由校準的振蕩器控制值初始化的鎖相環的製作方法
2023-06-08 13:15:41 4
專利名稱：由校準的振蕩器控制值初始化的鎖相環的製作方法
技術領域：
本發明與鎖相環電路有關。
鎖相環是都很熟悉的電路，常在無線電通信系統中用作時鐘頻率產生器。鎖相環本地產生的輸出信號流無論在頻率還是相位上都要參照(即跟蹤)遠地提供的基準輸入信號，加以鎖定。鎖相環可用模擬方式或數字方式實現，這是眾所周知的。
鎖相環的一個主要組成部分是產生本地輸出信號的振蕩器。振蕩器的輸出作為一個輸入信號與遠地基準信號一起饋送給一個相位比較器。相位比較器的輸出表示了它的兩個輸入信號的頻率和相位差，被饋送給一個控制器，由這個控制器變換成一個控制振蕩器的控制信號。在控制信號的作用下，振蕩器的輸出得到調整，實現了對遠地提供的基準輸入信號的跟蹤。
在傳統上，在鎖相環開機(啟動)而還沒有鎖定到基準輸入信號上時，或者在鎖相環雖然原來已經鎖定但基準輸入信號突然丟失時，鎖相環就在一種「自流」狀態下工作。也就是說，鎖相環此時產生的輸出信號是振蕩器自由工作而沒有受到控制器任何調整可產生的輸出信號。為了使鎖相環的輸出在「自由運行」下仍然可用，鎖相環必需用一種精度和穩定度都非常高的振蕩器。這種振蕩器要能非常精確地在基準信號的頻率上獨立工作，而且在相當長的時間(例如幾年)內頻率和相位都沒有漂移。然而，這種振蕩器是十分昂貴的。
為了避免使用十分昂貴的振蕩器而仍要保證鎖相環的輸出在基準輸入信號暫時丟失期間保持穩定，已經開發出一種所謂「保持」的技術，這是在這個技術領域都非常熟悉的。這種技術是將控制器就在基準輸入信號會丟失前產生的控制信號鎖存起來，在得不到基準輸入信號期間繼續使用這個鎖存的控制信號控制振蕩器的輸出。然而，這種「保持」技術並不能解決一個具有價格低廉、精度和穩定度都不很高的振蕩器的鎖相環在開機期間，特別是沒有基準輸入信號情況下的開機期間的「自流」工作問題。因為對於鎖相環來說不能在開機和以後的一段時間裡從基準輸入信號得到合用的「保持」控制信號。因此，這種原有技術並沒有完全解決鎖相環使用精度和穩定度都不高的振蕩器工作所產生的這些問題。
本發明旨在解決原有技術的以上這些和其他一些問題和缺點。本發明提出了一種在開機時由一個予先以非易失方式存儲的振蕩器控制信號初始化的鎖相環。具體地說，本發明所提出的這種鎖相環，除了在控制信號控制下產生輸出信號的振蕩器以及與振蕩器連接、在所接收的基準信號的作用下產生控制信號的振蕩器控制器外，還裝有一個裝置。這個裝置在振蕩器控制器所接收的是一個預定的基準信號(例如一個校準的基準信號)時，將振蕩器控制器在這個預定的基準信號作用下所產生的(經校準的)控制信號以非易失方式存儲起來(如存儲在一個非易失存儲器中)。這樣，在鎖相環下次開機時，這個裝置就用所存儲的這個控制信號代替振蕩器控制器在開機時所產生的控制信號(如有的話)加到振蕩器上，對開機時產生的輸出信號進行控制。
用了上述裝置，鎖相在開機時的工作不再是「自流」的了，而是象在鎖相環工作期間的其他時間那樣受到振蕩器控制信號的控制。由於在開機時的工作受到控制，因此與採用價格低廉、精度和穩定度不高的振蕩器的鎖相環開機時「自流」工作有關的種種問題就得到了緩解。由於非易失性的存儲方式的優點，不會受到鎖相環斷電的影響，控制信號繼續保留著，一開機就可用來控制振蕩器。此外，由於所存儲的控制信號只是根據諸如校準的基準信號那樣的預定基準信號產生的，並不受剛才究竟是什麼基準信號的影響，因此能保證所存儲的控制信號是一個可以使振蕩器象那些昂貴得多的振蕩器一樣產生高質量輸出信號的控制信號。
舉例來說，上述裝置可以用一個在所存儲的程序控制下進行操作的數字處理器來實現。這種實現方式結構簡單，而且很容易加以修改，以適應不同環境和不同用途。此外，由於有許多用鎖相環的系統已經配置了尚有富餘處理能力的數字處理器，因此這種實現方式可以利用這部分處理能力，只需配極少量的硬體，甚至不需配任何硬體，從而對總系統來說成本增加是極少的。
本發明的這些和其他一些優點和特點通過以下結合附圖對本發明的一個實施例所作的說明就會更加清楚。在這些附圖中
圖1為作為本發明實施例的一個鎖相環的方框圖;
圖2為圖1所示鎖相環的處理器執行校準功能操作流程圖;以及圖3為圖1所示鎖相環的處理器執行鎖相環始化功能操作流程圖。
圖1示出了一個常用的鎖相環按照本發明加以改進後的情況。這個常用鎖相環包括一個接收通過線16送來的一個本地產生的信號流和通過鏈路10送來的一個遠地發出的基準信號流fin的相位比較器11。相位比較器11確定所接收的這兩個信號之間的相位差，向控制器12輸出一個指示這相位差的信號。這相位差在一段長時間內的平均值指示了這兩個信號之間的頻率差。控制器12將所指示的頻率差變換成一個控制信號，通過轉換開關13加到振蕩器14上。控制器12例如可以包括一個低通濾波器。振蕩器14產生一個輸出信號流fout，加到鏈路15上。輸出信號fout的頻率和/或相位由振蕩器14根據所接收的控制信號進行調整。振蕩器14例如可以包括一個壓控晶體振蕩器或數字頻率合成器。輸出信號fout的一個樣本通過鏈路16反饋給相位比較器11。圖1所示的鎖相環可以是一個模擬鎖相環，也可以是一個數字鎖相環。
轉換開關13或功能相當的等效器件以前一置是結合提供「保持」功能而設置的，以便在fin暫時丟失時將一個控制信號「保持」值代替控制器12的輸出信號加到振蕩器14上。按照本發明，轉換開關13將一個數字處理器20接到這鎖相環上。
處理器20可以是任何合適的市售常用微處理器。它包括一個至少有一個暫時存儲數據的寄存器23的中央處理單元(CPU)22，一個存儲CPU22要執行的程序的只讀存儲器(ROM)24，以及一個存儲CPU22在程序執行期間所使用的數據的可讀寫的非易失存儲器27。存儲器27的非易失性保證了其中所存儲的數據在圖1的上鎖相環和處理器20斷電後不會消失，而在開機時立即可為處理器20所用。CPU22通過輸入輸出(I/0)接口21和鏈路17接到轉換開關13上。I/0接口21和鏈路18還用來使處理器20與「外界」(例如以圖1的鎖相環為其部件的系統的其他電路)相連接。
處理器20通過執行ROM24中的保持功能程序實現一般的「保持」功能。在圖1的鎖相環開機運行時，處理器20通過鏈路18檢查鏈路10是否有基準信號fin。如果有fin，處理器20通過轉換開關13監測控制器12正在產生的振蕩器控制信號的值，反覆將這控制信號的現行值存儲在寄存器23中。當fin不存在時，處理器20使轉換開關13將控制器12的輸出端與振蕩器14的控制輸入端斷開，而處理器20通過轉換開關13將存儲在寄存器23中的控制信號值加到振蕩器14的控制輸入端上。當fin恢復時，處理器20停止向振蕩器14提供寄存器23中的控制信號值，使轉換開關13重新將控制器12的輸出端接到振蕩器14上，而且再繼續反覆將控制器12正在產生的控制信號的現行值存儲在寄存器23中。
除了保持功能外，處理器20還實現校準功能26和相關環初始化功能29。
通常，初次執行校準功能26的操作是在裝有圖1的鎖相環和處理器20的系統投入使用前(例如，製造該系統的最後階段)。將一個精確基準信號fin源(即經校準的源)接到線10上，系統供電後，通過線18向處理器20發出鎖相命令，接著再發出校準命令。響應校準命令的接收，處理器20就執行校準功能26。校準功能26的流程圖如圖2所示。
在接到校準命令(步200)後，處理器20在步202檢查是否有精確基準信號。檢查方法隨系統而定。例如，在遵從同步數字層次結構(SDH)標準的電話傳輸系統中，處理器20檢查系統接收一個同步狀態消息位(SSMB)的情況，SSMB向系統提供入站fin已由一個主時鐘源產生的信息。另一種方法是處理器20檢查一個由操作員通過線18人工輸入的命令，這個命令或者通知處理器20一個校準的fin源已接到鏈路10上，或者使處理器20跳過步202的檢查。
如果在步202確定沒有精確基準信號fin，則處理器20結束校準功能26(步218)。如果在步202確定有精確基準信號fin，或者得到跳過這步的命令，則在步204，處理器檢查系統的環境溫度是否在預定範圍內和是否穩定。例如，處理器20可以通過詢問裝這個鎖相環和處理器20的系統中其他單元來得到這個信息。所以要進行這個檢查是為了保證振蕩器14的性能不至過分受溫度的影響。如果振蕩器14是不受系統溫度影響的(例如，振蕩器14是一個配有恆溫槽或得到溫度補償的振蕩器)，則可以略去步204的檢查。
如果在步204確定系統溫度不在預定範圍和不是穩定的，則進至步218，處理器20結束校準功能26。如果在步204確定系統溫度在預定範圍內和是穩定的，或者略去這步，則進至步206，處理器20開始監測控制器12產生的振蕩器控制信號，並在一段預定時間內一直繼續監測，以保證鎖相環有足夠的時間鎖定到基準信號fin上。這段預定時間稱為校準時間。然後在步208和步210，處理器分別重複步202和步204的檢查，以檢查在整個校準時間內是否一直保持著正確校準的必需條件。根據與在說明步202和步204中所討論的相同的那些情況，同樣也可略去這兩步檢查。
如果必需條件仍存在，則在步212，處理器20求得在校準時間期間所監測的控制器12產生的振蕩器控制信號的平均值。然後在步214，處理器20檢查這個平均值是否合理。例如，處理器20可以這樣進行檢查將得到的平均控制值與從非易失存儲器27中檢索到的一個當前存儲的校準值28進行比較，確定平均控制值是否落在該當前存儲的校準值28的預定範圍之內;如果沒有當前存儲的校準值28，處理器20僅將這平均控制值認為是合理的。如果處理器20在步214發現平均控制值不合理，則在步218結束校準功能26。如果處理器20在步214確定平均值是合理的，則在步216將這個平均控制值作為校準值28存儲在非易失存儲器27中，並打上指示這次校準的日期和時間的時間標記，然後在步218結束校準功能26。
處理器20現在可能隨裝有它的系統的其他部件一起斷電。由於存儲器27的非易失性，校準值28不會丟失，而保證下次處理器20一開機就可由處理器20取用。下次開機時，例如裝有這鎖相環和處理器20的系統投入使用或恢復使用時，處理器20執行流程如圖3所示的鎖相環初始化功能29的操作。
響應調用鎖相環初始化功能29的程序(步300)，在步302，處理器20使轉換開關13將控制器12的控制輸出端與振蕩器14的控制輸入端斷開。處理器20在步304從非易失存儲器27中調出以前所存儲的校準值28，然後在步306將這個校準值28代替控制器12此時可能產生的任何控制信號加到振蕩器14的控制輸入端。這使振蕩器14產生一個輸出信號流fout。這個輸出信號流fout無論在頻率還是在相位上都與振蕩器14在上次用精確基準信號fin校準圖1的鎖相環時所產生的相同。
當處理器20通過鏈路18接收到一個允許控制器12接替對振蕩器14的控制、將鎖相環的輸出fout鎖到輸入fin的命令時(步310)，處理器20首先在步312檢查fin當時是否可用。例如，處理器20可以用通過鏈路18詢問裝有這鎖相環和處理器20的系統的其他電路的方式進行檢查。如果處理器20在步312確定fin不可用，則繼續當時模式的操作，在步312一直等待到fin成為可用。當處理器20在步312確定fin可用，則進至步314，使轉換開關13重新將控制器12的控制輸出端接到振蕩器14的控制輸入端上，從而將振蕩器14置於控制器12的控制之下，而且在步316停止向振蕩器14提供校準值28。然後在步318，處理器20啟動執行保持功能25，在步320結束。此時圖1的鎖相環的工作情況就與普通的一樣。
常規的商品級振蕩器在工作特性上具有固有的不穩定性，一段時間後，其輸出相位和頻率會發生漂移。為了保證校準值28能及時反映振蕩器14現時工作特性，必需不時重新執行校準功能26的操作。可以周期性地，例如每當校準值28的附加時間標記表明這個校準值28已經超過予定使用期限時，自動觸發重新執行校準操作。或者，每當處理器20接收到在鏈路10上有精確(校準)的基準信號fin的指示時重新執行校準操作。此外，也可以人工觸發，通過操作員向處理器20輸入一個命令，啟動重新執行校正操作。
人工觸發方式有利於在得不到精確的基準信號fin(甚至是得不到任何基準信號fin)的區域使用裝有圖1的鎖相環和處理器20的系統。在這些區域，操作員定時帶來一臺可攜式精確基準信號fin的校準源，將這個源接到鏈路10上，並手動命令處理器20執行校準功能26的操作。操作執行後，技術員將可攜式校準源與鏈路10斷開，讓系統在沒有精確基準信號輸入的情況下運行，直至下次技術員再回來校準。
當然，對於熟悉該技術的人來說顯然可以在上述示範性的實施例基礎上進行種種修改。例如，通過周期性地將控制器12正產生的控制信號的當前值與校準值28進行比較，當這兩個相互比較的值的差大於預定值時發出警報，處理器20可以利用校準值28來估計fin的精度或鎖相環工作中的問題。此外，鎖相環的控制器功能不必用一個獨立器件來完成，也可以由處理器執行的一個功能操作來完成。而且，在執行校準時還可以附加其他一些限制進行校準的條件，例如輸入信號噪聲(起伏、漂移)幅度、電源穩定度等要符合一定質量標準。還有，可以存儲一些先前計算出來的校準值，在計算(例如用加權最佳估計技術)一個新的校準值時加以利用。或者，校準值就取振蕩器控制信號的一個現時值，不一定非要是一個計算出來的值或平均值。諸如此類的種種變動和修改並不脫離本發明的精神實質和保護範圍，仍然具有本發明提供的所有優點。因此這些變動和修改全都屬於以下各項權利要求所規定的本發明保護範圍。
權利要求
1.一種鎖相環，其特徵是所述鎖相環包括振蕩裝置，該裝置在一個控制信號控制下產生一個輸出信號；振蕩控制裝置，該裝置與振蕩裝置連接，在一個所接收的基準信號作用下產生控制信號；響應振蕩控制裝置接收的一個預定的所述基準信號，用於將振蕩控制裝置在這個預定基準信號作用下所產生的控制信號存儲在一個非易失存儲器內；以及響應鎖相環加電的裝置，用於向振蕩裝置提供所存儲的控制信號，代替振蕩控制裝置開機時所產生的任何所述控制信號，控制開機時輸出信號的產生。
2.權利要求1提出的鎖相環，其特徵是其中所述饋送裝置對開機進行響應，從開機起向振蕩裝置饋送所存儲的控制信號直至(a)振蕩控制裝置接收到一個基準信號，或(b)饋送裝置接收到一個表明振蕩控制裝置要開始控制振蕩裝置的輸出的指示。
3.權利要求1提出的鎖相環，其特徵是其中所述存儲裝置包括非易失存儲器裝置，和選擇存儲裝置，該裝置有選擇地將振蕩控制裝置所產生的控制信號存儲在非易失存儲裝置內;以及所述饋送裝置包括轉換裝置，該裝置有選擇地將振蕩控制裝置所產生的控制信號接到和斷離振蕩裝置，和檢索饋送裝置，該裝置在轉換裝置將振蕩控制裝置斷離振蕩裝置的同時，從非易失存儲器裝置檢索出所存儲的控制信號，將這個檢索到的控制信號饋送給振蕩裝置。
4.權利要求3提出的鎖相環，其特徵是其中所述選擇存儲裝置和檢索饋送裝置包括一個在所存儲的程序控制下進行操作的數字處理器。
5.權利要求1提出的鎖相環，其特徵是其中所述振蕩裝置是一個振蕩器;所述振蕩控置裝置包括，一個控制器，該控制器根據一個相位差信號產生所述控制信號，和一個相位比較器，該比較器通過將接收到的基準信號的相位與輸出信號的相位進行比較，產生表示這兩個信號的相位差的相位差信號;以及所述饋送裝置包括校準控制信號饋送裝置，該裝置在鎖相環開機時向振蕩器饋送一個校準的所述控制信號，和轉換裝置，該裝置插在控制器、振蕩器和校準控制信號饋送裝置之間，有選擇地將控制器所產生的控制信號接到振蕩器和饋送裝置，以及有選擇地將校準的控制信號代替控制器產生的控制信號接到振蕩器上，其中所述校準控制信號饋送裝置包括一個非易失存儲器，轉換控制和存儲裝置，該裝置使轉換裝置將控制器產生的控制信號接到振蕩器和饋送裝置，並且對相位比較器接收一個預定的所述基準信號作出響應，將控制器按照一個表示輸出信號與這個預定基標信號相位差的相位差信號所產生的控制信號作為校準的控制信號存儲在非易失存儲器內，和檢索和轉換控制裝置，該裝置對鎖相環開機進行響應，用於從非易失存儲器檢索出校準的控制信號，並使轉換裝置將這個檢索到的校準的控制信號接到振蕩器，代替控制器所產生的任何控制信號。
6.權利要求5提出的鎖相環，其特徵是其中所述檢索和轉換控制裝置包括校準控制信號饋送停止裝置，該裝置對開機後的(a)相位比較器接收到一個基準信號的事件，或(b)該裝置接收到一個表明控制器要開始控制振蕩器的指示的事件進行響應，使轉換裝置停止將校準的控制信號代替控制器產生的控制信號接到振蕩器，而將控制器產生的控制信號接到振蕩器。
7.權利要求6提出的鎖相環，其特徵是其中所述校準控制信號饋送裝置包括一個在所存儲的程序控制下進行操作的數字處理器。
8.一種對由一個在控制信號控制下產生輸出信號的振蕩器和一個與振蕩器連接、在輸入的基準信號作用下產生控制信號的振蕩器控制器組成的鎖相環進行控制的方法，其特徵是所述方法包括下列各步對振蕩器控制器接收一個預定的所述基準信號進行響應，將振蕩器控制器在這個預定基準信號作用下所產生的控制信號以非易失方式存儲起來;以及對鎖相環的開機進行響應，向振蕩器饋送所存儲的控制信號，代替振蕩器控制器開機時所產生的任何所述控制信號，控制開機時輸出信號的產生。
全文摘要
鎖相環在開機由時處理器預先存儲在非易失存儲器內的振蕩器控制信號初始化。所存儲的控制信號在鎖相環使用前由控制器根據所接收的校準基準信號產生，並在以後的使用期間不斷重新校準。由於這個控制信號是存儲在非易失存儲器內的，因此鎖相環斷電後不會丟失。以後一開機，所存儲的控制信號就用來代替控制器所產生的輸出信號對振蕩器進行控制，直至(a)鎖相環接收到真正的基準信號，或(b)處理器接收到控制器要控制振蕩器的指令為止。
文檔編號H03L7/14GK1113052SQ9510132
公開日1995年12月6日 申請日期1995年1月18日 優先權日1994年1月21日
發明者詹姆斯·羅伯特·伯託林尼, 加裡·喬·格蘭姆斯 申請人:美國電報電話公司