CN106817126B - 一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环结构，旨在为无线收发系统提供精确的本振信号。该锁频环包括晶体振荡器（101）、预分频器（102）、数字控制逻辑（103）、数控振荡器（104）、后分频器（105）和反馈分频器（106）等模块；在粗调模式下，数字控制逻辑基于粗调算法比较参考时钟和反馈时钟频率产生粗调门阵列电容控制码，使频率差进入粗调误差范围内；在微调模式下，数字控制逻辑基于微调算法比较反馈时钟和参考时钟频率，经过数字滤波器产生微调门阵列电容控制码，最后实现频率锁定；所述锁频环采用数字逻辑实现鉴频和滤波功能，基于LC谐振腔和多级门阵列电容实现宽范围、高精度和低抖动的数控振荡器单元，结合预分频、后分频、反馈分频技术实现高精度调频步进。本发明适用于无线收音芯片和蓝牙通信芯片的本振设计实现。

Description

一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环

技术领域

本发明主要涉及无线收发器时钟系统设计领域，特别涉及一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环结构。

背景技术

在无线通信中，接收系统为了完成对接收到的射频调制信号的解调，需要产生一个与射频调制信号载波频率一致的本地振荡信号——本振信号。随着无线通信技术的不断发展以及通信数据量的不断提高，使得收发系统对本振信号的频率范围以及抖动性能要求越来越严格，如何设计出频率范围宽，锁频时间短以及调节步进小的高性能频率综合器成为目前亟待解决的问题。

作为接收机中的关键模块，频率综合器主要提供一个精确的本振信号。传统的频率综合器主要基于数模混合的锁相环技术实现。由于各种非理想因素，该结构提供的本振信号容易出现较大频率偏差，甚至失锁现象，其中多数非理想因素为工作环境温度、工艺角偏差、电源不稳定等。另外，由于数模混合的锁相环对频率偏差响应较慢，导致本振信号频率不能及时纠正，使得输入信号解调性能可能会严重恶化，导致误码率增加。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种输出频率范围宽锁频速度快的数字锁频环结构。该结构主要采用数字逻辑单元实现，降低了结构对电源抖动的敏感度，例如可编程分频器、数字鉴频器、数字滤波器、计数器、定时器以及数控振荡器，基于上述结构进行粗调环路和微调环路的锁频工作，避免了传统锁相环结构粗调过程中粗调时间长，粗调误差大等缺陷，使得跳频过程中环路能够快速完成粗调过程，把数控振荡器（DCO）频率牵引进入目标频率的允许粗调频差范围内，然后切换到数字微调环路，基于微调算法实现目标频率的精确锁定。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的问题，本发明提一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环，该结构采用晶体振荡器提供高性能参考时钟，通过数字控制逻辑快速实现鉴频和滤波，基于LC谐振腔和多级门阵列电容实现宽范围、高精度和低抖动的DCO单元，结合预分频、后分频、反馈分频技术实现高精度调频步进，使得无线收发系统在精确的本振频率条件下完成无线收发工作。

为实现上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环，其特征在于：包括晶体振荡器（101）、预分频器（102）、数字控制逻辑（103）、数控振荡器（104）、后分频器（105）和反馈分频器（106）等模块；

所述的数控振荡器（DCO，104），其特征在于：包括LC谐振腔（1042）、粗调门控电容阵列（1041）、一级微调门控电容阵列（1043）和二级微调门控电容阵列（1044）等四个模块；

数控振荡器（104）门阵列电容控制码和对应有效容值一一对应，即：

其中：

a₀~a_n1为粗调门阵列电容控制码，取值为0或1，C₀~C_n1为带不同权重的粗调门阵列电容单元的容值；

b₀~b_n2为一级微调门阵列电容控制码，取值为0或1，C_{fine_1}为一级微调电容单元的容值；

k₀~k_n3为二级微调门阵列电容控制码，取值为0或1，C_{fine_2}为二级微调电容单元的容值；

所述的数控振荡器，其特征在于：

二级微调门阵列电容由n3个相同权重电容单元组成，其权重为W_{fine_2}=1；

一级微调门阵列电容由n2个相同权重电容单元组成，其权重表示为：

W_{fine_1}=C_{fine_1}/C_{fine_2}；

粗调门阵列电容由n1个不同权重电容单元组成，其中每个电容单元权重表示为其容值与单位容值C_{fine_1}比例，即：

W₀=C₀/ C_{fine_1}

W₁=C₁/ C_{fine_1}

.....

W_n1=C_n1/ C_{fine_1}

数控振荡器（DCO）频率和门阵列电容的有效容值一一对应，即：

其中L为LC谐振腔中的有效感值，Fre_DCO为数控振荡器的振荡频率；

所述的数字控制逻辑，其特征在于：由两个计数器（1031、1032）、定时器（1033）、数字鉴频器（1034）和数字滤波器（1035）构成，主要实现不同模式下对参考时钟和反馈时钟的鉴频和环路滤波功能；

在粗调模式下，定时器（1033）对预分频器（102）输出的参考时钟REF_CLK进行定时，定时结束发出使能信号EN，触发计数器（1031、1032）分别对参考时钟REF_CLK和反馈时钟FD_CLK进行周期计数，数字鉴频器（1034）和数字滤波器（1035）采用粗调算法对计数结果Num_1、Num_2进行处理实现鉴频功能和滤波功能，同时产生相应的粗调门阵列电容控制码，实现数控振荡器（104）频率调节，重复上述操作，最终使得反馈时钟和参考时钟频差进入粗调误差范围内；

在微调模式下，定时器（1033）对预分频器（102）输出的参考时钟REF_CLK进行定时，定时结束发出使能信号EN，触发计数器（1031、1032）分别对参考时钟REF_CLK和反馈时钟FD_CLK进行周期计数，数字鉴频器（1034）和数字滤波器（1035）通过微调算法对计数结果Num_1、Num_2进行处理实现鉴频和滤波功能，同时产生相应的微调门阵列电容控制码，实现数控振荡器（104）频率调节，最终使得反馈时钟和参考时钟频差进入微调误差范围内，实现环路频率锁定；

所述的粗调算法，其特征在于：根据数控振荡器的门控电容阵列权重与振荡频率的关系特征曲线，获得目标DCO频率Fre_DCO所对应的权重W并产生相应的控制码，其表达式为：

其中W_1为第一DCO频率Fre_DCO1对应的有效电容权重，W_2为第二DCO频率Fre_DCO2对应的有效电容权重；

所述的粗调算法，其特征在于：目标DCO振荡频率对应的门阵列电容控制码产生算法如下：

首先，判断权重W是否大于最大电容单元权重W_n1，若大于则其对应的控制码a_n1取1，同时W=W-W_n1；否则a_n1=0，W=W；

其次，判断权重W是否大于次大电容单元权重W_n1-1，若大于则其对应的控制码a_n1-1取1，同时W=W-W_n1-1；否则a_n1-1=0，W=W；

最后，以此类推，获得粗调门阵列电容所有电容单元对应的控制码a₀~a_n1；

所述的微调算法，其特征在于：根据微调环路数控振荡器微调电容变化（△C）关于频率变化量（△f）的特性曲线，获得该目标频率对应的微调门阵列电容控制码权重△W，最终获得微调门阵列电容的控制码，其中△W关于△f的表达式为：

其中W_1为第一DCO频率Fre_DCO1对应的有效电容权重，W_2为第二DCO频率Fre_DCO2对应的有效电容权重，Fre_DCO3为上次调谐后DCO实际振荡频率，△f为Fre_DCO3和目标DCO频率Fre_DCO的差值，即：

△f=Fre_DCO3-Fre_DCO

所述的微调算法，其特征在于：目标DCO振荡频率对应的微调控制码产生算法如下：

将△W对应的二级微调电容单元个数开启，若此时二级微调电容开启个数超过n3，则将开启个数减去W_{fine_1}个，同时增加开启一个一级微调电容单元，直至二级微调电容阵列开启个数≤n3；若未超过n3，则直接开启相应的二级微调电容单元个数即可；

所述的第一DCO频率和第二DCO频率，其特征在于：

设置第一DCO门阵列电容权重W_1，即：

产生第一DCO振荡频率Fre_DCO1，即：

设置第二DCO门阵列电容权重W_2，即：

产生第二DCO振荡频率Fre_DCO2，即：

所述晶体振荡器，其特征在于：采用片外晶体和片上晶振电路实现，主要为数字锁频环提供低抖动的参考时钟信号；

所述的预分频器（102）、后分频器（105）和反馈分频器（106），其特征在于：通过采用可编程技术实现输出范围宽和频率调节步进低等工作特性；

所述的高精度数字锁频环，其特征在于：数控振荡器的门阵列电容单元个数、粗调次数、粗调频率误差、微调次数以及微调误差均可根据实际系统需求进行设置。

附图说明

图1是本发明的数字锁频环结构示意图；

图2是本发明中第一DCO频率的产生示意图；

图3是本发明中第二DCO频率的产生示意图；

图4是本发明中涉及到的粗调环路数控振荡器电容和权重的关系图；

图5是本发明中涉及到的微调环路数控振荡器电容和权重的关系图；

图6是本发明数字锁频环的环路粗调锁频算法实现示意图；

图7是本发明粗调权重W对应的粗调电容阵列控制码产生算法示意图；

图8是本发明数字锁频环的环路微调锁频算法实现示意图；

图9是本发明微调权重W对应的微调电容阵列控制码产生算法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1描述了一种输出频率范围宽锁频速度快的数字锁频环，它包括晶体振荡器（101）、预分频器（102）、数字控制逻辑（103）、数控振荡器（104）、后分频器（105）和反馈分频器（106）等模块；其中数控振荡器主要产生频率与控制码一一对应的时钟周期信号，并通过可编程发反馈分频器进行分频，分频后时钟信号、参考时钟信号作为输入信号提供给数字控制逻辑（103），数字控制逻辑分别基于粗调算法和微调算法进行数字鉴频和滤波，并产生相应的门阵列电容控制码，实现对数控振荡器频率调节，最终使得环路频率锁定。整个锁频环路工作过程如下：

步骤一：如图2所示，设置第一组DCO门阵列电容权重W_1、预分频器的分频因子K以及参考时钟的周期个数Num_1，通过自动频率控制逻辑在Num_1个参考时钟周期内对可编程分频器输出时钟进行计数得到周期个数Num_2，可以计算出第一个DCO频率Fre_DCO1，即：

步骤二：如图3所示，设置第二组DCO门阵列电容权重W_2，预分频器分频因子与参考时钟周期个数均与步骤一相同，通过自动频率控制逻辑在Num_1个参考时钟周期内对可编程分频器输出时钟进行计数得到周期个数Num_2’，可以计算出第二个DCO频率Fre_DCO2，即：

步骤三：如图4所示，根据第一DCO频率Fre_DCO1和第二DCO频率Fre_DCO2，获取数控振荡器门阵列电容权重关于数控振荡器工作频率的特征曲线，即：

步骤四：基于目标DCO频率Fre_DCO，设定相应的后分频器和反馈分频器因子；

步骤五：基于目标DCO频率Fre_DCO，通过门阵列电容权重关于频率的特征曲线，获得该目标频率对应的门阵列电容权重W，根据以下算法产生对应的门阵列电容控制码：

首先，判断权重W是否大于最大电容单元权重W_n1，若大于则其对应的控制码a_n1取1，同时W=W-W_n1；否则a_n1=0，W=W；

其次，判断权重W是否大于次大电容单元权重W_n1-1，若大于则其对应的控制码a_n1-1取1，同时W=W-W_n1-1；否则a_n1-1=0，W=W；

最后，以此类推，获得粗调门阵列电容所有电容单元对应的控制码a₀~a_n1；

步骤六，根据步骤五产生的DCO门阵列电容控制码，调节DCO的振荡频率，使其产生与该控制码对应的DCO频率Fre_DCO3；

步骤七：数字控制逻辑（103）判断该控制码对应的实际DCO频率与目标DCO频率的偏差是否在要求粗调误差内，若偏差满足误差要求，则锁频环路粗调结束，进入微调环路锁频；否则，数字控制逻辑将以当前调谐后频率偏差△Fre1进行目标DCO频率进行修正，具体如下：

基于新目标DCO频率，获取对应的门阵列电容权重为W，重复上述调谐算法进行环路粗调，直至频率偏差进入容许范围内，环路粗调结束；若在系统设定的环路粗调次数内，频率偏差未进入容许范围内，则环路粗调锁频失败；

步骤八：根据微调环路数控振荡器微调电容变化（△C）关于频率变化量（△f）的特性曲线，获得该目标频率对应的微调门阵列电容控制码权重△W，最终获得微调门阵列电容的控制码，其中△W关于△f的表达式为：

其中W_1为第一DCO频率Fre_DCO1对应的有效电容权重，W_2为第二DCO频率Fre_DCO2对应的有效电容权重，Fre_DCO3为上次调谐后DCO实际振荡频率，△f为Fre_DCO3和目标DCO频率Fre_DCO的差值，即：

△f=Fre_DCO3-Fre_DCO

步骤九：目标DCO振荡频率对应的微调控制码产生算法如下：

将△W对应的二级微调电容单元个数开启，若此时二级微调电容开启个数超过n3，则将开启个数减去W_{fine_1}个，同时增加开启一个一级微调电容单元，直至二级微调电容阵列开启个数≤n3；若未超过n3，则直接开启相应的二级微调电容单元个数即可；

步骤十：基于微调门阵列电容控制码，对数控振荡器进行频率调节，重复上述微调步骤直至频差进行微调误差范围内。

以上各模块的示意图和实现是指具有该功能的所有实现方案。以上各图所示的电路仅为示例，将器件简单地替换所引起的电路变化亦属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应以权力要求书为准。

Claims (8)

1.一种输出频率范围宽锁频速度快的高精度数字锁频环，包括晶体振荡器（101）、预分频器（102）、数字控制逻辑（103）、数控振荡器（104）、后分频器（105）和反馈分频器（106）六个模块，具有粗调和微调两种工作模式，其中所述的晶体振荡器（101）输出晶振时钟接到预分频器（102）的输入端，预分频器（102）的输出时钟REF_CLK分别接到数字控制逻辑（103）的第一计数器（1031）和定时器（1033）的输入端；

所述的数字控制逻辑（103）包括第一计数器（1301）和第二计数器（1032）、定时器（1033）、数字鉴频器（1034）和数字滤波器（1035），其中第一计数器（1031）输入端分别接参考时钟REF_CLK和使能信号EN，输出计数结果Num_1接到数字鉴频器（1034）的一个输入端，第二计数器（1032）输入端分别接反馈时钟FD_CLK和使能信号EN，输出计数结果Num_2接到数字鉴频器（1034）的另一输入端，定时器（1033）的输入端接参考时钟REF_CLK，输出信号为使能信号EN，数字鉴频器（1034）的输出接到数字滤波器（1035）的输入端，数字滤波器（1035）的输出为Coarse_Code和Fine_Code，其中Coarse_Code接到数控振荡器（104）的粗调门控电容阵列（1041）开关控制端，Fine_Code接到数控振荡器（104）的一级微调门控电容阵列（1043）和二级微调门控电容阵列（1043）的开关控制端；

所述的数控振荡器（104）包括LC谐振腔（1042）、粗调门控电容阵列（1041）、一级微调门控电容阵列（1043）和二级微调门控电容阵列（1044），其输入信号为数字控制逻辑（103）的输出Coarse_Code和Fine_Code，输出信号DCO_CLK分别接到后分频器（105）和反馈分频器（106）的输入端；

所述的后分频器（105）和反馈分频器（106）输出信号分别为CLK_OUT和FD_CLK。

2.如权利要求1所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的数控振荡器（104）门阵列电容控制码和对应有效容值一一对应，即：

其中：

C_eff为数控振荡器（104）的有效容值，其主要由粗调门阵列电容有效值C_{eff_coarse}、一级微调门阵列电容有效值C_{eff_fine_1}和二级微调门阵列电容有效值C_{eff_fine_2}组成；

a₀~a_n1为粗调门阵列电容控制码，取值为0或1，C₀~C_n1为带不同权重的粗调门阵列电容单元的容值；

b₀~b_n2为一级微调门阵列电容控制码，取值为0或1，C_{fine_1}为一级微调电容单元的容值；

k₀~k_n3为二级微调门阵列电容控制码，取值为0或1，C_{fine_2}为二级微调电容单元的容值；

二级微调门阵列电容由n3个相同权重电容单元组成，其权重为W_{fine_2}=1；

一级微调门阵列电容由n2个相同权重电容单元组成，其权重表示为：

W_{fine_1}=C_{fine_1}/C_{fine_2}；

粗调门阵列电容由n1个不同权重电容单元组成，其中每个电容单元权重表示为其容值与单位容值C_{fine_1}比例，即：

W₀=C₀/ C_{fine_1}

W₁=C₁/ C_{fine_1}

.....

W_n1=C_n1/ C_{fine_1}

数控振荡器（DCO）频率和门阵列电容的有效容值一一对应，即：

其中L为LC谐振腔中的有效感值，Fre_DCO为数控振荡器的振荡频率。

3.如权利要求1所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的数字控制逻辑，主要实现不同模式下对参考时钟和反馈时钟的鉴频和环路滤波功能；

在粗调模式下，定时器（1033）对预分频器（102）输出的参考时钟REF_CLK进行定时，定时结束发出使能信号EN，触发第一计数器（1031）和第二计数器（1032）分别对参考时钟REF_CLK和反馈时钟FD_CLK进行周期计数，数字鉴频器（1034）和数字滤波器（1035）采用粗调算法对计数结果Num_1、Num_2进行处理实现鉴频和滤波功能，同时产生相应的粗调门阵列电容控制码，实现数控振荡器（104）频率调节，经过多次粗调，最终使得反馈时钟和参考时钟频差进入粗调误差范围内；

在微调模式下，定时器（1033）对预分频器（102）输出的参考时钟REF_CLK进行定时，定时结束发出使能信号EN，触发第一计数器（1031）和第二计数器（1032）分别对参考时钟REF_CLK和反馈时钟FD_CLK进行周期计数，数字鉴频器（1034）和数字滤波器（1035）通过微调算法对计数结果Num_1、Num_2进行处理实现鉴频和滤波功能，同时产生相应的微调门阵列电容控制码，实现数控振荡器（104）频率调节，经过多次微调，最终使得反馈时钟和参考时钟频差进入微调误差范围内，实现环路频率锁定。

4.如权利要求1所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的粗调模式采用粗调算法实现频率粗调，该算法基于数控振荡器的门控电容阵列权重与振荡频率的关系特征曲线，获得目标DCO频率Fre_DCO所对应的权重W并产生相应的控制码，其表达式为：

其中W_1为第一DCO频率Fre_DCO1对应的有效电容权重，C₁为第一DCO频率Fre_DCO1对应的有效电容，W_2为第二DCO频率Fre_DCO2对应的有效电容权重，C₂为第二DCO频率Fre_DCO2对应的有效电容，C为目标DCO频率Fre_DCO所对应的有效电容。

5.如权利要求4所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的粗调模式目标DCO振荡频率对应的门阵列电容控制码产生算法如下：

首先，判断权重W是否大于最大电容单元权重W_n1，若大于则其对应的控制码a_n1取1，同时W=W-W_n1；否则a_n1=0，W=W；

其次，判断权重W是否大于次大电容单元权重W_n1-1，若大于则其对应的控制码a_n1-1取1，同时W=W-W_n1-1；否则a_n1-1=0，W=W；

最后，以此类推，获得粗调门阵列电容所有电容单元对应的控制码a₀~a_n1。

6.如权利要求1所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的微调模式采用微调算法实现频率微调，其主要基于微调环路数控振荡器微调电容变化△C关于频率变化量△f的特性曲线，获得目标频率对应的微调门阵列电容控制码权重△W，最终获得微调门阵列电容的控制码，其中△W关于△f的表达式为：

其中W_1为第一DCO频率Fre_DCO1对应的有效电容权重，W_2为第二DCO频率Fre_DCO2对应的有效电容权重，Fre_DCO3为上次调谐后DCO实际振荡频率， Fre_DCO³为目标DCO实际振荡频率的三次方，△f为Fre_DCO3和目标DCO频率Fre_DCO的差值，即：

△f=Fre_DCO3-Fre_DCO。

7.如权利要求6所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的微调模式目标DCO振荡频率对应的微调控制码产生算法如下：

将权利要求6微调算法产生的微调门阵列电容控制码权重△W对应的二级微调电容单元个数开启，若此时二级微调电容开启个数超过n3，则将开启个数减去W_{fine_1}个，同时增加开启一个一级微调电容单元，直至二级微调电容阵列开启个数≤n3；若未超过n3，则直接开启相应的二级微调电容单元个数即可。

8.如权利要求4所述的高精度数字锁频环，其特征在于：所述的第一DCO频率和第二DCO频率的产生方法为：

设置第一DCO门阵列电容权重W_1，即：

产生第一DCO振荡频率Fre_DCO1，即：

其中C_{eff_1}为门阵列电容权重W_1对应的有效权重；

设置第二DCO门阵列电容权重W_2，即：

产生第二DCO振荡频率Fre_DCO2，即：

其中C_{eff_2}为门阵列电容权重W_2对应的有效权重。

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