DJERMESTER ROLAND (DE)
US5659884A | 1997-08-19 | |||
US5172075A | 1992-12-15 |
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34 München, DE)
1. | Verfahren zur Regelung eines Oszillators (VCO), bei dem a) während einer ersten Phase eines verläßlichen Betriebes der Regelschleife (R, STE), in die der Oszillator (VCO) inte griert ist, Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz ermittelt und abgespeichert werden, und b) während einer zweiten Phase eines nicht verläßlichen Be triebes der Regelschleife (R, STE) diese Informationen verwen det werden, um die Oszillatorfrequenz zu regeln. |
2. | Verfahren nach Anspruch 1, bei dem a) während einer ersten Phase mittels einer Regeleinrichtung (R) verläßliche differentielle frequenzfehlerabhängige Werte (diff df) ermittelt werden und daraus frequenzfehlerabhängige Werte (df) berechnet werden, b) mittels eines Temperatursensors (T) diesen frequenzfeh lerabhängigen Werten (df) entsprechende temperaturabhängige Werte (t) ermittelt werden, c) frequenzfehlerkompensierende Steuerinformationen (dig sig, v) ermittelt werden, die zur Regelung eines Oszilla tors (VCO) verwendet werden d) Informationen über die Zuordnung temperaturabhangiger Wer te (t) zu frequenzfehlerabhängigen Werten (df) bzw. Steuerin formationen (dig sig, v) ermittelt und abgespeichert werden, e) während einer zweiten Phase mittels der Regeleinrichtung (R) keine verläßlichen differentiellen frequenzfehlerabhängi gen Werte (diff df) ermittelt werden, f) durch einen Temperatursensor (T) aktuelle temperaturabhän gige Werte (t) ermittelt werden, und g) mittels der abgespeicherten Informationen über die Zuord nung temperaturabhängiger Werte (t) zu frequenzfehlerabhangi gen Werten (df) bzw. Steuerinformationen (dig sig, v) direkt bzw. indirekt aktuelle Steuerinformationen (dig sig, v) ermit telt werden, die zur Regelung eines Oszillators (VCO) verwen det werden. |
3. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein in einem Funkgerät (FG) integrierter Temperatursensor (T) verwendet wird, der auch für andere Zwecke verwendet wird. |
4. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Informationen dauber, ob durch die Regeleinrichtung (R) ver läßliche frequenzfehlerabhängige Werte (df) ermittelt werden oder nicht durch die digitale Steuerund/oder Verarbeitungs einrichtung (STE, VE) eines Funkgerätes (FG) ermittelt werden. |
5. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Informationen über die Zuordnung frequenzfehlerabhängiger Werte (df) zu temperaturabhängigen Werten (t) abgespeichert werden, die während des statischen Betriebes des Funkgerätes (FG) ermittelt werden. |
6. | Regelsystem für einen Oszillator (VCO) mit a) einer Regeleinrichtung (R), die während einer ersten Phase verläßliche differentielle frequenzfehlerabhängige Werte (diff df) ermittelt und während einer zweiten Phase keine verläßlichen differentiellen frequenzfehlerabhängigen Werte (diff df) ermittelt, b) einer Steuereinrichtung (STE), die aus den differentiellen frequenzfehlerabhangigen Werten (diffdf) frequenzfehlerab hängige Werte (df) berechnet und frequenzfehlerkompensierende Steuerinformationen (dig sig, v) ermittelt, die zur Regelung eines Oszillators (VCO) verwendet werden, c) einem Temperatursensor (T), der während der ersten Phase diesen frequenzfehlerabhangigen Werten (df) entsprechende temperaturabhängige Werte (t) ermittelt und während einer zweiten Phase aktuelle temperaturabhängige Werte (t) ermit telt, d) einem Speichermittel (SPE), in das während einer ersten Phase Informationen über die Zuordnung temperaturabhängiger Werte (t) zu frequenzfehlerabhängigen Werten (df) bzw. Steue rinformationen (dig sig, v) geschrieben werden, und aus dem während einer zweiten Phase Informationen über die Zuordnung temperaturabhängiger Werte (t) zu frequenzfehlerabhängigen Werten (df) bzw. Steuerinformationen (digsig, v) gelesen wer den, mittels derer aktuelle Steuerinformationen (digsig, v) ermittelt werden, die zur Regelung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) verwendet werden. |
7. | Regelsystem für einen Oszillator nach Anspruch 6, bei dem ein in einem Funkgerät (FG) integrierter Temperatursensor (T) verwendet wird, der auch für andere Zwecke verwendet wird. |
8. | Regelsystem für einen Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 7, bei dem Informationen darüber, ob durch die Regeleinrichtung (R) ver läßliche frequenzfehlerabhängige Werte (df) ermittelt werden oder nicht, durch die digitale Steuerund/oder Verarbeitungs einrichtung (STE, VE) eines Funkgerätes (FG) ermittelt werden. |
9. | Regelsystem für einen Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem Informationen über die Zuordnung frequenz fehlerabhängiger Werte (df) zu temperaturabhängigen Werten (t) abgespeichert werden, die während des statischen Betrie bes des Funkgerätes (FG) ermittelt werden. |
10. | Regelsystem für einen Oszillator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, das in einem Funkgerät (FG) integriert ist. |
In vielen elektronischen Geräten, insbesondere Funkgeräten und Mobilfunkendgeräten, finden Quarzoszillatoren Anwendung.
Die Frequenz eines Quarzoszillators hängt dabei auch von sei- ner Temperatur ab.
Da ein störungsfreier Betrieb eines mittels eines Quarzoszil- lators betriebenen Gerätes eine hohe Frequenzgenauigkeit er- fordert, wird bei der Ansteuerung des Oszillators in der Re- gel eine automatische Frequenzkontrolle (AFC) durchgeführt.
Dabei gibt ein spannungsgesteuerter Oszillator ein Signal mit einer bestimmten Frequenz zu einer Frequenzvergleichseinrich- tung ab. Diese Frequenzvergleichseinrichtung vergleicht diese Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators mit einer Refe- renzfrequenz und gibt ein digitales Nachführsignal aus, das die in der Frequenzvergleichseinrichtung ermittelte Frequenz- differenz wiedergibt. Dieses digitale Nachführsignal wird in ein analoges Nachführsignal umgesetzt und dem Oszillator zur Regelung seiner Frequenz zugeführt, wodurch die Regelschleife geschlossen ist.
Insbesondere bei Funkgeräten können aber Situationen entste- hen, beispielsweise bei der Fahrt durch einen Tunnel oder kurz nach dem Einschalten des Funkgerätes, in denen nicht ge- nügend verläßliche Nachführsignale ermittelt werden können, und dadurch die Regelschleife die Frequenz des Oszillators nicht zufriedenstellend regeln kann.
Diese Problematik wird durch die starke Temperaturabhängig- keit der Oszillatorfrequenz noch verschärft.
Um eine zuverlässige Regelung dennoch zu gewährleisten, wur- den bei bisherigen Verfahren temperaturabhängige Widerstände in die Oszillatorschaltung eingefügt, die so angepaßt waren, daß sie das Temperaturverhalten des Oszillators kompensier- ten.
Eine weitere Möglichkeit bestand darin, jeden Oszillator bei der Herstellung zu vermessen und Informationen über die Tem- peraturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz in einem inte- grierten Speicher abzuspeichern. Dies ist allerdings sehr aufwendig und hat außerdem den Nachteil, daß die mit der Al- terung des Oszillators verbundene Änderung der Temperaturab- hängigkeit der Oszillatorfrequenz und die Temperaturabhäng- keit der Oszillatorschaltung selbst nicht berücksichtigt wer- den kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Regelsystem anzugeben, die es ermöglichen die Fre- quenz eines Oszillators auf einfache Weise auch über lange Zeiträume hinweg zuverlässig zu regeln.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit Merkmalen nach An- spruch 1 und ein Regelsystem mit Merkmalen nach Anspruch 5 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, während eines zuver- lässigen Betriebs der Regelschleife, in der der Oszillator integriert ist, Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz zu ermitteln und abzuspeichern, und diese Informationen während Phasen, in denen die Regelschlei- fe nicht zuverlässig funktioniert, zu verwenden, um die Os- zillatorfrequenz zu regeln.
Insbesondere während des einwandfreien Betriebes der automa- tischen Frequenzkorrektur (AFC) wird die Abhängigkeit der Os- zillatorfrequenz von der Temperatur ermittelt, Informationen darüber abgespeichertund diese Informationen in Phasen, in denen die automatische Frequenzkorrektur (AFC) nicht einwand- frei arbeitet, benützt, um die Oszillatorfrequenz einzustel- len.
Dadurch wird erreicht, daß insbesondere bei der Verwendung von Komponenten, die zum Betrieb eines elektronischen Gerätes bzw. eines Funkgerätes eh schon benötigt werden, mit geringem Aufwand die Oszillatorfrequenz zuverlässig geregelt werden kann, auch wenn sich diese Temperaturabhängigkeit im Lauf der Zeit ändert. Durch die Erfindung ist es möglich, einen unver- messenen, unselektierten und unkompensierten Quarz mit ausge- prägter Temperaturabhängigkeit zu verwenden, der sehr kosten- günstig ist.
Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, Elemente eines Funk- gerätes, die für andere Zwecke schon vorhanden sind, zu ver- wenden, um Informationen, wie Meßwerte oder Verläßlichkeits- werte zu generieren, die zur Ausführung der Erfindung verwen- det werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh- rungsbeispiele näher beschrieben, zu deren Erläuterung die nachstehend aufgelisteten Figuren dienen : Figur 1 eine schematische Darstellung eines Funkgerätes Figur 2 eine schematische Darstellung eines einfachen Regel- systems Figur 3 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Regelung der Oszillatorfrequenz
Figur 4 eine schematische Darstellung eines in einem Funkge- rät integrierten Regelsystems Figur 1 zeigt ein Funkgerät FG, bestehend aus einer Bedien- einheit MMI, einer Steuereinrichtung STE und einer Verarbei- tungseinrichtung VE, einer Stromversorgungseinrichtung SVE, einem Hochfrequenzteil HF bestehend aus einer Empfangsein- richtung EE, einer Sendeeinrichtung SE und einem Frequenzsyn- theziser SYN und einer Antenneneinrichtung ANT. Die einzelnen Elemente des Funkgerätes FG sind auch durch Leiterbahnen, Drähte, Kabel oder Bussysteme miteinander verbunden.
Die Steuereinrichtung STE besteht im wesentlichen aus einem softwaregesteuerten Mikrocontroler und die Verarbeitungsein- richtung VE aus einem digitalen Signalprozessor, wobei beide schreibend und lesend auf Speicherbausteine SPE zugreifen können. Die Steuereinrichtung STE steuert und kontrolliert alle wesentlichen Elemente und Funktionen des Funkgerätes FG.
Durch Analog/Digitalwandler werden die analogen Audiosignale und die analogen vom Hochfrequenzteil HF stammenden Signale in digitale Signale verwandelt und vom digitalen Signalpro- zessor verarbeitet. Nach der Verarbeitung werden die digita- len Signale durch Digital/Analogwandler wieder in analoge Au- diosignale und analoge dem Hochfrequenzteil HF zuzuführende Signale gewandelt. Dazu wird gegebenenfalls eine Modulation bzw. Demodulation durchgeführt.
In den flüchtigen oder nicht flüchtigen Speicherbausteinen SPE sind die Programmdaten, die zur Steuerung des Funkgerätes FG und des Kommunikationsablaufs, Geräteinformationen, und während des Betriebs des Funkgerätes FG anfallende Informa- tionen gespeichert.
Der Hochfrequenzteil HF besteht aus einer Sendeeinrichtung SE, mit einem Modulator und einem Verstärker und einer Emp- fangseinrichtung EE mit einem Demodulator und ebenfalls einem
Verstärker. Der Sendeeinrichtung SE und der Empfangseinrich- tung EE wird über den Syntheziser SYN die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO zugeführt. Auch der Sy- stemtakt basiert auf der Frequenz dieses spannungsgesteuerten Oszillators VCO.
Figur 2 zeigt ein Regelsystem RS, bestehend aus einer Rege- leinrichtung R, einem spannungsgesteuerten Oszillator VCO, einer Steuereinrichtung STE, einem Temperatursensor T und Speichermitteln SPE. Der Temperatursensor T kann auch im Os- zillator oder im Quarz integriert sein.
In Figur 3 ist anhand eines Flußdiagramms ein Verfahren zur Regelung der Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators mittels eines in Figur 2 beschriebenen Regelsystems RS be- schrieben.
Zunächst wird durch die Regeleinrichtung R, beispielsweise einem Subtrahierglied ein differentieller frequenzfehlerab- hängiger Wert diff df beispielsweise die Differenz zwischen einer Referenzfrequenz fref und einer Istfrequenz fist ermit- telt (get diffdf) und zur Steuereinrichtung STE übermittelt Dann wird durch einen Temperatursensor T ein temperaturabhän- giger Wert t wie beispielsweise die Temperatur oder ein der Temperatur entsprechender Spannungswert ermittelt : get t.
Dieser Wert t wird nach einer eventuellen Analog/Digital- wandlung zur Steuereinrichtung STE übermittelt. Dort wird überprüft, ob es sich bei den differentiellen frequenzfeh- lerabhängigen Werten diff df um verläßliche Werte handelt : diffdf = rel ?. Dies kann anhand der Werte selbst oder durch zusätzliche, beispielsweise von einem Funkgerät FG gelieferte Informationen anhand eines Schwellwertverfahrens durchgeführt werden.
Für das Vorliegen eines verläßlichen Betriebes der Regel- schleife bzw. verläßlicher differentieller frequenzfehlerab-
hängiger Werte diff df sind beispielsweise folgende unter- schiedliche Schwellwert-Kriterien definierbar : Anzahl der er- mittelten Werte diffdf, Größe der Werte diff df, Streuung der Werte diffdf, Qualität der durch den Verarbeitungsteil eines Funkgerätes detektierten Informationen, oder Kombina- tionen dieser oder anderer Kriterien.
Handelt es sich bei den Werten diff df um verläßliche Werte J, d. h. die Regelung der Oszillatorfrequenz funtioniert stö- rungsfrei, so wird in der Steuereinrichtung STE aus den dif- ferentiellen frequenzfehlerabhängigen Werten diff df durch eine Integration der temperaturabhängige Frequenzfehler in Form eines frequenzfehlerabhängigen Wertes df berechnet : calc df. Informationen über den frequenzfehlerabhängigen Wert df und den zugeordneten temperaturabhängigen Wert t werden in den Speicherbaustein SPE geschrieben : write (df ; t). Bei den Informationen kann es sich entweder um Wertepaare oder um die Koeffizienten eines Polynoms handeln, mittels dessen die Tem- peraturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz bzw. des Fehlers der Oszillatorfrequenz approximiert wird. Die Temperaturab- hängigkeit der Oszillatorfrequenz wird also während des Be- triebs des Regelsystems RS ermittelt.
Stellt sich heraus, daß es sich bei den Werten diff df nicht um verläßliche oder um zu wenige Werte handelt N, so wird von der Steuereinrichtung STE der dem aktuellen temperaturabhän- gigen Wert t zugeordnete frequenzfehlerabhängige Wert df aus dem Speicherbaustein SPE gelesen : read (df (t)).
Anschließend wird in Abhängigkeit von dem frequenzfehlerab- hängigen Wert df als Stellgröße ein frequenzfehlerkompensie- rendes, also auch frequenzfehlerabhängiges Steuersignal, bei- spielsweise ein Spannungswert ermittelt v (df) und dem span- nungsgesteuerten Oszillator VCO zugeführt. Die Oszillatorfre- quenz fist (v) wird gemäß dieser Stellgröße v eingestellt und in der Regeleinrichtung R mit einer Referenzfrequenz fref verglichen vgl (f ist ; fref) und als Reaktion darauf der dif-
ferentielle frequenzfehlerabhängige Regelfehler diffdf er- mittelt.
In Betriebsphasen, in denen die automatische Frequenzkorrek- tur (AFC) zufriedenstellend arbeitet und die Oszillatorfre- quenz mit der Referenzfrequenz übereinstimmt, wird also der differentielle frequenzfehlerabhängige Wert diff df und der zugeordnete temperaturabhängige Wert t kontinuierlich der Steuereinrichtung STE zugeführt und mittels eines Algorithmus die Temperaturabhängigkeit der Oszilallatorfrequenz ermit- telt.
Beim Ausbleiben verläßlicher Werte diff df und beim Start des Regelsystems wird mittels der abgespeicherten Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz ein der aktuellen Temperatur entsprechender frequenzfehlerabhän- giger Wert v generiert und dem spannungsgesteuerten Oszilla- tor VCO zugeführt.
Die mit der Alterung des Quarzes verbundene Änderung der Os- zillatorfrequenz wird mit diesem Verfahren ebenso kompen- siert, wie die Einflüsse der Oszillatorschaltung selbst, da die Temperaturkennlinie ständig neu ermittelt wird. Jeder ab- solute und relative Fehler bei der Messung und Verarbeitung der Temperatur sind bei diesem Verfahren belanglos, da bei der Ermittlung und der Verwendung der Temperaturkennlinie dieselben Komponenten verwendet werden und sich eventuelle Fehler gegenseitig kompensieren.
Figur 4 zeigt ein in ein Funkgerät integriertes Regelsystem RS, das zumindest teilweise aus Komponenten besteht, die in dem Funkgerät FG auch zu anderen Zwecken verwendet werden.
Über eine Antenne ANT werden die von einer Basisstation eines Mobilfunksystems über die Funkschnittstelle auf einer Träger- frequenz übermittelten Signale empfangen und einem Mischglied MIX zugeführt. Mittels der von dem spannungsgesteuerten Os-
zillator VCO ausgegebenen Frequenz fist, die nach einer Fre- quenzvervielfachung durch eine PLL (Phase Locked Loop) eben- falls dem Mischglied MIX zugeführt wird, werden die Hochfre- quenzsignale heruntergemischt, und nach einer Filterung, ei- ner Verstärkung und einer Analog/Digitalwandlung dem digita- len Signalprozessor DSP zugeführt.
Im digitalen Signalprozessor DSP werden mittels von der Ba- sisstation übertragener Frequenzkorrekturinformationen (beispielsweise frequency correction bursts im GSM-System) differentielle frequenzfehlerabhängige Werte diff df ermit- telt und an die Steuereinrichtung STE übermittelt. Außerdem werden in dem digitalen Signalprozessor DSP auch Informatio- nen über die Verläßlichkeit rel dieser differentiellen fre- quenzfehlerabhängigen Werte diff df ermittelt und an die Steuereinrichtung STE übermittelt.
Nach einer Berechnung der frequenzfehlerabhängigen Werte df und einem Schreiben bzw. Lesen von Informationen über fre- quenzfehlerabhängige Werte df und/oder den zugeordneten tem- peraturabhängigen Werten t aus bzw. in Speicherbausteine SPE, die auch in der Steuereinrichtung STE integriert sein können, das analog zum oben beschriebenen Verfahren durchgeführt wer- den kann, werden von der Steuereinrichtuntg STE frequenzfeh- lerkompensierende digitale frequenzfehlerabhängige Steuersi- gnale dig-sig ausgegeben, durch Tiefpaßfilter TP in analoge Spannungswerte v umgewandelt und diese zur Ansteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators VCO verwendet.
Für die Ermittlung eines der aktuellen Temperatur entspre- chenden frequenzfehlerabhängigen und frequenzfehlerkompensie- renden Signales dig-sig, v gibt es auch folgende Ausführungs- varianten : dem temperaturabhängigen Wert t ist im Speicherbaustein SPE ein digitaler frequenzfehlerabhängiger Wert df, digsig zuge-
ordnet, der in ein analoges Spannungssignal v umgewandelt wird ; * dem temperaturabhängigen Wert t ist im Speicherbaustein SPE ein digitaler frequenzfehlerabhängiger Wert df zugeordnet, der in ein anderes digitales Signal dig sig und dann in ein analoges Spannungssignal v umgewandelt wird ; * dem temperaturabhängigen Wert t ist im Speicherbaustein SPE ein digitales Signal digsig bzw. ein analoges Signal v zuge- ordnet.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung gelten die Werte diff-df dann als verläßlich, wenn das Funkgerät nicht bewegt wird. Eine Bewegung des Funkgerätes FG kann entweder durch Sensoren festgestellt werden oder durch große Schwankungen des Empfangspegels des von der aktuellen Basisstation empfan- genen Signales.
Für die Ermittlung und Speicherung der Informationen über die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz bzw. der fre- quenzfehlerabhängigen Werte df sind unterschiedliche mathema- tische Verfahren auf der Basis von Ausgleichspolynomen, Spli- ne-Interpolation, Newtonsches Interpolationspolynom oder an- derer Verfahren möglich.
Next Patent: TESTABLE IC HAVING ANALOG AND DIGITAL CIRCUITS