CN102195645A - 一种适用于软件无线电***的频率综合器 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频无线收发机技术领域，具体为一种适用于软件无线电***的频率综合器。该频率综合器包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器、Σ-Δ调制器、自动频率校准电路以及正交输出二分频器等模块电路，能够覆盖WCDMA、GSM以及TD-SCDMA等协议的各个频段，适用于软件无线电***。与传统的频率综合器相比，本发明在压控振荡器结构、环路设计以及自动频率校准算法等方面进行改进，以实现更好的相位噪声和频谱杂散性能，并具有更短的锁定时间。

Description

一种适用于软件无线电***的频率综合器

技术领域

本发明属于射频无线收发机技术领域，具体涉及一种适用于软件无线电***的频率综合器。

背景技术

目前，频率综合器广泛应用于无线射频技术领域，已经成为现代无线通信***必不可少的模块之一。随着多模可重构无线收发机***的发展以及软件无线电概念的提出，对频率综合器的相位噪声、锁定时间、频谱杂散和输出频率范围等性能的要求也越来越高。

频率综合器一般可以分成整数分频和分数分频两种结构。整数分频的频率综合器实现起来比较简单，但是它的输出频率的分辨率必须为参考时钟的整数倍。而在软件无线电***中，为了满足GSM、WCDMA等协议的要求，频综输出的频率分辨率至少要达到几百千赫兹，因此需要采用分数分频结构。传统的应用于射频无线收发机的频率综合器***一般包括鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器以及Σ-Δ调制器。此外，为了保证压控振荡器有较宽的频率范围和较小的电压-频率增益（K_VCO），一般除了可变电容和固定电容外还会引入数字控制电容阵列（DCCA）。图1是目前较常用的两种电容阵列结构。图1 (a)所示电容阵列是由开关MOS管和固定电容组成，是目前最普遍的用法。该种实现方式的关键制约因素是开关MOS管的寄生电容和导通电阻。MOS开关导通和关断时的电容比值可表示为：

                       (1)

其中C_fix为固定电容值，C_P为开关MOS管的寄生电容值。从式（1）中可以看出，为了减小寄生电容对调谐范围的影响，希望C_fix>>C_P，即开关MOS管的尺寸应取得小。但是尺寸的减小势必会增加MOS管的导通电阻，因为在实际应用中一般开关MOS管取最小沟道长度。而导通电阻R_on的增大会恶化电容阵列的品质因数Q_DCCA。R_on与Q_DCCA的关系式如下所示：   

                                                  (2)

所以这种结构电容阵列的单位电容C不能取得很小，否则将无法同时满足调谐范围和相位噪声的要求。这意味着压控振荡器的电压-频率增益（K_VCO）无法做到足够小。

为了避免图1 (a)所示电容阵列的上述缺点，出现了另一种电容阵列结构，如图1 (b)所示。它用可变电容代替固定电容和开关MOS管。其电容-电压特性曲线如图2所示。当控制电压（vctrl）为低电平时，由PMOS管构成的可变电容衬底接电源，栅极电压比源漏电压还要高，不能形成反型层，因此电容值随压控振荡器的输出电压（vbias）变化很小，此时电容值较小，记为C_min；当控制电压（vctrl）为高电平时，反型层形成，在压控振荡器的输出摆幅范围内，电容值有一个从高到低的变化过程，等效电容值为一个大信号平均值C_max。这种结构的电容阵列由于不存在开关MOS管，因此单位电容C可以取得很小，压控振荡器的电压-频率增益（K_VCO）可以做到很低。但是该种结构的缺点就是当控制电压（vctrl）为高电平时，电容值随加在其两端的电压改变，因此电路对噪声的抑制能力弱，相位噪声性能较差。

为了选择合适的电容阵列（DCCA）的控制字，加快锁定过程，加入自动频率校准（AFC）电路是一个很好的方法。自动频率校准技术可分为频率比较法、时间比较法以及控制电压比较法三类。比较适合射频无线收发机的是频率比较法（图3）。该种方法以频率为变量，依靠频率比较的结果，通过数字逻辑对电容阵列的控制字进行调整。在自动频率校准电路工作时，SW1闭合，SW2断开，压控振荡器的控制电压连接到固定电平Vref。频率校准完成后，SW1断开，SW2闭合。如图4所示，在环路中***开关SW1前，三阶环路滤波器的逆向阻抗Z_LFR为：

     (3)

频率综合器的振荡频率为4GHz左右时，C1数量级为nF，C2和C3的数量级均为几十pF，R1和R3都是几K欧姆的电阻。据此公式(3)可以化简为：

                                                              (4)

由于压控振荡器控制端的寄生电容C_VP<<C3，所以控制端看到的阻抗Z_ctrl与Z_LFR近似相等，阻值大约为10 欧姆左右。

***开关SW1后，振荡器的电压控制端看到的阻抗Z_ctrl为：

                                              (5)

C_VP-仍然可以忽略，所以振荡器的电压控制端看到的阻抗Z_ctrl增加了开关MOS管的导通电阻。当开关MOS管的导通电阻为100欧姆时，其尺寸已经非常大了。因此我们可以看到，开关SW1的加入将导致Z_ctrl的绝对值增加至少十倍左右，也就是控制电压的纹波增大至少十倍。

此外，传统结构的频率综合器在相位噪声、锁定时间、频谱杂散、输出频率覆盖范围等方面也有待优化，才能满足软件无线电***的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，并且提供一种适用于软件无线电***的宽带、低相位噪声、低频谱杂散、快速锁定的频率综合器。

本发明提供的频率综合器***，包括两个环路，分别为自动频率校准环路和锁相环路。其中自动频率校准环路包括自动频率校准电路和压控振荡器，锁相环路包括鉴频鉴相器、电荷泵电路、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器和Σ-Δ调制器。两个环路共用压控振荡器。后接两级正交二分频器（divider1和divider2），整个频综***的输出能够覆盖WCDMA、GSM以及TD-SCDMA等协议的各个频段，适用于软件无线电***。

其中所述压控振荡器有较宽的调谐范围（为3-5 GHz），它的数字控制电容阵列（DCCA）既包括开关电容又包括MOS电容，其中高位由开关电容组成，低位由MOS电容组成，既能保持较好的噪声抑制能力，又能达到较低的电压-频率增益（K_VCO）。

所述自动频率校准环路中，两个环路的切换开关（SW1）连接在三阶环路滤波器的第三个电容（C3）之前，第二个电阻（R3）之后，与第二个电阻（R3)串联。同时第一开关（SW1）两端分别通过第二开关（SW2）和第三开关（SW3）连接到参考电压（Vref），以减小压控振荡器控制电压的纹波，从而改善***的频谱杂散性能；所述参考电压（Vref）为电源电压的一半，可以通过电阻分压实现。

所述自动频率校准电路包括M分频分频器（/M）和P分频分频器（/P）、计数器（Counter）以及自动频率校准（AFC）逻辑单元。它对经M分频器（/M）后的压控振荡器的输出进行计数（N_count），并与目标值（N_nom）比较，在自动频率校准逻辑单元的控制下产生正确的控制字（M可以为1，即不经过分频直接连接到计数器）。其中目标值（N_nom）不是通过对参考时钟计数得到，而是由整数分频比（Int_word）和分数分频比（Frac_word）直接计算得到。参考时钟经过P分频器（/P）后为自动频率校准逻辑单元提供输入时钟；所述自动频率校准电路的校准精度为

，其中fref为参考时钟的频率；所述自动频率校准逻辑单元基于二分法思想逐位调节数字电容控制阵列（DCCA）的控制字，并用寄存器记录最佳的控制字组合，使得最后选定的控制字一定是最符合要求的，也就是说锁定后压控振荡器的控制电压最接近参考电压（Vref）。对于N位的电容阵列，每一轮校准过程需要N步。第一轮校准完成后，将N_count和N_nom的误差与一预先设定的阈值进行比较，如果超出了该阈值，那么将继续进行第二轮比较，这能够避免由于压控振荡器起振时间过长或频率不稳定等因素导致的自动频率校准错误。

本发明采用以上的技术方案，具有如下的有益效果，即在保证宽调谐范围的基础上，实现了低增益（K_VCO）的压控振荡器的设计，从而改善了宽带压控振荡器的相位噪声性能；并加入了频率校准环路以达到快速锁定的目的；通过设计改进频率校准环路，降低了压控振荡器控制电压（vctrl）的纹波大小，改善了频率综合器的频谱杂散性能。通过以上改进，使得设计的频率综合器能够满足软件无线电***对本振信号的频带范围及性能的要求。

附图说明

图1为两种常用电容阵列结构示意图。其中，（a）为一种电容阵列结构, （b）为另一种电容阵列结构。

图2为PMOS可变电容的电容-电压特性曲线。

图3为传统的基于频率比较法的自动频率校准电路结构示意图。

图4为传统自动频率校准环路压控端逆向电流问题示意图。

图5为本发明提供的频率综合器的总体结构示意图。

图6为本发明自动频率校准电路的算法逻辑图。

图7为本发明压控振荡器的原理图。

图8为本发明(b)与传统结构(a)的压控振荡器的控制电压纹波大小比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所提供的具体实施方式作详细说明。

图5是本发明所述的一种适用于软件无线电***频率综合器整体结构图。***包括自动频率校准环路和锁相环路两个环路。***启动后，首先自动频率校准环路工作，此时第一开关SW1断开，第二开关SW2和第三开关SW3闭合；当自动频率校准过程完成后，第一开关SW1闭合，第二开关SW2和第三开关SW3断开，此时锁相环路开始工作。从图中可以看出，开关放在环路滤波器的电阻R3之后、电容C3之前。由于第一开关SW1的导通电阻R_on<<R3，所以几乎可以忽略其对环路参数的影响。因此，振荡器的电压控制端的阻抗仍可以用式（4）表示，这就避免了第一开关SW1的***导致的频谱杂散性能的恶化。图8为改进前后的控制电压仿真结果比较。从图中可以看出，经过改进后，控制电压的波动幅度明显减小。

自动频率校准环路包括自动频率校准电路和压控振荡器。其中自动频率校准电路又包括M分频分频器（/M）和P分频分频器（/P）、计数器（Counter）以及自动频率校准（AFC）逻辑单元四部分电路。P分频器接参考时钟的输入端，用于产生控制计数时长的时钟信号；M分频器的输入端接压控振荡器的输出端，输出端接计数器的输入端；计数器将得到的计数结果（N_count）输入自动频率校准逻辑单元；自动频率校准逻辑单元通过比较计数结果（N_count）和目标值（N_nom），并通过自动频率校准逻辑得到电容阵列（DCCA）的控制字。其中目标值（N_nom）由整数分频比（Int_word）和分数分频比（Frac_word）经自动频率校准逻辑计算得到。经过计算可知本发明所述自动频率校准电路的校准精度为：

                                                       (6)

在本实例中，P为16，M为2，所以校准精度为1/8参考频率（fref）。

图6为本发明的自动频率校准电路的算法逻辑图。本算法是基于二分法的思想改进而来。首先，除了最高位外，其余位均置零。此时比较N_count和N_nom的大小关系，如果N_count小于N_nom，也就是振荡器的频率太低，那么将高位改为0，反之则保持不变，并将下一位置为1，以此类推。如果压控振荡器的数字电容控制阵列（DCCA）有N位，那么每一轮校准过程需要N步。第一轮校准完成后，将N_count和N_nom的误差（Δ）与一预先设定的阈值（Δ_th）进行比较，如果超出了该阈值，那么将继续进行第二轮比较，直到满足所设定的阈值。此外，还增加寄存器Δ_min用来记录最佳的控制字组合，使得最后选定的控制字一定是最符合要求的，也就是说锁定后压控振荡器的控制电压最接近参考电压（Vref）。

本发明的锁相环路包括鉴频鉴相器、电荷泵电路、三阶无源环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器和三阶Σ-Δ调制器。它与自动频率校准环路共用压控振荡器。后接两级电流模式的正交二分频器（divider1和divider2）。图7是本发明压控振荡器的结构图。从图中可以看出，压控振荡器有两对交叉耦合差分对管，因此比较节省功耗。上下各有一个电感与寄生电容谐振在振荡频率的二次附近，为差分对管的源端提供高阻抗。从图中还可以看出，本发明的数字控制电容阵列（DCCA）既包括开关电容又包括MOS电容。通过在低位加入MOS电容弥补了开关电容无法做到低电压-频率增益（K_VCO）的缺点，又避免了纯MOS电容组成的电容阵列存在的对噪声敏感的缺点。

Claims (3)

1.一种适用于软件无线电***的频率综合器，其特征在于包括自动频率校准环路和锁相环路；其中自动频率校准环路包括自动频率校准电路和压控振荡器，锁相环路包括鉴频鉴相器、电荷泵电路、环路滤波器、压控振荡器、可编程分频器和Σ-Δ调制器；两个环路共用压控振荡器；后接两级正交二分频器，整个频综***的输出能够覆盖WCDMA、GSM以及TD-SCDMA协议的各个频段；

其中所述压控振荡器的调谐范围为3-5 GHz，它的数字控制电容阵列（DCCA）包括开关电容和MOS电容，其中高位由开关电容组成，低位由MOS电容组成；

所述自动频率校准环路中，两个环路的切换第一开关（SW1）连接在三阶环路滤波器的第三个电容（C3）之前、第二个电阻（R3）之后，与第二个电阻（R3)串联；同时第一开关（SW1）两端分别通过第二开关（SW2）和第三开关（SW3）连接到参考电压（Vref）；所述参考电压（Vref）为电源电压的一半，通过电阻分压实现。

2.根据权利要求1所述的适用于软件无线电***的频率综合器，其特征在于所述自动频率校准电路包括M分频分频器（/M）和P分频分频器（/P）、计数器（Counter）以及自动频率校准逻辑单元；它对经M分频器（/M）后的压控振荡器的输出进行计数（N_count），并与目标值（N_nom）比较，在自动频率校准逻辑单元的控制下产生正确的控制字；其中目标值（N_nom）由整数分频比（Int_word）和分数分频比（Frac_word）直接计算得到；参考时钟经过P分频器（/P）后为自动频率校准逻辑单元提供输入时钟；所述自动频率校准电路的校准精度为                                               

，其中fref为参考时钟的频率。

3.根据权利要求2所述的适用于软件无线电***的频率综合器，其特征在于所述自动频率校准逻辑单元逐位调节数字电容控制阵列（DCCA）的控制字，并用寄存器记录最佳的控制字组合，使得最后选定的控制字是最符合要求的；对于N位的电容阵列，每一轮校准过程需要N步；第一轮校准完成后，将计数（N_count）和目标值（N_nom）的误差与一预先设定的阈值进行比较，如果超出了该阈值，那么将继续进行第二轮比较。

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