专利名称：基于频率采样的数字相位鉴别的制作方法
技术领域：
本发明涉及数字相位鉴别。
相位鉴别在数字无线电通信方面，特别是在任何角调制数字无线电接收机方面，是重要的。相位鉴别和频率鉴别密切相关。一般使用模拟电路，例如IQ频率鉴别器，进行频率鉴别。模拟频率鉴别器具有显著的缺陷。在IQ频率鉴别器的情况下，鉴别器需要多个模拟元件、两次A/D转换和一次数值反正切运算，使电路十分复杂。
存在仅使用数字逻辑元件用来产生代表信号瞬时相位的值的已知方法。在通过参考包括在这里的美国专利U.S专利5，084，669中描述了各种这样的方法。特别是，上述专利描述了一种用来确定信号瞬时相位的数字电路，如果希望由该电路可以得到瞬时频率。尽管电路的实现是全数字的，但它十分复杂。一种用来以简单、全数字方式确定信号瞬时相位的改进方法和设备因此可能是熟悉本专业的技术人员所公认的。
一般地说，本发明提供一种简单的、全数字的方法和设备，用来确定一个第一时钟信号相对于一个第二时钟信号的相位。第一时钟信号可以是诸如RF信号之类的周期性模拟信号的数字近似。采用一种产生包含相对相位信息的数字位流的采样技术。由数字位流形成一个指示相对相位的数字字。该数字字可以使用一个数字滤波器形成。便利地是，可应用于Sigma-Delta(σ-δ)(有时称作Delta-Sigma)A/D转换器的数字滤波技术的扩展体，可以直接用于数字流。通过使用适当选择的加权函数，可以获得高精度。
按照本发明的另一个方面，提供一种确定第一时钟信号和第二时钟信号的频率比值的方法。按照第二时钟信号采样第一时钟信号以产生数字位或符号流，并且由数字位或符号流形成指示频率比值的一个数字字。通过滤波数字位或符号流，可以形成数字字。用来实施以上方法的设备可以包括用来按照第二时钟信号采样第一时钟信号以产生一个数字位或符号流的电路、和用来由数字位或符号流形成指示频率比值的一个数字字的电路，如数字滤波器。最好，数字滤波器采用一个其中不同权重施加到不同数字位或符号流上的加权函数。
按照本发明的一个有关方面，提供一种产生指示两个时钟信号的频率比值的一个数据流的方法，该方法通过按照另一时钟信号采样信号之一来进行以形成一个数字位或符号流，每个数字位或符号表示在另一个时钟信号特定周期期间出现的一个时钟信号预定极性的多次转变，从而可以进一步处理数字位或符号流，以确定频率的比值。一个用来产生指示两个时钟信号的频率比值的这样一个数据流的电路可以包括一个第一输入端，对其施加一个第一时钟信号；一个第二输入端，对其施加一个第二时钟信号，该电路产生一个作为一个输出信号的数字位或符号流，每个数字位或符号表示在另一个时钟信号特定周期期间出现的一个时钟信号的预定极性的多次转变，从而可以进一步处理数字位或符号流，以确定频率的比值。
按照本发明的又一个方面，提供一种用来产生两个频率FX和FS的比值的Delta/Sigma调制的设备，该设备包括一个计数器电路，用来计数FS的时钟沿在FX时钟沿之间的时段内发生的数量；和一个寄存器电路，用来存储计数器在FS每个时钟沿处的值。来自寄存器装置的值的序列构成Delta/Sigma调制量化数据。
由联系附图的如下描述，可以进一步理解本发明。在附图中
图1是方块图，表明按照本发明的一个实施例一个Sigma-Delta调制器的和一个用于频率采样的采样电路的采样数据模型；图2是一张表，有助于解释在输入频率是基准频率的0.6875倍的情况下图1电路模型的操作；图3是计时图，表明图1的电路模型应用于频率采样时的工作原理；图4是通过图1的电路模型描述的频率采样电路的一个例子的示意图；图5是第一计时图，表明图4频率采样电路的操作；图6是第二计时图，表明图4频率采样电路的操作；图7是可以用来进行由诸如图4之类的电路产生的数字位流的数字滤波的两个交替加权函数的曲线；图8是曲线图，表明使用恒定加权函数从数字频率鉴别器得到的精度；图9是曲线图，表明使用三角形加权函数从数字频率鉴别器得到的精度；及图10是联系诸如图4之类的频率采样电路可以使用的一种数字滤波器的一个例子的方块图。
图11A是一张表，表明数字相位鉴别的一种方法；图11B是一张图表，表示图11A方法的结果；图11C是联系图11A和11B使用的加权函数的一张图表；图12A是一张表，表明数字相位鉴别的另一种方法；图12B是一张图表，表示图12A方法的结果；图12C是联系图12A和12B使用的加权函数的一张图表；图13是按照图12的技术的数字相位鉴别硬件的方块图；图14A是一张表，表明数字相位鉴别的又一种方法；图14B是一张图表，表示图14A方法的结果；图14C是联系图14A和14B使用的加权函数的一张图表；图15是按照图14的技术的数字相位鉴别硬件的方块图；图16A是一张表，表明数字相位鉴别的再一种方法；图16B是一张图表，表示图16A方法的结果；图16C是联系图16A和16B使用的加权函数的一张图表；图17是按照图16的技术的数字相位鉴别硬件的方块图。
由本发明的数字频率鉴别器遵循的方法可以通过模拟Sigma-Delta A/D转换理解，在先有技术中通过诸如Candy等的“过采样Delta-Sigma数据转换器”，IEEE Press，1-6页，Piscataway，NJ(1992)参考资料良好地证明。Sigma-Delta转换器以比Nyquiest速率高得多的频率把变振幅模拟输入信号调制成一个简单的数字代码。调制器的结构允许时间分辨率换取振幅分辨率。图1中所示的Sigma-Delta调制器的采样数据电路模型可以直接用于这里描述的频率采样。
参照图1，一个在样本时刻i发生的输入信号xi已经从其上减去在样本时刻i的输出信号yi。结果施加到具有一个输出信号wi的累加器上。累加器在样本时刻i的“新”输入信号与累加器的“旧”输出信号相结合以形成累加器一个新输出信号。累加器的输出信号被量化，量化表示为误差ei的添加。量化器的输出信号是最终的输出信号yi。
现在假定xi是两个频率的比值，并且量化器是一个二级量化器。进一步假定在讨论的时间段内两个频率的比值比如是0.6875。如图2中所示，后一个值在第一时刻累加，给出一个0.6875的累加值。该值小于1，再把值0.6875添加到累加值上，给出一个1.375的新累加值。由于该值现在大于1，所以从0.6875减去1，并且把结果(0.6875-1=-0.3125)添加到累加器上以给出1.0625的值。运算以这种方式进行。在运算的上述序列期间，通过取每个累加值的整数部分1或0产生一个数据流。
参照图3，可以理解图2中所示的数字序列的解释。表示两个时钟信号。同样，假定在感兴趣时间段期间的上部时钟信号的频率与下部时钟信号的频率的比值是0.6875。在时刻t=0，两个时钟信号的上升沿重合。在下部时钟信号的第一个次上升沿处，上部时钟信号的0.6875时段已经过去。在下部时钟信号的下一个上升沿处，上部时钟信号的1.375时段已经过去。在下部时钟信号的下一个上升沿处，从上部时钟信号的第一时段过去起，上部时钟信号的1.0625时段已经过去，等等。
可以用于与上述例子中描述的数据流相对应的数据样本的捕获电路或频率采样电路的示意图表示在图4中。在表明的实施例中，假定时钟信号的比值是这样的在较慢时钟的单个时段期间较快时钟的仅仅一个上升沿出现。在其他实施例中，这种假定不必适用。
捕获电路包括一个输入部分401和一个输出部分403。输入部分包括两个必须认真匹配以使误差最小的两段Ch1和Ch2。每段包括一个串联联接的两个或多个D触发器链。在如下描述中，相同标号将用来指相应触发器本身和其相应的输出信号。
在每一段中，链中的第一触发器由采样时钟信号FX计时。在链中的以后触发器由采样时钟信号FS计时。在上部段中的第一触发器Q1的D输入联接到相同的Q输出上。在下部段中的第一触发器的D输入联接到上部段中的第一触发器的Q输出上。在两段中的剩余触发器串联联接，即Q至D，Q至D。
输入部分的功能是1)产生两个信号，彼此逻辑反相，在时钟信号FX的上升沿上变换；2)把两个信号的值锁在时钟信号FS的上升沿上；及3)从一个时钟至下一个检测变换。可能需要与Q3和Q4串联的附加中间级，以使由两个时钟信号的异步生成的亚稳定性最小，并且事实上在具体结构中多个这样的级可能是希望的。
在一个示范实施例中，输出部分包括三个双输入NAND门。相应NAND门N1和N2联接到输入段的最终触发器级的D和Q信号上。NAND门N1和N2的输出信号在另一个NAND门N3中结合以形成捕获电路的最终输出。
输出部分的功能是检测输入时钟信号电平从一个样本时钟至下一个在由两个输入段形成的两个通道任一个中的变化。两个输入段以往复方式起作用，交替地检测输入时钟信号电平的变化。
参照图5的计时图可以更充分地理解图4捕获电路的操作。两个通道的第一级形成近似与输入时钟信号的上升沿重合(但稍微延迟)的反相信号Q1和Q2。按照样本时钟通过采样信号Q1和Q2分别形成信号Q3和Q4。信号Q5和Q6分别延迟于信号Q3和Q4的复制品。NAND门一起实现逻辑函数X=Q3·Q5vQ4·Q6。
在图5的例子中，表明的信号都理想化为方波信号。在实际中，信号将具有有限的上升和下降次数。信号Q1和Q2的有限上升和下降次数和电路异步的可能影响是亚稳定性，如图6中所示。这里，信号Q3和Q5及信号Q4和Q6每一个处于一个循环期间的中间状态。电路的生成输出可能是或可能不是正确的。然而，因为决定是“闭合呼叫(close call)”以由此开始，所以偶然错误决定对电路整个操作的影响是可忽略的。通过增大通路中的整体增益减小不稳定性的时间窗口。如果Q3和Q9的增益足以把错误概率减小到可接收的级上，那么不需要辅助电路。如果不是，则需要辅助电路以增大增益。
为了从由诸如图4一种之类的捕获电路产生的数据流恢复两个时钟信号的频率比值，应用数字滤波。便利的是，可应用于Sigma-Delta(或Delta-Sigma)A/D转换器的数字滤波技术的扩展体，可以直接应用于数字流。况且，通过使用一个适当选择的加权函数，可以获得高精度。
乘积的加权和是FIR滤波器的一个例子。至今描述的加权函数因此是数字滤波理论中的FIR滤波器的加权函数。然而，应该认识到，也能使用IIR滤波器。在FIR数字滤波的过程中，加权函数应用于数据样本的“窗口”以得到窗口中心中频率比值的估计。窗口然后“采集和运动”到下个样本序列。开窗口一般将重叠。一个窗口例如可以包括256个样本。
参照图7，对于256个样本的窗口表示两个可选择的加权函数。归一化加权函数，意味着在加权函数下方的面积是一。以虚线指示的一个加权函数是一个直线、恒定加权函数。以实线指示的另一个加权函数是一个三角形加权函数。加权函数是数字滤波器中的脉冲响应函数。
分别使用直线加权函数和三角形加权函数的数字滤波的结果表示在图8和图9中。在图8和图9的情况下，频率比值从刚好在0.687下面增大到刚好在0.693上方。如图8中所示，使用一个直线加权函数，量化信号在两个电平之间振荡，这两个电平以这样一种方式与输入相邻，从而其局部平均等于平均输入。计算平均误差是1772ppm。如图9中所示，使用三角形加权函数，量化信号以83ppm平均误差跟踪输入。
应用三角形加权函数和可以用来实现希望数字滤波的示范频率累加器的示意图表示在图10中。在所示的例子中，频率累加器使用一个7位计数器101、一个14位加法器103和一个14位寄存器105。7位计数器由样本频率FS计时。7位计数器的输出提供给加法器的一个输入。7位计数器的功能是从0至127向上和然后从127至0向下计数。127的计数依次出现两次。这种行为使用一个触发器107实现。触发器由样本频率FS计时。7位加法器的终端计数信号输入到触发器。触发器的输出联接到7位计数器的计数向下输入上。
“过采样”数据流联接到加法器的控制输入上。当数据流的当前位是1时，进行添加。当当前位是0时，不进行添加。加法器的进位输入约束为高，有效地使权重范围为1至128。
14位寄存器由样本频率FS计时。其输出施加到加法器的另一个输入时。其输入接收由加法器产生输出字。14位加法器的功能是对于256时钟进行累加操作。在256时钟的结果处，14位加法器的输出用作用于频率比值的估值器。更具体地说，在所示的例子中，累加器的输出等于R×128×129，其中R是频率比值估值器。
上述技术可以容易扩展到相位鉴别。将描述用于数字相位鉴别的各种不同方法和设备，带来不同结构调整。
第一方法概念简单，但计算费力。参照图11A，使用与三角形加权函数对应的相同观察频率数据流和相同组的权重(图11B)。首先使用以前描述的技术确定在相当长的时间段上基准频率与采样频率的比值。已经得到该频率比值估值器，通过如以前那样但以相当高的速率计算相同频率，估计短期频率偏差，频繁到每个样本周期一次。就是说，使用图10的电路都获得连续样本，象每个样本周期那样经常。计算从以前确定的频率比值(Fr)的每个频率估计(F)的差(ΔF)，乘以适当的比例因数k，并且累加以得到一个相应的相位估计Pf。(Pf的第一值是人为选择的初始条件，选择以与理想估计相比较。在实际中，根据信号特征的推测知识，可以把相位初始化为一个值，或者没有这样知识，在相位弯曲点的检测时可以设置为零。)使用上述相位估计方法(虚线)把规定波形的实际相位(实线)与估计相位相比较的相位图表模拟表示在图11C中。
前面的“频率差值”相位估计方法计算费力，因为需要以相当高的速率计算频率估计。一种“预求和差值”相位估计方法排除了这种要求。参照图12A，代之以从频率估计上减去频率比值，从采样数据流本身减去频率比值Fr。假定数据流只是一和零的位流，并且假定频率比值Fr=0.6875，然后预求和差值Y将具有仅两个值Y=1-0.6875=.3125或Y=0-0.6875=-0.6875之一。累加Y值以得到相应的值PX。通过基本上以与相对于形成频率估计在以上描述的相同方式滤波PX值，得到相位估计PPn(使用相同的加权函数，例如图12B)，除滤波值由比例因数k定标之外。
预求和差值相位计算在数学上可以表示为等效于频率差值计算。表示在图12C中的模拟结果因此与图11C中的相同。然而，使用预求和差值相位计算，硬件实现可以相当简单，因为每个相位点只需要一次计算。这样一种硬件实现表示在图13中。
图13的预求和差值相位估值器一般包括一个第一累加器ACC1、一个类似于或与相对于图10以上描述的权重发生器相同的权重发生器WG、及一个第二累加器ACC2。
累加器ACC1起产生与观察频率数据流的位(或在其他实施中的符号)相对应的相位数PXi的作用，并且包括一个多路复用器1301、一个加法器1303及一个寄存器(例如一个16位寄存器)1305。多路复用器1301按照X的值选择Yi的两个可能值之一，并且把Yi施加到加法器1303上。寄存器值添加到Yi上以形成PXi，然后把PXi选通到寄存器中。加法器1303和寄存器1305因此累加PXi值。
然后在累加器ACC2中滤波PXi值，累加器ACC2包括一个乘法器1307、一个加法器1309及一个寄存器1311。乘法器接收来自权重发生器WG的权重和来自累加器ACC1的PXi值。相应权重和PXi值相乘，并且例如对于128个时钟循环累加乘积，以产生一个相位估值器PP。可以建造乘法器，以便在累加过程期间把比例因数k施加到每个乘积上。
一种甚至更简单的实现可以使用一个整数差值相位计算实现。整数差值相位计算在数学上不等效于以上方法，但非常接近。参照图14A，该方法除观察频率数据流之外，还使用如果把基准频率应用于图4的捕获电路(具有相同时钟)则生成的基准频率数据流。一个运算求和Di然后由整数差Xi-Ri形成。在多种实际用途中，如表明在图14和15中的一种，Di仅仅具有值1、0和-1。然而由本例子可以理解和懂得其中Di取其他值的一般情况，并且这种情况由本描述包括。
通过以与以上描述的相同或类似的方式滤波Di值形成相位估计。图14B可以使用相同的三角形加权函数。整数差值相位计算方法产生与以上方法相同的模拟结果，图14C。
参照图15，在其中D只取值1、0和-1的情况下，可以大大地简化相应硬件构造(例如与图13的相比)。
图15的整数差值相位估计器，象图13的那样，一般包括一个第一累加器ACC1、一个权重发生器WG、及一个第二累加器ACC2。累加器ACC1具有与图13的相应结构显著不同的构造。图15的累加器ACC1包括一个基准图案发生器1501、一个1位减法器1503、一个2位加法器1505及一个2位寄存器1507。1位减法器从相应X值上减去相应的R值。2位加法器和寄存器累加生成的Di值，如以上解释的那样，Di值可以仅限制为1、0和-1。
权重发生器WG和累加器ACC2基本上与以前描述的图13中的相同。然而，因为Di只取值1、0和-1，所以不需要乘法器。而是，如果Di=1，则把权重值添加到累加值上，并且如果Di=-1，减去权重值。(如果Di=0，则累加值保持不变。)硬件乘法器的节省是图15的实施的一个特别优点。
另外一种相位估计方法称作时钟测量相位计算方法。参照图16A，该方法类似于以上整数差值相位计算方法，象至今关心的R、X和D。然而，该方法除基准频率数据流R之外，还使用“时钟测量”数RG，数RG与图2中出现的数相同。况且，使用的权重函数显著不同，如图16B中所示。
使用如下公式得到时钟测量相位估计值PCPCn=k·(Dn-frac(RGn)+0.5+∑i(Wi·Xi+n-64))使用时钟测量相位计算方法的类似结果表示在图16C中。
参照图17，时钟测量相位估值器一般包括一个第一累加器ACC1、一个权重发生器WG、及一个第二累加器ACC2。估值器另外包括一个求和块1701。
累加器块ACC1基本上与图15的累加器块ACC1相同。然而，注意基准图案发生器产生在累加器ACC1内使用的基准频率数据流R、和输入到求和块1701的时钟测量数据流RG。
权重发生器包括一个计数器1703和权重发生器逻辑电路1705。
累加器ACC2包括一个加法器1707和一个寄存器1709。当X=1时，来自权重发生器的权重值添加到寄存器1709的内容。加法器的输出成为寄存器的新输入，寄存器对于例如128个时钟循环进行累加器运算。
在ACC2累加运算的结果处，ACC1和ACC2的输出与相应的RG值一起在求和块1701中求和。
熟悉本专业的技术人员将理解，本发明能以其他具体形式实施而不脱离其精神或基本特征。因此在所有方面把当前公开的实施例考虑成是说明性的而不是限制性的。本发明的范围由附属权利要求书而不是由以上描述指示，并且在其等效意义和范围内的所有变化打算包括在其中。
权利要求
1．一种使用一个第二时钟信号确定一个第一时钟信号的相位的方法，包括步骤按照第二时钟信号采样第一时钟信号以产生一个数字位或符号流；和由数字位流形成一个指示相位的数字字。
2．根据权利要求1所述的方法，其中形成数字字包括滤波数字位流。
3．使用一个第二时钟信号用来确定一个第一时钟信号的相位的设备，包括用来按照第二时钟信号采样第一时钟信号以产生一个数字位流的装置；和用来由数字位流形成一个指示相位的数字字的装置。
4．根据权利要求3所述的设备，其中用来形成的所述装置包括一个数字滤波器。
5．根据权利要求4所述的设备，其中数字滤波器采用一个其中不同权重施加到不同数字位上的加权函数。
6．一种使用一个第二时钟信号确定一个第一时钟信号的相位的方法，包括步骤按照第二时钟信号采样第一时钟信号以产生一个数字符号流；和由数字符号流形成一个指示相位的数字值。
7．根据权利要求6所述的方法，其中形成数字值包括滤波数字位流。
8．使用一个第二时钟信号用来确定一个第一时钟信号的相位的设备，包括用来按照第二时钟信号采样第一时钟信号以产生一个数字符号流的装置；和用来由数字位流形成一个指示相位的数字值的装置。
9．根据权利要求8所述的设备，其中用来形成的所述装置包括一个数字滤波器。
10．根据权利要求9所述的设备，其中数字滤波器采用一个其中不同权重施加到不同数字位上的加权函数。
11．一种使用另一个时钟信号产生指示一个时钟信号的相位的一个数据流的方法，包括按照另一时钟信号采样时钟信号之一以形成一个第一数字位或符号流，每个数字位或符号表示在另一个时钟信号特定周期期间出现的一个时钟信号的预定极性的多次转变，从而可以进一步处理数字位或符号流，以确定相对相位。
12．根据权利要求11所述的方法，其中采用频率差值相位计算，包括另外的步骤滤波该流，以得到时钟信号频率的平均比值；滤波该流，以得到时钟信号频率比值的一列短期估计值；对于每个估计值，计算估计值与平均频率比值之间的差值，并且把该差值转换成相位增量；及累加相位增量以产生一个运算相位估计值。
13．根据权利要求11所述的方法，其中采用预求和差值相位计算，包括另外的步骤通过从每个所述数字位或符号减去时钟信号的频率比值，产生第一数字值流；通过累加第二数字值流产生一个第二数字值流；及滤波第二数字值流。
14．根据权利要求11所述的方法，包括步骤当按照所述时钟信号所述的一个采样所述时钟信号的所述另一个时，产生一个第二数字位或符号流；从第一流的位或符号上减去第二数据流的位或符号，以产生一个第三数字位或符号流；及累加第三数字位或符号流，以形成每个具有值1、0和-1的第四数字位或符号流。
15．根据权利要求14所述的方法，其中采用一种整数差值相位计算方法，包括滤波第四数字位或符号流的另外步骤。
16．根据权利要求14所述的方法，其中采用一种时钟测量相位计算，包括另外的步骤滤波所述第一数字位或符号流，以产生一个滤波值；产生当按照所述另外的时钟信号Sigma-Delta调制所述一个时钟信号时生成的一个第五数字值流；形成从所述第四数据流得到的一个值、与从所述第五数据流得到的一个值的小数部分的差值；及把所述差值与所述滤波值相结合。
17．根据权利要求16所述的方法，其中使用一个双曲线加权函数进行滤波。
18．一种用来使用另一个时钟信号产生指示一个时钟信号的相位的数据流的电路，包括一个第一输入端，对其施加一个第一时钟信号；一个第二输入端，对其施加一个第二时钟信号，并且该电路产生一个作为一个输出信号的数字位或符号流，每个数字位或符号表示在另一个时钟信号特定周期期间出现的一个时钟信号的预定极性的多次转变，从而可以进一步处理数字位或符号流，以确定相对相位。
19．根据权利要求18所述的设备，进一步包括一个权重发生器；一个第一累加器；及一个第二累加器；其中第一累加器作为一个输入接收数字位或符号流，并且产生一个输出数字位或符号流，权重发生器产生一列权重，并且第二累加器接收权重系列和输出位或符号流，且产生一个相位估计值。
20．根据权利要求19所述的设备，第二累加器包括一个硬件乘法器。
21．根据权利要求19所述的设备，其中所述第一累加器包括一个基准图案发生器，并且所述输出流包括符号1、0和-1，及其中所述第二累加器包括一个加法器/减法器。
22．根据权利要求18所述的设备，进一步包括一个权重发生器；一个第一累加器；一个第二累加器；及一个求和块；其中权重发生器产生一系列权重，第一累加器作为输入接收数字位或符号流和权重系列，并且产生一个第一输出符号流，第二累加器作为输入接收数字位或符号流，并且产生一个第二输出符号流，及求和块求和来自第一累加器和第二累加器的输出，以产生一个相位估计值。
全文摘要
本发明提供一种简单的全数字方法和设备(图4),用来确定一个第一时钟信号(Fs)相对于一个第二时钟信号(Fs)的相位。第一时钟信号(Fs)可以是诸如RF信号之类的周期性模拟信号的数字近似。采用一种产生包含相对相位信息的数字位流(X)的采样技术。由数字数据位流形成一个指示相对相位的数字字(图11A)。该数字字可以使用一个数字滤波器形成(图13)。便利地是,可应用于Sigma－Delta(有时称作Delta－Sigma)A/D转换器(图1)的数字滤波技术的扩展体,可以直接用于数字流(X)。通过使用适当选择的加权函数,可以获得高精度。
文档编号H03D13/00GK1286854SQ98810984
公开日2001年3月7日 申请日期1998年10月8日 优先权日1997年10月8日
发明者温德尔·桑德 申请人:特罗皮亚恩公司