用于频率合成器的周期滑移防止的改进系统和方法

专利名称：用于频率合成器的周期滑移防止的改进系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种用来防止在频率合成器中的周期滑移的改进方法和系统。
背景技术：
频率合成器实际上被用在所有无线装置中以产生基频，无线装置以该基频工作。 无线通信常常需要改变工作频率。改变无线装置的频率所要求的时间量通常是无线装置在 其期间不能正常运行的时间，就是说，当改变频率时无线装置不能发射或接收数据。无线应 用是非常成本敏感的，因此实现频率快速切换的方法非常重要。无线装置的可靠性也非常 重要，并且模拟方法往往较大、成本较高及常常不如它们的数字对等方法可靠。大多数现 代集成频率合成器使用称作相位频率探测器(PFD)的装置，该相位频率探测器测量在基准 (REF)与压控振荡器(VCO)之间的相位和频率的差别。传统PFD遇到称作周期滑移的问题， 该周期滑移导致改变频率花费较长时间。REF和VCO输入通过PFD起作用，该PFD产生输 出UP(向上)和D0WN(向下)切换信号，这些输出UP和DOWN切换信号又将电流驱动到环 路滤波器上，该环路滤波器控制压控振荡器。当REF和VCO信号同相时，向上和向下脉冲都 很短并且相等。当合成器改变频率时，初始地，VCO信号频率不再等于REF信号频率。如果 VCO频率与REF稍有不同，那么相位误差将积累，并且向上/向下脉冲将具有与相位误差成 比例的不同持续时间。随着误差增大，电荷泵将会ON(通)较长时间，因而泵送到环路滤波 器中的电荷将成比例地增加。然而，当相位误差超过360度时，它卷回到(wrap back)零， 并且整体结果是电荷泵被接通非常短的时间段，因而推入环路滤波器中的校正电荷向零退 回，而不顾在频率中存在显著误差的事实。这使VCO分频信号相对于REF滑移一个周期，并 且VCO在所需新频率的方向上的调谐速率将减小或者甚至可能临时反向。最后结果是VCO 从开始频率改变到最终频率的时间增加，并且锁定到新频率上的整体时间也增加。一种方 案探测周期滑移即将发生，并且接通额外电荷泵电流单元。这将恒定电流(直流)输出到 环路滤波器，或者从环路滤波器除去恒定电流(取决于为了获得新频率，VCO调谐电压需要 增大还是减小)。效果是PFD的范围的线性范围增大。稳定性被保持，因为电流是恒定的而 不是脉动电流。如果相位误差再次增大到其中另一个周期滑移是可能的的点，则它接通另 一个电荷泵单元。这样继续直到它探测到VCO频率已经通过所需频率。它然后开始逐一切 断额外电荷泵单元，直到它们已经被全部切断并且频率安定下来。这种方案的缺陷是，它要 求额外的模拟电路，这将成本、复杂性及寄生电容添加泵上，因而限制其上限工作频率。在 大多数应用中，这足以完全消除周期滑移，给出快得多的锁定时间。其它方案应用可能是十 分复杂的类似技术。一些要求VCO的较复杂和灵敏的计时，其它要求多路转换器和计数器的复杂混合。

发明内容
因此本发明的目的是，提供一种用于在频率合成器中的周期滑移防止的改进系统 和方法。本发明的进一步目的是，提供这样一种用于周期滑移防止的改进系统和方法，这 种系统和方法不要求另外的模拟电路。本发明的进一步目的是，提供这样一种用于周期滑移防止的改进系统和方法，这 种系统和方法可通过数字电路实现。本发明的进一步目的是，提供这样一种用于周期滑移防止的改进系统和方法，这 种系统和方法实现频率获得时间的显著减小，而没有额外巨大的和高成本的模拟硬件。本发明的进一步目的是，提供这样一种用于周期滑移防止的改进系统和方法，在 这种系统和方法中，添加的数字电路在面积和成本方面最小。本发明由如下实施生成通过确定在分频(divided)VCO与基准之间的相位误差 和周期滑移是否即将发生和在什么方向上发生、然后将分频VCO的相位按将相位误差减小 到小于一个周期的量和方向进行修改，可防止在频率合成器中的周期滑移；通过临时修改 VCO因子(divisor)可实现相位移动。最后效果是将电荷泵在所需极性保持在其最大增益 或其附近。然而，本主题发明在其它实施例中不必实现全部这些目的，并且其权利要求书应 该不限于能够实现这些目的的结构或方法。本发明的特征在于一种具有周期滑移防止的频率合成器系统，该频率合成器系统 包括压控振荡器(VCO)、VCO分频器(divider)、及用来定义用于VCO分频器的预定因子的 VCO分频器控制装置。相位频率探测器(PFD)响应于基准和VCO分频器输出，用来确定在基 准与VCO分频器输出之间的任何相位误差、全周期滑移的相位误差是否已经发生及周期滑 移的方向。状态机响应于周期滑移的方向，以将相位频率探测器复位并且驱动VCO分频器 控制装置修改预定因子，而在将相位误差减小到比一个基准周期小的方向上改变在相位探 测器处的分频信号的相位。在优选实施例中，相位频率探测器可以包括用来指示何时周期滑移已经发生和其 方向的饱和电路。相位频率探测器可以包括用来识别在复位时间段期间发生的周期滑移饱 和的复位饱和解算器电路。相位频率探测器可以包括响应于基准脉冲用于置位的主基准触 发器、响应于VCO脉冲用于置位的主VCO触发器、及用来复位主触发器的复位电路。饱和电 路可以包括饱和基准触发器，响应于在主基准触发器被置位的同时出现的第二基准脉冲 用于置位，以提供识别向上周期滑移的向上饱和信号；和饱和VCO触发器，响应在主VCO触 发器被置位的同时出现的第二 VCO脉冲用于置位，以提供识别向下周期滑移的向下饱和信 号。复位饱和解算器电路可以包括基准饱和OR(或)门，具有来自主基准触发器的置位输 出的一个输入和来自复位电路的第二倒相输入，用来当在复位期间第二基准脉冲出现时置 位饱和基准触发器；和VCO饱和OR门，具有来自主VCO触发器的置位输出的一个输入和来 自复位电路的第二倒相输入，用来当在复位期间第二 VCO脉冲出现时置位VCO饱和触发器。本发明的特征也在于一种在频率合成器中的周期滑移防止的改进方法，该方法包括确定在分频VCO与基准之间的相位误差；确定全周期滑移的相位误差是否已经发生和 在哪个方向上发生；及按将相位误差减小到比一个基准周期小的量和方向改变VCO分频相 位，以将电荷泵保持在最大增益处或其附近，直到VCO接近锁定并且误差仍比2女PI低。在优选实施例中，通过借助于修改VCO因子而移动分频VCO的相位，可以改变相 位。本发明的特征也在于一种周期滑移防止的改进方法，该方法包括确定在分频 VCO与基准之间的相位误差；驱动有源环路滤波器以提供按幅值与在范围+/-2 * PI中的 相位误差成比例的输出；及将分频VCO相位误差保持在绝对值O * PI)附近但比其小，从 而控制信号的输出按正确极性停留在最大值处或其附近，同时VCO未被锁定，并且仅当VCO 在接近锁定且分频相位误差小于绝对值O女PI)时，才减小校正信号。在优选实施例中，有源环路滤波器可以包括电荷泵。


对于本领域的技术人员由优选实施例的如下描述和附图，将想到其它目的、特征 及优点，在附图中图1是在常规频率合成器中使用的现有技术相位频率探测器(PFD)的示意方块 图；图2A表示在图1的PFD中发生的一些波形，表示周期滑移；图2B是图2A的波形的一部分的放大视图；图2C表示来自电荷泵的结果输出电流的大比例放大视图，该输出电流增大到 Imax，然后当周期滑移发生时降回零；图3是根据本发明用来克服周期滑移的改进PFD的示意方块图；图4是根据本发明使用图3的改进PFD的改进频率合成器的示意方块图；图5是在图3的PFD中发生的一些波形；图6是流程图，表示根据本发明的循环滑移防止的改进方法；图7表示PFD、电荷泵、分频VCO的相位、及具有常规PFD的VCO的频率；图7A表示用于常规PFD的传递函数；图8表示PFD、电荷泵、分频VCO的相位、及具有目前周期滑移防止发明的VCO的频 率；及图8A表示用于本发明的改进系统的传递函数。
具体实施例方式除下面公开的优选实施例(一个或多个)之外，本发明容许其它实施例，并且能够 按各种方式实施或实现。因而，要理解，本发明不将其应用限于在如下描述中叙述的或在图 中表明的构造细节和元件布置。如果这里仅描述一个实施例，则其权利要求书不限于该实 施例。况且，其权利要求书不要限制性地阅读，除非有表明一定排它、限制、或放弃的清楚和 令人信服的证据。在图1中表示有现有技术相位频率探测器(PFD) 10，该相位频率探测器(PFD) 10包 括一对触发器-主基准触发器12和主VCO触发器14，以及NAND (与非)门16和延迟电路18。在正常工作期间，基准信号出现在主基准触发器12的线20上，并且置位主基准触发器 12以在输出22上提供向上信号。VCO信号出现在线M上，并且这又置位主VCO触发器14， 该主VCO触发器14又在输出沈上提供向下信号。当基准输入和VCO输入同相使得在输出 22和沈上的向上和向下信号也同相，从而在环路滤波器中的各电荷泵也同样地生效。当它 们不同相时，例如当在输入M上的VCO信号滞后于在输入20上的基准信号时，那么在输出 22上的向上信号将开始得较早，并因此比在输出沈上在后出现的向下信号长。这通过在环 路滤波器中的电荷泵提供较多电荷，并且将VCO信号M驱动得快一点，以再次赶上基准信 号20。在向上和向下信号都出现时，在NAND门16的每个输入观和30处有逻辑1，该NAND 门16在其输出32处提供逻辑0，该输出32通过延迟18复位主触发器12和14。关于这种 现有技术相位频率探测器的一个问题是，如果在输入20和M上的基准信号与VCO分频信 号之间的相位差或相位误差变得大于一个整周期，则相位频率探测器10仍忽略这一点，并 且一个所谓的周期滑移将发生。例如，如果相位误差在360°下，则系统如设计的那样工作。 但如果相位误差超越360°，例如是365°，则系统仅发现5°误差，并且只响应5°误差，仍 忽略另外360°整周期滑移已经发生的事实。按另一种方式说，PFD-CP的输出电流与输入 相位差成比例，较大相位误差导致用来校正VCO的大输出电流。然而，当相位误差超过360 度时，输出电流下降到零，并且与相位误差模2女PI余数成比例。这可参考图2A和2B看到，其中VCO分频信号40表示成越来越滞后于基准信号 42。用于频率合成器44的分频器比值被置位在某一值处，例如100处，如图2A所示。随着 VCO分频信号40越来越滞后于基准信号42，向上信号46变得越来越大，直到最后，在全周 期滑移处如在48处，系统恢复到只补偿在全周期与剩余误差之间的差，并且不注意已经滑 移一个全周期的事实。向下信号50继续如通常那样响应VCO分频信号40。在圈52中的图 2A的区域放大地表示在图2B中。那里可看到，随着每个增大脉冲M、56、58、60，向上信号 46增长得越来越大，它最终超过全周期，如在48处那样，在该处58和60合并，并且系统再 次反应而不注意全周期滑移。每当在同一 VCO分频周期期间接收到两个基准时钟脉冲或在 同一基准周期期间接收到来自VCO分频器的两个VCO时钟脉冲时，这种周期滑移问题发生。 当周期滑移发生时，来自电荷泵的结果输出电流61，图2C，增大到Imax然后下降到零。关于根据本发明的、图3的相位频率探测器10a，主触发器12a、14a、NAND门16a、 及延迟18a的常规相位频率探测器元件被补充有饱和电路70，该饱和电路70包括饱和基准 触发器72和饱和VCO触发器74。也可以有复位饱和解算器(resolver)电路76，该复位饱 和解算器电路76包括基准OR门78和倒相器80、和具有倒相器84的VCO OR门82。借助 于这种电路，当两种条件-就是说在同一 VCO周期接收到两个基准时钟或在同一基准周期 期间接收到两个VCO时钟-的任一个时，适当的复位饱和触发器72、74被置位，并且将保持 在输出2 和26a处的适当向上和向下脉冲为高。它也提供输出到小状态机的向上饱和和 向下饱和标志，如关于图4将解释的那样，通知状态机相位频率探测器在哪个方向上饱和。在操作中，在输入20a上的第一基准脉冲置位主基准触发器12a，该主基准触发器 12a在输出2 上提供通常向上信号，并且也提供通过OR门78到饱和基准触发器72的一 个信号。如果第二基准脉冲在系统通过VCO脉冲的出现而复位以使能NAND门16a和通过 延迟18a将复位提供给主基准触发器12a以及主VCO触发器1 之前而发生，则该第二基 准脉冲将把在线86上的第二输入提供给饱和基准触发器72。这然后在线88上提供向上饱和信号，并且在线90上提供置位信号，该置位信号反馈到主基准触发器12a以将它保持在 通位置上。第二基准脉冲的这种出现指示，VCO信号滞后于基准信号。相反，如果在线2 上有两个VCO脉冲出现而在线20a上仅有一个基准脉冲，指示 VCO信号超前基准信号，那么正是饱和VCO触发器74在第二 VCO信号出现在线92上时通 过OR门82被置位。因而，饱和VCO触发器74在线94上提供向下饱和信号，并且也在线96 上提供置位信号，以将主VCO触发器1 保持在置位状态。如以前那样，在输出2 和26a 上的向上和向下信号转到在环路滤波器中的电荷泵。然而，在线88和94上的向上饱和和 向下饱和信号转到状态机。因而，根据本发明的相位频率探测器IOa可识别何时周期滑移 已经发生和在什么方向上发生，并且通知状态机哪个然后将通过控制VCO分频器被补偿， 如关于图4解释的那样。进一步的改进由复位饱和解算器电路70的实施而产生，该复位饱 和解算器电路70包括OR门78和82以及它们的倒相器80和84。复位饱和解算器电路70 保证，在线86上出现的第二基准脉冲或在线92上出现的第二 VCO脉冲可确实地置位相关 饱和触发器72、74，即使复位信号可能已经由延迟18a施加以复位主触发器1 和14a。产 生问题是因为可能的是，在占据一有限时间段的主触发器1 和Ha的这种复位期间，作为 基准或是VCO的第二脉冲可能发生，并且系统可能看不到它。为了防止这个，将零逻辑复位 信号呈现给倒相器80和84，这些倒相器80和84然后将逻辑1呈现给OR门78和82。因 而，如果第二脉冲出现在线86或92上，则由于情形可能是在复位期间，所以通过倒相器80 或84和相关OR门78和82的复位本身将分别把其它输入提供给相关饱和触发器72、74，从 而第二脉冲不被忽视，并且全周期滑移不被遗漏。为了实现这个，主触发器1 和Ha必须 是可置位的，并且在线90、96上的setb必须具有比来自延迟18a的rstb高的优先权。根据本发明的具有相位频率探测器IOa的频率合成器100、以及压控振荡器VCO 102及VCO分频器104表示在图4中。也表示在图4中的是，VCO分频器控制器106和状 态机108。在正常工作中，VC0102将信号提供给VCO分频器104，在该处它由因子Ntl分频 在这种解释中，N。等于100。这通常出现在线110上，并且是多路转换器112到VCO分频器 104的默认输出。然而，随着图5的向上信号46的脉冲变得越来越长，最终如在48处，超 过全周期。在这时，由于VCO信号滞后于基准信号，所以向上饱和信号由图3的饱和基准触 发器72的操作而提供，该饱和基准触发器72已经识别到全周期滑移。这立即从图3的饱 和基准触发器72提供图5的信号ffRl 130，该信号ffRl 130是向上饱和信号。在这种信 号的接收之后，图4的状态机108将因子从图5在44处表示的100切换到在44'处表示 的84。在132处基准信号42的下个负向部分时，图4的状态机108将因子从图5在44' 处的84变回在44"处的100，ffRl在131处返回零，并且系统再次开始按正常方式工作。 当问题再次发生时，如在48'处向上饱和(FFRl)信号130'再次产生时，图4的状态机108 将从图5在44"处的100切换到在44"‘处的84，并且再次在基准时钟脉冲42的负向斜 坡132'时，在44〃 ‘处的84由图4的状态机108切换回图5的在44〃 “处的100。在这 时，图4的状态机108再次在线114上送出饱和复位信号，该饱和复位信号也在131'处复 位饱和基准触发器72。当状态机108通过在线88、94上的向上饱和/向下饱和信号而被通 知饱和和其方向时，它在线116上将控制信号发送到多路转换器112，以从在线110上的正 常输入移动到在线118上的输入。它也在线119上发送符号信号，以将在加法器121中的 适当符号置位成增加或减去在线120上的N1输入。例如，如果VCO信号滞后于基准信号，则将减号命令给加法器121，并且将正常因子比值Ntl，例如100，从其减去Ni，例如16，以将84 的因子通过多路转换器112提供给VCO分频器104。本发明也涉及一种通过如下在频率合成器中的周期滑移防止的方法确定在分频 VCO与基准信号之间的相位误差；确定全周期的相位误差是否已经发生和在哪个方向上发 生；及然后按将相位误差减小到比一个基准周期小的量和方向改变VCO分频信号的相位， 以将电荷泵保持在最大增益处或其附近，直到VCO接近锁定并且相位误差仍比2女PI低。 这表示在图6中，其中方法150从探测在分频VCO和基准信号152之间的相位差开始。在 IM处进行关于相位误差是否大于一个周期的确定。如果不是，那么在156处按正常方式对 电荷泵进行调整，并且系统返回到步骤152。如果它大于一个周期，即PFD滑移了一个周期， 那么在158处确定周期滑移的方向。如果VCO超前基准信号，那么增大因子，就是说，在步 骤160中将N1增加到Ntl上。如果V⑶滞后于基准信号，那么在162处，减小因子，并且从N。 减去相位调整K。然后，在典型实施例中，确定在分频VCO与基准之间的相位误差。输出控 制信号驱动电荷泵或其它类型的有源环路滤波器，从而输出在幅值方面与在+/-2 * PI范 围中的相位误差成比例。在PFD处的相位误差则通过修改VCO分频器和将分频VCO相位误 差保持在绝对值O女PI)附近但比其小而被控制，从而，控制信号的输出以正确极性在最 大值处或其附近停止，VCO未被锁定，并且仅当VCO接近锁定并且分频相位误差小于绝对值 (2女PI)时，才减小校正信号。常规循环滑移表示在图7的200处，以及伴随VCO频率表示在202处，相位分频 VCO表示在204处，及电荷泵电流表示在206处。结果传递函数208表示在图7A处。相反， 关于根据本发明的周期滑移防止的说明表示在图8的210处，以及伴随VCO频率表示在212 处，相位分频VCO表示在214处，及电荷泵电流表示在216处。结果改进的传递函数218出 现在图8A中。尽管本发明的具体特征表示在某些图中并且在其它图中未表示，但这仅仅是为了 方便，因为每个特征按照本发明可以与其它特征的任一个或全部组合。这里所使用的词 “including(包括)”、“comprising(包括)”、“having(具有)”、及 “with (具有)”要广义 和综合地解释，并且不限于任何实际互连。况且，在主题申请中公开的任何实施例不要当作 仅有的可能实施例。另外，在本专利申请的审查期间对于本专利呈现的任何修改都不是在所提交的申 请中呈现的任何要求保护元素的否认不能合理地期望本领域的技术人员起草字面上包容 全部可能等效物的权利要求，多种等效物在修改时将是不可预见的，并且超越要放弃的内 容(如果有的话)的公平解释，支持修改的基本原理与多种等效物有关联，并且/或者有多 个其它原因，不能期望本申请人对于修改的任何要求保护的元素描述一些非实质的替代。本领域的技术人员将想到其它实施例，并且这些实施例在如下权利要求书的范围 内。
权利要求
1.一种具有周期滑移防止的频率合成器系统，包括压控振荡器VCO ；VCO分频器；VCO分频器控制装置，用来定义用于所述VCO分频器的预定因子；相位频率探测器PFD，响应于基准和所述VCO分频器输出，用来确定在所述基准与VCO 分频器输出之间的任何相位误差、全周期滑移的相位误差是否已经发生及周期滑移的方 向；及状态机，响应于周期滑移的方向，将所述相位频率探测器复位并且驱动所述VCO分频 器控制装置以修改所述预定因子，以便在将相位误差减小到比一个基准周期小的方向上改 变在所述相位探测器处的分频信号的相位。
2.根据权利要求1所述的频率合成器系统，其中，所述相位频率探测器包括用来指示 何时周期滑移已经发生和其方向的饱和电路。
3.根据权利要求2所述的频率合成器系统，其中，所述相位频率探测器包括用来识别 在复位时间段期间发生的周期滑移饱和的复位饱和解算器电路。
4.根据权利要求3所述的频率合成器系统，其中，所述相位频率探测器包括响应于基 准脉冲用于置位的主基准触发器、响应于VCO脉冲用于置位的主VCO触发器、及用来复位所 述主触发器的复位电路。
5.根据权利要求4所述的频率合成器系统，其中，所述饱和电路包括饱和基准触发 器，响应于在所述主基准触发器被置位的同时出现的第二基准脉冲用于置位，以提供识别 向上周期滑移的向上饱和信号；和饱和VCO触发器，响应于在所述主VCO触发器被置位的同 时出现的第二 VCO脉冲用于置位，以提供指示向下周期滑移的向下饱和信号。
6.根据权利要求5所述的频率合成器系统，其中，所述复位饱和解算器电路包括基准 饱和“或”门，具有来自所述主基准触发器的置位输出的一个输入和来自所述复位电路的 第二倒相输入，用来当在复位期间所述第二基准脉冲出现时置位所述饱和基准触发器；和 VCO饱和“或”门，具有来自所述主VCO触发器的置位输出的一个输入和来自所述复位电路 的第二倒相输入，用来当在复位期间所述第二 VCO脉冲出现时置位所述VCO饱和触发器。
7.一种在频率合成器中的周期滑移防止的改进方法，包括确定在分频VCO与基准之间的相位误差；确定全周期滑移的相位误差是否已经发生和在哪个方向上发生；及按将相位误差减小到比一个基准周期小的量和方向改变VCO分频相位，以将电荷泵保 持在最大增益处或其附近，直到VCO接近锁定并且相位误差仍比2女PI低。
8.根据权利要求7所述的在频率合成器中的周期滑移防止的改进方法，其中，通过借 助于修改VCO因子而移动分频VCO的相位，来改变相位。
9.一种周期滑移防止的改进方法，包括确定在分频VCO与基准之间的相位误差；驱动有源环路滤波器以提供按幅值与在范围+/-2 * PI中的相位误差成比例的输出；及将分频VCO相位误差保持在绝对值2女PI附近但比其小，从而控制信号的输出以正确 极性停留在最大值处或其附近，同时VCO未被锁定，并且仅当VCO接近锁定且分频相位误差小于绝对值2女PI时，才减小校正信号。
10.根据权利要求9所述的周期滑移防止的改进方法，其中，有源环路滤波器包括电荷泵。
全文摘要
一种在频率合成器中的周期滑移防止的改进方法，通过如下实现确定在分频VCO与基准之间的相位误差；确定全周期滑移的相位误差是否已经发生和在哪个方向上发生；及按将相位误差减小到比一个基准周期小的量和方向改变VCO分频信号的相位。结果是PFD的、与在-2＊pi至2＊pi区域中的相位误差成比例的、及当相位误差超过以上区间时固定到最大值附近的改进传递函数。本发明借助于增加监视和控制PFD和VCO分频器的数字电路而实现，并且不要求附加的辅助模拟电荷泵电路。
文档编号H03L7/00GK102067452SQ200980122512
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月5日 优先权日2008年5月6日
发明者T·里潘 申请人:赫梯特微波公司