一种快速锁定的亚采样锁相环及锁相方法

1.本发明涉及锁相环技术领域，更为具体地是特别涉及一种快速锁定的亚采样锁相环及锁相方法。


背景技术：

2.锁相环(phase locked loop)是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统。根据自动控制原理，这是一种典型的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，一般用于闭环跟踪电路。电荷泵锁相环是无线电发射中使频率较为稳定的一种方法，主要有vco(压控振荡器)和pll ic(锁相环集成电路)，压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与pll ic所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则pll ic的电压输出端的电压发生变化，去控制vco，直到相位差恢复，达到锁相的目的。能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。
3.目前的亚采样锁相环结构由于无分频器，并且具有较高的鉴相增益，可以实现较低的带内相位噪声。但是需要采用带死区的锁频环路进行初始频率锁定，增加了潜在的锁定时间，导致目前的亚采样锁相环结构无法兼顾低相位噪声和快速锁定；
4.因此，急需要能够解决上述问题的一种快速锁定的亚采样锁相环及锁相方法。


技术实现要素：

5.为了解决现有问题，本发明提供一种快速锁定的亚采样锁相环，通过自动控制死区单元的开闭，结合了低抖动亚采样环路的低相噪优势和快速锁定环路的快锁优势，最终实现了低相位噪声和快速锁定的锁相环；且通过自动控制死区单元的开闭适用于模拟锁相环，数字锁相环等不同频率的多种锁相环形式，通过对低抖动亚采样环路和带死区的快速锁定环路的自动切换，消除了传统锁相环中等待死区跨越的时间，从而同时实现锁相环的低抖动和快速锁定高性能。
6.第一方面，本发明提供了一种快速锁定的亚采样锁相环，包括
7.振荡器，用于生成振荡信号；
8.参考时钟，用于生成参考信号；
9.正交产生器，用于接收所述振荡信号，并输出正交信号；
10.亚采样环路，接收所述正交信号和参考信号并输出锁相信号和检测信号；
11.锁频环路，用于接收所述振荡信号并进行初始频率锁定，且所述锁频环路包括死区单元；当所述死区单元使能时，需要满足所述振荡器和参考时钟之间的相位误差大于所述的死区预设值时，所述锁频环路才输出锁频信号，否则所述锁频环路将不输出锁频信号；当所述死区单元不使能时，所述锁频环路一直输出锁频信号；
12.锁定检测单元，用于接收所述检测信号并控制所述死区单元是否使能；
13.环路滤波器，用于接收所述锁相信号和所述锁频信号并控制所述振荡器振荡。
14.通过自动控制死区单元的开闭，结合了低抖动亚采样环路的低相噪优势和快速锁定环路的快锁优势，最终实现了低相位噪声和快速锁定的锁相环；且通过自动控制死区单元的开闭适用于模拟锁相环，数字锁相环等不同频率的多种锁相环形式，通过对低抖动亚采样环路和带死区的快速锁定环路的自动切换，消除了传统锁相环中等待死区跨越的时间，从而同时实现锁相环的低抖动和快速锁定高性能。
15.在本技术的部分实施例中，所述锁频环路和所述亚采样环路之间设置有参考时钟单元。
16.在本技术的部分实施例中，所述检测信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号的相位差为π。
17.在本技术的部分实施例中，所述第一信号为取振荡波的π/2值，所述第二信号取振荡波的3π/2值。
18.在本技术的部分实施例中，所述锁定检测单元包括第一开关和控制端，所述控制端用于控制所述第一开关的开闭，且所述第一开关并接在所述死区单元的两端。
19.在本技术的部分实施例中，所述正交产生器包括正交振荡器，所述正交振荡器直接输出正交信号；或者包括正交振荡器和正交分频器，经由所述正交振荡器和正交分频器输出正交信号；或者包括正交振荡器和移相单元，经由所述正交振荡器和移相单元输出正交信号。
20.在本技术的部分实施例中，所述死区单元包括可配置死区结构，所述可配置死区结构包括反相器和d触发器；或者包括延时单元和d触发器。
21.在本技术的部分实施例中，所述锁频环路还包括第一鉴相器、第一电荷泵和第一分频器，所述第一分频器一端连接所述振荡器、另一端连接所述第一鉴相器，所述第一鉴相器的另一端连接所述死区单元；所述第一电荷泵一端连接所述死区单元、另一端连接所述环路滤波器。
22.在本技术的部分实施例中，所述正交产生器和所述振荡器之间设置有缓冲器，且所述缓冲器和所述环路滤波器之间依次串接有正交分频器、正交亚采样鉴相器和亚采样电荷泵。
23.第二方面，本技术还提供一种快速锁定的锁相方法，包括采用上述的亚采样锁相环进行相位和频率锁定。
24.本发明的有益效果是：本发明提供一种快速锁定的亚采样锁相环，包括振荡器，用于生成振荡信号；参考时钟，用于生成参考信号；正交产生器，用于接收所述振荡信号，并输出正交信号；亚采样环路，接收所述正交信号和参考信号并输出锁相信号和检测信号；锁频环路，用于接收所述振荡信号并进行初始频率锁定，且所述锁频环路包括死区单元；当所述死区单元使能时，需要满足所述振荡器和参考时钟之间的相位误差大于所述的死区预设值时，所述锁频环路才输出锁频信号，否则所述锁频环路将不输出锁频信号；当所述死区单元不使能时，所述锁频环路一直输出锁频信号；锁定检测单元，用于接收所述检测信号并控制所述死区单元是否使能；环路滤波器，用于接收所述锁相信号和所述锁频信号并控制所述振荡器振荡；
25.通过自动控制死区单元的开闭，结合了低抖动亚采样环路的低相噪优势和快速锁
定环路的快锁优势，最终实现了低相位噪声和快速锁定的锁相环；且通过自动控制死区单元的开闭适用于模拟锁相环，数字锁相环等不同频率的多种锁相环形式，通过对低抖动亚采样环路和带死区的快速锁定环路的自动切换，消除了传统锁相环中等待死区跨越的时间，从而同时实现锁相环的低抖动和快速锁定高性能。
附图说明
26.图1为本发明的传统电荷泵锁相环的架构示意图；
27.图2为本发明的传统电荷泵锁相环的鉴相特性图；
28.图3为本发明的传统亚采样锁相环的架构示意图；
29.图4为本发明的传统亚采样锁相环的鉴相特性图；
30.图5为本发明的传统锁相环架构第一示意图；
31.图6为本发明的图5的锁相环死区示意图；
32.图7为本发明的传统锁相环架构第二示意图；
33.图8为本发明的锁相环结构示意图；
34.图9为本发明的锁相环的第一功能示意图；
35.图10为本发明的锁相环的第二功能示意图；
36.图11为本发明的锁相环的效果示意图；
37.图12为本发明的锁相环的拓扑结构图；
38.图13为本发明的正交产生器结构图；
39.图14为本发明的死区单元结构图；
40.图15为本发明的死区单元功能实现形式。
具体实施方式
41.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
43.在申请中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本技术中被描述为示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认到，在不使用这些特定细节的情况下也可以
实现本发明。在其它实例中，不会对已知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本技术所公开的原理的最广范围相一致。
44.需要解释的是，传统的电荷泵锁相环电路如图1所示，该电路由鉴相器、电荷泵、环路滤波器、振荡器和分频器五个模块组成。锁相环通过鉴相器检测参考时钟与分频器输出(反馈时钟)的频率与相差，产生脉冲信号，从而控制电荷泵的输出电流大小，输出电流对环路滤波器进行充放电，环路滤波器一方面滤除鉴相器、电荷泵产生的高频信号，减小环路噪声，另一方面将输出电流转化为控制电压，控制振荡器的振荡频率，分频器再将振荡器的输出高频信号分频反馈输入鉴相器，形成反馈网络，环路通过反复调整最终达到稳定状态。图2为该类电荷泵锁相环的鉴相特性图，可以看到在每个2π周期内，鉴相曲线呈现单调线性的特性，这表明该类锁相环的鉴相范围为[-2π,2π]，能够正确锁频和锁相。
[0045]
对于图1所代表的电荷泵锁相环而言，在环路带宽内分频器、鉴相器、电荷泵的噪声会放大n2倍(n：分频比)，这部分引入的相位噪声会严重恶化锁相环的抖动性能。
[0046]
更为具体的，近年来，亚采样锁相环技术在实现低带内相位噪声方面取得了很好的效果，其示意图如图3所示，它可以在没有分频器的情况下工作，本质上消除了鉴相器与电荷泵噪声被放大n2的问题。图4为亚采样锁相环的鉴相特性图，在锁定点附近，鉴相增益远大于传统电荷泵锁相环，故可以降低带内相位噪声。但由于正弦波的周期特性，该类锁相环的鉴相范围仅为振荡器周期的[-π,π]，由于亚采样锁相环有限的鉴相范围，它只能保证相位锁定，并不能保证频率锁定，它能锁定至参考时钟的任意整数倍，这将可能导致误锁和失锁，因此通常需要一个额外的锁频环路(工作方式类似传统电荷泵锁相环)对分频比进行控制，以保证正确的锁定。另外，短的锁定时间是一个重要的设计要求，近年来对亚采样锁相环的快速锁定技术进行了广泛的研究。
[0047]
更进一步的，请参阅图5，其鉴相部分由亚采样环路和带死区的锁频环路组成，这里的锁频环路工作方式如前文所介绍的电荷泵锁相环。死区指的是一种提前设置好的相位误差阈值，当相位误差超过死区时，锁频环主导锁定过程；当相位误差小于死区时，锁频环不工作，仅亚采样环路工作。引入死区的目的是当环路锁定时，关闭锁频环路，避免其对环路相位噪声性能的恶化。
[0048]
如图6所示，在振荡器输出与参考之间的相位误差较大且超过预先设置的死区时，环路主要由锁频环路起作用，以实现正确的频率锁定，解决了亚采样锁相环不能正确锁频的问题。当振荡器输出与参考之间的相位误差小于死区时，环路主要由亚采样环路起作用，这时由于死区的存在，锁频环路不对整体锁相环贡献噪声，最终实现低带内相位噪声的锁定。
[0049]
在振荡器输出相位误差与参考相差大于亚采样鉴相范围但未超过死区时，锁相环处于等待跨越死区的状态，这导致了锁定时间的增加。当相位误差累积超过死区时，锁频环才工作，进行正确锁频。
[0050]
更进一步的，可采用锁相环由亚采样环路和锁频环路相结合，如图7所示。与图5的方案不同的是，该技术所采用的锁频环路去掉了死区。由于亚采样环路和锁频环路一直同时工作，故能正确实现锁频/锁相功能，且不存在图6所示方案中等待死区所需较长锁定时间的问题。
[0051]
由于锁频环路一直处于工作中，其噪声不断注入环路中，这使锁相环的带内相位噪声会被严重恶化，失去了采用亚采样环路实现低带内相位噪声的优势。
[0052]
本技术的实施例中：请参阅图8至图15；本发明公开一种快速锁定的亚采样锁相环，包括振荡器，用于生成振荡信号；参考时钟，用于生成参考信号；正交产生器，用于接收所述振荡信号，并输出正交信号；亚采样环路，接收所述正交信号和参考信号并输出锁相信号和检测信号；锁频环路，用于接收所述振荡信号并进行初始频率锁定，且所述锁频环路包括死区单元；当所述死区单元使能时，需要满足所述振荡器和参考时钟之间的相位误差大于所述的死区预设值时，所述锁频环路才输出锁频信号，否则所述锁频环路将不输出锁频信号；当所述死区单元不使能时，所述锁频环路一直输出锁频信号；锁定检测单元，用于接收所述检测信号并控制所述死区单元是否使能；环路滤波器，用于接收所述锁相信号和所述锁频信号并控制所述振荡器振荡。
[0053]
通过自动控制死区单元的开闭，结合了低抖动亚采样环路的低相噪优势和快速锁定环路的快锁优势，最终实现了低相位噪声和快速锁定的锁相环；且通过自动控制死区单元的开闭适用于模拟锁相环，数字锁相环等不同频率的多种锁相环形式，通过对低抖动亚采样环路和带死区的快速锁定环路的自动切换，消除了传统锁相环中等待死区跨越的时间，从而同时实现锁相环的低抖动和快速锁定高性能。
[0054]
通过引入正交产生器以及锁定检测电路，自动控制锁相环的死区(死区自动跨越)，实现快速锁定，并且锁定后该技术不会恶化锁相环的相位噪声性能。并且这里的正交产生器和锁定检测电路工作机理与频率无关，因此适用于宽频下锁相环的快速锁定。
[0055]
在本技术的部分实施例中，所述锁频环路和所述亚采样环路之间设置有参考时钟单元。
[0056]
在本技术的部分实施例中，所述检测信号包括第一信号和第二信号，所述第一信号和所述第二信号的相位差为π。
[0057]
在本技术的部分实施例中，所述第一信号为取振荡波的π/2值，所述第二信号取振荡波的3π/2值。
[0058]
在本技术的部分实施例中，所述锁定检测单元包括第一开关和控制端，所述控制端用于控制所述第一开关的开闭，且所述第一开关并接在所述死区单元的两端。
[0059]
在本技术的部分实施例中，所述正交产生器包括正交振荡器，所述正交振荡器直接输出正交信号；或者包括正交振荡器和正交分频器，经由所述正交振荡器和正交分频器输出正交信号；或者包括正交振荡器和移相单元，经由所述正交振荡器和移相单元输出正交信号。
[0060]
在本技术的部分实施例中，所述死区单元包括可配置死区结构，所述可配置死区结构包括反相器和d触发器；或者包括延时单元和d触发器。
[0061]
在本技术的部分实施例中，所述锁频环路还包括第一鉴相器、第一电荷泵和第一分频器，所述第一分频器一端连接所述振荡器、另一端连接所述第一鉴相器，所述第一鉴相器的另一端连接所述死区单元；所述第一电荷泵一端连接所述死区单元、另一端连接所述环路滤波器。
[0062]
在本技术的部分实施例中，所述正交产生器和所述振荡器之间设置有缓冲器，且所述缓冲器和所述环路滤波器之间依次串接有正交分频器、正交亚采样鉴相器和亚采样电
荷泵。
[0063]
本技术的锁相环频率综合器由正交产生器、用于死区自动控制的锁定检测电路、低抖动亚采样环路和带死区的锁频环路组成，如图8所示。振荡器输出经过正交产生器产生带振荡器实时相位信息的正交相位，这些正交相位经低抖动亚采样环路采样，得到所需的v
sam,90
°
和v
sam,270
°
，这两个信号同时输入到锁定检测电路，处理后得到死区控制信号用以自动控制锁频环路的死区。
[0064]
本技术解决了传统亚采样锁相环长时间的等待跨越死区问题，实现了死区自动跨越的快速锁定过程。如图9所示，振荡器与参考时钟的相位误差(δφvco)被分为了三个区域，即区域i、区域ii、区域iii。在区域i中，具有vsam,90
°
《vsam,270
°
且δφvco《π的特征，这时将死区打开，锁频环不工作，仅采样环路工作，最后环路稳定。在区域ii中，vsam,90
°
》vsam,270
°
，这时立即关闭死区，锁频环开始工作，加快锁定过程。在区域iii中，vsam,90
°
《vsam,270
°
且δφvco》π，虽然这时vsam,90
°
《vsam,270
°
，但由于相位误差δφvco大于采样环路的鉴相范围，故死区关闭，锁频环工作，加快锁定过程。
[0065]
图10展示了本发明的自动死区跨越的快速锁定示意图。当相位误差处于蓝色区域时，死区立即关闭，锁频环开始工作；当相位误差处于绿色区域时，由于存在较大的相位误差，不能维持在绿色区域，一旦相位误差变到蓝色区域，则死区关闭，锁频环开始工作。对比传统亚采样锁相环的锁定特性，只要相位误差大于采样环的鉴相范围，锁频环将一直等待相位误差超过死区才开始工作，这段时间大大增加了锁定时间。图11所示为本发明提出的死区自动跨越实现快速锁定的效果示意图，可以看到本发明解决了传统亚采样锁相环等待跨越死区所需大量时间的问题，实现了快速锁定。
[0066]
实施例1：快速锁定技术适用于模拟锁相环和数字锁相环，不限任意参考频率和输出频率，适用于整数和小数分频锁相环，其包含的振荡器不限类型。图12为本技术的实施例1，该锁相环为双环结构，即采用低抖动亚采样环路和带死区的快速锁定环路相结合。其中环路滤波器和振荡器为两个环路共用。
[0067]
建立锁定时，由于频率/相位误差较大，而低抖动亚采样环路具有较窄的鉴相范围，故需要快速锁定环路的辅助进行相位矫正，当相位误差足够小并进入低抖动亚采样环路的鉴相范围内时，快速锁定环路关闭，仅有低抖动亚采样环路工作并进行相位误差校正，最终实现锁定。由于锁定时快速锁定环路处于关闭状态，故该环路不会影响整体锁相环的相噪/抖动性能。因为结合了低抖动亚采样环路的低相噪优势和快速锁定环路的快锁优势，最终实现了低相位噪声和快速锁定的锁相环。
[0068]
实施例2：本技术中的正交产生器可由正交振荡器直接输出正交信号、振荡器后接正交分频器、振荡器后接移相单元以及其任意的组合实现，如图13所示。
[0069]
实施例3：本技术中的死区指的是任意产生死区功能的电路，并且包括但不限于可配置的死区，例如可由反相器结合d触发器、固定/可配置的延时单元结合d触发器实现，如图14所示。
[0070]
本技术实施例1提供的锁相环架构的锁定时间进行了仿真。如图15所示，仿真结果显示在相同的初始条件下，无死区控制的锁相环由于需要等待相位误差跨越死区，所需锁定时间为3.9μs；本发明提出死区自动控制的快速锁定方案解决了长时间等待死区的问题，实现了0.4μs的锁定时间，锁定时间加快了9倍。
[0071]
第二方面，本技术还提供一种快速锁定的锁相方法，包括采用上述的亚采样锁相环进行相位和频率锁定。
[0072]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见上文针对其他实施例的详细描述，此处不再赘述。
[0073]
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
[0074]
同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
[0075]
同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
[0076]
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
[0077]
针对本技术引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本技术作为参考，但与本技术内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本技术权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本技术中的)也除外。需要说明的是，如果本技术附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本技术内容有不一致或冲突的地方，以本技术的描述、定义和/或术语的使用为准。
[0078]
以上对本技术实施例所提供的基于ssd的特征融合与深度可分离卷积相结合的一种目标检测方法、系统及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。