JP5289449B2 - 無線装置の単一のマルチモードクロック供給源 - Google Patents

Description

背景
本発明は、一般には無線装置に関し、特に無線装置のクロック信号の生成に関する。

無線装置は、クロックシステムに依存し、無線通信、デジタル処理、およびリアルタイムクロック動作を含む広範囲の動作に正確なタイミングを提供する。高品質クロック信号（低雑音、高精度等）が通常、無線通信に必要とされる一方で、通常、デジタル処理およびリアルタイムクロック動作には、低品質のクロック信号で十分である。高品質クロック信号の生成は、低品質クロック信号と比較して大量の電力を消費する。しかし、無線通信動作は大半の時間において非アクティブであるため、無線装置は、無線通信動作がアクティブであるときのみ、高品質クロック信号をアクティブ化することにより、節電することができる。従来の一解決策は、マルチクロックシステムを使用してこれを達成する。例示的なマルチクロックシステムは、無線通信動作中のみアクティブな、高周波高品質クロック信号を生成する高電力クロックユニットと、デジタル処理、リアルタイムクロック等の他の精密さのより低い装置動作用の連続的な低周波低品質クロック信号を生成する低電力クロックユニットとを含む。マルチクロックシステムを別個のクロックユニットで使用することにより、無線通信動作が非アクティブなときは常に、無線装置が高電力クロックユニットを非アクティブ化することが可能になる。これは、かなりの節電を無線装置に提供する。

別個のクロックユニットは、節電を提供する一方で、装置のコストおよびサイズを増大させもする。さらに、複数クロックによる解決策は、多くの場合、追加の較正・温度補償電子機器を必要とし、装置のコスト、サイズ、および電力消費をさらに増大させる。したがって、代替のクロック生成解決策が必要である。

概要
本発明は、単一の水晶発振器を使用して、無線装置が必要とするクロック信号を生成する。例示的なクロックユニットは、第１の電力モード（例えば、通常電力モード）及び第２の電力モード（例えば、電力減モード）で動作可能な水晶発振器と、現在のクロック信号品質要件に基づいて第１の電力モードと第２の電力モードとの間で水晶発振器を選択的に切り替える制御ユニットとを備える。制御ユニットは、水晶発振器の消費電流を変更することにより、第１の電力モードと第２の電力モードとの間で選択的に切り替えることができる。水晶発振器の消費電流は、バッファ回路内のアクティブなドライバの数を変更し、容量負荷を変更し、および／または水晶発振器の駆動信号を変更することにより変更することができる。例えば、無線装置が高品質クロック信号を必要とする場合、例えば、無線装置内の無線ユニットがアクティブである場合、制御ユニットは、第１の電力モードを選択して、高消費電力を代償として、高品質クロック信号を提供することができる。しかし、無線装置が高品質クロック信号を必要としない場合、例えば、無線ユニットが非アクティブである場合、制御ユニットは、第２の電力モードを選択して、低消費電力で低品質クロック信号を提供することができる。

図面の簡単な説明
本発明による例示的な１つの無線装置のブロック図を示す。 本発明による例示的な１つのマルチモードクロックユニットのブロック図を示す。 本発明によるクロック信号を生成する例示的なプロセスを示す。 スタンバイモード中の水晶発振器の出力動作を示す。

詳細な説明
図１は、例示的な一実施形態による無線装置１０を示す。無線装置１０は、セルラ電話、ラップトップコンピュータ、個人情報端末、及びハンドヘルドコンピュータを含むが、これらに限定されない任意の無線装置を含み得る。無線装置１０は、無線ユニット２０と、処理ユニット３０と、ユーザインタフェース３２と、リアルタイムクロック（ＲＴＣ）３４と、周波数変調（ＦＭ）無線ユニット３６等の１つまたは複数のオプションの周辺ユニットと、クロックユニット１００とを備える。無線ユニット２０は、任意の既知の無線プロトコルに従って無線信号を送受信する１つまたは複数の無線送受信器を備える。例示的な無線ユニット２０は、それぞれの無線プロトコルに従って無線信号を送受信するセルラ送受信器２２、Bluetooth（登録商標）送受信器２４、および無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）送受信器２６を含み得る。処理ユニット３０は、通信信号を処理し、無線装置１０の全体的なコントローラとして機能する。ユーザインタフェース３２は、ユーザと無線装置１０とをインタフェースし、ディスプレイ、制御ボタン、スピーカ、マイクロホン等を含み得る。ＲＴＣ３４は、連続低周波クロック信号を使用して、無線装置１０の時間を追跡する。ＦＭ無線３６は、ＦＭ無線信号を受信し、任意の既知の手段に従ってユーザインタフェース３２に出力するために、処理ユニットにＦＭ無線信号を提供する。クロックユニット１００は、無線ユニット２０、処理ユニット３０、ＲＴＣ３４、およびＦＭ無線３６の機能を実施するために必要なクロック信号を提供する。図１に明示的に示されていないが、クロックユニット１００により提供されるクロック信号のさらなる周波数操作が必要な場合、１つまたは複数の周波数逓倍器および／または分周器がクロックユニット１００、無線ユニット２０、処理ユニット３０、ＲＴＣ３４、および周辺ユニット３６内に存在し得ることが理解されるであろう。

従来の無線装置では、クロックユニットは、必要なクロック信号を提供する２つの別個のクロックユニットを含むマルチクロックシステムを備える。従来のマルチクロックシステムは、低電力低周波クロックユニットと、高電力高周波クロックユニットとを含む。各クロックユニットは、所望の周波数の所望のクロック信号を提供するように調整された別個の水晶発振器を含む。低周波クロックユニットは常時動作して、連続低周波クロック信号を低消費電力（例えば、５μＡ）で提供する。例示的な１つの低周波クロック信号は、３２７６８Ｈｚクロック信号を含む。低周波クロック信号は、処理ユニット３０、ＲＴＣ３４、ＦＭ無線３６等により使用され得る。高周波クロックユニットは、高品質高周波クロック信号を提供する。例示的な高周波クロック信号は、１３ＭＨｚおよび２６ＭＨｚクロック信号を含む。高周波クロック信号は、高品質クロック信号を必要とする無線ユニット２０内の任意の要素、例えば、セルラ送受信器２２により使用され得る。生成されるクロック信号の高周波数および高品質により、高周波クロックユニットは通常、低周波クロックユニットよりもはるかに大きな電力を消費する。例えば、高速クロックユニットは３〜４ｍＡの電流を消費し得る。

節電のために、従来のマルチクロックシステムは、高周波クロックユニットを必要に応じて、例えば、セルラ送受信器２２がアクティブである場合のみ、アクティブ化する。高周波クロック信号がシステム内のいずれの機能にも必要とされない場合、例えば、スタンバイモードである場合、従来のクロックシステムは、高周波クロックユニットの電力を低減して電力消費を抑える。高周波クロックユニットが電力低減されている間、低周波クロックユニットは、時間の経過を監視し、いつ無線ユニット２０を起こすべきかを決定するために、無線装置に必要な（１つまたは複数の）クロック信号を提供し続ける。

従来のマルチクロックシステムには、いくつかの欠点がある。第１に、各クロックユニットが特定の金銭上のコストおよびプリント配線基板（ＰＣＢ）面積コストを無線装置に追加する。例えば、各水晶発振器のコストは＄０．３０〜＄０．３５であり、約１０ｍｍ^２のＰＣＢ面積を占有する。したがって、マルチクロックシステムは、大半の無線装置実装に対して十分な節電を提供する一方で、無線装置のサイズおよびコストの低減という進行中の傾向に正に対立もする。別の欠点は、低周波クロックユニットに関連する低速スタートアップ時間にある。従来の無線装置が低周波クロックユニットに頼ってクロック信号を処理ユニット３０に提供する場合、位相ロックループ（ＰＬＬ）が通常、低周波を、処理ユニット３０に有用な高周波に逓倍する必要がある。このような低周波信号に適用されるＰＬＬに関連する低速スタートアップ時間は、より長い期間にわたって消費電力を追加させ得る。さらに、低速スタートアップ時間は製造プロセスに影響し得、４〜１０ｍｓでスタートアップして安定化する高周波発振器と比較して、電力がスタートアップおよび安定化のためにまず加えられた後、低周波クロックユニットは数百ミリ秒を必要とする。

本発明は、従来の無線装置のマルチクロックシステムを、単一の高周波水晶発振器１１０（図２）を備える単一のマルチモードクロックユニット１００で置換する。クロックユニット１００は、消費電力を最小に抑えて、高周波水晶発振器１１０を連続して実行して、高周波クロック信号（ＭＳＣＬＫ_Ｈ）およびオプションの低周波クロック信号（ＭＳＣＬＫ_Ｌ）を提供しながら、複数の異なる電力モード間で選択的に切り替える。マルチモードクロックユニット１００により出力される（１つまたは複数の）クロック信号の周波数が、モード毎に大きく変わらないことが理解されるであろう。一般に、消費電力が高いほど、出力クロック信号の品質が高くなる。したがって、高電力モードは高品質クロック信号を生成する一方で、低電力モードは低品質クロック信号を生成する。以下に、通常電力モードと１つまたは複数の低電力モードとの間を選択的に切り替える２モードまたは３モードクロックユニット１００に関して本発明を説明する。しかし、マルチモードクロックユニット１００が任意の数の電力モードを有し得ることが理解されるであろう。

図２は、例示的な一実施形態によるマルチモードクロックユニット１００のブロック図を示す。マルチモードクロックユニット１００は、水晶発振器１１０、コントローラ１２０、および周波数低減ユニット１３０を備える。水晶発振器１１０は、コントローラ１２０により提供される制御信号に応答して、所望の周波数（例えば、１３ＭＨｚまたは２６ＭＨｚ）の高周波クロック信号（ＭＳＣＬＫ_Ｈ）を出力する。周波数低減ユニット１３０は、ＭＳＣＬＫ_Ｈの周波数を低減して、所望の周波数、例えば、３２７６８Ｈｚの第２の低周波クロック信号ＭＳＣＬＫ_Ｌを生成する。必要ないが、クロックユニット１００は、無線装置１０が高周波クロック信号を必要としない場合、ＭＳＣＬＫ_Ｈを選択的にディセーブルするオプションのスイッチ１４０をさらに含み得る。さらに、クロックユニット１００は、水晶発振器１１０の消費電流をさらに管理しながら、高品質または低品質の高周波クロック信号の分配を可能にするオプションの電力ドライバ、例えば、可変電力ドライバ１５０を含み得る。

水晶発振器１１０は、水晶１１２、発振器１１４、および可変容量負荷１１６を備える。水晶１１２は、所定の周波数で振動するように調整される。本発明では、水晶１１２は通常、所望の高周波数、例えば、１３ＭＨｚ、２６ＭＨｚ等に調整される。発振器１１４は、水晶１１２により生成された振動を高周波数の電気クロック信号（ＭＳＣＬＫ_Ｈ）に変換する。容量負荷１１６は、制御ユニット１２０からの制御信号に応答して、振動する水晶１１２の周波数を調整して、出力クロック信号の周波数エラーの低減を助ける。図２に示すように、容量負荷１１６は可変キャパシタを含み得る。あるいは、容量負荷１１６は、選択的にオンオフを切り替えられて、所望の負荷容量を提供する複数のキャパシタを含み得る。明示的に示されていないが、水晶発振器１１０は差動水晶発振器を含み得ることが理解されるであろう。

消費電力を最小に抑えるために、制御ユニット１２０は、現在のクロック信号品質要件に基づいて、水晶発振器１１０の電力モードを選択的に切り替える。図３は、マルチモードクロックユニット１００を使用して１つまたは複数のクロック信号を生成するために制御ユニット１２０により実施される例示的な一方法２００を示す。制御ユニット１２０は、任意の既知の手段に従って所要クロック信号品質を決定する（ブロック２１０）。例えば、制御ユニット１２０は、セルラ送受信器２２の状態を監視する（例えば、送受信器２２がアクティブであるときを監視する）ことにより、所要品質を決定することができる。続けて、制御ユニット１２０は、決定されたクロック信号品質要件に対応する電力モードに切り替わり（ブロック２２０）、クロックユニット１００が対応する（１つまたは複数の）クロック信号を生成する（ブロック２３０）。例えば、セルラ送受信器２２を介して無線信号を送信している場合、制御ユニット１２０は通常電力モードに切り替わり、高品質クロック信号を提供する。逆に、セルラ送受信器２２が非アクティブである場合、制御ユニット１２０は低電力モードに切り替わり、低電力を消費しながら、低品質クロック信号を提供することができる。表１に、異なる無線装置機能に対する様々なクロック信号品質要件を列挙する。表１が網羅的ではないことが理解されるであろう。

コントローラ１２０は、水晶発振器１１０の消費電流を制御することにより、水晶発振器１１０の電力モードを制御する。コントローラ１２０は、容量負荷１１６、水晶発振器１１０の駆動信号、または両方を制御することにより、消費電流を制御し得る。コントローラ１２０が水晶発振器１１０を任意の２つの電力モード間、任意の３つの電力モード間、または任意の所定数の電力モード間で切り替え可能なことが理解されるであろう。コントローラ１２０は、発振器駆動電流または発振器供給電圧を制御することにより、発振器駆動信号を制御し得る。コントローラ１２０は、容量負荷１１６を選択的に接続または切断することにより、容量負荷１１６を制御し得る。例えば、コントローラ１２０は、負荷容量を維持しながら、発振器駆動信号を低減することにより、通常電力モードと中電力減モードとの間で切り替えることができる。負荷１１６のアクティブ制御をなくすことにより、中電力減モードのさらなる節電が達成可能なことが理解されるであろう。負荷１１６を切断し、発振器駆動信号を低減することにより、コントローラ１２０は、低電力減モードに切り替えることもできる。

もう１つの方法として、または、追加として、コントローラ１２０は、オプションのバッファ回路１１８を制御することにより、水晶発振器１１０の消費電流を制御することができる。バッファ回路１１８は複数の並列ドライバを備え得る。一実施形態では、バッファ回路１１８は、線形増幅器およびリミッタ（図示せず）を備えることができる。通常電力モードの場合、バッファ回路１１８は、水晶１１２および／または発振器１１４の両端で信号を増幅して分離し、水晶発振器１１０が所望の高品質クロック信号を生成できる高品質方形波を生成する。電力減モードの場合、コントローラ１２０は、バッファ回路１１８内の１つまたは複数のドライバを切断または無効にして、消費電流を低減することができる。コントローラ１２０は、雑音要件および所望の消費電流に従ってバッファ回路１１８を制御することができる。図２は、オプションのバッファ回路１１８を水晶発振器１１０の部分として示すが、バッファ回路１１８が水晶発振器１１０と別個であってもよいことが理解されるであろう。

いくつかの実施形態では、コントローラ１２０は、中および／または低電力減モード中に水晶発振器１１０を所望の消費電流に維持し、発振器を維持するのを助けるオプションの振幅制御ループ１２２を含み得る。例えば、振幅制御ループ１２２は、水晶１１２の両端の振幅を検出し、検出された振幅を所定の基準振幅と比較し、比較に基づいて発振器電流を制御することができる。振幅制御ループ１２２の電力影響を低減するために、コントローラ１２０は、振幅制御ループ１２２を所定の時間にわたってアクティブ化して、電流値を選択し、続けて、振幅制御ループ１２２を非アクティブ化し、選択された電流値を使用して水晶発振器１１０を制御することができる。

各電力モードで生成される高周波クロック信号ＭＳＣＬＫ_Ｈの周波数は、大きくは変わらない。しかし、水晶発振器１１０のクロック信号の品質および消費電力は、モード毎に変わる。表２に、通常動作モード、中電力減モード、および低電力減モードのそれぞれで動作する場合に水晶発振器１１０により生成される高周波クロック信号の例示的な精度および消費電力を列挙する。表２中、「ｐｐｍ」は１００万分の１を表す。

周波数低減ユニット１３０は、高周波クロック信号を低減して、低周波クロック信号を必要とする無線装置１０内の要素のための第２の低周波クロック信号ＭＳＣＬＫ_Ｌを生成することができる。そのために、周波数低減ユニット１３０は、クワイエット分周器（ｑｕｉｅｔ ｄｉｖｉｄｅｒ）１３２およびノイジー分周器（ｎｏｉｓｙ ｄｉｖｉｄｅｒ）１３４のうちの少なくとも一方を含む。クワイエット分周器１３２は、雑音またはジッタを周波数減出力クロック信号に追加せずに、入力クロック信号を所定の値で分周する。一実施形態では、クワイエット分周器１３２は、入力クロック信号を整数分周係数、例えば、７９３で分周することにより、雑音またはジッタを追加せずに、低周波クロック信号を生成する。別の実施形態では、クワイエット分周器１３２は、入力クロック信号を．５で終わる小数分周係数、例えば、７９３．５で分周することにより、雑音またはジッタを殆ど追加せずに、低周波クロック信号を生成する。この小数技法は、入力クロック周波の立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジの両方を計数することにより、機能する。クワイエット分周器１３２は、適切な数のエッジを削除して、ジッタのない低周波出力クロック信号を生成することにより、いずれの技法を実施してもよい。

ノイジー分周器１３４は、入力クロック信号を、．５で終わらない任意の小数分周係数で分周する。このような小数の分周は通常、雑音および／またはジッタを低周波出力クロック信号に追加するが、ノイジー分周器１３４には、入力クロック信号を高精度小数分周係数、例えば、７９３．４５７で分周可能であるという利点がある。例示的なノイジー分周器１３４は、Klemmer等による米国特許公報第２００５／１９７０７３号および国際公開第２００６ ０４５３４６号パンフレットに記載のような小数合成器／分周器ならびにKlemmer等による米国特許第６，７０８，０２６号に記載のデルタ−シグマ小数分周器を含み、これら特許は両方とも参照により本明細書に援用される。

図２は、クワイエット分周器１３２およびノイジー分周器１３４の両方を有する周波数低減ユニット１３０を示すが、周波数低減ユニット１３０が１つのみの分周器を含んでもよく、または複数の追加の分周器を含んでもよいことが理解されるであろう。さらに、周波数低減ユニット１３０が、所望の分周精度および低周波出力クロック信号ＭＳＣＬＫ_Ｌの所望の品質に基づいて、一度に分周器１３２、１３４のうちの一方のみを使用することが理解されるであろう。分周器１３２、１３４が固定（静的）分周係数に限定されず、したがって、分周演算毎に異なる分周係数（動的分周係数）を使用してもよいことも理解されるであろう。例えば、クワイエット分周器１３２は、通常電力モード中に生成された２６ＭＨｚクロック信号を２６，０００，０００で分周して、１Ｈｚクロック信号を得ることができる。しかし、電力減モード中、クワイエット分周器１３２は、入力２６．０２６ＭＨｚクロック信号を２６，０２６，０００で分周して、１Ｈｚクロック信号を生成することができる。周波数低減ブロック１３０がクロックユニット１００の部分である必要がないことがさらに理解されるであろう。例えば、クロックユニット１００は、高周波クロック信号ＭＳＣＬＫ_Ｈを無線装置１０内の別の要素、例えば、ＲＴＣ３４に直接提供することができ、ＲＴＣ３４は、受信クロック信号の周波数を必要に応じて分周する。

単一の水晶発振器１１０が、無線装置１０に低周波クロック信号および高周波クロック信号を生成するために使用される場合、無線スタンバイ動作に関連するモード遷移問題が生じる恐れがある。無線装置１０は、スタンバイモードであるとき、ある時間期間、通常、１〜２秒間に最小電力を消費し、次に、「起き」て、ネットワーク制御チャネル信号をおおよそ５０ｍｓ間、受信する。ＧＳＭ動作の場合、無線装置１０は、公称ウェイクアップ時間の±２シンボル以内、好ましくは公称ウェイクアップ時間の±１シンボル以内に起きなければならない。より緩い許容差が可能であるが、無線装置１０がネットワークからより多くのデータを受信して記憶する必要があると共に、そのデータの復号化により大きな処理電力を必要とする。

無線ユニット２０が制御チャネル上でデータを受信している場合、クロックユニット１００は通常電力モードである。無線ユニット２０が非アクティブである場合、クロックユニット１００は電力減モードに切り替わり、最長でおおよそ２秒間、そのモードに留まる。電力減モード、特に低電力減モードへの遷移中、または電力減モード、特に低電力減モードからの遷移中、発振器１１０の出力周波数が変わり得る。図４は、ｎ秒間続くスタンバイモード中の水晶発振器１１０の例示的な挙動を示す。

スタンバイ動作中に周波数が不確定な２つの潜在的なエリアがある：遷移期間Ｔ１およびＴ２中の周波数不確定性ならびに電力減モードに関連する期間中の周波数不確定性。遷移期間中、全遷移期間Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２中の平均周波数

が、

により与えられると仮定する。式中、Ｆは通常（高）電力モードでの発振器周波数を表し、Ｆ＋ΔＦは、電力減モードでの発振器周波数を表し、Ｆよりも１０００ｐｐｍ未満だけ大きいと予期される。全期間Ｔ中の実際の周波数がＦの場合、秒単位での全期間Ｔ中のタイミングエラーＥは、

により与えられる。

全期間Ｔ中の実際の周波数がＦ＋ΔＦの場合、タイミングエラーＥは、

により与えられる。式（２）および式（３）に基づいて、秒単位における最悪な場合の妥当なエラー推定Ｅは式（２）により与えられる。ＧＳＭは１３００万／４８シンボル／秒を有するため、シンボル単位のエラーＥ_ｓｙｍｂは、

により与えられる。式中、Ｆ＝２６ＭＨｚであり、ΔＦ＝０．００１Ｆ（例えば、１０００ｐｐｍ）の場合、式（４）から得られるシンボル単位のエラーＥ_ｓｙｍｂは、１３５．４Ｔである。Ｔ＝４ｍｓの場合、これはおおよそ０．５４シンボルであり、十分に所望のタイミング窓内にある。さらなる研究により、さらなるエラー低減が可能であり得る。例えば、遷移期間中は発振器周波数の変化が指数波形であると仮定すると、ΔＦ／２よりも正確な平均周波数推定が可能であり得る。

電力減モード中、周波数エラーは、電力減モード中の推定周波数と実際の周波数との差の大きさに起因する。Ｆ_ｅｓｔが、電力減モード中の推定周波数を表し、Ｔｓがスリープ期間の所望持続時間を表す場合、無線装置１０はＦ_ｅｓｔＴ_ｓクロックサイクルを計数して、期間Ｔ_ｓを測定する。実際のクロック周波数がＦ_ｅｓｔ＋Ｆ_ｅｒｒであり、Ｆ_ｅｒｒが周波数エラーである場合、実際の時間測定Ｔ_ｍは、

により与えられる。

秒単位の許容タイミングエラーは、

により与えられ、この結果、

になる。

式（７）は、Ｅ_ａ／Ｔ_ｓがＥ_ａの必要精度に近い推定を表すことを示す。Ｅ_ａが、ＧＳＭでは３．７μｓに対応する１シンボルである場合、かつ、Ｔ_ｓが２秒である場合、０．０００００１８５（１．８５ｐｐｍ）の周波数精度が必要である。

無線装置１０は、ソフトウェアが電力減モードの場合での室温での厳密な周波数を知るように工場内で較正されるため、室温において、この精度は容易に得られる。しかし、無線装置１０が経年劣化し、および／または温度が変化するにつれて、電力減モードでの出力周波数も変わる恐れがある。無線装置１０は、測定温度、最後に成功したスリープサイクル中のタイミングエラー測定、および所望の周波数を生成するために通常電力モードで必要な容量負荷設定に基づいて実際の動作周波数を推定することができる。水晶発振器１１０の温度と周波数との関係の曲線の形状は、高電力および低電力で同じであるため、無線装置１０は、温度変化に伴う電力減モードでの実際の発振器周波数を推定することができる。あるいは、スリープ期間中に中電力減モードを使用して、高消費電力を代償にして周波数に対する温度の影響を低減することができる。無線装置１０は、起きる都度、ネットワーク内の無線装置の速度変化に起因するいかなるドップラーシフトも補償するためにタイミング補正／較正を行うため、上記エラーは累積的ではないことが理解されるであろう。

単一の水晶発振器１１０に伴って生じる恐れがある別の問題は、ＲＴＣ３４の精度を含む。ＲＴＣ３４は２つの動作モードを有する。第１のモードでは、無線装置１０の電源がオフになる。第２のモードでは、無線装置１０の電源がオンになり、スタンバイモードになる。無線装置１０の電源がオフになると、温度は未知であるため、電力減モードの場合にマルチモードクロックユニット１００により出力されるクロック周波数は、１０ｐｐｍと同程度変化し得る。したがって、無線装置１０の電源がオフである２４時間毎に、無線装置１０は０．９秒を獲得または損失し得る。これはおおよそ、毎月２６秒に相当し、従来の無線装置が使用する典型的な３２７６８Ｈｚクロックソースから達成可能な時間よりも１０倍良好である。

無線装置１０の電源がオンになると、大半の時間はスタンバイモードで費やされ、スタンバイクロックサイクルを計数することにより、ソフトウェアがＲＴＣ３４を更新することが可能になる。このプロセスにより、上述したように、スタンバイタイミングエラーは累積的ではないため、ＲＴＣ３４内のエラーはゼロになる。しかし、ＲＴＣ３４の応答がスタンバイ動作に結合されない場合、タイミングエラーは累積的である。この場合、ＲＴＣ３４は、例えば、高電力モードでは２６００万で分周し、電力減モード中は２６，０２６，０００で分周して、通常電力モードと電力減モードとの間を切り替えるドライバを含むことができる。この場合、遷移期間からのタイミングエラーは累積的である。式（２）を使用し、Ｆ＝２６ＭＨｚ、ΔＦ＝０．００１Ｆ（例えば、１０００ｐｐｍ）、Ｔ＝４ｍｓと仮定すると、結果として、タイミングエラーＥは、スタンバイ動作８時間毎に約０．１秒であり、毎日スタンバイが８時間と仮定して、毎月約３．５秒に相当する。したがって、可変ドライバをＲＴＣ３４内に含めることは、ＲＴＣ３４の動作を可能な限り無線装置１０の残りの構成要素から独立させた状態を保ちたい場合に好ましい。可変ドライバは、２つの値を有するソフトウェアによりセットアップすることができ、次に、クロックユニット１００が電力モードを切り替える際に、ハードウェアが２つのドライバ比を自動的に変更することができる。

容量負荷１１６を切断するか、または他の様式で取り外す実施形態では、別の潜在的な問題には、モード遷移中にクロック信号に発生し得る過渡事象が含まれる。これら過渡事象は、例えば、容量負荷１１６が遷移中に完全に充電されない場合、容量負荷１１６の絶え間ない充電および放電に起因する。このような過渡事象は、クロック信号を歪ませる。歪みを最小に抑えるために、コントローラ１２０は、容量負荷１１６が完全に充電されたときに、電力モードの遷移が行われるようにタイミングを計ることができる。

上記では、無線ユニット２０内の様々な無線要素が同じ汎用クロック信号品質要件を有するものと仮定している。しかし、本発明は、異なる無線要素に対して異なるクロック要件を有する無線装置１０内で使用することもできる。例えば、Bluetooth（登録商標）送受信器２４は、±２０ｐｐｍの精度および３００ｐｓ未満のジッタを有する高周波クロック信号および±２５０ｐｐｍの精度を有する低周波クロック信号を必要とし得る。高速ＵＳＢ送受信器（図示せず）は、±２００ｐｐｍの精度および３００ｐｓ未満のジッタを有する高周波クロック信号を必要とし得る。ＩｒＤＡを満たす無線通信は、１０，０００ｐｐｍの精度および２．５ｎｓ未満のジッタを有する高周波クロック信号を必要とし得る。無線ＬＡＮ要素およびＧＰＳ要素は、非常に要求の厳しいクロック要件を有し得る。

上に提示された単一のクロックユニット１０を使用して、ハイエンド無線装置１０内のこれらすべてのクロック信号要件を満たすことが可能であり得る。しかし、このような解決策では、大半の時間またはすべての時間でクロックユニット１００を通常（高）電力モードで実行させることが必要である。さらに、周波数調整がクロックジッタを発生させることが多いため、クロックユニット１００の周波数調整のスケジューリングは困難であり得る。複数のクロック要件を満たす一解決策は、第２のマルチモードクロックユニット１００を提供する。第２のマルチモードクロックユニット１００は、任意の数の方法で使用することができる。例えば、第２のクロックユニットは、
・中間無線装置の低電力低周波発振器、
・±２０ｐｐｍの範囲内の精度を有する低ジッタクロックを必要とする中間無線装置内の低電力高周波発振器、
・セルラ送受信器の動作から独立することができる、周波数調整をスケジュールで行うことができる、高電力高周波「クリーン出力」発振器、
として使用することができる。

上記クロックユニット１００は、単一の水晶発振器１１０を使用して無線装置を構築して、別個の３２７６８Ｈｚ水晶発振器および関連する電子回路のコストおよびスペースを節減できるようにする。コストおよびスペースの低減が本発明の主な利点であるが、本発明には、電力減モードで生成された（１つまたは複数の）クロック信号が、温度全体にわたって別個の３２ｋＨｚ水晶により生成される従来の低電力クロック（おおよそ±１００ｐｐｍ）よりも正確である（おおよそ±１０ｐｐｍ）という利点もある。この温度精度は、無線装置１０内の任意のＲＴＣ３４の長期精度を向上させることができると共に、従来の低電力クロックをスタンバイ中にタイミングソースとして使用可能な状態を保つために使用される任意の温度補償ソフトウェアを簡易化することができる。本発明の追加の利点は、高周波動作により、スタートアップ時間が典型的な３２ｋＨｚクロックに関連するスタートアップ時間よりもはるかに短縮されることである。このようにより短いスタートアップ時間により、製造時の較正およびテスト中の休止時間を低減またはなくすことができる。さらに、スタートアップ時間が短くなることにより、クロックユニット１００が高電力モードで使用される時間を短縮できるはずであるため、スタートアップ時間の短縮は消費電力に対してプラスの影響を有し得る。例えば、従来の推定は、高電力クロックをオフにすることができる時間が１ｍｓ増える毎に、スタンバイ電流が１５μＡ低減することを示す。今日、スタンバイ動作中、従来の無線装置は、高電力クロックユニットが必要になる前に、クロックのスタートアップおよび安定化を可能にするために、高電力クロックユニットをおおよそ１０ｍｓ間オンにする。本発明では、マルチモードクロックユニット１００のこの「スタートアップ」時間は１００μｓに低減することができる。

本発明は、当然ながら、本発明の本質的な特徴から逸脱せずに、本明細書において特に記した以外の方法で実行することも可能である。本実施形態は、すべての点において、限定ではなく例示としてみなされるべきであり、添付の特許請求の範囲の意味および均等範囲内にあるすべての変更は、特許請求の範囲内に包含されることが意図される。

Claims (19)

1. 無線装置においてクロック信号を生成する方法であって、
   現在のクロック信号品質要件に基づいて、単一の水晶発振器を第１の電力モードと第２の電力モードとの間で選択的に切り替えるステップを含み、前記水晶発振器は、前記第１の電力モード中、第１の品質要件を満たす第１のクロック信号を生成し、前記第２の電力モード中、第２の品質要件を満たす第２のクロック信号を生成し、
   前記クロック信号の周波数を低減して、低周波クロック信号を生成するステップをさらに含み、
   前記クロック信号の周波数を低減するステップが、
   第１の分周器および第２の分周器のうちの一方を選択するステップであって、前記第２の分周器が、前記第１の分周器よりも少ない雑音を前記クロック信号に追加する、ステップと、
   前記選択された分周器を使用して前記クロック信号の周波数を分周するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記水晶発振器を第１の電力モードと第２の電力モードとの間で切り替えるステップが、前記水晶発振器の消費電流を選択的に変更するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記消費電流を選択的に変更するステップが、前記水晶発振器の容量負荷を変更するステップを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記消費電流を選択的に変更するステップが、水晶発振器駆動信号を変更するステップを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記消費電流を選択的に変更するステップが、
   前記水晶発振器の容量負荷を変更するステップと、
   水晶発振器駆動信号を変更するステップと、
   を含む、請求項２に記載の方法。
6. 前記現在のクロック信号品質要件に基づいて、前記単一の水晶発振器を前記第１の電力モード、前記第２の電力モード、および第３の電力モードとの間で切り替えるステップをさらに含み、前記水晶発振器は、前記第３の電力モード中、第３の品質要件を満たす第３のクロック信号を生成する、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１の品質要件は、無線送受信器通信のための第１のクロック信号品質要件を含み、前記第２の品質要件は、処理機能、リアルタイムクロック機能、および周波数変調無線受信機能のうちの１つのための第２のクロック信号品質要件を含む、請求項１に記載の方法。
8. 無線装置においてクロック信号を生成するように構成されるクロックユニットであって、
   第１の電力モードおよび第２の電力モードで動作可能な水晶発振器であって、前記第１の電力モード中、第１の品質要件を満たす第１のクロック信号を生成し、前記第２の電力モード中、第２の品質要件を満たす第２のクロック信号を生成する、水晶発振器と、
   現在のクロック信号品質要件に基づいて、前記水晶発振器を前記第１の電力モードと前記第２の電力モードとの間で選択的に切り替える制御ユニットと、
   を備え、
   前記クロック信号の周波数を低減して、低周波クロック信号を生成するように構成される周波数低減ユニットをさらに備え、
   前記周波数低減ユニットは、第１の分周器および第２の分周器のうちの少なくとも一方を含み、前記第２の分周器は、より少ない雑音を前記クロック信号に追加し、前記周波数低減ユニットは、前記第１および第２の分周器のうちの一方を選択し、前記選択された分周器を使用して前記クロック信号の周波数を分周することにより、前記クロック信号の周波数を低減する、クロックユニット。
9. 前記制御ユニットは、前記水晶発振器の消費電流を選択的に変更することにより、前記水晶発振器を前記第１の電力モードと前記第２の電力モードとの間で選択的に切り替える、請求項８に記載のクロックユニット。
10. 前記水晶発振器に動作可能に関連する容量負荷をさらに備え、前記制御ユニットは、前記容量負荷を選択的に変更することにより、前記消費電流を選択的に変更する、請求項９に記載のクロックユニット。
11. 前記制御ユニットは、水晶発振器駆動信号を選択的に変更することにより、前記消費電流を選択的に変更する、請求項９に記載のクロックユニット。
12. 前記水晶発振器に動作可能に関連する容量負荷をさらに備え、前記制御ユニットは、前記容量負荷を選択的に変更すると共に、水晶発振器駆動信号を選択的に変更することにより、前記消費電流を選択的に変更する、請求項９に記載のクロックユニット。
13. 前記水晶発振器を所望の消費電流に維持するように構成される振幅制御ループをさらに備える、請求項９に記載のクロックユニット。
14. 前記水晶発振器は、前記第１の電力モード、前記第２の電力モード、および第３の電力モードの間でさらに動作可能であり、前記水晶発振器は、前記第３の電力モード中、第３の品質要件を満たす第３のクロック信号を生成し、前記制御ユニットは、前記現在のクロック信号品質要件に基づいて、前記水晶発振器を前記第１の電力モード、前記第２の電力モード、および前記第３の電力モードの間で選択的に切り替える、請求項８に記載のクロックユニット。
15. 前記第１の品質要件は、無線送受信器通信のための第１のクロック信号品質要件を含み、前記第２の品質要件は、処理機能、リアルタイムクロック機能、および周波数変調無線受信機能のうちの１つのための第２のクロック信号品質要件を含む、請求項８に記載のクロックユニット。
16. 無線通信装置であって、
    所定の無線プロトコルに従って無線通信信号を送受信する無線ユニットと、
    前記無線通信信号を処理する処理ユニットと、
    クロックユニットと、
    を備え、
    前記クロックユニットは、
    第１の電力モードおよび第２の電力モードで動作可能な水晶発振器と、
    前記無線ユニットがアクティブである場合、前記水晶発振器を前記第１の電力モードに選択的に切り替え、前記無線ユニットが非アクティブである場合、前記水晶発振器を前記第２の電力モードに選択的に切り替える制御ユニットと、
    を備え、
    前記クロック信号の周波数を低減して、低周波クロック信号を生成するように構成される周波数低減ユニットをさらに備え、
    前記周波数低減ユニットは第１の分周器および第２の分周器のうちの少なくとも一方を含み、前記第２の分周器は、より少ない雑音を前記クロック信号に追加し、前記周波数低減ユニットは、前記第１および第２の分周器のうちの一方を選択し、前記選択された分周器を使用して前記クロック信号の周波数を分周することにより、前記クロック信号の周波数を低減する、無線通信装置。
17. 前記制御ユニットは、前記水晶発振器の消費電流を選択的に変更することにより、前記水晶発振器を前記第１の電力モードと前記第２の電力モードとの間で選択的に切り替える、請求項１６に記載の無線通信装置。
18. 前記水晶発振器は、前記第１の電力モード、前記第２の電力モード、および第３の電力モードの間でさらに動作可能であり、前記制御ユニットは、前記無線ユニットがアクティブである場合には前記第１の電力モードを選択し、前記無線ユニットが非アクティブの場合には前記第２の電力モードまたは前記第３の電力モードを選択することにより、前記水晶発振器を前記第１の電力モード、前記第２の電力モード、および前記第３の電力モードの間で選択的に切り替える、請求項１６に記載の無線通信装置。
19. 前記制御ユニットは、現在のクロック信号品質要件に基づいて前記第２または第３の電力モードを選択する、請求項１８に記載の無線通信装置。

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