一種集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的s域模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)建模技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻 率綜合器的^域模型。該模型可以準(zhǔn)確預(yù)測由該頻綜產(chǎn)生的調(diào)頻頻連續(xù)波的頻率誤差性能 和產(chǎn)生的點(diǎn)頻的相位噪聲性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器是目前一種最為先進(jìn)的用于產(chǎn)生調(diào)頻連續(xù)波的頻綜 架構(gòu)【1】。它僅需要一個低頻晶振，便能分別產(chǎn)生目前最高調(diào)制帶寬為（4: 1.5GHz)和最 長調(diào)制時間U: 10ms)兩種調(diào)頻連續(xù)波。然而該頻綜的缺點(diǎn)是必須使用一個容值較大的片 外電容才能實(shí)現(xiàn)上述性能，這使得調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的集成度大大降低。
[0003] 為此，我們提出了"電流脈沖"技術(shù)，可以將調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器片外電容 集成到了片內(nèi)。在架構(gòu)上，體現(xiàn)為：用"脈沖發(fā)生器，電荷泵，以及片內(nèi)電容"替換"數(shù)模轉(zhuǎn)換 器和片外電容【1】"。
[0004] 頻率誤差是衡量調(diào)頻連續(xù)波性能的一個非常重要的指標(biāo)，它的好壞關(guān)系著應(yīng)用調(diào) 頻連續(xù)波進(jìn)行測距、測速的精度高低。因此，在設(shè)計(jì)使用片內(nèi)電容的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜 合器之初，如何根據(jù)各個模塊性能估計(jì)出頻率誤差性能，對于各個模塊系統(tǒng)指標(biāo)的確定至 關(guān)重要。而相位噪聲是衡量頻綜產(chǎn)生的點(diǎn)頻性能的重要指標(biāo)，根據(jù)各個模塊系統(tǒng)指標(biāo)預(yù)測 相噪也很重要。
[0005] 【1】H.Sakurai，Y.Kobayashi,T.Mitomo, 0?Watanabe，andS.Otaka，"A 1. 5GHzmodulation-range10msmodulationperiod180kHz-rms-frequencyerror26 MHzreferenceMixed-ModeFMCWSynthesizerformm-waveRadarApplication， ，'in IEEEInt.Solid-StateCircuitsConf.Dig.Tech.Papers,Feb. 2011，pp. 292 -293.。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種能夠準(zhǔn)確預(yù)測調(diào)頻連續(xù)波的頻率誤差和點(diǎn)頻的相位 噪聲的針對使用片內(nèi)電容的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的s域模型。
[0007] 本發(fā)明涉及的使用片內(nèi)電容的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器，其架構(gòu)如圖1所示。 它主要包括頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器、增益歸一化模塊、脈沖電壓發(fā)生器、壓控振蕩器 以及分頻器；其中，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器由高速計(jì)數(shù)器、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及差分器構(gòu)成，用于 檢測輸出頻率；輸入的頻率控制字Z7巧"與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測到的反饋頻率控制字 的誤差，經(jīng)過數(shù)字濾波器和增益歸一化模塊的處理后，得到數(shù)字控制信號；該數(shù)字控 制信號經(jīng)過脈沖電壓發(fā)生器，產(chǎn)生控制壓控振蕩器的控制信號。壓控振蕩器在^^的 控制下，產(chǎn)生頻率。當(dāng)凡為調(diào)頻連續(xù)三角波時，則輸出的頻率也為三角調(diào)制的調(diào)頻連續(xù) 波。當(dāng)Z7巧"為定值時，則壓控振蕩器輸出點(diǎn)頻。 本發(fā)明提出的使用片內(nèi)電容的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的S域模型，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它們主要包括：數(shù)字濾波器a，增益歸一化模塊，脈沖電壓發(fā)生器，防混疊濾波器，壓 控振蕩器，分頻器，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及一個頻率相位轉(zhuǎn)換模塊。
[0008] 本發(fā)明中，采用積分器，理想采樣器，零階保持器，量化器，以及差分器對頻率數(shù) 字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行建模；其計(jì)算流程是：積分器將分頻器分頻后的頻率信號轉(zhuǎn)為模擬相位信號 (A°)，通過理想采樣器和零階保持器將模擬相位信號轉(zhuǎn)換為離散時間相位信號；再通過量 化器，使得離散時間相位信號的幅度也離散，稱為數(shù)字相位信號（i^);最后，通過差分器，將 數(shù)字相位信號轉(zhuǎn)換成反饋的頻率數(shù)字信號，完成輸出頻率檢測。
[0009] 本發(fā)明中，脈沖電壓發(fā)生器是一個將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的電路，它通過"脈 沖電流技術(shù)"，降低傳統(tǒng)調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器對大片外電容的需求，從而將電容集成 到片內(nèi)，其主要包括：譯碼器，脈沖發(fā)生器，電荷泵，片內(nèi)電容，以及防混疊濾波器；脈沖電 壓發(fā)生器的控制字，經(jīng)過譯碼器和脈沖發(fā)生器后，產(chǎn)生脈沖信號；再經(jīng)過電荷泵和片內(nèi)電容 即可產(chǎn)生電壓控制信號控制壓控振蕩器。防混疊濾波器就是一個簡單的單極點(diǎn)濾波器，起 到消除高頻信號因?yàn)椴蓸踊殳B到低頻的部分。針對脈沖電壓發(fā)生器的工作特點(diǎn)，本發(fā)明采 用累加器的模型對它進(jìn)行建模，用以模擬電荷泵輸出的電荷在片內(nèi)電容積累的過程。
[0010] 本發(fā)明中，所述增益歸一化模塊采用如下計(jì)算式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的5·域模型，所述調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜 合器主要包括頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器、增益歸一化模塊、脈沖電壓發(fā)生器、壓控振蕩 器以及分頻器；其中，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器由高速計(jì)數(shù)器、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及差分器構(gòu)成，用 于檢測輸出頻率；輸入的頻率控制字/^/匕與頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器檢測到的反饋頻率控制字 /^F fb的誤差，經(jīng)過數(shù)字濾波器和增益歸一化模塊的處理后，得到數(shù)字控制信號；該數(shù) 字控制信號經(jīng)過脈沖電壓發(fā)生器，產(chǎn)生控制壓控振蕩器的控制信號壓控振蕩器在K rfri 的控制下，產(chǎn)生頻率；其特征在于6域模型，主要包括：數(shù)字濾波器α，增益歸一化模塊，脈 沖電壓發(fā)生器，防混疊濾波器，壓控振蕩器，分頻器，頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器，以及一個頻率相位轉(zhuǎn) 換模塊；其中： 采用積分器，理想采樣器，零階保持器，量化器，以及差分器對頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行建 模；其流程是：積分器將分頻器分頻后的頻率信號轉(zhuǎn)為模擬相位信號（Α°)，通過理想采樣 器和零階保持器將模擬相位信號轉(zhuǎn)換為離散時間相位信號；再通過量化器，使得離散時間 相位信號的幅度也離散，稱為數(shù)字相位信號（/?°);最后，通過差分器，將數(shù)字相位信號轉(zhuǎn)換 成反饋的頻率數(shù)字信號/ 7CFfb，完成輸出頻率檢測。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的5·域模型，其特征在于 所述脈沖電壓發(fā)生器是一個將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的電路，其主要包括：譯碼器，脈沖 發(fā)生器，電荷泵，片內(nèi)電容，以及防混疊濾波器；采用累加器的模型對它進(jìn)行建模，用以模擬 電荷泵輸出的電荷在片內(nèi)電容積累的過程。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的5·域模型，其特征在于 所述增益歸一化模塊采用如下計(jì)算式：
(1) 其中，Λ是分頻器的分頻比，/Mf，If分別是晶振的頻率和周期，木^是壓控振蕩器的增 益，C是片外電容的電容值，Δ J電荷泵最小單位電流，τ是脈沖開關(guān)作用時間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的5·域模型，其特征在于 模型的開環(huán)傳遞函數(shù)為：
(2) 其中，α是數(shù)字濾波器系數(shù)，/alias是防混跌濾波器截止頻率；模型的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
通過（4)式，可以根據(jù)帶寬和晶振大小確定數(shù)字濾波器系數(shù)大小。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的5·域模型，其特征在于 (31 環(huán)路帶寬為： (4) O < / < fret (5) 時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的量化誤差是造成調(diào)頻連續(xù)波頻率誤差和點(diǎn)頻相噪的最主要原因，它的功 率譜密度為：
其中，Δ tMS是反相器的延時，F(xiàn)tcq是VCO的工作頻段；時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的量化噪聲到頻率和相位的傳遞函數(shù)分別為：
(6) (7)
從（5)，（6)，（7)式，得到由于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器量化誤差造成的調(diào)頻連續(xù)波頻率誤差和 點(diǎn)頻的相位噪聲的功率譜密麼： (8) (9)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計(jì)建模技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種集成的調(diào)頻連續(xù)波數(shù)字頻率綜合器的s域模型。本發(fā)明提出了基于頻率的建模方法，采用累加器模型完成對“脈沖開關(guān)、電荷泵、以及片內(nèi)電容”的建模；采用模擬積分器、理想采樣器、零階保持器、量化器和差分器的組合對頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行建模，極大地提高了模型的預(yù)測精度；推導(dǎo)出歸一化增益模塊表達(dá)式，使得模型在進(jìn)行頻率誤差和相位噪聲預(yù)測時，只需要時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器精度、環(huán)路帶寬和晶振頻率，就可以完成精確的預(yù)測。本發(fā)明可以準(zhǔn)確地預(yù)測由該頻綜產(chǎn)生的調(diào)頻連續(xù)波的頻率誤差，以及點(diǎn)頻的相位噪聲。
【IPC分類】H03L7-18
【公開號】CN104660255
【申請?zhí)枴緾N201510049432
【發(fā)明人】李巍, 胡詣?wù)?
【申請人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年1月31日