一种集成vco式鉴相器及环内混频式锁相环电路
阅读说明：本技术 一种集成vco式鉴相器及环内混频式锁相环电路 (Integrated VCO (voltage controlled oscillator) type phase discriminator and in-loop mixing type phase-locked loop circuit ) 是由 侯照临 刘武广 张文锋 陈昌锐 王海龙 王燕 金广华 于 2021-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种集成VCO式鉴相器,包括参考信号处理单元、鉴相单元、反馈信号处理单元、VCO单元、反馈信号选择单元。所述参考信号处理单元对外提供参考信号输入端口,对内与鉴相单元连接；所述VCO单元对外提供调谐电压输入端口与射频信号输出端口,对内与反馈信号选择单元连接；所述反馈信号选择单元对外提供外部反馈信号输入端口,对内与反馈信号处理单元连接,用于选择VCO单元在内部反馈的信号和外部反馈信号输入端口的信号中的一个作为反馈信号处理单元输入信号；所述反馈信号处理单元还与鉴相单元连接；所述鉴相单元对外提供鉴相输出信号输出端口。本发明中的集成VCO式鉴相器的射频反馈回路可选,降低了应用于环内混频式锁相环电路的复杂度,节约成本及功耗。(The invention provides an integrated VCO (voltage controlled oscillator) type phase detector which comprises a reference signal processing unit, a phase detection unit, a feedback signal processing unit, a VCO (voltage controlled oscillator) unit and a feedback signal selection unit. The reference signal processing unit provides a reference signal input port externally and is connected with the phase discrimination unit internally; the VCO unit provides a tuning voltage input port and a radio frequency signal output port to the outside and is connected with the feedback signal selection unit to the inside; the feedback signal selection unit is used for providing an external feedback signal input port for the external, is internally connected with the feedback signal processing unit and is used for selecting one of a signal fed back by the VCO unit from the internal and a signal of the external feedback signal input port as an input signal of the feedback signal processing unit; the feedback signal processing unit is also connected with the phase discrimination unit; the phase discrimination unit provides a phase discrimination output signal output port to the outside. The radio frequency feedback loop of the integrated VCO type phase discriminator is optional, the complexity of the circuit applied to the in-loop mixing type phase-locked loop is reduced, and the cost and the power consumption are saved.)
技术领域
本发明涉及射频微波
技术领域
、芯片技术领域
，特别涉及一种集成VCO式鉴相器及环 内混频式锁相环电路。背景技术
集成VCO式鉴相器是近年开始出现并发展较快的一类频率源器件，典型型号有HMC834， ADF4371，LTC6946，LMX2594等。尽管有“Fractional-N PLL with IntegratedVCO”(HMC834)、 “Microwave Wideband Synthesizer with Integrated VCO”(ADF4371)、“Integer-N Synthesizer with Integrated VCO”(LTC6946)、“15GHz宽带PLLATINUMTM射频合成器” (LMX2594)等不同名称，但其本质是相同的，都是在传统鉴相器芯片中集成VCO及一定的 附加功能后形成的新型器件。在器件分类上ADI、Ti等各大厂商将其与鉴相器一起归类在 PLL(锁相环)器件中。
得益于内部集成了VCO(尤其集成了分段VCO)和一定的附加功能，采用集成VCO式鉴 相器及少量配置电路即可搭建出单环锁相环。如前文所述各型号集成VCO式鉴相器，内部 集成的VCO、鉴相器及附加功能部分都具有较好的性能指标，但基于合成器的单环锁相环相 位噪声水平和杂散(尤其是整数边界杂散)抑制水平都很难提升，集成VCO式鉴相器的各 高指标性能并没有得到充分发挥。同时，现有集成VCO式鉴相器的功能架构中，都将VCO输出信号经内部途径、在芯片内部反馈至鉴相器，而不能从外部进行射频信号反馈，限制了集成VCO式鉴相器在环内混频式锁相环中的应用。强行使用集成VCO式鉴相器搭建环内混频式锁相环，则需要增加额外的鉴相器等部件，电路复杂度提高的同时造成了成本和功耗的浪费。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种集成VCO式鉴相器及环内混频式锁相环电路， 使集成VCO式鉴相器射频反馈回路可选、提升集成VCO式鉴相器在环内混频式锁相环中的 应用效能。
本发明采用的技术方案如下：一种集成VCO式鉴相器，包括参考信号处理单元、鉴相 单元、反馈信号处理单元、VCO单元、控制接口及其它功能部分，还包括反馈信号选择单元。所述参考信号处理单元对外提供参考信号输入端口，对内与鉴相单元连接；所述VCO 单元对外提供调谐电压输入端口与射频信号输出端口，对内与反馈信号选择单元连接；所 述反馈信号选择单元对外提供外部反馈信号输入端口，对内与反馈信号处理单元连接，用 于选择VCO单元在内部反馈的信号和外部反馈信号输入端口的信号中的一个作为反馈信号处理单元输入信号；所述反馈信号处理单元还与鉴相单元连接；所述鉴相单元对外提供鉴相输出信号输出端口；所述控制接口及其它功能部分模块分别与参考信号处理单元、鉴相单元、反馈信号处理单元、VCO单元、反馈信号选择单元连接，并对外提供低频接口，用 于接收外部控制以及反馈内部各单元工作状态。
进一步的，所述反馈信号选择单元为射频开关。
本发明还提供了一种基于上述集成VCO式鉴相器的环内混频式锁相环电路，包括集成 VCO式鉴相器、混频处理模块以及环路滤波器；所述环路滤波器输入端与集成VCO式鉴相器的鉴相输出信号输出端口连接，输出端与集成VCO式鉴相器的调谐电压输入端口连接；集成VCO式鉴相器的射频信号输出端口与混频处理模块输入端连接，输入集成VCO式鉴 相器输出的射频信号，外部输入插入信号至混频处理模块与射频信号混频，混频处理模块 输出端与集成VCO式鉴相器的外部反馈信号输入端口连接；外部提供参考信号输入至集成VCO式鉴相器的参考信号输入端口，提供控制信号输入至集成VCO式鉴相器的低频接口。
进一步的，所述环内混频式锁相环电路具有频率预置模式和环内混频模式，当电路工 作在频率预置模式时，反馈信号选择单元选择VCO内部反馈信号作为反馈信号处理单元的 输入；当电路工作在环内混频模式时，反馈信号选择单元选择外部反馈信号作为反馈信号 处理单元的输入。
进一步的，所述环内混频式锁相环电路支持自动选择VCO输出频段模式和手动配置 VCO输出频段模式，分别实现VCO输出频段的自动选择与手段配置。
进一步的，所述环内混频式锁相环电路工作在自动选择VCO输出频段模式时各参数满 足如下约束：
Fvco1＝Fref×(N1/R1)
Fvco1≈Fvco2
|Fvco2/D-Fins|＝Fref×N2/R2
Fout＝Fvco2/D
工作在手动配置VCO输出频段模式时各参数满足如下约束：
Fvco1∈[f1,f2]且Fvco2∈[f1,f2]
Fvco1≈Fvco2
|Fvco2/D-Fins|＝Fref×N2/R2
Fout＝Fvco2/D
其中，Fref为参考信号频率；Fins为插入信号频率；Fvco1为电路工作在频率预置模式下 VCO输出频率；Fvco2为电路工作在环内混频模式下VCO输出频率；N1、R1为电路工作在 预置模式下并采用自动选择VCO输出频段模式时，集成VCO式鉴相器的射频分频比、参 考分频比；f1，f2为采用手动配置VCO输出频段模式时VCO输出频率所处的频率区间边界； N2、R2为反馈信号选择单元选择外部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入时，集成VCO 式鉴相器的射频分频比；D为VCO单元的输出分频比。
进一步的，在采用自动选择VCO输出频段模式时，配置集成VCO式鉴相器在失锁时不重新进行VCO频段自动选择。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：
1、集成VCO式鉴相器的射频反馈回路可选。
2、提升了集成VCO式鉴相器应用于环内混频式锁相环时的应用效能：可以省略集成VCO 式鉴相器外部额外放置的鉴相器等部件，降低电路复杂度、节约成本及功耗。
附图说明
图1为本发明提出的集成VCO式鉴相器架构框图。
图2为本发明提出的集成VCO式鉴相器应用于环内混频式锁相环电路框图。
图3为现有技术中锁相环电路示意图。
图4为本发明一实施例中搭建的集成VCO式鉴相器架构及应用的验证电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明提供了一种集成VCO式鉴相器，包括参考信号处理单元、鉴相单元、反馈信号处理单元、VCO单元、控制接口及其它功能部分，还包括反馈信号选择单元。 所述参考信号处理单元对外提供参考信号输入端口，对内与鉴相单元连接；所述VCO单元 对外提供调谐电压输入端口与射频信号输出端口，对内与反馈信号选择单元连接；所述反 馈信号选择单元对外提供外部反馈信号输入端口，对内与反馈信号处理单元连接，用于选 择VCO单元在内部反馈的信号和外部反馈信号输入端口的信号中的一个作为反馈信号处理单元输入信号；所述反馈信号处理单元还与鉴相单元连接；所述鉴相单元对外提供鉴相输出信号输出端口；所述控制接口及其它功能部分模块分别与参考信号处理单元、鉴相单元、反馈信号处理单元、VCO单元、反馈信号选择单元连接，并对外提供低频接口，用于接收 外部控制，控制集成VCO式鉴相器内部各单元工作；以及监测内部各单元工作状态，对外 提供状态监测接口。
优选的，所述反馈信号选择单元为SPDT射频开关。
在本实施例中，所述反馈信号选择单元只完成反馈信号选择功能，而不附加其它功能， 反馈信号处理单元不应单纯理解为分频器而忽略其幅度调整等其它功能，因而不能将反馈 信号选择单元输出信号直接接至鉴相单元，而必须经过反馈信号处理单元；同时在实际实 现形式上，反馈信号选择单元可以和反馈信号处理单元整合，但是在功能上不可以忽视反 馈信号选择单元的存在。
该集成VCO式鉴相器可直接作为单环锁相环应用，也可应用于环内混频式锁相环电路 中：
作为单环锁相环应用时，可以将反馈信号选择单元配置为始终采用VCO内部反馈的信 号作为反馈信号处理单元输入信号，此时集成VCO式鉴相器应用于单环锁相环的设计原理、 电路等与未采用本发明所述功能架构的现有集成VCO式鉴相器相同。
应用于环内混频式锁相环电路时，外部增加环路滤波器及混频处理功能部分即可构成环 内混频式锁相环，具体如下：
如图2所示提供了一种基于上述集成VCO式鉴相器的环内混频式锁相环电路，包括集 成VCO式鉴相器、混频处理模块以及环路滤波器；所述环路滤波器输入端与集成VCO式鉴相器的鉴相输出信号输出端口连接，输出端与集成VCO式鉴相器的调谐电压输入端口连接；集成VCO式鉴相器的射频信号输出端口与混频处理模块输入端连接，输入集成VCO 式鉴相器输出的射频信号，外部输入插入信号至混频处理模块与射频信号混频，混频处理 模块输出端与集成VCO式鉴相器的外部反馈信号输入端口连接；外部提供参考信号输入至 集成VCO式鉴相器的参考信号输入端口，提供控制信号输入至集成VCO式鉴相器的低频 接口。
所述环内混频式锁相环电路具有频率预置模式和环内混频模式，当反馈信号选择单元 选择VCO内部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入时，电路工作在频率预置模式；当反 馈信号选择单元选择外部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入时，电路工作在环内混频 模式；所述环内混频式锁相环电路支持自动选择VCO输出频段模式和手动配置VCO输出 频段模式，分别实现VCO输出频段的自动选择与手段配置。
具体的，该环内混频式锁相环电路的工作过程为：
1、设定目标射频输出频率Fout，根据Fout结合如下公式计算所需参数，环内混频式锁 相环电路工作在自动选择VCO输出频段模式时各参数满足如下约束：
Fvco1＝Fref×(N1/R1)
Fvco1≈Fvco2
|Fvco2/D-Fins|＝Fref×N2/R2
Fout＝Fvco2/D
工作在手动配置VCO输出频段模式时各参数满足如下约束：
Fvco1∈[f1,f2]且Fvco2∈[f1,f2]
Fvco1≈Fvco2
|Fvco2/D-Fins|＝Fref×N2/R2
Fout＝Fvco2/D
其中，Fref为参考信号频率；Fins为插入信号频率；Fvco1为电路工作在频率预置模式下 VCO输出频率；Fvco2为电路工作在环内混频模式下VCO输出频率；N1、R1为电路工作在 频率预置模式下并采用自动选择VCO输出频段模式时，集成VCO式鉴相器的射频分频比、 参考分频比；f1，f2为采用手动配置VCO输出频段模式时VCO输出频率所处的频率区间边 界；N2、R2为反馈信号选择单元选择外部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入时，集成 VCO式鉴相器的射频分频比；D为VCO单元的输出分频比。
“≈”表示：电路工作在频率预置模式时，VCO输出频率不必完全等于环内混频模式下的VCO输出频率，而保持在包含FVCO2的一定频率范围内即可，该频率范围由具体集成 VCO式鉴相器芯片内部集成的分段式VCO针对不同目标输出频率的优选频段确定。
2、通过外部提供的控制信号对集成VCO式鉴相器施加控制，配置反馈信号选择单元 选择VCO内部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入，即设置电路工作在频率预置模式。
3、在频率预置模式下，使用集成VCO式鉴相器自动选择VCO输出频段功能同时配置N1、R1，或手动配置VCO输出频段功能，使VCO输出信号频率等于Fvco1或处于[f1，f2] 区间，优选采用自动选择VCO输出频段模式。
4、若使用了自动选择VCO输出频段模式，需要配置集成VCO式鉴相器，使其在失锁时不重新进行VCO输出频段自动选择；若采用手动配置VCO输出频段模式，省略该步骤。
5、配置反馈信号选择单元选择外部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入，即设置电 路工作在环内混频模式。
6、配置N2、R2及D的值，必要时也可配置混频处理功能部分、Fins及Fref，满足公式 约束所描述的等式关系，电路锁定后获得设定的目标射频输出频率Fout。
当目标射频输出频率发生变化时，重复执行步骤1～6即可。在特定情况下，即新的目 标射频输出频率处于约束公式所描述的[f1，f2]区间，或处于约束公式中“≈”的含义所约 束的范围内时，可以省略步骤2、3、4、5。
如图3所示为现有技术中环内混频式锁相环电路框图，可以看到与其相比，采用本发 明所述功能架构的集成VCO式鉴相器搭建环内混频式锁相环，无须使用外置鉴相器及其附 加电路，降低了电路复杂度和成本，提升了集成VCO式鉴相器的应用效能。
在本实施例中，搭建如图4所示应用验证电路进行验证，具体过程如下：
a)设定目标射频输出频率Fout＝5.8GHz，采用自动选择VCO输出频段模式，各参数设 定值为：Fins＝5.7GHz；Fvco1＝2.9GHz；N1＝29；R1＝1；N2＝1；R2＝1；Fvco2＝2.9GHz；D＝0.5(即 2倍频模式)。
b)控制SPDT射频开关选择VCO内部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入，即设置电路工作在频率预置模式。
c)在频率预置模式下，使用集成VCO式鉴相器自动选择VCO输出频段模式同时配置N1、R1，获得Fvco1＝2.9GHz。
d)关闭失锁重新自动选择VCO输出频段功能，将VCO输出频率保持在与步骤c)执行结果相同的频段内。
e)控制SPDT射频开关选择外部反馈信号作为反馈信号处理单元的输入，即设置电路 工作在环内混频模式。
f)配置N2＝1、R2＝1，并使VCO单元输出2倍频信号(D＝0.5所约定的模式)。
g)获得频率锁定在5.8GHz的射频输出。
h)进一步地，设定新的目标射频输出频率Fout＝5.8GHz+1kHz。5.8GHz+1kHz与5.8GHz 处于同一个VCO频段区间，因而省略中间过程，保持N2＝1、R2＝1不变，配置 Fins＝5.7GHz+1kHz，获得频率锁定在5.8GHz+1kHz的射频输出。
通过实例验证，表明本发明提供的集成VCO式鉴相器功能架构及其应用完全能够实现， 并且本发明提出的方案实现了VCO式鉴相器的射频反馈回路可选；同时提升了集成VCO 式鉴相器应用于环内混频式锁相环时的应用效能：可以省略集成VCO式鉴相器外部额外放 置的鉴相器等部件，降低电路复杂度、节约成本及功耗。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特 征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域 技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要 求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特 征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代 特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而 已。
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