產生具有在連續頻率範圍內的期望頻率的振蕩信號的製作方法
2023-05-25 10:39:26 1
專利名稱：產生具有在連續頻率範圍內的期望頻率的振蕩信號的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統，尤其是必須支持大範圍的頻率的多頻段收發器。本發明也涉及產生具有在連續頻率範圍內的期望頻率的振蕩信號的方法。
背景技術：
在現代通信系統中頻譜是稀缺資源，因此，例如第三代合作夥伴計劃(3GPP)規範組不斷增加新頻段。
大多數現代收發器的解決方案採用直接轉換的接收器和發射器架構，以降低複雜度且最小化功率消耗。這樣的收發器使用本地振蕩器來為接收器部分和發射器部分產生頻率。接收器和發射器需要正交本地振蕩信號。一般通過將本地振蕩信號除以2來產生正交本地振蕩信號。因此，優選地，應當以期望接收/發射頻率的2倍(或更高偶倍數)來操作本地振蕩信號。本地振蕩器的輸出必須為乾淨的低噪聲信號以獲得良好質量的接收/發射。一般通過使用鎖相環將壓控電感電容(LC)振蕩器鎖定到晶體振蕩器來實現。LC振蕩器需要覆蓋全部的期望接收無線電頻率和發射無線電頻率，即必須支持大範圍的頻率。典型的LC振蕩器包括電感器、可變電容器、代表全部損耗的電阻器和保持放大器(sustaining amplifier)。可以將電感器實現為大型晶片上金屬結構,且使電容器可變以能夠產生不同輸出頻率。電容器可以包括可開閉電容器、可變電容器或其組合。已經證實，很難產生高的電容變化。當可變範圍不足時,不得不使用多個中心不同的壓控振蕩器(VCO)，並通過多路復用器選擇正確的VC0。這產生龐大的解決方案，且可能需要為每個將被支持的新頻段增加新的VC0。通過在VCO輸出端增加分頻器以將VCO的輸出除以2，來降低對VCO的頻率變化的需求。一般而言，對於VCO覆蓋一個倍頻程所對應的頻率範圍是足夠的，即VCO頻率範圍的上下端點之間具有因數2。然而，實際上VCO的中心頻率將因工藝、供應電壓和溫度(PVT)而變化。因此，如果中心頻率從其標稱值向上或向下漂移，則因數為2的相對VCO範圍不一定覆蓋全部的期望頻率範圍。因此，中心頻率的變化迫使調諧範圍的每端上需要有額外裕度。也為了避免專用集成電路(ASIC)的自旋(respins),應當為設計中的定心偏差增加一些裕度。總之,這迫使設計者在調諧範圍的每端具有 12%的裕度，且對於連續調諧範圍，所要求的調諧範圍變為2. 5，而不是上述因數2。利用一個VCO仍然難以獲得此值，因此不得不仍使用多個VCO。典型地，使用3個VCO覆蓋2. 5的調諧範圍。可以通過進行更巧妙的VCO設計降低VCO的數量。例如，也可將電感器製作成可切換的。然而總是難以達到2. 5的相對調諧範圍。現有解決方案的主要問題是成本和效率。多個VCO佔據很多空間且多路復用技術將消耗電流。通過設計寬調諧範圍的VC0，可以降低所需的VCO的數量。然而，當設計寬調諧範圍的VCO時，則需要更多的切換，會引入諧振腔損耗。這意味著更差的噪聲性能和更高的電流消耗。因此，明顯地需要降低VCO的調諧範圍要求。
發明內容
因此，本發明的實施方式的目標是提供一種降低所要求的VCO調諧範圍的簡單的方法。根據本發明的實施方式，在產生具有在第一連續頻率範圍內的期望頻率的第一振蕩信號的方法中實現所述目標，該方法包括在具有至少一個壓控振蕩器的壓控振蕩器單元中產生第二振蕩信號，所述第二振蕩信號具有在至少一倍頻程的聯合的第二連續頻率範圍內的頻率。該方法還包括如下步驟選擇所述第二連續頻率範圍以具有在所述第一頻率範圍內的下端點和在所述第一頻率範圍之上的上端點；選擇性地使用未變化的所述第二振蕩信號或將所述第二振蕩信號除以從包括數字2的整數冪的分頻比組中所選擇的分頻比，以獲得所述第一振蕩信號。
通過令VCO的中心高於所要求的，即使得VCO覆蓋期望頻率範圍的上部分和在該範圍之上的一些頻率，並使用附加的分頻器，使得可以選擇性地使用未變化的VCO信號以覆蓋期望頻率範圍的上部分或分頻的VCO信號以覆蓋期望頻率範圍的下部分，獲得針對例如VCO的漂移和公差的在期望範圍之下和之上的足夠的裕度。本發明也簡化了 VCO設計，節省了面積、電流且增加了一次成功的矽的概率。該方法還包括如下步驟比較所述第一振蕩信號的實際頻率與所述期望頻率；根據比較結果選擇所述分頻比。通過這種方式可以很容易地找到最佳分頻比。通過選擇所述分頻比的步驟實現目標，選擇所述分頻比的步驟包括將壓控振蕩器單元調到所述第二連續頻率範圍的端點處的頻率；從所述分頻比組中選擇初始分頻比使得所述第一振蕩信號的頻率在所述第一頻率範圍內；如果可能，調節壓控振蕩器單元的頻率使得所述第一振蕩信號的頻率等於所述期望頻率，否則，改變分頻比並調節壓控振蕩器單元的頻率使得所述第一振蕩信號的頻率等於所述期望頻率。使用VCO頻率範圍的端點進一步簡化將所產生的頻率調節到期望值的過程。在一個實施方式中，選擇第二連續頻率範圍使得其上端點為第一頻率範圍的上端點的咅。通過這種方式獲得針對例如vco的漂移和公差的在期望範圍之下和之上的同樣的裕度。分頻比組可以包括比率2和4。這允許來自覆蓋一倍頻程的VCO的具有足夠裕度的4的期望相應頻率範圍。如前所述，本發明的一些實施方式也涉及一種產生具有在第一連續頻率範圍內的期望頻率的第一振蕩信號的壓控振蕩器裝置，該裝置包括具有至少一個壓控振蕩器的壓控振蕩器單元，該單元配置成產生第二振蕩信號，所述第二振蕩信號具有在至少一倍頻程的聯合的第二連續頻率範圍內的頻率。選擇第二連續頻率範圍以具有在所述第一頻率範圍內的下端點和在所述第一頻率範圍之上的上端點；且該裝置還包括用於選擇性地使用未變化的所述第二振蕩信號或將所述第二振蕩信號除以從包括數字2的整數冪的分頻比組中所選擇的分頻比以獲得所述第一振蕩信號的部件。上述針對方法的所提到的內容所對應的實施方式也適用於該裝置。
下面將參照附圖更全面地描述本發明的實施方式，其中圖I示出可使用本發明的射頻(RF)收發器的方框圖；圖2示出具有壓控振蕩器的鎖相環的方框圖；圖3示出壓控LC振蕩器的方框圖；圖4示出使用3個VCO和多路復用器的VCO單元；圖5示出使用除二分頻器擴展VCO單元的相應頻率範圍的結構。
圖6示出具有覆蓋中心在2. 83GHz處的相應的2的範圍的VCO單元的圖5的結構的頻率範圍的示例；圖I示出當中心頻率已經向下漂移時圖6的頻率範圍；圖8示出將中心高於期望頻率範圍的VCO輸出信號可選地除以I或2的VCO裝置；圖9示出圖8的裝置的頻率範圍的示例；圖10示出具有所增加的頻率計數器的圖8的裝置；圖11示出圖10的裝置的分頻器選擇算法的流程圖；圖12示出圖5的結構和圖8的裝置的組合；圖13示出將中心高於期望頻率範圍的VCO輸出信號可選地除以1、2或4的VCO
裝置；圖14示出圖13的裝置的頻率範圍的示例；以及圖15示出具有所增加的頻率計數器的圖13的裝置。
具體實施例方式圖I示出可使用本發明的典型的RF收發器I的方框圖。所述收發器I具有接收部分2和發射部分3。大多數現代收發器的解決方案採用直接轉換的接收器和發射器架構，以降低複雜度且最小化功率消耗。接收器和發射器需要正交本地振蕩信號。因此，在所述接收器2中，所接收的信號從低噪聲放大器4提供至到混頻器5、6，在所述混頻器5、6中通過混合接收信號和正交本地振蕩信號，將接收信息轉換為基帶頻率。一般通過在分頻器8中將來自負責產生頻率的本地振蕩器7的本地振蕩信號除以因數2或更高偶倍數，來產生正交本地振蕩信號。因此，優選地，應當以期望接收(RX)頻率的2倍(或更高偶倍數)操作本地振蕩信號。混頻器5、6的兩個輸出為同相分量和正交分量，且在將這兩個輸出在模擬-數字轉換單元11中轉換為數字值和在基帶處理級12中進行進一步處理之前，在濾波器9和濾波器10中進行低通濾波。類似地，在發射部分，將來自處理級13的信號在混頻器17、混頻器18中混合至無線電頻率和輸入至放大器21之前，在數字-模擬轉換單元14中進行轉換且在濾波器15、濾波器16中進行濾波。同樣地，通過在分頻器20中將來自負責產生頻率的本地振蕩器19的本地振蕩信號除以因數2或更高偶倍數，來產生正交本地振蕩信號。本地振蕩器7和本地振蕩器19的輸出必須為乾淨的低噪聲信號以獲得良好質量的接收/發射。一般通過使用鎖相環將壓控LC振蕩器鎖定到晶體振蕩器來實現這點。LC振蕩器需要覆蓋全部的期望接收和發射無線電頻率，即必須支持大範圍的頻率。
圖2示出典型的鎖相環31的方框圖，其中將LC振蕩器32鎖定到晶體振蕩器33。在相位頻率檢測器和充電泵34中將反饋信號的相位與來自晶體振蕩器33的參考信號的相位進行比較。如果反饋信號的相位落後於參考信號的相位，則產生短升(short UP)信號，在充電泵中將所述短升信號轉換為正電流脈衝，該正電流脈衝輸入到環路濾波器35的電容器中。同樣地，如果反饋信號的相位領先於參考信號的相位，則產生短降(short DOWN)信號，在充電泵中將所述短降信號轉換為來自環路濾波器35的負電流脈衝。在參考信號和反饋信號的相位彼此相同或彼此接近的死區中，檢測器將激發兩個充電泵或不激發充電泵，不影響環路濾波器35。環路濾波器35的電壓反過來控制壓控LC振蕩器32的頻率。分 數分頻鎖相環的反饋通道包括分頻器36和三角積分調製器37，以確保將從壓控LC振蕩器32所產生的輸出頻率進行適當地分頻，以和相位頻率檢測器中的參考信號相比較。圖3示出典型的壓控LC振蕩器41的示例性方框圖。上部分為諧振器，所述諧振器包括電感器42、可變電容器43、代表全部損耗的電阻器44和保持放大器45。可將所述電感器42實現為大型片上金屬結構，且使所述電容器43可變以能夠產生不同輸出頻率。所述電容器43可以包括可開閉電容器、可變電容器或其組合。如前所述，振蕩器需要覆蓋大範圍的頻率。通過相應地改變所述電容器43獲得這個範圍中的不同頻率。通過/ =給出振蕩器的諧振條件，其中，C為諧振器中可用的總電容。這裡意識到，為了能夠產生從fmin到f_的頻率範圍內的所有可能的頻率，C必須以因數A2ax//I變化。電容較低地受電感器的自身諧振頻率、vco負載和其它寄生效應限制。而且，已經證實，難以產生高的電容變化。因此一個vco的能得到的頻率變化是受限的。如果一個VCO的範圍不足以覆蓋所需要的頻率範圍，則不得不使用多個中心不同的VC0，然後通過多路復用器選擇正確的VC0。這產生龐大的解決方案，且可能需要為每個將被支持的新頻段增加新的VC0。利用圖4中使用3個VC052、VC0 53和VCO 54與多路復用器55的VCO單元51示出了這種解決方案。降低對VCO單元的頻率變化的需要的方式是在VCO輸出端增加分頻器，以將VCO輸出除以2來提供在該範圍中的較低頻率。如果例如f_為fmin的4倍，即因數f./f.為4，且可以將輸出頻率除以例如2，則VCO覆蓋例如一倍頻程所對應的fmax/2 fmax的頻率範圍是足夠的。換句話說，這將放寬VCO輸出範圍需求至因數2。圖5示出這樣的裝置61的方框圖，其中VCO 62,VCO 63和VCO 64與多路復用器65對應於圖4。將多路復用器65的輸出端連接到分頻部件66和分頻部件67。應當注意，「除以I」相當於保持信號不變，因此僅為了完整性示出分頻部件66。最後，多路復用器68從分頻部件66和分頻部件67的輸出中選擇一個輸出。在圖5示出的示例中，我們以4倍的連續的相應頻率範圍為目標。作為示例,在圖6中示出，期望輸出頻率範圍(規格)可以為I 4GHz。那麼VCO應當覆蓋相應的2的範圍，即2 4GHz，且分頻器確保我們在多路復用器68中通過聯合兩個範圍使範圍加倍降到1GHz。因此在多路復用器68 (聯合)的輸出端處所覆蓋的頻率範圍對應於期望範圍。因此，可以將VCO的聯合的頻率範圍的中心定為較低和較高VCO頻率的幾何平均值，SP
通過增加更多的分頻器，我們可以進一步向下延伸頻率範圍。
然而，實際上VCO的中心頻率將因工藝、供應電壓和溫度(PVT)而變化。因此，如圖7所示，中心頻率已經從標稱值2. 83GHz向下漂移到2. 7GHz，為2的相應VCO範圍不一定覆蓋全部的期望頻率範圍。因此，中心頻率的變化在調諧範圍的每端上強加 6%的額外裕度的需要。也為了避免ASIC的自旋(respins)，應當增加一些裕度，以在設計中使中心偏移。這要求在範圍的每端上另外 6%的裕度(在不成熟的ASIC過程中，建模誤差會很高，這會導致很高的中心偏移)。總之這迫使設計者令調諧範圍的每端具有 12%的裕度，
且對於連續調諧範圍，所要求的調諧範圍變為
權利要求
1.一種產生具有在第一連續頻率範圍內的期望頻率的第一振蕩信號的方法，該方法包括 在具有至少ー個壓控振蕩器的壓控振蕩器單元(72 ；82 ；92)中產生第二振蕩信號，所述第二振蕩信號具有在至少一倍頻程的聯合的第二連續頻率範圍內的頻率； 選擇所述第二連續頻率範圍以具有在所述第一頻率範圍內的下端點和在所述第一頻率範圍之上的上端點； 選擇性地使用未變化的所述第二振蕩信號或將所述第二振蕩信號除以從包括數字2的整數冪的分頻比組中所選擇的分頻比，以獲得所述第一振蕩信號； 比較所述第一振蕩信號的實際頻率與所述期望頻率；和 根據比較結果選擇所述分頻比，其特徵在於，選擇所述分頻比的步驟包括 將所述壓控振蕩器單元(72 ；82 ；92)調到(101)所述第二連續頻率範圍的端點處的頻率； 從所述分頻比組中選擇(102)初始分頻比使得所述第一振蕩信號的頻率在所述第一頻率範圍內；以及 如果可能，調節(107)所述壓控振蕩器單元(72 ；82 ；92)的頻率使得所述第一振蕩信號的頻率等於所述期望頻率，否則，改變(106)所述分頻比並調節所述壓控振蕩器單元(72 ；82 ；92)的頻率使得所述第一振蕩信號的頻率等於所述期望頻率。
2.如權利要求I所述的方法，其特徵在於，選擇所述第二連續頻率範圍使得其上端點為所述第一頻率範圍的上端點的力倍。
3.如權利要求I或2所述的方法，其特徵在於，所述分頻比組包括比率2和4。
4.一種產生具有在第一連續頻率範圍內的期望頻率的第一振蕩信號的壓控振蕩器裝置(71 ；77 ；81 ；91 ;98)，該裝置包括 具有至少ー個壓控振蕩器的壓控振蕩器單元(72 ；82 ;92)，所述單元用於產生第二振蕩信號，所述第二振蕩信號具有在至少一倍頻程的聯合的第二連續頻率範圍內的頻率； 其中，選擇所述第二連續頻率範圍以具有在所述第一頻率範圍內的下端點和在所述第一頻率範圍之上的上端點；且該裝置還包括 用於選擇性地使用未變化的所述第二振蕩信號或將所述第二振蕩信號除以從包括數字2的整數冪的分頻比組中所選擇的分頻比以獲得所述第一振蕩信號的部件(73，74，75 ；.93,94,95,96)； 用於比較所述第一振蕩信號的實際頻率與所述期望頻率的部件(76;96);和用於根據比較結果選擇所述分頻比的部件(76 ;96)，其特徵在於，選擇所述分頻比的部件配直成 將所述壓控振蕩器單元(72 ；82 ；92)調到所述第二連續頻率範圍的端點處的頻率；從所述分頻比組中選擇初始分頻比使得所述第一振蕩信號的頻率在所述第一頻率範圍內；以及 如果可能，調節所述壓控振蕩器單元(72 ；82 ；92)的頻率使得所述第一振蕩信號的頻率等於所述期望頻率，否則，改變所述分頻比並調節所述壓控振蕩器單元(72;82;92)的頻率使得所述第一振蕩信號的頻率等於所述期望頻率。
5.如權利要求4所述的壓控振蕩器裝置，其特徵在幹，選擇所述第二連續頻率範圍使得其上端點為所述第一頻率範圍的上端點的^倍。
6.如權利要求4或5所述的壓控振蕩器裝置，其特徵在於，所述分頻比組包括比率2和4。
全文摘要
一種產生具有在第一頻率範圍內的期望頻率的第一振蕩信號的方法，該方法包括在壓控振蕩器單元(72)中產生第二振蕩信號，所述第二振蕩信號具有在至少一倍頻程的第二頻率範圍內的頻率。該方法還包括選擇所述第二連續頻率範圍以具有在所述第一頻率範圍內的下端點和在所述範圍之上的上端點；並選擇性地使用未變化的振蕩信號或將振蕩信號除以從數字2的整數冪中所選擇的分頻比以獲得所述第一振蕩信號。通過使VCO的中心高於其它要求並使用附加的分頻器，使得可以選擇性地使用未變化的或分頻的VCO信號，獲得針對例如VCO的漂移和公差的在期望範圍之下和之上的足夠裕度。本發明也簡化了VCO設計。
文檔編號H03L7/099GK102668382SQ201080052719
公開日2012年9月12日 申請日期2010年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者馬格納斯·尼爾森 申請人:意法愛立信有限公司