專利名稱：改進(jìn)的頻率確定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量或者確定頻率的領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于確定第一信號(hào)的第一頻率和第二信號(hào)的第二頻率的比值的電路、一種確定第一信號(hào)的第一頻率和第二信號(hào)的第二頻率的比值的方法以及一種包含計(jì)算程序裝置的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
用于頻率測(cè)量的電子電路在電機(jī)和電子系統(tǒng)的廣闊領(lǐng)域中得到具體表現(xiàn)，比如CD/硬盤驅(qū)動(dòng)器中的旋轉(zhuǎn)控制器或者用于通過獨(dú)立的時(shí)鐘振蕩器進(jìn)行操作的電子子系統(tǒng)的同步的接口電路。
針對(duì)后者的典型實(shí)例是具有GPS能力的GSM移動(dòng)電話，包括多達(dá)三個(gè)獨(dú)立的晶體振蕩器(XO)分別在工作時(shí)間和空閑時(shí)間供應(yīng)GSM子系統(tǒng)的26MHz XO和32kHz XO以及供應(yīng)GPS子系統(tǒng)的20MHz XO。在GSM工作模式下，需要26MHz XO作為GSM RF合成器的歸零基準(zhǔn)，低功率32kHz XO在GSM空閑模式下有助于減少功率消耗。在GSM空閑模式下，GSM系統(tǒng)z中的大部分，包括26MHz XO，將會(huì)斷電。只有32kHzXO和一個(gè)計(jì)數(shù)器(稱為32kHz“睡眠計(jì)數(shù)器”)工作。該睡眠計(jì)數(shù)器用作在由基站發(fā)送的新傳呼消息到達(dá)之前及時(shí)對(duì)GSM系統(tǒng)加電的定時(shí)器。由于32kHz XO的典型公差，GSM移動(dòng)電話可能丟失一部分傳呼消息。這就是為什么GSM移動(dòng)電話要包括一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)32kHz XO的頻率和26MHz XO的頻率之間的比例進(jìn)行評(píng)估的頻率測(cè)量單元的原因。近來(lái)隨著具有GPS性能的GSM移動(dòng)電話的出現(xiàn)，激起了對(duì)頻率測(cè)量的同樣的需求。這是因?yàn)镚PS接收機(jī)IC傳統(tǒng)上使用另一種參考頻率，而不是GSM的26MHz，因此需要一個(gè)專用的GPS XO。
本申請(qǐng)的要點(diǎn)是由精度要求決定的測(cè)量反應(yīng)時(shí)間?？梢詫⑾鄬?duì)誤差隨著測(cè)量間隔的增加而減少看作基本原則。傳統(tǒng)的解決辦法在兩種情況下都產(chǎn)生幾秒的測(cè)量時(shí)間間隔。主流觀點(diǎn)是基于計(jì)數(shù)器的傳統(tǒng)電路是最適宜的，在簡(jiǎn)單數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)的約束下，沒有給改進(jìn)留出空間。另一方面，眾所周知的是，如果更復(fù)雜的硬件可被接受，不兼顧精度的話，測(cè)量間隔可被減小。我們例如可以想象到下面的方法a)使數(shù)字時(shí)鐘通過一個(gè)消除諧波的濾波器，b)用ADC對(duì)結(jié)果得到的正弦波形進(jìn)行數(shù)字化，c)應(yīng)用某些DSP算法來(lái)進(jìn)行頻率評(píng)估，類似于GSM接收機(jī)中使用的算法。
兩個(gè)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的頻率的比例的測(cè)量通常是借助相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字電路來(lái)進(jìn)行的。這些電路通常包含兩個(gè)由時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)的計(jì)數(shù)器。為了確定兩個(gè)頻率的比例，在某一測(cè)量時(shí)間之后，兩個(gè)計(jì)數(shù)值的比例就是兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的頻率的頻率比例的示值。
典型地將測(cè)量時(shí)間選擇成覆蓋多個(gè)時(shí)鐘周期。測(cè)量時(shí)間的選擇通常是借助計(jì)數(shù)器進(jìn)行的，從而定義出一個(gè)測(cè)量窗口。因此，這個(gè)定義測(cè)量窗口的計(jì)數(shù)器的變化是預(yù)設(shè)的。因此，僅對(duì)各個(gè)其它計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器值的變化進(jìn)行取樣。取決于兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的相位，從計(jì)數(shù)器讀取的計(jì)數(shù)值可依據(jù)一個(gè)脈沖或者周期而變化。這樣，測(cè)量結(jié)果可能有±1/N的最大相對(duì)誤差，其中N是從計(jì)數(shù)器讀取的計(jì)數(shù)值的變化。該相對(duì)誤差可以通過選擇更長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間(因此有更大的N)來(lái)減少。不過，對(duì)于更大的應(yīng)用范圍，比如移動(dòng)電信(如上所述)、例如用于CD播放器、用于計(jì)算機(jī)的硬盤或汽車電子中的應(yīng)用的回轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)速度控制或者或者用于實(shí)驗(yàn)室或用于制造工藝的電子測(cè)量設(shè)備，越來(lái)越希望得到精確且快速的頻率測(cè)量，并且在某些應(yīng)用中必須要的得到這種精確且快速的頻率測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種快速且精確的頻率測(cè)量。
按照權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的示范性實(shí)施方式，上述發(fā)明目的可以通過權(quán)利要求1中提出的用于確定第一信號(hào)的第一頻率和第二信號(hào)的第二頻率的比例的電路來(lái)解決。按照本發(fā)明的這種示范性實(shí)施方式的電路包括第一計(jì)數(shù)器、第二計(jì)數(shù)器和取樣裝置，該取樣裝置用于，當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)置第二中間計(jì)數(shù)值時(shí)，對(duì)第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值進(jìn)行取樣，從而第一計(jì)數(shù)器是在第二計(jì)數(shù)器的控制下得以取樣的。第一和第二中間計(jì)數(shù)值形成多個(gè)第一和第二計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值對(duì)。在第一中間計(jì)數(shù)值的取樣期間，第一和第二計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)。而且，提供了一個(gè)計(jì)算單元，用于根據(jù)多個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)，確定第一和第二頻率的比例。
具有優(yōu)勢(shì)地，按照本發(fā)明的這種示范性實(shí)施方式，在計(jì)數(shù)器保持運(yùn)行同時(shí)，對(duì)中間計(jì)數(shù)值加以取樣。隨后，基于這些取樣中間計(jì)數(shù)值對(duì)頻率比例進(jìn)行估算。按照本發(fā)明地示范性實(shí)施方式的一個(gè)方面，成對(duì)的取樣中間計(jì)數(shù)值的結(jié)果序列對(duì)可在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中用圓點(diǎn)表示。因此，取決于測(cè)量頻率的穩(wěn)定性，中間計(jì)數(shù)值近似于一條直線。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，相應(yīng)回歸線的陡度可被確定，并且可被看作想要得到的頻率比例的估算。
具有優(yōu)勢(shì)地，當(dāng)保持測(cè)量間隔與上述的傳統(tǒng)方法的測(cè)量間隔相同時(shí)，測(cè)量誤差明顯減少。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，發(fā)現(xiàn)與上述傳統(tǒng)方法的測(cè)量窗口相同時(shí)，測(cè)量誤差可以減少，如果25個(gè)取樣，測(cè)量誤差減少到二分之一，也就是，第一和第二計(jì)數(shù)器的成對(duì)中間計(jì)數(shù)值被考慮。換句話說(shuō)，成對(duì)中間計(jì)數(shù)值的數(shù)目的增加使測(cè)量誤差減少。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，取樣數(shù)目另外增加到n倍，將導(dǎo)致測(cè)量誤差另外減少 另一方面，當(dāng)傳統(tǒng)方法的精度足夠時(shí)，在保持相同測(cè)量精度的情況下，上述電路可以減少測(cè)量時(shí)間。
根據(jù)權(quán)利要求2所述的本發(fā)明另一示范性實(shí)施方式，多于兩對(duì)取樣中間計(jì)數(shù)值被用于頻率比例的確定。
根據(jù)權(quán)利要求3所述的本發(fā)明另一示范性實(shí)施方式，第一計(jì)數(shù)器被第一信號(hào)的上升邊緣和下降邊緣之一觸發(fā)，第二計(jì)數(shù)器被第二信號(hào)的上升邊緣和下降邊緣之一觸發(fā)，第二計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)是第一和第二信號(hào)之一。第一計(jì)數(shù)器被取樣時(shí)，第二計(jì)數(shù)器的第二中間計(jì)數(shù)值被預(yù)置在寄存器里。
根據(jù)權(quán)利要求4所述的本發(fā)明另一示范性實(shí)施方式，提供一個(gè)存儲(chǔ)器，包括第一和第二存儲(chǔ)器。第一存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值，以致于第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值的序列被提供，第二存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)第二計(jì)數(shù)器的第二中間計(jì)數(shù)值，以致于第二計(jì)數(shù)器的第二中間計(jì)數(shù)值的序列被提供。
權(quán)利要求5和6提供本發(fā)明的進(jìn)一步的示范性優(yōu)選實(shí)施方式。
根據(jù)權(quán)利要求7所述的本發(fā)明另一示范性實(shí)施方式，提供一種方法，該方法用于確定第一信號(hào)的第一頻率和第二信號(hào)的第二頻率的比例。根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的一個(gè)方面，當(dāng)?shù)谝缓偷诙?jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)時(shí)，在第二計(jì)數(shù)器的控制下，多對(duì)中間計(jì)數(shù)值在第一計(jì)數(shù)器被取樣。隨后，基于這些成對(duì)中間計(jì)數(shù)值，第一和第二頻率的比例被估算。
權(quán)利要求8提供根據(jù)本發(fā)明的方法的示范性實(shí)施方式。
根據(jù)權(quán)利要求9所述的本發(fā)明另一示范性實(shí)施方式，提供一個(gè)計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包含計(jì)算機(jī)程序代碼裝置。根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的一個(gè)方面，計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品可以是一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，比如CD-ROM。計(jì)算機(jī)程序代碼裝置涉及一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序代碼裝置在一個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，使得處理器執(zhí)行相應(yīng)于本發(fā)明的方法的操作。計(jì)算機(jī)程序代碼裝置可用任何適合的程序語(yǔ)言書寫，比如C++。取代被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品中，計(jì)算機(jī)程序代碼裝置(比如計(jì)算機(jī)程序)也可從網(wǎng)絡(luò)(比如萬(wàn)維網(wǎng))獲得，可從網(wǎng)絡(luò)下載到計(jì)算機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器，處理器或者其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備。
權(quán)利要求10提供根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的示范性實(shí)施方式。
下述可以看作本發(fā)明的示范性實(shí)施方式的要點(diǎn)，在計(jì)數(shù)器保持運(yùn)行的同時(shí)，成對(duì)中間計(jì)數(shù)值被取樣和存儲(chǔ)。隨后，基于這些成對(duì)中間計(jì)數(shù)值，希望頻率比例的估算被確定。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)當(dāng)成對(duì)中間計(jì)數(shù)值的結(jié)果序列如笛卡爾坐標(biāo)中的圓點(diǎn)所示時(shí)，其近似于一條直線。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，相應(yīng)回歸線的陡度可被計(jì)算，并且可被看作希望頻率比例的估算。根據(jù)本發(fā)明，一部分電路可以在時(shí)鐘域操作，另一部分電路可以在選通域操作。


參照下面的示范性實(shí)施方式，本發(fā)明的這些和其它方面將會(huì)變得顯而易見。
本發(fā)明的示范性實(shí)施方式將隨后描述，參考下面的附圖附圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的電路的一個(gè)示范性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖；附圖2是操作附圖1所示的電路的方法的流程圖；附圖3是進(jìn)一步解釋本發(fā)明的采集時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)相位和選通時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)相位的比較圖；附圖4是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)施方式的采集時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)相位和選通時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)相位的另一比較圖；
附圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的電路的第二示范性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖；附圖6示出了附圖5的電路中出現(xiàn)的信號(hào)的時(shí)間圖；附圖7示出了根據(jù)本發(fā)明電路的第三示范性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖；附圖8示出了附圖7的電路中出現(xiàn)的信號(hào)的時(shí)間圖。
具體實(shí)施例方式
附圖1表示用于確定第一數(shù)字信號(hào)S1的第一頻率f1和第二數(shù)字信號(hào)S2的第一頻率f2的比例的電路的一種示范性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖。從附圖1可以看出，第一信號(hào)S1輸入到第一計(jì)數(shù)器2，第二信號(hào)S2輸入到第二計(jì)數(shù)器4。第一計(jì)數(shù)器2在第一信號(hào)S1的各個(gè)上升邊緣或者下降邊緣處受到觸發(fā)或者進(jìn)行遞增。
從附圖1可以看出，第一信號(hào)S1也作為時(shí)鐘信號(hào)輸入到第二計(jì)數(shù)器4。第二計(jì)數(shù)器4按照第一信號(hào)S1的上升邊緣或者下降邊緣計(jì)時(shí)。隨后，計(jì)數(shù)器4的計(jì)數(shù)值根據(jù)第二信號(hào)S2的上升邊緣或者下降邊緣變化。
附圖標(biāo)記6表示連接到第一計(jì)數(shù)器2的第一寄存器。第一寄存器設(shè)置為用于在第一計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)期間存儲(chǔ)第一計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值。換句話說(shuō)，在第一計(jì)數(shù)器2繼續(xù)計(jì)數(shù)的同時(shí)，第一寄存器6可以取樣第一計(jì)數(shù)器2的中間計(jì)數(shù)值。
而且，提供了連接到第二計(jì)數(shù)器4的第二寄存器8。從附圖1可以看出，第二寄存器8也連接到第一寄存器6。可將第二寄存器8設(shè)置成，在第二計(jì)數(shù)器4的預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值下，第二寄存器8向第一寄存器6輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。隨后，當(dāng)?shù)谝患拇嫫?接收到來(lái)自第二寄存器8的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，第一寄存器6取樣第一計(jì)數(shù)器2的中間計(jì)數(shù)值。據(jù)此，第二寄存器8可以定義第二計(jì)數(shù)器4的中間計(jì)數(shù)值，以致當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器4達(dá)到這些預(yù)設(shè)中間計(jì)數(shù)值時(shí)，第二寄存器8觸發(fā)第一寄存器6，使得第一寄存器6取樣第一寄存器6的中間計(jì)數(shù)值。
第一寄存器6和第二寄存器8均連接到同步單元10。同步單元10適用于控制第二計(jì)數(shù)器4到達(dá)預(yù)設(shè)計(jì)數(shù)值與第一寄存器6對(duì)第一計(jì)數(shù)器2進(jìn)行取樣之間的時(shí)間段。換句話說(shuō)，同步單元10控制第二計(jì)數(shù)器4到達(dá)預(yù)置計(jì)數(shù)值和取樣第一計(jì)數(shù)器2的中間計(jì)數(shù)值之間的時(shí)間關(guān)系。
第一寄存器6連接到第一存儲(chǔ)器12。第一存儲(chǔ)器12起到第一寄存器的擴(kuò)展的作用。因此，在附圖1示出的電路的操作期間，第一計(jì)數(shù)器2的中間計(jì)數(shù)值的序列存儲(chǔ)在第一存儲(chǔ)器12中。
計(jì)數(shù)器2和4可以是有限狀態(tài)機(jī)(FSMs)。而且，包含在虛線框中的所有單元(包括計(jì)數(shù)器2和4)可借助FPGAs、PLDs、EPLDs、ASICs或者適合的Ics來(lái)實(shí)現(xiàn)。
還有第二存儲(chǔ)器14，它與第二寄存器8相連。在第二存儲(chǔ)器14中，可以預(yù)設(shè)要對(duì)第一計(jì)數(shù)器2進(jìn)行取樣時(shí)的計(jì)數(shù)值或者時(shí)間點(diǎn)。
第一和第二存儲(chǔ)器12和14連接到計(jì)算單元16。計(jì)算單元適用于，基于存儲(chǔ)在第一和第二存儲(chǔ)器12和14中的第一和第二計(jì)數(shù)器2和4的計(jì)數(shù)值序列，計(jì)算兩個(gè)頻率S1和S2的比例的估算值。在頻率比例確定之后，計(jì)算單元16將確定或者測(cè)量結(jié)果輸出給輸出單元18。
同步單元10和計(jì)算單元16可通過適當(dāng)?shù)挠布?shí)現(xiàn)。它們也可借助有限狀態(tài)機(jī)(FSMs)或者FPGAs、PLDs、EPLDs、ASICs或者適當(dāng)?shù)腎cs來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，如圍繞著第一和第二寄存器6和8、同步單元10、第一和第二存儲(chǔ)器12和14、計(jì)算單元16的虛線所示，這些組成部分也可用適當(dāng)?shù)奶幚砥飨到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)。然后，上述系統(tǒng)的操作由適當(dāng)?shù)某绦蚩刂?。這一程序可被存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)臋C(jī)器可讀介質(zhì)中，比如CD-ROM。上述程序可用任何適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)言編寫，比如匯編語(yǔ)言或者C++。寄存器6和8、存儲(chǔ)器12和14可由處理器的內(nèi)部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。對(duì)這種存儲(chǔ)區(qū)域的讀訪問和寫訪問可借助中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)。
兩個(gè)頻率的比例f1/f2的估算值的求算結(jié)果在計(jì)算單元16中進(jìn)行求算，可描述如下相應(yīng)的中間計(jì)數(shù)值對(duì)，也就是在相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)確定的第一和第二計(jì)數(shù)器2和4的中間計(jì)數(shù)值，在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中用點(diǎn)表示。然后，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，這些點(diǎn)成一條直線。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，計(jì)算相應(yīng)回歸線的陡度，該陡度相當(dāng)于想得到的頻率比例的估算值。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，借助線性回歸確定該直線。
按照本發(fā)明的這種示范性實(shí)施方式的變形方式，計(jì)算單元16適用于計(jì)算隨時(shí)間變化的調(diào)制率，也就是兩個(gè)頻率f1/f2的比例。
頻率測(cè)量單元的任務(wù)是測(cè)量?jī)蓚€(gè)無(wú)關(guān)數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)的頻率比例，上述兩個(gè)獨(dú)立數(shù)字時(shí)鐘信號(hào)分別用選通時(shí)鐘(gating clock)和采集時(shí)鐘(collecting clock)表示。相應(yīng)的時(shí)鐘頻率和時(shí)鐘周期可表示為fg，fc，Tg＝1/fg和Tc＝1/fc。如上所述，簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)頻率測(cè)量電路包含兩個(gè)計(jì)數(shù)器作為基本單元選通計(jì)數(shù)器通過選通時(shí)鐘定時(shí)，采集計(jì)數(shù)器通過采集時(shí)鐘定時(shí)。與某些比較器邏輯組合的選通計(jì)數(shù)器，通過使得采集計(jì)數(shù)器對(duì)于一定數(shù)目的選通計(jì)數(shù)器周期Ng有效，來(lái)確定測(cè)量時(shí)間間隔。采集計(jì)數(shù)器在測(cè)量時(shí)間間隔期間采集的周期數(shù)用Nc表示。想要得到的頻率比例fc/fg可如下確定用Tg和Tc的多項(xiàng)式表示測(cè)量時(shí)間間隔NgTg＝NcTc+dTc(1)其中，NgTg是幾秒的測(cè)量時(shí)間間隔，項(xiàng)dTc(-1＜d＜1)針對(duì)的是測(cè)量時(shí)間間隔可能不是Tc的整數(shù)倍而采集計(jì)數(shù)器只能處理Tc的整數(shù)倍的情況。d的性質(zhì)在后文中給出。(1)也可寫為fcfg=NcNg·(1+dNc)]]>其中項(xiàng)ε＝d/Nc表示相對(duì)測(cè)量誤差。舉一個(gè)例子，在最壞的情況下，d＝1，Nc＝26·106，相對(duì)誤差ε＝0.04·10-6。這反映了具有測(cè)量間隔NcTc＝1秒和Tc＝1/fc＝1/fGSM＝1/26MHz的典型的GSM/GPS測(cè)量的情況。
為了促成新的頻率測(cè)量方法，需要進(jìn)一步深入了解問題。為此，引入了時(shí)鐘信號(hào)的歸一化相位，并且表明計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值表示它的量化形式。
矩形波時(shí)鐘信號(hào)可與(t)相關(guān)聯(lián)，(t)是該信號(hào)的傅立葉基音(tone)的相位。(t)是線性傾斜的，它可由初始相位φ和頻率f表示(t)＝2πft+φ注意，在本文中通篇將(t)簡(jiǎn)單地理解為是經(jīng)過展開的，意思就是說(shuō)不局限于區(qū)間
。
因此，在計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值和時(shí)鐘信號(hào)的相位斜率的當(dāng)前值之間存在關(guān)系。為了使該關(guān)系更加明顯，量化和歸一化后的相位 可如下定義 其中，[x]是等于或者小于x的最接近的整數(shù)，以致0≤x-[x]＜1。量化導(dǎo)致相位傾斜變成分段式的，同時(shí)歸一化使2π區(qū)間成1的周期。因此，可以將計(jì)數(shù)器看成提供量化和歸一化的時(shí)鐘相位 假設(shè)時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)邊緣對(duì)應(yīng)于時(shí)鐘相位(t)＝0(以2π為模)。
假設(shè)ηg＝fgt，ηc＝φc/2π+fct分別對(duì)應(yīng)選通時(shí)鐘和采集時(shí)鐘的非量化歸一化相位。將選通時(shí)鐘的初始相位假設(shè)為φg＝0并不意味著喪失一般性，因?yàn)樗P(guān)注的ηg和ηc之間的相位關(guān)系已由φc覆蓋了。注意的是，由于fg＝1/Tg，同樣ηg可被看作歸一化時(shí)間ηg＝t/Tg。代入得到ηg＝φc/2π+fcηg/fg附圖3示出了ηc(ηg)的實(shí)例，以及量化后的 附圖3示出了采集時(shí)鐘的歸一化相位和選通時(shí)鐘的歸一化相位的函數(shù)關(guān)系。采集計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值可用 表示。傳統(tǒng)頻率測(cè)量電路依賴于來(lái)自采集計(jì)數(shù)器的兩個(gè)取樣 和 虛曲線表示φc的影響，恒定相位偏移ηc在黑曲線的情況下，將φc選擇成使得φc的任何進(jìn)一步減少將導(dǎo)致 從5變化為4。在虛曲線的情況下，將φc被選擇成使得φc的任何進(jìn)一步減少將導(dǎo)致 從16變化為15。注意的是，在上述兩種情況下，η^c[k‾0]=5]]>適用于這兩種情況。
因此，頻率測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)楣浪阆辔恍倍圈莄(ηg)的陡度的問題。如果使用非量化歸一化相位，則正確的解為fc/fg≈(η[k1]-ηc[k0])/(k1-k0)其中，k0＝ηg(t0)和k1＝ηg(t1)可任意選擇。按照本發(fā)明，進(jìn)行的是近似計(jì)算。
直接的方法是傳統(tǒng)方法，也就是從采集計(jì)數(shù)器中取得取樣 和 作為ηc[k0]和ηc[k1]的近似值。這里，k0和k1是跨越測(cè)量間隔的選通計(jì)數(shù)器的第一個(gè)值和最后一個(gè)值， 是第k個(gè)選通時(shí)鐘周期起始點(diǎn)處的采集計(jì)數(shù)器的值。假設(shè) 可以通過在選通時(shí)鐘的上升邊緣取樣采集計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值獲得就足夠了。 和 定義連接線ηc，該連接線可被認(rèn)為ηc的近似值。因此，頻率比例可估算為fc/fg≈(η^c[k‾1]-η^c[k‾0])/(k‾1-k‾0)=Nc/Ng]]>附圖3描述對(duì)應(yīng)于選擇k0＝3和k1＝7的 和 黑曲線和虛曲線表示ηc(t)＝φc/2π+fct的初始相位φc如何影響估算值ηc(t)的陡度。取決于φc，Nc按照頻率比例fc/fg的估算值太小或者太大而取15-5＝10或者16-5＝11的值。適用于任何頻率比例fc/fg的總的規(guī)則是，Nc不能超過兩個(gè)值，并且取值依賴于采集時(shí)鐘和選通時(shí)鐘之間的相位關(guān)系。
先前的討論提出頻率估算問題作為基于量化形式的ηc[k]估算采集時(shí)鐘的非量化相位斜度ηc[k]的陡度的任務(wù)。在這個(gè)前提下，傳統(tǒng)方法表現(xiàn)得不是最優(yōu)，因?yàn)樗焕昧藖?lái)自 的兩個(gè)取樣，但是忽略了來(lái)自測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)的信息假設(shè)測(cè)量時(shí)間間隔持續(xù)Ng＝k1-k0個(gè)選通時(shí)鐘周期，我們可以利用選通時(shí)鐘的每個(gè)上升邊緣從采集計(jì)數(shù)器中得到總數(shù)為Ng+1個(gè)取樣。
這些取樣 在附圖5中用黑點(diǎn)標(biāo)記。它們分布在黑色回歸線 上。來(lái)自回歸線的取樣 用空點(diǎn)標(biāo)記。按照本發(fā)明，就陡度而言，與 相比， 看起來(lái)是更好的估算值。
由于實(shí)際原因，可能希望考慮來(lái)自 的Ng+1個(gè)取樣的子集。例如，如果Ng具有106的數(shù)量級(jí)，可能不希望基于如此大量的取樣值計(jì)算回歸線。如上所述，k表示選通時(shí)鐘ηg的連續(xù)歸一化相位的整數(shù)值。來(lái)自這些整數(shù)值的子集可表示為ηg[m]其中m是大小M的子集內(nèi)的系數(shù)，1≤m＜M。
子集的實(shí)例是等距柵格ηg[m]＝m[Ng/M]其中整數(shù)[Ng/M]是柵格間距。
子集的另一個(gè)實(shí)例是均一抖動(dòng)?xùn)鸥瘭莋[m]＝m[Ng/M]+rnd[m]此時(shí)，rnd[m]是R0≤rnd[m]≤R1范圍內(nèi)的均一分布的整數(shù)隨機(jī)變量，其中R0，R1是整數(shù)。該仿真結(jié)果表明抖動(dòng)?xùn)鸥窨赡苡幸嬗谀承└窬帧?br> 假設(shè)取樣 對(duì)應(yīng)于某一子集ηg[m]，回歸線可如下確定下面的前提是假設(shè)η‾c[ηg[m]]=a0+a1ηg[m]]]>將恒定歸一化相位偏移a0和陡度a1選擇成使得誤差信號(hào) [ηg[m]]-η→c[ηg[m]]]]>的能量E最小化。未知的a0和a1通過求解下面的等式而得出∂∂a0E(a0,a1)=∂∂a0Σm(η^c[ηg[m]]-a0-a1ηg[m])2=0---(3)]]>
∂∂a1E(a0,a1)≈∂∂a1Σm(η^c[ηg[m]]-a0a1ηg[m])2=0---(4)]]>因此產(chǎn)生線性等式系統(tǒng)B1B2=A11A12A21A22a0a1---(5)]]>其中數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為B1=Σmη^c[ηg[m]]---(6)]]>B2=Σmη^c[ηg[m]]ηg[m]---(7)]]>和數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)系數(shù)為A11＝M(8)A12=A21=Σmηg[m]---(9)]]>A22=Σm(ηg[m])2]]>首先計(jì)算等式(6)到(10)，隨后求解等式(5)得到a0和a1。
由于系數(shù)A11、A12、A21、A22無(wú)關(guān)于(數(shù)據(jù))取樣 只要選擇了某些適當(dāng)?shù)闹礛和ηg[m]之后，就足以將它們計(jì)算出來(lái)。僅有B1、B2是數(shù)據(jù)相關(guān)的，并且對(duì)于一組新的取樣ηg[m]，需要重新計(jì)算。
計(jì)算量與取樣數(shù)M是成比例的，如果M很大，計(jì)算B1、B2的工作量支配求解等式系統(tǒng)(5)的工作量。
由于未知的恒定相位a0不是我們關(guān)注的，不要求對(duì)其進(jìn)行明確計(jì)算。
早期精度較低的頻率估算值可通過首先對(duì)M0＜M個(gè)取樣計(jì)算a1獲得。當(dāng)更多的取樣到達(dá)時(shí)，由于(6)到(10)的累積特性，用較低的工作量就可計(jì)算出a1的更新值。
由于等式系統(tǒng)(5)的簡(jiǎn)單特性，可能簡(jiǎn)單地引用解a1。結(jié)果，可以將這個(gè)簡(jiǎn)單的解理解為與有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的單一輸出取樣密切相關(guān)。(該濾波器有斜坡形狀的脈沖響應(yīng)，并且可看作通信理論中公知的匹配濾波器)。因此，可以選擇某些適當(dāng)?shù)腇IR濾波器實(shí)現(xiàn)方式。
如果要測(cè)量的頻率比例隨時(shí)間變化，人們可能希望對(duì)其進(jìn)行重復(fù)測(cè)量。取決于更新率，一組新的M個(gè)取樣可能或者可能不與前一組取樣重疊。如果重疊，則在一定程度上降低計(jì)算量就是可能的。
可能已知頻率比例在取得M個(gè)取樣的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)變化。這可能是例如由于在啟動(dòng)各個(gè)晶體振蕩器之后，兩個(gè)頻率之一的漸近指數(shù)穩(wěn)定造成的。在這種情況下，我們可以估算更復(fù)雜回歸線的參數(shù)。
附圖5示出了按照本發(fā)明的電子電路的第二種示范性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖，該電路按照上面介紹的按照本發(fā)明的一個(gè)方面的原理進(jìn)行操作。
從附圖5可以看出，提供了一個(gè)計(jì)數(shù)器30和一個(gè)鎖存器40。從附圖5可以看出，將信號(hào)uc輸入到計(jì)數(shù)器30的時(shí)鐘輸入端。然后，將輸出信號(hào)xc1輸入到鎖存器40，鎖存器40的時(shí)鐘輸入端接收信號(hào)ug。鎖存器40的輸出信號(hào)是信號(hào)xg1。
而且，提供了計(jì)數(shù)器32和比較器34。計(jì)數(shù)器32的時(shí)鐘輸入端接收選通時(shí)鐘信號(hào)ug。計(jì)數(shù)器32的輸出信號(hào)輸入到比較器34，每次計(jì)數(shù)器32輸出的計(jì)數(shù)值達(dá)到n，則該比較器向鎖存器40輸出一個(gè)使能信號(hào)。
灰線36指示時(shí)鐘域的過渡，即由采集時(shí)鐘uc和選通時(shí)鐘ug操作的電路單元之間的邊界。
附圖6示出了附圖5的電路中出現(xiàn)的各個(gè)信號(hào)的時(shí)序圖。從附圖6可以看出，在理想條件的情況下，在附圖5的電路中可能會(huì)出現(xiàn)問題。不過，由于計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)xc1的位不正確地同步變化，因此會(huì)出現(xiàn)問題。因此，如果選通時(shí)鐘uc的取樣邊緣在計(jì)數(shù)器位變化的同時(shí)時(shí)出現(xiàn)，鎖存器40的輸出信號(hào)，即信號(hào)xg1，在某些情況下可能是錯(cuò)誤的。
附圖7示出了按照本發(fā)明的電路的第三種示范性實(shí)施方式的簡(jiǎn)化電路圖。通過本發(fā)明的第三種示范性實(shí)施方式的電路，參考附圖5和6描述的同步問題是可以避免的。
從附圖7可以看出，將信號(hào)uc輸入到計(jì)數(shù)器50的時(shí)鐘端口，輸出信號(hào)xc1輸入到鎖存器2 52。鎖存器2 52的時(shí)鐘輸入端也接收信號(hào)uc。鎖存器2 52的輸出信號(hào)xc2輸入到鎖存器3 54，鎖存器3 54的時(shí)鐘輸入端也與信號(hào)uc相接。
輸入信號(hào)ug輸入到AND門56的一個(gè)輸入端，AND門56的輸出信號(hào)輸入到鎖存器1 58。鎖存器1 58的時(shí)鐘端口也連接到輸入信號(hào)uc。鎖存器1 58的輸出信號(hào)xc4通過一個(gè)反相器60返回到AND門56的另一個(gè)輸入端。進(jìn)一步的，信號(hào)xc4輸入到另一個(gè)計(jì)數(shù)器62的使能端口，該計(jì)數(shù)器62由采集時(shí)鐘uc進(jìn)行時(shí)鐘控制。計(jì)數(shù)器62的計(jì)數(shù)信號(hào)輸入到比較器64，其中，計(jì)數(shù)信號(hào)與比較值n進(jìn)行比較，以致于每次計(jì)數(shù)信號(hào)62的計(jì)數(shù)值達(dá)到n時(shí)，比較器64輸出一個(gè)輸出信號(hào)，該信號(hào)作為使能信號(hào)輸入到鎖存器3 54。時(shí)鐘域過渡處于鎖存器1 58處。
附圖8示出了附圖7的電路中出現(xiàn)的信號(hào)的時(shí)序圖。附圖8的第一個(gè)時(shí)序圖描繪出隨時(shí)間變化的信號(hào)uc。第二個(gè)時(shí)序圖描繪出隨時(shí)間變化的信號(hào)xc1。第三個(gè)時(shí)序圖描繪出隨時(shí)間變化的信號(hào)xc2。第四個(gè)時(shí)序圖描繪出隨時(shí)間變化的信號(hào)ug。第五個(gè)時(shí)序圖描繪出隨時(shí)間變化的信號(hào)xc4。第六個(gè)時(shí)序圖描繪出隨時(shí)間變化的信號(hào)xc3。
從附圖8可以看出，在附圖5所示的電路中出現(xiàn)的同步問題，可通過附圖7所示的電路得到避免，在附圖7中，選通時(shí)鐘ug被采集時(shí)鐘uc取樣，并且所有進(jìn)一步的處理發(fā)生在采集時(shí)鐘域中。“選通時(shí)鐘檢測(cè)”信號(hào)xc4在該電路中起了重要的角色。如果上升邊緣出現(xiàn)在第n個(gè)采集時(shí)鐘周期期間的選通時(shí)鐘信號(hào)ug中，將導(dǎo)致xc4在采集時(shí)鐘第n+1個(gè)周期期間變高，并且在第n+2個(gè)周期期間再次變低。因此，xc4可用于使能鎖存器354，以接替xc2，其中xc2是xc1的延遲形式。
不過，應(yīng)該注意，從信號(hào)xg1和xc3表示來(lái)自采集計(jì)數(shù)器的從頭至尾輪換相同的計(jì)數(shù)器值序列的取樣這個(gè)意義上說(shuō)，附圖5和7的電路是相同的。這是因?yàn)閍)按照選通時(shí)鐘ug上升邊緣在第n個(gè)采集時(shí)鐘周期期間的某一時(shí)刻在xc1的控制下取樣采集時(shí)鐘與b)在第n個(gè)采集時(shí)鐘周期期間的某一時(shí)刻檢測(cè)選通時(shí)鐘ug的上升邊緣并且之后檢查時(shí)鐘周期數(shù)目是相同的。
按照本發(fā)明的這些示范性實(shí)施方式的變形方式，為了定義所有可能的取樣的子集(取樣?xùn)鸥?，電路可通過比較器和保持km＝ηg[m]、將會(huì)觸發(fā)采樣的選通時(shí)鐘周期的數(shù)目的寄存器得到擴(kuò)展。一旦觸發(fā)條件出現(xiàn)并且取樣可以獲得，取樣必須被存儲(chǔ)起來(lái)，并且在下一個(gè)觸發(fā)的時(shí)刻將其加載。在中斷服務(wù)程序的控制下，可以存儲(chǔ)和加載到FIFOs中和從FIFOs存儲(chǔ)和加載或者可以存儲(chǔ)和加載到處理器的存儲(chǔ)器中和從處理器的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和加載。
很有優(yōu)勢(shì)地，按照本發(fā)明，測(cè)量誤差明顯減少，但不增加測(cè)量時(shí)間間隔。同樣，在保持與現(xiàn)有技術(shù)已知的傳統(tǒng)方法相同測(cè)量誤差的情況下，測(cè)量間隔可減少。用于典型應(yīng)用的仿真示出，如果可獲得25個(gè)取樣，測(cè)量誤差可被減少到二分之一。取樣數(shù)目增加到n倍，測(cè)量誤差另外減少
權(quán)利要求
1.用于確定第一信號(hào)的第一頻率和第二信號(hào)的第二頻率的比例的電路，該電路包括第一計(jì)數(shù)器和第二計(jì)數(shù)器；取樣裝置，用于當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)設(shè)的第二中間計(jì)數(shù)值時(shí)，對(duì)第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值進(jìn)行取樣，從而第一計(jì)數(shù)器是在第二計(jì)數(shù)器的控制下被取樣的；其中第一和第二中間計(jì)數(shù)值形成多個(gè)第一和第二計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值對(duì)；其中，在第一中間計(jì)數(shù)值的取樣期間，第一和第二計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)；計(jì)算單元，基于多個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)，確定第一和第二頻率的比例。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中計(jì)算單元使用多于兩對(duì)中間計(jì)數(shù)值來(lái)確定第一和第二頻率的比例。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，其中第一計(jì)數(shù)器是由第一信號(hào)的上升邊緣和下降邊緣之一觸發(fā)的；其中第二計(jì)數(shù)器是由第二信號(hào)的上升邊緣和下降邊緣之一觸發(fā)的；其中第二計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)是第一和第二信號(hào)之一；其中在其值對(duì)第一計(jì)數(shù)器進(jìn)行取樣的第二計(jì)數(shù)器的第二中間計(jì)數(shù)值是預(yù)設(shè)在寄存器里的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的電路，進(jìn)一步包括一個(gè)存儲(chǔ)器；其中該存儲(chǔ)器包括第一和第二存儲(chǔ)裝置；其中第一存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值，以致提供第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值的序列，而第二存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)第二計(jì)數(shù)器的第二中間計(jì)數(shù)值，以致提供第二計(jì)數(shù)器的第二中間計(jì)數(shù)值的序列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中計(jì)算單元由處理器實(shí)現(xiàn)；其中多個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)存儲(chǔ)在處理器的工作存儲(chǔ)器中；并且其中針對(duì)讀取和寫入多個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)之一通過中斷程序?qū)ぷ鞔鎯?chǔ)器進(jìn)行訪問。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的電路，其中計(jì)算單元確定頻率比例隨時(shí)間的變化。
7.確定第一信號(hào)的第一頻率和第二信號(hào)的第二頻率的比例的方法，該方法包括以下步驟當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)設(shè)的第二中間計(jì)數(shù)值時(shí)，對(duì)第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值進(jìn)行取樣，從而第一計(jì)數(shù)器是在第二計(jì)數(shù)器的控制下得以取樣的；其中第一和第二中間計(jì)數(shù)值形成多個(gè)第一和第二計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值對(duì)；其中，在第一中間計(jì)數(shù)值的取樣期間，第一和第二計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)；并且基于多個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)，確定第一和第二頻率的比例。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中使用多于兩個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)來(lái)確定第一和第二頻率的比例。
9.包括計(jì)算機(jī)程序代碼裝置的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中當(dāng)在處理器上運(yùn)行該計(jì)算機(jī)程序代碼裝置時(shí)，該計(jì)算機(jī)程序代碼裝置促使處理器執(zhí)行如下操作當(dāng)?shù)诙?jì)數(shù)器達(dá)到預(yù)設(shè)的第二中間計(jì)數(shù)值時(shí)，對(duì)第一計(jì)數(shù)器的第一中間計(jì)數(shù)值進(jìn)行取樣，從而第一計(jì)數(shù)器是在第二計(jì)數(shù)器的控制下得以取樣的；其中第一和第二中間計(jì)數(shù)值形成多個(gè)第一和第二計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值對(duì)；其中，在第一中間計(jì)數(shù)值的取樣期間，第一和第二計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)；并且基于多個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)，確定第一和第二頻率的比例。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中使用多于兩個(gè)中間計(jì)數(shù)值對(duì)來(lái)確定第一和第二頻率的比例。
全文摘要
簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)頻率測(cè)量電路包含作為必要單元的兩個(gè)計(jì)數(shù)器。在這些計(jì)數(shù)器中可能出現(xiàn)這樣的問題與測(cè)量時(shí)間間隔相應(yīng)，計(jì)數(shù)值有±1/N的相對(duì)誤差。按照本發(fā)明，使用這些計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值對(duì)來(lái)估算頻率比例。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，這可以基于根據(jù)計(jì)數(shù)器的中間計(jì)數(shù)值對(duì)確定的回歸線的陡度來(lái)進(jìn)行。而且，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，在取樣中間取樣值的同時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器繼續(xù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
文檔編號(hào)G01R23/10GK1820203SQ200480019738
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
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