专利名称：利用直接数字调谐注入锁定压控振荡器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子领域，特别地涉及压控振荡器(VCO)的调谐和注入锁定(injection locking)。
背景技术：
如本领域技术人员应当理解的，振荡器是用于产生信号的电子器件。在计算机、音频设备(特别是音乐合成器)、无线接收器和发射器中可发现振荡器。存在许多类型的振荡器器件，但是它们都按照相同的基本原理来运作振荡器总是采用灵敏放大器，该放大器的输出被协调(in phase)反馈至输入。由此，该信号再生并且保持本身。这就是公知的正反馈。
本领域技术人员同样应当理解，一些振荡器采用电感器、电阻器和/或电容器的组合以产生它们的工作频率，比如电阻器-电容器(RC)和电感器-电容器(LC)振荡器。但是，最佳的稳定性(频率恒定性)在使用石英晶体的振荡器中获得。当直流电流被作用于这样的晶体中时，它在某一频率下振动，该频率取决于它的厚度，还取决于它从原始天然矿石被切割时的方式。
压控振荡器(VCO)是一种在与外部作用电压成比例的频率下产生振荡信号的电路。在锁相回路(PLL)中经常发现VCO，其用于在其他元件之中使得振荡频率与外部基准同步，或者与晶体基准的更高倍数或微分(derivative)同步。在第一种情形(称为时钟还原)中，其目的是为了重建与曾被用来产生数据流的时钟信号同步的时钟信号。在第二种情形中，其目的是为了产生更高频率的信号，该信号具有低频率基准的相位噪声属性。VCO的相位噪声通常很差，不满足许多应用的需要。在其标称频率和漂移方面，也是不可预知的。另一方面，该晶体更为精确，具有更佳相位噪声。为了利用较低频率的晶体振荡器作为基准来产生高射频(RF)，可使用PLL。
图1描绘了包含具有VCO电路的PLL的频率调谐电路框图。该电路包括振荡器20或外部基准时钟、相位检测器22、低通滤波器24、增益级26、VCO28和除法器29，它们构成环路。相位检测器是通常具有输出电压的电路，该输出电压具有平均值，该平均值与来自振荡器20的输入信号和VCO28的输出之间的相位差成比例。低通滤波器24被用来从相位检测器22的输出中提取该平均值。然后该平均值被放大，用来驱动VCO28。除法器29将高频Vosc转变为低频V’osc。该环路的负反馈造成VCO28的输出与来自振荡器20的输入信号一起被同步或锁定。在该锁定状态下，输入信号的任何轻微变化首先表现为输入信号和VCO频率之间相位变化。然后，该相移用作误差信号，使VCO频率变得与输入信号相匹配。换句话说，相位检测器22的目的是产生一项输出，其表示VCO28中产生的频率与输入信号的频率相差多大。比较这些频率和产生与它们的差成比例的误差信号，使得VCO频率移位和变为与输入信号相同的频率。
取代PLL的是注入锁相，其无需设计高频相位检测器或除法器电路。注入锁相的过程是振荡器的基本属性，因为能够利用在每种情形下观察到的相同定性行为，在各种振荡器类型中对其进行观察。当周期信号被注入到具有自由运行频率f0的振荡器(例如VCO)中时，通过将其与状态振荡信号相加，该振荡器将在f0±LBW/2上锁定于和跟踪所注入的信号频率，其中LBW是锁定带宽。在该锁定范围之内，该过程可被建模为真正的第一阶PLL，这意味着该环路是无条件稳定的，并且该输出的相位噪声在较宽带宽上跟踪所注入的时钟的相位噪声。此外，对于更大的注入幅度，锁定带宽(LBW)会增加。例如，为了适应过程和环境变化，典型的射频(RF)应用需要大于信号带宽的25-50MHz的LBW。然而，获得该LBW通常需要大的注入信号功率，这在特定应用比如集成(相对于分离而言)电路中是不合需要的。此外，在数字(相对于模拟而言)信号处理的固有优点之下，利用数字电路确定VCO振荡频率的能力将是有利的。特别地，在集成电路环境中，用以消除脱离芯片(off-chip)的组件和减少总体芯片面积的能力是需要的。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种改进的注入锁定电路，其允许以更小LBW和相关联的更低信号功率进行VCO注入锁定。通过确保自由运行的振荡器频率与注入谐波(harmonic)相接近，独立于过程和环境变化，所需LBW被大为减少。结果，注入功率和关联功率耗散也被降低。此外，数字电路的信号处理能力被用来确定VCO的振荡频率，而无需扩充的附加电路。
为了以更小的基准信号和由此更小的LBW进行VCO注入锁定，本发明包括预调谐算法以设置VCO频率，从而期望频率落在期望LBW中。VCO的调谐是利用不需要输入基准的直接数字调谐来实现的。注入锁相是利用低频时钟谐波作为基准信号来实现。VCO的输出信号被二次采样(sub-sample)和数字化，确定中心频率，调节VCO控制电压。VCO输出可被进一步二次采样和数字调谐，从而它落在基准信号的LBW之内。
按照本发明的一方案，提供一种数字预调谐和注入锁定压控振荡器(VCO)的方法，包括步骤将VCO数字预调谐到指定的锁定带宽(LBW)之内；将输入基准信号注入到所述VCO中；以及将所述VCO锁定于所述输入基准信号。
优选地，数字预调谐的步骤包括步骤数字化VCO输出；确定VCO输出频率；调节VCO输出频率；以及重复数字化、确定和调节步骤，直至达到期望的振荡频率为止。
按照本发明的第二方案，一种用于数字预调谐和注入锁定压控振荡器(VCO)的电路，包括基准振荡器，用于产生基准输入信号；VCO，电连接于所述基准振荡器；以及反馈电路，电连接于所述VCO，用于数字预调谐所述VCO和接收基准。
优选地，该反馈电路包括模-数转换器(ADC)、微控制器和数-模转换器(DAC)，其中控制信号被产生于微控制器中和被注入到VCO中。
本发明的优点现在是很明显的。以改进的锁定范围提供一种将注入锁定与直接数字调谐相结合的低功率振荡器。
参照下述附图，通过考虑如下具体描述，将获得对本发明的更好理解，其中图1描绘了按照现有技术包含具有VCO电路的PLL的振荡器电路框图；图2描绘了按照本发明的VCO调谐和注入锁定系统的框图；图3描绘了按照本发明的具有注入输入端口的实例VCO电路；以及图4描绘了按照本发明的调谐和注入锁定过程的流程图。
具体实施例方式
本发明可被具体化为许多不同形式，并且不应被解释为限定于这里所述的实施例；而是提供这些实施例，从而该公开将是全面和完整的，对于本领域技术人员，将完全表达本发明的范围。附图和如下描述参照了优选实施例，但是并不限于此。
本发明源实现了将数字电路的信号处理能力(比如无线收发器电路中所广泛采用的)用于确定VCO的振荡频率，而无需扩充的附加电路。
如图2所示，VCO30的调谐被实现于数字域中，包含三个主要组件模-数转换器(ADC)38、数字微控制器42和数-模转换器(DAC)。从一开始，通常从基准晶体振荡器34输入到VCO30的基准信号32被关闭。通过首先由ADC38对VCO输出36二次采样，来进行预调谐。然后，利用数字微控制器42在数字域中处理二次采样信号40，其中确定VCO30的中心频率(fc)。如本领域技术人员所理解的，多种方法可用于确定fc。例如，可通过进行采样数据的快速傅立叶变换(FFT)、去除窄带期望信号和任何其他干扰信号、平滑该放大的噪声(如有必要)、以及找到合成频率响应的峰值，来确定fc。更有效的方式是将FFT替换为数字下变频(down-conversion)级。测量从一个采样到下一采样之间的最终相移，以计算VCO30的频率fc。一旦确定VCO频率，通过产生数字控制信号44来调节它，可利用DAC48将这些数字控制信号转换成模拟信号46。含有ADC38、微处理器42和DAC48的这种反馈处理被连续重复，直至达到期望VCO频率为止。
通过预调谐VCO30使其振荡频率fc接近于期望频率，极大减少了所需LBW。LBW的减少降低了基准信号32的所需功率。这允许将具有更高谐波的更低频基准信号用作基准信号。在优选实施例中，低频晶体振荡器被用来注入锁定具有第N谐波的RF VCO，其中N是VCO频率除以基本晶体频率之商。
一旦VCO30被调谐于LBW之内，对VCO30的输入被开启，使得基准信号32被注入到VCO30中。在优选实施例中，基准信号32采取晶体振荡器34的形式，该晶体振荡器的高频谐波在VCO的期望振荡频率下包含一个这样的谐波。VCO被调谐为足够接近该期望振荡频率，以允许注入锁定。一旦作用基准信号，VCO保持锁定于晶体振荡器的谐波。
图3描绘了在VCO30的优选实施例中使用的采样电路图。VCO的槽路(tank circuit)由电感器48和可变电容器50组成。如本领域技术人员所理解的，槽路是由电感器、电容器和可选电阻器组成的并联谐振电路。由于电容器和电感器都储存能量，所以一般称为槽路。还可理解，可变电容器50可被替换为一组开关(switched)电容器组(bank)。
回到图3，可变电容器50具有通过数-模转换器48来调节的控制电压52。槽路中的损耗被晶体管54的差分对所产生的负阻抗抵消。这为振荡创建了条件。晶体管56的输入差分对将输入基准信号转换为电流。该电流被注入到VCO30的槽路(即添加到振荡器槽路的电流信号上)。
图4是调谐和注入过程在操作中的流程图。当VCO被初始启动时(100)，VCO振荡(110)，其输出是二次采样(120)。在数字域中确定振荡频率fc(130)。接着进行测试(140)，以查看fc是否在预定LBW范围之内。如果fc是正确的，则调谐周期完成，对VCO的输入被开启(150)，VCO被注入锁定于基准信号(160)。如果fc不正确，则调节控制信号(170)，重复该调谐过程。
优选实施例的如上描述利用VCO信号的直接数字化。如本领域技术人员所理解的，VCO输出的二次采样是用于数字化窄带高频信号的有效方法，但是数字化的步骤也可通过混合降频到中频(IF)、然后通过采样或二次采样利用ADC进行数字化来实现。该替代实施例也包含于本发明的范围之内。
此外，优选实施例使用数字电路来确定VCO的振荡频率。本发明不限于该实施例。也可理解为，其他电路也能够利用模拟电路来确定VCO振荡频率。该模拟电路也可被用来调节VCO频率，直至它落在期望信号的LBW之内、然后注入锁定被开启为止。
最后，优选实施例使用一种用于在数字域之内处理二次采样VCO输出信号的微控制器。如本领域技术人员可理解，微控制器通常被嵌入到一些其他装置(例如无线收发器)中，一般包括(a)中央处理单元(CPU)，执行软件程序；(b)随机存取存储器(RAM)；(c)可擦除可编程只读存储器(EPROM)；(d)串行和并行I/O；(e)定时器；以及(f)中断控制器。在本发明中，该处理可通过利用纯数字电路来等效实现，该纯数字电路被设计用来进行与关联于图2所述的功能(例如，进行FFT)。
如本领域技术人员所理解的，本发明涉及一种并入直接数字调谐的注入锁定电路。这里所述的电路能够以分离或集成电路形式来制造，并且可结合其他组件来使用，以进行(例如)无线收发器中的指定模拟或数字功能。阅读者还可理解，本领域技术人员可设计多种其他的实施方式，这里请求保护的本发明旨在囊括所有这样的可选实施方式、替换及其等效。电子电路设计领域的技术人员能够奖本发明容易地应用到给定应用的合适实施中。例如，可使用其他类型的VCO或调谐算法。
理解本发明的人士现在可构想上述内容的替代结构和实施例或变化，所有这些替代结构、实施例或变化都落入所附权利要求书中限定的本发明范围之内。
权利要求
1.一种用于数字预调谐和注入锁定压控振荡器(VCO)的方法，该压控振荡器具有指定频率的输出，所述方法包括步骤(a)将所述VCO数字预调谐于指定的锁定带宽(LBW)之内；(b)将输入基准信号注入到所述VCO中；以及(c)将所述VCO锁定于所述输入基准信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中数字预调谐的步骤包括步骤(a)数字化所述VCO输出；(b)确定所述VCO输出频率；(c)调节所述VCO输出频率；以及(d)重复步骤(a)至(c)，直至达到期望的振荡频率。
3.如权利要求2所述的方法，其中确定步骤还包括步骤利用微控制器计算与所述VCO相关联的中心频率(fc)。
4.如权利要求3所述的方法，其中确定步骤还包括步骤确定所述计算出的中心频率(fc)是否在期望的锁定带宽(LBW)之内。
5.如权利要求4所述的方法，其中数字化步骤还包括步骤利用模-数转换器(ADC)二次采样所述VCO输出。
6.如权利要求5所述的方法，其中计算步骤还包括步骤利用所述微控制器对于所述二次采样的VCO输出进行快速傅立叶变换(FFT)。
7.如权利要求6所述的方法，其中计算步骤还包括步骤从所述VCO输出中去除任何干扰。
8.如权利要求7所述的方法，其中调节步骤还包括步骤利用所述微控制器产生数字控制信号。
9.如权利要求8所述的方法，其中调节步骤还包括步骤利用数-模转换器(DAC)将所述数字控制信号转换为模拟信号。
10.如权利要求2所述的方法，其中数字化步骤还包括步骤采样可变的中频(IF)。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述注入步骤包括注入低频晶体振荡器的第N谐波。
13.如权利要求12所述的方法，其中锁定步骤还包括步骤锁定于所述第N谐波。
14.如权利要求5所述的方法，其中计算步骤还包括步骤进行所述二次采样VCO输出的数字降频转换。
15.如权利要求14所述的方法，其中计算步骤还包括步骤测量所述二次采样VCO输出的每个采样之间的相移。
16.如权利要求2所述的方法，其中确定步骤还包括步骤利用数字电路计算与所述VCO相关联的中心频率(fc)。
17.一种用于数字预调谐和注入锁定压控振荡器(VCO)的电路，包括(a)基准振荡器，用于产生基准输入信号；(b)VCO，电连接于所述基准振荡器；以及(c)反馈电路，电连接于所述VCO，用于数字预调谐所述VCO和接收基准信号。
18.如权利要求17所述的电路，其中所述基准振荡器是低频晶体振荡器。
19.如权利要求17所述的电路，其中所述电路是无线收发器电路。
20.如权利要求17所述的电路，其中所述反馈电路包括模-数转换器(ADC)、微控制器和数-模转换器(DAC)；以及其中，控制信号被产生于所述微控制器中并且被发送到所述VCO。
21.如权利要求20所述的电路，其中所述VCO是射频(RF)VCO。
22.如权利要求21所述的电路，其中所述RF VCO还包括槽路。
23.如权利要求22所述的电路，其中所述槽路包括具有关联控制电压的至少两个可变电容器；以及其中，所述控制电压由所述DAC调节。
24.如权利要求22所述的电路，其中所述槽路包括具有关联控制电压的一组开关电容器组；以及其中，所述控制电压由所述DAC调节。
25.如权利要求23所述的电路，其中所述槽路电连接于具有与其相关联的负阻抗的第一对差分晶体管；以及其中，所述负阻抗用以抵消与所述槽路相关联的任何电损耗。
26.如权利要求25所述的电路，其中与所述第一对差分晶体管相组合的所述槽路形成振荡器。
27.如权利要求23所述的电路，其中所述槽路电连接于用于将所述基准输入信号转换为电流的第二对差分晶体管；以及其中，所述电流被注入到所述槽路中。
28.如权利要求27所述的电路，其中所述电流被添加到与所述槽路相关联的电流信号。
29.如权利要求17所述的电路，其中所述反馈电路包括模-数转换器(ADC)、数字电路和数-模转换器(DAC)；以及其中，控制信号被产生于所述数字电路中并且被发送到所述VCO。
全文摘要
本发明涉及电子领域，更特别地涉及压控振荡器(VCO)的调谐和注入锁定。提供一种改进的注入锁定电路，使得以较小的基准信号和由此较小的锁定带宽(LBW)注入锁定VCO。为了以较低功率基准信号来注入锁定VCO，本发明包括预调谐步骤以设置VCO频率，从而期望频率落在LBW中。利用不需要输入基准的直接数字调谐来实现VCO的调谐。利用低频时钟谐波作为基准信号，实现注入锁定。具体来说，通过二次采样和数字化VCO的输出信号、确定中心频率和调节VCO控制电压来实现调谐。
文档编号H03B5/08GK1675841SQ03818996
公开日2005年9月28日 申请日期2003年8月11日 优先权日2002年8月12日
发明者克里斯多佛·安德鲁·德弗里斯, 拉尔夫·迪克森·梅森 申请人:Enq半导体有限公司