CN101807920A - 自适应频率校准频率合成器 - Google Patents

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张萌
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Abstract

自适应频率校准频率合成器中，外加的参考信号(Fref)分别接鉴频鉴相器(1)和自适应频率校准电路(6)的一个输入端：鉴频鉴相器(1)的充电控制输出端(Up)、放电控制输出端(Dn)分别接电荷泵(2)的输入端，电荷泵(2)的输出端通过环路滤波器(3)接第一开关(S1)，第一开关(S1)的另一端分成两路，其中一路通过第二开关(S2)接参考电压Vctrl，min，另一路接压控振荡器(4)的一个输入端；自适应频率校准电路(6)的输出端接压控振荡器(4)的另一个输入端；压控振荡器(4)的输出端接分频器(5)的输入端，并输出振荡电压信号(Fvco)，分频器(5)的输出端分别接鉴频鉴相器(1)和自适应频率校准电路(6)的另一个输入端。

Description

自适应频率校准频率合成器
技术领域
本发明涉及一种应用于无线收发机的自适应频率校准频率合成器，涉及一种快速自适应频率校准的频率合成器，该自适应频率校准频率合成器尤其适合应用于无线接收机中本征信号的产生。
背景技术
频率合成器的主要作用是产生输出频率可编程的信号，为数字电路提供参考时钟，或者为无线收发机提供本征信号。其输出频率范围直接决定无线收发机可以接收的信号范围，其性能直接决定接收信号质量的好坏。为了降低通信***成本，现在很多***要求无线接收机同时能够满足多个频段、多个标准的要求，而宽带频率合成器的实现是这种无线接收机实现的关键。
频率合成器的实现方式有直接型、查表型和间接型，即锁相环型，由于锁相环型频率合成器能够在面积、功耗和性能的折中上取得较好的效果，因此在无线接收机中被广泛采用。应用于无线接收机的锁相环型频率合成器一般由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器和分频器组成。锁相环型频率合成器的输出信号频率范围由压控振荡器的调谐范围决定，由于集成电路工艺特征尺寸的不断缩小，电源电压也不断降低，为了实现宽带高性能压控振荡器，一般采用开关电容阵列作为粗调谐元件，将整个压控振荡器的调谐范围划分为很多个小的频段，采用可变电容作为微调谐元件，这样能够同时达到压控振荡器的宽调谐范围和低的调谐增益(Kvco)，低的调谐增益能够实现压控振荡器的低相位噪声和低杂散。因此，宽带锁相环型频率合成器的锁定需要一个辅助电路选择压控振荡器的频段，我们称之为自适应频率校准电路；锁定过程分为自适应频率校准过程和锁相环的本征锁定过程。自适应频率校准过程花费的时间增加了频率合成器的锁定时间，在某些对锁定时间要求严格的应用场合，如跳频通信***中，自适应频率校准时间必须尽量减小。
自适应频率校准的实现方式有很多种，根据自适应频率校准过程中锁相环是否开路，可以分为开环频率校准方式和闭环频率校准方式，闭环频率校准方式通过锁相环锁定时，比较压控振荡器的控制电压和预先设定的电压值(Vref1，Vref2)，得到的比较结果决定下一个压控振荡器的频段，这个过程重复数次，直至压控振荡器的控制电压处于Vref1和Vref2之间时，自适应校准过程停止，锁相环开始进行本征锁定过程。由于每次比较之前，锁相环必须进行一次锁定过程，而锁相环的锁定过程通常都很费时，因此闭环频率校准电路一般速度很慢。开环频率校准方式由于进行校准时，环路无需进行锁定，因此，其速度一般较闭环频率校准方式快，在对锁相环速度要求苛刻的场合，经常使用。传统的开环频率校准电路基于计数器，通过分别对参考信号和压控振荡器分频后的输出信号进行一段时间的计数，然后比较计数值的大小，确定信号频率的大小，根据比较结果确定下一个压控振荡器的频段，这个过程重复数次，直到当前压控振荡器的输出频率接近锁相环的锁定频率时，自适应校准过程停止，锁相环开始进行本征锁定过程。由于开始计数时，参考信号和压控振荡器分频后的信号存在一个不确定的相位差，因此每次计数必须进行很长的时间才能确保自适应校准的准确性，这种开环自适应频率校准过程每次频率比较所花费的时间通常在一百个参考信号周期以上，在某些应用场合下也是无法容忍的。
发明内容
技术问题：为了克服现有的频率合成器自适应校准时间长的缺点，本发明提出了一种自适应频率校准频率合成器，该自适应频率校准频率合成器基于频率-电压转换器，通过将压控振荡器分频后的输出信号和频率合成器的输入参考信号的频率信息转换为电压信息，并且在进行频率校准时，将压控振荡器的控制电压置为其调谐电压的最小值Vctrl，min，配合状态机实现自适应频率校准，因此，对参考信号和压控振荡器分频后的信号之间的初始相位差没有要求，具有低功耗、低复杂度的特点。通过使用快速的频率-电压转换器，自适应频率校准过程中每次频率比较所花费的时间可以缩短到十个参考信号周期以内，极大的缩短了频率合成器的自适应频率校准时间。
技术方案：本发明采用了一种基于频率-电压转换器的新型自适应频率校准频率电路，该自适应频率校准频率电路将待比较信号的频率信息转换为电压信息，通过比较转换后的电压大小完成信号频率大小的比较，并且在进行频率校准时，将压控振荡器的控制电压置为其调谐电压的最小值Vctrl，min，配合状态机实现自适应频率校准。
本发明的自适应频率校准频率合成器框图如图1所示，外加的参考信号分别接鉴频鉴相器和自适应频率校准电路的输入端：鉴频鉴相器的充电控制输出端、放电控制输出端分别接电荷泵的输入端，电荷泵的输出端通过环路滤波器接第一开关，第一开关的另一端分成两路，其中一路通过第二开关接参考电压Vctrl，min，另一路接压控振荡器的一个输入端；自适应频率校准电路的输出端接压控振荡器的另一个输入端；压控振荡器的输出端接分频器的输入端，并输出振荡电压信号，分频器的输出端分别接鉴频鉴相器和自适应频率校准电路的另一个输入端。
所述的自适应频率校准电路的两个输入端与两个并列的频率-电压转换器分别连接，这两个并列的频率-电压转换器即是第一频率-电压转换器、第二频率-电压转换器，第一频率-电压转换器输出的指示参考信号频率大小的电压信号和第二频率-电压转换器输出的指示分频器输出方波信号频率大小的电压信号接电压比较器的输入端，电压比较器的输出端输出数字信号到状态机的输入端，状态机的输出端接压控振荡器的另一个输入端。
有益效果：本发明的有益效果是，自适应频率校准时，环路处于开环状态，压控振荡器的控制电压置为其调谐电压的最小值Vctrl，min，且校准电路对参考信号和压控振荡器的分频信号之间相位差没有要求，结构简单，通过使用快速的频率-电压转换器，校准过程中每次频率比较只需要花费几个参考信号周期，大大缩短了校准时间。
图2是所述例子中自适应频率校准频率合成器锁定至3GHz的仿真波形，其中参考信号频率为40MHz，从图中可以看出自适应频率校准时间为1.25us，校准过程中每次频率比较所花费的时间为0.25us，即10个参考信号周期，而传统基于计数器的自适应频率校准频率合成器每次进行频率比较所花费的时间在一百个参考信号周期(2.5us)以上，可见所发明的自适应频率校准频率合成器极大的缩短了频率合成器的自适应频率校准时间，并且仅需要两个频率-电压转换器、一个电压比较器和一个状态机，硬件复杂度低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明新型自适应频率校准频率合成器框图，
图2是自适应频率校准频率合成器锁定至3GHz的仿真波形。
其中有：鉴频鉴相器1、电荷泵2、环路滤波器3、压控振荡器4、分频器5、自适应频率校准电路6、第一频率-电压转换器(61)、第二频率-电压转换器(62)、电压比较器63、状态机64、充电控制输出端Up、放电控制输出端Dn、第一开关S1、第二开关S2、参考电压Vctrl，min、指示参考信号Fref、频率大小的电压信号Vref、分频器输出方波信号Fdiv、输出数字信号Compare_result。
图中Code[4:0]是压控振荡器4的频段控制代码，采用十六进制编码，start是校准起始信号，Vref是第一频率-电压转换器61的输出电压，Vdiv是第二频率-电压转换器62的输出电压，Compare_result是电压比较器63的输出数字信号，Vctrl是压控振荡器4的控制电压，Vctrl，min是频率合成器正常工作时压控振荡器4调谐电压的最小值，Fvco是压控振荡器输出的振荡电压信号。
具体实施方式
在图1中，指示参考信号Fref由外部晶振提供，分别接鉴频鉴相器1和自适应频率校准电路6的一个输入端，鉴频鉴相器1的充电控制输出端Up、放电控制输出端Dn分别接电荷泵2的输入端，电荷泵2的输出端通过环路滤波器3接第一开关S1，第一开关S1的另一端分成两路，其中一路通过第二开关S2接参考电压Vctrl，min(Vctrl，min是频率合成器正常工作时压控振荡器调谐电压的最小值)，另一路接压控振荡器4的一个输入端，开关S1和开关S2由外部IIC控制；自适应频率校准电路6的输出端接压控振荡器4的另一个输入端；压控振荡器4的输出端接分频器5的输入端，并输出振荡电压信号Fvco，分频器(5)的输出端分别接鉴频鉴相器1和自适应频率校准电路6的另一个输入端。自适应频率校准电路6的两个输入端与两个并列的频率-电压转换器分别连接，这两个并列的频率-电压转换器即是第一频率-电压转换器61、第二频率-电压转换器62，第一频率-电压转换器61输出的指示参考信号Fref频率大小的电压信号Vref和第二频率-电压转换器62输出的指示分频器输出方波信号Fdiv频率大小的电压信号Vdiv接电压比较器63的输入端，电压比较器63的输出端输出数字信号Compare_result到状态机64的输入端，状态机64的输出端接压控振荡器4的另一个输入端，控制压控振荡器4的工作频段。
下面以5位数字信号(K＝5)控制的开关电容阵列压控振荡器为例，说明本发明自适应频率校准频率合成器的工作过程。当***上电或者分频器5的分频比改变时，外部IIC控制第一开关S1断开、第二开关S2闭合，压控振荡器4的控制电压被置为Vctrl，min(Vctrl，min是频率合成器正常工作时压控振荡器调谐电压的最小值)，压控振荡器4的频段被置为其整个调谐区间的中间频段，即5位开关电容控制信号从高到低位为01111(对应十六进制码：0f)，压控振荡器4经分频器5分频后的信号Fdiv通过频率-电压转换器62和参考信号Fref通过频率-电压转换器61各自将频率信息转换为电压信号Vdiv和Vref，Vdiv和Vref通过电压比较器63得到比较结果Compare_result，状态机64根据此比较结果决定下一次比较时压控振荡器4的5位频段控制代码，举例说明，如果比较结果Compare_result指示频率Fref大于Fdiv，则压控振荡器应工作在频率更高的频段，此时频段控制代码变为00111(对应十六进制码：07)，如果比较结果Compare_result指示频率Fref小于Fdiv，则压控振荡器应工作在频率更低的频段，此时频段控制代码变为10111(对应十六进制码：17)。此过程持续进行5次，状态机64根据5次比较结果最终确定压控振荡器4的频段控制代码，自适应频率校准过程结束。之后外部IIC控制第一开关S1闭合、第二开关S2断开，频率合成器进入本征锁定过程。

Claims (2)

1.一种自适应频率校准频率合成器，其特征在于外加的参考信号(Fref)分别接鉴频鉴相器(1)和自适应频率校准电路(6)的输入端：鉴频鉴相器(1)的充电控制输出端(Up)、放电控制输出端(Dn)分别接电荷泵(2)的输入端，电荷泵(2)的输出端通过环路滤波器(3)接第一开关(S1)，第一开关(S1)的另一端分成两路，其中一路通过第二开关(S2)接参考电压Vctrl，min，另一路接压控振荡器(4)的一个输入端；自适应频率校准电路(6)的输出端接压控振荡器(4)的另一个输入端；压控振荡器(4)的输出端接分频器(5)的输入端，并输出振荡电压信号(Fvco)，分频器(5)的输出端分别接鉴频鉴相器(1)和自适应频率校准电路(6)的另一个输入端。
2.如权利要求1所述的自适应频率校准频率合成器，其特征在于所述的自适应频率校准电路(6)的两个输入端与两个并列的频率-电压转换器分别连接，这两个并列的频率-电压转换器即是第一频率-电压转换器(61)、第二频率-电压转换器(62)，第一频率-电压转换器(61)输出的指示参考信号(Fref)频率大小的电压信号(Vref)和第二频率-电压转换器(62)输出的指示分频器输出方波信号(Fdiv)频率大小的电压信号(Vdiv)接电压比较器(63)的输入端，电压比较器(63)的输出端输出数字信号(Compare_result)到状态机(64)的输入端，状态机(64)的输出端接压控振荡器(4)的另一个输入端。
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