专利名称：通信设备中基准振荡器的温度补偿方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通信设备，更具体地涉及通信设备中基准振荡器的温度补偿。
通信设备如无线电话通常包括一个无线接收机和/或一个无线发射机。为了控制接收或发送的频率，该无线设备还包括一个本地振荡器或基准振荡器。基准振荡器提供一个已知频率的振荡信号器。通常，一个晶体被用于作为振荡信号源。接收机和发射机被调谐到用该振荡信号作为基准的相应频率上。
为了可靠的性能，由基准振荡器生成的信号必须保持其频率没有漂移。在输出频率中的两个漂移来源是基准振荡器工作温度的变化和晶体在通信装置工作寿命期间的老化。补偿被用于生成一个不大受温度和由于老化的变化影响的振荡信号。
在通信设备中一个已知的补偿方法是自动频率控制，采用接收的信号作为一个稳定的频率基准。举例来说，通信设备中的一个移动台可以通过比较由基准振荡器生成的振荡信号的频率与从基站台接收的信号频率来调节其基准振荡器。为响应根据比较结果所生成的二进制差错信号，移动台调节基准振荡器频率，如果差错信号是“HI”，则降低频率，如果差错信号是“LO”，则提高频率。通过周期地重复比较，基准振荡器频率被保持在可接受的范围内。
该方法的有效性受到在启动时频率差错的幅度和极性的不确定性的限制。在开始建立一个无线链路的过程中，自动频率控制可能要花大量时间搜寻合适的校正，生成一个时间延时。该延时对于用户可能是不方便的或不可接受的。
在通信设备中另一个已知的补偿方法包括在生产过程中说明基准振荡器的频率随温度的变化。对应于频率随温度的变化的数据被存储在一个存储器中用于再次调用。以后在无线设备的运行过程中，采用温度探测器重复地进行温度测量。一个解码器和控制器响应一个来自温度探测器的模拟电压或温度信号，从存储器中读出一个相应的校正系数，施加一个控制电压到本地振荡器。在施加控制电压之后，控制器测量本地振荡器和由无线设备接收的发送信号之间的频率误差。如果该误差是在可接受的限度内，温度被再一次读出，该过程被重复进行。如果该误差不在可接受的限度内，校正的取得是通过检测频率漂移的范围并生成一个控制电压，直至频率漂移得到补偿。指示用于该温度的相应的控制电压的新数据被存储在存储器中。
要求连续地测量温度限制了该常规方法的有效性。采用温度探测器的温度测量易产生差错。当对应于温度的模拟电压被量化为一个数字的数时还会引入差错。用于确定对于特定温度的控制电压的计算引入另外的误差。甚至小的误差也可能在基准振荡器所确定的输出频率上产生相当大的误差。举例来说，在900MHz载波频率上，一个±1.5ppm的频率误差对应于±1.35KHz，对在一个符合高级移动电话业务(AMPS)标准，信道带宽是30KHz的通信系统中所用的无线设备，或符合窄带高级移动电话业务(NAMPS)标准，信道带宽仅为10KHz的无线设备，这是一个相当大的误差。
因此，在对于用于一个通信设备中基准振荡器的温度补偿改进的方法和装置的技术方面存在一个需求。
本发明的特征，相信是新颖的，在附加的权利要求书中详细列出。本发明与其进一步目的和优点可通过参考下面结合附图所作的描述中得以最好的理解，在几幅附图中，同样的标号代表同样的部件，其中附
图1为根据本发明的通信装置的框图。
附图2为说明操作根据本发明的附图1中的通信装置的一种方法的流程图。
附图3为进一步说明操作根据本发明的附图1中的通信装置的一种方法的流程图。
参照附图1，通信装置100包括一个天线101，一个接收器102，一个频率差错检测器103，一个解调器104，一个音频处理器106，和一个控制器108。通信装置100还包括一个调制器110，一个发送器112和一个功率放大器114。通信装置100还包括一个数模转换器或DAC116，一个基准振荡器118，一个频率合成器120和一个压控振荡器或VCO122。为了可由一个用户来对通信装置100的控制进行操作，通信装置100还包括一个用户接口124。为了检测温度，通信装置100还包括一个温度传感器，并且为了储存数据，通信装置100还包括一个存储器128。通信装置100可以是一个无线电话，比如一个蜂窝或无绳电话手机，或者通信装置100可以是一个移动无线设备。
为了通过通信装置100进行话音和数据的接收，天线101被设置来接收由一个远端收发机发送的电磁能量，并在无线电频率上生成电信号。接收器102被耦合到天线101，并被设置来接收射频(RF)信号。通常RF信号由一个远端收发机根据一个预定的通信协议来发送的。这些协议的例子包括高级移动电话业务(AMPS)或窄带高级移动电话业务(NAMPS)。在这些协议中，通信信道被预定在指定的频率上用于通信装置100与远端收发机之间的RF信号的发送和接收。RF信号被适当地调制来承载话音或数据信息。解调器104从接收器102接收调制的RF信号，对其进行解调提取话音或数据。解调器104向音频处理器106提供话音或数据用于转换成音频信号。音频信号的指示被提供给控制器108和用户接口124。用户接口124通常包括一个扬声器，一个送话器，一个键盘和一个显示。
为了通过通信装置100进行话音和数据的发送，控制器108和用户接口向音频处理器106提供一个音频信号的指示。音频处理器106传送话音或数据到调制器110，调制器提供音频信号到发送器。发送器112根据从调制器110所接收的音频信号调制RF载波信号来产生RF信号。功率放大器114放大RF信号并把它们提供到天线用于发送到远端收发机。
为在接收器102和发送器112中提供信道选择性，在合成器120的控制下，VCO122提供一个相当稳定的振荡信号到接收器102和发送器112。在一个接收或发送的频率上，或该频率的倍频上，合成器120向VCO122提供一个振荡信号。为响应从控制器108收到的控制信号，合成器改变接收或发送的频率来分别调整接收器102或发送器112，到一个特定的信道或频率。一些控制线和其它连接被从附图1的框图中省略了，以使所画图不过分地复杂。由合成器120提供给VCO122的振荡信号是根据一个由基准振荡器118提供的振荡信号生成的。
基准振荡器118包括一个振荡器电路130，一个晶体132和一个变容二极管134。基准振荡器118有一个用于提供振荡信号的输出端136和一个用于接收控制电压的输入端138。基准振荡器118被设置成在某个输出频率上，在输出端136提供一个振荡信号。输出频率根据一个预定的关系随温度变化。输出频率是根据控制电压而变化的。控制电压是一个模拟的电压。为允许控制器108改变控制电压，DAC116有一个用于从控制器108接收数字控制信号的输入端140。根据数字控制信号，DAC116在输出端142产生一个对应于数字控制值号的模拟电压。DAC116最好是一个8比特数模转换器，但是，其它配置也可以使用。
晶体132有一个端子144和端子146。晶体132为基准振荡器118提供一个稳定的频率阻抗。晶体132的频率特性具有一个根据下列关系定义的随温度的频率变化(1)ΔF＝A(T-Ti)+C(T-Ti)3在这里ΔF是频率上的变化，单位是百万分率(ppm)，A和C是系数，Ti是偏转温度。根据本发明，晶体132有一个直接印在封装上的晶体代码，定义晶体频率和温度之间的关系。具体地，晶体代码包括定义A、C和Ti的字母或数字。
振荡器电路130是一个常规电路，接收来自晶体132的振荡信号，并将其传送到合成器120。振荡器电路130可以提供缓冲，阻抗匹配，电平转换和其它功能来保证振荡信号在合成器120的精确接收。
温度传感器126有一个输出端148。温度传感器126在输出端148提供一个与所测量的温度成正比的模拟信号。作为可选择的方案，温度传感器126可以使用热敏电阻或二极管。优选地，温度传感器126在通信装置100中位于尽可能靠近基准振荡器118之处，以保证温度传感器126能够测量基准振荡器118特别是晶体132的温度。这样的位置使得由于通信装置100中的温度梯度导致的后续误差减小到最小。类似地，同样具有温度依赖性的变容二极管134也应当置于靠近晶体132和温度传感器126附近。
存储器128最好是一个非易失读写存储器，例如可擦写可编程只读存储器，或E2PROM。存储器通过控制器108编址，进行存储和读取数据。非易失是存储器128的重要特性，从而在通信装置100制造过程中存储在存储器128中的数据被保留在存储器128中，可以在随后的通信装置的工作中使用。
频率误差检测器103的第一输入端154连接于接收器，第二输入端156连接于VCO122，输出端158连接于控制器108。在第一输入端154，频率误差检测器103接收来自接收器的基准信号。基准信号是远端的收发机发射，接收器102接收的RF信号。接收基准信号时的频率假定校准到通信装置100进行通信的信道。如下面将要说明的，基准信号的频率用于提供通信装置100的自动频率控制。在第二输入端156，频率误差检测器103接收基准振荡器118的输出信号。
频率误差检测器103对基准振荡器118的输出频率和所接收的频率，基准信号的频率之间的频率误差产生一个指示。根据本发明，频率误差检测器103的输出是以频率校正步长大小和频率校正步长方向的形式给出的。频率校正步长大小最好是一个指示增加或减小基准振荡器的输出频率以便减小频率误差指示的量的二进制值，频率校正步长方向指示增加或减小输出频率。频率误差检测器103连接于接收器102，用于确定基准频率和基准振荡器118的输出频率之间的频率误差。
控制器108最好是一个微控制器。控制器108根据预定的指令程序和存储在存储器例如存储器128中的数据工作。在这些指令中，有一组指令构成自动频率控制，或AFC程序152。控制器108本身可以包括一个存储指令或数据的存储器，或者控制器108连接附加的存储装置例如随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)。
控制器108包括一个模数转换器或ADC150，连接于温度传感器126。ADC150接收温度传感器126产生的模拟信号，并产生一个数字值，被控制器108当作温度的指示。ADC150最好是8位或10位模数转换器。作为一种替代方案，ADC150可以是通信装置100的单独的分立元件。但是，优先选用带有ADC例如ADC150的控制器例如控制器108，因为通信装置的设计目标之一是使通信装置100的零部件的数量和体积最小化，从而使制造成本最小化。
根据本发明，在制造时，晶体代码是通过制造设备中包括的机器观测仪器自动从晶体132读取的。这些数值从制造设备被传送到控制器108，经过控制器108的处理，作为表示温度指示和对应的基准振荡器118和晶体132的输出频率之间关系的数据存储在存储器128中。随后，在通信装置100被加电时工作的过程中，控制器108确定基准振荡器或晶体132温度的指示。根据温度的指示，基准振荡器的输出频率被校正到该温度下的一个额定值。输出频率的偏差符合下列方程(2)偏差＝B+A(TA/D-Ti)+C(TA/D-Ti)3在这里A，B和C是从存储器128中读出的系数，TA/D是由温度传感器126和ADC150提供到控制器108的温度指示。控制器108根据温度指示和来自存储器128的数据，通过提供一个控制信号到DAC116偏差或校正基准振荡器118的输出频率。响应于此，DAC116提供一个控制电压到基准振荡器来调节基准振荡器118的输出频率。在通信装置100加电后，在通信装置100的连续工作过程中，不进行目的在于校正频率误差的温度测量。
在采用存储的数据对基准振荡器输出频率的进行初始校正或温度补偿之后，频率误差的校正是由自动频率控制在AFC例行程序152的指导下提供的。频率误差检测器103确定基准振荡器的输出频率与从远端收发机接收的基准信号的频率之间的频率误差的一个指示。频率误差可能是由于通信装置100的温度变化，特别是晶体132的温度变化所引起的，或可能是由于晶体132的老化所引起的。根据频率步长修正量的大小和频率步长修正量的方向，控制器108提供一个控制信号到DAC116，DAC116提供一个控制电压到基准振荡器118。因此，基准振荡器118的输出频率根据步长大小和步长方向被改变。频率误差检测、步长大小与步长方向的确定和校正的过程被重复进行，直至频率误差的指示是小于一个预定的最大值。因此，在输出频率的第一次校正之后，控制器108只有根据频率误差的指示才向基准振荡器118提供控制电压。
因为自动频率控制功能是仅采用离散频率步长在一个特定的频率步长大小和步长方向上实现的，需要限制范围来保证频率步长是一个精确的选择，并且不会使通信装置进一步偏离与接收信号的频率锁定。根据本发明，在生产的时候，根据存储在存储器128的数据和由温度传感器提供的温度指示，计算出一个或多个限定值。用于最初确定范围偏置值的一般关系如下所示
在这里，W1和W2是数模转换器步长值，F2和F1是频率值。其它的范围计算也可适用。
范围偏置值对于每一个偏差值最好是同样的，与温度无关。不过，随着温度的变化，偏差值根据上面方程(2)所定义的而变化。因此，限定值根据新的温度周期地被校正。也就是说，在等待一个预定的时限后，本发明的通信装置确定一个基准振荡器的温度指示，并根据温度指示更新。通过确定理论的偏差值来更新限定值，然后，把根据方程(3)-(6)最初确定的范围偏置加到偏差值。
现在参照附图(2)，它表示一个说明根据本发明的附图(1)的通信装置100的操作的流程图。方法从步骤202开始，在能够表征基准振荡器输出频率和温度之间的预定关系的数据被存储在存储器128之后。在步骤202，通信装置被加电。在步骤204，方法包括确定基准振荡器118的温度指示。也就是说，温度传感器126提供一个指示温度的模拟信号，该信号通过ADC150被转换成数字数据。
在步骤206，根据温度指示，方法通过校正基准振荡器118的输出频率继续。控制器108从存储器128读出定义对应于温度指示系数A，B和C，并根据上面方程(2)计算一个偏差值。控制器108提供一个控制信号到DAC116以调整基准振荡器118，控制信号由DAC116转换为控制电压。
方法在步骤208继续，这时通信装置100扫描一个有效的频道。控制器108控制合成器120把接收器102调谐到一个根据通信协议如AMPS定义的信道。如果未找出一个有效信道，在步骤210，控制返回步骤204重复温度测量。如果找出一个有效信道，控制向下继续到步骤212。
在步骤212，频率误差被测量。频率误差检测器103比较基准振荡器118的输出频率和接收的频率，即基准信号的频率。频率误差检测器103以频率修正量步长大小和频率修正量步长方向的形式确定一个频率修正量，提供给控制器108。举例来说，频率修正量步长方向可以表示改变基准振荡器的输出频率2倍，频率修正量可以表示频率的增加，而不是减少。或者，频率修正量步长大小可以预先定义为一个，由控制器108选择的缺省值。
在步骤216，控制器108确定频率修正量步长大小是否小于一个限定值。当频率修正量步长大小小于一个限定值时，则在步骤218方法继续，即认可该频率步长，根据频率修正量校正基准振荡器118的输出频率。在步骤220，频率误差被再一次测量并且与一个预定的最大误差相比较。在步骤222，如果频率误差不小于预定的最大误差，流程控制返回步骤214进行额外的的频率修正量。如果在步骤222，频率误差小于预定的最大误差，方法在步骤224结束。另一方面，方法可以当频率修正量步长方向改变符号或它的表示基准振荡器118的输出频率和接收的频率之间差别的二进制值改变了符号时结束。这时对应于误差的过零点。
如果在步骤216，频率修正量步长大小不小于限定值，控制返回步骤204再一次测量温度。要说明的是，这是一个不太可能发生的条件，表示元件故障。
为改善自动频率控制操作的精度，步骤214，216，218，220和222可以采用接连地较小的步长重复进行。举例来说，在最初的“快速锁定”或粗略锁定操作中，频率步长大小可能是相对大的，基准振荡器输出频率阶跃直至频率修正量步长方向改变符号。因此，根据本发明的这种方法包括通过一个粗的步长大小调节输出频率的步骤直至差别或误差满足第一条件。在那时，步长大小可以被减小，例如，对于“慢速锁定”操作的执行，减小到快速锁定步长大小的二分之一或三分之一。当频率修正量步长方向再一次改变符号时，步长大小可以被最后一次减小，比如减小二分之一或三分之一。在这个小步长下，自动增益控制例行程序完成一个“跟踪”操作，保持基准振荡器输出频率紧密地锁定在接收的频率上。因此，根据本发明的方法将包括通过一个微小步长大小调节输出频率的另外步骤，直至差别或误差满足第二条件。不过，其它条件，如获得一个预定量小的频率误差，也同样可以被实施。
附图3是一个说明根据本发明用于更新频率步长大小的限定值方法的流程图。这个例行程序最好周期地执行，例如，当通信装置是在工作时，一分钟执行四次。该方法开始于步骤302。在步骤304，判断一个预定的时间，如15秒钟(参照附图3中的极限时间)，是否已经过去。如果是的话，流程控制继续到步骤306。如果极限时间还没有过去的话，流程控制返回到步骤304。在步骤306，温度被测量，产生一个基准振荡器118的温度指示。在步骤308，通过确定对应于当前温度的偏差值，更新限定值或限定值组。把范围偏置加到偏差值。然后，流程控制返回步骤304等待预定的极限时间的过去。
如前所见，本发明提供了一个用于在通信设备中通过温度补偿基准振荡器来控制基准振荡器的的方法和装置。在生产时，特征数据被存储在通信装置的非易失读写存储器中。当通信装置被加电或从停用到恢复使用，特征数据被读出，并被用于提供一个初始的修正量给基准振荡器的输出频率。在此之后，自动频率控制操作是采用从一个远端发送器作为一个基准信号接收的RF信号来完成的。频率修正量是以频率步长大小和步长方向的形式确定的。基准振荡器的输出频率重复地阶跃直至频率误差被减小。
已经表示和说明了本发明的一个特定实施例，可对其作出各种改变。例如，如果传输路径包括调制器110，发送器112和功率放大器114被删除，通信装置100可以构成具有本发明所有好处和优点的一个寻呼接收机。因此希望用所附权利要求书覆盖所有落入本发明的精神和范围的类似的变化和改变。
权利要求
1.一个用于在通信装置中控制基准振荡器的方法，包括以下步骤(a)确定基准振荡器的温度指示；(b)根据所述温度指示，校正基准振荡器的输出频率；(c)选择一个有效的信道用于通信；(d)确定基准振荡器的输出频率和一个接收频率之间的频率误差的指示；(e)根据所述频率误差的指示，确定一个频率修正量；(f)当所述频率修正量是小于一个限定值时，根据该频率修正量来校正基准振荡器的输出频率；且(g)重复步骤(d)-(f)直至频率误差的指示小于一个预定的最大值。
2.根据权利要求1所说的一个用于控制基准振荡器的方法，其特征在于在该方法还包括周期地校正限定值的步骤。
3.根据权利要求2所说的一个用于控制基准振荡器的方法，其特征在于其周期地校正限定值的步骤包括以下步骤(h)等待一个预定的时间值；(i)确定一个基准振荡器的温度的指示；和(j)根据基准振荡器的温度指示，更新限定值。
4.根据在权利要求1所说的一个用于控制基准振荡器的方法，其特征在于确定频率修正量的步骤包括确定一个频率修正量的步长大小和一个频率修正量的步长方向的步骤。
5.根据权利要求1所说的一个用于控制基准振荡器的方法，其特征在于该方法还包括最初储存表示温度指示和对应的基准振荡器的输出频率之间关系的数据的步骤，和在步骤(b)中包括根据基准振荡器温度指示和数据设置输出频率的步骤。
6.根据权利要求5所说的一个用于控制基准振荡器的方法，其特征在于确定频率误差的指示步骤(d)和校正基准振荡器的输出频率步骤(f)不包括确定温度的指示。
7.一个通信装置包括一个设置成在一个基准频率上接收一个射频(RF)信号的接收机；一个设置成在一个输出频率上提供一个振荡信号的基准振荡器，输出频率根据一个预定的关系随温度变化，输出频率是可根据一个控制电压变化的；一个用于储存数据的存储器，该数据作为预定关系的特性；一个频率误差检测器，耦合到接收机用于确定基准频率和输出频率之间频率误差的指示；一个温度传感器用于提供一个温度的指示；和一个控制器，耦合到接收机，存储器，频率误差检测器，温度传感器和基准振荡器，用于接收温度的指示，频率误差的指示和数据；根据所述的温度指示和数据，控制器首先通过提供控制电压到基准振荡器来校正输出频率，接着控制器只根据频率误差的指示才向基准振荡器提供控制电压。
8.根据权利要求7所说的一个通信装置，其特征在于控制电压对应于一个频率修正量步长的大小和一个频率修正量步长的方向，根据温度的指示和数据，控制器确定一个限定值，只有当频率修正量步长大小是小于一个限定值时，控制器提供一个控制电压。
9.根据权利要求8所说的一个通信装置，其特征在于控制器根据频率修正量步长的大小和频率修正量步长的方向重复地增加控制电压直至频率误差的指示是小于一个预定的最大值。
10.根据权利要求9所说的一个通信装置，其特征在于控制器根据温度的指示和数据周期地接收温度指示并根据温度指示和刷新限定值。
全文摘要
在通信装置100中的基准振荡器是通过对基准振荡器的温度补偿来控制的，在生产时，特征数据被储存在通信装置100的非易失读写存储器128中。在通信装置100被加电时，特征数据被读取并被用来产生一个初始修正量(206)到基准振荡器(118)的输出频率。随后，将接收到的来自远端发送器的RF信号用作基准信号，进行自动频率控制操作。频率修正量是以频率步长大小和频率步长方向的形式确定的。基准振荡器的输出频率重复阶跃直至频率误差最小化。
文档编号H03L1/00GK1166093SQ9710422
公开日1997年11月26日 申请日期1997年5月9日 优先权日1996年5月10日
发明者约翰H·斯皮尔斯 申请人:摩托罗拉公司