説明

無石英発振器の通信装置と自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法

【課題】無石英発振器の通信装置と自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法を提供する。
【解決手段】無石英発振器の通信装置と自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法は、通信システムの送受信両端の一通信装置により、もう一つの通信装置に参考信号を提供し、通信装置は、この参考信号を元に、対応する参考周波数を生成することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、通信装置と方法関するものであって、特に、無石英発振器の通信装置と自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
各種無線通信電子製品、例えば、携帯電話、中距離無線LAN(WMAN)、無線LAN(WLAN)、衛星利用測位システム(GPS)、ブルートゥース等は、使用便利性、尺寸外観が研究される以外に、その性能も研究の焦点である。送受信功能の鍵は、ベースバンドの送受信素子にある。
【0003】
公知の無線通信システムは図1で示され、通信装置10と通信装置20がワイヤレスでデータを送受信する時、送受信両端のタイミングと周波数が一致するように確保することが必要である。この目的を達成するため、外在環境変化の変化を受けず、製作条件の差異(例えば、製作工程の差異、操作電圧、操作温度)がある参考周波数が必要で、通信装置10と通信装置20は、この参考集周波数により、周波数とタイミングが一致する行為を生成し、送受信両端が同期になる。外在環境変化を受けない参考周波数を得るため、現在の無線送受信機は、どれも、石英発振器30を参考周波数としている。石英発振器30は基本的な物理特性を有するので、安定した出力周波数を得る。しかし、石英発振器30自身が占める面積が非常に大きく、価格も非常に高い。
【0004】
現有の無石英(crystal−less)発振器の相関技術は、発振器(oscillator)を実現するのに留まっている。この技術は、発振器が生成する周波数誤差を一定範囲内に制御し、同時に、この誤差は処理器(processor)が許容できる範囲内である。
【0005】
米国特許第6,219,797の「選択的に発振源を有するマイクロコントローラー」"Microcontroller with Selectable Oscillator Source"中,マイクロコントローラーは、異なる発振源を参考周波数とし、外部の石英発振器を使用しない時、内発振するリング発振器(Ring Oscillator)を選択することができ、この構造をマイクロプロセッサ応用に運用する。この特許で生成される誤差範囲は、|Δf|≧2.5%で、通信システムの許容範囲(40ppm)の625倍以上であり、通信装置に不適用である。
【0006】
米国特許第6,219,797において、集積無石英装置は、少なくとも一部の抵抗素子に依存する出力素子の周波数を有する出力信号を生成する。提供される回路は、抵抗素子の温度係数を補償し、回路は、バンドギャップ(bandgap)と抵抗回路網(resistive network)により、電圧と温度により生じる発振器の周波数誤差を補償する。この特許の誤差範囲は、|Δf|≧2.5%で、通信システムの許容範囲(40ppm)の625倍以上であり、通信装置に不適用である。
【0007】
Krishnakumar Sundaresanらにより2006年2月に発表された「7MHzのCMOSクロック発振器の工程と温度補償」"Process and Temperature Compensation in a 7−MHz CMOS Clock Oscillator,"(IEEE J.Solid−State Circuits,vol.41,no.2,pp.433−442)では、石英水晶が不要な発振器の設計方法が説明されていて、操作電圧、操作温度、製造工程の差異が生じる周波数ずれと誤差を補償し、提供されるコンセプト、生成される誤差範囲は、|Δf|≦2.6%で、通信システムの許容範囲(40ppm)の625倍以上であり、通信装置に不適用である。
【0008】
WBAN(wireless body area network)アプリケーションにおいて、携帯可能で、長期の身体健康監視を考慮するので、非常に低い電力である。無石英ベースのシステムは、消費電力を減少させることができるが、CPN(central process nodes)とWSN(wireless sensor nodes)間の明らかなクロックの不整合に耐えるので、SCO(sampling clock offset)とCFO(carrier frequency offset)のためにシステムパフォーマンスを損なう。リング発振器が用いられる時、このクロックの不整合は、PVT(Process/Voltage/Temperature)に起因する。上述のように、公知の無石英発振器はどれも、発振器の設計方式を強調するもので、石英水晶を参考周波数補助にしない時に、いかにして、外在環境のパラメータのずれが生じる発振器の誤差を克服するかを説明していて、これらの相関設計は、皆、マイクロプロセッサの相関システムと応用である。
【0009】
しかし、有線、或いは、無線通信システム中、信号の送受信を成功させたい場合、送受信両端が許容できる周波数誤差は小さいので、よって、発振器の誤差範囲を制御するだけでは、通信システムの相関応用において実現することができない。よって、通信システム中、無石英発振器の相関技術を実現するには、その他の解決方案を探すことが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
上述の問題を解決するため、本発明の目的は、ワイヤレス、或いは、有線回線の無石英発振器の通信装置を提供し、嵌入式バーチャル水晶を導入して、通信装置が、物理結晶なしでも操作できるようにする。嵌入式バーチャル水晶は、種々の回路実装処理、特に、CMOSプロセスから実行される。その結果、ハードウェアは、高い集積性、低コストに設計できる。また、既存の通信設計機構、ハードウェアコスト、及び、ハードウェア領域を変化、改善できる。
【0011】
上述の問題を解決するため、本発明は、通信装置の嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法を提供し、自動校正と同期化工程は、参考信号停止前に完成される。自動校正工程が終了後、嵌入式バーチャル水晶は精確なクロック信号を無石英通信装置中のその他の接続回路に提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上述の目的を達成するため、本発明の実施例による無石英通信装置は、遠隔装置から伝送される信号を受信し、嵌入式バーチャル水晶からの出力パルスを有する信号を処理して、通信装置に信号を生成する通信装置からなり、信号は、発振器の信号と同様で、通信装置を作動させる。
【0013】
上述の目的を達成するため、本発明のもう一つの実施例による無石英発振器の通信装置は、遠隔通信装置から伝送される第一信号を受信し、第一信号を処理して、異なる信号を生成する周波数分化ユニットと、周波数分化ユニットに結合され、異なる信号を受信して較正し、出力パルスを生成する嵌入式バーチャル水晶発振器と、周波数分化ユニットに結合される周波数合成器と、からなり、嵌入式バーチャル水晶発振器は、出力パルスを受信、処理し、第二信号を周波数分化ユニットに生成する。
【0014】
本発明のもう一つの実施例による通信装置の自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法は、参考信号を受信する工程と、参考信号と通信装置の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを比較する工程と、参考クロックとバーチャル水晶発振器の出力クロックの差異量を検出する工程と、差異量を計算して誤差数値を生成する工程と、誤差数値によって、通信装置の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを更新する工程と、からなる。
【発明の効果】
【0015】
本発明の無石英発振器の通信装置により、操作面積と設計コストが大幅に減少して、小型化、及び、低コスト化の目的を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
通信システム中、小面積と低コストの要求は、研究者が追求してきた目標であり、このような要求を満たすため、本発明は、石英発振器を使用しない設計方法を提供し、通信電子素子、或いは、装置に、無線、及び、有線通信システム中で、信頼度の高い参考周波数を提供する。
【0017】
本発明の通信装置は、遠隔通信装置が伝送する信号を受信し、受信した信号と通信装置内の参考クロックが、石英発振器が生成するのと類似する周波数信号を計算して、通信装置に安定した操作周波数を提供する。
【0018】
本発明の実施例は、回路設計の方式により、石英発振器と同様の効果、即ち、嵌入式バーチャル水晶(embedded virtual crystal)発振器の効果を達成する。本発明は、回路に通信システムを組み合わせた方式で実現し、よって、どのような回路の製造工程にも適用できる。本発明の無石英発振器の通信装置の実施例は、図2で示されるように、無線通信を例としているが、有線、或いは、回路板通信中でも実現できる。この実施例中、通信装置60は、精確な参考信号を通信装置40に提供し、周波数分化ユニット43は、参考信号を受信して、処理し、異なる信号を嵌入式バーチャル水晶発振器50に生成する。嵌入式バーチャル水晶発振器50のローカルクロック生成器(図示しない)は周波数合成器45に結合され、周波数分化ユニット43に結合され、出力パルスを提供する。周波数分化ユニット43は、参考信号と周波数合成器45からの出力信号を受信し、二周波数間の不一致のために、異なる信号を生成する。差動信号が、ベースバンドシステムが許容できる範囲内の誤差がある場合、差動信号が信号デコーダ変調器44に伝送される。そうでなければ、嵌入式バーチャル水晶発振器50により受信、処理する。
【0019】
一般に、通信装置40の参考周波数に誤差があるとき、周波数分化ユニット43が出力する差動信号は周波数差動、或いは、位相差動等の特徴信号を生成する。よって、本発明は、嵌入式バーチャル水晶発振器50を発振周波数発振器とし、差動信号を受信すると共に、ローカルクロック生成器のクロック信号と発振周波数を生成して、クロック信号を校正する。周波数合成器45は、クロック信号を許容できる範囲内の周波数信号に調整した後、周波数分化ユニット43に送る。最後に、信号デコーダ変調器44は周波数分化ユニット43に結合され、且つ、差動信号は、一定誤差内の差動信号である。そうでなければ、信号デコーダ変調器44は起動されず、周波数分化ユニット43が出力する信号をデコードする。
【0020】
嵌入式バーチャル水晶発振器50の各素子を説明するため、図3を参照し、図3は、図2の無石英発振器の通信装置を示す図である。フィルター51は、周波数分化ユニット43の出力端に結合されて、出力信号中のノイズ信号コンポーネントを除去する。差動検出器52は周波数分化ユニット43に結合されて、通信装置60と通信装置40の周波数間の差異を検出する差動信号を受信する。
【0021】
差動計算器54が差動検出器52に結合されて、差動特徴を受信し、周波数誤差を生成する。周波数誤差は、ローカルクロック生成器53に伝送して校正し、校正後の信号を、更に、周波数合成器45により受信して、出力パルスを受信、処理し、信号を周波数分化ユニット43に生成する。出力パルスが、周波数分化ユニット43が遠隔通信装置からの信号の下方変換ができる状況下で、誤差範囲を有する場合、信号デコーダ変調器44は、信号をデコードして、データ信号を生成する。よって、本発明の嵌入式バーチャル水晶発振器50は、回路方式で、一般の石英発振器の功能を実現する。別の実施例中、嵌入式バーチャル水晶発振器50を通信チップに整合し、小型化、低コスト化の目的を達成することもできる。
【0022】
図3を参照すると、本発明は、無線通信システムに応用することができ、通信装置60は、偏差のない1.4GHz参考信号を通信装置40に発射して、参考信号とし、内部クロック周波数を"調節"、或いは、"調整"する。通信装置40のハードウェアが起動する時、通信装置40のローカルクロック生成器53は、35MHzの参考周波数(fbaseband)クロック信号を生成し、この35MHz信号の誤差範囲(ε)は、絶対値約2.5%以内に制御され、周波数合成器45は、参考周波数35MHzを40倍で、1.4GHzの高周波信号(fout)を生成し、この高周波信号誤差と参考周波数クロック信号の誤差は相同で、絶対値は、2.5%以内(|ε|≦2.5%)である。
【0023】
ローパスフィルター42、及び、周波数分化ユニット43は、信号を下方変換(down conversion)した後、信号Rbefore LPFは式(1)で示される。
【0024】
【数1】

【0025】
ε=2.5%の時、帯域幅が35MHzのフィルター51(ローパスフィルター)を使用し、式(1)の高周波数成分をろ過し、ローパスフィルターの出力は、式(2)で示される。
【0026】
【数2】

【0027】
よって、周波数誤差が最大値(ε=2.5%)の時、Rafter LPFは最大値35MHzである。つまり、式(2)周波数の大きさにより、周波数後差値(ε)を知ることができる。よって、差動検出器52は、56kHz〜35MHzの範囲に設計され、差動検出器52が測定する周波数は、ローカルクロック生成器53を周波数調整の基準とする。同時に、差動検出器52が検出する周波数が56kHz以下の時、周波数後差値(ε)が既に通信システムに要求される40ppmより小さいことを示す。
【0028】
上述のように、嵌入式バーチャル水晶発振器50が表現する全体の行為は、バーチャル石英発振器と見なされ、参考クロックがシステムに必要な誤差範囲内に達するようにサポートする。
【0029】
上述の差動検出器52の実施例は、アナログデジタルコンバータ(ADC)と高速フーリエ転換(FFT)により、周波数検出の目的を達成する。Rafter LPF受信後、ADCにより、Rafter LPFをサンプリングしてデジタル信号にし、このデジタル信号をFFT転換する。FFT出力の帯域幅信号から、Rafter LPFの周波数分布を知ることができ、つまり、Rafter LPFの周波数組成を知ることができ、周波数検出の目的を達成する。図4は、異なる点数の高速フーリエ転換(FFT)により得られるスタートパルス誤差(ε)、及び、最終推測誤差の対照図である。図から分かるように、FFT長さ=4096以上(L5、L6、L7、L8)の周波数検出器を使用し、効果的に、Rafter LPFの周波数を検出すると共に、検出誤差を40ppm内に制御し、通信システムの要求を達成し、効果的に、周波数誤差2.5%を40ppmに縮小する。
【0030】
よって、本発明は、無石英発振器の通信装置を提供し、遠隔通信装置が伝送する信号を受信すると共に、信号と通信装置内の参考クロックが、石英発振器が生成するのと類似する周波数信号を計算して、通信装置に安定した操作周波数を提供する。
【0031】
図5は、本発明の自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法を示す図で、本方法は、遠隔の通信装置から参考信号を受信する工程S61と、受信した参考信号をろ過して、ノイズを除去する工程S62と、参考信号と嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを比較する工程S63と、参考信号と嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックの差異量を検出する工程S64と、差異量を計算して、周波数、或いは、位相誤差数値を生成する工程S65と、嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを更新する工程S66と、更新後の参考クロックが許容可能な誤差範囲の場合、嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを校正するのを停止し(工程S67)、信号をデコードする工程S68と、誤差範囲でない場合、工程S63〜工程S66を繰り返して、遠隔通信装置、或いは、通信システムの周波数範囲内にする工程と、からなる。数値誤差は周波数誤差、或いは、位相誤差である。
【0032】
上述の方法中、更新後の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックは、精確なクロック信号であり、参考信号終了前に、自己校正と同時の動作を完成する。よって、嵌入式バーチャル水晶クロックが自己校正を終了後、精確なクロック信号生成器として独立して、その他の関連する回路システムに使用することができる。
【0033】
石英水晶を使用しない条件下で、嵌入式バーチャル水晶クロックの概念により、図2、図3で示されるように、回路設計の方式で、石英発振器に相似する発振周波数を参考クロックに提供する。操作コンセプトは、送受信両端の通信装置により、もう一つの通信装置に参考信号を提供し、通信装置は、この参考信号に基づいて、対応する参考周波数を生成する。本発明は回路方式で実現し、これにより、どのような回路制作上、特に、CMOS工程で実現でき、よって、高度整合、低コストの目的を達成し、公知の通信システムの設計構造、ハードウェアコスト、ハードウェア面積を大幅に変化させる。
【0034】
総合すると、通信システム中、送受信連結を確実に維持するため、通常は、送受信両端の周波数誤差を±20ppmの範囲内に制御する。よって、本発明は、石英水晶を使用しない前提下で、システムの校正方式とハードウェアによる調整能力を利用して、通信システムに必要な周波数精確性を達成する。
【0035】
この他、本案は回路設計の方式で実現するので、どのような回路の製造工程、特に、低コストのCMOS回路工程で実現できる。よって、通信システムチップはどのような製造工程下でも実現し、この運算と設計法則により、石英が不要な発振器が得られる。
【0036】
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】公知の無線通信システム構造を示す図である。
【図2】本発明の実施例による無石英発振器の通信装置を示す図である。
【図3】図2の実施例による無石英発振器の通信装置で、嵌入式バーチャル水晶クロック内部操作を示す図である。
【図4】本発明の異なる点数の高速フーリエ転換(FFT)により得られるスタートパルス誤差(ε)、及び、最終推測誤差の対照図である。
【図5】本発明の自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法を示す図である。
【符号の説明】
【0038】
10,20 通信装置
30 石英発振器
40,60 通信装置
42 フィルター
43 周波数分化ユニット
44 信号デコーダ変調器
45 周波数合成器
50 嵌入式バーチャル水晶発振器
51 フィルター
52 差動検出器
53 ローカルクロック生成器
54 差動計算器
L1〜L7 誤差曲線
S61〜S68 工程

【特許請求の範囲】
【請求項1】
無石英発振器の通信装置であって、
前記通信装置は、遠隔通信装置が伝送する信号を受信すると共に、前記信号と前記通信装置内の嵌入式バーチャル水晶出力クロックが、石英発振器が生成するのに類似する周波数信号を計算して、前記通信装置に安定した操作周波数を提供することを特徴とする通信装置。
【請求項2】
前記通信装置は、前記遠隔通信装置が伝送する信号を受信する無線送受信システム、または、有線送受信システムであることを特徴とする請求項1に記載の通信装置。
【請求項3】
無石英発振器の通信装置であって、
遠隔通信装置が伝送する第一信号を受信し、前記第一信号を差動信号に転換する周波数分化ユニットと、
前記差動信号を受信して、自動校正の参考基準とし、出力クロック信号を生成する嵌入式バーチャル水晶発振器と、
校正後の前記出力クロック信号を受信して、第二信号を生成して、前記周波数分化ユニットに送る周波数合成器と、
を備えることを特徴とする通信装置。
【請求項4】
更に、前記周波数分化ユニットの受信端に位置し、前記第一信号のノイズを除去する第一フィルターを有することを特徴とする請求項3に記載の通信装置。
【請求項5】
更に、前記周波数分化ユニットが伝送する差動信号を受信する信号デコーダ変調器を有し、且つ、前記差動信号は一定誤差範囲内の差動信号であることを特徴とする請求項3に記載の通信装置。
【請求項6】
前記嵌入式バーチャル水晶発振器は、
前記通信装置に必要なクロック信号を提供するローカルクロック生成器と、
前記周波数分化ユニットが出力する差動信号を受信して、差異特徴量を生成する差動検出器と、
前記差異特徴量を受信して、周波数誤差値を前記ローカルクロック生成器に伝送する差異計算器と、
を備えることを特徴とする請求項3に記載の通信装置。
【請求項7】
前記嵌入式バーチャル水晶発振器は、更に、周波数分化ユニットの出力端に位置し、前記第二信号のノイズを除去する第二フィルターを有することを特徴とする請求項6に記載の通信装置。
【請求項8】
通信装置の自動校正する嵌入式バーチャル水晶クロック出力方法であって、
参考信号を受信する工程と、
前記参考信号と前記通信装置の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを比較する工程と、
前記参考信号と前記バーチャル水晶発振器の出力クロックの差異量を検出する工程と、
前記差異量を計算して誤差数値を生成する工程と、
前記誤差数値によって、前記通信装置の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックを更新する工程と、
を備えることを特徴とする出力方法。
【請求項9】
前記誤差数値は周波数誤差数値であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項10】
前記誤差数値は位相誤差数値であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項11】
前記参考信号は、遠隔通信装置から通信システムにより伝送されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項12】
更に、前記参考信号受信後、前記参考信号をろ過して、ノイズを除去する工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項13】
更に、更新後の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックが許容できる誤差範囲である時、信号をデコードし、そうでなければ、次の誤差数値を生成する工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項14】
更新後の嵌入式バーチャル水晶発振器の出力クロックは、精確なクロック信号であることを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項15】
更に、参考信号終了前、自動校正を実行する工程を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項16】
嵌入式バーチャル水晶発振器が自動校正を完了した後、独立して、精確なクロック信号生成器をその他の回路に使用できることを特徴とする請求項8に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2009−278606(P2009−278606A)
【公開日】平成21年11月26日(2009.11.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−214595(P2008−214595)
【出願日】平成20年8月22日(2008.8.22)
【出願人】(598139748)國立交通大學 (92)
【Fターム(参考)】