基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法及其电路

摘要

本发明公开了一种基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法及其电路，该方法包括以下步骤：锁定时隙开始时为锁相环单元配置数据；对环路滤波器充电；锁相环单元在压控振荡器的输出频率达到其配置数据的范围时输出锁定指示；根据锁定指示断开电源。本发明在锁定时隙开始时提前为环路滤波器充电，通过锁定指示信号断开电源，缩短锁相环的锁定时间。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信电路，更具体地说，涉及一种基于锁相环频率快速 锁定的频率合成方法及其电路。

背景技术

为了提高频谱效率，现代无线通信系统大都利用频分/时分复用技术，无 线收发机进行通信时所用信道，会根据信道占用情况、信道质量进行实时切 换。信道的切换，是通过改变频率合成器的输出频率来实现的。频率合成器 给收发电路中的变频电路提供可编程的本地载波信号，是无线通信设备的核 心。目前使用的频率合成方式主要是采用锁相环加压控振荡器方式实现的。

在锁相环频合方式中，在目前窄带通信系统中需要带内噪声尽量低，即 需要环路滤波器带宽不能过宽，由于锁相环滤波器带宽的限制，频率源的相 位噪声与锁相速度之间的互相制约：环路带宽窄时，锁定时间变长，但带内 噪声比较低；环路带宽大时，可降低锁相环路的锁定时间，但带内相位噪声 较差。频率源的振荡频率在两个频点之间切换所需要的时间与两个频点间的 频率间隔有关：两个频点间隔越大，对应的滤波器输出的压控电压相差越大， 需要的切换时间就越长。相关技术中大多采用缩短频率源频率两个不同频点 间压控电压的切换时间（即提高压控振荡器），以提高频率源的锁相速度。但 这会增加压控振荡器本身的相位噪声。

锁相环方式的频率合成器锁定过程示意如图1所示，其频率锁定过程分 为三个阶段：

T1（捕获阶段）：频率从稳定到不稳定的急剧变化，输出频率与参考时钟 鉴相频率相位差非常大，锁相环处于失锁状态；

T2(跟踪阶段)：输出频率与参考时钟鉴相频率相位差较小，锁相环对输出 频率进行跟踪，属于环路自身调节的阶段；

T3(稳定阶段)：输出频率与参考时钟鉴相频率相位差非常小，锁相环处于 锁定的状态。

锁定过程的三个阶段中，主要是由T1阶段和T2阶段决定目标频率的锁 定时间。而T2阶段的时间主要是由于环路自身的参数决定，T2阶段时相位差 较小，靠锁相环自身的调节可很快进入T3阶段。然而T1阶段捕获阶段所消 耗的时间，对整体锁定时间起关键的影响，一般通过减小TI阶段的时间来提 高频率源的锁相速度。

相关技术中的锁相环锁定方法是通过为锁相环提前配置预估充电时间， 打开锁相环为锁相环电路中的环路滤波器提前充电，使环路中的电压接近锁 定电压，减少充电泵为锁相环充电的时间，从而加快锁定速度。该方案需要 预先测量压控振荡器锁定频段内单点电压的充电时间统计特性，并存储，在 开启锁相环电路时再读取充电时间，便于控制中心发出持续充电时间；充电 时间与频率变化关系如图2所示；由于不同的压控振荡器对应同一频点的电 压由于一致性、温度等因素不完全相同，导致预置电压不够精确从而使得锁 定时间变长。

目前，锁相环锁定电路如图3所示，首先为鉴相器预置锁定频点的电压， 连接于控制中心的数模转换器通过运算放大器为低通滤波器充电，同时通过 模数转换器通过阅读交换机检测低通滤波器的充电电压，当达到预置的锁定 电压值时，数模转换器发送信号至控制中心，控制中心发送控制信号停止为 环路滤波器充电，使电压趋近于所设置频点的锁定电压，从而达到减少锁定 时间的目的。该方案需要预先测量压控振荡器锁定频段内单点电压的统计特 性，并存储至储存器；为锁相环配置数据时再读预存的电压，通过数模转换 器预先充电，充电时间由模数转换器检测反馈给控制器，形成闭环控制；该 方案对电路一致性及温度稳定性要求较高，软件反应有延迟并且电路比较复 杂、成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的基于锁相环频率快速锁 定的频率合成方法及其电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于锁相环频率 快速锁定的频率合成方法，包括以下步骤：

在每个锁定时隙开始时，为锁相环单元配置数据；

通过直流电源对环路滤波器进行充电，所述环路滤波器的电压上升推动 与其连接的压控振荡器的频率由低变高；

所述锁相环单元实时比较所述压控振荡器的输出频率是否达到其配置数 据的范围：

在所述输出频率达到所述配置数据的范围时，所述锁相环单元送出锁定 指示；

根据所述锁定指示断开所述直流电源，并连通充电泵继续为所述环路滤 波器充电，直至所述锁相环锁定。

优选地，上述基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法中，在对所述环 路滤波器进行充电之前，还包括：对所述环路滤波器进行放电以降低所述压 控振荡器的输出频率。

优选地，上述基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法中，根据所述锁 定指示断开所述直流电源为：控制单元接收锁相环单元发送的锁定指示，并 发送控制信号至所述直流电源，使其停止为所述环路滤波器充电。

优选地，上述基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法中，在每个锁定 时隙开始时，所述锁相环单元通过中央处理器配置数据。

一种基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路，包括：

锁相环单元，将输入频率与配置数据进行比较，并在输入频率达到配置 数据的范围内时输出锁定指示；

压控振荡器，连接于所述锁相环单元，并输出频率至所述锁相环单元；

环路滤波器，连接于所述压控振荡器；

直流电源，连接于所述环路滤波器，为环路滤波器与压控振荡器提供直 流电压；

充电泵，位于所述锁相环单元内部，连接于所述环路滤波器，由所述锁 相环单元控制为所述环路滤波器提供脉动交流电源；

所述直流电源对所述环路滤波器进行充电，所述环路滤波器的电压上升 推动与其连接的压控振荡器的频率由低变高；所述压控振荡器将不断变化的 输出频率发送至所述锁相环单元，所述锁相环单元实时比较新输出频率是否 达到其配置数据范围；若输出频率达到所述配置数据的范围，则所述锁相环 单元输出锁定指示，断开所述直流电源，所述环路滤波器通过所述充电泵继 续充电直至所述锁相环锁定。

优选地，上述基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路中，所述环路滤 波器还连接有用于放电以降低所述压控振荡器的输出频率的第二开关，所述 环路滤波器通过所述第二开关接地。

优选地，上述基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路中，所述锁相环 单元还连接有控制单元，所述控制单元接收锁相环单元的锁定指示并输出控 制信号使连接于所述直流电源的第一开关断开，停止为所述环路滤波器充电。

优选地，上述基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路中，所述锁相环 单元还连接有为其配置数据的中央处理器。

本发明的有益效果是：由于本发明基于锁相环频率快速锁定的频率合成 方法中，在锁相环锁定时隙开始时提前为环路滤波器充电以提高压控振荡器 的频率，并通过锁相环的锁定指示信号断开直流电源，缩短了锁相环的锁定 时间，从而提高了锁相速度。并且由于减少了锁定时间，从而减少了锁相环 电路的开启时间，降低了电路功耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是锁相环方式的频率合成器锁定过程示意图。

图2是现有技术中锁相环电路中充电时间与频率变化关系图。

图3是现有技术中锁相环锁定电路原理图。

图4是本发明一个实施例中基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法的 流程示意图；

图5是本发明一个实施例中基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法中 使用示波器抓捕各个信号的波形图；

图6是本发明基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法的锁定时间测试 图；

图7是本发明一个实施例中基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路的 电路原理框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图 详细说明本发明的具体实施方式。

图4示出了本发明一个优选实施例中的基于锁相环频率快速锁定的频率 合成方法，适用于所有带锁定指示的锁相环路频率合成通信系统。本发明基 于锁相环频率快速锁定的频率合成方法包括以下步骤：

在每个锁定时隙开始时，为锁相环单元配置数据。在配置数据时包括为 锁相环单元的各寄存器配置数据、为锁相环配置分频比等使锁相环单元正常 工作所需要的控制信息。

通过直流电源对环路滤波器进行充电，环路滤波器的电压上升推动与其 连接的压控振荡器的频率由低变高。在配置数据完成后，将连通环路滤波器 和直流电源的第一开关闭合，为环路滤波器中的电容进行充电。直流电源可 直接为环路滤波器进行充电，使压控振荡器的输出频率快速达到锁相环的配 置数据范围，锁相环芯片通过计算其内部寄存器的配置数据的值，得到一个 期望达到频率，再将压控振荡器的输出频率与该期望达到的频率进行比较。 可以理解地，直流电源的电压值大于锁相环的锁定电压。

锁相环单元实时比较压控振荡器的输出频率是否达到其配置数据的范围：

若输出频率低于配置数据范围的下限，则继续对环路滤波器进行充电以 增加压控振荡器的输出频率，锁相环单元读取压控振荡器新输出的输出频率 进行实时比较，如此反复直至输出频率达到配置数据的范围时，锁相环单元 送出锁定指示。

在充电前，由于环路滤波器未充电，电压表现为低电平，压控振荡器的 频率在整个频率合成器输出频率的低端；使用直流电源为环路滤波器充电后， 环路滤波器的电压快速上升推动压控振荡器的输出频率从低端快速向上变化； 直到输出频率达到配置数据期望达到的频率值，锁相环单元送出锁定指示， 即高电平。可减小锁相环频率锁定的捕获阶段的时间。

根据锁定指示断开直流电源，并连通充电泵继续为环路滤波器充电，直 至锁相环锁定。充电泵输出脉动交流电源，压控振荡器的频率进入缓慢上升 过程，此时锁相环频率锁定进入跟踪阶段。

在一些实施例中，在对环路滤波器进行充电之前，还包括：对环路滤波 器进行放电以降低压控振荡器的输出频率。可以理解地，在另一些实施例中， 锁相环通过增加锁定时隙的间隔时长以降低所述压控振荡器的输出频率。在 充电前，环路滤波器可能处于高电平，而锁相环单元的锁定频率为低端，则 需要先对环路滤波器进行放电，使其电压表现为低电平，使压控振荡器的频 率处于整个频率合成器输出频率的低端；再对环路滤波器进行充电。

根据锁定指示断开直流电源为：控制单元接收锁相环单元发送的锁定指 示，并发送控制信号至直流电源，使其停止为环路滤波器充电。控制单元接 收到控制信号后，断开与直流电源连接的第一开关，使直流电源停止为环路 滤波器的电容充电。

在一些实施例中，控制单元为FPGA。通过实际测量，锁相环电路通过FPGA 控制开关开闭的响应时间小于25μS。在另一些实施例中，控制单元还可以为 触发器或数字电路的锁存器。可以理解地，控制单元可为任何能对输入信号 快速反应的逻辑单元。

在每个锁定时隙开始时，锁相环单元通过中央处理器配置数据。中央处 理器为OMAP（Open Multimedia Application Platform，开放式多媒体平台）系 列的处理器。优选地，中央处理器为OMAP5912。在另一些实施例中，锁相 环单元通过SPI总线连接于主机为其配置数据。

图5为使用示波器抓捕各个信号的波形图，其中波形1为配置数据信号， 波形2为充电时间信号，波形3为锁定指示信号，波形4为锁相环电路电压 信号。由图可看出锁定指示信号为一系列的尖脉冲信号，其中第一个尖脉冲 的起始时刻锁相环电路电压最接近于最终的锁定电压，即在此时中断直流电 源，锁相环捕捉第一个锁定指示尖脉冲并保存采样数据使得后面的尖脉冲信 号不再响应触发直流电源开关。

基于锁相环频率快速锁定的频率合成方法的锁定时间测试图如图6所示， 图中为基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路从0-483.35MHz的锁定时间。 由图可知，T1阶段（即频率锁定趋于目标频率100Hz完成锁定）的时间为 1.733ms，减少锁相环电路的锁定时间，可降低电路所需功耗。

一种基于锁相环频率快速锁定的频率合成电路，如图7所示，包括：

锁相环单元，将输入频率与配置数据进行比较，并在输入频率达到配置 数据的范围内时输出锁定指示；

压控振荡器，连接于锁相环单元，并输出频率至锁相环单元；

环路滤波器，连接于压控振荡器；

直流电源，连接于环路滤波器，为环路滤波器与压控振荡器提供直流电 压；

充电泵，位于锁相环单元内部，连接于环路滤波器，由锁相环单元控制 为环路滤波器提供脉动交流电源；充电泵可为环路滤波器提供充放电电源。

直流电源对环路滤波器进行充电，环路滤波器的电压上升推动与其连接 的压控振荡器的频率由低变高；压控振荡器将不断变化的输出频率发送至锁 相环单元，锁相环单元实时比较新输出频率是否达到其配置数据范围；若输 出频率达到配置数据的范围，则锁相环单元输出锁定指示，断开直流电源， 环路滤波器通过充电泵继续充电直至锁相环锁定。有效缩短了锁定时间，并 且电路简单、成本较低，且可靠性高。

在一些实施例中，所述环路滤波器还连接有用于放电以降低所述压控振 荡器的输出频率的第二开关，所述环路滤波器通过所述第二开关接地。在锁 定时隙开始时，若锁相环电路中的电压大于锁定电压，即压控振荡器的输出 频率处于高端，而锁相环的锁定频率处于低端时，通过第二开关闭合将环路 滤波器放电，使压控振荡器表现为低电平，再重新进行充电以达到锁定电压。 在另一些实施例中，锁相环电路通过增加锁定时隙的间隔时长以降低所述压 控振荡器的输出频率。

所述锁相环单元还连接有控制单元，所述控制单元接收锁相环单元的锁 定指示并输出控制信号使连接于所述直流电源的第一开关断开，停止为所述 环路滤波器充电。所述锁相环单元的锁定检测通过锁相环单元内部的鉴相器 实现。

在一些实施例中，所述锁相环单元还连接有为其配置数据的中央处理器。 优选地，所述中央处理器为OMAP5912。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的 保护范围内。