倍頻器與相關方法
2023-12-04 11:41:01 2
倍頻器與相關方法
【專利摘要】一種倍頻器與相關方法，倍頻器包括一波形產生器與一截波器。波形產生器響應一輸入信號據以產生一波形，截波器則在波形跨越多個參考位準的其中任一個時於一輸出信號中引入轉態，以使輸出信號頻率為輸入信號頻率的倍數。
【專利說明】倍頻器與相關方法
【技術領域】
[0001]本發明是關於一種倍頻器與相關方法，且特別是關於一種可將一輸入頻率倍頻為奇數倍、任意倍及/或可編程倍率的倍頻器與相關方法。
【背景技術】
[0002]頻率操控,包括頻率/頻率的產生與合成(synthesize)等等,是現代電子裝置的關鍵重點。舉例而言，順序邏輯(sequential logic)電路，如處理器與控制器等，便需以頻率來觸發其正常運作；通訊、網絡、廣播及/或定位系統的發射器及/或接收器亦需要具有特定頻率的信號以進行信號處理、調變及/或解調變等等。
[0003]倍頻(乘頻)技術對頻率操控而言是十分有用的；倍頻的目的是使一輸出信號的頻率成為一輸入頻率的倍數；亦即，使輸出信號的頻率等於輸入頻率乘以一個倍率。若輸入頻率可呈現於一同相相位(in-phase )信號與一正交相位(quadrature phase )信號,則一種習知的倍頻技術可運用數字運算提供2或4/3的倍率；然而，此種習知技術無法提供任意數值的倍率，缺乏運用上的彈性。另一種習知技術可提供偶數倍率，但無法提供奇數倍率。
[0004]另一種習知技術是利用模擬混波(analog mixing)以實現倍頻,但會產生許多不必要的諧波(harmonics)。低頻諧波或互調(inter-modulation)是相當難以濾除的，且會在電路中形成突波幹擾(spur)。高頻諧波雖能用電感-電容槽(inductor-capacitortank)或電阻-電容槽濾除，但會增加布局面積與成本。再者，電感-電容槽的輸出頻率為電感-電容共振頻率，十分容易受到電感、電容值影響，且難以編程。
【發明內容】
[0005]為克服習知技術的缺點，本發明提出一種倍頻器與相關方法，可提供任意值的倍率，包括奇數值。並且，倍頻的倍率是可編程的，以優化運用的彈性。
[0006]本發明的目的之一是提供一倍頻器，響應一輸入頻率的輸入信號而提供一輸出信號，其包括一波形產生器與一截波器；波形產生器用以響應輸入信號以產生一波形，截波器則耦接波形產生器，每當該波形跨越多個參考位準中的每一參考位準時，截波器會於輸出信號中引入轉態(transit ion)。
[0007]—實施例中，波形產生器在輸入信號為一第一邏輯位準時於該波形中形成一上升斜坡，並在輸入信號為一第二邏輯位準時於該波形中形成一下降斜坡。
[0008]一實施例中，倍頻器還包括多個比較器。各比較器耦接于波形產生器與截波器之間，用以對該波形與該些參考位準的其中之一進行比較，並據以提供一比較結果；截波器則依據這多個比較器的多個比較結果而於輸出信號中引入轉態。一實施例中，該些參考位準中的數個或全部為可編程的，截波器則可依據該些比較結果中的一可編程子集而於輸出信號中引入轉態。一實施例中，輸入信號的周期為輸出信號的周期乘以一倍率，且該些參考位準與該子集依據該倍率而被編程。一實施例中，倍頻器還包括多個選擇電路與一電壓供應器，各選擇電路耦接於該些比較器的其中之一，用以由多個候選參考位準中選出其中之一以作為該些參考位準的其中之一。電壓供應器則用以為各選擇電路提供該些候選參考位準。
[0009]一實施例中，倍頻器還包括一轉換器，用以周期性地分別將該波形的一取樣值轉換為一數字碼；當相鄰數字碼跨越該些參考位準的其中之一時，截波器於輸出信號中引入轉態。
[0010]一實施例中，各參考位準為該波形的峰間振幅(peak-to-peak magnitude)的一分數(fraction);舉例而言，該些參考位準可均分(等分)該波形的峰間振幅。
[0011]本發明的目的之一是提供一種用於倍頻的方法，可因應一輸入信號而提供一輸出信號，包含:響應輸入信號而產生一波形；以及，每當該波形與多個參考位準的其中之一相交時，將輸出信號反相。一實施例中，波形的產生包括:當輸入信號為一第一邏輯位準時，於該波形中形成一上升斜坡，以及，當輸入信號為一第二邏輯位準時，於該波形中形成一下降斜坡。
[0012]一實施例中，本發明方法還包括:以多個比較器的其中之一對該波形與該些參考位準的其中之一進行比較，並響應該些比較器的該些比較結果以將輸出信號反相。
[0013]一實施例中，本發明方法還包括:決定一倍率，依據該倍率決定該些參考位準的數目，並且，依據該倍率設定該些參考位準的數值，以使輸入信號的周期等於該倍率乘以該輸出信號的周期。
[0014]一實施例中，各該參考位準依據該波形的峰間振幅除以該倍率之商的倍數而設定。一實施例中，本發明方法還包括:測量該波形的峰間振幅。
[0015]一實施例中，本發明方法還包括:以一轉換器周期性地將該波形的一取樣值轉換為一數字碼，以在相鄰數字碼相交於該些參考位準的其中之一時將輸出信號反相。
[0016]為了對本發明的上述及其它方面有更佳的了解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下:
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1示意的是依據本發明一實施例的倍頻器。
[0018]圖2示意的是依據本發明一實施例的倍頻器。
[0019]圖3示意的是第2圖倍頻器的運作實施例。
[0020]圖4示意的是依據本發明一實施例的倍頻器。
[0021]圖5示意的是依據本發明一實施例的倍頻流程。
[0022]圖6示意的是依據本發明一實施例的倍頻器應用。
[0023]圖7示意的是依據本發明一實施例而將一倍頻器運用於一鎖相迴路。
【具體實施方式】
[0024]請參考圖1，其所示意的是依據本發明一實施例的倍頻器10。倍頻器10接收一信號Fref作為一輸入信號，提供一信號Fout作為一輸出信號，並使信號Fout的頻率(或頻率速率，clock rate)是信號Fref的頻率的倍數。在圖1的例子中，倍頻器10提供的倍率等於3，亦即，信號Fout的頻率會是信號Fref的頻率的3倍，或等效地，信號Fref的周期Tref會等於信號Fout的周期Tout乘以3。[0025]倍頻器10包括一波型產生器12、兩比較器M[l]與M[2]，以及一截波器14。波形產生器12用以接收信號Fref以產生一波形Sw。舉例而言，信號Fref可以是一個50%工作周期(duty cycle)的頻率，周期性地在兩邏輯位準H與L之間交替，波形產生器12則可包括一電荷泵(charge pump)CP與一電容Cv,於節點n0 f禹接電荷泵CP。電荷泵CP依據信號Fref而對電容Cv充電及放電，以在節點n0建立波形Sw。舉例而言，當信號Fref為位準H時，電荷泵CP可對電容Cv充電，使波形產生器12于波形Sw中形成一上升斜坡；另一方面，當信號Fref為位準L時，電荷泵CP則使電容Cv放電，故波形產生器12會于波形Sw中形成下降斜坡。如此，波形Sw便呈現一鋸齒波形，其周期等於信號Fref的周期Tref。
[0026]比較器M[l]與M[2]均耦接于波形產生器12與截波器14之間。比較器M[l]對波形Sw與一參考位準Vr [I]進行比較，據以提供一比較結果C[l]。類似地，比較器M[2]比較波形Sw與另一參考位準Vr [2]，並對應地提供一比較結果C [2]。一實施例中，參考位準Vr[l]與Vr[2]皆為波形Sw的峰間振幅A的分數。舉例而言，參考位準Vr [I]與Vr[2]可以分別為(1/3) *A與(2/3) *A，兩者均分峰間振幅A。
[0027]依據比較結果C[l]與C[2]，每當波形Sw跨越參考位準Vr[l]與Vr[2]中的任一個時點，截波器14便會在輸出信號Fout中引入轉態。舉例而言，在時點t0，波形Sw與參考位準Vr[l]相交，比較器M[l]的比較結果C[l]就會在時點t0後反相；據此，截波器14便會使信號Fout由邏輯位準H轉態為邏輯位準L。類似地，在時點tl，原本低於參考位準Vr [2]的波形Sw上升而超過參考位準Vr[2]，故比較器M[2]的比較結果C[2]會在時點tl後反相，而截波器14便會據此而使信號Fout由邏輯位準L轉態至邏輯位準H。
[0028]如圖1所示，因為參考位準Vr [I]與Vr [2]是被設定來等分線性上升斜坡與線性下降斜坡的峰間振幅A，故截波器14在信號Fout中引入的轉態會將周期Tref均分為6等分，等效上就是3個周期Tout ;如此，便可達成倍率為3的倍頻。
[0029]由圖1的例子可知，本發明倍頻器可推廣以提供任意倍率。如要提供一個數值N的倍率，倍頻器可包括(N-1)個比較器M[l]至M[N-1]，各比較器M[n]比較波形Sw與參考位準Vr [η]，而參考位準Vr [η]則是依據η*(Α/Ν)所設定，其中η = I至(N-1)。如此，每當波形Sw與任一參考位準Vr [η]相交,截波器便可使信號Fout的位準轉態,使信號Fout的周期 Tout 等於(l/N)*Tref。
[0030]請參考圖2與圖3，圖2示意的是依據本發明一實施例的倍頻器20，圖3示意的則是倍頻器20的運作實施例。倍頻器20可在信號Fref與Fout間提供一可編程的倍頻倍率，其包括一波形產生器22、比較器M[I]至M[Nx]、一截波器24、選擇電路SL[I]至SL[Nx]，與一電壓供應器26。類似於圖1波形產生器12，波形產生器22響應信號Fref而提供一鋸齒波形Sw,使波形Sw的周期等於信號Fref的周期Tref。
[0031]比較器M[l]至M[Nx]中的各比較器M[n]耦接于波形產生器22與截波器24之間，用以比較波形Sw與一關聯的參考位準Vr [η]，並提供一比較結果C [η]。選擇電路SL[1]至SL[Nx]中的各個選擇電路SL[η]耦接於比較器Μ[η]，用以由多個候選參考位準Vc [η，I]至Vc [n, J [η]]中選出一個作為參考位準Vr[n]。如此，參考位準Vr[n]便是可編程的，因為其可被編程(選擇)為候選參考位準V[n，I]至V[n，J[n]]中的任何一個。如圖2所示，各選擇電路SL [η]可包括開關S [η，I]至S [n，J[n]]，各開關S [n，j]可選擇性地將一候選參考位準Vc [n, j]導通為參考位準Vr [η]。電壓供應器26耦接於選擇電路SL [I]至SL [Nx]，用以替各選擇電路SL[n]提供候選參考位準Vc[n，I]至Vc[n，J[n]]。
[0032]當要提供一倍率參數N時，(N-1)個選擇電路SL[n[l]]至SL[n[N_l]]分別提供參考位準Vr [η[I]]至Vr[n[N-l]]到關聯的比較器M[n[I]]至M[n[N_l]];針對波形Sw在極小位準Amin與極大位準Amax間的峰間振幅A(圖3),這些參考位準Vr [η [I]]至Vr [η[Ν_1]]會均分此峰間振幅A ;亦即，參考位準Vr [η [I]]至Vr[n[N_l]]中的任一參考位準Vr [n [i]]可以等於(Amin+i*(A/N))。響應比較器M[n[l]]至M[n[N_l]]的比較結果C[n[l]]至C [η [N-1]],每當波形Sw相交於參考位準Vr [η [I]]至Vr[n[N_l]]的其中任一時,截波器24便會使信號Fout轉態，使信號Fref的周期Tref被均分為信號Fout中的N個周期Tout。亦即，信號Fout的周期Tout可被表示為Tout = Tref/No等效而言，信號Fout即等於信號Fref與比較結果C[n[l]]至C[n[N_l]]的互斥或運算結果，如圖3所示。
[0033]舉例而言，假設倍頻器20包括有7個比較器M[l]至M[7]，以及關聯的7個選擇電路SL[I]至SL[7]。當倍頻器20被編程來提供倍率參數為3時，選擇電路SL[I]至SL[7]中的2個選擇電路SL[nl]與SL[n2]會向比較器M[l]至M[7]中的兩關聯比較器M[nl]與M[n2]分別提供參考位準Vr[nl] = (Amin+A/3)與Vr[n2] = (Amin+2*A/3);響應比較結果C [ηI]與C [η2]，截波器24會在波形Sw跨越參考位準Vr [ηI]與Vr[n2]的任一時使信號Fout轉態,或等效地,依據Fref ? C[nl] ? C[n2]產生信號Fout。在產生信號Fout時，除了比較結果C[nl]與C[n2]之外，由於其它比較結果不需被參照，故這些比較結果可被截波器24忽略；以及/或者，除了比較器M[nl]與M[n2]的其它比較器可被失能(disable)或斷電(powered down)狀態。
[0034]若設有7個比較器與7個選擇電路的倍頻器20，當被編程來提供倍率參數為5使用，選擇電路SL[I]至SL[7]中的4個選擇電路SL[kl]、SL[k2]、SL[k3]與SL[k4]會受控(被編程)以分別提供參考位準Vr[kl] = (Amin+A/5)、Vr[k2] = (Amin+2*(A/5))、Vr[k3] = (Amin+3*(A/5))與 Vr[k4] = (Amin+4*(A/5))給比較器 M[l]至 M[7]中的4個關聯比較器M[kl]、M[k2]、M[k3]與M[k4]。依據比較器M[kl]、M[k2]、M[k3]與M[k4]的比較結果C[kl]、C[k2]、C[k3]與C[k4]，截波器24會在波形Sw跨越參考位準Vr[kl]、Vr[k2]、Vr[k3]與Vr[k4]時使信號Fout轉態。等效地，截波器24即是依據(Fref ? C[kl] ? C[k2] ? C[k3] ? C[k4])產生信號 Fout。
[0035]換言之，當以倍頻器20提供一可編程的倍率時，截波器24依據比較結果中的一個可編程子集產生信號Fout，例如倍率參數為3時的比較結果C[nl]與C[n2]，或是當倍率參數為5時所參照的比較結果C[kl]、C[k2]、C[k3]與C[k4];可編程子集中的比較結果是依據適當選擇的參考位準比對所得，而這些參考位準則是被編程來以倍率等分峰間振幅A，例如倍率參數為3時的參考位準(V[nl]，V[n2]) = (Amin+A/3，Amin+2*A/3)，或是當倍率參數等於 5 時的參考位準(V[kl],V[k2],V[k3],V[k4]) = (Amin+A/5, Amin+2*A/5, Amin+3*A/5，Amin+4*A/5)。利用7個比較器與適當選擇的參考位準，倍頻器20可被編程來提供倍率數值2至8的倍率。電壓供應器26可用電阻分壓器實現。
[0036]請參考圖4，其所示意的是依據本發明一實施例的倍頻器30。倍頻器30依據信號Fref提供一信號Fout，使信號Fout的頻率(頻率速率)為信號Fref的倍數。倍頻器30包括一波形產生器32、一轉換器33與一截波器34。類似于波形產生器12與22，波形產生器32依據信號Fref提供一鋸齒波形Sw，使波形Sw的周期等於信號Fref的周期；在信號Fref的各個周期Tref中，波形Sw在半周期內由一極小值線性上升至一極大值，並在另一半周期內由該極大值線性下降回該極小值。
[0037]轉換器33，例如一模擬至數字轉換器，耦接于波形產生器32與截波器34之間，並在一頻率CK的觸發下周期性地在頻率CK的每一周期中將波形Sw的一取樣值轉換為一數字碼D，使截波器34可在相鄰數字碼跨越數個參考位準的其中之一時在信號Fout中引入轉態，其中，該數個參考位準依據一倍率而均分波形Sw的峰間振幅。如此，信號Fout的頻率就會等於該倍率乘以信號Fref的頻率。對參考位準進行編程，倍頻器30就可以提供可編程的倍頻倍率。一實施例中，頻率CK的頻率速率大於信號Fref的頻率。一實施例中，頻率CK的頻率速率亦大於信號Fout的頻率。
[0038]請參考圖5，其所示意的是依據本發明一實施例的流程100，其可用以依據一信號Fref提供一信號Fout，使信號Fout的頻率等於一個倍率乘以信號Fref的頻率。流程100的主要步驟可描述如下。
[0039]步驟102:依據信號Fref產生一波形Sw，例如圖1與圖3所示的鋸齒波形Sw。一實施例中，步驟102是在信號Fref為一第一邏輯位準時于波形Sw中形成一上升斜坡，並在信號Fref為一第二邏輯值時于波形Sw中形成一下降斜坡。
[0040]步驟104:取得波形Sw的峰間振幅A ;舉例而言，峰間振幅A可以是設計者預先定義的，或是由內建自動測試或測量機制所量測而得的。
[0041]步驟106:決定倍率數值N後，依據倍率參數設定數個參考位準Vr [.]。舉例而言，若欲設定倍率參數N，可準備(N-1)個參考位準，這(N-1)個參考位準的數值被設定成可將波形Sw的峰間振幅A均分為N份；換言之，可依據峰間振幅A除以倍率參數N的商的倍數，即η* (Α/Ν)，來設定各參考位準Vr [η]，對η = I至(N-1)。
[0042]步驟108:進行截波以提供信號Fout，也就是當波形Sw相交於任一參考位準時將信號Fout轉態。一實施例中，步驟108是配合多個比較器來進行，各比較器將波形Sw與一參考位準相互比較以提供一比較結果，使信號Fout可依據諸比較器的諸比較結果而被轉態。一實施例中，步驟108是配合一轉換器而進行；轉換器周期性地將波形Sw的各取樣值轉換為各數字碼，每當相鄰數字碼相交於任一參考位準，就使信號Fout轉態。
[0043]請參考圖6，其所示意的是依據本發明一實施例的倍頻器應用。本發明的一倍頻器40可與一除頻器42搭配運作。倍頻器40可以是倍頻器10 (圖1)、20 (圖2)或30 (圖4)，其可將一信號Fref的頻率(或頻率速率)乘以倍率數值N，據以提供信號Fout。除頻器42則將信號Fout的頻率除以一除頻比M，據以產生一信號Fo。因此，信號Fo的頻率會等於信號Fref的頻率乘以一合成比(N/Μ)。
[0044]—實施例中，信號Fref可由一鎖相迴路(未繪不)的振蕩器提供，而信號Fo則用以產生一本地振蕩信號(或載波信號)，其可用於信號混波(mixing)，如發射器中的信號調變或接受器中的信號解調。適當地設定倍率的數值N與除頻比的數值M，合成比(N/Μ)可以是一非整數而非一整數；如此，本地振蕩信號的諧波頻率便不會與信號Fref的頻率重迭，而本地振蕩信號與振蕩器信號Fref間的幹擾(例如拉頻,frequency pulling)就可被有效抑制。
[0045]請參考圖7，其所示意的是依據本發明一實施例的一鎖相迴路60。鎖相迴路60包括一倍頻器50、一相位/頻率誤差偵測器52、一電荷泵54、一振蕩器56 (如一壓控振蕩器)與一除頻器58。倍頻器50可用倍頻器10 (圖1)、20 (圖2)或30 (圖4)實現，其可將一信號Fref的頻率(頻率速率)乘以倍率數值N，據以提供一信號Fout。誤差偵測器52偵測信號Fout與Fb間的頻率/相位差異，據以提供一信號SE。電荷泵54依據信號SE對一電容充放電以提供一信號SC。振蕩器56則依據信號SC調整信號Fo的頻率。除頻器58將信號Fo的頻率除以數值Nd的除頻比以形成信號Fb。因此，當鎖相迴路60達成頻率/相位鎖定時，信號Fo的頻率會等於一合成比(N*Nd)乘以信號Fref的頻率。在維持合成比(N*Nd)不變的情形下，於鎖相迴路60中應用倍頻器50提供額外的倍率N，便可將除頻比Nd設定為一較小的數值；如此，鎖相迴路的頻帶內(in-band)噪聲表現可得以改善,並可避免除頻比Nd所導致的刺波問題。
[0046]再者，本發明倍頻器可被單獨運用，以由一低頻輸入信號產生一高頻輸出信號，而此高頻輸出信號便可用來當作頻率，供應給任何需要頻率的電路。
[0047]總結來說，相較於習知技術，本發明倍頻技術可實現任意數值的倍頻倍率，不限於偶數或少數幾種特定數值，亦不需要高成本的組件來濾除混波倍頻的諧波。再者，本發明倍頻的倍率可以由軟體、固件及/或硬體予以編程。
[0048]綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬【技術領域】中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
【權利要求】
1.一種倍頻器，用以響應輸入信號而提供輸出信號，包含: 波形產生器，用以響應該輸入信號而產生波形；以及 截波器，耦接該波形產生器，用以在該波形跨越多個參考位準中的每一該些參考位準時，於該輸出信號中引入多個轉態。
2.如權利要求1所述的倍頻器，其特徵在於，該波形產生器在該輸入信號為第一邏輯位準時於該波形中形成上升斜坡，並在該輸入信號為第二邏輯位準時於該波形中形成下降斜坡。
3.如權利要求1所述的倍頻器，其特徵在於，還包含: 多個比較器，每一該些比較器耦接於該波形產生器與該截波器之間，用以對該波形與該些參考位準的其中之一進行比較，並據以提供比較結果；該截波器依據該些比較器的該些比較結果而於該輸出信號中引入該些轉態。
4.如權利要求3所述的倍頻器，其特徵在於，該些參考位準是可編程的，且該截波器可依據該些比較結果中的可編程子集，而於該輸出信號中引入該些轉態。
5.如權利要求4所述的倍頻器，其特徵在於，該輸入信號的周期為該輸出信號的周期乘以倍率參數，且該些參考位準與該子集依據該倍率參數而被編程。
6.如權利要求3所述的倍頻器，其特徵在於，還包含: 多個選擇電路，每一該些選擇電路耦接於該些比較器的其中之一，用以由多個候選參考位準中選出其中之一作為該些參考位準的其中之一。
7.如權利要求6所述的倍頻器，其特徵在於，還包含: 電壓供應器，用以為每一該些選擇電路提供該些候選參考位準。
8.如權利要求1所述的倍頻器，其特徵在於，還包含: 轉換器，用以周期性地分別將該波形的取樣值轉換為數字碼，且該截波器當相鄰的該數字碼跨越該些參考位準的其中之一時於該輸出信號中引入該些轉態。
9.如權利要求1所述的倍頻器，其特徵在於，各該參考位準為該波形的峰間振幅的分數。
10.如權利要求1所述的倍頻器，其特徵在於，該些參考位準均分該波形的峰間振幅。
11.一種用以倍頻的方法，用以響應輸入信號而提供輸出信號，包含: 響應該輸入信號而產生波形；以及 每當該波形與多個參考位準的其中之一相交時，將該輸出信號轉態。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，當產生該波形時，包含: 當該輸入信號為第一邏輯位準時，於該波形中形成上升斜坡，以及，當該輸入信號為第二邏輯位準時，於該波形中形成下降斜坡。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，還包含: 以多個比較器的其中之一對該波形與該些參考位準的其中之一進行比較，並響應該些比較器的該些比較結果以將該輸出信號轉態。
14.如權利要求11 所述的方法，其特徵在於，還包含: 決定倍率參數； 依據該倍率參數決定該些參考位準的數目；以及 依據該倍率參數設定該些參考位準的數值，以使該輸入信號的周期為該倍率參數乘以該輸出信號的周期。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，依據該波形的峰間振幅除以該倍率參數之商的倍數而設定各該參考位準。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，還包含: 測量該波形的該峰間振幅。
17.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，還包含: 以轉換器周期性地將該波形的取樣值轉換為數字碼，以在相鄰數字碼相交於該些參考位準的其中之一時將該輸出信號轉態。
【文檔編號】H03B19/00GK103812446SQ201310534539
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月31日 優先權日:2012年11月13日
【發明者】丁建裕, 顏仕傑, 謝明諭, 王耀祺 申請人:晨星半導體股份有限公司