TWI765825B - 注入鎖定鎖頻迴路振盪單元 - Google Patents

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Abstract

一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元具有一振盪器及一注入鎖定鎖頻迴路，該注入鎖定鎖頻迴路接收該振盪器之一振盪訊號，並透過一注入鎖定振盪器的注入鎖定機制對該振盪訊號延遲及相移，藉此測得該振盪器的反向相位雜訊，再將測得之反向相位雜訊迴授至該振盪器以抵消該振盪器的相位雜訊。

Description

注入鎖定鎖頻迴路振盪單元
本發明是關於一種振盪單元，特別是關於一種藉由注入鎖定鎖頻迴路降低相位雜訊的振盪單元。
振盪器用以產生週期性的弦波訊號，經常用於需要穩定時脈訊號的電子設備及需要固定振盪頻率的通訊設備中，但因為振盪器會因為其內部元件的不理想而存在著相位雜訊，相位雜訊會影響弦波訊號的頻率，進而影響電子設備及通訊設備的運作。在先前技術中，一般會透過鎖頻迴路(Frequency-locked loop)降低振盪器的相位雜訊，鎖頻迴路使用延遲元件延遲振盪器輸出之振盪訊號，再將延遲之振盪訊號與原有之振盪訊號比較後得到振盪器的反向相位雜訊，最後將反向相位雜訊迴授至振盪器即可抵銷相位雜訊。其中，延遲元件可為延遲線或窄頻帶之帶通濾波器，但延遲線的體積龐大且損耗會隨著頻率上升而增加，使其難以應用於毫米波或更高之頻段，窄頻帶之帶通濾波器則是難以讓毫米波或更高之頻段通過，導致以鎖頻迴路降低相位雜訊的架構難以實現在毫米波以上之波段。另外，為了補償延遲元件造成的損耗，鎖頻迴路通常需要設置額外的放大器將訊號放大，這將會增加成本、功率消耗及相位雜訊。
本發明的主要目的在於藉由注入鎖定鎖頻迴路降低振盪器的相位雜訊，由於注入鎖定鎖頻迴路中的注入鎖定振盪器能夠同時作為延遲單元及相移器，讓該振盪器可操作於毫米波或更高之頻段，並使得鎖頻迴路不須額外設置放大器，能夠降低整體振盪單元的體積、成本及功率消耗。
本發明之一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元包含一振盪器及一注入鎖定鎖頻迴路，該振盪器輸出一振盪訊號，該注入鎖定鎖頻迴路具有一循環器、一注入鎖定振盪器、一相位偵測器、一第一迴路濾波器及一加法器，該循環器耦接該振盪器以接收該振盪訊號，該注入鎖定振盪器電性連接該循環器，該循環器將該振盪訊號傳送至該注入鎖定振盪器，且該注入鎖定振盪器被該振盪訊號注入鎖定，該注入鎖定振盪器輸出一注入鎖定訊號至該循環器，該相位偵測器耦接該振盪器及該循環器，該相位偵測器接收該振盪訊號並由該循環器接收該注入鎖定訊號，該相位偵測器用以比對該振盪訊號及該注入鎖定訊號的相位並輸出一偵測訊號，該第一迴路濾波器電性連接該相位偵測器以接收該偵測訊號，且該第一迴路濾波器輸出一濾波訊號，該加法器電性連接該第一迴路濾波器，該加法器接收該濾波訊號及一調整電壓，且該加法器輸出一控制電壓至該振盪器之一第一調整埠，其中，該注入鎖定振盪器電性連接該第一迴路濾波器，且該第一迴路濾波器之該濾波訊號傳送至該注入鎖定振盪器之一第二調整埠。
本實施例藉由該注入鎖定鎖頻迴路降低該振盪器的相位雜訊，由於該注入鎖定鎖頻迴路中的注入鎖定振盪器同時作為延遲單元及相移單元，可降低整體之該注入鎖定鎖頻迴路振盪單元的體積大小並讓該振盪器能夠操作於毫米波以上的波段，此外，藉由該濾波訊號自動地控制該注入鎖定振盪器，能讓該相位偵測器維持良好的偵測效果。
請參閱第1圖，其為本發明之一第一實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100的功能方塊圖，該注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100包含一振盪器110及一注入鎖定鎖頻迴路120，其中，該振盪器110用以輸出一振盪訊號S O，該注入鎖定鎖頻迴路120電性連接該振盪器110以接收該振盪訊號S O，且該注入鎖定鎖頻迴路120輸出一控制電壓V C至該振盪器110，該控制電壓V C用以控制該振盪訊號S O的振盪頻率。
在本實施例中，該注入鎖定鎖頻迴路120具有一循環器121、一注入鎖定振盪器122、一相位偵測器123、一第一迴路濾波器124及一加法器125，該循環器121電性連接該振盪器110以接收該振盪訊號S O，該注入鎖定振盪器122電性連接該循環器121，該循環器121將接收之該振盪訊號S O傳送至該注入鎖定振盪器122，使該注入鎖定振盪器122被該振盪訊號S O注入鎖定，且該注入鎖定振盪器122輸出一注入鎖定訊號S I至該循環器121。
該相位偵測器123電性連接該振盪器110及該循環器121，該相位偵測器123由該振盪器110接收該振盪訊號S O並由該循環器121接收該注入鎖定訊號S I，該相位偵測器123用以比對該振盪訊號S O及該注入鎖定訊號S I的相位並輸出一相位偵測訊號S PD，該相位偵測訊號S PD包含了反向相位雜訊及即時相位差。較佳的，透過該注入鎖定振盪器122的注入鎖定，該注入鎖定振盪器122輸出之該注入鎖定訊號S I與該振盪訊號S O之間會有著90度的相位差，能夠讓該相位偵測器123對於該振盪訊號S O之相位雜訊的偵測效果達到最佳。
該第一迴路濾波器124電性連接該相位偵測器123以接收該相位偵測訊號S PD，其中該第一迴路濾波器124為一低通濾波器，該第一迴路濾波器124用以將該相位偵測訊號S PD的高頻成分濾除而輸出一濾波訊號S F，該濾波訊號S F即為該振盪訊號S O中的反向相位雜訊及該注入鎖定訊號S I與該振盪訊號S O之間的即時相位差。該加法器125電性連接該第一迴路濾波器124，該加法器125接收該濾波訊號S F及一調整電壓V T，且該加法器125將該濾波訊號S F及該調整電壓V T相加為該控制電壓V C並輸出至該振盪器110。其中該調整電壓V T為原先控制該振盪器110之振盪頻率的電壓訊號，加上該濾波訊號S F後再傳送至該振盪器110即可透過該濾波訊號S F中的反向相位雜訊抑制該振盪器110的相位雜訊。
此外，請再參閱第1圖，該注入鎖定振盪器122電性連接該第一迴路濾波器124，且該第一迴路濾波器124之該濾波訊號S F傳送至該注入鎖定振盪器122，以藉由該濾波訊號S F中該注入鎖定訊號S I與該振盪訊號S O之間的即時相位差控制該注入鎖定振盪器122，使該注入訊號S I與該振盪訊號S O之間的相位差自動維持在具有最佳偵測效果的90度。
本實施例藉由該注入鎖定鎖頻迴路120偵測該振盪器110的反向相位雜訊，再將其迴授至該振盪器110以抵銷該振盪器110的相位雜訊，由於該注入鎖定鎖頻迴路120中的注入鎖定振盪器122同時作為延遲單元及相移單元，可降低整體之該注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100的體積大小並讓該振盪器110能夠操作於毫米波以上的波段，此外，藉由該濾波訊號S F自動地控制該注入鎖定振盪器122，能讓該相位偵測器123維持良好的偵測效果。
請參閱第2圖，其為本發明之一第二實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100的電路圖，其與第一實施例的差異在於另具有一第一除頻器130、一第一功率分配器140及一第二功率分配器150。該第一功率分配器140電性連接該振盪器110以接收該振盪訊號S O，且該第一功率分配器140用以將該振盪訊號S O分為兩路，其中一路之該振盪訊號S O輸出為一輸出訊號，另一路之該振盪訊號S O傳送至該第一除頻器130，該第一除頻器130用以對該振盪訊號S O進行降頻並將降頻後之該振盪訊號S O傳送至該第二功率分配器150。本實施例透過該第一除頻器130的降頻，能夠降低該注入鎖定鎖頻迴路120結構的複雜度，以減少該注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100的製造成本。該第二功率分配器150將降頻後之該振盪訊號S O分為兩路，其中一路傳送至該相位偵測器123，另一路傳送至至該循環器121。在本實施例中，該循環器121具有一第一埠121a、一第二埠121b及一第三埠121c，由該第一除頻器130降頻後之該振盪訊號S O輸入該循環器121之該第一埠121a，並由該循環器121之該第二埠121b輸出至該注入鎖定振盪器122之一注入埠122a，該注入鎖定振盪器122被注入鎖定後由該注入埠122a輸出該注入鎖定訊號S I至該循環器121之該第二埠121b，該注入鎖定訊號S I再由該循環器121之該第三埠121c輸出至該相位偵測器123並與降頻後之該振盪訊號S O進行相位比對後輸出該相位偵測訊號S PD。
請再參閱第2圖，該第一迴路濾波器124對該相位偵測訊號S PD濾波後輸出該濾波訊號S F傳送至該加法器125與該調整電壓V T相加為該控制電壓V C，並傳送至該振盪器110之一第一調整埠111，以控制該振盪器110的振盪頻率並抵銷該振盪器110的相位雜訊。該第一迴路濾波器124輸出之該濾波訊號S F並傳送至該注入鎖定振盪器122之一第二調整埠122b，以控制該注入鎖定振盪器122的振盪頻率。
本實施例藉由該第一除頻器130將該振盪器110輸出之該振盪訊號S O降頻至較低頻段，使該注入鎖定鎖頻迴路120能以複雜度較低的結構對降頻後之該振盪訊號S O進行延遲及相位位移而得到該振盪器110的反向相位雜訊，並將反向相位雜訊迴授至該振盪器110以降低相位雜訊，由於操作於毫米波之該振盪器110可使用於更高頻的系統中，使本實施例之該注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100能夠有著更廣泛的應用。
請參閱第3圖，其為本發明之一第三實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100的電路圖，其與第二實施例的差異在於其另具有一鎖相迴路160，該鎖相迴路160電性連接該第一除法器130及該加法器125，該鎖相迴路160接收降頻後之該振盪訊號S O及一參考訊號S R，且該鎖相迴路160根據降頻後之該振盪訊號S O及該參考訊號S R輸出該調整電壓V T至該加法器125。
請參閱第3圖，在本實施例中，該鎖相迴路160具有一第二除頻器161、一相位頻率偵測器162及一第二迴路濾波器163，該第二除頻器161電性連接該第一除頻器130以接收降頻後之該振盪訊號S O，該第二除頻器161再次對降頻後之該振盪訊號S O進行降頻，且該第二除頻器161輸出一基頻訊號S B，該相位頻率偵測器162電性連接該第二除頻器161，該相位頻率偵測器162接收該基頻訊號S B及該參考訊號S R，該相位頻率偵測器162用以比對該基頻訊號S B及該參考訊號S R的相位及頻率並輸出一偵測訊號S D，該第二迴路濾波器163電性連接該相位頻率偵測器162以接收該偵測訊號S D，同樣地，該第二迴路濾波器163為一低通濾波器，該第二迴路濾波器163濾除該偵測訊號S D的高頻成份而輸出該調整電壓V T制該加法器125，本實施例透過該鎖相迴路160輸出該調整電壓V T可讓該振盪器110的振盪頻率更加穩定。
請參閱第3圖，在第三實施例中，若該振盪器110並非操作於毫米波，則如同第一實施例不需設置該第一除頻器130，該第二除頻器161直接由該振盪器110接收該振盪訊號S O並進行降頻而得到該基頻訊號S B。
請參閱第4圖，其為本發明之一第四實施例，其與第三實施例的差異在於該鎖相迴路160具有一差異積分調製器164，該差異積分調製器164電性連接該第二除頻器161，該差異積分調製器164用以控制該第二除頻器161之一除頻值，較佳的，透過該差異積分調製器164的控制，可讓該第二除頻器161的該除頻值為分數，由於該振盪器110輸出之該振盪訊號S O的頻率是該參考訊號S R之頻率的P×N倍，其中P是該第一除頻器的130的該除頻值，N為該第二除頻器161的該除頻值，當P為整數，N為分數時可進一步地提高該注入鎖定鎖頻迴路振盪單元100的頻率解析度。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100:注入鎖定鎖頻迴路振盪單元 110:振盪器 111:第一調整埠 120:注入鎖定鎖頻迴路 121:循環器 121a:第一埠 121b:第二埠 121c:第三埠 122:注入鎖定振盪器 122a:注入埠 122b:第二調整埠 123:相位偵測器 124:第一迴路濾波器 125:加法器 130:第一除頻器 140:第一功率分配器 150:第二功率分配器 160:鎖相迴路 161:第二除頻器 162:相位頻率偵測器 163:第二迴路濾波器 164:差異積分調製器 S O:振盪訊號 S PD:相位偵測訊號 S I:注入鎖定訊號 S D:偵測訊號 S F:濾波訊號 V T:調整電壓 V C:控制電壓 S R:參考訊號 S B:基頻訊號
第1圖：依據本發明之一第一實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元的功能方塊圖。 第2圖：依據本發明之一第二實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元的電路圖。 第3圖：依據本發明之一第三實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元的電路圖。 第4圖：依據本發明之一第四實施例，一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元的電路圖。
100:注入鎖定鎖頻迴路振盪單元
110:振盪器
120:注入鎖定鎖頻迴路
121:循環器
122:注入鎖定振盪器
123:相位偵測器
124:第一迴路濾波器
125:加法器
SO:振盪訊號
SI:注入鎖定訊號
SPD:相位偵測訊號
SF:濾波訊號
VT:調整電壓
VC:控制電壓

Claims (10)

  1. 一種注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其包含：一振盪器，輸出一振盪訊號；以及一注入鎖定鎖頻迴路，具有一循環器、一注入鎖定振盪器、一相位偵測器、一第一迴路濾波器及一加法器，該循環器耦接該振盪器以接收該振盪訊號，該注入鎖定振盪器電性連接該循環器，該循環器將該振盪訊號傳送至該注入鎖定振盪器，且該注入鎖定振盪器被該振盪訊號注入鎖定，該注入鎖定振盪器輸出一注入鎖定訊號至該循環器，該相位偵測器耦接該振盪器及該循環器，該相位偵測器接收該振盪訊號並由該循環器接收該注入鎖定訊號，該相位偵測器用以比對該振盪訊號及該注入鎖定訊號的相位並輸出一相位偵測訊號，該第一迴路濾波器電性連接該相位偵測器以接收該相位偵測訊號，且該第一迴路濾波器輸出一濾波訊號，該加法器電性連接該第一迴路濾波器，該加法器接收該濾波訊號及一調整電壓，且該加法器輸出一控制電壓至該振盪器之一第一調整埠，其中，該注入鎖定振盪器電性連接該第一迴路濾波器，且該第一迴路濾波器之該濾波訊號傳送至該注入鎖定振盪器之一第二調整埠。
  2. 如請求項1之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其包含一第一除頻器，該第一除頻器電性連接該振盪器及該注入鎖定鎖頻迴路，該第一除頻器用以對該振盪訊號進行降頻並將降頻後之該振盪訊號傳送至該注入鎖定鎖頻迴路之該相位偵測器及該循環器。
  3. 如請求項1或2之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其中該振盪器操作於毫米波。
  4. 如請求項2之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其包含一第一功率分 配器及一第二功率分配器，該第一功率分配器電性連接該振盪器以接收該振盪訊號，且該第一功率分配器用以將該振盪訊號分為兩路，其中一路之該振盪訊號輸出為一輸出訊號，另一路之該振盪訊號傳送至該第一除頻器，該第二功率分配器電性連接該第一除頻器，該第二功率分配器並將降頻後之該振盪訊號分為兩路，其中一路的降頻後之該振盪訊號傳送至相位偵測器，另一路的降頻後之該振盪訊號傳送至該循環器。
  5. 如請求項1之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其中該第一迴路濾波器為一低通濾波器。
  6. 如請求項1之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其包含一鎖相迴路，該鎖相迴路電性連接該振盪器及該加法器，該鎖相迴路接收該振盪訊號及一參考訊號，且該鎖相迴路根據該振盪訊號及該參考訊號輸出該調整電壓。
  7. 如請求項6之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其中該鎖相迴路具有一除頻器、一相位頻率偵測器及一第二迴路濾波器，該除頻器電性連接該振盪器以接收該振盪訊號，且該除頻器輸出一基頻訊號，該相位頻率偵測器電性連接該除頻器，該相位頻率偵測器接收該基頻訊號及該參考訊號，該相位頻率偵測器用以比對該基頻訊號及該參考訊號的相位及頻率並輸出一偵測訊號，該第二迴路濾波器電性連接該相位頻率偵測器以接收該偵測訊號，且該第二迴路濾波器輸出該調整電壓。
  8. 如請求項7之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其中該鎖相迴路具有一差異積分調製器，該差異積分調製器電性連接該除頻器，該差異積分調製器用以控制該除頻器之一除頻值。
  9. 如請求項2之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其包含一鎖相迴路， 該鎖相迴路具有一第二除頻器、一相位頻率偵測器及一第二迴路濾波器，該第二除頻器電性連接該第一除頻器以接收除頻後之該振盪訊號，且該第二除頻器輸出一基頻訊號，該相位頻率偵測器電性連接該第二除頻器，該相位頻率偵測器接收該基頻訊號及一參考訊號，該相位頻率偵測器用以比對該基頻訊號及該參考訊號的相位並輸出一相位偵測訊號，該第二迴路濾波器電性連接該相位頻率偵測器以接收該相位偵測訊號，且該第二迴路濾波器輸出該調整電壓。
  10. 如請求項9之注入鎖定鎖頻迴路振盪單元，其中該鎖相迴路具有一差異積分調製器，該差異積分調製器電性連接該第二除頻器，該差異積分調製器用以控制該第二除頻器之一除頻值。
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