專利名稱：鎖相環路頻率合成器的制作方法
技術領域：
本發明涉及頻率合成器，也稱之為可控振蕩器電路，特別用于射頻發射機和接收機。它可特別用于移動電話領域，對于該領域來說，快速鎖定載波特別重要。因此本發明的一個目標是提供有效鎖定的裝置。
在移動電話領域，特別是在GSM(全球移動通信系統)和使用TDMA(時分多址)技術的領域，通信信道被建立以連接移動電話到基站。信道是由從同一幀多個時隙中選擇出來的一個時隙定義的。在一個最知名的應用中，一個幀包含8個窗口。信道的另一特征是它與載頻相關。一組調制頻帶因此在發射或接收頻率范圍內被分配。例如，根據GSM標準，一頻帶具有200KHz的寬度，在其范圍內有超過100個不同的載頻。
由于一些頻率在一些位置之間有傳播損耗，頻率定律要求特定信道的載頻(在使用帶寬內)周期變化是可接受的。實際上它每幀變化一次。因此移動電話和基站之間的連接使用變化有規律的載頻。這要求收發信機的頻率合成器能有規律地、快速從一個載頻跳到另一個載頻。
在GSM標準下，一個時隙的標準持續時間為577微秒。因此有8個窗口的一幀的持續時間為4.615毫秒。一幀中的一個時隙用來發射，而同一幀中另一時隙用來接收。發射時隙和接收時隙之間的時差通常至少等于一個時隙持續時間的1.5倍。這意味著移動電話收發信機，特別是在移動電話中的收發信機，有大約865微秒的時間來鎖定分配給它的載頻，特別是提供雙工通信。
然而，在GPRS/HSCSD(通用分組無線電業務/高速電路交換數據)系統中，為增大數據比特率，移動電話和/或基站可在同一幀的幾個連續時隙期間發射和/或接收無線電信號。因此有可能同一幀的連續兩個、三個或四個時隙要分配給移動電話和基站之間通信的一個方向。在這種情況下，載頻并不從一個時隙到另一時隙變化。
然而，這種實踐導致了該標準的修改。由于這種連續使用，同一幀中剩下的可用時隙數減少了，結果就不再可能提供時間分隔至少為兩個通信方向之間的時隙持續時間的1.5倍。這種情況就是，該標準只提供了一個時隙來中和發射和接收。結果，振蕩器鎖定載頻的截獲時間減少了。而之前有865微秒可用，有500微秒的鎖定時間是容許的，如果截獲時間減少到577微秒就不合適了。
預置合成器的鎖相環路(PLL)的頻率以加速載頻的鎖定，這在美國專利4，105，948有描述。
為此，PLL由環路濾波器和壓控振蕩器(VCO)之間的開關控制開放一段短時間，一外部電壓饋入到VCO，迫使它產生一個頻率接近于要求頻率的信號。接著，在一特定時延后，鎖相環路再次關閉，以使合成器自動調整其自身頻率到新的載頻。
該外部電壓應用到振蕩器事實上是迫使其瞬時變頻，這可從壓控振蕩器的標稱增益上推斷出。當VCO的增益被更精確地知道時，PLL的壓控振蕩器的頻率預置就更有效。
然而，已發現在安裝后，壓控振蕩器的實際增益為各種參數(如，外部溫度或振蕩器的工作時間)的可變函數。由此，VCO的標稱增益和其實際增益差別極大，這依賴于外部操作參數，使得預置無效并因此增加了合成器鎖定新載頻的時間。
因此很顯然，控制VCO的增益變化以使合成器的截獲時間最短是很重要的。
另外，現有技術的鎖相環路頻率合成器的有關問題在于環路中的噪聲處理。
現有技術的合成器通常包括一個壓控振蕩器，它是通過比較振蕩器產生的信號的相位與代表所要求的振蕩頻率的基準信號的相位來控制的。這要求在控制環路中提供一低通濾波器，其帶寬受相位比較器的比較頻率限制。
相位比較器比較信號，且在其輸出端產生一誤差信號。振蕩器受誤差信號控制。該誤差信號由低通濾波器濾波。低通濾波器的截至頻率基本上等于比較頻率的十分之一。這里所要考慮的頻率，具有200KHZ的比較頻率，這要求濾波器的時間常數的數量級為50微秒。那么平均截獲時間的數量級為500微秒，不能少于這個數。
如果上述類型的合成器用于發射，基準頻率在相位比較器的輸入端被調制。這種類型的電路要求環路的帶寬更寬，因此要求相位比較器和壓控振蕩器之間的環路濾波器的帶寬更寬。
由此，環路帶寬內的噪聲增加了，而且特別是很難與GSM標準推薦的頻譜一致。
因此本發明的一個目的是提出一種鎖相環路頻率合成器，它具有與現有技術相比改進的噪聲特性。本發明的另一目的是提出一種鎖相環路頻率合成器，其壓控振蕩器的增益變化可以控制。
本發明的再一個目的是提出一種鎖相環路頻率合成器，其具有短的截獲時間。
為此，本發明提供一種頻率合成器，它包括一個相位調整環路，該環路包含一個壓控振蕩器、一個基準振蕩器，一個鎖相環路(接收來自壓控振蕩器的信號和來自基準振蕩器的信號作為輸入，在其輸出端向壓控振蕩器發送控制電壓，且包含一個相位比較器，其直接連接到基準振蕩器的一個輸出，并經由一反饋環路(包含一個反向除法器)連接到壓控振蕩器的輸出)，以及用于在相位比較器和壓控振蕩器之間饋入一個調制信號的裝置，該合成器的特征在于，它還包括調制補償裝置，用于從該調制信號中準備一個補償信號，并將該補償信號饋入到反向除法器的反饋環路的上游，以取消在壓控振蕩器的輸出(應用到反向器的輸入)的信號的調制。
在一個實施例中，根據本發明的合成器包括用于根據至少一個測量參數確定壓控振蕩器的實際增益的裝置，而且該確定裝置用于發送代表壓控振蕩器的實際增益的信號。
在一個實施例中，根據本發明的合成器還包括除法器裝置，其第一個輸入端用于從所述的確定裝置接收代表該壓控振蕩器的實際增益的信號；其第二個輸入端用于接收該調制信號；其輸出端用于發送被壓控振蕩器的實際增益除過后的調制信號，并連接到壓控振蕩器和環路濾波器之間的加法電路(在相位比較器的輸出和壓控振蕩器的輸入之間)的一個輸入端。
根據本發明的合成器可具有以下特征中的任何一個或多個--該合成器還包括一個環路濾波器(在相位比較器的輸出和壓控振蕩器的輸入之間)，而且所述的確定裝置包括測量裝置，用于測量環路濾波器在第一頻率和第二頻率的輸出電壓，以及一個計算單元，通過將第一和第二頻率之差除以第一和第二控制電壓(分別在第一和第二頻率時測得)之差，用于計算壓控振蕩器的實際增益。
--所述的確定裝置還包括一個模數變換器，用于將測量裝置測得的電壓變換成數字信號，而且所述的計算單元為數字單元，--所述的確定裝置包括一溫度傳感器，一存儲器，用于存儲作為溫度的函數的壓控振蕩器的增益的列表，以及一控制單元，用于發送作為所測溫度和存儲在存儲器內的增益值的函數的壓控振蕩器的實際增益，--所述的確定裝置包括用于測量壓控振蕩器的工作時間的裝置，一存儲器，用于存儲作為其工作時間的函數的壓控振蕩器的增益的列表，以及一控制單元，用于發送作為由計數器發送的工作時間和存儲在存儲器的增益值的函數的壓控振蕩器的實際增益，--該補償裝置包括一乘法器，用于將調制信號乘以2π；一累加器，其輸入端連接到乘法器的輸出端；一個用于形成同相信號I和正交信號Q的單元；第一個混頻器；以及第二個混頻器，其中每個混頻器都處在反向除法器的反饋環路上游的一個支路，第一個混頻器用于混頻同相信號I與壓控振蕩器的輸出信號，第二個混頻器用于混頻正交信號Q與壓控振蕩器移相π/2后的輸出信號。
從下面通過非限制性的舉例和參考附圖給出的描述可發現本發明的其它特征和優點，其中
圖1為根據本發明的頻率合成器的方框圖。
圖2為根據本發明的修改的頻率合成器的方框圖。
根據本發明的合成器優選安裝在移動電話內，特別是工作于下述標準GSM、DCS、PCS、UMTS，中的一個或多個的移動電話。
圖1示出的鎖相環路頻率合成器包含壓控振蕩器(VCO)1，它通過鎖相環路(PLL)從屬于基準振蕩器3。該鎖相環路包括環路濾波器5，相位-頻率比較器7和反向除法器8。
環路濾波器5連接在VCO1的控制電壓輸入端和相位-頻率比較器7的輸出端之間。
相位頻率比較器7有兩個輸入端，其中第一個輸入端直接連接到基準振蕩器3的輸出端，第二個輸入端經由包含反向除法器8的反饋環路9連接到VCO1的輸出端。
反向除法器8有一個用于接收設置除數N的命令的輸入端。
該合成器還包括用于確定VCO1的實際增益的裝置13。
用于確定VCO1的實際增益的裝置13，包括測量傳感器15，其用于在第一個頻率f1(環路濾波器5的輸出)測量第一個控制電壓V1，在第二個頻率f2(環路濾波器5的輸出)測量第二個控制電壓V2。頻率f1和f2優選為在GSM、DCS、PCS或UMTS標準下(含有根據本發明的合成器的移動電話在這些標準下操作)定義的載頻。為執行其測量，傳感器15優選利用在上述標準作用下的載頻的周期性變化。
傳感器15的輸出連接到模數變換器17的輸入，變換器17將測量的電壓變換為數字信號。
模數變換器17的輸出端連接到計算單元19的輸入端，單元19將第一和第二頻率之差除以第一和第二測量電壓之差。
VCO1的實際增益Kvco由下述公式給出Kvco=f2-f1V2-V1]]>為能計算頻率f1和f2，單元19接收輸入的除數N(施加到反向除法器8)。因為鎖相環路合成器的輸出頻率由下述公式給定f0=Nxfref因為fref已準確知道，那么單元19從下述公式計算實際增益KvcoKvco=N2-N1V2-V1fref]]>其中N1和N2為反向除法器分別在頻率f1和f2時的除數。
VCO1的實際增益只是在包含根據本發明的合成器的移動終端每次初始化時確定更好。
更為頻繁地更新該增益當然可行，特別是如果移動終端四處移動，比如在溫度變動大的環境中，如在冬天，因為室內外溫差大。
在根據本發明的該合成器的一種變型中(未示出，特別適合于在溫度變動大的環境中使用的合成器)，所述的用于確定實際增益的裝置包括一溫度傳感器，一存儲器，其包含作為溫度的函數的壓控振蕩器的增益的列表，以及一控制單元，其用于發送作為所測溫度和存儲在存儲器表格中的增益值的函數的VCO1的實際增益。
在根據本發明的該合成器的另一較佳變型中(未示出)，確定裝置13包括用于測量VCO1的工作時間(如工作時間計數器)的裝置，一存儲器，包含作為其工作時間的函數的VCO1的增益的列表，以及一控制單元，其用于發送作為從計數器接收的工作時間和存儲在存儲器表格中的增益值的函數的VCO1的實際增益。
計算單元19的一個輸出連接到控制單元21的相應輸入端，控制應用到VCO1的預置電壓。
控制單元21優選為全數字單元，其輸出端連接到數模變換器23的輸入端。
變換器23的輸出端連接到時延電路25(控制環路濾波器5的鎖相環路下游的開關27)，以及鎖相環路的加法電路29(開關27和VCO1之間)，使能施加預置電壓到VCO1。
在操作中，VCO1在頻率合成器的頻率為f0時發送一輸出信號。基準振蕩器3在頻率fref時發送基準信號。反向除法器8在傳遞給相位-頻率比較器7之前將VCO1的頻率f0除以整數N(在本例中)，其結果是鎖相環路以下述公式實現
f0=Nx fref至少在初始化階段期間，為能在合成器輸出頻率變換期間最佳預置鎖相環路，裝置13確定作為測量參數(如環路濾波器5下游電壓、工作溫度或工作時間)的函數的VCO1的實際增益。
實際增益發送到控制單元21。在鎖相環路輸出頻率變化期間，開關27在時延電路25的控制下打開鎖相環路一段預定時間，而且在這段時期期間，一個預置電壓經加法電路27施加到VCO1。該預置電壓由單元21確定為VCO1的實際增益的函數。
由此，知道了VCO1的實際增益，該預置電壓產生一個非常接近于所要求的輸出頻率的輸出頻率，而且當開關再次關閉時，該鎖相環路鎖定得更快了。
顯然，不管工作環境如何，控制VCO1的實際增益縮短了鎖相環路的截獲時間，因為根據本發明的合成器對由于外界或內部的影響(如溫度變化或老化)引起的起伏現象不敏感。
圖2示出了本發明的一個變型的方框圖。在圖2中，與圖1中單元相同的單元用同一個參考號表示。
在圖1所示的合成器上改進的圖2的合成器特別在于，它為不帶有預置的調制合成器。
為此，根據本發明的合成器包括一高斯濾波器30，在其輸入端接收代表將被發送數據的數字信號，以及放大器32，用于放大濾波器30輸出的過濾的信號。
放大器32的輸出端連接到調制支路34和補償支路36。
調制支路34包括除法器38，其第一個輸入端接收放大器32輸出的過濾并放大的信號，其第二個輸入端接收計算單元19輸出的代表壓控振蕩器1的確定的實際增益的信號。
除法器38用于將過濾并放大的調制信號除以VCO1確定的實際增益。除法器38的輸出連接到數模變換器40的輸入，變換器40將除法器38的輸出信號變換成模擬信號。
變換器40的輸出端連接到加法電路42(在環路濾波器5和VCO1之間)的兩個輸入端中的一個。加法電路42的另一輸入端連接到環路濾波器5的輸出端，而電路42的輸出端連接到壓控振蕩器1的輸入端，調制支路34因此準備好調制信號，并將其饋入到鎖相環路PLL。
為了不將反饋環路9中的信號沾染上VCO1輸出的調制信號，并且為確保合成后的頻率高度穩定，根據本發明的合成器在補償支路36還包括補償裝置50，用于根據調制信號準備補償信號，并將補償信號饋入到反向除法器8的反饋環路9的上游。
補償裝置50包括乘法器52，其將放大器32輸出的調制信號乘以2π；累加器54，其輸入端連接到乘法器52的輸出端；以及單元56，用于形成同相信號I和正交信號Q(通過現有技術已知的cosine和sine變換)。
乘法器52、累加器54和單元56為數字元件更好。
單元56輸出的同相信號I和正交信號Q由相應的變換器58和60變換成模擬信號。
同相模擬信號I接著饋入到第一個混頻器62的兩個輸入端中的一個。混頻器62的另一個輸入端接收VCO1輸出的調制信號并混頻同相信號I與壓控振蕩器的輸出信號。
正交模擬信號Q饋入到第二個混頻器64的兩個輸入端中的一個。混頻器64的另一輸入端接收相移器66輸出的調制信號，相移器66將VCO1的輸出信號相移π/2，以混頻正交信號Q與壓控振蕩器相移π/2后的輸出信號。
最后，混頻器62和64的輸出信號施加到加法電路68的相應輸入端。加法電路的輸出端連接到反向除法器8的輸入端。
在圖2示出的該合成器的操作不同于圖1示出的操作在于，在輸出頻率變化時沒有預置，而且一個特別準備的調制信號饋入到環路濾波器5和VCO1之間的鎖相環路。該合成器因此能使用穩定的和未經調制的基準振蕩器3。在頻率f0由該調制信號調制的信號因此可在VCO1的輸出獲得。
將調制信號除以VCO1的實際增益，將減少在VCO1輸出出現的調制相位錯誤。
VCO1的增益以數字形式補償。需要補償是因為調制信號的相位會受增益影響，這將修改調制指數。
而且，由于饋入到反向除法器8的信號在頻率f0要為未調制的信號，因此VCO1輸出信號的調制在反饋環路9被取消(通過準備同相和正交補償信號I和Q，并將它們饋入到反饋環路9)。
因為饋入到反向除法器8的信號在頻率f0時為未調制信號，環路濾波器5的帶寬可更小，這有效減小了鎖相環路PLL上的噪聲水平。
圖1和圖2示出的實施例當然能被組合以獲得利用頻率預置的改進的合成器。
權利要求
1．一種頻率合成器，包括一個相位穩定環路，該環路包含壓控振蕩器(1)，基準振蕩器(3)，一鎖相環路，其用于接收來自壓控振蕩器(1)的信號和來自基準振蕩器(3)的信號作為輸入，在其輸出端為壓控振蕩器(1)發送控制電壓，并且還包含相位比較器(7)，其直接連接到基準振蕩器(3)的一個輸出端，并經包含反向除法器(8)的反饋環路(9)連接到壓控振蕩器(1)的輸出端，以及裝置(30、32、34、38、40、42)，用于在相位比較器(7)和壓控振蕩器(1)之間饋入調制信號，該合成器的特征在于，它還包括調制補償裝置(50)，用于根據調制信號準備一個補償信號，并將該補償信號饋入到反向除法器(8)的反饋環路(9)的上游，以取消壓控振蕩器的輸出的信號的調制，其中壓控振蕩器的輸出施加到反向器8的輸入。
2．根據權利要求1的合成器，其特征是，它包括裝置(13)，用于根據至少一個測量參數確定壓控振蕩器(1)的實際增益，而且確定裝置(13)用于發送代表壓控振蕩器(1)的實際增益的信號。
3．根據權利要求2的合成器，其特征是，它還包括除法器裝置(38)，其第一個輸入端用于從所述的確定裝置(13)接收代表壓控振蕩器(1)的實際增益的信號，其第二個輸入端用于接收該調制信號，其輸出端用于發送被壓控振蕩器(1)的實際增益除過后的調制信號，并且被連接到壓控振蕩器(1)和環路濾波器(5)之間的加法電路的一個輸入端，其中環路濾波器在相位比較器(7)的輸出端和壓控振蕩器(1)的輸入端之間。
4．根據權利要求1到3的任何一個的合成器，其特征是，所述的確定裝置(13)包括測量裝置(15)，其用于測量環路濾波器在第一頻率和第二頻率的輸出電壓，以及計算單元(19)，其通過將第一和第二頻率之差除以第一和第二控制電壓之差，用于計算壓控振蕩器(1)的實際增益，其中第一控制電壓和第二控制電壓分別在第一和第二頻率時測得。
5．根據權利要求4的合成器，其特征是，所述的確定裝置(13)還包括模數變換器(17)，它用于將測量裝置(15)測得的電壓變換成數字信號，而且所述的計算單元(19)為數字單元。
6．根據權利要求1到3中的任何一個的合成器，其特征是，所述的確定裝置(13)包括一溫度傳感器，一存儲器，用于存儲作為溫度的函數的壓控振蕩器的增益的列表，以及一控制單元，用于發送作為所測溫度和存儲在存儲器的增益值的函數的壓控振蕩器的實際增益。
7．根據權利要求1到3中任何一個的合成器，其特征是，所述的確定裝置(13)包括用于測量壓控振蕩器的工作時間的裝置，和一存儲器，用于存儲作為其工作時間的函數的壓控振蕩器的增益的列表，以及一控制單元，用于發送作為由計數器發送的工作時間和存儲在存儲器的增益值的函數的壓控振蕩器的實際增益。
8．根據權利要求1到7中的任何一個的合成器，其特征是，補償裝置(50)包括乘法器(52)，用于將調制信號乘以2π，累加器(54)，其輸入端連接到乘法器(52)的輸出端，單元(56)，其用于形成同相信號I和正交信號Q，第一個混頻器(62)以及第二個混頻器(64)，其中，每個混頻器處在反向除法器(8)的反饋環路上游的一個支路，第一個混頻器用于混頻同相信號I與壓控振蕩器(1)的輸出信號，第二個混頻器用于混頻正交信號Q與壓控振蕩器相移π/2后的輸出信號。
全文摘要
本發明涉及一種鎖相環路頻率合成器,它包括裝置(13)用于從至少一個測量參數確定壓控振蕩器(1)的實際增益,該實際增益確定裝置(13)用于發送代表壓控振蕩器(1)的實際增益的信號。
文檔編號H03C3/09GK1286532SQ00124079
公開日2001年3月7日 申請日期2000年8月25日 優先權日1999年8月26日
發明者帕特里克·薩菲利, 克里斯蒂安·瑪賽 申請人:阿爾卡塔爾公司