CN1368795A - 频率合成器及产生分频信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种频率合成器和产生分频信号的方法。频率合成器包括:电压受控振荡器、第一分频器、比较器、回路滤波器、分频单元及混合器。产生分频信号的方法包含:用电压受控振荡器产生振荡信号、用第一分频器分割从电压受控振荡器输出的信号的频率从而输出分频信号、用比较器比较分频信号的相位与参考信号的相位并输出相位差值信号、使差值信号光滑,并用混合器单元混合分频信号和从电压控制振荡器输出的信号,并输出混合信号。

Description

频率合成器及产生分频信号的方法

背景技术

技术领域

本发明涉及用于移动无线电装置的频率合成器，以及产生分频信号的方法，用它可以在一个很宽的频带范围内，获得稳定优异的C/N特性(比)。

相关技术的描述

对于移动无线电装置如蜂窝电话而言，频率合成器用来从参考信号中产生任意的本地振荡频率。目前，用户希望实现蜂窝电话本身能够处理多个移动通信系统，如GSM(全球移动通信系统)，IMT(国际移动通信)2000之类，其频率互不相同。为使蜂窝电话能处理多个移动通信系统，频率分成器必须能在很宽的频带范围内工作。

用于这些蜂窝电话的频率合成器如图5所示，它包括一个电压受控振荡器1，可使信号产生振荡，信号的频率对应于施加在频率控制电压端子上的电压(Vt)，由此可使振荡信号(输出信号)的频带按照频带控制信号进行变化，下文中，“VCO”皆指电压受控振荡器1。

频率合成器还包括一个可调分频器2，用于分割来自VCO1的输出信号频率，该频率在下文中称为“fvco”；包括一个相位比较器3，用于比较来自分频器2的输出信号(分频信号)的相位，该频率在下文中称为“fdiv”，对应的参考信号的频率，下文中写作“fref”，由此，输出的信号代表输出信号(fdiv)的相位与参考信号(fref)的相位之间的相位差。频率合成器还包括一个回路滤波器4，用于使相位比较器3输出的信号光滑。

图6是表示VCO1工作原理的电路图。VCO1包括电容C0，负电阻-R和电感L，它们都互相并联。

VCO1也包括电容C1和可变电容Cv，它们互相串联。电容C1和可变电容Cv的串联部分与C0并联。VCO1还包括电容2和开关SW，它们互相串联。电容C2和开关SW的串联部分与C0并联。

下面说明图6所示线路图的工作原理。

负电阻-R、电容C0和电感L组成的并联部分再与有源元件如晶体管之类并联，有源元件上加载电压可供电。负电阻-R不同于一般电阻是因为它亦能供电。VCO1的振荡频率即是VCO1的输出信号频率fcvo，在开关SW处于关断的时候可用等式(1)来表示，在开关SW处于开启的时候，可用等式(2)来表示： ${\mathrm{fvco}|}_{\mathrm{SW}=\mathrm{OFF}}=1/\left[2\mathrm{\π}\sqrt{\{}L(C0+C1\·\mathrm{Cv}/(C1+\mathrm{Cv}))\right\}]----\left(1\right)$ ${\mathrm{fvco}|}_{\mathrm{SW}=\mathrm{ON}}=1/\left[2\mathrm{\π}\sqrt{\{}L(C0+C2+C1\·\mathrm{Cv}/(C1+\mathrm{Cv}))\right\}]----\left(2\right)$

这表示VCO1允许振荡频率带随开关SW的开与关(ON/OFF)而改变。

如图14所示，当频率合成器上施加了VCO以后，可变电容Cv上就加上了控制电压，使可变电容Cr的电容发生变化，由此改变振荡频率fvco。

在本频率合成器中，通过改变可变分频器2的分频比，可改变分频器2输出信号的频率fdiv，从而相位比较器3输出一个介于输出信号(fdiv)与参考信号(fref)之间的相位差信号。

输出的相位差信号通过回路滤波器4输送到VCO1，使频率控制电压端的电压Vt发生变化，由此改变输出信号(fvco)。

也就是说，频率合成器的结构是一个负反馈回路，因此，最终当参考信号(fref)的相位与输出信号(fdiv)的相位互相重合时，输出信号(fdiv)的相位便锁定在参考信号(fref)的相位上，使从VCO1输出的信号频率保持稳定。

调整频率带控制信号，将它设置成在期望的频率带内进行振荡，并调整可变分频器2的分频比，使输出信号(fvco)的相位锁定在预期的频带内。

但是，在具有上述可调频带功能的频率合成器中，分割VCO中的电容，可使频带可调，从而VCO的控制灵敏度(它代表每隔1V的控制电压，振荡频率的变化宽度，其单位为[Hz/v])同时改变，这样，频率合成器的C/N特性必须按照所选(切换)频带作相应改变。

只调整VCO中可变电容器的电容是不足以大幅度调整频带的，这样就必须调整VCO中电感器的电感，由此扩大了VCO的电路的尺寸。

当频带只能通过调整VCO中的电容而改变时，电感与电容之间的平衡就受到损害，振荡电流就减小，由此降低了VCO的输出水平，有时会使VCO的振荡停止。

将开关之类加进谐振电路中，会造成所增开关的“开”电阻和寄生电容，由此会降低振荡器的质量因子Q，从而降低VCO本身的C/N。

另外，若在移动无线电装置中采用上述频率合成器，频率合成器中使用的频带会改变移动无线电装置的通信质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述缺点。因此，本发明的目标是提供一种频率合成器和产生分频信号的方法，用它可切换频带，而无需大幅度改变其C/N特性。

根据本发明的目的，提供的频率合成器包括：电压受控振荡器，它有一个产生振荡信号的端子，振荡信号的频率对应于施加于该端子的控制信号：第一分频器，用于分割电压受控振荡器中输出信号的频率，这样就可以输出第一分频信号，该第一分频信号具有一个分割频率；比较器，用来将第一分频信号的相位与参考信号的相位进行比较，这样就可以输出一个差值信号，它代表第一分频信号的相位与参考信号的相位之差；回路过滤器，它用来使从比较器输出的差值信号光滑，这样就可以向电压受控振荡器的端子输出平滑的信号作为控制信号；分频单元，用来分割从电压控制振荡器输出的信号的频率，从而输出第二分频信号，该第二分频信号具有一个分割频率；以及混合器，用来将分频器输出的第二分频信号和电压控制振荡器输出的信号混合起来，以输出一个混合信号。

本发明的另一个目的是提供一种产生分频信号的方法，它包括以下步骤：由电压受控振荡器使某个信号产生振荡，该信号的频率对应于控制信号，该电压受控振荡器有一个端子，该控制信号施加于该端子上；由第一分频器分割从电压受控振荡器输出的信号频率，从而输出一个分频信号，该分频信号有一个分割频率；通过比较器将分频信号的相位与参考信号的相位进行比较，从而输出一个差值信号，它代表分频信号与参考信号之间的相位差；使从比较器输出的差值信号光滑，从而将平滑信号作为控制信号提供至电压受控振荡器的端子；并通过混合器将分频信号和电压控制振荡器输出的信号混合起来，从而输出一个混合信号，该分频信号是通过分割从电压受控振荡器输出的信号频率而获得的。

根据本发明的两个目的，只有控制分频装置的分频比和混合装置的操作模式(上变频模式和下变频模式)，可使频带得到切换，从而将分频比和操作模式设定为与PLL(相位锁定回路)无关。这样，即使频带被切换，回路的特性也不变，从而使电压受控振荡器的控制灵敏度及其C/N特性也不变。另外，也避免了电压受控振荡器的振荡电流减小，防止了其振荡操作的中止。

附图说明

通过对参照附图进行的实施例描述，读者可了解本发明的其他目的和各个方面。

图1是按照本发明第一个实施例频率合成器构成的框图；

图2是如图1所示按照本发明第一个实施例的VCO工作原理的电路图；

图3是如图1所示按照本发明第一个实施例的混合器结构电路图；

图4是按照本发明第一个实施例的频率合成器结构的示意框图；

图5是常规频率合成器结构的框图；

图6是图5所示VCO工作原理的电路图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式将在下文中参照附图加以描述。

若偶尔有元件与图5中所示相同，就被认为具有相同的特性值，而不另作赘述。

(第一个实施例)

按照本发明的第一个实施例(如图1所示)的频率合成器F1包括VCO 1A，分频器2，相位比较器3和回路滤波器4，其结构类似于图5所示。

另外，频率合成器F1包括分频器5，可按照先前依据控制信号设定的分频比，分割从VCO1输出的信号。它还包括一个混合器6，可将分频器2输出的信号与从VCO 1A输出的信号混合起来，这是与图5所示常规频率合成器的不同之处。

本发明频率合成器F1与传统的频率合成器的另一个不同之处是VCO 1A中没有频率切换功能。

也就是说，图2是VCO 1A工作原理的电路图。

第一个实施例中的VCO 1A与图6中所示VCO1的不同之处在于VCO 1A中没有对应于频率切换功能的开关SW和可变电容器Cv。除了这点不同之外，VCO1A的其他部分都与VCO1相同。

因此，VCO1的输出信号频率fcvo可用等式(3)表示： $\mathrm{fvco}=1/\left[2\mathrm{\π}\sqrt{\{}L(C0+C1+C2)\right\}]----\left(3\right)$

在第一个实施例中，为了使说明简单，分频器5可将分频比切换为1/m1或1/m2，这样，分频器5可将输出信号的频率fvco乘以分频比，从而输出的分频信号频率为fvo/m(m为m1或m2)。混合器6是一个影象剔除混合器，能通过切换，按照相位控制信号，用作上变频混合器或下变频控制器。

下面说明图1所示分频器的工作原理。

VCO 1A通过前述现有技术中传统的频率合成器的运作过程，进入锁相状态。

当混合器用作上变频混合器时，若分频比设定为m1或m2，则来自混合器6的输出信号的频率可用fvco+fvco/m1或fvco+fvco/m2表示，这样，切换分频器6的分频比，可使从混合器6中输出的信号的频带介于fvco/m1与fvco/m2之间进行变化。

当混合器6用作下变频混合器时，若分频比设定为m1或m2，那么从混合器6输出的信号的频率可用fvco-fvco/m1或fvco-fvco/m2表示，这样，切换分频器6的分频比，可使从混合器6中输出的信号的频带在fvco/m2与fvco/m1之间进行变化。

固定分频比，即固定m1，就可以将混合器切换为上变频混合器和下变频混合器，从而切换混合器6输出信号的频带。此时，从混合器6输出的信号的频率就变成(fvco+fvco/m1)或(fvco-fvco/m1)，这样就可以使频带按照二倍于fvco/m1的频率进行变化。

众所周知，分割信号的频率会使C/N特征值增加。按照本发明，在第一个实施例的频率合成器F1中，由于混合了从混合器6输出的分频信号和输出信号，混合器6的输出信号的C/N特征值取决于VCO 1A的输出信号的特征值，因此即使改变频带，混合器6的输出信号的C/N也不会有很大改变。

下面参照图2详细描述混合器6的构造。混合器6包括第一90度相移器61，用来将VCO 1A的输出信号分割为信号S1a(cosα)和S1b(sinα)。在信号S1a(cosα)的相位(cosα)与信号S1b(sinα)的相位(sinα)之间，发生了90度的相移。

混合器6包括第二90度相移器62，用来将分频器5的输出信号分割为信号S2a(cosβ)和S2b(sinβ)。在信号S2a(cosβ)的相位(cosβ)和信号S2b1(sinβ)的相位(sinβ)之间，发生了90度的相移。

混合器单元6还包括第一混合器63，用来混合从第一相移器61输出作为一边的信号S1a(cosα)和从第二个相移器62输出作为一边的信号S2a(cosβ)；包括第二混合器64，用来混合从第一相移器61输出作为另一边的信号S1b(sinα)和从第二相移器62输出作为另一边的信号S2b1(sinβ)。混合器单元6还包括一个加法器65，用来将从第一混合器63和第二个混合器64输出的信号相加。

将相位控制信号输入到第二90度相移器62内，这样，90度相移器62可以输出信号S2b2(-sinβ)，其相位(-sinβ)与信号S2b1(sinβ)的相位(sinβ)正好相反。

也就是说，在本实例中，相移器62可以按照相控制信号的内容，切换输出信号S2b1(sinβ)或信号S2b2(-sinβ)。

若将相移器置于IC(集成电路)内，通常是做成微分电路的形式，这样只要切换正相信号和负相信号，就可以使相位发生倒转。

下面用计算等式来说明混合器单元6的工作原理。

第一混合器63混合从第一相移器61输出的信号S1a(cosβ)和从第二相移器62输出的信号S2a(cosβ)，这样输出的信号S10可用等式(4)表示：

S10＝cosαcosβ＝1/2{cos(α+β)+cos(α-β)}          …(4)

当输入到相移器62内的相位控制信号表示选择了信号S2b1(sinβ)的时候，第二混合器64混合从第一相移器输出的信号S1b(sinα)和第二相移器62输出的信号S2b1(sinβ)，这样输出的信号S11可用等式(5)表示：

S11＝sinαsinβ＝1/2{cos(α+β)+cos(α-β)}          …(5)

等式(4)和(5)清楚表明加法器65的输出信号S12与混合器6的输出信号完全相同，可用等式(6)表示：

S12＝cos(α+β)                                      …(6)

等式(6)清楚表明cos(α-β)的图像带被剔除了，这样混合器6相当于是一个上变频混合器，其输出信号频率为fvco+fvco/m。

另一方面，当输入到相移器62内的相控制信号表示选择了信号S2b2(-sinβ)时，第二混合器64混合从第一相移器61输出的信号S1b(sinα)和从第二相移器62输出的信号S2b2(-sinβ)，这样输出的信号S12可用等式(7)表示：

S12＝-sinαsinβ＝-1/2{cos(α+β)-cos(α-β)}        …(7)

等式(4)和(7)清楚表明从加法器65输出的信号S12与从混合器6输出的信号完全相同，可用等式(8)表示：

S12＝cos(α-β)                                      …(8)

等式(8)清楚表明cos(α+β)的图像带被剔除了，这样混合器单元6就相当于下变频混合器，其输出信号的频率为fvco-fvco/m。

如上所述，在频率合成器F1中，只有控制分频器5的分频比和混合器单元6的操作模式(上变频模式或下变频模式)，才可以使频带得到切换，因此将分频比和操作模式设定为与PLL(锁相回路)，其结构见图1。这样，即使频带被切换，回路的特性也不变，从而使VCO 1A的控制灵敏度及其C/N特性也不变。

VCO 1A没有频率切换功能及相关之器件，因此可提高VCO 1A的质量因子Q，从而改善VCO 1A自身的C/N特性。另外还避免了VCO 1A的振荡功率的下降，并防止振荡操作的停止。

由于从混合器单元6输出的信号频率大大改变，可用图像剔除混合器单元作为混合器单元6，这样就不需要用可变频带滤波器来防止混合器单元6输出侧的图像带的出现。

可以通过切换的办法使混合器单元6变成上变频混合器和下变频混合器，使频率合成器的频带可调范围很宽。

顺便指出，上文中，分频器可将分频比切换至两值之一，而按照类似的考虑，也可以将分频比切换为几个值中的一个。此时，可以提高设定频带切换宽度的自由度。

若分频器5具有切换其分频比的功能，则频率合成器F1就不需要有在上下变频之间进行切换的功能，这样就可以缩小电路尺寸。

可变分频器2可以做成暂时改变其分频比，就象常用的分数N系统，从而得到同样的效果。此时，可以设定从VCO 1A的输出信号获得的频率间隔，使每一间隔宽度小于参考信号(fref)的宽度，提高设定分频器5的分频比的自由度。

另外，在移动通信装置中安装第一实施例的频率合成器F1，可使通信质量稳定，不受所用频带的影响。

(第二实施例)

如图4所示，本发明第二实施例的频率合成器F2，包括带预引比例器(pre-scalar)21的分频器2A和输出端与混合器单元6相连的分频单元22。

预引比例器21先将VCO 1A的输出信号按照分频比m(m1或m2)分割频率fvco，然后将频率为fvco/m的输出信号输出到分频单元22和混合器单元6。

分频器22分割从预引比例器21输出的信号频率fvco/m，其分频比为图1所示分频器2的分频比的1/m倍。

分频器2A的构造是与图1所示频率合成器F1相比的不同之处。所以那些与图1和图5所示相同的元件就可以具有与图1和图5所示元件相同的特性值，因而下文中不再赘述。

第二个实施例的结构中，不需要分频器5。

下面说明频率合成器F2的工作原理：

在第二个实施例中，将VCO 1A的输出信号的频率fvco输入至预引比例器21中，便被分割成频率fvco/m，然后就象第一个实施例那样，将频率为fvco/m的信号输出至混合器单元6和分频单元22中。

从预引比例器21输出的信号的频率fvco/m被分频单元22分割，分频比为分频器2的分频比的1/m倍，这样，从分频器2(分频单元22)输出的信号的频率便设定为fdiv，它与分频器2输出信号的频率是相同的。

而且，由于混合器单元6实施与第一个实施例相同的操作，因而无需采用分频器5便能得到上述效果。

移动无线电装置，如蜂窝电话之类有一个振荡频率，范围为几百兆赫(MHz)至几个吉赫(GHz)，所以每个用来分频的分频器的耗电较大。当移动无线电装置中装有第二个实施例的频率合成器F2时，就能减少几个用来分割VCO振荡频率的分频器，从而降低移动无线电装置的耗电量。

在描述了目前认为是本发明较佳实施例和改型之后，应当理解，还可以有各种各样的其他各种改型形式。这些改型形式包括在权利要求书中，并且它们都包含在本发明的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种频率合成器，它包括：

带端子的电压受控振荡器，其振荡信号的频率对应于施加于所述端子上的控制信号；

第一分频器，用来分割从电压受控振荡器输出的信号的频率，从而输出第一分频信号，所述第一分频信号具有一个分割频率；

比较器，用来比较第一分频信号的相位和参考信号的相位，从而输出一个表示第一分频信号的相位与参考信号的相位之差的差值信号；

回路滤波器，用来使从比较器输出的差值信号光滑，从而向电压受控振荡器端子输出一个平滑信号作为控制信号；

分频单元，用来分割从电压控制振荡器输出的信号的频率，从而输出第二分频信号，所述第二分频信号有一个分割频率；以及

混合器单元，用来混合从分频单元输出的第二分频信号和从电压控制振荡器输出的信号，从而输出一个混和信号。

2.如权利要求1所述的频率合成器，其特征在于，所述分频装置包括第二分频器，用来分割从电压控制振荡器输出的信号频率。

3.如权利要求2所述的频率合成器，其特征在于，所述分频器按照分频比，分割从电压控制振荡器输出的信号频率，所述分频器可切换设定分频比。

4.如权利要求1所述的频率合成器，其特征在于，所述第一分频器包括一个用来分割从电压控制振荡器输出的信号的频率的预引比例器，和与之串联的第三分频器，所述第三分频器用来分割从预引比例器输出的信号，所述预引比例器用作分频单元，用以将用以比例器输出的信号输送至混合器单元。

5.如权利要求1所述的频率合成器，其特征在于，所述混合器单元包括：

第一相移器，用来产生第一信号和第二信号，所述第一信号与第二信号相位偏移90度；

第二相移器，用来产生第三信号和第四信号，所述该第三信号与第四信号相位偏移90度；

第一混合器，用来将第一相移器输出的第一信号和第二信号之一和第二相移器输出的第三信号和第四信号之一混合起来；

第二混合器，用来将第一相移器输出的第一信号和第二信号中的另一个信号与第二相移器输出的第三信号和第四信号中的另一个混合起来；以及

加法器，用来把第一混合器的混合信号和第二混合器的混合信号相加。

6.如权利要求1所述的频率合成器，其特征在于，所述混合器单元可按照外加控制信号，通过切换，用作上变频混合器和下变频混合器。

7.如权利要求1所述的频率合成器，其特征在于，所述分频单元有一个分频比，所述分频比是一个固定值。

8.如权利要求1所述的频率合成器，其特征在于，所述分频单元有一个分频比，它可以暂时改变分频比，从而设置从暂时改变的分频比到所要求的分频比的平均值。

9.一种产生分频信号的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

用电压受控振荡器产生一个振荡信号，其频率对应于一个控制信号，所述电压受控振荡器有一个端子，所述控制信号被施加在所述端子上；

用第一分频器分割从所述电压受控振荡器输出的信号的频率，从而输出一个分频信号，所述分频信号有一个分割频率；

用比较器比较分频信号的相位与参考信号的相位，从而输出一个表示分频信号的相位与参考信号的相位之差的差值信号；

使从比较器输出的差值信号光滑，从而将平滑信号作为控制信号提供给电压受控振荡器的端子；并且

用混合器单元混合分频信号和从电压控制振荡器输出的信号，从而输出一个混合信号，所述分频信号是通过分割从电压受控振荡器输出的信号的频率而获得的。

10.如权利要求9所述的产生分频信号的方法，其特征在于，它还包括用第二分频器对从电压控制振荡器输出的信号频率进行分频的步骤，从而向混合器单元提供一个从第二分频器输出的信号，作为分频信号。

11.如权利要求10所述的产生分频信号的方法，其特征在于，它还包括切换所述第二分频器的分频比的步骤，从而改变从所述混合器单元输出的混合信号的频带。

12.如权利要求9所述的产生分频信号的方法，其中，所述第一分频器包括一个预引比例器和第三分频器，其特征在于，并所述方法还包括以下步骤：

用预引比例器对从电压控制振荡器输出的信号频率进行分频；

用第三分频器对从所述预引比例器输出的信号频率进行分频，从而向所述相位比较器提供所述分频信号；以及

将预引比例器输出的信号作为分频信号提供至所述混合器单元。

13.如权利要求9所述的产生分频信号的方法，其中，所述混合器单元包含第一相移器、第二相移器、第一混合器、第二混合器和加法器，其特征在于，所述混合步骤包括以下步骤：

用第一相移器产生第一信号和第二信号，所述第一信号与第二信号之间有90度相移；

用第二相移器产生第三信号和第四信号，所述第三信号和第四信号有90度相移；

用第一混合器将第一相移器输出的第一信号和第二信号之一与第二相移器输出的第三信号和第四信号之一混合起来；

用第二混合器将第一相移器输出的第一信号和第二信号中的另一个与第二相移器输出的第三信号和第四信号中的另一个混合起来；

用加法器将从所述第一混合器输出的混合信号和从第二混合器输出的混合信号相加。

14.如权利要求9所述的产生分频信号的方法，其特征在于，它还包括将第一混合器切换至上变频混合器操作模式和下变频混合器操作模式，从而改变从所述第一混合器输出的混合信号的频带。

15.如权利要求14所述的产生分频信号的方法，其特征在于，所述第二分频器有一个分频比，所述分频比是一个固定值。

16.如权利要求9所述的产生分频信号的方法，其特征在于，所述第一分频器有一个分频比可作暂时改变，从而将从暂时改变的分频比得到的平均值设定为期望的分频比。

17.一个装有如权利要求1所述频率合成器的移动通信装置。

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