TW203156B - Clock generators having programmable fractional frequency division - Google Patents

Description

0315〇 A6 B6 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明C1 ) 發明背景 本發明乃相關於在時鐘脈衝發生器中使用之分數頻率 劃分。更特別而言，本發明乃相關於使用在，例如採用過 取樣類比至數位（A/D)和數位至類比（D/A)轉換 器之取樣資料通信条統中，之時鐘脈衝發生器。 一個現代的通信糸統，例如一同步數位接收器或一過 取樣A/D或D/A轉換器，典型的需要有不同的時鐘頻 率。而這些頻率的最小公倍數（LCM)於實際産生時可 能會相當高。結果，一小於L C Μ之高頻參考值乃被選擇 。而分數劃分乃使用以産生条統中所需之部份頻率。但是 ,分數劃分在許多例子中會導致受斥的時間抖動。 對於分數割分之替代物乃是使用多個獨立的參考頻率 。而此需要一鎖相迴路（PLL)以在糸統中使各種不同 的頻率同步。通常時鐘抖動表現在P L L上，但是其抖動 程度小於在分數割分器中。然而隨此一構造而來的卻是高 成本和複雜性。因此，不斷的有各種嘗試來産生分數劃分 時鐘，以使其對於已知之劃分器組可降低抖動。其中一例 為對國專利 U. S. Ρ. 5, 052, 031,由 N. J. Malloy發表於199 1年9月24日。PLL之輸出時鐘 F0UT並非參考時鐘FTB之整數倍，且典型的具有抖 動.，亦即，時鐘剷分處理之基本副産品。更特別而言， F 0 U T産生在Mai loy的專利中，藉由劃分F T B在每個 時間區段，藉由兩個整數割分器之一，而此整數劃分器在 一段已定序列後交替著。劃分器之交替乃's儘可能的頻繁 <諳先閱讀背面之注意^項再填寫本頁) •-裝. 訂· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） -3 - ^03156 A6 B6 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 五、發明説明（2 ) 且儘可能的以一致的方式〃，以便消除抖動之逆效果。但 是，除了此一般的引導方針，並設有持殊之標準用以決定 降低抖動效果之劃分器之最佳順序。此外，用以從 51. 84MHz參考時鐘FTB産生一 1. 544 MHz之輸出時鐘F OUT之唯——例，依照以往之經驗 需要藉由兩個劃分器（33和34)劃分FTB之決定序 列到逹1 9 3個時間間隔。 因此，在習知技藝中，仍需要一決定性的技術用以産 生一序列的劃分器，其可消除抖動之逆效果，對於一已知 之劃分器對，和對於非輸入時鐘頻率整數倍之已知輸出時 鐘頻率。 發明概要 依照本發明之一般實施例，一時鐘脈衝發生器包含： 一劃分裝置，其可藉由兩個整數劃分器之一，在每個時間 間隔，劃分一輸入時鐘頻率；和一交錯裝置，其可交錯劃 分器，依照歐幾里得最大公約數定理之商所決定之序列。 此種提議可使在輸出時鐘頻率之抖動逆效果受到消除，對 於一已知之劃分器對。 在一値使用於過取樣A/D或D/A轉換器（例如在 譯碼器中）之較佳實施例中，過取樣時鐘並非整體的相關 於一輸入時鐘，且其藉由上述技術，從輸入時鐘産生。更 持別而言，用以交錯劃分器之裝置包含一互相相關之計數 器鏈，其中每個計數器依照歐幾里得商數，增加或減少前 一計數器之值。 (請先閲面之注意事項再f本頁) —裝. 訂· 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公;？η -4 - 0315b A6 B6 五、發明説明（3 ) 本發明之一個重要的優點乃是對於廣泛變化不同的頻 率和不同的劃分器而言，本發明是可決定性的且可程式規 割的。例如，在一譯碼器中，本發明可彈性的匹配譯碼輸 入時鐘頻率至条統時鐘頻率，而不需要PLL或其他昂貴 的設計，即使輸入和条統時鐘頻率並非彼此的整數倍。 附圖簡述 本發明，伴隨其各種不同的特性和優點，可以迅速的 了解，藉由下列詳細之說明以及附圔之圖示，其中： 圖1為sigma-delta譯碼器之方塊圖，其中時鐘脈衝 發生器乃由一輸入時鐘f in産生一過取樣時鐘f s。； 圖2為依照本發明之較佳實施例之方塊圖，其中圔1 中之時鐘脈衝發生器乃如同一計數器鏈而執行。 詳細説明 在詳細討論本發明各種不同的實施例之前，首先考慮 歐幾里得定理是相當有幫肋的，因為歐幾里得定理構成了 本發明之實施例用以執行之原理基礎。 歐幾里得定理（Euclidean Theorem ) 用以尋找最大公約整數，d ,之歐幾里得定理，其劃 分兩個整數，a和b, (a>b),乃由Η· J. Nussbau-mer·描述於快速傅立葉轉換和迴積演算法（Fast Fourier Transforms and Convolution Algorithms ) , Springer 本紙張尺度適用中國a家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公梦） (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝. 、ΤΓ. 經濟部中央標準局S工消費合作社印製 -5 - A6 B6 五、發明説明（4 ) r 1 ag ( 1 表示如下 9 8 2 ),第 4 - ^ 7頁，以商數q *和餘數 a - bq / + Γ 2 , r i (1) b - r 1 q 2 + Γ 2 , r 2 < r ^ (2) r 1 ** r 2 q 3 + Γ 3 , r 3 τ r ^ (3) (請先閲讀背面之注意事项再f本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 r*-2 - r*-；qfc + γλ, r*<r*-7 (4) r k - 1 - r h(lk * i + 0· (5) 例如第二個餘數r* =d為整數a和b之最大整數約 數，且餘數q* (k=l、2 ......)乃使用以決定交錯輸 入時鐘之一對劃分器N和N+1 (或N — 1和N)之序列 ,以消除在輸出時鐘之抖動逆效果。 為了應用此原理於本發明之設計中，餘數可選擇為正 數或負數，除了最後的餘數之外，因為此餘數為〇。因此 ，我們發現式（3)至（5)之左手邊應為絶對值 I r . I , i = l、2、……（k_l)。為了於後將說 明之理明，下述之條件於步驟（2 )至（5 )中亦需符合 |n| <1/2 丨 | 及丨 Γ, | <l/2b (6) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 一 6 - A6 B6 L〇31i>b 五、發明説明（5 ) 當這些原理應用至時鐘脈衝發生器之一般設計時，則 f。“ t = f i ( a / b ),其中 f i n和 f。„ t 分別是發 生器之輸入和輸出頻率。對於sigma-delta譯碼器設計而 應用之原理將描述如下，其中過取樣時鐘頻率fs<> = f out ο

Sigma-Delta 譯碼器 一個過取樣sigma-deita譯碼器1 2以簡化的形式， 如圖1所示，用以轉換一類比訊號X ( t )至一數位（亦 即PCM)訊號y (η)，並反向為之。譯碼器12包含 一控制器12. 3,而控制器12. 3耦合至A/D轉換 器12.1和D/A轉換器12. 2,以及一時鐘發生器 1 ◦。一輸入時鐘f 乃應用至時鐘發生器1 0，其典型 的為一除以N計數器，其將輸入時鐘頻率除以一整數N以 産生一過取樣時鐘fu。後者乃施加至控制器12. 3, 而控制器12. 3交替的供應一基帶取樣時鐘fsft至每傾 轉換器。由於控制器具有十進位因素，則 f in=NMf sb〇 但是，當輸入時鐘f ί η並非所需取樣時鐘頻率f S。之 整數倍時（但是仍為所需基帶取樣頻率f 〃之整數倍）， 於此會發生一問題。在此情形中，時鐘發生器不能為一簡 單的除以Ν計數器；相對的，此時鐘發生器為一較複雜之 設計，其中fin乃由兩個劃分器Ν，Ν+1 (或Ν—1, (請先閲面之注意事項再Ϊ本頁) —裝· 訂. 經濟部中央標準局R工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） 一 ^ _ L03156 A6 B6 五、發明説明（6 ) N)之一所割分，在每値取樣時間間隔。如前所述，此種 建議會使得在f s。中之抖動升高。為了消除抖動之逆效果 ，對於一已知之劏分器對，兩割分器之序列乃依照如上所 述之歐幾里得定理而決定。 特別的，對於一過取樣Sigma-delta譯碼器設計所應 用之定理，開始以辨識整數a和b,以譯碼器之參數，如 下所述： a - fin / faft (7) b *= Μ - fso / fai. (8) 式（7)和（8)乃代入式（1)中，並進行式（1)至 (5 )之計算，直到整除為止。而後，商q 2等於劃分器 N,且商q* (k = 2、3……）決定劃分器N和N+1 (或N — 1 , N )之所需序列。 通常，劃分器所需序列乃藉由首先界定整數割分器 S』和S ;所決定，如下所示： (請先閲讀背面之注意ί項再填寫本頁) -裝. 訂· 經濟部中央標準局興工消费合作社印5衣 S1 - q 1 - N (9) Si = N + 1, 如果Cl 2 > 〇,但是 (10) Si = N - 1, 如果Q 2 < 0，且 (11) S 2序列乃界定為 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐〉 _ 8 - ^031〇6 A6 B6 五、發明説明（7 ) S2 = 〇〇lq*l_1，（N+ 1)，如果 q2 > 〇，但是（12) ,, 如果 q2 < 〇， (13) S2 = (N)lq2l_1, (N - 1). 其中指數的意思為整數劃分器N重覆丨a *丨一1次，但 是整數劃分器（N+1)或（N-1)只使用一次。相似 的，對於每個k (k>2)且尹〇，序列S*表示成 下式： (14) 其中我們界定指數之意為在括號内（即)之序列重 覆

I 次，但是割分器S 1 — 1只使用一次 (請先閲满背面之注意事項再項寫本頁) —裝· 繼續此種型式，如果q > 0

Sk = (Sk _

Iqkl 而 (15) 訂· 經濟部中央標準房8工消費合作社印製 如果 q**·» <〇, 16) 另一種觀察整個序列之方法如下所述：於此具有q 2 一 1個時鐘間隔且持續時間為N/f 在第個間隔 ,N乃增加1而成為N+1 (或減1而成為N—1,其決 定於q 2之符號）。且因此，第一個q 2 - 1間隔乃定其 有持續時間（N + 1 ) / f 之1個時間隔。此序列重 覆q 2 — 1次。在第q 3個序列剛要開始之前，q 2 — 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） 9 ο- 經濟部中央標準局R工消費合作社印製 A6 B6 五、發明説明（8 ) 減1而成為q2 — 2 (如果q3為正，則對q2增加）， 且因此，下一個序列為具有持缅時間為N/f a之q2 — 2時鐘間隔，其跟隨著具有持續時間為N+1/fh之一 個時鐘間隔，而對於q 4和更高階的q亦是相同的。整個 序列産生一整體的Μ時鐘間隔，其涵蓋了 T = 1 / f ^之 整個週期，而整個序列以f s b速率重覆著。於後將敘述之 數字實例有助於對這些序列之了解。 如圖2所示之設計完成了所需割分器之序列以消除抖 動之逆效果。時鐘發生器20包含一鏈計數器Cl、 C2 、C3、C4……其中相關的計數器參數qi、q2、 、Q，……乃是由應用歐幾里得定理至定義於式（7 )和（8 )之整數而得的商數。 除以N計數器C 1由序列計數器C 2決定將輸入時鐘 劃分成N或N+1 (或是N—l, N);亦即，從C 2之相關輸出INCO和DECO增加（INC)或減少 (D E C )輸入至C 1。類似的，序列計數器C 3控制器 數器C 2之序列，序列計數器C 4控制計數器C 3之序列 ,等等。 由此交連觀點，每個計數器皆具有（1)輸入時鐘施 加至其時鐘CK輸入，（2) —商數輸入端D,和（3) 一致能輸出EN0。計數器C2、C3、C4亦具有（1 )基帶取樣時鐘fsb (可選擇性的）施加至它們的同步 S Y N C輸入，和（2 )致能輸入E N。最後，C 1施加 過取樣時鐘f〃至控制器12. 3。 本紙張尺度適用中國困家標準（CNS>甲4规格（210 X 297公釐> (請先閲面之注$項再f本頁) -丨裝_ 訂· ~ 10 - 令巩m人汉避所ΤΒΙβ豕孫半τ 4规.格【210 X 297 W Ϊ 經濟部中央標準局员工消費合作社印製 031^6_Z_ 五、發明説明（9 ) 對於任何已知的參數組f in/f 和Μ而言，時鐘發 生器所需計數器之數目決定於與歐幾里得定理相闊之計算 如何進行者；亦即，所需逹到整除之步驟愈少，則所需計 數器之數目愈少。因此，不論正和負餘數Γ*皆需受檢視 ，且式（6)之規定必需滿足在每個步驟中。 上面曾述，施加fu至SYNC輸入乃是可選擇的。 但是，於此有一情況需要SYNC輸入；亦即，當最大公 約數d = l時（亦即，當a和b互為質數時），最後的商 數丨q *丨可稱小於計算值，因為在每個f 〃週期中，最 後序列只發生一次。事實上，在一些例子中，最後( 且因此計數器相關於其本身）可以全部省略。不過，這些 交替的設計乃被視為在本發明之範蹯内。 例1 此例說明過取樣譯碼器之設計其中ft„=2. 048 MHz, fsb=8KHz，且 M=125。由式（7)和 (8)可得a = 256，b=125。將這些值代入式（ 1 ),並得如下之計算： 請 先 閲 1 面 之 注 項 再 填 頁 裝 訂 256 125 6 125 (2) + 6 (21)- 6 1(-6)+0 (17) (18) (19)

在括號内的數字乃是商數，此商數決定割分器N 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐〉 -11 - 03156 五、發明説明（10 ) qi = 2且序列參數q2 = 21, = — 6。結果之序 列乃如下：20値時鐘間隔以一時間延遲2/2. 048 MHz ;在第21個間隔（q2 = 21) , N乃增加1而 成為N=3,且前面20個間隔乃以一含有3/ 2. 048MHz之延遲時間之時鐘間隔。此序列重覆5 次。在第6個序列開始之前（|q3 1=6) , ^^乃減 1而成為19,因為q3之符號為負，且因此下一値序列 (最後的）乃是具有2/2. 048MHz之19個時鐘 間隔跟隨著具有3/2. 048MHz之一個時鐘間隔。 而整個序列為125値時鐘間隔涵蓋整個125WS (1 之週數，且以fsi>=8KHz之速率重覆。 依照本發明之一較佳實施例，上述之序列乃設計成如 圖2所示之時鐘發生器之型式，其中=N=2乃施加 至第一計數器Cl, q2 =21乃施加至第2計數器C2 ，且=_6乃施加至第3個計數器C3,第4計數器 C 4不使用。 經濟部中央樑準局w：工消費合作社印製 (請先wtwe*之注意事項再f本頁) i裝· 從抖動的觀點而看，當時鐘發生器使用在sigma-dei-ta譯碼器中，側音影像乃首先由電腦模仿所量測；亦即， 産生在nfS6±f «之雜訊或失真，其中η為整數，乃受 到模仿，對於一個正弦頻率= 3ΚΗζ之類比訊號 X (t)。當6個時鐘間隔3/2.〇48ΜΗζ如上所 述的展開時，側音影像乃比類比輸入位準低過8 0 d B以 上。此種模仿乃確定在實際的譯碼器中。相反的，在6個 3/2. 048MHz之時鐘間隔受集合之模仿中（例如 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） -12 - 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A6 Π 'Λ 1 Γϊ Ό____Β6_ 五、發明説明（11) 每値時鐘循環之末端），顯示側音影像只低於類比輸入位 準45dB,而此數值對於許多應用而言最太高了。 例2 為了舉例說明之目的，重覆例1, a=256和M= 125,除了丨r*,, \ <_1 / 2 \ r h丨乃省略以顯示 一潛在不需要之結1。 (請先閲面之注意事喟再塡寫本頁) 256 - 125 (2) +6 (20) 125 = 6 (20) + 5 (21) 6 = 5(1) + 1 (22) 5 - 1(5) + 0 (23) 餘數5的絶對值並不小於或等於餘數6之二分之一。 此計數顯示了一設計包括4個計數器，其中q, =N=2 ,q 2 =20, q3 =1, = 5。與例 1 不同的是， 此設計需要更多的設備，且因此需要更多的晶片區域和更 高的成本。此外，第3計數器，由於q 3 = 1 ,在每個間 隔使第2計數器增加，如此令導致使用時有些曖昧不明。 例3 此例顯示如圖2所示之過取樣譯碼器之型式，其中 fin=23. 328MHz, f“=8KHz,且 M = 125,因此fi„/fsb=2916。將其代入式（1) 丨裝 訂. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） -13 - I)31^6 A6 B6 五、發明説明（12) 至（8 )計算，可得下列結果 qi - N - 23，<12 3，<13 - 20，和 q4 - 2,或相等的 qi N - 23， q2 = 3， q3 _ 21，和q4 - -2· 在此例中之電腦模仿亦顯示側音影像比輸入位準低 8 0 d B 〇

例4 此例顯示如前述Ma 1 1 oy專利中所描述之數位鎖相迴路 型式。在此例中，a=FTB/PHCLK=51. 84 MHz/8KHz = 6480 且 b=N (Mai 1 〇y之計數器 28) =193。使用式（1)至（8)，可得 q; = N 3 4 , q 2 , q 3 = — 3 , q 6 ,和q 注

S 頁

經濟部中央標準局β工消費合作社印M 一 6。由這些商數所界定之序列並不會産生與Ma 1 1 oy專利 之表1所示相同的序列，且因此，本發明於消除抖動之效 果上較佳。 由上可知，上述之安排僅是描述本發明之許多可能之 實施例。由這些實施例可以想出本發明之原理之應用。依 照本發明之原理，無數的改變的安排可由熟悉此行技藝之 人士導出，但其未能悖離本發明之精神和範畴。特別的， 雖然本發明之各種不同的實施例已經使用如圖2所示之鏈 計數器型式而表示，熟悉此項技藝之人士可快速的了解由 歐幾里得商數所界定之序列可以以其他硬體，或軟體，或 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） -14 - A6 B6 五、發明説明（13)兩者同時應用之型式以完成；例如在一狀態機器（如一可 程式規劃邏輯陣列之設計），或在微控制器（例如具有軟 體控制之機器）中。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） -15 -

Claims (1)

1. A7 k,03iL6 g _____D7__ 六、申請專利範团 (請先聞讀背面之注意事項再填寫，本頁). 1.一種時鐘脈衝産生器，其用以從在一輸入頻率上 之一輸入時鐘訊號産生在一輸出頻率上之輸出時鐘訊號， 該時鐘脈衝發生器包含： 劃分裝置，其可藉由兩個第一整數之一，在每個多數 的連續時間間隔，割分該輸入頻率，以産生該輸出頻率， 而該輸出頻率並非該輸入頻率之整數倍；和 交錯裝置，其可在兩個第一整數間交錯，在由歐幾里 得定理之商數所決定的序列中，以決定兩個第二整數之最 大公約數。 2 .如申請專利範圍第1項所述之時鐘脈衝發生器， 其中： 該劃分裝置包含一除以N計數器，而其中N為該第一 整數之一，而N+1或N^l為另一値第一整數；和 該交錯裝置包含至少一序列計數器，而該序列計數器 耦合以控制何時除以N計數器對輸入頻率除以N和除以N +1或N-1,每個該至少一序列計數器具有一序列參數 ，而該序列參數相等於歐幾里得商數之個別之一。 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 3 . —種取樣資料糸統包含： 一過取樣譯碼器，其包括一A/D轉換器，一D/A 轉換器，和一控制器，而該控制器（1)接收一過取樣時 鐘頻率f s。， （ 2 )將f s。除以一個十進位因數Μ以産生 一基帶取樣頻率f 〃，和（3)供應fs6至每個轉換器； 和 一時鐘脈衝發生器，其（1 )接收一輸入時鐘頻率 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4規格（210 X 297公釐） -\6 ~ 81.9.10,000 ο Β7 C7 ___D7_ 六、申請專利範困 f (2)由此産生該過取樣時鐘頻率fse,和（3) (請先《讀背面之注意事項再塡寫本頁) 供應f S。至控制器和轉換器， 該時鐘脈衝發生器包含依照申請專利範圍第1項或第 2項之發生器，其中兩個第一整數gf in/f sfc和M。 4. 如申請專利範圍第3項所述之糸統，其中 每個計數器具有一時鐘輸入，而f 乃施加於此；該 除以N計數器具有一時鐘輸出，而由此時鐘輸出，fs。供 應至該控制器；且每個序列計數器具有一同步輸入，而 f 施加於此。 5. —種取樣資料条統包含： 一過取樣A/D轉換器或一D/A轉換器，和一控制 器，而該控制器（1)接收一過取樣時鐘頻率fs。， （2 )將{5。除以一個十進位因數Μ以産生一基帶取樣頻率 f s ,和（3 )供應f s 6至每個轉換器；和 一時鐘脈衝發生器，其（1 )接收一輸入時鐘頻率 f in, (2)由此産生該過取樣時鐘頻率f 〃，和（3) 供應f s。至控制器和轉換器， 經濟部中央標準居貝工消费合作社印製 該時鐘脈衝發生器包含依照申請專利範圍第1項或第 2項之發生器，其中兩個第一整數為fh/ fsb和Μ。 6 .如申請專利範圍第5項所述之条統，其中 每個計數器具有一時鐘輸入，而f &乃施加於此；該 除以N計數器具有一時鐘輸出，而由此時鐘輸出，供 應至該控制器；且每個序列計數器具有一同步輸入，而 f s 6施加於此。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公釐） -17 - 81.9.10,000 經濟部中央標準局R工消費合作社印製 Α7 Β7 C7 D7 六、申請專利範团 7. —種用以從在一輸入頻率上之一輸入時鐘訊號産 生在一輸出頻率上之輸出時鐘訊號之方法，該方法包含之 步驟為： 藉由兩値第一整數之一，在每個多數的連缠時間間隔 ，除以該輸入頻率，以産生該輸出頻率，而該輸出頻率並 非該輸入頻率之整數倍；其特徽在於 在兩個第一整數間交錯，在由歐幾里得定理之商數所 決定的序列中，以決定兩個第二整數之最大公約數。 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中： 該劃分步驟包含將輸入頻率除以N,其中N為該第一 整數之一，而N+1和N— 1為另一個第一整數；和 該交錯步驟包含控制何時輸入頻率除以N和何時除以 N — 1 或 N + 1， 該控制步驟由歐幾里得商數所決定。 9. 如申請專利範圍第7項或第8項之方法，其使用 於一取樣資料条統，該条統包括一時鐘脈衝發生器和一過 取樣A/D和/或D/A轉換器，該方法包含之步驟： 施加該輸入頻率（f < 至時鐘脈衝發生器，和 施加發生器之輸出頻率（f s。）至轉換器，該轉換器 産生或接收一資料訊號，在一基帶頻率（fs&)上， 其中第一整數為f in/fs。，而第二整數為fs。/ f s b 〇 (請先閲讀背面之注意事項再塡窝本頁) i裝· 訂. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)甲4规格（210 X 297公货） -18 - 81.9.10,000