用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换电路及方法

摘要

本发明涉及一种用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换电路及方法，所述电路包括定时器控制电路和触发电路；当无线通信设备从一个信道切换到另一个信道时，触发电路将电荷泵电流置为大电流，以获得大的环路带宽和快的锁定速度，使环路输出频率迅速到达目标锁定频率附近；定时器计时，经系统要求的锁定时间后，定时器控制电路将电荷泵电流恢复为小电流，由于环路输出频率已经到达目标锁定频率附近，因此尽管衰落时间常数已随环路带宽减小而减小，环路仍能迅速锁定到目标频率；同时，由于环路带宽减小，带外相位噪声变好，接收端的邻道信号选择性和发射端的邻道功率泄漏抑制比都相应变好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锁相环环路带宽切换电路及方法，特别是涉及采用无缝切换技术的无线通信收发系统中的锁相环环路带宽切换电路及方法。

背景技术

采用无线通信设备通话时，需要由基站来传输信号。一个基站的信号覆盖是有一定范围的，为了能让无线电话在一个很大区域内都能打电话，就需要很多基站，使信号能覆盖这片区域。这样，当用户在移动过程中通话，就会发生切换。这种切换常规情况下会有1～2秒，有时有短暂停顿的感觉。只要在发生切换以前，能够预先搜索到其它更强信号基站，并能在断掉原链接时迅速抢占到这个信道，就可以保证通话流畅，用户基本感觉不到停顿的现象，这项技术称为无缝切换技术。

从技术上分析，首先切换是个系统的概念，包括扇区切换，小区切换等多级别的切换，需要整个通讯系统的支持，不同级别的切换需要交换系统有复杂程度不同的信令控制流程，反映在时间上就有不同量级的延时，另外还有硬件电路的延时。目前大多商用的通信系统无线链路结构无法采用软切换，所以能否实现无缝切换的焦点就集中于能在多大程度上减小延时。这就要求用于该无线通信设备的射频收发芯片的锁相环锁定时间要尽可能的短。

频率综合发生器是一个完整的无线通信收发系统中重要的组成部分，用于产生接收和发射装置都必不可少的本振信号。对频率综合发生器的基本要求包括三个方面：可编程，从而在工作频带内的所有信道都可以锁定；锁定时间短，从而实现快速建立连接，减少数据信息丢失；输出的本振信号要尽可能的“干净”，低相位噪声对发射信号质量和接收选择性都起着至关重要的作用。

锁相环是频率综合发生器最普遍的实现方式之一，其基本构成框图如图1所示，包括鉴频鉴相器11、电荷泵12、低通环路滤波器13、压控振荡器14和可编程分频器15。f_ref为晶体振荡器输出的非常“干净”的参考频率，锁相环将输出信号频率锁定在参考频率的整数或小数倍上，这个倍数由可编程分频器决定。小数分频与整数分频相比，可以获得更高的频率精度，通过∑-Δ调制器控制可编程分频器的分频数，可以实现小数分频，获得更高的频率精度，因此，采用∑-Δ调制器的小数分频电荷泵锁相环应用更为普遍，其原理框图如图2所示，包括鉴频鉴相器21、电荷泵22、低通环路滤波器23、压控振荡器24、可编程分频器25和∑-Δ调制器26。小数分频电荷泵锁相环也存在会引入一定的量化噪声的缺陷。但这可以通过噪声整形，将带内量化噪声推到带外，并通过环路低通滤波器滤除大部分量化噪声。

锁相环设计中一个重要的考虑因素是相位噪声和环路带宽之间的权衡。

环路带宽与成正比，其中I_CP为电荷泵电流，K_VCO为压控振荡器的压控增益，|Z(s)|为环路滤波器传递函数的模，N为可编程分频器的分频数。可以看出，在其它条件确定的情况下，采用大的电荷泵电流，可以获得大的环路带宽，由于锁定时间与环路带宽成反比，因此可以相应获得快的锁定速度。

对于图2所示的采用∑-Δ调制器的小数分频电荷泵锁相环，输出相位噪声需分带内噪声和带外噪声两方面考虑，它们分别由不同的因素决定，对系统性能会造成不同的影响。带内噪声主要由晶振、鉴频鉴相器、电荷泵、可编程分频器及环路滤波器贡献，减小这几部分的噪声，可以改善带内噪声，在低频段带内噪声增益近似为可编程分频器的分频数N。可以看出，其它条件确定的情况下，减小电荷泵噪声可以改善带内噪声。电荷泵噪声对带内噪声的贡献与成正比，其中I_n为电荷泵等效噪声电流，I_CP为电荷泵电流，ΔT为电荷泵导通时间，T_REF为晶体输出的参考信号的周期。由于 $>{}^{}$>因此在其它条件确定的情况下，带内噪声与电荷泵电流成反比，随电荷泵电流增大而减小。带内噪声的减小有利于发射端发射调制精度的提高。带外噪声主要与∑-Δ调制器和压控振荡器的噪声有关，需要从这两个模块的设计着手来减小带外噪声。其它条件确定的情况下，环路带宽小，可以使∑-Δ调制器的噪声大部分被有效抑制，但是压控振荡器的噪声只能通过它本身的设计来改善，与带宽无关。因此，在其它条件确定的情况下，通过减小电荷泵电流，可以减小环路带宽，从而减小带外噪声。带外噪声的减小有利与接收端邻道信号选择性和发射端邻道功率泄漏抑制比的提高。

综上所述，其它条件确定的情况下，大的电荷泵电流，对应大的环路带宽，锁定速度快，带内噪声小，带外噪声大；小的电荷泵电流，对应小的环路带宽，锁定速度慢，带内噪声大，带外噪声小。带内噪声大会导致发射端的发射调制精度差，带外噪声大会导致接收端邻道信号选择性和发射端邻道功率泄漏抑制比差。

无缝切换技术要求锁相环锁定时间尽可能的短，但基于以上原因很难选择一个合适的确定的环路带宽，同时满足锁定时间短和带内带外相位噪声小的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换电路及方法，克服目前无线通信收发系统在越区切换时，切换时间和相位噪声这两个关键性指标无法同时达到最优化，即切换时间过长导致用户在通信时有短暂停顿感，而要缩短切换时间又要引起相位噪声过大的技术问题。

为了克服以上技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换电路，其特征在于，将锁相环环路中设于鉴频鉴相器和环路滤波器之间的固定电荷泵改为可调电荷泵。

一种用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换方法，包括如下步骤：信道切换时，电荷泵电流从200μA到400μA增为400μA到800μA；经系统要求的锁定时间后，电荷泵电流从400μA到800μA恢复为200μA到400μA。

采用如上的电路和方法，在环路滤波器的阶数和元件参数确定的前提下，当锁相环从一个信道切换到另一个信道时，首先采用大的电荷泵电流，由于环路带宽与电荷泵电流成正比，因此获得大的环路带宽和快的锁定速度，使环路输出频率迅速到达目标锁定频率附近；经过系统要求的锁定时间后，切换电荷泵电流，通过采用小的电荷泵电流减小环路带宽，由于环路输出频率已经到达目标锁定频率附近，因此尽管衰落时间常数已随环路带宽减小而减小，环路仍能迅速锁定到目标频率。同时，由于环路带宽减小，带外相位噪声变好，接收端的邻道信号选择性和发射端的邻道功率泄漏抑制比都相应变好。锁相环环路又可同时用作环路带款切换电路。

附图说明

图1是常用锁相环的基本构成框图；

图2是∑-Δ小数分频电荷泵锁相环原理框图；

图3是本发明的用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换方法示意图；

图4是本发明的用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换电路示意图。

具体实施方式

下面根据图3和图4，给出本发明一个较好实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

首先参阅图3，本发明的用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换方法是将锁相环锁定过程分为快锁和慢锁两个阶段。在环路滤波器的阶数和元件参数确定的前提下，当锁相环从一个信道切换到另一个信道，即图中的切换点时，进入快锁阶段，此阶段采用大的电荷泵电流，由于环路带宽与电荷泵电流成正比，因此获得大的环路带宽和快的锁定速度，使环路输出频率迅速到达目标锁定频率附近；经过系统要求的锁定时间后，进入慢锁阶段，此时切换电荷泵电流为小电流，从而减小环路带宽，由于环路输出频率已经到达目标锁定频率附近，因此尽管衰落时间常数已随环路带宽减小而减小，环路仍能迅速锁定到目标频率，同时，由于环路带宽减小，带外相位噪声变好，接收端的邻道信号选择性和发射端的邻道功率泄漏抑制比都相应变好。

参阅图4，本发明的用于无线通信系统的锁相环环路带宽切换电路，设于鉴频鉴相器41和环路滤波器43之间，将图2中传统锁相环环路固定电荷泵22变为可变电荷泵42，可变电荷泵42结合定时器44起到环路带宽切换的作用。

锁相环环路带宽切换电路包括电荷泵电路，与鉴频鉴相器的UP信号输出端、DOWN信号输出端相连；以及定时器控制电路和触发电路。电荷泵电路设有控制开关S1和S2，控制开关S1和S2与定时器控制电路相连。锁相环环路可以选用如图2所示的∑-Δ小数分频电荷泵锁相环。

实际应用时，环路带宽的切换，也就是电荷泵42电流的切换，是通过定时器44控制实现的。信道号决定分频数，分频数的整数部分和小数部分分别由三线送到∑-Δ调制器，∑-Δ调制器产生变化的分频数给可编程分频器从而等效实现相应的小数分频。如图4所示，电荷泵中开关S1和S2缺省状态为断开，也就是说电荷泵缺省状态对应小电流，实际使用200μA、300μA和400μA电流，当无线通信设备从一个信道切换到另一个信道时，三线把分频数送到∑-Δ调制器的同时，通过将电荷泵电路中控制开关S1，S2导通将电荷泵电流置为大电流，实际使用400μA、600μA和800μA的电流，帮助锁相环迅速到达目标锁定频率附近，也就是让锁相环工作在快锁阶段。与此同时，定时器44开始计时，经过系统要求的锁定时间后，通过将电荷泵中开关S1，S2断开将电荷泵电流恢复为小电流，让锁相环工作在慢锁阶段，获得更好的相位噪声从而获得更好的系统性能指标。采用环路带宽切换技术，可以使无线通信设备既满足无缝切换锁定时间短的要求，又满足实际接收和发射数据时，接收邻道信号选择性和发射邻道功率泄漏抑制比等系统指标的要求。

无缝切换系统对锁定时间有一个指标要求，例如PHS系统对这一指标的要求是30微秒，定时器规定的锁定时间值即为系统要求的这一锁定时间值。定时器对时间的控制是通过数脉冲来实现的。例如锁相环的参考频率是19.2MHz，其周期为52ns，假设系统要求的锁定时间为20us，通过一个计数器数19.2M参考时钟的脉冲数，数到384个脉冲后，产生一个控制信号，将开关S1，S2断开，电荷泵电流从800μA切换到小电流200μA。

在选择电荷泵电流切换前后的电流值时，需要权衡以下两方面的因素。首先，小的电荷泵电流值并不是越小越好。因为尽管电荷泵电流减小时，环路带宽减小，带外相位噪声变好，接收端的邻道信号选择性和发射端的邻道功率泄漏抑制比都相应变好，但同时，带内相位噪声变差，发射端的发射调制精度相应变差，为了使这三个指标同时满足系统指标要求，需要对这个小的电荷泵电流值做一定的权衡。其次，大的电荷泵电流值也不是越大越好。由于锁相环实际发射和接收数据时对应锁相环锁定以后的情况，也就是对应于电荷泵电流小的情况，因此为了获得好的系统指标，环路滤波器的设计应该针对小的电荷泵电流值，尽管同等条件下，电荷泵电流越大，环路带宽越大，锁定速度越快，但如果电荷泵电流切换前后，大小电流值差距太大，会导致大电流时环路稳定性出现问题，因此为了同时满足锁定时间短和环路稳定性强的要求，也需要对这个大的电荷泵电流值做一定的权衡。

具体实现时需要注意几个方面的问题。首先是将电荷泵电流从大电流切换到小电流的时间点的选择，切换时间点需要与鉴频鉴相器输出的UP和DOWN信号同步。由于锁相环在快锁阶段已经锁定或接近锁定，环路滤波器的输出控制电压已经稳定或接近稳定，因此在将锁相环从快锁阶段切换到慢锁阶段，也就是将电荷泵电流从大电流切换到小电流时，如果切换时间点处于控制信号UP或DOWN有效时段的中间，就会在环路滤波器的输出控制电压上引起新的波动，导致锁相环需要花时间重新锁定，从而不能满足无缝切换对锁定时间的要求。其次是要注意电荷泵电流匹配问题。电荷泵中充放电电流的失配会导致输出杂散增加，快锁和慢锁阶段分别对应电荷泵大电流工作和小电流工作两种模式，充放电电流需要在这两种模式下都实现良好匹配。此外，还应该尽量减少电荷分配效应。电荷分配效应是由开关电容电荷泄漏引起的，会导致环路滤波器输出控制电压的变化，考虑减少电荷分配效应时同样需要兼顾快锁和慢锁阶段分别对应的电荷泵大电流工作和小电流工作两种模式。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。