CN101079628A - 频率合成器以及信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种频率合成器，具有单一锁相环以及多个单边带混频器。频率合成器包括单一锁相环，用于输出参考信号并提供至连续耦接的多个除法器。除法器的输出通过单边带混频器执行混频而产生具有不同频率的信号。通过多个选择器可用于选取这些具有不同频率的信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线通信，特别涉及一种超宽频频率合成器。
背景技术
美国联邦通信委员会(Federal Communication Commission，FCC)将不需要使用许可执照的7.5GHz的频带重新分配给超宽频装置(ultra-widebanddevice，UWB)。超宽频装置是作为新兴IEEE 802.15.3a标准的解决方法。此标准提供具有低复杂度、低成本、低功率消耗以及高数据速率的特征并且以无线形式连结的个人网络(personal-area network，PAN)。由于美国联邦通信委员会将3.1～10.6GHz的频带编列给超宽频应用，因此，有许多可实现高速率短信通信系统的方法被提出。其中一项提议是多频带正交分频多任务(multi-band orthogonal frequency division multiplexing，MB-OFDM)，MB-OFDM可将所配置的频带分为四相位移键控(quadrature phase shiftedkeying，QPSK)OFDM调变次频带，其中每个次频带具有528MHz。为了达到有效且强固地通信，将跳频(frequency hopping)机制应用于介于载波频率频宽之间的跳频。MB-OFDM定义一种独特的编码系统，适用于所有间隔为528MHz的通道。基于上述机制，定义了五个频段群，包括各具有三个频带的四个频段群以及具有两个频带的一频段群。第一频段群(以3432MHz、3960MHz以及4488MHz为中心)适用于设定为第一模式(基本模式)的装置。其它的频段群保留以在未来使用，第二频段群则包括频率5016MHz、5544MHz以及6072MHz。MB-OFDM系统是以OFDM符元的速率为切换频率，并且必须于9.5奈秒内设定好频率。由于传统可调式锁相振荡器需要较长的设定时间(大于250微秒)，因此传统可调式锁相振荡器无法提供这样的快速转换。另外，可通过将锁相环(phase-lock loop，PLL)的输出信号输送至单边带(single sideband，SSB)混频器或选择器或两者的组合而产生载波频率，以形成适用于必要信号信道的产品，其中，锁相环又叫做相位频率检测电路。不论是使用混频器或选择器，其目的皆为在数个奈秒内快速切换频率并且提供需要的信号信道。当然，最好适当的作法还能够将成本与效能最佳化。
因此，有一些用于提供高效能以及低成本的方法被提出，包括：
(a)图1示出了以0.18μm的互补金属氧化物半导体工艺所制造的具有1奈秒频率切换时间、且可用频率为位于3-8GHz之间的七个频带的频率合成器。
此频率合成器产生适用于可用频率分布在3-8GHz之间的七个频带的时钟。如图1所示，此结构可提供定义在IEEE 802.15-03/267r5标准中的频段群A以及频段群C。其具有两个锁相环群102与104、两个选择器106与108以及一个单边带混频器110。锁相环群102产生适用于频段群A与频段群C的参考频率6864MHz与3432MHz，而锁相环频带104产生适用于加法与减法的双倍频率2112MHz以及1056MHz。此设计的特征是可用来提供直流电以及具有相反I/Q序列的正交信号的可编程三模(tri-mode)缓冲器。可编程三模缓冲器设置在单边带混频器110的一个输入端之前，因此所使用的单边带混频器110的数量为可追溯的。
(b)图2示出了以0.13μm的互补金属氧化物半导体工艺所制造的超宽频装置无线收发器。
在图2所示的频率合成器中，通过三个定量(fixed-modulus)锁相环202且不需使用单边带混频器即可产生第一模式中必要的三个本地振荡器(localoscillator，OL)频率。每个锁相环202的中心频率对应至第一频段群3432MHz、3960MHz与4488MHz中的每个通道。由于将单边带混频器移除，因此需要三个锁相环202才足够固定每个信道的频率。
(c)图3示出了适用于超宽频装置无线电的硅锗铋互补金属氧化物半导体工艺(SiGe BiCMOS)的1奈秒快速跳频频率合成器。
如图3所示，此处所提出的多频音(multi-tone)产生器使用两个正交锁相环302与304来提供3960MHz以及528MHz两个固定频率。为了符合第一频段群的需求，锁相环8G 302的输出作为第一频段群的第二频带。通过单边带混频器306将锁相环8G 302的输出与锁相环2G 304的输出528MHz执行加法与减法将会产生第一频带与第三频带。设置在压控振荡器310后的除二电路308用于产生I/Q正交信号。
然而，上面所提出的几个方法皆具有一些缺点。例如：
(a)图1所示的以0.18μm的金属氧化物半导体工艺工艺所制造的具有1奈秒频率切换时间且频率为3-8GHz之间的七个频带的频率合成器：
图1所示的频率合成器使用最少数量的单边带混频器110以及选择器106来证明其可在一奈秒的时间内快速地在不同频率之间切换。使用锁相环群102与锁相环群104的两个锁相环群的想法可用于合成具有至少一个三模缓冲器的通道频带。然而，在锁相环群102与104中，有一大块芯片面积得用于电感电容-压控振荡器。此外，另一个更坏的情况是当每个压控振荡器产生正交信号时，需要双倍的芯片面积给电感使用。
(b)图2所示的以0.13μm的金属氧化物半导体工艺所制造的超宽频装置无线收发器：
即使此电路设计的效能还不错，但必须注意的是它使用了三个串联的锁相环202来集中第一频段群中每个信道的频率。此即表示，未来对于3.1～10.6GHz的MB-OFDM超宽频装置通信频带来说，假如没有使用单边带混频器以及选择器，则必须使用14个锁相环才能涵盖整个频率范围。再者，由于在无线收发器的模拟实验中，敏感度降低了0.2分贝(dB)，因此可选用环形振荡器(一种压控振荡器)作为锁相环的候选者。然而要通过以环形振荡器为基础的频音产生器产生适用于第十四频带通道的10.296GHz高频仍是非常困难的挑战。环形振荡器锁相环202会产生非常不好的相位噪声。此电路设计的另一缺点是因为锁相环202必须随时保持在操作通电状态，因此功率消耗也是一项重要的议题。再者，当锁相环202采用电感电容-压控振荡器结构来达到较高的共振频率时，这样的频率合成器设计需要使用大量的芯片面积。
(c)对图3所示的适用于超宽频装置无线电的硅锗铋互补金属氧化物半导体工艺1奈秒快速跳频频率合成器来说。
此频率合成器使用具有单边带混频的双回路(dual-loop)结构以达到快速跳频的特征。根据此设计，使用一个单边带混频器306以及一个选择器仅可提供第一频段群的三个通道。假使要通过跳频来涵盖更多的频带，则必须修正结构。在压控振荡器310之后设置除二电路的目的是产生正交信号而输出至单边带混频器306。因此，通过使用双倍的压控振荡器310共振频率来避免使用正交压控振荡器的作法将会占用更多的主动芯片面积。虽然使用两个锁相环302与304来建构第一频段群频率合成器的方法还不错，但仍然占用了太多的芯片面积。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种产生超宽频、快速跳频频率的信号合成器与信号产生方法。在一实施例中，该信号合成器包括：信号产生单元，用于产生多个输出信号；第一级信号混频单元，用于接收由信号产生单元所输出的输出信号，并且输出多个第一混频信号；第一级选择单元，用于接收由第一级信号混频单元所输出的多个第一混频信号以及由信号产生单元所输出的多个输出信号，并且输出多个选择信号；第二级信号混频单元，用于接收由信号产生单元所输出的多个输出信号以及由第一级选择单元所输出的多个选择信号，并且输出多个第二混频信号；以及第二级选择单元，用于接收由第二混频信号并且输出多个超宽频信号。
再者，在另一实施例中，本发明提供一种信号产生方法，用于产生多个频率信号，包括：产生参考信号；连续地将参考信号除以一比例达到一既定次数；在每次上述除法过后取得第一输出信号；对每次除法后所取得的多个该第一输出信号执行混频；在每次上述混频后取得一第二输出信号；以及从第上述混频后所取得的多个二输出信号中选取输出频率信号。
在另一实施例中，本发明提供另一种信号产生方法，适用于产生多个频率信号，包括：提供一第一参考信号以及多个第二参考信号，其中每个上述参考信号皆具有一特定频率；将上述多个第二参考信号混频并且输出多个第一混频信号；分别从上述多个第二参考信号与上述多个第一混频信号中选择多个信号以定义多个选择信号；分别将每个上述选择信号与上述第一参考信号执行混频而产生多个第二混频信号；以及输出上述多个第二混频信号作为一输出信号。
附图说明
图1至图3示出了传统不同频率合成器的结构。
图4示出了根据本发明实施例所述的频率合成器的结构。
图5示出了根据本发明实施例所述的频率合成器更详细的结构。
图6示出了根据本发明实施例所述的频率合成器的另一更详细的结构。
附图符号说明
106、108-选择器 110、306-单边带混频器
308-除法电路 402-参考频率
310、504-压控振荡器 404-信号产生单元
400-单一锁相环结构 408、412-选择单元
406、410-单边带混频单元 500-频率合成器
502-相位频率检测器 506、508、510-选择器
530-多相滤波器
102、104、202、302、304-锁相环
512、514、516、518、520-混频器
522、524、526、528、532-除法器
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
实施例：
根据上述缺点，本发明提供一种改善的频率合成器结构，可用于缓和MB-OFDM超宽频装置通信所遇到的问题。图4初步大概地显示此构想。频率合成器主要的问题是需要快速的频率切换。在不使用单边带混频器以及选择器的情况下，使用单一锁相环需要很高的参考频率才能满足需求。对每个可选择的频带以锁相环加以切换使用是非常昂贵的方法，并且此种作法对于所有锁相环之间的电感耦合以及漏电流非常的敏感。
工业批量制造的主要目的是减少电路所使用的主动芯片面积而能降低成本。一般来说，在射频电路设计中，电感会占用大部分的面积。且当需要高共振频率以及低相位噪声时，通常会选择以电感电容-压控振荡器为基础的锁相环。再者，为了占用较少的主动芯片面积，因此不考虑采用通过两个电感电容-压控振荡器所形成的正交压控振荡器(quadrature voltage controlledoscillator，QVCO)，因为正交压控振荡器必需占用较多的芯片面积。为了减少电感的使用于及降低芯片面积，因而提出单一锁相环的结构。其目的是制造占用最少的主动面积并且具有相同效能(相位噪声、转换频带、功率消耗以及切换时间)的MB-OFDM超宽频装置频率合成器电路。
单一锁相环设计的构想是利用多级的除二电路的输出端信号，这些信号具有正交I/Q相位并且可提供至单边带混频器。在产生这些基频信号后，可使用更多的单边带混频器来组成第一频段群与第二频段群所需要的具有不同频率的六个频带。图4示出了根据本发明实施例所述的使用单一锁相环设计的结构400。参考频率402被提供至信号产生单元404(单一锁相环)。信号产生单元404产生子频率信号并且提供至第一级单边带混频器单元406以及第一级选择器单元408。第一级选择器单元408亦接收来自第一级单边带混频器单元406的信号。由信号产生单元404所产生的一些信号会反馈至信号产生单元404，如此一来可适当的调整信号产生单元404的输出信号。第一级选择器单元408选择来自信号产生单元404或第一级单边带混频器单元406的信号，并且将信号输出至第二级单边带混频器单元410与来自信号产生单元404的信号执行混频。第二级单边带混频器单元410输出两组信号至第二级选择器单元412。
图5示出了图4的结构的一种实施方式。图5所示的频率合成器500包括单一相位频率检测器(single phase frequency detector，PFD)502、电感电容-压控振荡器504(用于产生具有频率为4224MHz的信号)、三个选择器506、508与510以及五个混频器512、514、516、518与520。除二的除法器522、524、526与528设置在压控振荡器504之后，用于产生具有频率为2112MHz、1056MHz、528MHz与264MHz的不同的初始信号(seed signal)。这些初始信号(又叫做参考信号)通过第一级单边带混频器单元406中的三个混频器512、514与516混频而产生频率为792MHz、1320MHz与1848MHz的信号以供选择。这些初始信号之一通过反馈电路而提供至另一除二的除法器532，且其输出被反馈至相位频率检测器502。第一级选择器单元408中的两个选择器506与508选择适当的频率而提供至在第二级单边带混频器单元410中的单边带混频器518与520。单边带混频器518与520的其它输入来自多相滤波器(polyphase filter)530，多相滤波器530通过处理电感电容-压控振荡器504的输出信号而产生I/Q信号。最后，两个单边带混频器518与520是用于合成适用于本地振荡器的第一频段群与第二频段群的信道频率。在第二级选择器单元412中的最后一个选择器510可用于决定输出哪一个频带。
图5所示的多相滤波器530通常使用RC-CR的方法实现，并受到I/Q正交信号不一致的限制。图6示出了另一实施例，图中额外的除二除法器电路602是设置在压控振荡器的输出缓冲器604之后，用于产生正交信号并且取代多相滤波器530。再者，此除法器602将使压控振荡器606的共振频率倍增至8448MHz并且使用较少的电感，造成较高的Q值。较小的电感会占用较少的芯片面积并且产生较少的相位噪声。图6示出了经过更进一步修改的图5单一锁相环设计。除了上述改进的部分之外，图6所示的实施例与图5所示的实施例相同，因此此处不再赘述。
本发明可忽略单边带混频器的一些缺点。一般来说，单边带混频器具有一些缺点：(1)提供至单边带混频器的每个子混频器的至少一信号必须具有低谐波失真(harmonic distortion)的特性。(2)每个用于感测低失真正弦曲线的子混频器的连接端口必须提供高线性特质。(3)相位与增益之间相差数十亿兆赫将会导致单边带混频器的输出端产生许多衍生信号(spuriouscomponent)。上述结构需要精确的正交输入以及线性混频器，并且必须注意通过多级混频所累积的目标频率中不好的边带会使输出信号降级。除了增加的单边带混频器以及选择器之外，还必须保持较低的总功率消耗。
根据本发明所述的结构使用较少的主动芯片面积并且将成本最小化。再者，本发明亦降低了电感耦合。利用除频器正交输出信号的优点不仅可缓和由RC-RC多相滤波器所造成的不一致，更可以利用具有较高Q值与较低L值的压控振荡器。此外，本发明所述的合成器可连续切换在六个频带之间，包括第一频段群以及第二频段群，且切换时间符合IEEE 802.15 Task Group 3a所提出的MB-OFDM小于9.5奈秒的规定。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的申请专利范围所界定者为准。
Claims (19)
1.一种用于产生多个频率信号的频率合成器，包括：
一信号产生单元，用于产生多个输出信号；
一第一级信号混频单元，用于接收由上述信号产生单元所输出的上述输出信号，并且输出多个第一混频信号；
一第一级选择单元，用于接收由上述第一级信号混频单元所输出的上述多个第一混频信号以及由上述信号产生单元所输出的上述多个输出信号，并且输出多个选择信号；
一第二级信号混频单元，用于接收由上述信号产生单元所输出的上述多个输出信号以及由上述第一级选择单元所输出的上述多个选择信号，并且输出多个第二混频信号；以及
一第二级选择单元，用于接收由上述多个第二混频信号并且输出多个超宽频信号。
2.权利要求1所述的频率合成器，其中，所述信号产生单元更包括：
一相位频率检测电路；
一压控振荡器，用于与上述相位频率检测电路沟通并且产生一参考信号；以及
一除法单元，用于接收上述参考信号并且输出具有不同频率的上述多个输出信号。
3.权利要求2所述的频率合成器，其中，所述除法单元更包括连续串接的多个除法电路。
4.权利要求1所述的频率合成器，更包括一反馈电路，用于接收由上述信号产生单元所输出的上述多个输出信号的至少其中一个输出信号，并且输出一反馈信号至上述信号产生单元。
5.权利要求2所述的频率合成器，其中，所述第一级信号混频单元更包括多个单边带混频器，每个所述单边带混频器被用于接收由所述除法单元所输出的上述多个输出信号的至少其中一个输出信号。
6.权利要求1所述的频率合成器，其中，所述第一级选择单元更包括一第一选择电路以及一第二选择电路。
7.权利要求6所述的频率合成器，其中，所述第二级信号混频单元更包括：
一第一单边带混频器，用于接收由所述第一选择电路所输出的所述多个选择信号的至少一个选择信号以及由所述信号产生单元所输出的所述多个输出信号的至少一个输出信号；以及
一第二单边带混频器，用于接收由所述第二选择电路所输出的所述多个选择信号的至少一个选择信号以及由所述信号产生单元所输出的所述多个输出信号的至少一个输出信号。
8.权利要求5所述的频率合成器，其中，所述第二级选择单元用于接收由上述第一单边带混频器所输出的多个输出信号以及由上述第二单边带混频器所输出的多个输出信号。
9.一种信号产生方法，适用于产生多个频率信号，包括：
产生一参考信号；
连续地将上述参考信号除以一比例达到一既定次数；
在每次上述除法过后取得一第一输出信号；
对上述每次除法后所取得的多个该第一输出信号执行混频；
在每次上述混频后取得一第二输出信号；以及
从上述混频后所取得的多个第二输出信号中选取一输出频率信号。
10.权利要求9所述的信号产生方法，更包括产生一反馈信号的步骤。
11.权利要求10所述的信号产生方法，其中，产生所述反馈信号更包括将所述第一输出信号除以上述比例的步骤。
12.权利要求9所述的信号产生方法，更包括接收一外部参考信号以产生该参考信号。
13.权利要求9所述的信号产生方法，其中，所述比例是2或2的倍数。
14.一种信号产生方法，适用于产生多个频率信号，包括：
提供一第一参考信号以及多个第二参考信号，其中，每个所述参考信号皆具有一特定频率；
将所述多个第二参考信号混频并且输出多个第一混频信号；
分别从所述多个第二参考信号与上述多个第一混频信号中选择多个信号以定义多个选择信号；
分别将每个所述选择信号与所述第一参考信号执行混频而产生多个第二混频信号；以及
输出上述多个第二混频信号作为一输出信号。
15.权利要求14所述的信号产生方法，其中，所述提供第一参考信号以及所述多个第二参考信号的步骤包括：
提供一锁相环而产生上述第一参考信号；
将所述第一参考信号连续地除以一比例以产生上述多个第二参考信号。
16.权利要求15所述的信号产生方法，其中，上述比例为2或2的倍数。
17.权利要求14所述的信号产生方法，其中，分别从所述多个第二参考信号与所述第一混频信号中选择多个信号的步骤包括操作多个第一选择器以输出上述多个选择信号。
18.权利要求14所述的信号产生方法，其中，输出所述多个第二混频信号的步骤包括操作一第二选择器以输出上述输出信号。
19.权利要求14所述的信号产生方法，其中，输出上述多个第二混频信号的步骤包括操作多个频率混频器，每个混频器接收两个不同的来源并且输出多个第一混频信号之一者。
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