專利名稱：通信設備中基準振蕩器的溫度補償方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信設備，更具體地涉及通信設備中基準振蕩器的溫度補償。
通信設備如無線電話通常包括一個無線接收機和/或一個無線發射機。為了控制接收或發送的頻率，該無線設備還包括一個本地振蕩器或基準振蕩器。基準振蕩器提供一個已知頻率的振蕩信號器。通常，一個晶體被用于作為振蕩信號源。接收機和發射機被調諧到用該振蕩信號作為基準的相應頻率上。
為了可靠的性能，由基準振蕩器生成的信號必須保持其頻率沒有漂移。在輸出頻率中的兩個漂移來源是基準振蕩器工作溫度的變化和晶體在通信裝置工作壽命期間的老化。補償被用于生成一個不大受溫度和由于老化的變化影響的振蕩信號。
在通信設備中一個已知的補償方法是自動頻率控制，采用接收的信號作為一個穩定的頻率基準。舉例來說，通信設備中的一個移動臺可以通過比較由基準振蕩器生成的振蕩信號的頻率與從基站臺接收的信號頻率來調節其基準振蕩器。為響應根據比較結果所生成的二進制差錯信號，移動臺調節基準振蕩器頻率，如果差錯信號是“HI”，則降低頻率，如果差錯信號是“LO”，則提高頻率。通過周期地重復比較，基準振蕩器頻率被保持在可接受的范圍內。
該方法的有效性受到在啟動時頻率差錯的幅度和極性的不確定性的限制。在開始建立一個無線鏈路的過程中，自動頻率控制可能要花大量時間搜尋合適的校正，生成一個時間延時。該延時對于用戶可能是不方便的或不可接受的。
在通信設備中另一個已知的補償方法包括在生產過程中說明基準振蕩器的頻率隨溫度的變化。對應于頻率隨溫度的變化的數據被存儲在一個存儲器中用于再次調用。以后在無線設備的運行過程中，采用溫度探測器重復地進行溫度測量。一個解碼器和控制器響應一個來自溫度探測器的模擬電壓或溫度信號，從存儲器中讀出一個相應的校正系數，施加一個控制電壓到本地振蕩器。在施加控制電壓之后，控制器測量本地振蕩器和由無線設備接收的發送信號之間的頻率誤差。如果該誤差是在可接受的限度內，溫度被再一次讀出，該過程被重復進行。如果該誤差不在可接受的限度內，校正的取得是通過檢測頻率漂移的范圍并生成一個控制電壓，直至頻率漂移得到補償。指示用于該溫度的相應的控制電壓的新數據被存儲在存儲器中。
要求連續地測量溫度限制了該常規方法的有效性。采用溫度探測器的溫度測量易產生差錯。當對應于溫度的模擬電壓被量化為一個數字的數時還會引入差錯。用于確定對于特定溫度的控制電壓的計算引入另外的誤差。甚至小的誤差也可能在基準振蕩器所確定的輸出頻率上產生相當大的誤差。舉例來說，在900MHz載波頻率上，一個±1.5ppm的頻率誤差對應于±1.35KHz，對在一個符合高級移動電話業務(AMPS)標準，信道帶寬是30KHz的通信系統中所用的無線設備，或符合窄帶高級移動電話業務(NAMPS)標準，信道帶寬僅為10KHz的無線設備，這是一個相當大的誤差。
因此，在對于用于一個通信設備中基準振蕩器的溫度補償改進的方法和裝置的技術方面存在一個需求。
本發明的特征，相信是新穎的，在附加的權利要求書中詳細列出。本發明與其進一步目的和優點可通過參考下面結合附圖所作的描述中得以最好的理解，在幾幅附圖中，同樣的標號代表同樣的部件，其中附

圖1為根據本發明的通信裝置的框圖。
附圖2為說明操作根據本發明的附圖1中的通信裝置的一種方法的流程圖。
附圖3為進一步說明操作根據本發明的附圖1中的通信裝置的一種方法的流程圖。
參照附圖1，通信裝置100包括一個天線101，一個接收器102，一個頻率差錯檢測器103，一個解調器104，一個音頻處理器106，和一個控制器108。通信裝置100還包括一個調制器110，一個發送器112和一個功率放大器114。通信裝置100還包括一個數模轉換器或DAC116，一個基準振蕩器118，一個頻率合成器120和一個壓控振蕩器或VCO122。為了可由一個用戶來對通信裝置100的控制進行操作，通信裝置100還包括一個用戶接口124。為了檢測溫度，通信裝置100還包括一個溫度傳感器，并且為了儲存數據，通信裝置100還包括一個存儲器128。通信裝置100可以是一個無線電話，比如一個蜂窩或無繩電話手機，或者通信裝置100可以是一個移動無線設備。
為了通過通信裝置100進行話音和數據的接收，天線101被設置來接收由一個遠端收發機發送的電磁能量，并在無線電頻率上生成電信號。接收器102被耦合到天線101，并被設置來接收射頻(RF)信號。通常RF信號由一個遠端收發機根據一個預定的通信協議來發送的。這些協議的例子包括高級移動電話業務(AMPS)或窄帶高級移動電話業務(NAMPS)。在這些協議中，通信信道被預定在指定的頻率上用于通信裝置100與遠端收發機之間的RF信號的發送和接收。RF信號被適當地調制來承載話音或數據信息。解調器104從接收器102接收調制的RF信號，對其進行解調提取話音或數據。解調器104向音頻處理器106提供話音或數據用于轉換成音頻信號。音頻信號的指示被提供給控制器108和用戶接口124。用戶接口124通常包括一個揚聲器，一個送話器，一個鍵盤和一個顯示。
為了通過通信裝置100進行話音和數據的發送，控制器108和用戶接口向音頻處理器106提供一個音頻信號的指示。音頻處理器106傳送話音或數據到調制器110，調制器提供音頻信號到發送器。發送器112根據從調制器110所接收的音頻信號調制RF載波信號來產生RF信號。功率放大器114放大RF信號并把它們提供到天線用于發送到遠端收發機。
為在接收器102和發送器112中提供信道選擇性，在合成器120的控制下，VCO122提供一個相當穩定的振蕩信號到接收器102和發送器112。在一個接收或發送的頻率上，或該頻率的倍頻上，合成器120向VCO122提供一個振蕩信號。為響應從控制器108收到的控制信號，合成器改變接收或發送的頻率來分別調整接收器102或發送器112，到一個特定的信道或頻率。一些控制線和其它連接被從附圖1的框圖中省略了，以使所畫圖不過分地復雜。由合成器120提供給VCO122的振蕩信號是根據一個由基準振蕩器118提供的振蕩信號生成的。
基準振蕩器118包括一個振蕩器電路130，一個晶體132和一個變容二極管134。基準振蕩器118有一個用于提供振蕩信號的輸出端136和一個用于接收控制電壓的輸入端138。基準振蕩器118被設置成在某個輸出頻率上，在輸出端136提供一個振蕩信號。輸出頻率根據一個預定的關系隨溫度變化。輸出頻率是根據控制電壓而變化的。控制電壓是一個模擬的電壓。為允許控制器108改變控制電壓，DAC116有一個用于從控制器108接收數字控制信號的輸入端140。根據數字控制信號，DAC116在輸出端142產生一個對應于數字控制值號的模擬電壓。DAC116最好是一個8比特數模轉換器，但是，其它配置也可以使用。
晶體132有一個端子144和端子146。晶體132為基準振蕩器118提供一個穩定的頻率阻抗。晶體132的頻率特性具有一個根據下列關系定義的隨溫度的頻率變化(1)ΔF＝A(T-Ti)+C(T-Ti)3在這里ΔF是頻率上的變化，單位是百萬分率(ppm)，A和C是系數，Ti是偏轉溫度。根據本發明，晶體132有一個直接印在封裝上的晶體代碼，定義晶體頻率和溫度之間的關系。具體地，晶體代碼包括定義A、C和Ti的字母或數字。
振蕩器電路130是一個常規電路，接收來自晶體132的振蕩信號，并將其傳送到合成器120。振蕩器電路130可以提供緩沖，阻抗匹配，電平轉換和其它功能來保證振蕩信號在合成器120的精確接收。
溫度傳感器126有一個輸出端148。溫度傳感器126在輸出端148提供一個與所測量的溫度成正比的模擬信號。作為可選擇的方案，溫度傳感器126可以使用熱敏電阻或二極管。優選地，溫度傳感器126在通信裝置100中位于盡可能靠近基準振蕩器118之處，以保證溫度傳感器126能夠測量基準振蕩器118特別是晶體132的溫度。這樣的位置使得由于通信裝置100中的溫度梯度導致的后續誤差減小到最小。類似地，同樣具有溫度依賴性的變容二極管134也應當置于靠近晶體132和溫度傳感器126附近。
存儲器128最好是一個非易失讀寫存儲器，例如可擦寫可編程只讀存儲器，或E2PROM。存儲器通過控制器108編址，進行存儲和讀取數據。非易失是存儲器128的重要特性，從而在通信裝置100制造過程中存儲在存儲器128中的數據被保留在存儲器128中，可以在隨后的通信裝置的工作中使用。
頻率誤差檢測器103的第一輸入端154連接于接收器，第二輸入端156連接于VCO122，輸出端158連接于控制器108。在第一輸入端154，頻率誤差檢測器103接收來自接收器的基準信號。基準信號是遠端的收發機發射，接收器102接收的RF信號。接收基準信號時的頻率假定校準到通信裝置100進行通信的信道。如下面將要說明的，基準信號的頻率用于提供通信裝置100的自動頻率控制。在第二輸入端156，頻率誤差檢測器103接收基準振蕩器118的輸出信號。
頻率誤差檢測器103對基準振蕩器118的輸出頻率和所接收的頻率，基準信號的頻率之間的頻率誤差產生一個指示。根據本發明，頻率誤差檢測器103的輸出是以頻率校正步長大小和頻率校正步長方向的形式給出的。頻率校正步長大小最好是一個指示增加或減小基準振蕩器的輸出頻率以便減小頻率誤差指示的量的二進制值，頻率校正步長方向指示增加或減小輸出頻率。頻率誤差檢測器103連接于接收器102，用于確定基準頻率和基準振蕩器118的輸出頻率之間的頻率誤差。
控制器108最好是一個微控制器。控制器108根據預定的指令程序和存儲在存儲器例如存儲器128中的數據工作。在這些指令中，有一組指令構成自動頻率控制，或AFC程序152。控制器108本身可以包括一個存儲指令或數據的存儲器，或者控制器108連接附加的存儲裝置例如隨機存取存儲器(RAM)或只讀存儲器(ROM)。
控制器108包括一個模數轉換器或ADC150，連接于溫度傳感器126。ADC150接收溫度傳感器126產生的模擬信號，并產生一個數字值，被控制器108當作溫度的指示。ADC150最好是8位或10位模數轉換器。作為一種替代方案，ADC150可以是通信裝置100的單獨的分立元件。但是，優先選用帶有ADC例如ADC150的控制器例如控制器108，因為通信裝置的設計目標之一是使通信裝置100的零部件的數量和體積最小化，從而使制造成本最小化。
根據本發明，在制造時，晶體代碼是通過制造設備中包括的機器觀測儀器自動從晶體132讀取的。這些數值從制造設備被傳送到控制器108，經過控制器108的處理，作為表示溫度指示和對應的基準振蕩器118和晶體132的輸出頻率之間關系的數據存儲在存儲器128中。隨后，在通信裝置100被加電時工作的過程中，控制器108確定基準振蕩器或晶體132溫度的指示。根據溫度的指示，基準振蕩器的輸出頻率被校正到該溫度下的一個額定值。輸出頻率的偏差符合下列方程(2)偏差＝B+A(TA/D-Ti)+C(TA/D-Ti)3在這里A，B和C是從存儲器128中讀出的系數，TA/D是由溫度傳感器126和ADC150提供到控制器108的溫度指示。控制器108根據溫度指示和來自存儲器128的數據，通過提供一個控制信號到DAC116偏差或校正基準振蕩器118的輸出頻率。響應于此，DAC116提供一個控制電壓到基準振蕩器來調節基準振蕩器118的輸出頻率。在通信裝置100加電后，在通信裝置100的連續工作過程中，不進行目的在于校正頻率誤差的溫度測量。
在采用存儲的數據對基準振蕩器輸出頻率的進行初始校正或溫度補償之后，頻率誤差的校正是由自動頻率控制在AFC例行程序152的指導下提供的。頻率誤差檢測器103確定基準振蕩器的輸出頻率與從遠端收發機接收的基準信號的頻率之間的頻率誤差的一個指示。頻率誤差可能是由于通信裝置100的溫度變化，特別是晶體132的溫度變化所引起的，或可能是由于晶體132的老化所引起的。根據頻率步長修正量的大小和頻率步長修正量的方向，控制器108提供一個控制信號到DAC116，DAC116提供一個控制電壓到基準振蕩器118。因此，基準振蕩器118的輸出頻率根據步長大小和步長方向被改變。頻率誤差檢測、步長大小與步長方向的確定和校正的過程被重復進行，直至頻率誤差的指示是小于一個預定的最大值。因此，在輸出頻率的第一次校正之后，控制器108只有根據頻率誤差的指示才向基準振蕩器118提供控制電壓。
因為自動頻率控制功能是僅采用離散頻率步長在一個特定的頻率步長大小和步長方向上實現的，需要限制范圍來保證頻率步長是一個精確的選擇，并且不會使通信裝置進一步偏離與接收信號的頻率鎖定。根據本發明，在生產的時候，根據存儲在存儲器128的數據和由溫度傳感器提供的溫度指示，計算出一個或多個限定值。用于最初確定范圍偏置值的一般關系如下所示
在這里，W1和W2是數模轉換器步長值，F2和F1是頻率值。其它的范圍計算也可適用。
范圍偏置值對于每一個偏差值最好是同樣的，與溫度無關。不過，隨著溫度的變化，偏差值根據上面方程(2)所定義的而變化。因此，限定值根據新的溫度周期地被校正。也就是說，在等待一個預定的時限后，本發明的通信裝置確定一個基準振蕩器的溫度指示，并根據溫度指示更新。通過確定理論的偏差值來更新限定值，然后，把根據方程(3)-(6)最初確定的范圍偏置加到偏差值。
現在參照附圖(2)，它表示一個說明根據本發明的附圖(1)的通信裝置100的操作的流程圖。方法從步驟202開始，在能夠表征基準振蕩器輸出頻率和溫度之間的預定關系的數據被存儲在存儲器128之后。在步驟202，通信裝置被加電。在步驟204，方法包括確定基準振蕩器118的溫度指示。也就是說，溫度傳感器126提供一個指示溫度的模擬信號，該信號通過ADC150被轉換成數字數據。
在步驟206，根據溫度指示，方法通過校正基準振蕩器118的輸出頻率繼續。控制器108從存儲器128讀出定義對應于溫度指示系數A，B和C，并根據上面方程(2)計算一個偏差值。控制器108提供一個控制信號到DAC116以調整基準振蕩器118，控制信號由DAC116轉換為控制電壓。
方法在步驟208繼續，這時通信裝置100掃描一個有效的頻道。控制器108控制合成器120把接收器102調諧到一個根據通信協議如AMPS定義的信道。如果未找出一個有效信道，在步驟210，控制返回步驟204重復溫度測量。如果找出一個有效信道，控制向下繼續到步驟212。
在步驟212，頻率誤差被測量。頻率誤差檢測器103比較基準振蕩器118的輸出頻率和接收的頻率，即基準信號的頻率。頻率誤差檢測器103以頻率修正量步長大小和頻率修正量步長方向的形式確定一個頻率修正量，提供給控制器108。舉例來說，頻率修正量步長方向可以表示改變基準振蕩器的輸出頻率2倍，頻率修正量可以表示頻率的增加，而不是減少。或者，頻率修正量步長大小可以預先定義為一個，由控制器108選擇的缺省值。
在步驟216，控制器108確定頻率修正量步長大小是否小于一個限定值。當頻率修正量步長大小小于一個限定值時，則在步驟218方法繼續，即認可該頻率步長，根據頻率修正量校正基準振蕩器118的輸出頻率。在步驟220，頻率誤差被再一次測量并且與一個預定的最大誤差相比較。在步驟222，如果頻率誤差不小于預定的最大誤差，流程控制返回步驟214進行額外的的頻率修正量。如果在步驟222，頻率誤差小于預定的最大誤差，方法在步驟224結束。另一方面，方法可以當頻率修正量步長方向改變符號或它的表示基準振蕩器118的輸出頻率和接收的頻率之間差別的二進制值改變了符號時結束。這時對應于誤差的過零點。
如果在步驟216，頻率修正量步長大小不小于限定值，控制返回步驟204再一次測量溫度。要說明的是，這是一個不太可能發生的條件，表示元件故障。
為改善自動頻率控制操作的精度，步驟214，216，218，220和222可以采用接連地較小的步長重復進行。舉例來說，在最初的“快速鎖定”或粗略鎖定操作中，頻率步長大小可能是相對大的，基準振蕩器輸出頻率階躍直至頻率修正量步長方向改變符號。因此，根據本發明的這種方法包括通過一個粗的步長大小調節輸出頻率的步驟直至差別或誤差滿足第一條件。在那時，步長大小可以被減小，例如，對于“慢速鎖定”操作的執行，減小到快速鎖定步長大小的二分之一或三分之一。當頻率修正量步長方向再一次改變符號時，步長大小可以被最后一次減小，比如減小二分之一或三分之一。在這個小步長下，自動增益控制例行程序完成一個“跟蹤”操作，保持基準振蕩器輸出頻率緊密地鎖定在接收的頻率上。因此，根據本發明的方法將包括通過一個微小步長大小調節輸出頻率的另外步驟，直至差別或誤差滿足第二條件。不過，其它條件，如獲得一個預定量小的頻率誤差，也同樣可以被實施。
附圖3是一個說明根據本發明用于更新頻率步長大小的限定值方法的流程圖。這個例行程序最好周期地執行，例如，當通信裝置是在工作時，一分鐘執行四次。該方法開始于步驟302。在步驟304，判斷一個預定的時間，如15秒鐘(參照附圖3中的極限時間)，是否已經過去。如果是的話，流程控制繼續到步驟306。如果極限時間還沒有過去的話，流程控制返回到步驟304。在步驟306，溫度被測量，產生一個基準振蕩器118的溫度指示。在步驟308，通過確定對應于當前溫度的偏差值，更新限定值或限定值組。把范圍偏置加到偏差值。然后，流程控制返回步驟304等待預定的極限時間的過去。
如前所見，本發明提供了一個用于在通信設備中通過溫度補償基準振蕩器來控制基準振蕩器的的方法和裝置。在生產時，特征數據被存儲在通信裝置的非易失讀寫存儲器中。當通信裝置被加電或從停用到恢復使用，特征數據被讀出，并被用于提供一個初始的修正量給基準振蕩器的輸出頻率。在此之后，自動頻率控制操作是采用從一個遠端發送器作為一個基準信號接收的RF信號來完成的。頻率修正量是以頻率步長大小和步長方向的形式確定的。基準振蕩器的輸出頻率重復地階躍直至頻率誤差被減小。
已經表示和說明了本發明的一個特定實施例，可對其作出各種改變。例如，如果傳輸路徑包括調制器110，發送器112和功率放大器114被刪除，通信裝置100可以構成具有本發明所有好處和優點的一個尋呼接收機。因此希望用所附權利要求書覆蓋所有落入本發明的精神和范圍的類似的變化和改變。
權利要求
1.一個用于在通信裝置中控制基準振蕩器的方法，包括以下步驟(a)確定基準振蕩器的溫度指示；(b)根據所述溫度指示，校正基準振蕩器的輸出頻率；(c)選擇一個有效的信道用于通信；(d)確定基準振蕩器的輸出頻率和一個接收頻率之間的頻率誤差的指示；(e)根據所述頻率誤差的指示，確定一個頻率修正量；(f)當所述頻率修正量是小于一個限定值時，根據該頻率修正量來校正基準振蕩器的輸出頻率；且(g)重復步驟(d)-(f)直至頻率誤差的指示小于一個預定的最大值。
2.根據權利要求1所說的一個用于控制基準振蕩器的方法，其特征在于在該方法還包括周期地校正限定值的步驟。
3.根據權利要求2所說的一個用于控制基準振蕩器的方法，其特征在于其周期地校正限定值的步驟包括以下步驟(h)等待一個預定的時間值；(i)確定一個基準振蕩器的溫度的指示；和(j)根據基準振蕩器的溫度指示，更新限定值。
4.根據在權利要求1所說的一個用于控制基準振蕩器的方法，其特征在于確定頻率修正量的步驟包括確定一個頻率修正量的步長大小和一個頻率修正量的步長方向的步驟。
5.根據權利要求1所說的一個用于控制基準振蕩器的方法，其特征在于該方法還包括最初儲存表示溫度指示和對應的基準振蕩器的輸出頻率之間關系的數據的步驟，和在步驟(b)中包括根據基準振蕩器溫度指示和數據設置輸出頻率的步驟。
6.根據權利要求5所說的一個用于控制基準振蕩器的方法，其特征在于確定頻率誤差的指示步驟(d)和校正基準振蕩器的輸出頻率步驟(f)不包括確定溫度的指示。
7.一個通信裝置包括一個設置成在一個基準頻率上接收一個射頻(RF)信號的接收機；一個設置成在一個輸出頻率上提供一個振蕩信號的基準振蕩器，輸出頻率根據一個預定的關系隨溫度變化，輸出頻率是可根據一個控制電壓變化的；一個用于儲存數據的存儲器，該數據作為預定關系的特性；一個頻率誤差檢測器，耦合到接收機用于確定基準頻率和輸出頻率之間頻率誤差的指示；一個溫度傳感器用于提供一個溫度的指示；和一個控制器，耦合到接收機，存儲器，頻率誤差檢測器，溫度傳感器和基準振蕩器，用于接收溫度的指示，頻率誤差的指示和數據；根據所述的溫度指示和數據，控制器首先通過提供控制電壓到基準振蕩器來校正輸出頻率，接著控制器只根據頻率誤差的指示才向基準振蕩器提供控制電壓。
8.根據權利要求7所說的一個通信裝置，其特征在于控制電壓對應于一個頻率修正量步長的大小和一個頻率修正量步長的方向，根據溫度的指示和數據，控制器確定一個限定值，只有當頻率修正量步長大小是小于一個限定值時，控制器提供一個控制電壓。
9.根據權利要求8所說的一個通信裝置，其特征在于控制器根據頻率修正量步長的大小和頻率修正量步長的方向重復地增加控制電壓直至頻率誤差的指示是小于一個預定的最大值。
10.根據權利要求9所說的一個通信裝置，其特征在于控制器根據溫度的指示和數據周期地接收溫度指示并根據溫度指示和刷新限定值。
全文摘要
在通信裝置100中的基準振蕩器是通過對基準振蕩器的溫度補償來控制的，在生產時，特征數據被儲存在通信裝置100的非易失讀寫存儲器128中。在通信裝置100被加電時，特征數據被讀取并被用來產生一個初始修正量(206)到基準振蕩器(118)的輸出頻率。隨后，將接收到的來自遠端發送器的RF信號用作基準信號，進行自動頻率控制操作。頻率修正量是以頻率步長大小和頻率步長方向的形式確定的。基準振蕩器的輸出頻率重復階躍直至頻率誤差最小化。
文檔編號H03L1/00GK1166093SQ9710422
公開日1997年11月26日 申請日期1997年5月9日 優先權日1996年5月10日
發明者約翰H·斯皮爾斯 申請人:摩托羅拉公司