[发明专利]减低锁相环噪声的方法和设备

说明书

本发明涉及锁相环，更具体地说，涉及一种提供具有改善的信噪比的锁相环的方法和设备。

锁相环在各种数据和信号处理装置中有许多用途。举例说，锁相环一般用于发信机和收信机、信号发生器、频率合成器、函数发生器等。

其中一种更广泛使用的锁相环是除以N锁相环（divide-by-N    phase-locked    loop）。除以N锁相环包括一个除法电路，该电路用以将锁相环输出量的频率除以可选取的常数N。除以N之后的输出信号作为反馈信号提供到锁相环的输入端，以供在鉴相器中与频率基本上恒定的参考信号混合。鉴相器的输出经低通滤波和电压放大之后，形成基本上为直流的控制信号，其中控制信号电压的大小表示反馈信号与参考信号之间的相位差。控制信号提供到压控振荡器上，使振荡器输出的频率与控制信号的电压值成正比。

锁相环工作时维持反馈信号的频率使其等于参考信号的频率。由于锁相环输出信号的频率是经过N次分频从而得到反馈信号，因而输出信号的频率fo为参考信号频率fr的N倍，即：

fo＝Nfr

输出信号的频率可通过正确选取提供给除法电路的可选择常数N来决定。

除以N锁相环有若干周知的缺点。其中一个缺点是出现在输出信号中的相位噪声。出现在除以N锁相环输出信号中的这种相位噪声主要是除法电路引起的相位噪声导致的。除法电路引起的相位噪声其频率一般遍及整个频谱。因此，在环路带宽内的那部分除法电路相位噪声基本上不能为锁相环和低通滤波器所滤除。于是，这个噪声传输到输出信号中，降低了输出信号的信噪比。

此外，历来都已注意到：除以N计数器引起的相位噪声是可选取的常数N值的函数。换句话说，可选取的常数N的值越大，除法电路所引起并且传送到输出信号中的相位噪声就越大。由于输出具有宽频率范围的输出信号的锁相环需要N值大的除法电路，因此其相位噪声量增加。

通常降低相位噪声从而提高除以N锁相环的信噪比的方法是减小环路带宽，从而使锁相环的滤波器和其它元件能自然地滤除相位噪声中的较大部分。然而，减小环路带宽会降低锁相环的转换速度，因而是不可取的作法。此外，如上所述，除法电路引起的相位噪声一般出现在整个频谱范围，因而减小环路带宽不可能将其完全滤除掉。

因此，希望能提供一种这样的锁相环，其中无需限制锁相环的带宽或转换速度就可以基本上使除以N的除法电路引起的相位噪声衰减下来。

本发明包括提高锁相环信噪比的一种方法和设备。其中，将压控振荡器设计成使其根据复合控制信号提供可变频率的输出信号。将变量除法器电路（variable    divider    circuit）设计成使其接收该可变频率的输出信号作为其输入，并用一个可选取的值来除该可变频率的输出信号的频率，从而提供多个反馈信号，各反馈信号包含相应的噪声和信号分量。多个反馈信号中各信号的相位基本上恒定，多个相应的噪声分量基上互不相关。一个复合控制电路根据参考信号和多个反馈信号而提供复合控制信号。复合控制电路所提供的复合控制信号包含基本上为直流的电压，该电压值为该参考信号与多个反馈信号之间的相位差的函数。该控制电路适宜使其将该多个反馈信号的噪声分量以平方和的平方根的形式混合起来，并通过线性叠加将各信号分量混合起来，从而显著地提高可变频率的输出信号的信噪比。

在本发明目前最佳的实施例中，复合控制电路包括多个控制电路，各控制电路根据参考信号和多个反馈信号中一个相应的反馈信号而提供控制信号。各控制电路提供的控制信号是一个基本上为直流的电压，该电压的电压值为参考信号与多个反馈信号中一个相应的反馈信号之间的相位差的函数。因此该多个控制电路提供多个控制信号。复合控制电路还包括一个信号加法器，用以将多个控制电路信号相加起来，从而提供复合控制信号。

在本发明的另一个实施例中，变量除法器包括一个可变频率除法电路，该电路用以将可变频率输出信号的频率除以一个可选取的常数，以提供频率控制信号。变量除法器电路还包括多个时钟脉冲电路，用以提供多个反馈信号。各个时钟脉冲电路都具有一个时脉冲输入端，该输入端连接成使其接收可变频率输出信号;该电路还有一个数据输入端，该输入端连接成使其接收频率控制信号。此外，多个时钟脉冲电路都设计成使其提供多个反馈信号中一个相应的反馈信号，从而使多个反馈信号中一个相应的反馈信号的幅度在可变频率输出信号预定的过渡期间基本上等于频率控制信号的幅度。