TWI399927B

TWI399927B - 具載波頻率補償及晶體振盪頻率補償之頻率合成器

Info

Publication number: TWI399927B
Application number: TW99117505A
Authority: TW
Inventors: Chun Chin Chen; Yun Hsueh Chuang; Yi Chun Lu
Original assignee: Uniband Electronic Corp
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2013-06-21
Also published as: TW201143296A

Description

具載波頻率補償及晶體振盪頻率補償之頻率合成器

本發明係關於一種頻率合成器，特別是指一種具有追蹤異地收發機傳送之封包以補償或校正本地收發機晶體振盪頻率及載波頻率功能之頻率合成器。

自無線通訊技術發展以來，定位技術一直是一熱門的討論標的。主要是因為它的應用面極為廣泛，商機極大。例如，衛星定位、無線倒車雷達、定向無線尋車、另外像是團隊旅遊、尋人、尋車、或尋物等只要被尋之人或物配備一接收器，便可以應用無線定位系統定位，非常方便。它們大部分可利用RSSI(接收訊號強度指標)來加以判斷被尋之人或物的距離。再應用如圖1A所示的平面定位示意圖。其中A、B、C假設是三個具有天線的讀取器(立體空間定位則需要4個天線)，而P點是被定位的目標。目標物若具有一發射器，可以發射信號，就可以利用A、B、C三個讀取器接收信號的RSSI值定位

利用RSSI值可換算出距離、、以定位出P點的座標值(x _P ,y _P ,z _P )。

只是RSSI易受環境所影響，除非經過一段校正或訓練期，其精確度有待克服。

無線定位技術較不受環境所影響的技術是用發射端與接收端接受到的時間差異(到達時間time of arriving)來量測，而不是用訊號強度指標。例如，請參考圖2，假設一信號在位置A由第一信號發射/接收器(transceiver；簡稱收發機)發射一第一信號至位置B的第二收發機接收，其歷時為t _dur 。位置B的第二收發機，於收到第一信號後的t _B 時間再發送第二信號給位置A的第一收發機。因此第一收發機可以量測從發射第一信號出去至接收到第二信號這段時間差，設為t _A 。

因此，位置A與位置B的距離便是設c是光速。

實際上，無線信號傳送時是以基頻信號經載波調變(modulation)的封包。封包接收後，再被解調(demodulation)。在上述過程中，它的前題是假設發送端和接收端產生封包的晶體振盪頻率是相同的，否則時間的判定就會有誤差。

然而，以再先進的半導體製程技術所製造的晶體振盪器，即使是相同的批次，也很難製造出完全相同的，多少都會有差異。這裡所述的有差異是指和預定之目標振盪頻率至少有1ppm至數十個ppm的差異。儘管ppm是指百萬分之一，然，換算為時間，再乘以光速時，就是非常可觀的距離量了，這將使得定位誤差值變得很可觀。因此，有必要先估算出兩地收發機所用之晶體振盪器頻率差異值，以進一步消除之。

習知的頻率合成器，請參考美國專利US 7,649,428號，發明名稱為”Method and System for Generating Noise in a Frequency Synthesizer”請參考圖1B。圖1B顯示一種帶分數的頻率合成器，包含鎖相回路20、一ΣΔ調變器(sigma delta modulator；三角積分調變器)32及一加法器34。其中鎖相回路20包含一相位頻率偵測器(phase frequency detector) 22，一電荷泵(charge pump) 24，一環路濾波器(loop filter) 26，一電壓控制振盪器(voltage control oscillator) 28、一多模除頻器(multi-modulus divider)30依序串接，其中，電壓控制振盪器28的輸出是鎖相回路20的輸出Fout同時也輸出至多模數除頻器30，而多模數除頻器30的輸出的訊號則是鎖相回路20除了輸入參考信號外的另一輸入信號Ferr。

多模除頻器30的一除頻數N[k]是一帶多數包含由加法器34的一輸入端輸入一整數N及加法器34的另一輸入端輸入的小數Δ[K]。Δ[K]是來自於ΣΔ調變器32的輸出的小數值。因此，加法器34輸出帶分數給多模數除頻器30，就可使得多模數除頻器30的除頻值是帶有分數的。上述的相位頻率偵測器22，在輸入的信號頻率F_IN 和F_err 兩信號的頻率相差超過±2π時，相位頻率偵測器22以偵測模式運作，電荷泵24及環路濾波器26將以全速輸出連續操作，直至相位誤差低於2π。

當兩信號的頻率相差低於2π時，相位偵測器22操作於相位偵測模式，電荷泵24的輸出正比於兩者之差值。一旦兩者之差值為0值時就會進入於相位鎖頻狀態(phase locked state)。

一般鎖相回路並未提供如何將兩個異地的收發機之晶體振盪提供校準。有鑒於此，本發明之一目的便是提供一頻率合成器，它具有將異地之兩個收發器之晶體振盪頻率校準至可容忍的範圍。

本發明揭露一種具有產生追隨收發機所接收之第一信號而輸出一相應於該第一信號之校正晶體振盪頻率之頻率合成器，包含：一相位頻率偵測器、電荷泵、環路濾波器、電壓控制振盪器、第一多模除頻器順序連接而形成一鎖頻環路。此外，另外一第一ΣΔ調變器再連接至第一多模除頻器。一第二ΣΔ調變器順序連接一第二多模除頻器。電壓控制振盪器所輸出之訊號再連接至第二多模除頻器後除頻輸出。

第一ΣΔ調變器依據所接收來自異地收發機之訊號所使用的通道分配一除頻值，另再依據該訊號之晶體振盪器和本地之晶體振盪器之偏差值加入一補償值。前述補償值係依據所接收之訊號分析估計，以ppm為單位。

一旦相位頻率偵測器之兩個輸入端的相位相同時，就視為鎖頻，電壓控制振盪器所輸出的頻率即為所要的調變用載波頻率。

此外，鎖頻時，電壓控制振盪器輸出的信號經第二多模除頻器後除頻後得到的就是校正之晶體振盪頻率。其中，第二多模除頻器的除頻值得自第二ΣΔ調變器，後者是依據所接收之信號的通道資訊給出。

一如前述，兩只用來定位的收發機如果它們的晶體振盪頻率即便它們在製程上僅有非常微小的差異，這個差異以百萬分之一計，即ppm這樣的數量級，若不加以修正，直接做為量距或定位應用時，將導致定位有誤差，並且誤差將隨著上述差異的增加而增加。

理由很容易理解，因為頻率合成器一旦利用該等晶體振盪頻率來產生調變用超高頻(UHV)載波信號，就會被鎖相迴路中的多模除頻器所放大，而使得兩只收發機發出的載波頻率不一致。換算為時間再乘以光速時，誤差就會很明顯。

本發明所揭露的技術可以解決上述的問題。本發明的頻率合成器能夠產生校正的晶體振盪頻率及校正的高頻載波調變用頻率。這裏及之後所述的”校正”所指的是本地收發機所賴以產生的基頻或調變用載波頻率都是以校正的晶體振盪頻率，而不是原始的半導體晶體振盪頻率。即，兩個晶體振盪頻率因半導體技術製造產生之偏移值已被消除(frequency offset cancellation)，或說已獲補償，即載波頻率補償及晶體振盪頻率補償。換言之，本地的頻率合成器將依據本地收發機所接收來自異地的訊號之載波頻率而調整至本地與異地之晶體振盪頻率相一致。

請參考圖2所示的頻率合成器200，包含一相位頻率偵測器222，一電荷泵224，一環路濾波器226，一電壓控制振盪器228、一第一多模除頻器230a、一第二多模除頻器230b、一第一ΣΔ調變器(sigma delta modulator)232a、一第二ΣΔ調變器(sigma delta modulator) 234a。

上述功能方塊所組成的電路，可看成是一被第一ΣΔ調變器232a決定第一多模除頻器230a的除頻數的鎖相迴路(PLL)再額外加上第二多模除頻器230b及第二ΣΔ調變器232b兩功能方塊。其中，第二多模除頻器230b及第二ΣΔ調變器232b兩功能方塊需待鎖相迴路鎖頻後才運作，以輸出校正之晶體振盪頻率F_OUT2’ =Xal’。

圖2中，相位頻率偵測器222設有第一輸入端IN0以接收一信號F_IN 在一實施例中，就是本地晶體振盪頻率X_a1 輸出信號，另有一第二輸入信號是來自於第一多模除頻器230a的輸出，根據比較結果再輸出至電荷泵224，而電荷泵224則輸出信號至環路過濾器226，環路濾波器226再輸出至電壓控制振盪器228。電壓控制振盪器228依據環路濾波器226所輸出的電壓提高或降低振盪頻率，除輸出至頻率合成器200之輸出端OUT1外，另再分別輸出該振盪頻率VCO至第一多模除頻器230a及第二多模除頻器230b。

第一多模除頻器230a的除頻數值是由第一ΣΔ調變器232a輸出所決定。而第一ΣΔ調變器232a具有兩個輸入IN1,IN2，及一硬體電路組成之第一映照表(look-up table)234a。依據由輸入端IN1輸入之射頻信號的通道資訊(channel information)CH#，第一映照表234a，給出一對應的除頻數D。除頻數D可以是整數D或帶分數D.d。例如，當射頻信號是屬於ch20，則除頻數依據映照表234a將對應於除數153。若屬於ch21，則除頻數依據映照表234a將對應於除數153.5。

依據本發明之一較佳實施例，第一ΣΔ調變器232a的第二輸入端IN2輸入的是以1ppm為單位的偏離值(offset)，這個偏離值1ppm將反應於上述除頻數D。例如ch20所提供除頻數153的1ppm將會使第一ΣΔ調變器232a輸出153.000153。以數學式表示就是D’=D(1+kppm)。D’是已考慮偏離值後的除頻數，D則是只由通道資訊依第一映照表234a獲得的除頻數。

同樣，若是ch21所提供除頻數153.5的1ppm將是153.5001535。亦即，在此，第一ΣΔ調變器232a需有更高解析度。而這些數值將會反映於第一映照表234a。而使得第一映照表234a電路包含更多電晶體元件，以提供如此高解析度。

偏離值是由功能方塊偏離值估算單元240所提供的。偏離值估算單元240依據上述射頻信號的訊息(例如以二位元相位遷移(BPSK)就包含了I_DATA及Q_DATA分別於輸入點IN3及IN4輸入。經由一演算法估計就可獲得偏離值，請參考申請人另一中華民國專利申請號98133853號。另一中華民國專利申請案第98133853號，發明名稱「多階估算及補償頻率偏移量之方法及其電路」。

當第一ΣΔ調變器232a輸出除頻數D’至多模除頻器後，FOUT1’被除頻數D’所除，這個商值會與FIN相比較。當兩信號的頻率相差超過±2π時，相位頻率偵測器222以偵測模式運作，電荷泵224及環路濾波器226將以全速輸出連續操作，直至相位誤差低於2 π。

當兩信號的頻率相差低於2 π時，相位偵測器222操作於相位偵測模式，電荷泵224的輸出正比於兩者之差值。一旦兩者之差值為0值時就會進入於相位鎖頻狀態(phase locked state)。

一旦鎖相回路進入鎖頻狀態時，另一第二多模除頻器230b及第二Σ△調變器232b將會開始工作。

首先，第二Σ△調變器232b在輸入端IN1所接收的頻道資訊CH#，也是在ch20，因此，第二Σ△調變器232b對照其內部的第二映照表234b時將輸出除頻數D=153。第二Σ△調變器232b只有唯一的輸入點IN1。因此，當原始晶體振盪器是16MHz，而電壓控制振盪器228鎖頻後所輸出的頻率是：16MHz×153.000153(以1ppm偏移為例)，輸出端OUT將輸出F_OUT1 =2448.002448MHz，恰好也是1ppm的變化。此頻率被第二多模除頻器230b的除頻數D=153除後將得到的校正之晶體振盪頻率F_OUT2 =16.000016。也是1ppm的變化。上述第二映照表234b相對於第一映照表234a較為簡單。因為它不必處理偏移值的修正問題。

本發明具有以下優點：本發明頻率合成器輸出的是校正的晶體振盪頻率及校正後的載波頻率、異地和本地校正之晶體振盪頻率是一致的，且可以精確到1ppm，必要時，應用本發明的精神可進一步更精確。大大提高用於測距或定位的實用性與準確性。

以上所述係利用一較佳實施例及不同實施例以詳細說明本發明，其並非用以限制本發明之實施範圍，並且熟習該項技藝者皆能明瞭，適當做些微的修改仍不脫離本發明之精神及範圍。

22、224．．．相位頻率偵測器

26、226．．．環路濾波器

30．．．多模除頻器

34．．．加法器

24、224．．．電荷泵

32．．．ΣΔ調變器

22、222．．．相位頻率偵測器

232a．．．第一ΣΔ調變器

230a．．．第一多模除頻器

232b．．．第二ΣΔ調變器

230b．．．第二多模除頻器

OUT1、OUT2．．．輸出端

234a．．．第一映照表

200．．．頻率合成器

234a ．．．第二映照表

F_IN ．．．輸入的信號頻率

D、D.d．．．除頻數

CH#．．．通道資訊

28、228．．．電壓控制振盪器

IN0、IN1、IN2、IN3、IN4．．．輸入端

F_OUT2’ ．．．校正後晶體振盪頻率

D’．．．校正後除頻數

圖1A示平面定位示意圖。

圖1B示習知頻率合成器的功能方塊示意圖。

圖2示依據本發明技術所設計的頻率合成器，可輸出校正的晶體振盪頻率及校正的調變用載波頻率。

224‧‧‧相位頻率偵測器

226‧‧‧環路濾波器

F_IN ‧‧‧輸入的信號頻率

D‧‧‧除頻數

F_OUT2’ ‧‧‧校正後晶體振盪頻率

228‧‧‧電壓控制振盪器

D’‧‧‧校正後除頻數

CH#‧‧‧通道資訊

234a‧‧‧第一映照表

200‧‧‧頻率合成器

224‧‧‧電荷泵

232a‧‧‧第一Σ△調變器

230a‧‧‧第一多模除頻器

234a‧‧‧第二映照表

230b‧‧‧第二多模除頻器

232b‧‧‧第二Σ△調變器

OUT1、OUT2‧‧‧輸出端

IN0、IN1、IN2、IN3、IN4‧‧‧輸入端

Claims

一種具有產生追隨收發機所接收之第一信號而輸出一相應於該第一信號之校正晶體振盪頻率之頻率合成器，至少包含：一相位頻率偵測器設有第一輸入端以接收一本地晶體振盪頻率；一電荷泵連接於該相位頻率偵測器的輸出端；一環路濾波器連接於該電荷泵的輸出端；一電壓控制振盪器連接於該環路濾波器的輸出端，以產生一鎖頻信號於該頻率合成器的第一輸出端；一第一多模除頻器連接於該電壓控制振盪器的輸出端，並回饋於該相位偵測器的第二輸入端；一偏差值估算器，用以接收該第一信號的I_DTATA及Q_DTATA，應用一演算法產生一偏差值，k ppm(百萬分之一)；一第一Σ△調變器設有第一輸入端以接收該第一信號之通道資訊、第二輸入端、一輸出端，及一第一映照表，該第一映照表提供通道(channel)與除數關係對照表，據以取得一第一除數，該第二輸入端接收該偏差值，該輸出端輸出一第一校正除數至該第一多模除頻器，該第一校正除數等於該第一除數乘上(1+k ppm)；一第二多模除頻器連接於該電壓控制振盪器的輸出端，該第二多模除頻器設有該頻率合成器的第二輸出端；一第二Σ△調變器設有一輸入端以接收該第一信號的通道資訊，該第二Σ△調變器設有第二映照表，該第二映照表提供通道(channel)與除數關係對照表，據以取得該第一除數，並輸出至該第二多模除頻器，該該第二多模除頻器由該頻率合成器的第二輸出端輸出該校正晶體振盪頻率，該校正晶體振盪頻率=在電壓控制振盪器輸出之鎖頻頻率÷第一除數。
如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中上述之第一映照表及第二映照表是硬體電路組成。
如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中上述之第一映照表之解析度能夠處理ppm級變化，而第二映照表解析度能夠處理帶小位小數的分數變化的除頻數。
如申請專利範圍第1項所述所述之頻率合成器，其中上述之鎖頻信號為載波信號。