基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法及其電路的製作方法
2023-08-22 11:52:21 3
基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法及其電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法及其電路，該方法包括以下步驟：鎖定時隙開始時為鎖相環單元配置數據；對環路濾波器充電；鎖相環單元在壓控振蕩器的輸出頻率達到其配置數據的範圍時輸出鎖定指示；根據鎖定指示斷開電源。本發明在鎖定時隙開始時提前為環路濾波器充電，通過鎖定指示信號斷開電源，縮短鎖相環的鎖定時間。
【專利說明】基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法及其電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線通信電路，更具體地說，涉及一種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法及其電路。
【背景技術】
[0002]為了提高頻譜效率，現代無線通信系統大都利用頻分/時分復用技術，無線收發機進行通信時所用信道，會根據信道佔用情況、信道質量進行實時切換。信道的切換，是通過改變頻率合成器的輸出頻率來實現的。頻率合成器給收發電路中的變頻電路提供可編程的本地載波信號，是無線通信設備的核心。目前使用的頻率合成方式主要是採用鎖相環加壓控振蕩器方式實現的。
[0003]在鎖相環頻合方式中，在目前窄帶通信系統中需要帶內噪聲儘量低，即需要環路濾波器帶寬不能過寬，由於鎖相環濾波器帶寬的限制，頻率源的相位噪聲與鎖相速度之間的互相制約:環路帶寬窄時，鎖定時間變長，但帶內噪聲比較低；環路帶寬大時，可降低鎖相環路的鎖定時間，但帶內相位噪聲較差。頻率源的振蕩頻率在兩個頻點之間切換所需要的時間與兩個頻點間的頻率間隔有關:兩個頻點間隔越大，對應的濾波器輸出的壓控電壓相差越大，需要的切換時間就越長。相關技術中大多採用縮短頻率源頻率兩個不同頻點間壓控電壓的切換時間(即提高壓控振蕩器)，以提高頻率源的鎖相速度。但這會增加壓控振蕩器本身的相位噪聲。
[0004]鎖相環方式的頻率合成器鎖定過程示意如圖1所示，其頻率鎖定過程分為三個階段:
[0005]Tl (捕獲階段):頻率從穩定到不穩定的急劇變化，輸出頻率與參考時鐘鑑相頻率相位差非常大，鎖相環處於失鎖狀態；
[0006]T2(跟蹤階段):輸出頻率與參考時鐘鑑相頻率相位差較小，鎖相環對輸出頻率進行跟蹤，屬於環路自身調節的階段；
[0007]Τ3(穩定階段):輸出頻率與參考時鐘鑑相頻率相位差非常小，鎖相環處於鎖定的狀態。
[0008]鎖定過程的三個階段中，主要是由Tl階段和Τ2階段決定目標頻率的鎖定時間。而Τ2階段的時間主要是由於環路自身的參數決定，Τ2階段時相位差較小，靠鎖相環自身的調節可很快進入Τ3階段。然而Tl階段捕獲階段所消耗的時間，對整體鎖定時間起關鍵的影響，一般通過減小TI階段的時間來提高頻率源的鎖相速度。
[0009]相關技術中的鎖相環鎖定方法是通過為鎖相環提前配置預估充電時間，打開鎖相環為鎖相環電路中的環路濾波器提前充電，使環路中的電壓接近鎖定電壓，減少充電泵為鎖相環充電的時間，從而加快鎖定速度。該方案需要預先測量壓控振蕩器鎖定頻段內單點電壓的充電時間統計特性，並存儲，在開啟鎖相環電路時再讀取充電時間，便於控制中心發出持續充電時間；充電時間與頻率變化關係如圖2所示；由於不同的壓控振蕩器對應同一頻點的電壓由於一致性、溫度等因素不完全相同，導致預置電壓不夠精確從而使得鎖定時間變長。
[0010]目前，鎖相環鎖定電路如圖3所示，首先為鑑相器預置鎖定頻點的電壓，連接於控制中心的數模轉換器通過運算放大器為低通濾波器充電，同時通過模數轉換器通過閱讀交換機檢測低通濾波器的充電電壓，當達到預置的鎖定電壓值時，數模轉換器發送信號至控制中心，控制中心發送控制信號停止為環路濾波器充電，使電壓趨近於所設置頻點的鎖定電壓，從而達到減少鎖定時間的目的。該方案需要預先測量壓控振蕩器鎖定頻段內單點電壓的統計特性，並存儲至儲存器；為鎖相環配置數據時再讀預存的電壓，通過數模轉換器預先充電，充電時間由模數轉換器檢測反饋給控制器，形成閉環控制；該方案對電路一致性及溫度穩定性要求較高，軟體反應有延遲並且電路比較複雜、成本較高。
【發明內容】
[0011]本發明要解決的技術問題在於，提供一種改進的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法及其電路。
[0012]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:構造一種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法，包括以下步驟:
[0013]在每個鎖定時隙開始時，為鎖相環單元配置數據；
[0014]通過直流電源對環路濾波器進行充電，所述環路濾波器的電壓上升推動與其連接的壓控振蕩器的頻率由低變高；
[0015]所述鎖相環單元實時比較所述壓控振蕩器的輸出頻率是否達到其配置數據的範圍:
[0016]在所述輸出頻率達到所述配置數據的範圍時，所述鎖相環單元送出鎖定指示；
[0017]根據所述鎖定指示斷開所述直流電源，並連通充電泵繼續為所述環路濾波器充電，直至所述鎖相環鎖定。
[0018]優選地，上述基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法中，在對所述環路濾波器進行充電之前，還包括:對所述環路濾波器進行放電以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率。
[0019]優選地，上述基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法中，根據所述鎖定指示斷開所述直流電源為:控制單元接收鎖相環單元發送的鎖定指示，並發送控制信號至所述直流電源，使其停止為所述環路濾波器充電。
[0020]優選地，上述基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法中，在每個鎖定時隙開始時，所述鎖相環單元通過中央處理器配置數據。
[0021]一種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路，包括:
[0022]鎖相環單元，將輸入頻率與配置數據進行比較，並在輸入頻率達到配置數據的範圍內時輸出鎖定指示；
[0023]壓控振蕩器，連接於所述鎖相環單元，並輸出頻率至所述鎖相環單元；
[0024]環路濾波器，連接於所述壓控振蕩器；
[0025]直流電源，連接於所述環路濾波器，為環路濾波器與壓控振蕩器提供直流電壓；
[0026]充電泵，位於所述鎖相環單元內部，連接於所述環路濾波器，由所述鎖相環單元控制為所述環路濾波器提供脈動交流電源；
[0027]所述直流電源對所述環路濾波器進行充電，所述環路濾波器的電壓上升推動與其連接的壓控振蕩器的頻率由低變高；所述壓控振蕩器將不斷變化的輸出頻率發送至所述鎖相環單元，所述鎖相環單元實時比較新輸出頻率是否達到其配置數據範圍；若輸出頻率達到所述配置數據的範圍，則所述鎖相環單元輸出鎖定指示，斷開所述直流電源，所述環路濾波器通過所述充電泵繼續充電直至所述鎖相環鎖定。
[0028]優選地，上述基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路中，所述環路濾波器還連接有用於放電以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率的第二開關，所述環路濾波器通過所述第二開關接地。
[0029]優選地，上述基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路中，所述鎖相環單元還連接有控制單元，所述控制單元接收鎖相環單元的鎖定指示並輸出控制信號使連接於所述直流電源的第一開關斷開，停止為所述環路濾波器充電。
[0030]優選地，上述基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路中，所述鎖相環單元還連接有為其配置數據的中央處理器。
[0031]本發明的有益效果是:由於本發明基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法中，在鎖相環鎖定時隙開始時提前為環路濾波器充電以提高壓控振蕩器的頻率，並通過鎖相環的鎖定指示信號斷開直流電源，縮短了鎖相環的鎖定時間，從而提高了鎖相速度。並且由於減少了鎖定時間，從而減少了鎖相環電路的開啟時間，降低了電路功耗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0033]圖1是鎖相環方式的頻率合成器鎖定過程示意圖。
[0034]圖2是現有技術中鎖相環電路中充電時間與頻率變化關係圖。
[0035]圖3是現有技術中鎖相環鎖定電路原理圖。
[0036]圖4是本發明一個實施例中基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法的流程示意圖；
[0037]圖5是本發明一個實施例中基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法中使用示波器抓捕各個信號的波形圖；
[0038]圖6是本發明基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法的鎖定時間測試圖；
[0039]圖7是本發明一個實施例中基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路的電路原理框圖。
【具體實施方式】
[0040]為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的【具體實施方式】。
[0041]圖4示出了本發明一個優選實施例中的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法，適用於所有帶鎖定指示的鎖相環路頻率合成通信系統。本發明基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法包括以下步驟:
[0042]在每個鎖定時隙開始時，為鎖相環單元配置數據。在配置數據時包括為鎖相環單元的各寄存器配置數據、為鎖相環配置分頻比等使鎖相環單元正常工作所需要的控制信
肩、O[0043]通過直流電源對環路濾波器進行充電，環路濾波器的電壓上升推動與其連接的壓控振蕩器的頻率由低變高。在配置數據完成後，將連通環路濾波器和直流電源的第一開關閉合，為環路濾波器中的電容進行充電。直流電源可直接為環路濾波器進行充電，使壓控振蕩器的輸出頻率快速達到鎖相環的配置數據範圍，鎖相環晶片通過計算其內部寄存器的配置數據的值，得到一個期望達到頻率，再將壓控振蕩器的輸出頻率與該期望達到的頻率進行比較。可以理解地，直流電源的電壓值大於鎖相環的鎖定電壓。
[0044]鎖相環單元實時比較壓控振蕩器的輸出頻率是否達到其配置數據的範圍:
[0045]若輸出頻率低於配置數據範圍的下限，則繼續對環路濾波器進行充電以增加壓控振蕩器的輸出頻率，鎖相環單元讀取壓控振蕩器新輸出的輸出頻率進行實時比較，如此反覆直至輸出頻率達到配置數據的範圍時，鎖相環單元送出鎖定指示。
[0046]在充電前，由於環路濾波器未充電，電壓表現為低電平，壓控振蕩器的頻率在整個頻率合成器輸出頻率的低端；使用直流電源為環路濾波器充電後，環路濾波器的電壓快速上升推動壓控振蕩器的輸出頻率從低端快速向上變化；直到輸出頻率達到配置數據期望達到的頻率值，鎖相環單元送出鎖定指示，即高電平。可減小鎖相環頻率鎖定的捕獲階段的時間。
[0047]根據鎖定指示斷開直流電源，並連通充電泵繼續為環路濾波器充電，直至鎖相環鎖定。充電泵輸出脈動交流電源，壓控振蕩器的頻率進入緩慢上升過程，此時鎖相環頻率鎖定進入跟蹤階段。
[0048]在一些實施例中，在對環路濾波器進行充電之前，還包括:對環路濾波器進行放電以降低壓控振蕩器的輸出頻率。可以理解地，在另一些實施例中，鎖相環通過增加鎖定時隙的間隔時長以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率。在充電前，環路濾波器可能處於高電平，而鎖相環單元的鎖定頻率為低端，則需要先對環路濾波器進行放電，使其電壓表現為低電平，使壓控振蕩器的頻率處於整個頻率合成器輸出頻率的低端；再對環路濾波器進行充電。
[0049]根據鎖定指示斷開直流電源為:控制單元接收鎖相環單元發送的鎖定指示，並發送控制信號至直流電源，使其停止為環路濾波器充電。控制單元接收到控制信號後，斷開與直流電源連接的第一開關，使直流電源停止為環路濾波器的電容充電。
[0050]在一些實施例中，控制單元為FPGA。通過實際測量，鎖相環電路通過FPGA控制開關開閉的響應時間小於25 μ S。在另一些實施例中，控制單元還可以為觸發器或數字電路的鎖存器。可以理解地，控制單元可為任何能對輸入信號快速反應的邏輯單元。
[0051]在每個鎖定時隙開始時，鎖相環單元通過中央處理器配置數據。中央處理器為OMAP (Open Multimedia Application Platform,開放式多媒體平臺)系列的處理器。優選地，中央處理器為0MAP5912。在另一些實施例中，鎖相環單元通過SPI總線連接於主機為其配置數據。
[0052]圖5為使用示波器抓捕各個信號的波形圖，其中波形I為配置數據信號，波形2為充電時間信號，波形3為鎖定指示信號，波形4為鎖相環電路電壓信號。由圖可看出鎖定指示信號為一系列的尖脈衝信號，其中第一個尖脈衝的起始時刻鎖相環電路電壓最接近於最終的鎖定電壓，即在此時中斷直流電源，鎖相環捕捉第一個鎖定指示尖脈衝並保存採樣數據使得後面的尖脈衝信號不再響應觸發直流電源開關。
[0053]基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法的鎖定時間測試圖如圖6所示，圖中為基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路從0-483.35MHz的鎖定時間。由圖可知，Tl階段(即頻率鎖定趨於目標頻率IOOHz完成鎖定)的時間為1.733ms，減少鎖相環電路的鎖定時間，可降低電路所需功耗。
[0054]—種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路,如圖7所示,包括:
[0055]鎖相環單元，將輸入頻率與配置數據進行比較，並在輸入頻率達到配置數據的範圍內時輸出鎖定指示；
[0056]壓控振蕩器，連接於鎖相環單元，並輸出頻率至鎖相環單元；
[0057]環路濾波器，連接於壓控振蕩器；
[0058]直流電源，連接於環路濾波器，為環路濾波器與壓控振蕩器提供直流電壓；
[0059]充電泵，位於鎖相環單元內部，連接於環路濾波器，由鎖相環單元控制為環路濾波器提供脈動交流電源；充電泵可為環路濾波器提供充放電電源。
[0060]直流電源對環路濾波器進行充電，環路濾波器的電壓上升推動與其連接的壓控振蕩器的頻率由低變高；壓控振蕩器將不斷變化的輸出頻率發送至鎖相環單元，鎖相環單元實時比較新輸出頻率是否達到其配置數據範圍；若輸出頻率達到配置數據的範圍，則鎖相環單元輸出鎖定指示，斷開直流電源，環路濾波器通過充電泵繼續充電直至鎖相環鎖定。有效縮短了鎖定時間，並且電路簡單、成本較低，且可靠性高。
[0061 ] 在一些實施例中，所述環路濾波器還連接有用於放電以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率的第二開關，所述環路濾波器通過所述第二開關接地。在鎖定時隙開始時，若鎖相環電路中的電壓大於鎖定電壓，即壓控振蕩器的輸出頻率處於高端，而鎖相環的鎖定頻率處於低端時，通過第二開關閉合將環路濾波器放電，使壓控振蕩器表現為低電平，再重新進行充電以達到鎖定電壓。在另一些實施例中，鎖相環電路通過增加鎖定時隙的間隔時長以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率。
[0062]所述鎖相環單元還連接有控制單元，所述控制單元接收鎖相環單元的鎖定指示並輸出控制信號使連接於所述直流電源的第一開關斷開，停止為所述環路濾波器充電。所述鎖相環單元的鎖定檢測通過鎖相環單元內部的鑑相器實現。
[0063]在一些實施例中，所述鎖相環單元還連接有為其配置數據的中央處理器。優選地，所述中央處理器為0MAP5912。
[0064]以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則內所作的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法，其特徵在於，包括以下步驟: 在每個鎖定時隙開始時，為鎖相環單元配置數據； 通過直流電源對環路濾波器進行充電，所述環路濾波器的電壓上升推動與其連接的壓控振蕩器的頻率由低變高； 所述鎖相環單元實時比較所述壓控振蕩器的輸出頻率是否達到其配置數據的範圍: 在所述輸出頻率達到所述配置數據的範圍時，所述鎖相環單元送出鎖定指示； 根據所述鎖定指示斷開所述直流電源，並連通充電泵繼續為所述環路濾波器充電，直至所述鎖相環鎖定。
2.根據權利要求1所述的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法，其特徵在於，在對所述環路濾波器進行充電之前，還包括:對所述環路濾波器進行放電以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率。
3.根據權利要求1所述的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法，其特徵在於，根據所述鎖定指示斷開所述直流電源為:控制單元接收鎖相環單元發送的鎖定指示，並發送控制信號至所述直流電源，使其停止為所述環路濾波器充電。
4.根據權利要求1所述的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成方法，其特徵在於，在每個鎖定時隙開始時，所述鎖相環單元通過中央處理器配置數據。
5.一種基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路，其特徵在於，包括: 鎖相環單元，將輸入頻率與配置數據進行比較，並在輸入頻率達到配置數據的範圍內時輸出鎖定指示； 壓控振蕩器，連接於所述鎖相環單元，並輸出頻率至所述鎖相環單元； 環路濾波器，連接於所述壓控振蕩器； 直流電源，連接於所述環路濾波器，為環路濾波器與壓控振蕩器提供直流電壓； 充電泵，位於所述鎖相環單元內部，連接於所述環路濾波器，由所述鎖相環單元控制為所述環路濾波器提供脈動交流電源； 所述直流電源對所述環路濾波器進行充電，所述環路濾波器的電壓上升推動與其連接的壓控振蕩器的頻率由低變高；所述壓控振蕩器將不斷變化的輸出頻率發送至所述鎖相環單元，所述鎖相環單元實時比較新輸出頻率是否達到其配置數據範圍；若輸出頻率達到所述配置數據的範圍，則所述鎖相環單元輸出鎖定指示，斷開所述直流電源，所述環路濾波器通過所述充電泵繼續充電直至所述鎖相環鎖定。
6.根據權利要求5所述的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路，其特徵在於，所述環路濾波器還連接有用於放電以降低所述壓控振蕩器的輸出頻率的第二開關，所述環路濾波器通過所述第二開關接地。
7.根據權利要求5所述的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路，其特徵在於，所述鎖相環單元還連接有控制單元，所述控制單元接收鎖相環單元的鎖定指示並輸出控制信號使連接於所述直流電源的第一開關斷開，停止為所述環路濾波器充電。
8.根據權利要求5所述的基於鎖相環頻率快速鎖定的頻率合成電路，其特徵在於，所述鎖相環單元還連接有為其配置數據的中央處理器。
【文檔編號】H03L7/16GK103618548SQ201310656817
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】崔建偉, 陳杰, 唐偉群 申請人:海能達通信股份有限公司