합성명령의 변화를 감지하는 checker(27)의 출력(11)이 타이밍 동기화 회로로 입력된다. 타이밍 동기화 블록(7)은 주파수 합성명령(17,18)이 변화하지 않는 구간에서는Nf분주기(13)에 의해 분주된 신호(14)를 위상 비교기(2)에 전달하고 주파수 합성명령이 변화하게 되면 기준 주파수(1)에 강제로 동기된 신호를 위상비교기(2)에 전달하고Nf분주기(13)의 카운터 레지스터를 초기화한다. 주파수 합성명령(17,18)의 변화 값에 비례하여 DLT 대체 블록(10)과 DAC(9)에 의해서 VCO 구동전압에 필요한 추가전압을 생성하게 된다. 그리고, 주파수 합성명령이 변하는 시점에서 기준주파수(1)와 분주된 신호(14)와의 위상을 강제로 맞추는 타이밍 동기화블록(7)에 의해서 보다 빠른 스위칭 동작 특성을 얻을 수 있다.In equation (1), f OUT is the final output frequency (6), f REF is the reference frequency (1), N is the integer part (18) of the frequency synthesis command, K is the fractional part (17), and k is the K ' The digital word length. First, K, which is the fractional part 17 of the frequency synthesizing instruction, is input to the third-order SDM 15 so that for each rising edge of the Nf divider output 14, {-3, -2,... , 3, 4} randomly outputs a value. In the Nf divider 13, f means K / 2 k . The output 16 of the tertiary SDM is input to the Nf divider 13 and added to the integer portion 18 of the frequency synthesis instruction so that {N-3, N-2,... , N + 3, N + 4} is input to the programmable divider 25. In addition, the frequency synthesizing instructions 17 and 18 are inputted to the block 10 replacing the ROM-type DLT to calculate a difference value between the current state and the previous state to obtain a digital value 12 to control the DAC 9. The output 11 of the checker 27 for detecting the change of the frequency synthesizing command is input to the timing synchronization circuit. The timing synchronizing block 7 transmits the signal 14 divided by the Nf divider 13 to the phase comparator 2 in a period where the frequency synthesizing instructions 17 and 18 do not change, and causes the frequency synthesizing instruction to change. When the signal is forcibly synchronized to the reference frequency 1, the signal is transmitted to the phase comparator 2 and the counter register of the Nf divider 13 is initialized. The DLT replacement block 10 and the DAC 9 generate an additional voltage required for the VCO driving voltage in proportion to the change value of the frequency synthesizing instructions 17 and 18. In addition, a faster switching operation characteristic can be obtained by the timing synchronization block 7 forcing the phase of the reference frequency 1 and the divided signal 14 to be forced at the time when the frequency synthesizing command changes.

제 2도는 제 1도의 3차 SDM(15)의 내부 구성도이다. 주파수 합성명령의 분수부분(17)이 입력되면 평균 분주비(.f)를 유지하면서 순시적으로는 랜덤하게 변화하는 기능을 한다. 제 3도의 1차 SDM(19)을 직렬로 연결하여 양자화에러를 누적하고 4bit D-플립플롭(21)은 한 주기 지연을 위해 사용된 것이다. 입력되는 클럭의 상승에지마다 출력(16)은 {-3 ∼ +4}의 값을 랜덤하게 출력하여 평균 값을 유지하게 된다.2 is an internal configuration diagram of the tertiary SDM 15 of FIG. When the fractional part 17 of the frequency synthesizing command is input, the fractional part 17 of the frequency synthesizing command changes randomly while maintaining the average division ratio (.f). The first SDM 19 of FIG. 3 is connected in series to accumulate quantization errors, and the 4-bit D flip-flop 21 is used for one cycle delay. For each rising edge of the input clock, the output 16 randomly outputs a value of {-3 to +4} to maintain an average value.

제 3도는 제 2도에서 사용된 1차 SDM(19)의 내부 구성도이다. k비트 전가산기(22)와 k비트 D-플립플롭(24)으로 구성되어 있다. 1차 SDM은 누적기와 같은 기능을 수행한다. 누적된 값이 2K보다 크게 되면 오퍼플로우가 발생되어 캐리 출력(20)은 HIGH상태가 된다.3 is an internal configuration diagram of the primary SDM 19 used in FIG. A k-bit full adder 22 and a k-bit D flip-flop 24 are provided. The primary SDM performs the same function as the accumulator. When the accumulated value larger than 2 K is the overflow occurs carry output 20 is the HIGH state.

제 4도는 제 1도에서 사용된N.f분주기(13)의 내부 구성도이다. VCO(5)의 출력 신호(6)가 프로그래머블 분주기(25)에 입력되고, 분주비는 3차 SDM의 출력(16)과 주파수 합성명령의 정수부분(18)이 더해진 값이다. 분주된 신호(14)는 3차 SDM(15)의 클럭으로 입력되고, 타이밍 동기화 블록으로도 입력된다.4 is an internal configuration diagram of the Nf divider 13 used in FIG. The output signal 6 of the VCO 5 is input to the programmable divider 25, and the division ratio is a value obtained by adding the output 16 of the tertiary SDM and the integer portion 18 of the frequency combining instruction. The divided signal 14 is input to the clock of the tertiary SDM 15 and also to the timing synchronization block.

제 5도는 제 1도의 DLT 대체블록(10)의 내부 구성도이다. 기존의 ROM 형태의 디지털 룩업 테이블을 대체하며, 주파수 합성명령(17,18)의 변화 감지신호(11)를 XOR 게이트로 구성된 checker(27)에 의해 타이밍 동기화 블럭(7)에 전달한다. 앞 단의 D-플립플롭(26)은 checker(27)의 출력이 ON되면 현재의 주파수합성명령(17,18)을 디지탈 감산기예 전달한다. 디지털 가산기는 현재 주파수 합성명령(17,18)과 현재 DAC로 전달되는 값(12)을 더하고, 또다른 D-플립플롭(26)은 디지털 가산기의 출력에 이전 상태의 주파수 합성명령을 뺀 값을 DAC(9)로 전달한다. 이 D-플립플롭도 checker(27)에 의해 ON 되면 디지털 감산기의 출력을 DAC(9)로 전달한다. 즉, 제 5도의 블륵은 이전 상태의 주파수 합성명령과 현재의 주파수 합성 명령과의 차이를 누적하는 기능을 한다. 그래서, DAC(9)는 주파수 합성명령의 변화량이 누적된 값에 맞는 DC 전압을 출력한다.5 is a diagram illustrating an internal configuration of the DLT replacement block 10 of FIG. It replaces the existing ROM-type digital lookup table and transfers the change detection signal 11 of the frequency synthesizing instructions 17 and 18 to the timing synchronization block 7 by the checker 27 configured as the XOR gate. The preceding D-flip-flop 26 transmits the current frequency synthesis command 17, 18 as a digital subtraction example when the output of the checker 27 is turned on. The digital adder adds the current frequency synthesis command (17, 18) and the value (12) delivered to the current DAC, and another D-flip-flop (26) subtracts the frequency synthesis command of the previous state from the digital adder's output To the DAC (9). When this D-flip-flop is also turned on by the checker 27, the output of the digital subtractor is transmitted to the DAC 9. That is, the block of FIG. 5 accumulates the difference between the frequency synthesis command of the previous state and the current frequency synthesis command. Thus, the DAC 9 outputs a DC voltage corresponding to the accumulated value of the variation amount of the frequency synthesizing command.

제 6도는 제 1도의 타이밍 동기화 블록(7)의 내부 구성도이다. 기준 주파수(1)는 Duty ratio converter(29)에 의해 Duty ratio가 50%에서 실제 분주된 신호와 같은 비율로 변화된다. 주파수 합성명령(17,18)이 변화하면 감지신호(11)가 'preset' 단자로 입력되는 1비트 D-플립플롭(28)에 의해 2-1 멀티플렉서(30)의 'select' 단자가 HIGH 상태가 되어 'X1'을 출력한다. 즉, 분주된 신호(14)를 위상검출기(2)로 전달하지 않고 Duty ratio converter(29)에 의해 기준주파수(1)와 동기된 신호를 위상검출기(2)로 전달하여 강제로 동기화 시킨다. 또한, 주파수 합성명령이 변하지 않는 상황에서는 D-플립플롭(28)의 출력이 LOW가 되어 Mux(30)는 'X0'인N.f분주기(13)의 출력(14)을 위상검출기(2)로 전달한다.6 is an internal configuration diagram of the timing synchronization block 7 of FIG. The reference frequency 1 is changed by the duty ratio converter 29 at the same ratio as the signal actually divided at 50%. When the frequency synthesizing instructions 17 and 18 change, the 'select' terminal of the 2-1 multiplexer 30 becomes HIGH by the 1-bit D flip-flop 28 in which the detection signal 11 is input to the 'preset' terminal. Outputs 'X1'. That is, instead of transmitting the divided signal 14 to the phase detector 2, a signal synchronized with the reference frequency 1 by the duty ratio converter 29 is transmitted to the phase detector 2 to be forcibly synchronized. Also, in the situation where the frequency synthesizing instruction does not change, the output of the D-flip flop 28 becomes LOW, and the Mux 30 outputs the output 14 of the Nf divider 13 of 'X0' to the phase detector 2. To pass.

본 발명의 주파수 합성기는 종래의 위상고정 루프(PLL)의 안정도를 기반으로한 분수형 주파수 합성기와 개루프 합성기의 고속 스위칭 특성을 결합한 구조로서 주요원리는 다음과 같다.The frequency synthesizer of the present invention combines the fast switching characteristics of a fractional frequency synthesizer and an open loop synthesizer based on the stability of a conventional phase locked loop (PLL).

최초 주파수 합성명령에 의해 정상상태에 이르면 루프필터의 전압은 실제로약간의 증감은 있으나 더 이상 변화하지 않는다. 이것은 주파수 합성명령이 변화하는 과정에서 필요한 전압이 DAC가 제공하는 보조 전압에 의해 제공되기 때문이다. 이 보조 전압을 생성하기 위해서는 DAC에 적당한 디지털 워드값을 인가해야한다. 종래의 하이브리드 주파수 합성기에서는 전압 제어발진기(VCO)의 전압 대 주파수 특성이 저장된 ROM형태의 디지털 룩업 테이블을 이용하여 최초의 주파수 합성 명령이 항상 같아야 한다는 제약 조건이 있었으나, 본 발명에서는 ROM형태가 아닌 제 5도와 같은 새로운 구조를 이용하여 DAC 입력 값을 계산한다. 그리고 주파수 합성명령이 변하는 시점에 발생하는 위상오차를 제거하기 위해 동기화 블록을 이용하였다. 보다 짧은 정착 시간을 얻기 위해서 이 동기화 블록이 이용된다. 즉, 주파수 합성명령이 변하는 순간에도 프로그래머블 분주기의 내부 카운터는 변하기 전의 값을 유지하여 카운팅하므로 위상오차가 발생한다. 그래서 동기화 블록은 주파수 합성 명령이 변화하면 프로그래머블 분주기의 카운터를 초기화하여 위상오차 발생을 억제한다. 본 발명의 주파수 합성기 동작 특성을 보이기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 하였다. 실험 조건은 기준 주파수 500kHz, 전압 제어발진기의 이득은 5MHz/V, 위상 검출기의 이득은 1mA/2π, 루프필터 대역 3kHz, 3차 SDM은 12비트의 입력을 갖는다.When the steady state is reached by the initial frequency synthesis command, the voltage of the loop filter actually increases or decreases slightly, but no longer changes. This is because the voltage required in the process of changing the frequency synthesis command is provided by the auxiliary voltage provided by the DAC. To generate this auxiliary voltage, an appropriate digital word value must be applied to the DAC. In the conventional hybrid frequency synthesizer, there was a constraint that the original frequency synthesis command should always be the same using a ROM-type digital lookup table in which the voltage-to-frequency characteristics of the voltage controlled oscillator (VCO) are stored. A new structure such as 5 degrees is used to calculate the DAC input values. The synchronization block is used to remove the phase error that occurs when the frequency synthesis command changes. This synchronization block is used to get a shorter settling time. That is, the phase error occurs because the internal counter of the programmable divider maintains and counts the value before the change even when the frequency synthesis instruction changes. Therefore, the synchronization block initializes the counter of the programmable divider when the frequency synthesizing instruction changes to suppress the occurrence of phase error. Computer simulations were performed to show the operating characteristics of the frequency synthesizer of the present invention. Experimental conditions include a reference frequency of 500kHz, a voltage-controlled oscillator gain of 5MHz / V, a phase detector gain of 1mA / 2π, a loop filter band of 3kHz, and a third-order SDM with 12 bits of input.

제 7도는 타이밍 동기화 블록이 없는 경우의 컴퓨터 시뮬레이션 결과파형이다. 그림의 'Vout'은 VCO(5)의 출력을 디지털화 시킨 신호이고, 'Nf'는 프로그래머블 분주기(25)로 입력되는 순시 분주비이고, 'Vfb'는 타이밍 동기화 블록(7)에서 위상 검출기(2)로 입력되는 신호, 'Vref'는 기준주파수(1)이다. 주파수 합성명령이25.0002441에서 36.0002685로 변화를 주었는데, 그림에서 보이듯이 새로운 주파수 합성명령의 입력으로 순시 분주비가 '23'에서 '34'로 변경되어 분주기가 'Vout'을 12번 카운터 하는 시간에 새로운 주파수 합성명령에 의해서 순시 분주비가 '34'가 입력되어 추가로 22번을 더 카운터 하게 되었다. 그 결과 기준 주파수와의 동기 시점을 벗어나서 위상오차를 발생하게 된다. 즉, DLT 대체 회로에 의해 새로운 주파수 합성명령에 필요한 추가 전압이 VCO 입력단에 인가되었음에도 불구하고 정상상태를 이탈하게 되어 정상상태에 도달하는 시간이 길어진다. 이 결과로 제 6도의 타이밍 동기화 블록이 필요하게 됨을 알 수 있다. 표1은 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 주파수 합성 과정이다.7 shows waveforms of computer simulation results in the absence of a timing synchronization block. 'Vout' in the figure is a digitized signal of the output of the VCO (5), 'Nf' is the instantaneous division ratio input to the programmable divider 25, 'Vfb' is a phase detector (7) in the timing synchronization block (7) The signal input to 2), 'Vref' is the reference frequency (1). The frequency synthesizing command changed from 25.0002441 to 36.0002685. As shown in the figure, the instantaneous frequency division ratio changed from '23' to '34' as the input of the new frequency synthesizing command. Instantaneous frequency division ratio was inputted '34' by frequency synthesizing command, and it additionally counted 22 times. As a result, the phase error occurs out of the synchronization point with the reference frequency. That is, even though the additional voltage required for the new frequency synthesizing command is applied to the VCO input terminal by the DLT replacement circuit, it is out of the normal state and the time to reach the steady state is lengthened. As a result, it can be seen that the timing synchronization block of FIG. 6 is required. Table 1 shows the frequency synthesis process for computer simulation.

제 8도는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 얻은 VCO 구동전압 파형이다. 상단의 그림은 기존의 3차 SDM을 이용한 분수형 주파수 합성기를 이용한 것으로 주파수 합성 간격에 비례하여 정착시간이 소요됨을 알 수 있다. 그러나 하단의 그림은 제 1도의 회로를 이용하여 주파수 합성 간격과 무관하게 일정한 정착시간이 소요되었다. 표 2는 표 1의 주파수 합성 결과로 얻은 기존의 구조와 새로운 구조의 성능을비교하였다. 정착시간은 VCO 구동전압의 3kHz 이내의 전압 리플(ripple)을 허용하는 범위에서 측정하였다. 기존의 구조는 주파수 합성 간격에 비례하여 매우 큰 차이를 보이지만 제안된 구조는 차이가 거의 없이 일정함을 알 수 있다. 그러나, 추가된 DLT 대체 블록, 타이밍 동기화 블록, DAC 등으로 인해서 회로 복잡도가 증가하였다.8 is a VCO driving voltage waveform obtained by computer simulation. The figure above shows the conventional fractional frequency synthesizer using 3rd-order SDM and it takes time to settle in proportion to the frequency synthesis interval. However, the lower figure shows a fixed settling time regardless of the frequency synthesis interval using the circuit of Figure 1. Table 2 compares the performance of the existing and new structures obtained from the frequency synthesis results of Table 1. The settling time was measured in a range that allowed a voltage ripple within 3 kHz of the VCO driving voltage. The existing structure shows a very large difference in proportion to the frequency synthesis interval, but the proposed structure is almost constant. However, additional DLT replacement blocks, timing synchronization blocks, and DACs have increased circuit complexity.

제 9도는 제 8도의 정착시간 구간에서 출력 주파수의 FFT(fast Fourier transform)결과이다. 상단의 파형이 기존의 구조를 이용한 것이고, 하단의 파형이 새로운 구조의 파형이다. 새로운 구조의 주파수 합성기가 기존의 구조를 변화시키지 않고 다른 기능들만을 첨가시킨 형태이므로 두가지 구조의 결과가 동일하다. 일반적인 PLL에서는 정착시간과 루프 필터 대역에 의해 변하는 위상 잡음이 서로 상반관계에 잇지만, 새로운 구조를 이용하면 위상잡음을 악화시키지 않고 정착시간을 줄일 수 있다.FIG. 9 is a FFT (fast Fourier transform) result of the output frequency in the settling time interval of FIG. The upper waveform uses the existing structure, and the lower waveform is the new structure. The results of the two structures are identical because the frequency synthesizer of the new structure is a form of adding other functions without changing the existing structure. In a typical PLL, the settling time and phase noise, which are changed by the loop filter band, have a mutually opposite relationship, but the new structure can reduce the settling time without deteriorating the phase noise.

본 발명의 주파수 합성기는 고속의 주파수 합성이 필요한 통신, 전자, 의료, 회로, 계측기, 등의 광범위하게 이용될 수 있다. 특히, 통신이나 전자산업 분야에서 고속의 신호 발생기, 그리고 주파수 도약(frequency hopping)을 응용하는 초고속 정보통신 분야에서 널리 사용될 수 있다. 그리고 전파방해에 견디기 위한 군사용 통신에 대표적인 고속 주파수도약 확산 시스템에서는 가장 중요한 장치로서 매우 유용하게 사용될 것이다.The frequency synthesizer of the present invention can be widely used in communication, electronics, medical, circuits, instruments, and the like, which require high-speed frequency synthesis. In particular, it can be widely used in the field of high speed signal generator and high speed information communication in which frequency hopping is applied in the communication or electronics industry. And it will be very useful as the most important device in the high-speed frequency hopping spreading system typical for military communication to withstand radio interference.

Claims (1)

초고속 주파수 합성을 위하여, 디지털 주파수 합성 명령을 곧바로 ROM과 DAC를 통하여 전압 제어 발진기(VCO :voltage controlled oscillator)에 인가하는 개방형 구조(open loop)를 기존의 폐쇄형 구조인 위상포착회로(PLL:phase locked loop)에 혼합한 디지털 하이브리드 주파수 합성기 방식에서,For ultra-high frequency synthesis, an open loop that applies a digital frequency synthesis command directly to a voltage controlled oscillator (VCO) via ROM and DAC is a conventional closed structure phase acquisition circuit (PLL) In a digital hybrid frequency synthesizer scheme mixed in a locked loop, 가) 전압 제어 발진기(VCO :voltage controlled oscillator)의 전달 특성을 간직하는 ROM(Read-Only Memory)으로 구현되는 디지털 룩업 테이블(DLT: digital look-up table)을 대체하는 회로 설계 방법으로서, 이전 상태의 주파수 합성명령과 새롭게 입력된 주파수 합성명령의 차이 값을 이용하는 디지털 회로의 설계 방법과 장치,(A) A circuit design method that replaces a digital look-up table (DLT) implemented as a read-only memory (ROM) that retains the transfer characteristics of a voltage controlled oscillator (VCO). Method and apparatus for designing digital circuit using difference value between frequency synthesis command and newly inputted frequency synthesis command 나) 위상포착회로(PLL : phase locked loop)의 프로그래머블 분주기와 디지털 룩업 테이블(DLT : digital look-up table) 회로, 또는 디지털 룩업 테이블 대체 회로로 입력되는 새로운 주파수 합성 명령때 마다 기준 주파수와 동기를 맞추기 위하여, 기준 입력신호에 동기된 보조신호를 사용하여 타이밍 동기를 이루는 방법과 장치.B) Synchronize with the reference frequency whenever a new frequency synthesis command is input to the programmable divider of the phase locked loop (PLL) and the digital look-up table (DLT) circuit, or the digital look-up table replacement circuit. And a timing synchronization by using an auxiliary signal synchronized with a reference input signal.
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