直接轉換無線電收發信機的製作方法
2023-10-09 01:38:29 1
專利名稱：直接轉換無線電收發信機的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線電收發信機和實現無線電收發信機的集成電路，每一個收發信機具有低IF接收機和發射機，並特別適用於2.4GHzISM頻帶，但不是專用於該頻帶。
背景技術：
諸如FHSS 802.11和SWAP-CA的無線電連網標準需要採用CSMA(載波檢測多址)協議，其中需要發射的無線電終端必須在發射之前監視它希望發射到的無線電信道，以便檢查該信道未被另一無線電終端使用。如果信道正在被使用，無線電終端將不進行發射。CSMA協議的效率取決於無線電終端能夠從接收模式向發射模式切換的速度。在它進行切換時，它不能接收，因而無法檢測另一個無線電終端是否開始發射，這樣可能導致發射衝突。需要短的接收/發射切換時間使衝突最小化，從而使無線信道利用效率最大化。
諸如FHSS 802.11的無線電標準要求採用時分多址協議，其中無線電終端在發射和接收之間交替變換。同樣，需要接收和發射模式之間短的切換時間使無線電終端不能通信的停滯時間最少。
在模式之間切換的一種方法是對發射機和接收機採用獨立的本機振蕩器，但這是昂貴的。在模式之間切換的較便宜的方法是重新調諧公共的振蕩器，但這樣是慢的。
需要採用高度集成的收發信機結構來實現低的無線電終端成本。一種能夠方便集成的接收機結構是利用多相IF濾波器的低IF結構。這種結構在歐洲專利申請No.99944448.2(在本發明的申請日尚未公開)中進行了描述。利用多相IF濾波器的低IF接收機可能對來自在附近頻率上工作的發射機的幹擾敏感。這個問題在諸如存在未經協調的應用的2.4GHz ISM帶的射頻頻帶上尤為突出。
在歐洲專利申請No.99944448.2中公開的減輕幹擾的一種解決方案是切換本機振蕩器(LO)注入頻率，從而偏移接收機的鏡頻。在歐洲專利申請No.99944448.2中所述的用於實現此方面的一種方法是使為收到信號的I(同相)或Q(正交)分量注入的LO信號反相。
最好通過在可能之處再用發射機和接收機的電路來降低收發信機的成本。美國專利No.5392460中公開了一種採用再用的收發信機結構，其中採用發射機和接收機公共的基準頻率發生器，但發射機和接收機採用單獨的頻率合成器。在這種先有結構中，模擬信號的調製在上變頻之前就被應用到發射機合成器，而在上變頻之後採用數位訊號的調製。
還在美國專利No.5392460中公開的另一種收發信機結構再用產生接收機LO注入信號的合成器也產生發射機LO注入信號，但結合了第二發射機合成器來混頻直至達到最後的發射載頻。同樣，模擬信號的調製在上變頻之前就被應用到發射機合成器，而在上變頻之後採用數位訊號的調製。
如果使用美國專利No.5392460中公開的這些結構之一實現歐洲專利申請No.99944448.2中描述的用於CSMA或用於TDMA的LO切換技術，需要切換接收機合成器，這樣做速度慢，導致期間無法接收的不希望有的時段。
發明的公開本發明的目的是提供一種改進的收發信機，它能夠具有快的切換時間並且在發射機和接收機之間再用一些部件，而且適合於高度集成。
根據本發明的一個方面，提供一種適合於在公共頻率上發射和接收的半雙工無線電收發信機，它包括發射機和低IF接收機，還包括信號發生裝置，所述信號發生裝置包括第一和第二頻率發生器，其中所述第一頻率發生器在接收和發射期間產生頻率為標稱載頻的信號，其中所述第二頻率發生器產生偏移信號，它在接收期間是低IF頻率的，而且其中在接收期間將第一頻率發生器產生的信號與偏移信號合成而產生下變頻信號。
通過利用第一頻率發生器產生頻率為載頻的信號、供所述發射機和接收機分別用於發射和接收，而不需切換第一頻率發生器的頻率，收發信機在發射和接收模式之間切換的時間可以保持為短暫的，並可以在發射機和接收機之間再用一些部件。由第二頻率發生器提供載頻與接收機的下變頻信號的頻率之間的差。在某些實現中，第一和第二頻率發生器可以使用公共的頻率基準源。
在發射期間，調製可以被應用於或者第一或者第二頻率發生器。
在本發明的一個實施例中，在發射期間，由信息信號對第一頻率發生器產生的標稱載頻的信號進行直接調製。
在另一實施例中，在發射期間，由信息信號對第二頻率發生器產生的偏移信號進行調製，由調製後的偏移信號對第一頻率發生器產生的信號進行調製，從而通過載頻信號的間接調製產生調製載波信號。
在本發明的另一個實施例中，其中調製被應用於第二頻率發生器，所述第二頻率發生器在接收期間被鎖定在頻率基準上，在接收期間對鎖定的第二頻率發生器的控制信號進行採樣，而且採樣的控制信號被用於控制發射期間的頻率調製偏移。
第二頻率發生器可以任選地包括VCO或數控振蕩器(NCO)。
在本發明的再一個實施例中，可以在高端注入和低端注入之間切換接收機下變頻信號。通過這種方式可能減輕鏡像信道上的幹擾。
在本發明的又一個實施例中，用集成電路實現所述收發信機。
附圖簡介現在參考附圖通過舉例描述本發明，其中
圖1是根據本發明製造的收發信機的第一實施例的原理框圖，圖2是表示用於圖1所示收發信機的複合混頻器結構的原理框圖，圖3是用於圖1所示收發信機的發射和接收模式中所需的收發信機設置表，以及圖4是根據本發明製造的收發信機的第二實施例的原理框圖，圖5是根據本發明製造的收發信機的第三實施例的原理框圖。
在附圖中，等同的模塊用相同的標號來標註。
實現本發明的方式現描述三個示例實施例。參考圖1，它示出第一實施例，其中的信號發生裝置2具有用於要發射的輸入信息信號的輸入端3、第一輸出端4和第二輸出端5。發往這些輸出端的信號取決於收發信機的工作模式，這會在下面進行描述。信號發生裝置2的第一輸出端4被耦合到發射機功率放大器7，該放大器7的輸出被耦合到天線開關8，天線開關8也連接到接收機放大器10，並且天線開關8的設置確定當收發信機工作於發射模式時，天線9連接到發射機功率放大器7的輸出端，還是當收發信機工作於接收模式時，天線9連接到接收機放大器10的輸入端。控制裝置100控制天線開關8的操作。
接收機放大器10的輸出端被耦合到第一混頻器11的第一輸入端和第二混頻器12的第一輸入端。第一混頻器11的第二輸入端被耦合到信號發生裝置2的第一輸出端4，而第二混頻器12的第二輸入端被耦合到信號發生裝置2的第二輸出端5。對應於接收信號的同相(I)分量的第一混頻器11的輸出被耦合到多相IF濾波器13的第一同相信號輸入端。對應於接收機信號的正交(Q)分量的第二混頻器12的輸出被耦合到第一可轉換反相器16，而第一可轉換反相器16的輸出被耦合到多相IF濾波器13的第二正交信號輸入端。多相濾波器13的第一和第二、分別為同相和正交的輸出分別經放大器6和17被分別耦合到解調器14的同相和正交信號輸入端，解調器14在其輸出端15上發出基帶信息信號。
信號發生裝置2包括第一頻率發生器40和第二頻率發生器41。現在對信號發生裝置2的結構、連同它用於產生收發信機工作在發射模式和接收模式所需的各種信號進行描述。
第一頻率發生器40包括諸如晶振的頻率基準25、載頻合成器26以及第一90°移相器28。頻率基準25的輸出端被耦合到載頻合成器26的輸入端，該合成器產生頻率為標稱無線電載頻ωc的同相信號分量cosωct，這個分量被提供給複合混頻器1的第一輸入端。同相信號分量cosωct也被提供給第一90°移相器28，該移相器產生頻率為標稱載頻ωc的正交信號分量sinωct，這個分量提供給複合混頻器1的第二輸入端。
或者，對於固定頻率應用，第一頻率發生器40可以包括固定載頻振蕩器，代替頻率基準25和載頻合成器26的組合。
第二頻率發生器41包括壓控振蕩器(VCO)27，它在第一輸出端18上產生可變偏移頻率ω0的同相信號分量cosω0t，該分量被提供給複合混頻器1的第三輸入端，它還在第二輸出端19上產生正交信號分量sinω0t，該分量被提供給複合混頻器1的第四輸入端。此外，通過控制到VCO 27的電壓輸入，VCO 27可以停止振蕩，以及反向，使得第二輸出端19上的正交信號分量被反相而變成-sinω0t。國際專利申請PCT/EP00/00514中公開了這樣一種VCO。
參考圖2，圖中示出複合混頻器1的結構，其中有第三混頻器30、第四混頻器31、第五混頻器32和第六混頻器33。第四混頻器31的第一輸入端和第六混頻器33的第一輸入端被耦合，以便接受提供給複合混頻器1的第一輸入端的無線電載頻ωc的同相信號分量cosωct。第三混頻器30的第一輸入端和第五混頻器32的第一輸入端被耦合，以便接受提供給複合混頻器1的第二輸入端的無線電載頻ωc的正交信號分量sinωct。
第四混頻器31的第二輸入端和第五混頻器32的第一輸入端被耦合，以便接受提供給複合混頻器1的第三輸入端的頻率為ω0的VCO同相信號分量cosω0t。
從VCO 27的第二輸出端19提供給複合混頻器的第四輸入端的正交信號分量sinω0t被耦合到第二可轉換反相器36，後者能夠在控制裝置100的操作下，輸出或者非反相形式的或者反相形式的VCO正交信號分量。從第二可轉換反相器36輸出的VCO正交信號分量被耦合到第六混頻器33的第二輸入端和非可轉換反相器29。非可轉換反相器29的輸出端被耦合到第三混頻器30的第二輸入端。
在VCO 27正向工作(從而分別在它的第一和第二輸出端18和19提供cosω0t和sinω0t)而且第二可轉換反相器36被設置為非反相時，在第三、第四、第五和第六混頻器輸出端形成並提供以下乘積第三混頻器30的輸出＝-sinωct×sinω0t第四混頻器31的輸出＝cosωct×cosω0t第五混頻器32的輸出＝sinωct×cosω0t第六混頻器33的輸出＝cosωct×sinω0t第三混頻器30的輸出端被耦合到第一加法器34的第一輸入端，第四混頻器31的輸出端被耦合到第一加法器34的第二輸入端。第一加法器34的輸出提供複合混頻器1的第一輸出4，它是載頻加VCO頻率的同相分量，即當VCO 27正向工作、從而在其第二輸出端19提供sinω0t，並且第二可轉換反相器36被設置為非反相時[cosωct×cosω0t]-[sinωct×sinω0t]＝cos(ωc+ω0)t第五混頻器32的輸出端被耦合到第二加法器35的第一輸入端，而第六混頻器33的輸出端被耦合到第二加法器35的第二輸入端。第二加法器35的輸出提供複合混頻器1的第二輸出5，而且是載頻加VCO頻率的正交分量，即當VCO 27正向工作、從而在其第二輸出端19提供sinω0t，而且第二可轉換反相器36被設置為非反相時 +[cosωct×sinω0t]＝sin(ωc+ω0)t當第二可轉換反相器36被設置為反相且VCO 27正向工作時，第一加法器34的輸出端向複合混頻器1的第一輸出端4提供載頻減去VCO頻率的同相分量，即[cosωct×cosω0t]+[sinωct×sinω0t]＝cos(ωc-ω0)t同時第二加法器35的輸出端向複合混頻器1的第二輸出端5提供載頻減去VCO頻率的正交分量，即[sinωct×cosω0t]-[cosωct×sinω0t]＝sin(ωc-ω0)t當收發信機處於接收模式時，使用上述的信號分量，這一點在下文描述。當收發信機處於發送模式時，第二可轉換反相器36被設置為非反相併且VCO 27可任選地反向，從而分別在其同相和正交的第一和第二輸出端18和19提供cosω0t和-sinω0t。在這種情況下，第一加法器34的輸出端向複合混頻器1的第一輸出端4提供載頻減去VCO頻率的同相分量，即[cosωct×cosω0t]+[sinωct×sinω0t]＝cos(ωc-ω0)t這樣，使VCO 27反向具有使載波信號上的頻率偏移反相的效果。當收發信機處於發射模式時，不使用複合混頻器1的第二輸出端5提供的信號。
圖3的表中總結了在信號發生裝置2的第一和第二輸出端4和5產生的發射和接收模式所需的信號以及可轉換反相器16、36的設置。
再參考圖1，頻率基準25被耦合到分頻器24，後者將頻率基準信號分頻而降到低IF。一般，低IF等於信道間隔的一半，但可以使用其它適宜的頻率。分頻器24的輸出端被耦合到鑑相器20的第一輸入端。由VCO 27的第一輸出端18通過同相信號被耦合到鑑相器20的第二輸入端。鑑相器20的輸出端被耦合到選擇開關23的第一輸入端，而選擇開關23的輸出端被耦合到VCO 27的電壓控制輸入端。
提供給信號發生裝置2的輸入端3的輸入信息信號被耦合到輸入放大器22，而輸入放大器22的輸出端被耦合到選擇開關23的第二輸入端。
此外，鑑相器20的輸出端被耦合到採樣保持電路21，採樣保持電路21的輸出端被耦合到輸入放大器22，以便控制提供給VCO 27的電壓控制輸入端的輸入信號電平。
當需要收發信機在接收模式下利用高端LO注入工作時，控制裝置100進行以下設置a)選擇開關23被設置成向其輸出端提供由鑑相器20提供的信號，從而形成控制迴路，使得VCO 27鎖定在低IF上的分頻後的頻率基準信號上。
b)VCO 27正向工作並且第二可轉換反相器36被設置成非反相，使得發生器2分別在輸出端4和5上提供載波加偏移頻率的同相和正交分量，這些分量分別被第一和第二混頻器11和12用作高端下變頻信號。
c)第一可轉換反相器16被設置為非反相。
如果在鏡像信道上出現幹擾信號，則通過將第一和第二可轉換反相器16、36設置成反相而將接收機切換到低端LO注入。通過切換第二可轉換反相器36，而不是使VCO 27反相來產生-sinω0t，避免了會使接收信號惡化的控制迴路破壞。根據多相濾波器是如何實現的，在切換LO注入時可能需要改變某些濾波係數。
相反，如果在為低端LO注入設置接收機時在鏡像信道上出現幹擾，則可以通過將第一和第二可轉換反相器16、36設置成非反相而將接收機切換到高端LO注入。
當需要收發信機在發射模式下工作時，控制裝置100進行以下設置a)選擇開關23被設置成向其輸出端提供從輸入放大器22收到的輸入信息信號，從而使輸入信號能夠調製VCO 27。輸入信號電平確定VCO 27的頻率以及發射載波信號上的頻率偏移。
b)採樣保持電路21被設置成保持，從而使採樣保持電路21上的在接收模式期間被採樣的電壓現在用作基準來控制輸入放大器22和VCO 27提供的頻率偏移。以這種方式，補償了VCO元件的公差。
c)第二可轉換反相器36被設為非反相。信號發生裝置2的第一輸出端4上提供的信號的頻率等於載頻加上VCO 27正向工作時輸入信息信號引起的偏移，而且等於載頻減去VCO 27反向工作時輸入信息信號引起的偏移。
如果需要，可以通過將第二可轉換反相器36設置為反相而使偏移的極性相反。
如果不需要接收機中在低和高端注入之間切換的能力，則可以省去第一和第二可轉換反相器16、36，而用直接連接來代替。此外，專業讀者會容易地認識到，這種固定注入可以通過適當地選擇信號極性而設置成或者高端或者低端。
參考圖4，在第二示例實施例中，信號發生裝置2』具有用於要被發射的輸入信息信號的輸入端3、第一輸出端4和第二輸出端5。除了信號發生裝置2』的內部結構中的差異以外，收發信機的結構與上面針對第一實施例描述的一樣，因此只描述信號發生裝置2』的結構上的差異。
產生同相和正交信號分量cosω0t和sinω0t的方法與圖1所示的上述第一實施例中相同。同相信號分量cosω0t被耦合到第七混頻器43的第一輸入端，而正交信號分量sinω0t被耦合到第八混頻器42的第一輸入端。
由第一頻率發生器4通過移相電路28』提供頻率為載頻的同相和正交分量cosωct和sinωct。同相分量cosωct被耦合到第七混頻器43的第二輸入端，而正交分量sinωct經第三可轉換反相器49被耦合到第八混頻器42的第二輸入端。在加法器45中組合第七和第八混頻器43、42各自的輸出，並且在信號發生裝置2』的第一輸出端4上提供所得的和。所得的和被傳遞通過第二90°移相器48，在信號發生裝置2』的第二輸出端5上提供所得的經過移相的和。
藉助於輸出端4和5，將第二示例實施例的信號發生裝置2』耦合到收發信機的其它部分，與耦合圖1所示的上述第一示例實施例的信號發生裝置2是一樣的。
當收發信機發射時，第七和第八混頻器43和42以及加法器45的組合形成眾所周知的直接上變頻拓撲結構，並在信號發生裝置2』的第一輸出端4上提供由輸入信息信號調製的載頻信號。
當收發信機在接收並且第三可轉換反相器49由控制裝置100設置為非反相時，第七和第八混頻器43和42以及加法器45的組合在信號發生裝置2』的第一輸出端4上提供下變頻信號的同相分量，即[cosωct×cosω0t]+[sinωct×sinω0t]＝cos(ωc-ω0)t並且在第二90°移相器48中相移之後，在信號發生裝置2』的第二輸出端5上提供下變頻信號的正交分量cos(ωc-ω0)t。
以這種方式，能夠實現低端注入的下變頻。同樣，當使用低端注入時，第一可轉換反相器16被設置為反相，從而使多相濾波器13能夠選擇所需的接收信號。
為了實現高端注入，第三可轉換反相器49被設為反相，從而得到分別在信號發生裝置2』的第一和第二輸出端4和5上提供的cos(ωc+ω0)t和sin(ωc+ω0)t，而第一可轉換反相器16被設為非反相。
參考圖5，在第三示例實施例中，信號發生裝置2」具有用於要被發射的輸入信息信號的輸入端3、第一輸出端4和第二輸出端5。除了信號發生裝置2」的內部結構中的差別之外，收發信機的結構與上面針對第一實施例描述的一樣，因此只描述信號發生裝置2」的結構差異。在發射期間，輸入信息信號未用於調製第二頻率發生器41，而是用於調製第一頻率發生器40，例如通過將輸入信息信號注入到載頻合成器26中，從而直接調製載頻信號。在這個實施例中，在發射期間，第二頻率發生器41對載頻信號的調製不起作用，因此控制裝置100可能使第二頻率發生器41停止振蕩，或者(未示出)可能直接向信號發生裝置2的第一和第二輸出端4、5提供由第一頻率發生器40而不是複合混頻器1提供的調製載頻信號的同相和正交分量。
在任何示例實施例中，可以任選地以數控振蕩器(NCO)實現第二頻率發生器41，它產生數字式的同相和正交分量cosω0t和sinω0t，然後這些分量被通過數-模轉換和低通濾波轉換到模擬域。
有技術背景的讀者容易認識到執行在低端與高端注入之間切換時所需的信號反轉所用的備選位置。
如果不需要在低端和高端注入之間切換的能力，則可以省去可轉換反相器16、36、49，而用直接耦合代替。此外，有技術背景的讀者容易認識到這種固定注入可以通過適當地選擇信號極性而被設置為或者高端或者低端。
任選地，第一頻率發生器40可包括在高於標稱載頻的頻率、例如2ωc頻率上工作的振蕩器，而且移相電路28』可包括分頻功能，例如1∶2分頻。這個選擇便於數字實現。
任選地，儘管未示出，但是可以設置這樣的裝置，在收發信機接收時禁用或斷開收發信機的發射機部分，例如以便防止從發射機洩漏到接收機。
任選地，發射機功率放大器7不被耦合到信號發生裝置2的單個輸出端(上述實施例中的輸出端4)，而是被提供了信號發生裝置2的第一和第二輸出端4、5上提供的正交信號之和。
工業適用性無線電收發信機。
權利要求
1.一種適合於在公共頻率上發射和接收的半雙工無線電收發信機，它包括發射機和低IF接收機，還包括信號發生裝置，所述信號發生裝置包括第一和第二頻率發生器，其中所述第一頻率發生器在接收和發射期間產生頻率為標稱載頻的信號，其中所述第二頻率發生器產生偏移信號，該信號在接收期間是低IF頻率的，並且其中在接收期間將所述第一頻率發生器產生的信號與所述偏移信號結合而產生下變頻信號。
2.如權利要求1所述的收發信機，其特徵在於在發射期間，由信息信號對所述第一頻率發生器產生的信號進行直接調製。
3.如權利要求1所述的收發信機，其特徵在於在發射期間，由信息信號對所述偏移信號進行調製，並且由所述調製後的偏移信號對所述第一頻率發生器產生的信號進行調製，從而產生調製後的載波信號。
4.如權利要求3所述的收發信機，其特徵在於所述第二頻率發生器在接收期間被鎖定在頻率基準上，在接收期間對所述鎖定的第二頻率發生器的控制信號進行採樣，並且採樣的控制信號被用於在發射期間控制頻率調製偏移。
5.如權利要求3所述的收發信機，其特徵在於所述第二頻率發生器包括壓控振蕩器。
6.如權利要求3所述的收發信機，其特徵在於所述第二頻率發生器包括數控振蕩器。
7.如權利要求1所述的收發信機，其特徵在於所述第一頻率發生器包括在所述標稱載頻上工作的振蕩器。
8.如權利要求1所述的收發信機，其特徵在於所述第一頻率發生器包括在高於所述標稱載頻的頻率上工作的振蕩器，它被耦合到提供標稱載頻的同相和正交信號分量的分頻單元。
9.如權利要求1到8中任何一個所述的收發信機，其特徵在於所述下變頻信號能夠在高端和低端注入之間進行切換。
10.一種集成電路，它包括如權利要求1到8中任何一個所述的無線電收發信機。
11.一種集成電路，它包括如權利要求9所述的無線電收發信機。
全文摘要
一種能夠在公共無線信道上以半雙工模式發射和接收的無線電收發信機包括直接轉換發射機和低IF接收機。公共信號發生器(2、2』、2」)包括第一和第二頻率發生器(40、41)。第一頻率發生器產生發射機和接收機都使用的載頻信號。在接收期間，第二頻率發生器產生低IF頻率的偏移信號，它與載頻信號混頻而形成下變頻信號。在發射期間，或者在一個實施例中直接對載頻信號應用調製，或者在另一實施例中對偏移信號應用調製，該偏移信號然後與載頻信號混頻而形成調製載頻信號。
文檔編號H04B1/40GK1404659SQ01805354
公開日2003年3月19日 申請日期2001年10月16日 優先權日2000年10月26日
發明者A·D·薩耶斯, P·R·馬沙爾 申請人:皇家菲利浦電子有限公司