TWI505647B - 頻率合成器及其頻率合成方法 - Google Patents

Description

頻率合成器及其頻率合成方法

本發明是有關於一種頻率合成器及其頻率合成方法，且特別是有關於一種可消除相位誤差的頻率合成器及其頻率合成方法。

近年來，隨著無線科技的蓬勃發展造就了無線通訊在人門的日常生活中迅速的擴展，例如：行動電話、無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)、藍芽(Bluetooth)、超寬帶技術(Ultra Wide Band,UWB)、醫療(Industrial Scientific and medical,ISM)與全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX)。而為了因應在無線通信系統中本地振盪訊號的要求以及通信通道選擇的需求，因而衍生出頻率合成器的概念。在無線且應用頻率相當高的應用下，對於頻率合成器產生的輸出訊號必須存在高效能的要求，產生乾淨、穩定並可程式化的本地振盪端訊號，以便能夠與無線收發器相互整合。

傳統的頻率合成器為了減少輸出訊號的雜訊，通常為使用三角積分調變器將雜訊頻譜(noise spectrum)的能量移至較高的頻率，並利用回路濾波器將其濾除，因此必須將迴路頻寬設計成較低的頻寬，然此作法將使得後續的壓控振盪器在低頻的雜訊增加，進而使得輸出訊號的相位雜訊表現變差。

本發明提供一種頻率合成器，可達到寬頻帶以及低相位雜訊。

本發明提出一種頻率合成器，包括一三角積分調變器、一第一鎖相迴路以及一第二鎖相迴路。其中三角積分調變器產生一除頻控制訊號。第一鎖相迴路依據一參考頻率訊號產生一第一振盪訊號，且第一鎖相迴路包括第一除頻器，其依據除頻控制訊號對第一振盪訊號進行除頻，以產生第一除頻訊號做為第一鎖相迴路的回授訊號。第二鎖相迴路依據第一除頻訊號產生一第二振盪訊號，且第二鎖相迴路包括一第二除頻器，依據除頻控制訊號對第二振盪訊號進行除頻，以產生一第二除頻訊號做為第二鎖相迴路的回授訊號。

在本發明之一實施例中，上述之第一鎖相迴路更包括一第一相位偵測器、一第一電荷幫浦、一第一迴路濾波器以及一第一壓控振盪器。其中第一相位偵測器依據參考頻率訊號與第一除頻訊號產生一第一相位差訊號。第一電荷幫浦耦接第一相位偵測器，依據第一相位差訊號輸出一第一輸出訊號。第一迴路濾波器耦接第一電荷幫浦，過濾第一輸出訊號的雜訊以輸出一第一電壓控制信號。第一壓控振盪器耦接第一迴路濾波器與第一除頻器，依據第一電壓控制訊號產生第一振盪訊號。

在本發明之一實施例中，上述之第二鎖相迴路更包括一第二相位偵測器、一第二電荷幫浦、一第二迴路濾波器以及一第二壓控振盪器。其中第二相位偵測器依據第一除頻訊號與第二除頻訊號產生一第二相位差訊號。第二電荷幫浦耦接第二相位偵測器，依據第二相位差訊號輸出一第二輸出訊號。第二迴路濾波器耦接第二電荷幫浦，過濾第二輸出訊號的雜訊以輸出一第二電壓控制訊號。第二壓控振盪器耦接第二迴路濾波器與第二除頻器，依據第二電壓控制訊號產生第二振盪訊號。

本發明亦提出一種頻率合成方法，包括下列步驟：提供一第一鎖相迴路，以依據一參考頻率訊號產生一第一振盪訊號，其中第一鎖相迴路具有一第一除頻器，且第一除頻器依據一除頻控制訊號對第一振盪訊號進行除頻，以產生一第一除頻訊號做為第一鎖相迴路的回授訊號。提供一第二鎖相迴路以依據第一除頻訊號產生一第二振盪訊號，其中第二鎖相迴路具有一第二除頻器，且第二除頻器依據除頻控制訊號對第二振盪訊號進行除頻，以產生一第二除頻訊號做為第二鎖相迴路的回授訊號。

在本發明之一實施例中，上述之第一鎖相迴路產生第一振盪訊號的步驟更包括：依據參考頻率訊號與第一除頻訊號產生一第一相位差訊號；依據第一相位差訊號輸出一第一輸出訊號；過濾第一輸出訊號的雜訊以輸出一第一電壓控制訊號；以及依據第一電壓控制訊號產生第一振盪訊號。

在本發明之一實施例中，上述之第二鎖相迴路產生振盪訊號的步驟更包括依據第一除頻訊號與第二除頻訊號產生一第二相位差訊號；依據第二相位差訊號輸出一第二輸出訊號；過濾第二輸出訊號的雜訊以輸出一第二電壓控制訊號；以及依據第二電壓控制訊號產生第二振盪訊號。

在本發明之一實施例中，上述之第一除頻器以及第二除頻器為一整數除頻器。

在本發明之一實施例中，上述之第一除頻器與第二除頻器之除頻倍數為一時變之整數，使得除頻倍數之一平均值為一非整數。

基於上述，本發明利用串接的第一鎖相迴路以及第二鎖相迴路來產生低相位雜訊的振盪訊號，其中第一、第二鎖相迴路的除頻器皆受控於同一個三角積分調變器，且將第一鎖相迴路中第一除頻器所輸出的第一除頻訊號作為第二鎖相迴路的輸入參考頻率訊號，以將輸出振盪訊號的相位誤差消除，進而減少輸出振盪訊號的相位雜訊。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示為本發明一實施例之頻率合成器的示意圖。請參照圖1，頻率合成器100包括一三角積分調變器102、一鎖相迴路104A以及一鎖相迴路104B。其中三角積分調變器102用以輸出一除頻控制訊號Sfc。鎖相迴路104A依據一參考頻率訊號Ref產生一振盪訊號Sosc1，鎖相迴路104A具有除頻器106A，除頻器106A受控於三角積分調變器102所輸出的除頻控制訊號Sfc而對鎖相迴路104A所輸出的振盪訊號Sosc1進行除頻，以產生一除頻訊號Sf1做為鎖相迴路104A的回授訊號。其中除頻器106A為一整數除頻器，且除頻器106A之除頻倍數為一時變之整數，其大小由三角積分調變器102所決定，因此除頻倍數在不同時間點所對應的平均值為非整數。

類似地，鎖相迴路104B亦具有一除頻器106B，除頻器106B亦受控於三角積分調變器102所輸出的除頻控制訊號Sfc而對鎖相迴路104B所輸出的振盪訊號Sosc2進行除頻，進而產生一除頻訊號Sf2做為鎖相迴路104B的回授訊號。另外，除頻器106B亦為一整數除頻器，其除頻倍數為一時變之整數，其大小亦由三角積分調變器102所決定，除頻器106B的除頻倍數在不同時間點所對應的平均值亦為非整數。值得注意的是，鎖相迴路104B的輸入參考頻率訊號即為鎖相迴路104A的回授訊號(亦即除頻訊號Sf1)。另外，上述之除頻器106A與106B可例如以脈波移除電路、雙模除頻器、多模數除頻器或脈波吞噬器等元件來實現。

透過將鎖相迴路104A中的回授訊號(亦即除頻訊號Sf1)做為鎖相迴路104B的輸入參考頻率訊號，可將鎖相迴路104A與鎖相迴路104B中因三角積分調變器102調變除頻器106A與除頻器106B的除頻倍數時所造成的相位誤差消除，進而使得降低鎖相迴路104B輸出的振盪頻率Sosc2的相位雜訊降低，且同時保有寬頻的迴路頻寬。

詳細來說，圖1之頻率合成器100可如圖2所示，圖2繪示為圖1實施例之頻率合成器的較詳細示意圖。請參照圖2，鎖相迴路104A除了除頻器106A外更包括相位偵測器202A、電荷幫浦204A、迴路濾波器206A以及壓控振盪器208A。其中相位偵測器202A耦接除頻器106A與電荷幫浦204A，迴路濾波器206A耦接電荷幫浦204A與壓控振盪器208A，且壓控振盪器208A的輸出端耦接除頻器106A。

相位偵測器202A依據參考頻率訊號Ref與除頻訊號Sf1產生一相位差訊號Ph1。電荷幫浦204A依據相位差訊號Ph1輸出一輸出訊號So1。迴路濾波器206A過濾輸出訊號So1的雜訊以輸出電壓控制信號Svc1。壓控振盪器208A依據電壓控制訊號Svc1產生振盪訊號Sosc1。

另外鎖相迴路104B除了除頻器106B外則更包括相位偵測器202B、電荷幫浦204B、迴路濾波器206B以及壓控振盪器208B。其中相位偵測器202B耦接除頻器106A與電荷幫浦204A，迴路濾波器206A耦接電荷幫浦204A與壓控振盪器208A，且壓控振盪器208A的輸出端耦接除頻器106A。

相位偵測器202A依據除頻訊號Sf1與除頻訊號Sf2產生一相位差訊號Ph2。電荷幫浦204B依據相位差訊號Ph2輸出一輸出訊號So2。迴路濾波器206B過濾輸出訊號So2的雜訊以輸出電壓控制信號Svc2。壓控振盪器208B則依據電壓控制訊號Svc2產生振盪訊號Sosc2。

進一步來說，各個鎖相迴路所輸出之振盪訊號的相位誤差可以下列式子表示：

其中ΔΦ為相位誤差，f_ref 為輸入參考頻率訊號的頻率，NF為平均除頻倍數，ΔN為三角積分調變器102所造成的瞬間除頻倍數的誤差，f_soc 則為鎖相迴路所輸出之振盪訊號的頻率。在本實施例中，鎖相迴路104B的輸入參考頻率訊號為鎖相迴路104A的回授訊號(亦即除頻訊號Sf1)，將式(1)中輸入參考頻率訊號的頻率f_ref 以鎖相迴路104A的回授訊號的頻率代入，可得到如下列式子所示之鎖相迴路104B所輸出之振盪訊號Sosc2的相位誤差：

其中f_soc1 、f_soc2 分別為鎖相迴路104A與104B所輸出之振盪訊號Sosc1與Sosc2的頻率。當頻率合成器100的系統穩定時(亦即振盪訊號的頻率被鎖定時)，振盪訊號Sosc1與Sosc2的頻率相等，也就是說此時f_soc1 =f_soc2 ，將此關係帶入式(2)中，將可發現相位誤差ΔΦ=0。代表鎖相迴路104B所輸出的振盪訊號Sosc2的相位誤差為零，亦即頻率合成器100輸出之振盪訊號Sosc2的相位雜訊被大幅地改善。

歸納上述之頻率合成器100的頻率合成方法可包括下列步驟：首先，提供一第一鎖相迴路，以依據一參考頻率訊號產生一第一振盪訊號，其中第一鎖相迴路具有一第一除頻器，第一除頻器依據一除頻控制訊號對第一振盪訊號進行除頻，以產生第一除頻訊號做為第一鎖相迴路的回授訊號(步驟S202)。

接著，提供一第二鎖相迴路，以依據第一除頻訊號產生一第二振盪訊號，其中第二鎖相迴路具有一第二除頻器，第二除頻器依據除頻控制訊號對第二振盪訊號進行除頻，以產生一第二除頻訊號做為第二鎖相迴路的回授訊號(步驟S204)。其中除頻控制訊號可利用一三角積分調變器來產生，然不以此為限。另外，上述第一除頻器與第二除頻器皆為整數除頻器，且其除頻倍數為一時變整數，因此除頻倍數的平均值為非整數。

綜上所述，本發明利用串接的兩個鎖相迴路來產生低相位雜訊的振盪訊號，其中各個鎖相迴路的除頻器皆受控於同一個三角積分調變器，且將其中一個鎖相迴路的除頻訊號作為另一個鎖相迴路的輸入參考頻率訊號，以將輸出訊號的相位誤差消除。如此一來便可在不犧牲頻寬的情形下，減少輸出振盪訊號的相位雜訊。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。

100．．．頻率合成器

102．．．三角積分調變器

104A、104B．．．鎖相迴路

Sfc．．．除頻控制訊號

Ref．．．參考頻率訊號

Sosc1、Sosc2．．．振盪訊號

106A、106B．．．除頻器

Sf1、Sf2．．．除頻訊號

202A、202B．．．相位偵測器

204A、204B．．．電荷幫浦

206A、206B．．．迴路濾波器

208A、208B．．．壓控振盪器

Ph1、Ph2．．．相位差訊號

So1、So2．．．輸出訊號

Svc1、Svc2．．．電壓控制信號

圖1繪示為本發明一實施例之頻率合成器的示意圖。

圖2繪示為圖1實施例之頻率合成器的較詳細示意圖。

100．．．頻率合成器

102．．．三角積分調變器

104A、104B．．．鎖相迴路

Sfc．．．除頻控制訊號

Ref．．．參考頻率訊號

Sosc1、Sosc2．．．振盪訊號

106A、106B．．．除頻器

Sf1、Sf2．．．除頻訊號

Claims (10)

1. 一種頻率合成器，包括：一三角積分調變器，產生一除頻控制訊號；一第一鎖相迴路，依據一參考頻率訊號產生一第一振盪訊號，該第一鎖相迴路包括：一第一除頻器，依據該除頻控制訊號對該第一振盪訊號進行除頻，以產生該第一除頻訊號做為該第一鎖相迴路的回授訊號；一第二鎖相迴路，依據該第一除頻訊號產生一第二振盪訊號，該第二鎖相迴路包括：一第二除頻器，依據該除頻控制訊號對該第二振盪訊號進行除頻，以產生一第二除頻訊號做為該第二鎖相迴路的回授訊號，其中該第一除頻器與該第二除頻器之除頻倍數為一時變之整數，使得該除頻倍數之一平均值為一非整數，其中各該鎖相迴路所輸出之振盪訊號的相位誤差如下列式子所示： 其中△Φ為相位誤差，f_ref 為各該鎖相迴路的輸入參考頻率訊號的頻率，NF為平均除頻倍數，△N為該三角積分調變器所造成的瞬間除頻倍數的誤差，f_soc 為各該鎖相迴路所輸出之振盪訊號的頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中該第一鎖相迴路更包括：一第一相位偵測器，依據該參考頻率訊號與該第一除頻訊號產生一第一相位差訊號；一第一電荷幫浦，耦接該第一相位偵測器，依據該第一相位差訊號輸出一第一輸出訊號；一第一迴路濾波器，耦接該第一電荷幫浦，過濾該第輸出訊號的雜訊以輸出一第一電壓控制信號；以及一第一壓控振盪器，耦接該第一迴路濾波器與該第一除頻器，依據該第一電壓控制訊號產生該第一振盪訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中該第二鎖相迴路更包括：一第二相位偵測器，依據該第一除頻訊號與該第二除頻訊號產生一第二相位差訊號；一第二電荷幫浦，耦接該第二相位偵測器，依據該第二相位差訊號輸出一第二輸出訊號；一第二迴路濾波器，耦接該第二電荷幫浦，過濾該第二輸出訊號的雜訊以輸出一第二電壓控制訊號；以及一第二壓控振盪器，耦接該第二迴路濾波器與該第二除頻器，依據該第二電壓控制訊號產生該第二振盪訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中該第一除頻器以及第二除頻器為一整數除頻器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之頻率合成器，其中該第二鎖相迴路所輸出之振盪訊號的相位誤差如下列式子所 示： 其中f_soc1 、f_soc2 分別為該第一鎖相迴路與該第二鎖相迴路所輸出之振盪訊號的頻率。
6. 一種頻率合成方法，包括：提供一第一鎖相迴路，以依據一參考頻率訊號產生一第一振盪訊號，其中該第一鎖相迴路具有一第一除頻器，該第一除頻器依據一除頻控制訊號對該第一振盪訊號進行除頻，以產生一第一除頻訊號做為該第一鎖相迴路的回授訊號；以及提供一第二鎖相迴路，以依據該第一除頻訊號產生一第二振盪訊號，其中該第二鎖相迴路具有一第二除頻器，該第二除頻器依據該除頻控制訊號對該第二振盪訊號進行除頻，以產生一第二除頻訊號做為該第二鎖相迴路的回授訊號，其中該第一除頻器與該第二除頻器之除頻倍數為一時變之整數，使得該除頻倍數之一平均值為一非整數，其中各該鎖相迴路所輸出之振盪訊號的相位誤差如下列式子所示： 其中△Φ為相位誤差，f_ref 為各該鎖相迴路的輸入參考頻率訊號的頻率，NF為平均除頻倍數，△N為該三角積分調變器所造成的瞬間除頻倍數的誤差，f_soc 為各該鎖相迴路所輸出之振盪訊號的頻率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之頻率合成方法，其中該第一鎖相迴路產生該第一振盪訊號的步驟更包括：依據該參考頻率訊號與該第一除頻訊號產生一第一相位差訊號；依據該第一相位差訊號輸出一第一輸出訊號；過濾該第一輸出訊號的雜訊以輸出一第一電壓控制訊號；以及依據該第一電壓控制訊號產生該第一振盪訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述之頻率合成方法，其中該第二鎖相迴路產生該振盪訊號的步驟更包括：依據該第一除頻訊號與該第二除頻訊號產生一第二相位差訊號；依據該第二相位差訊號輸出一第二輸出訊號；過濾該第二輸出訊號的雜訊以輸出一第二電壓控制訊號；以及依據該第二電壓控制訊號產生該第二振盪訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述之頻率合成方法，其中該第一除頻器以及第二除頻器為一整數除頻器。
10. 如申請專利範圍第6項所述之頻率合成方法，其中該第二鎖相迴路所輸出之振盪訊號的相位誤差如下列式子所示： 其中f_soc1 、f_soc2 分別為該第一鎖相迴路與該第二鎖相迴路所輸出之振盪訊號的頻率。