一种全数字亚采样锁相环及其频率范围锁定方法技术

本发明专利技术公开了一种全数字亚采样锁相环及其频率范围锁定方法，包括：时钟产生与控制电路；亚采样鉴相器，第一输入端与时钟产生与控制电路的第一输出端连接；数字环路滤波器，输入端与亚采样鉴相器的输出端连接；数控振荡器，第一输入端与数字环路滤波器的输出端连接，第一输出端与亚采样鉴相器的第二输入端连接；辅助频率锁定电路，第一输入端与时钟产生与控制电路的第二输出端连接，第二输入端与数控振荡器的第二输出端连接，输出端与数控振荡器的第二输入端连接。此发明专利技术解决了传统亚采样锁相环频率锁定范围小，频率锁定辅助电路功耗大的问题，通过全数字模式切换器判定切换亚采样鉴相器的输出模式，扩展了频率锁定的范围。

An all digital subsampling PLL and its frequency range locking method

【技术实现步骤摘要】
一种全数字亚采样锁相环及其频率范围锁定方法
本专利技术涉及集成电路
，具体涉及一种全数字亚采样锁相环及其频率范围锁定方法。
技术介绍
全数字锁相环采用数字电路实现环路控制，因此具有高度的设计与实现灵活性，便于与其他片上系统集成，能够随着集成电路制造工艺的发展取得更好的性能，因此具有非常广泛的应用。在全数字锁相环中，采用亚采样的环路结构，在低频参考时钟的控制下，直接对振荡器的高频输出进行采样，获得相位误差信息，进而通过负反馈控制调节振荡器的输出频率，实现锁相环的功能。由于亚采样结构直接对振荡器输出进行采样，因此无需使用分频器，有效节约系统的功耗。然而亚采样结构无法获取频率误差信息，频率锁定范围非常小，理论上环路可以在参考时钟频率的任意整数倍频率锁定，因此通常需要一些辅助电路进行频率锁定。亚采样锁相环环路锁定稳定后，实际的失配、噪声或干扰引起的频率漂移，逐渐累积增大为相位误差，并被鉴相器检测到。此时，若负反馈环路增益足够大，即环路带宽足够大，能够快速响应该相位差，调整振荡器至正确频率，则环路工作保持稳定。然而实际的环路增益受限于应用场景与系统指标，以及环路稳定性的要求，环路带宽有限，因此难以对频率漂移做出正确的响应。因此，除了亚采样鉴相器自身采样特性使得锁相环频率锁定范围受限外，有限环路增益也会导致亚采样锁相环的频率锁定范围非常小，也需要频率锁定辅助电路。常见的频率锁定辅助电路通常基于高频计数器，功耗较大。在完成频率锁定后，由于电路与系统中设计与工艺，偏差噪声或干扰的存在，亚采样锁相环也可能从正确的频率偏离至其他参考频率的整数倍频率处，因此频率锁定辅助电路需要持续工作，功耗较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全数字亚采样锁相环及其频率范围锁定方法。此系统及方法旨在解决传统亚采样锁相环频率锁定范围小，频率锁定辅助电路功耗大的问题，通过全数字模式切换器判定亚采样鉴相器的工作状态，并切换输出模式，使得在较大频率误差和关闭辅助频率锁定电路的情况下该锁相环仍能正确工作，扩展频率锁定的范围。为达到上述目的，本专利技术提供了一种全数字亚采样锁相环，包括：时钟产生与控制电路，根据该锁相环设定的参考频率和控制频率信号进行相位计算，并输出低频控制信号；亚采样鉴相器，第一输入端与时钟产生与控制电路的第一输出端连接，用于对低频控制信号进行亚采样处理，生成输出数字信号；数字环路滤波器，输入端与亚采样鉴相器的输出端连接，对输出数字信号进行频率过滤，生成过滤后的输出数字信号；数控振荡器，第一输入端与数字环路滤波器的输出端连接，第一输出端与亚采样鉴相器的第二输入端连接，用于根据过滤后的输出数字信号产生高频时钟信号，并实时反馈回亚采样鉴相器；辅助频率锁定电路，第一输入端与时钟产生与控制电路的第二输出端连接，第二输入端与数控振荡器的第二输出端连接，输出端与数控振荡器的第二输入端连接，根据控制频率信号、低频控制信号和高频时钟信号产生频率控制字，并根据频率控制字对数控振荡器的高频时钟信号进行实时辅助调节。最优选的，亚采样鉴相器还包括：时间数字转换器，第一输入端与时钟产生与控制电路的第一输出端连接，第二输入端与数控振荡器的第一输出端连接，对低频控制信号进行时间数字转换，生成初始数字信号、第一标志信号和第二标志信号；模式切换器，输入端与时间数字转换器的输出端连接，输出端与数字环路滤波器的输入端连接，根据第一标志信号和第二标志信号对时间数字转换器的工作模式进行切换，并对初始数字信号进行切换，输出输出数字信号。最优选的，模式切换器包括线性模式和二输出模式两种模式；模式切换器根据第一标志信号和第二标志信号的不同状态判断线性模式和二输出模式的切换，并对初始数字信号进行切换。最优选的，二输出模块还包括饱和模式和反相模式；模式切换器在切换为二输出模式的基础上根据初始周期/上一周期判断切换的模式类型来判断此周期的切换模式。本专利技术还提供了一种全数字亚采样锁相环频率范围锁定方法，该方法是基于一种全数字亚采样锁相环实现的，该方法包括以下步骤：步骤1：将该锁相环设定的参考频率和控制频率信号输入时钟产生与控制电路，进行相位计算，并输出低频控制信号；步骤2：将低频控制信号分为两路低频控制信号，第一路低频控制信号传输至亚采样鉴相器进行亚采样处理，生成输出数字信号；步骤3：输出数字信号通过数字环路滤波器进行频率过滤，输出过滤后的输出数字信号；步骤4：将过滤后的输出数字信号传输至数控振荡器，产生高频时钟信号，并将高频时钟信号与第一路低频控制信号传输回亚采样鉴相器，进行周期性亚采样，形成亚采样环路；步骤5：第二路低频控制信号与高频时钟信号以及该锁相环设定的控制频率信号一同传输至辅助频率锁定电路，产生频率控制字，实时反馈回数控振荡器，对数控振荡器产生的高频时钟信号进行频率实时辅助调节，来锁定高频时钟信号的频率范围。最优选的，高频时钟信号与第一路低频控制信号进行周期性亚采样之前，还需要对高频时钟信号进行亚采样，生成亚采样信号，且在第一路低频控制信号上加入延时信号，获得低频延时信号；并将低频延时信号与亚采样信号传输至亚采样鉴相器进行周期性亚采样，形成亚采样环路。最优选的，进行周期亚采样还包括以下步骤：步骤4.1：将低频延时信号和亚采样信号传输至时间数字转换器，并进行时间数字转换，生成初始数字信号、第一标志信号和第二标志信号；步骤4.2：将初始数字信号、第一标志信号和第二标志信号传输至模式切换器，模式切换器根据第一标志信号和第二标志信号对时间数字转换器的工作模式进行判断切换，并对初始数字信号进行相应的切换，输出所述输出数字信号。最优选的，进行时间数字转换还包括以下步骤：步骤4.1.1：对低频延时信号和亚采样信号进行相位误差检测，生成相位误差和初始数字信号；步骤4.1.2：根据初始数字信号判断高频时钟信号是否超出亚采样鉴相器的线性工作范围，将初始数字信号与时间数字转换器的预设固定值进行大小判断，并输出不同状态的第一标志信号和第二标志信号；当初始数字信号小于时间数字转换器的预设固定值时，第一标志信号无效；当初始数字信号大于时间数字转换器的预设固定值时，第一标志信号有效；步骤4.1.3：将本次的初始数字信号和上一周期的初始数字信号极性进行比较，若二者极性相反，输出不同状态的所述第二标志信号；当本次初始数字信号和上一周期的初始数字信号极性相反时，第二标志信号有效；当本次初始数字信号和上一周期的初始数字信号极性相同时，第二标志信号无效。最优选的，模式切换器进行判断切换还包括以下步骤：步骤4.2.1：根据第一标志信号和第二标志信号的不同状态判断模式切换器为线性模式还是二输出模式；若模式切换器切换为二输出模式后，模式切换器还需在二输出模式的基础上根据初始周期/上一周期判断切换的模式类型来判断切换此周期的切换模式为饱和模式还是反相模式；在上一周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全数字亚采样锁相环，其特征在于，包括：/n时钟产生与控制电路，根据该锁相环设定的参考频率和控制频率信号进行相位计算，并输出低频控制信号；/n亚采样鉴相器，第一输入端与所述时钟产生与控制电路的第一输出端连接，用于对所述低频控制信号进行亚采样处理，生成输出数字信号；/n数字环路滤波器，输入端与所述亚采样鉴相器的输出端连接，对所述输出数字信号进行频率过滤，生成过滤后的输出数字信号；/n数控振荡器，第一输入端与所述数字环路滤波器的输出端连接，第一输出端与所述亚采样鉴相器的第二输入端连接，用于根据所述过滤后的输出数字信号产生高频时钟信号，并实时反馈回所述亚采样鉴相器；/n辅助频率锁定电路，第一输入端与所述时钟产生与控制电路的第二输出端连接，第二输入端与所述数控振荡器的第二输出端连接，输出端与所述数控振荡器的第二输入端连接，根据所述控制频率信号、所述低频控制信号和所述高频时钟信号产生频率控制字，并根据所述频率控制字对所述数控振荡器的所述高频时钟信号进行实时辅助调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种全数字亚采样锁相环，其特征在于，包括：
时钟产生与控制电路，根据该锁相环设定的参考频率和控制频率信号进行相位计算，并输出低频控制信号；
亚采样鉴相器，第一输入端与所述时钟产生与控制电路的第一输出端连接，用于对所述低频控制信号进行亚采样处理，生成输出数字信号；
数字环路滤波器，输入端与所述亚采样鉴相器的输出端连接，对所述输出数字信号进行频率过滤，生成过滤后的输出数字信号；
数控振荡器，第一输入端与所述数字环路滤波器的输出端连接，第一输出端与所述亚采样鉴相器的第二输入端连接，用于根据所述过滤后的输出数字信号产生高频时钟信号，并实时反馈回所述亚采样鉴相器；
辅助频率锁定电路，第一输入端与所述时钟产生与控制电路的第二输出端连接，第二输入端与所述数控振荡器的第二输出端连接，输出端与所述数控振荡器的第二输入端连接，根据所述控制频率信号、所述低频控制信号和所述高频时钟信号产生频率控制字，并根据所述频率控制字对所述数控振荡器的所述高频时钟信号进行实时辅助调节。


2.如权利要求1所述的全数字亚采样锁相环，其特征在于，所述亚采样鉴相器还包括：
时间数字转换器，第一输入端与所述时钟产生与控制电路的第一输出端连接，第二输入端与所述数控振荡器的第一输出端连接，对所述低频控制信号进行时间数字转换，生成初始数字信号、第一标志信号和第二标志信号；
模式切换器，输入端与所述时间数字转换器的输出端连接，输出端与所述数字环路滤波器的输入端连接，根据所述第一标志信号和所述第二标志信号对所述时间数字转换器的工作模式进行切换，并对所述初始数字信号进行切换，输出所述输出数字信号。


3.如权利要求2所述的全数字亚采样锁相环，其特征在于，所述模式切换器包括线性模式和二输出模式两种模式；所述模式切换器根据所述第一标志信号和第二标志信号的不同状态判断所述线性模式和所述二输出模式的切换，并对所述初始数字信号进行切换。


4.如权利要求3所述的全数字亚采样锁相环，其特征在于，所述二输出模块还包括饱和模式和反相模式；所述模式切换器在切换为所述二输出模式的基础上根据初始周期/上一周期判断切换的模式类型来判断此周期的切换模式。


5.一种全数字亚采样锁相环频率范围锁定方法，其特征在于，该方法是基于如权利要求1-4中任意一项所述的全数字亚采样锁相环实现的，该方法包括以下步骤：
步骤1：将该锁相环设定的所述参考频率和所述控制频率信号输入所述时钟产生与控制电路，进行相位计算，并输出所述低频控制信号；
步骤2：将所述低频控制信号分为两路低频控制信号，第一路低频控制信号传输至所述亚采样鉴相器进行亚采样处理，生成输出数字信号；
步骤3：所述输出数字信号通过所述数字环路滤波器进行频率过滤，输出过滤后的输出数字信号；
步骤4：将所述过滤后的输出数字信号传输至所述数控振荡器，产生高频时钟信号，并将所述高频时钟信号与所述第一路低频控制信号传输回所述亚采样鉴相器，进行周期性亚采样，形成亚采样环路；
步骤5：第二路低频控制信号与所述高频时钟信号以及该锁相环设定的所述控制频率信号一同传输至所述辅助频率锁定电路，产生频率控制字，实时反馈回所述数控振荡器，对所述数控振荡器产生的所述高频时钟信号进行频率实时辅助调节，来锁定所述高频时钟信号的频率范围。


6.如权利要求5所述的全数字亚采样锁相环频率范围锁定方法，其特征在于，所述高频时钟信号与所述第一路低频控制信号进行周期性亚采样之前，还需要对所述高频时钟信号进行亚采样，生成亚采样信号，且在所述第一路低频控制信号上加入延时信号，获得低频延时信号；并将所述低频延时信号与所述亚采样信号传输至所述亚采样鉴相器进行周期性亚采样，形成亚采样环路。


7.如权利要求6所述的全数字亚采样锁相环频率范围锁定方法，其特征在于，所述进行周期亚采样还包括以下步骤：
步骤4.1：将所述低频延时信号和所述亚采样信号传输至所述时间数字转换器，并进行时间数字转换，生成初始数字信号、第一标志信号和第二标志信号；
步骤4.2：将所述初始数字信号、第一标志信号和第二标志信号传输至所述模式切换器，所述模式切换器根据所述第一标志信号和所述第二标志信号对所述时间数字转换器的工作模式进行判断切换，并对所述初始数字信号进行相应的切换，输出所述输出数字...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐荣金，叶大蔚，史传进，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31