专利名称：频率合成器及其自动增益校准方法
技术领域：
本发明有关于一种频率合成器，特别是在于提供一具自动增益校准的频率合成器。
背景技术：
现在的无线通讯传送接收器中，一般都是使用一个锁相回路来产生载波信号，然后将所需传送的数据给予调制来产生调制的信号。锁相回路是由一个频率相位比较器、一个低通回圈滤波器、一个压控振荡器以及一个分频器组成。其中频率相位比较器的功用将经过分频器分频之后的信号和一个参考时钟信号比较产生一个误差的信号，再转换成对应的电流。得到电流之后，对低通回圈滤波器充放电，如果参考时钟较快，对其作充电的操作，反之，若参考时钟较慢，则是对其作放电的操作，将电流转换成电压，得到的电压再来控制控制器，使其工作在一预定的频率上。
调制信号的方法有多种，一般的方式就是对振荡器直接调制，也就是当锁相回路锁到所需要的载波频率后，将反馈路径切断，然后直接对振荡器调制。此种做法存在的问题是锁相回路必须要周期性地接上，避免载波频率飘移的情况太严重。而且在调制时，也须相当小心，将振荡器和周围的噪声隔离，才不会被干扰。
另一种方式例如美国第4965531号专利由Reley等人所公开的闭回路锁相回路的数字调制方式。其方式是用一个系数N的频率合成器，经过改变分频器所除的值来得到所要的频率，及例如美国专利第4864257号专利由Vandegraaf等人所公开的专利，其调制信号则直接会对闭回路的振荡器调制。上述两案虽然其因为载波频率因为闭回路的关系而不会飘移，但是却有频宽不足的问题产生。因此，信号的高频部分会被滤掉而产生失真的振荡频率信号。传输信号的频率就会受限住。
为了补偿这两者频宽的不足，有几个方法被提出来。在前述美国专利第4864257号由Vandegraaf等人所公开的专利中使用模拟放大器的方式，将调制信号经过一个频率响应为锁相回路的反向之后，送到锁相回路之中。但是模拟的补偿方式会因为制造工艺和温度的飘移而使得两者的频率响应不匹配。所以Perrot，于美国专利第6008,703号专利中即公开了用数字前置滤波器的方式来补偿，以避免掉制造工艺和温度漂移所造成的影响。可是这样的设计仍存在着问题，就是因为频道及频宽的增加，使得振荡器的个数和工作范围会跟着增加，如此，不匹配的情况会再度发生。所以，Norman在美国专利第6,515,553号专利中提到了双端口的调制方式，也就是在调制的过程当中，将信号经过一个高通滤波器，将信号的高频部分加到振荡器的控制电路中。如此可以达到一个全通滤波器的特性。但是模拟元件在实现时会有制造工艺和温度的漂移所造成的影响，而且在布局上的面积也较数字电路大，使得花费和功率消耗都会比较高。
图1表示一传统具前置滤波器的频率合成器，锁相回路1包括一相位比较器10、一个低通滤波器11、一个压控振荡器12、一N/N+1分频器13以及∑-Δ调制器14。由于锁相回路1本身具有一低通滤波器11，因此会使其信号传输时在高频部分失真。所以，为了要达到宽频调制，我们为了在传输信号时要克服锁相回路的低通滤波特性，会在频率合成器的前设一前置滤波器15，将信号予以滤波。此前置滤波器15在频率响应上和锁相回路1的频率响应是完全反向的，例如图2A所示，如此可产生一个全通滤波器，让信号可以完整的传送到锁相回路1中压控振荡器12的输出端上。
然而，通常一个频率合成器为了工作在相当宽的频带上，我们会设计许多不同的频带的压控振荡器让频率合成器去合成。可是由于设计面积上的考虑，通常仅会只有一组前置滤波器的值。然而，当我们切换同一振荡器的不同频率、切换不同颗振荡器或者是在阻抗的等效值有所不同时，所产生的开回路增益就会不同，造成锁相回路上的和前置滤波器的特性会有所不同。如此的结果会让信号传送过程，就会因为频率响应的不同，产生失真。此种因滤波器频率响应不匹配而造成的失真有两种可能，例如图2B及图2C中所示，图2B表示当前置滤波器的频宽小于锁相回路的情形(fc-pre＜fc-pll)；图2C表示当前置滤波器的频宽大于锁相回路的情形(fc-pre＞fc-pll)，两种情形皆会因频宽不匹配而导致信号的失真。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一具自动增益校准的频率合成器。
为达成前述目的，本发明提供一种频率合成器，包括一锁相回路锁相回路具有一相位比较器，可产生一第一信号；一低通滤波器，对该第一信号进行滤波并产生控制信号；一压控振荡器，受该控制信号产生对应的第一频率输出；一分频器，将该频率分频后输出至该相位比较器的输入端；一调制器，连接至该分频器；一前置滤波器，接收该输入信号将该信号滤波后送至该调制器；一自动增益校准电路，接收该低通滤波器所输出该控制信号，根据该控制信号的电压值后算出该相位比较器的电流增益值，并输出至该相位比较器中该控制信号的电流增益，使该前置滤波器的频率响应可与该锁相回路的频率响应匹配。
本发明另提出一方法，用以自动校准一具锁相回路的频率合成器的增益，其中该频率合成器包括有一前置滤波器与一回路滤波器，该前置滤波器与该锁相回路的频率响应互为倒数，该方法包括(a).提取一控制信号电压至一自动增益校准电路，该控制信号为该回路滤波器的输出；(b).根据该控制信号电压值算出对应于该控制信号的电流增益值；及(c).控制该相位比较器，使该控制信号的电流值对应该电流增益值，使该前置滤波器的频率可与该分频器的频率匹配。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。
图1表示一传统具前置滤波器的频率合成器；图2A表示前置滤波器的频宽等于频率合成器的频率响应示意图；图2B表示当前置滤波器的频宽小于频率合成器的频率响应示意图；图2C表示当前置滤波器的频宽大于频率合成器的频率响应示意图；图3表示本发明一较佳实施例的系统方块4表示本发明另一较佳实施例的系统方块图；图5表示该相位比较器的详细电路方块图。
图6表示本发明又一较佳实施例的电路方块图。
图7表示借助由上述实施例所实施的自动增益校准方法。
图8表示一步骤流程图。
图9表示一步骤流程图。
相关符号说明频率合成器～1；频率相位比较器～10；低通回圈滤波器～11；压控振荡器～12；分频器～13；∑-Δ调制器～14；前置滤波器～15；自动增益校准模块～20；频率选择器～16；加法器～18；模拟数字转换器～200；控制器～201；增益对照表～202；相位检测器～100；充放电电路～103；输出～101、102；开关～S1；开关～S2；开关～Sc，充电电流源～20I1～2nI1；N位数字信号～gain_control_sink[n:0]；电容～CP控制器～201’。
具体实施例方式
图3表示本发明一较佳实施例的系统方块图，此频率合成器包括一相位比较器10、一低通滤波器11、一压控振荡器12、一分频器13、一调制器具有一∑-Δ调制器14与一频率选择器16、一前置滤波器15，及一自动增益校准模块20。
相位比较器10接收经过分频器13分频之后的信号和一个参考时钟信号比较产生一个误差的信号，再转换成对应电流的输出。
低通滤波器11，接收相位比较器10的输出进行滤波，以滤除其高频部分。
压控振荡器12，接收该滤波后的控制信号输入，以转换成欲调制的频率(第一频率)输出。
分频器13，设于一反馈路径中，经该∑-Δ调制器14控制其分频的分频比(division ratio)，将压控振荡器12其输出的频率经分频后反馈至该相位比较器10的输入。
前置滤波器15，接收一输入信号，一组数字调制数据，经滤波后经一频率选择器16后结合一载波后输入∑-Δ调制器14而送至分频器13中。
自动增益校准电路20，接收该低通滤波器11所输出的控制信号，当该锁相回路1已稳定锁上预计的频率时，根据该控制信号的电压值算出相位比较器10的对应电流增益值以补偿压控振荡器12的增益至预计的增益，该对应电流增益值输出至该相位比较器10中控制该控制信号的电流增益，使该前置滤波器15的频率响应可与该锁相回路1的频率响应匹配。
图3中的锁相回路1为一闭回路，而相位比较器10、低通滤波器11以及压控振荡器12则为一开回路，请参阅下列算式(1)，其表示一开回路增益与闭回路增益间的关系式CL(S)=OL(S)1+OL(S)N]]>......算式(1)其中CL(S)代表闭回路增益；OL(S)代表开回路增益；N为该分频器13的除数而算式(1)中，其OL(S)=KΦ·KVCO·Z(S)S]]>算式(2)其中kφ为该相位比较器10的增益，kvco为该压控振荡器12的增益，Z(S)为低通滤波器的阻抗，其中Z(S)可控制为定值。
由上述算式(2)可知，前置滤波器15的频率响应就是由闭回路的频率响应而来，如果低通滤波器的阻抗值Z(S)是准确的，那么影响不匹配的参数就只剩下相位比较器10的电流增益kφ以及振荡器的增益kvco了。
如前述，由于产生前置滤波器15的频率响应只有一组，因此当我们切换压控振荡器12中不同的频率，就会有不同的振荡器增益kvco产生，造成前置滤波器15的频率响应和锁相回路的频率响应会不一样，而补偿的方法就是改变电流的增益，例如下式kφ，pre×kvco，pre＝kφ，pll×kvco，pll 算式(3)因此，实际工作时，该自动增益校准模块20会提取低通滤波器11输出的控制信号电压，然后将根据该电压找出锁定频率后该压控振荡器12对应的增益值，然后再根据该前置滤波器15的电流增益kφ，pre(固定电流增益)及压控振荡器增益kvco，pre(固定电压增益)带入算式(3)计算后，可求得该相位比较器10的电流增益值，再输出控制该相位比较器10输出电流。
图4表示本发明另一较佳实施例的系统方块图，此实施例中的大部分元件皆与前一实施例相同，在此不再赘述，其主要进一步叙述该自动增益校准电路20中的详细电路。
该自动增益校准电路20包括一模拟数字转换器200、一控制器201、及一增益对照表202，其中该模拟数字转换器200将该控制信号模拟电压值转换为一对应的数字电压值，接着，控制器201接收该数字电压值后即进入增益对照表202查出压控振荡器12对应的增益值kvco，pll，然后带入上述算式(3)可算出相位比较器10的电流增益kφ，pll后，输出控制该相位比较器10输出对应的电流值。
图5表示该相位比较器10的详细电路方块图，其中，该相位比较器10包括一相位检测器100及一充放电电路103(charge pump)，其中，该相位检测器100接收前述参考时钟信号及分频后的信号产生一误差信号于输出101或102上以控制充放电电路103中开关S1或开关S2的开闭，开关S1借助多个开关Sc(第一开关)耦接多个充电电流源20I1～2nI1(第一电流)，这些开关Sc可受由自动增益校准电路20所传的N+1位数字信号gain_control_sink[n:0](而呈工作或关断的状态，同样的开关S2(第二开关)亦借助多个开关Sd耦接多个放电电流源20I2～2nI2(第二电流)，这些开关Sd可受由自动增益校准电路20所传的N+1位数字信号gain_control_source[n:0]而呈工作或关断的状态。一电容CP，电容，接收充电电流加总而充电或接收该放电电流加总而放电。
实际操作时，相位检测器100输出误差信号至输出101或102以工作开关S1或S2，然后借助由N位控制信号可控制开关SC或开关Sd工作的个数，进一步可控制流入的电流I1或电流I2的电流值加总，以使电容CP充电或放电，而达到其欲控制的电流增益。
图6表示本发明又一较佳实施例，其大部分元件与前述实施例相同，在此不再赘述，其主要不同为在该自动增益校准电路20’包括一模拟/数字转换器200及一控制器201’，该模拟/数字转换器200将接收的模拟信号转换成对应的数字值。该控制器201’会于锁定该锁相回路的载波频率时，提取由该低通滤波器11所输出的一第一电压。接着，由该控制器201’输入一偏移频率(offset frequency)Δf至该调制器2中的加法器18，调制输入信号后，再由低通滤波器11的输出提取一第二电压。最后，再根据该偏移频率Δf及该第二电压与该第一电压差V2-V1算出相位比较器10对应的电流增益值，控制器201’根据该偏移频率及该第二电压与该第一电压差V2-V1带入下列演算式(4)可算出压控振荡器的增益值kvco，然后将该增益值带入上述算式(3)即可得到相位比较器对应于的电流增益值kφ，pll。
kvco=ΔfV2-V1]]>演算式(4)，
其中Δf代表偏移频率，V2-V1则代表第二电压与该第一电压差，当偏移频率Δf与电压差值V2-V1很小时，可以得知Kvco＝df/dv，当控制器201’输出偏移频率Δf至该调制器2，使调制器2输出至分频器13改变其分频比，因此频率与低通滤波器输出的电压微分值即为单位频率所需增加的增益，因此对相位比较器的增益值因而得知。
图7表示借助由上述实施例所实施的自动增益校准方法，包括下列步骤步骤S1，提取一控制信号电压至一自动增益校准电路，该控制信号为该低通回路滤波器的输出；接着，步骤S2，自动增益校准电路根据该控制信号的电压值算出对应于该控制信号的电流增益值；最后，步骤S3，控制器根据该电流增益值控制该相位比较器的电流增益，使该相位比较器输出对应的电流，使该前置滤波器的频率可与该分频器的频率匹配。
如图8所示，步骤S2中还包括下列步骤首先，于步骤S2.1中，经一模拟/数字转换器转换该控制信号的电压值至一对应的数字电压值；接着，于步骤S2.2，控制器根据此数字电压值于一增益对照表中查出锁相回路中压控振荡器的对应增益值。最后，于步骤2.3中，根据该压控振荡器的增益值及一固定电流增益值及电压增益值代入前述算式(3)即可算出该控制信号的电流增益值。
图9表示图7中步骤S2的另一实施例，包括下列步骤首先，于步骤S2.4中，提取由一低通滤波器输出控制信号的一第一电压；接着，于步骤S2.5中，输入一偏移频率，提取该低通滤波器输出控制信号的一第二电压；步骤S2.6，根据该偏移频率及该第二电压与该第一电压差算出对应于该压控振荡器的增益值。最后，进入步骤S2.7，根据该压控振荡器的增益值及一固定电流增益值及电压增益值带入前述算式(3)中算出该控制信号的电流增益值。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。
权利要求
1.一频率合成器，用以调制一输入信号，包括一锁相回路，具有一相位比较器，可产生一第一信号，一低通滤波器，对该第一信号进行滤波输出一控制信号，一压控振荡器，依据该控制信号产生一第一频率的输出信号以及一分频器，将该第一频率输出信号分频后输出至该相位比较器的输入端；一调制器，连接至该分频器；一前置滤波器，接收该输入信号将该信号滤波后送至该调制器；一自动增益校准电路，接收该控制信号，根据该控制信号的电压值算出对应于该控制信号的电流增益值，并输出至该相位比较器中调整该相位检测器的电流增益，使该前置滤波器的频率响应可与该分频器的频率响应匹配。
2.如权利要求1所述的频率合成器，其中该自动增益校准电路包括一模拟/数字转换模块，接收该控制信号的模拟电压并转换成对应的数字电压值输出；一增益对照表，可根据该数字电压值查出该压控振荡器的对应增益；一控制器，根据该压控振荡器增益及一固定电流增益值及电压增益值计算出该相位比较器中该控制信号的电流增益后，输出控制该相位比较器的一增益控制信号。
3.如权利要求1所述的频率合成器，其中该自动增益校准电路于先提取一第一电压后再输入一偏移频率至该调制器后，该调制器依据该偏移电压调制该输入信号，再提取一第二电压，根据该偏移频率及该第二电压与该第一电压差以及一固定电流增益值及电压增益值算出对应于该控制信号的电流增益值。
4.如权利要求1所述的频率合成器，其中该相位比较器包括一相位检测器，接收一参考时钟信号及该分频后信号输出一误差信号；一充放电电路，接收该误差信号控制而控制一第一开关或一第二开关。
5.如权利要求4所述的频率合成器，其中该充放电电路中该第一开关，接收该相位检测器输出的误差信号而呈一工作或关断的状态，该第一开关借助多个第三开关接收对应的第一电流，其中各该第三开关根据该自动增益校准电路所输出的数字信号而呈工作或关断的状态；该第二开关，接收该相位检测器输出的误差信号而呈一工作或关断的状态，该第一开关借助多个第四开关接收对应的第二电流，其中各该第四开关根据该自动增益校准电路所输出的数字信号而呈工作或关断的状态；及一电容，接收经该工作的第一开关的第一电流加总而充电或接收经该工作的第二开关的第二电流加总而放电。
6.如权利要求1所述的频率合成器，其中该调制器，包含一∑-Δ调制器及一频道选择器后，该频道选择器耦接至该前置滤波器上，用以将经该前置滤波器的该输入信号经选择频道调制器及该∑-Δ调制器输出至该分频器中。
7.如权利要求1所述的频率合成器，其中该锁相电路的频率响应与该前置滤波器的频率响应互为倒数。
8.一方法，用以自动校准一具锁相回路的频率合成器的增益，其中该频率合成器包括有一前置滤波器与一回路滤波器，该前置滤波器与该锁相回路的频率响应互为倒数，该方法包括(a).提取一控制信号电压至一自动增益校准电路，该控制信号为该回路滤波器的输出；(b).该自动增益校准电路根据该控制信号的电压值算出对应于该控制信号的电流增益值；及(c).控制该相位比较器的电流增益，使该相位比较器输出对应的电流，使该前置滤波器的频率可与该分频器的频率匹配。
9.如权利要求8所述的方法，其中在步骤(b)中，还包括转换该控制信号的电压值至一对应的数字电压值；根据该数字电压值查出锁相回路中压控振荡器器的对应增益值；及根据该压控振荡器的增益值及一固定电流增益值及电压增益值算出该控制信号的电流增益值。
10.如权利要求9所述的方法，其中借助一模拟/数字转换器将该控制信号的电压值为一对应的数字电压值。
11.如权利要求9所述的方法，其中借助一控制器接收该数字电压值并进入一增益对照表查出锁相回路中压控振荡器器的对应增益值。
12.如权利要求9所述的方法，其中借助由一控制器根据该压控振荡器的增益值算出该相位比较器的电流增益值。
13.如权利要求8所述的方法，其中在步骤(b)中，还包括提取由一低通滤波器输出控制信号的一第一电压；输入一偏移频率，提取该低通滤波器输出控制信号的一第二电压；根据该偏移频率及该第二电压与该第一电压差算出对应于该压控振荡器的增益值；及根据该压控振荡器的增益值及一固定电流增益值及电压增益值算出该控制信号的电流增益值。
14.如权利要求13所述的方法，其中借助由一控制器算出该对应于该控制信号的电流增益值。
全文摘要
一种频率合成器及自动增益校准方法，用以调制输入信号，频率合成器包括锁相回路相位比较器，可产生一信号，低通滤波器，对该信号滤波产生控制信号，压控振荡器，受该信号控制产生对应频率输出，分频器，将输出至相位比较器输入端；前置滤波器，其具有与锁相回路频率响应倒数的频率响应，输入一信号至该前置滤波器，经调制器调制后输出至分频器中；自动增益校准电路，接收低通滤波器所输出控制信号，根据控制信号的电压值后算出对应压控振荡器的电流增益值，并输出至相位比较器中调整电流增益，使前置滤波器的频率响应与该锁相回路频率响应相匹配，使输入信号经过该前置滤波器和∑－Δ调制器进到锁相回路后，在压控振荡器的调制信号可不失真。
文档编号H03L7/18GK1655458SQ200410005348
公开日2005年8月17日 申请日期2004年2月11日 优先权日2004年2月11日
发明者王重仁, 庄朝喜, 王中正 申请人:络达科技股份有限公司