JPH06244721A - 周波数合成におけるスプリアス低減装置および方法 - Google Patents
周波数合成におけるスプリアス低減装置および方法Info
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Abstract
こす分数除数により誘発される、複数変調器式フラクシ
ョナルN分周器における構造スプリアスを低減するため
の装置および方法を提供する。 【構成】本発明の一実施例によれば、第1の総和器によ
り、分数除数値と周期的に変化する加数とが総計され
る。総計された加数により引き起こされる分数除数値の
オフセットは第2の総和器により、最初に分数除数値か
らオフセットを減ずることにより補償される。分数除数
値のアンダフローまたはオーバフローは複数変調器式分
周器の整数除数入力に直列に接続された第3の総和器に
より、整数除数値を増加または減少することにより調整
される。
Description
に通常用いられるフラクショナルN(分数N)分周器に
関するものであり、とりわけ、複数変調器を利用して、
フラクショナルN周波数合成技法に関連した位相「ジッ
タ」を減少させるフラクショナルN分周器に関するもの
である。
て、選択可能で、精密で、安定した周波数の出力信号を
発生する周波数合成器は、当該技術において周知のとこ
ろである。一般に、PLLには、電圧制御発振器(VC
O)のような同調可能な発振器が含まれており、該発振
器の出力は、位相比較器によって既知の基準信号にロッ
クされている。位相比較器は、既知の基準信号とVCO
出力信号の位相差に比例した出力電圧または電流を発生
する。位相比較器の出力は、VCOの入力に結合して戻
され、所望の周波数に対するVCOの同調、及び、ロッ
クが施される。
るため、VCOの出力と位相比較器の間に分周器回路が
挿入されて、VCO出力周波数が、基準周波数との比較
前に、選択可能な除数で分割されることになる。VCO
出力周波数は、従って、基準となる周波数の正確な倍数
になる。除数Nが整数の場合、VCO出力周波数値にお
ける最小のインクリメントは、必然的に、基準周波数自
体の大きさに等しくなる。従って、隣接する出力周波数
間におけるステップ・サイズが小さい周波数合成器を得
るためには、極めて低い基準周波数が必要になる。しか
し、極めて低い基準周波数を用いると、周波数範囲が制
限されたり、PLLの整定時間が長くなるといった、許
容できない影響が生じることになる。
は、周波数が基準信号の周波数の有理数倍である出力信
号を合成するために用いられることが多い。一般に、分
周器回路は、整数値よってしか分割しないようにして、
実施される。従って、分割サイクルの過程において、除
数整数値を一時的に変化させることによって分数除数の
シミュレーションを行うことが必要になる。非整数分割
比は、例えば、分割サイクルの比例数によるNの代わり
に、N+1で分割して、所望の有理除数に近似した平均
分割比が得られるようにすることによって実現する。例
えば、所望の有理除数をN.1とすると、分割値は、9
分割サイクルについてはN、10番目のサイクルについ
てはN+1になる。従って、10サイクルにわたって平
均化すると、分割係数は、N.1に等しくなり、VCO
出力周波数は、基準周波数のN.1倍になる。こうした
フラクショナルNの技法については、1975年12月
23日に、Charles A.Kingsford
Smithに対して発行された米国特許第3,928,
813号に開示がある。
数合成に広く用いられているが、異なる除数間でスイッ
チすると、望ましくない位相エラー、すなわち、所望の
搬送波周波数に近い位相「ジッタ」が生じることにな
る。隣接する整数分割比間においてスイッチすると、平
均分割比は、正しいが、瞬時分割比は、決して正しくは
ならないので、位相検出器の出力に位相エラーが生じ
る。この位相エラーによって、VCOに位相変調を生
じ、ひとまとめにして位相ジッタとして知られるスプリ
アス信号が発生することになる。
減少させる技法の1つが、1991年8月5日に本発明
の発明者に発行された「Multiple Modul
ator Fractional−N Divide
r」と題する米国特許第5,038,117号に開示さ
れており、その開示については、参考までに本書に組み
込まれている。該技法によれば、ジッタは、周波数合成
器に、プログラマブル分周器及び係数制御回路を用いる
ことによって減少する。プログラマブル分周器は、周波
数合成器の周波数出力信号を整数の係数値で割ることに
より、周波数合成器の位相比較器によって比較されるこ
とになる中間周波数信号を形成する働きをする。
列を施された1つ以上の追加シグマ・デルタ変調器から
構成される。該回路は、整数除数値、及び、所望の有理
除数に対応する分数除数値を受信して、整数係数値をプ
ログラマブル分周器に供給する。総和回路は、全ての変
調器出力の重み付きの和として整数係数値を形成する。
累算器として実現することが可能な第1のシグマ・デル
タ変調器は、分数除数値を累算する。累算器にオーバフ
ローが生じると、第1の変調器のオーバフロー信号が、
単一クロック・サイクルに関する1の値に変化し、相応
じて、整数係数値に増大する。この結果、分割サイクル
の比例数に関するプログラマブル分周器の係数が変動
し、上述のように、平均分割比が所望の有理除数に等し
くなる。
器に対して縦続接続が施されており、フラクショナルN
分割技法に関連したジッタを減少させる働きをする。第
1の変調器に後続する各変調器は、それに先行する変調
器のエラーを探知する働きをする。これら変調器の条件
付きの和は、第1の変調器の出力信号と合計されて、整
数係数値を形成する。整数係数値のこの追加変調は、フ
ラクショナルN合成に関連した位相ジッタまたはフラク
ショナル・スプリアス(fractionalspu
r)を減少させる働きをする。
て、先行変調器のエラー信号(累算器の内容によって表
される)を受信し、クロック・サイクル毎に先行変調器
のエラー信号を累算する。これらの累算は、周期的にオ
ーバフローを生じ、シグマ・デルタ変調器の出力信号と
されるオーバフロー信号を発生する。各オーバフロー信
号は、総和器を介して、微分回路に結合される。変調器
によって発生する各オーバフロー信号毎に、微分回路
は、正のパルスを発生し、さらに、次のクロック・サイ
クルにおいて負のパルスを発生する。微分回路の出力
は、先行シグマ・デルタ変調器に関連した総和器に結合
されている。こうして条件付けされた追加変調器の和に
よって、第1の変調器に生じるエラーを減少させる働き
をするゼロ平均信号が発生する。
成技法は、フラクショナルN合成に関連した位相ジッタ
(フラクショナル・スプリアス)の減少に有効である。
しかし、この技法は、変調器が十分にランダムである場
合に限って有効である。例えば、1/2及び1/4とい
ったいくつかの分数除数値の場合、十分にランダムには
ならない。代わりに、長さの短い確定的なパターンが形
成されて、この結果、合成された信号の周波数スペクト
ルに望ましくないスプリアスを生じることになる。これ
らのスプリアスは、変調器のアイドル・パターンの構造
におけるランダム性の欠如または過剰によって生じるの
で、構造スプリアス(structure spur)
として知られている。
れる、3つの変調器によるフラクショナルN分周器につ
いて考察する。下記の表1には、各積分器における初期
累算値を0と仮定した、3つの変調器の積分器における
累算値が示されている。4クロック・サイクル毎に繰り
返すパターンが形成される点に留意されたい。結果とし
て、これらの条件下にある周波数合成器に変調器を利用
すると、構造スプリアスは、周波数合成器の基準周波数
の1/4及び1/2の周波数において生じることにな
る。
することが可能である。第1に、単純に、過剰な構造ス
プリアスを有する周波数による周波数合成を避けること
ができる。しかし、一定の周波数による合成の回避は、
システムのフレキシビリティを犠牲にしてしか実施する
ことはできない。第2の案は、変調器の動作をランダム
化するのに役立つ開始値を積分器に供給することである
が、任意の位相制御を犠牲にすることになる。第3の可
能性は、周波数合成器の位相ロックループの帯域幅を狭
くして、好ましくない全ての構造スプリアスにフィルタ
リングを施すことである。ただし、この最後のオプショ
ンは、スイッチング速度及び位相ノイズを犠牲にするこ
とによって実施される。
スプリアスを減少させるための単純な方法を提供するこ
とにある。
調器式フラクショナルN分周器に入力する前に、2つ以
上の数(加数)が、交互に、分数除数値に加えられる。
例えば、本発明の特定の実施例の場合、分数除数値に対
して、数字0及び2が交互に加えられる。この結果、縦
続変調器の制限サイクルが最大長になり、従って、構造
スプリアスを発生するいくつかの分数除数に関連した、
短期間の周期性が破壊されることになる。交番する加数
の平均が、0ではない場合、分数除数はオフセットを生
じる。加数が0及び2である上述の実施例の場合、分数
除数値は、1だけオフセットする。こうしたオフセット
が生じる場合、複数変調器式フラクショナルN分周器に
入力する前に、分数除数値からオフセットを減算するこ
とも必要になる。
の、分数除数値のアンダフロー及びオーバフローにも、
適応しなければならない。オーバフローには、整数除数
値を1だけインクリメントすることによって適応するこ
とが可能である。アンダフローには、整数除数値から1
だけデクリメントすることによって適応することが可能
である。構造スプリアス減少技法の実施は、単純であ
る。複数変調器式フラクショナルN分周器の分数除数値
入力と直列に接続された総和回路を利用して、交互加数
の加算を実施することが可能である。加数の交番選択
は、総和器に接続されたスイッチによって実施すること
が可能である。分数除数値入力に直列に接続された第2
の総和回路は、オフセットの減算を実施することができ
る。オフセットに適応するための整数除数値のインクリ
メント及びデクリメントは、整数除数入力に直列に接続
された第3の総和回路によって、実施することができ
る。
38,117号に開示の複数変調器式フラクショナルN
分周器13(今後は、複数変調器式分周器と称する)
が、示されている。複数変調器式フラクショナルN分周
器13は、主として、周波数合成器に用いることを意図
したものである。ただし、複数変調器式フラクショナル
N分周器の利用は、周波数合成に制限されるものではな
い。位相ロック式構成を備えた周波数合成器の場合、複
数変調器式フラクショナルN分周器は、一般に、同調可
能な発振器と位相比較器の間に接続される。この結果、
周波数合成器は、基準周波数と有理数の積である周波数
を有する周波数出力信号の合成が可能になる。
は、同調発振器の周波数出力信号の周波数を所望の有理
除数値で分割する働きをする。所望の有理除数値は、整
数部分(N)と、分数部分(F)を備えている。複数変
調器式フラクショナルN分周器13は、周波数出力信号
(FOUT)を整数係数で分割することによって、中間周
波数(FI)を発生する、プログラマブル分周器14か
ら構成される。プログラマブル分周器14は、整数によ
って周波数信号を分割する働きしかしないが、プログラ
マブル分周器の係数を変動させることが可能である。整
数係数値は、複数変調器式フラクショナルN分周器にお
ける回路構成の残りの部分によって発生し、ライン18
でプログラマブル分周器に供給することができる。この
回路構成は、プログラマブル分周器の係数制御回路とみ
なすことができる。
ルN分周器13に対する他の2つの入力に基づいて発生
する。整数除数値は、複数変調器式フラクショナルN分
周器に対する整数除数入力19において受信される。整
数除数値は、所望の有理除数値の整数部分に対応してい
る。分数除数入力21は、後述の2つの信号と合計され
る分数部分(.F)に対応する分数除数値を受信する。
総和器24は、整数除数値及びライン26の係数制御信
号の和として、整数係数値を発生し、この整数係数値を
ライン18でプログラマブル分周器14に出力する。ラ
イン26の係数制御信号は、総和器30によって、ライ
ン32の第1の変調器の出力信号と、ライン34の後続
変調器の出力の条件付きの和を合計したものとして、形
成される。
数値によって、積分器として図1に示す、累算器として
実現可能な第1のシグマ・デルタ変調器が駆動される。
該累算器は、ライン40のクロック信号によって刻時さ
れる。一般に、プログラマブル分周器によって生じる中
間周波数信号は、クロック信号として利用される。第1
の積分器38は、クロック信号の各サイクル毎に、累算
値に分数除数値を加算することによって、分数除数値の
累算を行う。第1の積分器の累算値は、周期的に、オー
バフロー値を超える。その結果、第1の積分器38は、
第1のシグマ・デルタ変調器の出力信号をライン32に
送り出す。例示の複数変調器式フラクショナルN分周器
における積分器38のオーバフローしきい値は、固定値
である。積分器38は、入力しきい値を受信できるよう
に実施することによって、ユーザによるオーバフローし
きい値の設定が可能になる。しかし、こうした実施態様
は、さらに複雑さを増すことになる。
イン32におけるシグマ・デルタ変調器の出力信号は、
値が0である。一方、オーバフローが生じると、第1の
シグマ・デルタ変調器の出力信号(ライン32)は、値
が1になる。上述のように、総和器24、30によって
形成される整数係数値は、整数除数値、第1の変調器の
出力信号、及び、後続の全てのDSの出力の条件付き和
の総和である。従って、後続の変調器からの出力を無視
すると、整数係数値は、第1の積分器38にオーバフロ
ーが生じないクロック・サイクルにおける整数除数値に
等しく、オーバフローが生じる場合には、整数除数値+
1に等しくなる。第1の変調器の出力信号が発生するク
ロック・サイクルと全クロック・サイクルとの比は、分
数除数値対オーバフロー値の比に等しい。これは、所望
の有理除数値の分数部分(.F)に対応する。従って、
整数係数値の平均値は、所望の有理除数値にちょうど等
しくなる。
は、また、第1の積分器に縦続接続された一連のセル4
4からも構成される。各セル44は、動作が同じであ
り、シグマ・デルタ変調器50(累算器として実施さ
れ、積分器として例示されている)、総和器52、及
び、微分器54から構成される。例示の複数変調器式フ
ラクショナルN分周器の場合、3つのセルが示されてい
る。しかし、所望の数のセルを設けることが可能であ
る。積分器70と微分器74によって構成された最後の
セルの場合、総和器は、省略されている。積分器50、
60、70のそれぞれが、刻時式累算器として実現さ
れ、先行積分器の出力に接続されている。各積分器5
0、60、70のオーバフロー出力は、それぞれのセル
の微分器54、64、74の入力に結合されている。各
微分器の出力は、総和器52、62によって先行セルの
シグマ・デルタ変調器の出力に加えられる。
イン40のクロック信号によって刻時される。クロック
信号の各サイクル毎に、積分器は、先行積分器である積
分器38からの累算値を累算する。積分器50は、累算
値がオーバフロー値を超えると、オーバフローを生じ
る。積分器50のオーバフロー値は、積分器38に関す
るオーバフロー値と同じであることが望ましい。オーバ
フローが生じると、積分器50は、ライン58にオーバ
フロー信号である正のパルスを発生する。正のパルス
は、オーバフローが生じるクロック・サイクルの場合に
は、信号の値を1に変化させ、オーバフローが生じなけ
れば、0の値のままにしておくことによって生じさせる
ことができる。
和器52を介して微分器54に結合される。総和器52
は、後続セルの出力を積分器50のオーバフロー信号に
加算する。微分器54は、この和を微分する。従って、
例えば、積分器50のオーバフローによって、オーバフ
ロー信号に0から1への遷移を生じる場合のように、総
和器52からの総和信号が正の遷移を生じると、微分器
54は、その出力信号として正のパルスを発生する。総
和信号の値が、後続のクロック・サイクルにおいて再び
0に戻ると、微分器波、その出力信号として負のパルス
を発生する。従って、微分器54の出力は、ゼロ平均信
号になる。この信号と整数除数値及び第1のシグマ・デ
ルタ変調器の出力信号を合計して、整数係数値が得られ
る。追加シグマ・デルタ変調器34の重み付きの和によ
って、整数係数値のゼロ平均変調が施されるので、整数
係数値の平均値を変更しなくても、フラクショナルN分
割に関連したジッタすなわちスプリアスが減少する。
数変調器式フラクショナルN分周器は、十分なランダム
性が得られない分数除数値で利用される場合には、周波
数合成器に構造スプリアスを生じることになる。図2に
言及すると、本発明の望ましい実施例によれば、複数変
調器式フラクショナルN分周器13の構造スプリアス
は、分数除数入力21における分数除数値に0及び2の
値を交互に加算することによって排除される。
の値の交互加算は、スイッチ80、2で割る分周器8
2、及び、総和器84によって実施される。スイッチ8
0は、2つの値0及び2の一方を選択する。分周器82
は、複数変調器式フラクショナルN分周器13のクロッ
ク・ライン40とスイッチ80の間に接続されている。
分周器82によって、クロック信号の周波数が1/2に
分割されると、スイッチング信号が生じる。スイッチン
グ信号によって、スイッチ80は、クロック信号の1/
2の周波数で、値0及び2の一方を選択し、次にもう一
方を交互に選択することになる。スイッチ80によって
選択された値は、総和器84の入力によって受信され
る。総和器84は、分数除数入力21と直列に接続され
ており、その第2の入力において、分数除数値を受信す
る。総和器84は、選択値及び分数除数値を加算し、そ
の結果を分数除数入力21に対して出力する。
とによって、分数除数入力21に1のオフセットが生じ
ることになる。このオフセットは、あらかじめ、分数除
数入力に対する総和器84と直列に接続された総和器9
0によって補償される。総和器90は、分数除数値から
1のオフセットを減算するので、分数除数入力21にお
ける平均値は分数除数値に等しくなる。分数除数値によ
っては、総和器84によって実施される加算の結果とし
て、分数除数値と値0及び2の一方との和が、積分器3
8のオーバフロー値を超える、オーバフロー状態を生じ
る場合もあり得る。分数除数値のオーバフローについて
は、オーバフロー状態が生じる場合には、ライン94
に、値が1のオーバフロー信号を発生し、オーバフロー
が生じなければ、値が0のオーバフロー信号を発生する
ことによって適応することが可能である。整数除数入力
19に直列に接続された総和器96は、総和器84によ
って生じたオーバフロー信号を整数除数値に加算する。
て実施される減算の結果として、分数除数値からオーバ
フロー値を減算した値が、0未満になる、アンダフロー
状態を生じる場合もあり得る。アンダフローに適応する
ため、総和器90は、アンダフロー状態が生じる場合に
は、ライン100に、値が1のアンダフロー信号を発生
し、アンダフローが生じなければ、値が0のアンダフロ
ー信号を発生する。このアンダフロー信号が、総和器9
6によって整数除数値から減算される。
によって、異なる組をなす値を選択し、総和器84にお
いて分数除数値に加算することが可能である。例えば、
値−1及び+1を用いることが可能である。こうした場
合、分数除数値のオフセットは生じない。しかし、総和
器84において分数除数値に−1を加算すると、アンダ
フローが生じる可能性があるので、適切なアンダフロー
の補償をしなければならない。図2Aの回路の抜粋例に
は、適合するシステムが示されている。この構成の場
合、分数除数値は、直接総和器84aに入力される(図
2のブロック90によって行われたように、オフセット
を減算することによって、補償の必要がない)。総和器
84aは、図2におけるようなオーバフロー出力94を
備えているが、さらに、アンダフロー出力100aも備
えている。後者は、例えば、0の分数除数値とスイッチ
80からの−1の値を合計すると、出力信号を送り出
す。ライン94及び100aのオーバフロー及びアンダ
フローは、図2におけるように、総和器96によって整
数除数値と組み合わせられる。
む、さらに別の組をなす交互値を用いることも可能であ
るのは、明らかである。擬似シーケンスの利用もうまく
いった。こうした別の組をなす値によって生じるオフセ
ットは、総和器90によって減算し、オーバフロー及び
アンダフローは、総和器96において適合しなければな
らない。
変調器式フラクショナルN分周器13に接続された外部
ハードウェアを利用して、実現することが可能である。
スプリアス減少ハードウェアは、単一集積回路における
複数変調器式フラクショナルN分周器13と一体にする
ことも可能である。しかし、望ましい実施例の場合、ハ
ードウェアではなく、ソフトウェアの形をとる、図2の
回路ブロックによって示されるスプリアス減少機能性の
少なくとも一部を実現することになる。すなわち、総和
器90、及び、ライン100のアンダフロー信号と整数
除数値Nを組み合わせる総和器96の一部は、図2に表
された総和機能を実行するソフトウェア・ルーチンによ
って実現するのが望ましい。従って、請求項の解釈にお
いて理解しておくべきは、ハードウェア・コンポーネン
トとして解説の構成要素は、字義通り、ソフトウェアの
相手側を含んでいるものと解釈すべきである。
い場合の、図1に示すような複数変調器式フラクショナ
ルN分周器を利用した周波数合成器によって生じる合成
ノイズのグラフ(ライン108)である。分数1/64
に対応する分数除数値が、利用された。ライン110
は、理想の分周器を用いた周波数合成器の期待合成ノイ
ズである。合成ノイズ108は、振幅の大きい、多数の
構造スプリアス112を有している。
減少回路要素を備える複数変調器式フラクショナルN分
周器を利用した、周波数合成器によって生じる合成ノイ
ズ114のグラフを示す図4との比較を行うことにす
る。同じ分数除数値が用いられた。構造スプリアス11
2は、大部分が、除去された。本発明のスプリアス減少
技術を用いると、複数変調器式フラクショナルN分周器
の合成ノイズ114は、理想の分周器の合成ノイズによ
りいっそう近似することになる。
とにより、単純な方法で構造スプリアスを減少させるこ
とができる。
N分周器のブロック図である。
スを減少させる、複数変調器式フラクショナルN分周器
のブロック図である。
を示す図である。
ョナルN分周器に関連した構造スプリアスを表示する合
成ノイズを示す図である。
式フラクショナルN分周器に関連した合成ノイズを示す
図である。
Claims (1)
- 【請求項1】分数除数値を受信するための分数除数入力
と、 整数除数値を受信するための整数除数入力と、 前記分数除数入力に接続されて、前記分数除数値を累算
し、オーバフロー値を超えると、積分器オーバフロー信
号を発生する積分器と、 前記積分器に縦続結合され、変調器信号を発生する変調
器と、 少なくとも前記整数除数値、前記積分器オーバフロー信
号、及び前記変調器信号の和に等しい係数値によって第
1の周波数信号を分割して第2の周波数信号を形成する
プログラマブル分周器と、 を備えた複数変調器式フラクショナルN分周器であっ
て、 前記分数除数入力に直列に接続され、該分数除数入力に
おいて前記分数除数値に変化値を加算する第1の総和手
段が備えられていることを特徴とするスプリアス低減装
置。
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