专利名称：用于快速回响的频率综合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种带有锁相环的频率综合器，特别是涉及到这样一种经过改进的频率综合器，它能够在保持抑制干扰的情况下进行快速的频率转换。
锁相环是一种公知的电路，它通常包括一个相位检测器，一个滤波器和一个压控振荡器(vco)。一个稳定的输入信号或基准信号被施加给所述的相位检测器，该相位检测器将所述入的信号与所述的压控振荡器的输出信号进行比较。所述相位检测器的输出信号表示所述输入信号和所述压控振荡器输出信号之间的相位差。随后，所述相位检测器的输出信号被滤波。滤波后有信号然后被用作一个误差信号去控制所述的压控振荡器，并借此使得所述压控振荡器的频率去追综所述稳定输入信号的频率。
对于本专业普通技术人员而言，利用如
图1所示之具有PLL10的频率综合器去产生具有精细确定频率fvco的不同信号是一种公知技术。所述PLL10包括一个压控振荡器vco14，该压控振荡器14被锁定于一个晶体源中，该晶体源提供一个输入信号fxtal。所述vco信号的频率通常由除数为N的可控分频器15进行分频，以获得频率为fv的信号。此后，所述的信号fv和所述的基准信号fref进行比较，所述的基准信号fref通过对来自所述晶体频率源的所述输入信号fxtal的被除数为R的分频器分频而获得。在所述相位检测器12中对具有频率为fref和fv的信号进行比较的结果产生一个控制或者误差信号E。所述的控制信号E由滤波器13进行滤波，以消除分别来源于信号fref和fv的信号成份。滤波后的信号U控制vco14，从而达到一个平衡状态(fvco＝fxtalXN÷R)。通过分别选择不同的除数，即N和R，可以获得具有相对高精度的不同频率。
在这种类型的频率综合器中，可以通过选择的除数R和N改变所述的频率。在选择了一个新的频率以后，需要一定的时间才能达到一个平衡状态。时间的长短通常取决于滤波器13。在很多的实际应用中，必须快速地获得一个稳定的输出信号fvco。因此，所述的滤波器13必须被设计成具有相对宽的带宽。
与基准信号fref相关的所述滤波器13的带宽还确定了究竟有多大的来自fref和fv的干扰将会渗透到所述vco14中去。因此，滤波器13和基准信号fref将会确定在所述vco输出信号fvco中干扰的等级。最小通道间隔必须等于或大于所述的基准频率fref。因此，对于一个纯信号的要求和对于相对快速锁定及相对紧密的通道空间的要求二者之间是相互矛盾的。
为了解决这个矛盾，一个公知的解决方法就是在锁定处理期间对锁相环的带宽进行转换。一旦所述的锁相环获得了一个锁定状态，或者是一旦得到了一个小的相位误差，那么，它的带宽就会从一个相对宽的值改变成一个窄的值。但是，上述的方法存在着某些缺点。必须决定转移瞬间，必须提供作出这一决定和进行自身转换的设备以及可转换的环路滤波器。诸如在所述用于控制vco的滤波器中予置一个电压值的其它方法也是已知的。这些方法中的大多数都将导致产生附加部件，这些附加元部件对于加速锁相环的锁定处理以及在锁定状态下维持环路窄带都是很需要的。因此，就需要一种新的锁相环，这种锁相环能够实现具有低干扰等级的快速锁定而又不会给系统添加大量的附加元部件。
传统的频率综合器存在的另一个问题是这种频率综合器的元部件可能需要进行调整。由于锁相环的某些参数并不为所知的那样精确，所以，所述频率综合器的传输函数与所述的精确予测不同。其结果，为了使所述频率综合器的性能最佳化，象电容器这一类的锁相环的元件可能需要进行修整，而这可能是一个昂贵的过程。因此，就需要一种频率综合器，这种频率综合器不需要进行修整就可以获得最佳性能。
本发明提供一种锁相环型的频率综合器，它可以极快的速率改变频率。这种综合器具有很窄的带宽，因此也具有低电平的干扰。这种综合器还可以具有很紧密的通道间隔。这种综合器没有明显增加附加元部件，但仍使用公知的获得零抵消的方法。本发明利用如下的方式来改变一个频相的频率，即所述闭环传输函数的一个或多个极点将被由于所述频率变化所引入的零所删除。这样，与根据所述技术状态而设计的PLL综合器相比较，这种新的锁相环最佳设计不仅仅包括了该锁相环本身，同时也包括了在其中进行转换的方式。由于所述的转换能力几乎是每一个综合器所固有的，所以，实施本发明只需要少量的附加元部件。
在本发明中，所述的综合器被逐步地转换到一个新的所希望的频率上，而不是恰好从一频率转换到另一个频率。转换函数的阶(steps)可以进行计算和/或贮存在位于控制器单元中的存贮器内。因此，具有相当窄的环路带宽的一个锁相环就能够在一个有限的时间以内被调整到一个近似于所希望的频率上。当所述的锁相环快速地稳定到一个新的频率时，可能具有一个小的剩余相位或频率误差。然而，所述的小误差将按指数规律衰减。在传统的频率综合器中，所述的锁定处理是按着指数渐近衰减频率误差进行的，所述的这个误差起始于等于整个频率移的一个误差。
在其它的实施例中，本发明披露发一种频率综合器，在这种频率综合器中，所述锁相环的元部件不需要进行调整就能够提供最佳性能。在本发明中，所述频率综合器的频率首先以传统的方式，即一步方式进行转换。然后，测量所述锁相环的响应，并根据这种响应来计算所述转换函数的阶。其结果，就能使所述频率综合器的执行功能最佳化并且不必调整该频相环的硬件结构。
通过结合附图所进行的以上描述，对于本专业技术领域以内的普通技术人员而言，本发明的这些和其它的特性及其优点将会变得更加明显，这些附图是图1是一个现有技术的锁相环频率综合器的简要方框图;
图2是根据本发明一个实施例的锁相环频率综合器的简易方框图;
图3示出了一个与现有技术的综合器相关的并作为时间函数的所述输出频率的简要示图，以用于和本申请发明的一个实施例进行比较;
图4示出了根据本发明和现有技术的可控输入频率函数-时间曲线图;
图5示出了依据本发明另外一个实施例的锁相环频率综合器的简要方框图。
下面请参看图2，其中的简要方框图示出了依据本发明一个实施例的频率综合器20。所述的频率综合器20响应由一个晶体振荡器或其它适宜的频率源所产生的输入信号fstal。该输入信号fxtal被提供给分频器21，该分频器21以除数R对所述信号进行分频，以提供适当的基准信号fref。该适当的基准信号fref被提供给一个相位检测器22。该相位检测器22将所述基准信号fref的频率和下面将要描述的一个第二分频器25所输出的信号进行比较。所述的相位检测器22产生一个误差信号并将该误差信号输出给滤波器23。所述相位检测器22的输出由滤波器23进行滤波，并施加给vco24，从而产生一个信号fvco。所述的信号fvco然后被施加给分频器25，该分频器25对所述信号进行N分频以产生信号fv。所述信号fv然后被施加给所述相位检测器22，并在该检测器22中与信号fref进行比较。相位检测器22的输出是一个误差信号E，该信号表示信号fref和信号fv之间的相位差。对所述的误差信号E进行滤波以提供滤波信号U，该信号U用于对vco24进行控制。在本发明中，所述的综合器是经过一系列的步骤(steps)才从一个频率转换到另一个频率的。所述的这些步骤是经过计算并存贮于控制单元26中的。
在本发明的最佳实施例中，所述的锁相环频率综合器是这样的，即在其中所述闭环传输或误差函数的所有主极点都具有相同的值并且不包含任何虚部。但是，本发明并不局限于仅具有纯实极点的锁相环传输函数。复合极点在输入控制函数中给出较少步骤的好处，但却需要独立的频率间隔(step)时间和幅度值。从一个通道向另一个通道的频率转移所需要的步骤和需要删除的多个极点数量一样多。这样，例如一个第三阶锁相环综合器将需要四个步骤才能实现从当前频率到，一个所需频率的转换。这些步骤是由幅度和持续时间形成的，所述的持续时间相应于必须与所述锁相环的误差或使输函数中的多个极点相匹配的零点。在执行了最后一个步骤以后，所述的频率或相位误差近似为零。
下面将描述上述处理的一个例子。图3示出了与现有技术的频率综合器以及与本发明的频率综合器相关的调整时间。在这个例子中，第三阶锁相环综合器的频率由频率f1转换到频率f2。在现有技术的锁相环综合器中，仅仅执行一个步骤就能将所述的频率从频率f1变化到频率f2。
但是，在依据本发明的锁相环中，这种频率的改变将如图4所示那样利用四个步骤即D1，D2，D3和D4来实现。假如其幅度作如下选择D1＝D4/(1-a3)D2＝D4/(1-3a)/(1-a)3D3＝D4(1-3a+3a2)/(1-a)3D4＝f2-f1其中，a＝1/e，e为自然对数的底，那么，所述的频率变化函数就可以被表示为D4＝(1-ae-ST)3/S(1-a)3(等式1)其中，S＝拉普拉斯算子，t＝各输入频率间隔(step)宽度，这个函数是锁相环的输入函数，它的传输函数为3C3(S+C/3)/(S+C3) (等式2)必需被删除的那些极点位于S＝-C处，在这些位置处，C＝所述的极点频率。在这个例子中，我们使用T＝1/C。在等于3T的有限时间以后，等式1乘以等式2导出的锁相环的状态将给出f vco＝D4+f1。可以利用很多的方式，例如是借助于改变所述分频器的分频系数R和/或所述分频器的分频系数N去改变f vco的方法来自然地执行零极点的消除。用于本发明的频率综合器的调整时间示于图3之曲线32。通过曲线32和曲线30进行比较可以看出，当频率转换由一系列的步骤而不是由一个步骤来执行时，所述综合器的频率能够以快得多的速度达到所需有频率。
下面参看图5，其中的简要方框图示出了依据本发明另一个实施例的频率综合器。在本发明的这个实施例中，可以在不调整所述锁相环之部件的情况下使得所述频率综合器的调整时间最佳化。为了获得本发明的全部优点，需要适当地计算所述转换函数的一系列阶以与所述的频率综合器的传输函数相匹配。在这个实施例中，首先利用一个步骤将所述频率综合器50的频率转换成所需频率，然后对所述转换函数的步骤进行计算。
下面来解释所述频率综合器50的工作状况。所述的频率综合器50响应由晶体振荡器或其它适当频率源所产生的一个输入信号fxtal。该信号fxtal被施加给分频器51，该分频器51将所输入的信号进行R分频，从而提供一个适当的基准信号fref。该适当的基准信号fref被施加给相位检测器52。所述的相位检测器52将所述基准信号fref的频率和由一个下面将要描述的第二分频器55所输出的信号频率进行比较。所述相位检测器52产生一个误差信号E，并将该误差信号输出给滤波器53。相位检测器52的输出信号由滤波器53进行滤波，并施加给vco54以产生信号fvco。随后，信号fvco被提供给分频器55，该分频器将所输入的信号进行N分频，从而产生信号fv。所述的信号fv被施加给相位检测器52，并在52中与信号fref进行比较。所述的相位检测器52的输出是一个误差信号E，该误差信号E表示信号fref和信号fv之间的相位差。对所述的误差信号E进行滤波，以提供用于控制vco54的滤波后信号U。在本实施例中，所述的误差信号E被送往记录/计算单元57，并，存贮于其中。在另外一个实施例中，所述的误差信号E被送往一个控制单元，并存贮于其中。
在当前实施例中，当利用一个步骤而使所述频率综合器50的频率转换成所需频率时，要对所述频率综合器50的响应进行测量。当频率发生了变化时，所述的相位检测器52将会检测到一个相位误差，并且这个误差信号或阶跃响应将被记录在所述记录/计算单元57之中。然后，可以利用一系列公知方法中的一种并根据所记录的数据，在所述的记录/计算单元57中计算一系列最佳频率间隔。例如，可以利用杜赫马尔叠加积分(DuhamelSuperosifionIntegral)原理来计算所述的频率间隔，所述的杜赫马尔叠加积分原理描述了与利用所述的阶跃响应作为系统状态特征的系统相关的输入-输出之间的关系。另外，还可以使用快速傅里叶(FFT)传输方法来计算所述的频率间隔。通过使用一种公知的、最适于所记录相位误差的曲线吻合方法，可以确定所述锁相环最终传输函数的一个常数。最后，经过计算的步骤被存贮于控制单元56中，并且它们可以被重新调用。
在利用最佳实施例对本发明进行描述时，应当理解，所使用的语言仅仅是为描述而不是为限制而加以使用，并且所附加权利要求中的权限可以作出改变而不脱离本发明在主要方面的真正精神范围。
权利要求
1.一种具有利用锁相环将其固定于一个基准信号内的可选择输出频率的信号发生器，包括；第一分频器，用于产生所述的分频信号；相位检测器，用于根据所述的基准信号和一个第二信号产生一个误差信号；滤波器，用于对所述的误差信号进行滤波，从而在所述的误差信号中去除信号成份；压控振荡器，用于根据所述滤波后的误差信号产生一个输出信号；第二分频装置，用于对所述振荡器的输出信号进行分频，从而产生所述的第二信号；和一种装置，用于在控制步骤中改变所述信号发生的输出频率，以快速地获得一个所选择的频率，其中所述的控制步骤用于改变输出频率，所述的输出频率具有一定的持续期和幅度，所述的幅度和持续期可以近似地抵消所述信号发生器的传输函数中的至少一个极点。
2.如权利要求1所述的信号发生器，其中零极点消除被用于消除所述信号发生器传输函数中的至少一个极点。
3.如权利要求1所述的信号发生器，其中，所述的输出信号是通过改变所述第一分频器的分频系数加以改变的。
4.如权利要求1所述的信号发生器，其中，所述的输出信号是通过改变所述第二分频器的分频系数加以改变的。
5.如权利要求1所述的信号发生器，其中，所述传输函数的至少一个极点是利用由频率变化引入的零来消除的。
6.如权利要求1所述的信号发生器，其中，用于改变所述输出频率的间隔是在一个控制单元中进行计算的。
7.如权利要求1所述的信号发生器，其中，用于改变所述输出频率的间隔被存贮在一个控制单元中。
8.如权利要求1所述的信号发生器，其中，用于改变所述输出信号的步骤的数量等于在所述信号发生器传输函数极点的数量。
9.一种频率综合器，包括第一分频装置，用于利用第一除数对输入信号进行分频，从而产生一个基准信号;相位检测装置，用于根据所述的基准信号和一个第二信号产生一个误差信号;滤波装置，用于对所述的误差信号进行滤波，从而在所述的误差信号中消除信号成份;压控振荡器装置，用于根据滤波后的误差信号产生一个输出信号;第二分频装置，用于利用第二除数对所述的输出信号进行分频，以产生所述的第二信号;和控制装置，用于在控制步骤中改变输出频率，从而产生一个所选择的输出频率，其中，所述的控制步骤用于改变所述的输出频率，所述的输出频率具有一定的幅度和持续期，所述的幅度和持续期可以近似地消除所述频度综合器传输函数中的至少一个极点。
10.为权利要求9所述的频率综合器，其中，零极点消除被用于消除所述频率综合器传输函数中的至少一个极点。
11.如权利要求9所述的频率综合器，其中，所述输出频率是通过变化所述第一分频装置的分频系数而加以改变的。
12.如权利要求9所述的频率综合器，其中，所述输出频率是通过变化所述第二分频装置的分频系数而加以改变的。
13.如权利要求9所述的频率综合器，其中，所述综合器传输函数的至少一个极点是通过由频率变化所引入的多个零而被消除的。
14.如权利要求9所述的频率综合器，其中，用于改变所述输出频率的间隔是在所述的控制单元中进行计算的。
15.如权利要求9所述的频率综合器，其中，所述用于改变输出频率的间隔被存贮于所述的控制单元之中。
16.如权利要求9所述的频率综合器，其中，所述用于改变所述输出频率的步骤的数量等于所述综合器传输函数中极点的数量。
17.一种信号发生器，具有一个可选择的输出频率，该输出频率被利用锁相环固定于一个基准信号之中，该信号发生器包括第一分频器，用于产生所述的基准信号，相位检测器，用于根据所述的基准信号和一个第二信号产生一个误差信号;滤波器，用于对所述的误差信号进行滤波以从所述的滤波信号中消除信号成分;压控振荡器，用于根据所述的滤波后误差信号产生一个输出信号;第二分频器，用于对所述振荡器的输出信号进行分频，以产生一个第二信号;第一装置，用于当所述信号发生器的输出频率用一个步骤改变成所需频率时，记录由所述相位检测器所检测到的一个误差信号，所述的第一装置还可以根据所述记录信号计算用于转换函数一系列阶。存贮装置，用于存贮所述转换函数的所述一系列阶;和控制装置，用于通过在所述的一系列步骤中转换所述频而将所述信号发生器的输出频率转换到所需频率上。
18.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述用于改变输出频率的多个步骤具有一定的持续时间和幅度，这个持续时间和幅度能够近似地消除所述信号发生器传输函数中的至少一个极点。
19.如权利要求17所述的信号发生器，其中，零极点消除被用于消除所述发生器传输函数中的至少一个极点。
20.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述的输出信号是通过改变所述第一分频器的分频系数而加以变化的。
21.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述的输出信号是通过改变所述第二分频器的分频系数而加以变化的。
22.如权利要求18所述的信号发生器，其中，至少一个所述传输函数的极点是通过由所述频率变化所引入的多个零所消除的。
23.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述用于改变输出频率的多个步骤是在一个控制单元中进行计算的。
24.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述用于改变输出频率的多个步骤存贮在一个控制单元之中。
25.如权利要求17所述的信号发生器，其中，用于改变所述输出频率的步骤的数量等于在所述信号发生器传输函数中极点的数量。
26.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述转换函数的多个间隔是利用杜赫马尔叠加积分(Duhamel Superposieion Integral)原理进行代算的。
27.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述传输函数的多个间隔是利用快速傅里叶(FFT)传输方法进行计算的。
28.如权利要求17所述的信号发生器，其中，所述的第一装置，所述的存贮装置和所述的控制装置包含在一个装置之中。
29.如权利要求1所述的信号发生器，其中，利用一个锁频环将所述可选择的输出频率锁定在所述基准信号上。
30.如权利要求17所述的信号发生器，其中，利用锁频环将所述可选择的输出频率锁定在所述的基准信号上。
全文摘要
一种锁相环频率综合器，其中，它的输出频率利用一系列的步骤来加以改变，以达到最终的频率值，所述的多个步骤被计算并存贮于控制单元的存贮器之中。选择所述的多个步骤以近似地消除所述综合器传输函数中的多个极点。所述的锁相环提供增加了的转换速度而不必添加额外部件。
文档编号H03L7/187GK1090443SQ9312170
公开日1994年8月3日 申请日期1993年12月3日 优先权日1992年12月4日
发明者B·亨堡, P·彼得森 申请人:艾利森电话股份有限公司