CN101268622A - 直接变频发射器中频率合成的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于直接变频发射的方法和装置产生与发射频率信号非谐波相关的第一频率信号，分割第一频率信号以得到混频信号，分割第一频率信号以得到中频参考信号，通过使用混频信号将发射频率信号下变频为中频反馈信号来产生发射频率信号，以及将中频反馈信号锁相为中频参考信号。发射频率信号可经过相位调制，并且可用作可配置用于对应幅度调制的饱和模式功率放大器的输入。备选地，未调制发射频率信号用作正交调制器的载波信号输入，正交调制器对它施加I/Q调制，由此产生用于输入到线性功率放大器的调制载波信号。

Description

直接变频发射器中频率合成的方法和装置
技术领域
一般来说，本发明涉及无线通信，并且具体来说，涉及发射频率信号生成。
背景技术
在“直接变频”发射器中，发射器调制和上变频一般在同一电路中发生，这意味着，发射的载频信号与本地振荡器(LO)频率相同。虽然这种方法在电路简化和减少的组件数方面提供了经济优势，但它提出了某些设计挑战。
例如，为了抑制边带相位噪声以获得良好的相邻信道功率(ACP)抑制性能，直接变频合成器的环路带宽一般应当保持为比较窄。但是，这类频率合成环路中使用的较低功率、高调谐灵敏度压控振荡器(VCO)有频率牵引的倾向，在其中它们受到较高功率发射信号调制的干扰。
增大频率合成器的环路带宽改进了它对牵引的抵制，但减小了它抑制边带相位噪声的能力。因此，改进牵引抵制和ACP噪声性能表示在单环路直接变频体系结构中难以解决的竞争设计挑战。通过使用两个变频步骤对要发射的基带信息信号进行上变频，“两步”发射器体系结构可用来解决牵引抵制与ACP性能之间的上述冲突，使得功率放大器输出频谱相对远离VCO工作频率。
但是，作为一般建议，第二上变频步骤产生必须使用较昂贵的高Q滤波器有效抑制的不希望的边带和寄生频率。由于这类滤波器难以在高密度电路中在芯片上集成，因此两步变频过程通常需要使用芯片外滤波器，从而增大了电路费用和尺寸。
此外，已知的是使用平移(translational)环路体系结构来减轻VCO注入牵引问题，其中主锁相环作为平移环路中混频器的主要LO频率进行操作，并将辅助LO频率施加到平移环路的相位检测器，以便实现与变换信号的比较。但是，附加VCO和锁相环电路(例如相位检测器、可编程分频器、环路滤波器)一般是产生第二LO频率以获得必要的偏移(中间)频率所需的，它增加了设计的成本和尺寸。
发明内容
根据本文示教的发射频率合成的一个实施例，发射器电路包括：第一锁相环(PLL)，配置成产生与发射频率信号非谐波相关的第一频率信号；第一分频器，配置成分割第一频率信号，以便产生用于将发射频率信号下变频为中频反馈信号的混频信号；第二分频器，配置成通过分割第一频率信号来产生中频参考信号；以及第二PLL，配置成通过将中频反馈信号锁相为中频参考信号来产生发射频率信号。这种发射频率生成体系结构提供了许多经济和性能优势。
例如，将第二PLL用作平移PLL允许主VCO(在第一PLL中)与发射频率非谐波相关，这意味着，主VCO没有受到发射频率上产生的高功率输出信号的牵引。由于第一PLL没有牵引的倾向，因此它的环路带宽相对于预期发射频率信道间隔可设置成很窄，使得它呈现极低的相位噪声和典型的相邻信道功率(ACP)抑制。相反，第二PLL的环路带宽相对于第一PLL的环路带宽可设置成很宽，使得第二PLL呈现对VCO牵引效应极好的抵制。另外，第一和第二分频器的使用允许灵活选择预期混频，以便产生中频反馈信号，并且提供方便而经济地获得适当的中频参考信号的能力。
更具体来说，使用第一和第二分频器允许关联的发射器电路存储与实现任何数量的预期发射频带和发射频率信道的频率方案对应的一个或多个除数值或者一对或多对除数值。通过选择第一和第二分频器中至少一个的除数值，以及通过对可能配置为主信道合成器的第一PLL进行编程，发射频率可方便地设置为预期值，而无需附加LO电路(包括VCO、相位检测器和环路滤波器)。
牢记上述灵活性和经济性，本文示教的发射器的一个实施例提供一种正交(I/Q)调制器，它由上述第二PLL输出的发射频率信号激励。I/Q调制器通过响应I/Q调制信号而调制发射频率信号来产生调制载波信号，线性功率放大器配置成通过放大调制载波信号来产生(RF)输出信号。这种配置提供了用于例如宽带CDMA(W-CDMA)、GSM、EDGE、WLAN、蓝牙等无线通信应用的高性能和经济的发射器体系结构。
在其它实施例中，发射电路可配置用于极化调制(有时称作“包络消除和恢复”)。在这类实施例中，相位调制器配置成通过以下方式对发射频率信号施加预期相位调制：通过将相位调制器插入混频信号通道(在第一分频器之前或之后)，或者通过将相位调制器插入中频参考信号通道(在第二分频器之前或之后)，来响应相位调制信号，对第一频率信号进行相位调制。在这个上下文中，饱和模式功率放大器可配置成通过对饱和模式功率放大器的电源信号进行幅度调制，来对输出信号施加预期幅度调制。
当然，本发明不限于上述特征和优点。通过阅读以下详细论述并参见附图，本领域的技术人员会了解其它特征和优点。
附图说明
图1是配置成使用第一锁相环(PLL)、第一和第二分频器以及第二PLL来产生预期发射频率信号的发射电路的框图。
图2是与正交调制器和线性功率放大器结合表示的图1的发射电路的一个实施例。
图3是与饱和模式功率放大器和对应的相位及幅度调制器结合表示的图1的发射电路的极化调制实施例的框图。
图4是与调制模式控制器和双模式放大器电路结合表示的图1的发射电路的双模式(线性模式或饱和模式)实施例的框图。
图5-8是包括图1所示发射电路的第一和第二分频器的示范除数值的频率分配表，其中具有基于多个不同发射频带和预期发射频率信道的值。
图9是例如便携通信手机等无线通信装置的框图，其中装置包括存储器和其它存储电路，用于保存与不同发射频率对应的除数值，使得装置的发射频率是按照预期发射频带和发射频率信道可选择的。
具体实施方式
图1说明包括第一锁相环(PLL)12、第一和第二分频器14和16以及第二PLL 18的发射电路10的一个实施例。在所述实施例中，第二PLL 18配置为平移PLL，并且包括混频器20、可选滤波器22、相位检测器24、环路滤波器26和压控振荡器(VCO)28。
第一PLL 12配置为主信道合成器，并产生与第二PLL 18输出的发射频率信号非谐波相关的第一频率信号。更具体来说，第一PLL 12从参考频率信号(fREF)得出第一频率信号。第一分频器14按照除数值“M”分割第一频率信号，从而产生预期混频信号。第二分频器16按照第二除数值“N”分割第一频率信号，从而产生中频参考信号。
第二PLL 18又在其混频器20中使用混频信号将发射频率信号下变频为中频反馈信号。可选滤波器22可用于对中频反馈信号进行滤波，该信号被提供给相位检测器24。相位检测器24根据对中频反馈信号(或者那个信号的滤波形式)与第二分频器16输出的中频参考信号进行相位比较来产生误差信号。环路滤波器26根据对误差信号进行滤波来产生输出控制信号，并且那个控制信号用作VCO 28的频率控制调节输入。因此，根据将中频反馈信号锁相为中频参考信号，而在闭环控制下产生发射频率信号。
通过适当地选择除数值M和N，第一PLL 12可配置成作为发射频率信号的非谐波产生第一频率信号，意味着第一PLL 12在发射频率上没有牵引效应的倾向。由于第一PLL 12没有这类牵引效应的倾向，所以它的环路带宽可能变窄，从而改进它的相位噪声性能。具体来说，第一PLL 12的环路带宽相对于预期发射频率信道间隔可能变窄，使得第一频率信号有效地抑制边带噪声，这改进发射电路10的ACP抑制。
此外，可与第一PLL 12无关地“调整”第二PLL 18，从而改进其性能。例如，可使第二PLL 18的环路带宽相对于第一PLL 12的环路带宽变宽。更具体来说，可使第二PLL 18的环路带宽足够宽，以便抵制发射频率上的频率牵引效应。对于与GSM和EDGE通信标准关联的发射频率，1.5MHz的第二PLL 18的环路带宽提供良好的牵引抵制。
避免在第二PLL 18的反馈控制环路中使用任何分频器电路还增强了其性能。也就是说，第二PLL 18经由混频器20中的频率变换、而不是通过向下分割发射频率信号，来获得中频反馈信号。反馈环路中的频率变换而不是频率分割的这种使用消除了由VCO 28输出的发射频率信号中相位噪声的主要来源。
实际上，所示体系结构中的发射频率信号的相位噪声主要是第一PLL 12中的相位噪声的函数，通过在这种体系结构中使用较窄的环路带宽使它变得相当低。使用第一分频器44和第二分频器16根据其相对于第一PLL 12而减少混频信号和中频参考信号中相位噪声的倾向，产生发射频率信号的相位噪声方面的进一步减少。
图2通过添加正交调制器30来扩展图1的发射器电路10，其中正交调制器30配置成通过响应I/Q调制信号而调制发射频率信号来产生调制载波信号。可变增益激励放大器31可用于提供线性功率放大器32的动态范围控制，使得两个放大器配置成通过放大调制载波信号来产生输出信号(RF_OUT)。这样一种配置在理论上支持需要线性放大或者受益于线性放大器操作的各种数字调制格式。W-CDMA发射是线性放大应用的非限制性实例。
相反，图3说明配置用于极化调制的发射电路10的一个实施例，它有时称作包络消除和恢复调制。在极化调制中，(RF)输出信号包括相位和幅度两种调制，但通过不同的电路通道来施加这类调制。更详细地查看相位和幅度调制电路通道时看到，第一PLL 12的所述实施例从晶体振荡器电路40接收参考频率信号。另外还看到，第一PLL 12配置为包括相位检测器42、环路滤波器44、VCO 46以及配置成分数N分频器的反馈分频器电路48的PLL。
相位放大器50响应相位调制信号(φINFO)而对发射频率信号施加预期相位调制。相位调制器50可设置在混频信号通道中(在第一分频器14之前或之后)，或者相位调制器50可设置在中频参考信号通道中(在第二分频器16之前或之后)。图解说明了设置在中频通道中第二分频器16之后的相位调制器50。在任一种情况中，第二PLL 18的VCO 28产生的发射频率信号包括对应的相位调制。因此，VCO 28输出的发射频率信号用作饱和模式功率放大器(PA)52的恒定包络相位调制信号的输入，饱和模式功率放大器(PA)52配置成通过放大那个相位调制发射频率信号来产生RF输出信号。
所示电路还包括幅度调制器54，它配置成通过对PA 52的电源信号进行幅度调制，而对来自PA 52的输出信号施加预期幅度调制。这类调制可包括电源电压调制、电源电流调制或者电源电压和电流调制的组合。
无论如何可看到，可相对于第二PLL 18的环路频率带宽单独地调整第一PLL 12的环路频率带宽。如上所述，可能希望对第一PLL 12施加较窄带宽，使得从其中输出的第一频率信号具有低相位噪声。可通过将第二PLL 18的环路滤波器26配置成具有较宽带宽，从而通过与VCO 28相同频率的调制输出信号抵制VCO牵引效应，来获得附加的性能改进。
在其它实施例中，发射电路10可与功率放大器电路组对，其中功率放大器电路可适合于包括极化调制在内的线性以及饱和模式调制，使得电路10可适合于大量调制格式。备选地，可通过以下方式获得相同的灵活性：配置发射电路10，使得它对其输出发射频率信号有选择地进行相位调制，其中输出发射频率信号对于某些调制格式有选择地被导向饱和模式放大器，而对于其它调制格式有选择地被导向线性模式放大器。
例如，图4说明双模式实施例，其中发射电路10响应调制控制电路56而进行操作，调制控制电路56控制发射电路10是否向双模式放大器电路58提供调制载波信号作为饱和模式放大的恒定包络信号或者作为线性模式放大的可变包络(即幅度调制信号)。因此，双模式放大器电路58一般包括可操作在线性放大模式和饱和放大模式的放大器电路。来自调制控制电路56的偏置/模式控制信号可用来选择双模式放大器电路58的操作模式，或者可使用模式选择的其它方式。
通过上述配置，基带控制器(未示出)为调制控制电路56提供发射信息(例如数据位)和/或为它提供发射调制波形。根据模式选择输入信号的状态或者其它模式指示器，调制控制电路56又为发射电路10提供双模式放大器电路58的饱和模式操作的相位调制信息，并为发射电路10提供双模式放大器电路58的线性模式操作的相位和幅度调制信息。当然，本领域的技术人员会认识到，这些电路和控制配置表示非限制性实例，且其它方法可用于使发射频率电路10适应大量应用。
进一步增强发射电路的适应性，第一和第二分频器14和16使系统设计人员能够实现一种或多种频率分配，它们允许根据作为可由发射频带选择和发射频率信道选择所定义的预期发射频率的函数，改变第一和第二分频器14和16以及第一PLL 12中使用的分频器48所使用的任一除数值，来使用“活动中频”。也就是说，第一PLL 12与第二PLL 18之间分频器的使用允许方便地选择支持不同预期发射频率的不同中频。例如，图5说明对应于850MHz发射频带中三个不同发射信道频率的除数值。图6-8类似地说明900MHz(E-GSM)、1800MHz(DCS)和1900MHz(PCS)发射频带的发射频率分配。
通过图5-8中所示的可调除数值，或者通过对于具体设计实现所需的所计算的其它除数值，发射电路10可适合于大量通信标准和工作频带，从而使它成为打算按照若干通信标准中任一个进行操作的无线通信装置中使用的理想候选。这样一种装置如图9所示。
更具体来说，图9说明例如便携无线电话、无线寻呼机、PDA、计算机等无线通信装置60，它包括天线62、开关/双工器64、接收器66、发射器68(包括前面所述的发射电路10的实施例)、基带/系统控制器70、一个或多个输入/输出电路72以及用户接口74。通过与选择第一PLL 12中使用的分频器48结合来选择第一和第二分频器14和16的一对或多对除数值，无线通信装置60可有选择地配置成按照给定发射频率分配以及按照预期发射频率信道选择进行操作。
支持这种选择，无线通信装置60可包括用于保存包含除数值的数据表的存储电路76或其它存储装置。附加或备选，发射器68可包括存储电路78或其它存储装置或者与其关联，其中存储电路78或其它存储装置包括用于配置第一分频器14的除数值和/或第二分频器16的除数值和/或第一PLL 12中使用的分频器48的除数值的适当数据表。
本领域的技术人员会认识到，改变除数值的能力允许无线通信装置60适应用于移动电话的许多常见频带，包括用于GSM和EDGE的频带(850MHz频带、E-GSM频带、DCS频带和PCS频带)以及用于W-CDMA的3GPP FDD频带I至VI。例如由于支持相位以及幅度调制的能力，本文示教的方法和装置可适用于许多调制格式和通信标准，例如GSM、GPRS、EGPRS、W-CDMA、CDMA-2000等。
当然，发射电路10不限于图9所示的实现体系结构，本文示教的发射信号生成的更广义方法也不限于本文具体描述和说明的任一实施例。实际上，本领域的技术人员会认识到，本发明不受本公开或者附图的限制。而是，本发明仅由以下权利要求书的范围及其合法等效物限制。

Claims (21)

1.一种发射器电路，包括：
第一锁相环，配置成产生与发射频率信号非谐波相关的第一频率信号；
第一分频器，配置成分割第一频率信号，以便产生用于将所述发射频率信号下变频为中频反馈信号的混频信号；
第二分频器，配置成通过分割第一频率信号来产生中频参考信号；以及
第二锁相环，配置成通过将所述中频反馈信号锁相为所述中频参考信号，来产生所述发射频率信号。
2.如权利要求1所述的发射器电路，还包括：正交调制器，配置成通过响应I/Q调制信号而调制所述发射频率信号来产生调制载波信号；以及功率放大器，配置成通过放大所述调制载波信号来产生输出信号。
3.如权利要求2所述的发射器电路，其中所述功率放大器配置成提供所述调制载波信号的线性放大。
4.如权利要求2所述的发射器电路，其中所述正交调制器配置成通过对所述发射频率信号施加预期相位调制来产生所述调制载波信号，并且其中所述功率放大器包括配置成通过放大所述调制载波信号来产生所述输出信号的饱和模式放大器电路。
5.如权利要求4所述的发射器电路，还包括：幅度调制器，配置成通过对所述饱和模式放大器电路的电源信号进行幅度调制，来对所述输出信号施加预期幅度调制。
6.如权利要求1所述的发射器电路，还包括：相位调制器，配置成通过响应相位调制信号而对第一频率信号、所述中频反馈信号或者所述中频参考信号其中之一进行相位调制，来对所述发射频率信号施加预期相位调制；以及饱和模式功率放大器，配置成通过放大所述发射频率信号来产生输出信号。
7.如权利要求6所述的发射器电路，还包括：幅度调制器，配置成通过对所述饱和模式功率放大器的电源信号进行幅度调制，来对所述输出信号施加预期幅度调制。
8.如权利要求1所述的发射器电路，其中第一锁相环配置成相对于发射频率信道间隔具有窄环路带宽，并且第二锁相环配置成相对于第一锁相环具有宽环路带宽。
9.如权利要求1所述的发射器电路，其中第二锁相环包括：混频器，配置成通过混合所述发射频率信号和所述混频信号来产生所述中频反馈信号；相位检测器，配置成响应对所述中频参考信号和所述中频反馈信号或者所述中频反馈信号的滤波形式进行相位比较而产生误差信号；环路滤波器，配置成响应所述误差信号而产生控制信号；以及压控振荡器(VCO)，配置成响应所述控制信号而产生所述发射频率信号。
10.如权利要求1所述的发射器电路，其中第一和第二分频器中的至少一个包括可调分频器，允许支持不同的预期发射频率而选择不同的中频。
11.如权利要求1所述的发射器电路，还包括：存储电路，它包含在所述发射器中或者与其相关联，并存储包含第一和第二分频器的一对或多对除数值的数据表，所述一对或多对除数值对应于一个或多个预期发射频带中的一个或多个预期发射频率。
12.如权利要求1所述的发射器电路，其中所述发射器电路配置成以第一模式对所述发射频率信号施加预期相位调制，并以第二模式对所述发射频率信号施加预期相位和幅度调制，并且还包括：双模式放大器电路，配置成通过以第一模式提供所述发射频率信号的饱和模式放大，并通过以第二模式提供所述发射频率信号的线性模式放大，来产生输出信号。
13.一种直接变频发射的方法，包括：
产生与发射频率信号非谐波相关的第一频率信号；
分割第一频率信号以得到混频信号；
分割第一频率信号以得到中频参考信号；以及
通过使用所述混频信号将所述发射频率信号下变频为中频反馈信号，并将所述中频反馈信号锁相为所述中频参考信号，来产生所述发射频率信号。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：通过响应I/Q调制信号而调制所述发射频率信号来产生调制载波信号；以及通过线性放大所述调制载波信号来产生输出信号。
15.如权利要求13所述的方法，还通过响应相位调制信号而对第一频率信号、所述中频反馈信号或者所述中频参考信号其中之一进行相位调制来对所述发射频率信号施加预期相位调制，以及通过使用饱和模式功率放大器放大所述发射频率信号来产生输出信号。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：通过对所述饱和模式功率放大器的电源信号进行幅度调制，来对所述输出信号施加预期幅度调制。
17.如权利要求13所述的方法，其中使用主信道合成器来产生第一频率信号，并且还包括将所述主信道合成器配置成相对于发射频率信道间隔具有窄环路带宽。
18.如权利要求17所述的方法，其中使用平移锁相环来产生所述发射频率，并且还包括将所述平移锁相环配置成相对于所述主信道合成器具有宽环路带宽。
19.如权利要求13所述的方法，还包括：根据需要改变用于产生所述混频信号和所述中频参考信号中至少一个所使用的一个或多个除数值，以便支持不同的预期发射频率。
20.如权利要求19所述的方法，还包括：根据发射频率的改变，选择一个或多个所存储的除数值。
21.一种包括发射器电路的无线通信装置，所述发射器电路包括：
第一锁相环，配置成产生与发射频率信号非谐波相关的第一频率信号；
第一分频器，配置成分割第一频率信号，以便产生用于将所述发射频率信号下变频为中频反馈信号的混频信号；
第二分频器，配置成通过分割第一频率信号来产生中频参考信号；以及
第二锁相环，配置成通过将所述中频反馈信号锁相为所述中频参考信号，来产生所述发射频率信号。
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