內窺鏡膠囊系統用的低功耗無線收發機模擬前端組件的製作方法
2023-05-22 00:26:41
專利名稱：內窺鏡膠囊系統用的低功耗無線收發機模擬前端組件的製作方法
技術領域：
本發明屬於無線內窺鏡膠囊製造技術領域。
背景技術：
目前，有許多人受到消化道疾病的困擾。傳統的胃鏡檢查，病人要承受極大的痛苦。隨著科學技術的發展，人們提出了無線內窺鏡膠囊技術，可以極大地減輕病人做消化道檢查時的痛苦。一個無線內窺鏡膠囊系統由體內和體外兩個收發機組成。體內部分的收發機只有膠囊大小，採用小型電池供電，膠囊上帶有一個小型的圖像傳感器和照明裝置，可以將病人體內的生理情況記錄下來，並將圖像通過無線的方式傳送給體外的接收機，體外的接收機恢復出原始圖像並實時顯示在計算機上，供醫生進行病情診斷。為了控制體內收發機的工作(如錯誤重傳、圖像傳感器的照相角度旋轉、照明裝置的亮度調節等)，體外收發機可以以無線的方式發送指令給體內收發機，控制體內收發機的工作。在傳送數據率上，由於體內往體外傳輸的是圖像數據，數據量大，因此體內往體外傳輸時必須具有較大的數據率(＞1Mbps)；而體外往體內傳輸的僅為控制指令，數據量小，只需較小的數據率(＞128bps)，它們是一種不對稱的傳輸體制。
在這種無線內窺鏡膠囊系統中，體內收發機的實現是研究的重點。它必須在有限的空間內集成所有的功能模塊，而且由於採用電池供電，整個系統必須具有極低的功耗。而在整個體內收發機中，無線收發機模擬前端的實現又是其中最關鍵的部分。
本發明提出了一種應用於內窺鏡膠囊系統的低功耗無線收發機模擬前端組件。接收鏈路採用ASK調製方式，可以從天線接收到的微弱射頻信號中直接檢測出數字信息；發射鏈路也採用ASK調製方式，可以將數字信息轉變為一定輸出功率的射頻信號，並通過天線發射出去。該收發機結構避免了功耗很高的模數變換器、數模變換器和射頻鎖相環等電路模塊，使電路功耗大大降低，同時該收發機結構不需使用難以集成的元器件，整個電路可以全部集成在同一塊晶片上，具有極高的集成度，從而可以大大降低產品尺寸和成本。
發明內容
本發明的目的在於提出一種不用模數變換器、數模變換器和射頻鎖相環電路的內窺鏡膠囊系統用的低功耗無線收發機模擬前端組件。
本發明的特徵在於，含有天線、收發開關以及無線收發機模擬前端集成電路，其中收發開關，設有in-out端，與所述天線互連；
無線收發機模擬前端集成電路，含有接收機和發射機，其中接收機含有低噪聲放大器，輸入端與所述收發開關的射頻信號輸出端相連；下變頻器，射頻信號輸入端與所述低噪聲放大器的輸出端相連；振蕩器，本振信號輸出端與所述下變頻器的相應輸入端相連；自動增益控制環路，包括可變增益放大器，變頻後的射頻信號輸入端經過一個接收機交流耦合電容與所述下變頻器的輸出端相連；固定增益放大器，輸入端與所述可變增益放大器的輸出端相連；峰值檢測器，峰值信號輸入端與所述固定增益放大器的輸出端相連，該峰值檢測器的控制信號輸出端與所述可變增益放大器的控制端相連；跨導-電容濾波器，濾波信號輸入端與所述可變增益放大器輸出端相連，該濾波器的濾波信號輸出端則與所述可變增益放大器的相應輸入端相連；ASK解調器，輸入端與所述固定增益放大器的輸出端相連，而ASK解調器的輸出端則輸出恢復後的數字信息；發射機含有晶體振蕩器；低頻鎖相環，包括依次串接的鑑頻鑑相器、環路濾波器，以及環型振蕩器，其中，鑑頻鑑相器的輸入端與所述晶體振蕩器的信號輸出端相連；四分頻器，分頻信號輸入端與所述環型振蕩器的振蕩信號輸出端相連，而該四分頻器的分頻信號輸出端與所述鑑頻鑑相器的相應輸入端相連；ASK調製器，調製信號輸入端與所述環型振蕩器的相應輸出端相連，該ASK調製器還設有待傳輸的數字信息輸入端；上變頻器，變頻前的信號輸入端經過一個發射機交流耦合電容與所述ASK調製器的輸出端相連，而該上變頻器的本振信號輸入端則與所述振蕩器的相應輸出端相連；功率放大器，信號輸入端與所述上變頻器的相應射頻信號輸出端相連，而該功率放大器的輸出端則與所述收發開關的輸出射頻信號接收端相連，以向所述天線發送。
本發明提出了一種應用於內窺鏡膠囊系統的低功耗無線收發機模擬前端組件。接收鏈路採用ASK調製方式，可以從天線接收到的微弱射頻信號中直接檢測出數字信息；發射鏈路也採用ASK調製方式，可以將數字信息轉變為一定輸出功率的射頻信號，並通過天線發射出去。該收發機結構避免了功耗很高的模數變換器、數模變換器和射頻鎖相環等電路模塊，使電路功耗大大降低(電路功耗可小於15mW)，同時該收發機結構不需使用難以集成的元器件，整個電路可以全部集成在同一塊晶片上，具有極高的集成度，從而可以大大降低產品尺寸和成本。
圖1，內窺鏡膠囊系統用的低功耗無線收發機模擬前端組件的電路原理框圖具體實施方式
該無線收發機模擬前端採用了便於集成的拓撲結構和半雙工的通信方式，僅有一個通信信道，系統結構如圖1所示，其中實線框內的電路模塊都可以集成在同一塊晶片上。
該收發機模擬前端由接收機和發射機兩部分組成，其中接收機包括如下的電路模塊天線、收發開關、低噪聲放大器、下變頻器、振蕩器、交流耦合電容、可變增益放大器、固定增益放大器(增益為20分貝)、峰值檢測器、跨導-電容濾波器和ASK解調器；發射機包括如下的電路模塊晶體振蕩器、鑑頻鑑相器、環路濾波器、環型振蕩器、四分頻器、ASK調製器、交流耦合電容、上變頻器、振蕩器、功率放大器、收發開關和天線。其中，天線、收發開關和振蕩器由接收機和發射機兩部分所共用。這些電路模塊之間的連接關係為天線與收發開關的一個信號端(in_out)相接，收發開關的另一個信號端(RF_IN)連接到低噪聲放大器的輸入端，收發開關的第三個信號端(RF_OUT)連接到功率放大器的輸出；低噪聲放大器的輸出端連接到下變頻器的射頻信號輸入端(Rx_RF)，振蕩器的一個輸出端連接到下變頻器的本振信號輸入端(Rx_LO)，下變頻器的輸出端(Rx_IF)連接到接收機交流耦合電容的一端，接收機交流耦合電容的另一端連接到可變增益放大器的信號輸入端(Vin)；可變增益放大器的輸出端連接到固定增益放大器和跨導-電容濾波器的輸入端，跨導-電容濾波器的輸出端連接到可變增益放大器的頻率特性控制端(Fctrl)，固定增益放大器的輸出端連接到ASK解調器和峰值檢測器的輸入端，峰值檢測器的輸出端連接到可變增益放大器的增益控制端(Gctrl)；ASK解調器的輸出是恢復出的數字信息；晶體振蕩器的輸出端連接到鑑頻鑑相器的參考頻率輸入端(Fref)，鑑頻鑑相器的輸出端連接到環路濾波器的輸入端，環路濾波器的輸出端連接到環型振蕩器的輸入端，環型振蕩器的輸出端連接到ASK調製器和四分頻器的輸入端，四分頻器的輸出端連接到鑑頻鑑相器的分頻頻率輸入端(Fdiv)；待傳輸的數字信息送給ASK調製器的數據輸入端(Tx_DATA)；ASK調製器的輸出端連接到發射機交流耦合電容的一端，發射機交流耦合電容的另一端連接到上變頻器的信號輸入端(Tx_IF)；振蕩器的輸出端連接到上變頻器的本振信號輸入端(Tx_LO)，上變頻器的輸出端(Tx_RF)連接到功率放大器的輸入。
該無線收發機的工作原理可解釋如下在接收鏈路上，從天線接收到的射頻信號經收發開關後送入低噪聲放大器進行放大，放大後的信號同振蕩器來的本振信號進行混頻，得到固定頻率(10MHz)的中頻信號，中頻信號由一個自動增益控制環路(由可變增益放大器、固定增益放大器、峰值檢測器構成)調整其幅度，並由一個反饋的跨導-電容濾波器濾除低頻噪聲和直流失調的影響，然後送入ASK解調器進行判別，直接恢復出數位訊號，送給其它電路進行進一步處理。
在發射機鏈路上，一個20MHz的低頻鎖相環(包括晶體振蕩器、鑑頻鑑相器、環路濾波器、環型振蕩器、四分頻器)提供恆定幅度的中頻載波信號，該載波信號經ASK調製器調製後，與從振蕩器來的本振信號在上變頻器中進行混頻，所得到的射頻信號送入一個功率放大器，該功率放大器的作用是提供大功率的射頻輸出信號，該輸出信號經收發開關後，由天線輻射出去。低頻鎖相環由一個晶體振蕩器提供參考頻率，低頻鎖相環的輸出產生一個理想的正弦信號，避免輸出產生過多的諧波，降低發射機的利用效率。
由於所研究的內窺鏡系統採用單信道的通信方式，本振信號僅由一個具有固定頻率的振蕩器提供，該振蕩器產生固定頻率(2.4GHz)的射頻振蕩信號，驅動接收機中的下變頻器和發射機中的上變頻器。
權利要求
1.內窺鏡膠囊系統用的低功耗無線收發機模擬前端組件，其特徵在於，含有天線、收發開關以及無線收發機模擬前端集成電路，其中收發開關，設有in-out端，與所述天線互連；無線收發機模擬前端集成電路，含有接收機和發射機，其中接收機含有低噪聲放大器，輸入端與所述收發開關的射頻信號輸出端相連；下變頻器，射頻信號輸入端與所述低噪聲放大器的輸出端相連；振蕩器，本振信號輸出端與所述下變頻器的相應輸入端相連；自動增益控制環路，包括可變增益放大器，變頻後的射頻信號輸入端經過一個接收機交流耦合電容與所述下變頻器的輸出端相連；固定增益放大器，輸入端與所述可變增益放大器的輸出端相連；峰值檢測器，峰值信號輸入端與所述固定增益放大器的輸出端相連，該峰值檢測器的控制信號輸出端與所述可變增益放大器的控制端相連；跨導-電容濾波器，濾波信號輸入端與所述可變增益放大器輸出端相連，該濾波器的濾波信號輸出端則與所述可變增益放大器的相應輸入端相連；ASK解調器，輸入端與所述固定增益放大器的輸出端相連，而ASK解調器的輸出端則輸出恢復後的數字信息；發射機含有晶體振蕩器；低頻鎖相環，包括依次串接的鑑頻鑑相器、環路濾波器，以及環型振蕩器，其中，鑑頻鑑相器的輸入端與所述晶體振蕩器的信號輸出端相連；四分頻器，分頻信號輸入端與所述環型振蕩器的振蕩信號輸出端相連，而該四分頻器的分頻信號輸出端與所述鑑頻鑑相器的相應輸入端相連；ASK調製器，調製信號輸入端與所述環型振蕩器的相應輸出端相連，該ASK調製器還設有待傳輸的數字信息輸入端；上變頻器，變頻前的信號輸入端經過一個發射機交流耦合電容與所述ASK調製器的輸出端相連，而該上變頻器的本振信號輸入端則與所述振蕩器的相應輸出端相連；功率放大器，信號輸入端與所述上變頻器的相應射頻信號輸出端相連，而該功率放大器的輸出端則與所述收發開關的輸出射頻信號接收端相連，以向所述天線發送。
全文摘要
本發明屬於內窺鏡膠囊製造領域，其特徵在於，收發機模擬前端集成電路和收發共用的天線及收發開關，該電路含有接收機，由依次串接的低噪聲放大器、下變頻器、耦合電容、自動增益控制環路和ASK解調器構成，低噪聲放大器輸入端與收發開關輸出端相連，ASK解調器輸出數字信息；發射機含有依次串接的晶體振蕩器、低頻鎖相環、接收數字信息的ASK調製器、耦合電容、上變頻器和功率放大器，下變頻器和上變頻器的本振信號由振蕩器提供，功率放大器的輸出端與收發開關相應輸入端相連，天線與收發開關的相應信號端相連。本發明具有低功耗、高集成度以及小尺寸的優點。
文檔編號A61B5/00GK1913378SQ200610112599
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月25日 優先權日2006年8月25日
發明者池保勇, 姚金科, 韓書光, 李國林, 王志華 申請人:清華大學