CN101395810B - 可降低噪声的射频信号接收和/或发射设备 - Google Patents

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Abstract

射频信号接收和/或发射设备包括用于捕获或发射射频信号的天线、带通滤波器、用于放大被过滤的信号的至少一个低噪声放大器、用于生成第一高频信号的振荡级、用于将所述第一信号的频率除以M(M是大于1的整数)以生成第二高频信号的至少一个分频器、用于将被过滤且被放大的射频信号与所述第一高频信号相混合的至少一个第一混频单元、以及用于将由所述第一混频单元提供的中间信号与所述第二高频信号相混合以生成基带信号的至少一个第二混频单元。所述振荡级被配置成生成第一高频信号，该第一高频信号的频率在所述带通滤波器的频带之外并且比所接收射频信号的频率要高一因子M/N，该因子在1至2之间，其中N是大于1的整数。

Description

可降低噪声的射频信号接收和/或发射设备
技术领域
本发明涉及一种可降低噪音的低功率射频信号接收和/或发射设备。在该设备中执行双重频率转换以降低所接收的射频信号的频率或增加要发射的基带信号的频率。为此，所述设备包括连接到射频信号接收或发射天线的带通滤波器、至少一个用于放大所接收的或所发射的信号的低噪声放大器、以及用于利用由振荡级和分频单元生成的高频信号来执行双重频率转换的第一和第二混频单元。 
背景技术
用于将所接收的射频信号降低成基带频率的双重频率转换通常是必要的。这避免了在射频信号被接收或发射时的单一频率转换的情况下所出现的一些干扰问题。 
美国专利申请No.2005/0017887公开了这种射频信号接收和发射设备，该设备能够执行双重频率转换以将用单个天线接收的射频信号的频率降低至基带频率。执行双重频率转换也用于在基带信号的基础上生成要由同一天线发射的射频信号。 
对于单一频率转换，由振荡级生成且被提供给混频单元的高频信号必须具有与射频信号的频率基本上相同的频率。可能产生具有射频信号频率的谐波频率的干扰信号。由于混频器的隔离是有限的，因此在具有射频信号接收模式的天线的方向中会发生高频信号的反向干扰辐射。与射频信号频率相等的频率的这个反辐射因而没有被输入带通滤波器过滤掉。此外，在发射模式中，以与来自振荡级的高频信号频率相等的频率而生成射频信 号会影响该振荡级。由于来自所发射的射频信号的辐射，振荡级的压控振荡器可能生成频率比期望值还高的高频信号。 
在射频信号接收/发射设备中的频率转换期间观测到噪声问题，其一方面与放大器和混频单元有关，另一方面与频率转换期间的镜像频率有关。这个镜像频率可能会干扰有用数据信号而移除特别在高频至低频转换期间捕获到的射频信号。在混频单元输出处的镜像频率信号增益通常大于有用数据信号增益，这会使得对包含于所捕获射频信号中的信息的处理变得复杂。 
为了特别在所捕获射频信号的频率转换期间减少噪声部分，已经提出了射频信号接收和/或发射设备的几个实施例。对此，可以参考国际专利申请No.03009483，其描述了这种用于使用两个滤波天线来接收和发射其频率可等于2GHz和5GHz的射频信号。在双重频率转换操作期间，实现混频单元之一的指定结构以移除被转换信号的镜像频率。设置压控振荡器以生成其频率在2至5GHz之间的第一高频信号，以使得第一次频率转换之后的中间频率信号接近于1.5GHz。 
在国际专利申请号03/009483中提到的这个解决方案使得用于移除或衰减镜像频率干扰信号的射频信号接收和/或发射设备的结构变得相当复杂。第一高频信号的频率仅被确定在要捕获或发射的两个射频信号的频率之间。这种类型的射频信号接收和发射设备消耗大量的电能。因此，它不适用于由电池或蓄电池供电的小型便携式设备。 
如之前的文件一样，日本专利No.05-244032公开了一种双频带射频信号通信设备。为了接收射频信号，该设备包括第一带通滤波器(810至826MHz)和第二带通滤波器(1501至1513MHz)，它们连接到同一个接收天线以滤掉其频率在第一滤波器的频带内或第二滤波器的频带内的射频信号。第一混频单元使用其频率接近于被第一或第二带通滤波器过滤的信号的频率间的平均值的第一高频信号来对被接收且被过滤的射频信号执行第一频率转换。以这种方式，中间信号的频率接近于344MHz。
日本专利No.05-244032中提出的这个解决方案也使得这种使用几个带通滤波器的通信设备的结构相当复杂。该设备没有提供用于减小与镜像频率有关的噪声的解决方案。与被接收且被过滤的射频信号混合的第一高频信号的频率值被选择成第一混频器输出处的中间信号的频率总是相同的。因此，没有仅仅为减少与镜像频率有关的噪声而提供特定的手段。此外，这种类型的通信设备使用大量的电能，因此不适合于由电池或蓄电池供电的小型便携式设备。 
发明内容
本发明的主要目的因而是提供一种用于容易地减少主要与被转换信号的镜像频率有关的噪声的、设计较为简单的低功率射频信号接收和/或发射设备，以克服上述现有技术缺陷。此外，必须能够将这个构造简单的设备的尽可能多的部件集成为单个集成电路以节约空间。 
本发明因而涉及一种上述的低功率射频信号接收和/或发射设备，其特征在于，振荡级被配置成生成第一高频信号，该第一高频信号的频率在带通滤波器的频带之外并且比所接收的射频信号的频率要高一因子M/N，该因子在1至2之间，其中N和M是大于1的整数并且M大于N并小于2N。 
根据本发明的接收和/或发射设备的一个优点是通过生成其频率比所接收射频信号高一确定因子的第一高频信号而大大减少了由第一混频单元输出处的镜像频率所生成的噪声。这样，减小了对有用信号的干扰从而促进了后续的解调操作。 
优选地，所述第一高频信号的频率比所捕获的射频信号的频率高一因子4/3。在第一频率转换之后，所获得的中间信号的频率因而是所述射频信号的频率值的1/3。这意味着第二频率转换可以通过使用第二高频信号来容易地执行，该第二高频信号的频率是第一信号的频率的1/4。因此，利用简单的结构且在大大减少与镜像频率有关的噪声的情况下、在两个频率转换操作之后获得了基带信号，即载频接近于零。 
有利地，所述接收和/或发射设备的结构是利用缩减数量的部件来实现的，而无需任何特定的屏蔽。多数低功率设备都可以容易地被集成为单个集成电路，例如利用0.25μm CMOS技术。因此，除了带通滤波器和振荡级的石英晶体之外，所有其他部件都被集成到集成电路中。然而，由于在所述第一混频单元前面的所集成的低噪声放大器是镜像频率源之一，生成频率比射频信号频率高的第一高频信号对于所述振荡级而言因而是有利的。 
附图说明
参考附图，通过阅读下面对实施例的描述，所述低功率射频信号接收和/或发射设备的目的、特征和优点将变得更明显，其中： 
-图1示出了根据本发明的射频信号接收和/或发射设备的第一实施例； 
-图2示出了根据由振荡级生成的第一高频信号的频率的、第一混频单元输出处的被放大且被转换的信号的增益和噪声的两个图形，其说明了具有镜像频率的干扰信号的电平； 
-图3示出了根据本发明的用于发射射频信号的设备的一部分的第二实施例；和 
-图4示出了根据本发明的用于发射射频信号的设备的一部分的第三实施例。 
具体实施方式
在下面的描述中，仅以简化的方式来描述本领域技术人员已知的用于接收和/或发射射频信号的低功率设备的各个部件。这个设备可以用于各种不同的应用，例如电信系统中的蜂窝电话，或也用于接收用于导航操作的GPS型信号。 
图1以简化的方式示出了根据本发明的射频信号接收和/或发射设备，其特别示出了对所捕获或所发射的信号所进行的频率转换操作的输入级。 为此，所述设备首先包括用于接收或发射射频RF信号的天线8以及带通滤波器9，低噪声放大器(未示出)可以位于该带通滤波器之前。这个滤波器可以是选择性的SAW(表面声波)型带通滤波器。该带通滤波器直接连接到切换元件10，可以控制该切换元件将所述设备设置成如图1所示的射频RF信号接收模式或射频信号ST发射模式， 
为了接收射频信号RF，所述设备还在切换元件10之后包括用于放大由滤波器9过滤的射频信号的低噪声放大器LNA11以及用于执行第一频率转换操作的第一混频单元12。被过滤且被放大的信号SR在所述第一混频单元中与由振荡级1生成的第一高频信号SVCO相混合。由第一混频单元12生成的中间信号SINR主要是这样的信号：其频率等于被过滤射频信号SR的载频与第一高频信号SVCO的频率之差。 
当然，根据本发明，为了减少与部分上由放大器11造成的第一混频单元12输入处的镜像频率有关的噪声，振荡级1被配置成生成第一高频信号SVCO，其频率被确定为比被过滤且被放大的射频信号SR的载频要高一因子M/N。N和M是整数，其中M大于N但是小于2N以使得因子M/N在1至2之间。M优选地是N的倍数。所述第一高频信号的频率必须也在输入带通滤波器9的频率范围之外。这避免高频信号辐射通过所述带通滤波器和处于接收模式的天线，因为混频单元12具有有限的隔离。 
根据所述设备的优选实施例，振荡级1被配置成生成第一高频信号，其频率基本上等于被过滤且被放大的信号SR的频率的4/3。这样，对于第二频率转换操作，可以借助于设计简单的主从分频器14(例如四倍分频器)、在第一高频信号的基础上生成第二高频同相和正交信号SD。 
图2很好地说明了为降低与第一混频单元输入处的镜像频率有关的噪声的影响而生成其频率大于所接收射频信号的频率的第一高频信号的优点。根据本发明，当所述第一高频信号的频率是射频信号的频率的4/3时，部分上由低噪声放大器造成的第一混频单元输入处的镜像频率的值是射频信号的频率fR的5/3。然而，当第一高频信号的频率按照惯例是射频信号频率的2/3时，第一混频器输出处的镜像频率的值是射频信号的频率fR的 1/3。因此，应当指出，根据本发明，镜像频率信号的增益和噪声电平远小于使用其频率低于所捕获射频信号频率的第一高频信号的传统解决方案的增益和噪声电平。 
在传统的解决方案中，与镜像频率有关的有害噪声大约是4.5dB，而根据本发明，有害噪声仅为1.5dB。因此，与由低噪声放大器放大的有用信号有关的有害噪声减少了3dB。这在低功率设备中是相当可观的，最小化与有用信号有关的噪声对于低功率设备而言是很重要的。不管设备结构如何，在接收射频信号期间即使是0.5dB噪声的减少也是难以达到的。此外，利用缩减数量的部件，根据本发明的低功率设备可以容易地对包含在所捕获射频信号中的数据进行解调。这个低功率设备因而可以适用于小型设备，例如手表或便携式电话。 
还应当指出，针对比射频信号频率高一1至2之间的因子的第一高频信号来选择频率可以防止在频率转换期间生成谐波频率。 
参考图1，所述设备的振荡级1主要包括频率合成器，该频率合成器包括用于生成第一高频信号SVCO的压控振荡器VCO6。这个振荡级1还包括具有石英晶体2的基准振荡单元3、以及用于比较来自振荡器3的基准信号的频率和来自压控振荡器VCO6的信号的频率的相位和频率检测器4，在分频器7中将来自压控振荡器VCO6的信号的频率除以因子n。来自检测器4的控制信号被低通滤波器5过滤以根据被提供给所述检测器4的信号的比较结果来生成压控振荡器6的控制电压。 
来自振荡器3的基准信号的频率可以是8MHz，而所述第一高频信号的频率可以是1.2GHz。相比传统上600MHz的频率而言，这个高频仅在最低程度上增加了所述设备的功耗。所述设备能够根据带通滤波器9所限定的频率范围而捕获载频接近于900MHz的射频信号。 
所述设备还包括用于对中间信号SINR执行第二频率转换操作的第二混频单元13。这个第二混频单元13由两个混频器(未示出)构成，这两个混频器用于分别将同相和正交第二高频信号与中间信号SINR相混合。由第二混频单元13的两个混频器生成的信号是这样的信号：其频率等于中间信 号SINR的频率与第二高频信号SD的频率之差。如本发明的优选实施例那样，该第二高频信号的频率基本上等于中间信号的载频，两个正交QR和同相IR输出信号是载频接近于零的基带信号。 
当然，可以在第二混频单元13的输出处提供受控增益放大器，该放大器后随一模拟/数字转换器以提供采样的和量化的输出信号IR和QR。 
为了发射射频信号，所述设备还可以包括用于执行第一频率转换操作以增加基带信号IT和QT的频率的第三混频单元15。这个第三混频单元15由后随有加法器的两个混频器构成，如图3所示，这两个混频器用于将第二高频同相和正交信号SD分别与基带信号IT和QT相混合。中间传输信号SINT被提供给第三混频单元15的加法器的输出，其频率对应于第二高频信号SD的频率。这些中间信号的频率优选地是待发射的射频信号ST的频率的1/3。 
所述设备还包括用于利用由振荡级1生成的第一高频信号SVCO来增加中间传输信号SINT的频率的第四混频单元16。第四混频单元16提供由功率放大器17放大的射频信号。该被放大的射频信号ST经由切换元件10和带通滤波器9由天线8发射。 
图3示出了用于发射射频信号ST的设备的一部分的第二实施例。这个第二实施例基本上等同于参考图1对处于发射模式中的设备所描述的实施例。 
为了发射射频信号，所述设备包括用于执行第一频率转换操作的第三混频单元15。这个第一操作增加了待发射的数据信号IT和QT的频率，所述数据信号是基带信号，即其具有接近于零的载频。这个第三混频单元15由第一混频器15a、第二混频器15b和用于将来自第一和第二混频器的信号相加的加法器15c构成。 
对于这个第一频率转换操作，必须由第一两倍分频器14a和第二主从两倍分频器14b将第一高频信号SVCO的频率除以4，以提供第二高频同相SI和正交SQ信号。第一混频器15a将同相信号IT与第二高频同相信号SI相混合，而第二混频器15b将正交信号QT与第二高频正交信号SQ相混合。 来自第一和第二混频器15a和15b的信号在加法器15c中被相加以提供其频率等于所述第二高频信号的频率的中间传输信号SINT。 
利用接收中间信号SINT和第一高频信号SVCO的第四混频单元16来执行第二频率转换操作。来自该第四混频单元的有用输出射频信号的载频比根据本发明的第一高频信号的频率要低3/4。低通滤波器18可以容易地过滤掉这个第四混频单元输出处的干扰信号的镜像频率，其值是射频信号频率的5/3。因此，被过滤的信号可以被功率放大器17在没有任何干扰信号的情况下放大，从而提供可由所述设备的天线发射的射频信号ST。在没有低通滤波器的情况下，干扰信号将以与有用信号相同的方式被放大，这会浪费放大器17的能量。 
图4示出了用于发射射频信号ST的设备的一部分的第三实施例。 
为了发射射频信号，所述设备包括用于执行第一频率转换操作的第三混频单元15。这个第一操作增加了待发射的数据信号IT和QT的频率，所述数据信号是基带信号，即其具有接近于零的载频。这个第三混频单元15由第一混频器15a和第二混频器15b构成。 
对于这个第一频率转换操作，如第二实施例中那样，必须将第一高频信号SVCO的频率除以4。为此，由提供第三高频同相SI和正交SQ信号的第一主从两倍分频器14来做这个除法，该第一主从两倍分频器后随有第二主从两倍分频器14b，该第二主从两倍分频器从该第一两倍分频器接收被分频的同相信号。第二两倍分频器14b因而提供第二高频同相SI和正交SQ信号。第一混频器15a将同相信号IT与第二高频同相信号SI相混合以提供第一中间传输同相信号SINT1。第二混频器15b将正交信号QT与第二高频正交信号SQ相混合以提供第二中间传输正交信号SINT2。所述第一和第二中间信号的频率因而等于所述第二高频信号的频率。 
借助于第四混频单元19来执行第二频率转换操作。这个第四混频单元包括第一混频器19a、第二混频器19b和用于将由所述第一和第二混频器提供的信号相加的加法器19c。第一混频器19a将中间同相信号SINT1与第三高频同相信号SI’相混合，而第二混频器19b将中间正交信号SINT2与第 三高频正交信号SQ，相混合。来自所述第四混频单元的信号是最后由功率放大器17放大以使得该被放大的射频信号ST可以由所述设备的天线发射的射频信号。 
应当指出，对于用于发射射频信号的设备的一部分的这个第三实施例，可以执行SSB(单边带调制)型双重转换调制。这个结构省略了在功率放大器之前的针对镜像频率的滤波器，假设在这种情况下在第四混频单元19的输出处没有要过滤的镜像频率。提供其频率必须被第一和第二分频器14a和14b分频以准确地执行两个频率转换的第一高频信号SVCO是有利的。然而，提供用于直接提供第三高频同相和正交信号以在第四混频单元19中混合的振荡器是有困难的。 
根据所给出的描述，本领域技术人员可以在不脱离由权利要求限定的本发明范围的情况下设想用于接收和/或发射射频信号的可降低噪声的低功率设备的多个变型。要捕获的射频信号的中心频率可以被检测以校准用于生成第一高频信号的振荡级。由放大器和两个混频单元构成的这个组件可以用于射频信号的接收和发射二者。

Claims (8)

1.一种射频信号接收和发射设备，包括：
-带通滤波器(9)，用于过滤由所述射频信号接收和发射设备的天线(8)所捕获或发射的射频信号，
-至少一个低噪声放大器(11)，用于放大由所述带通滤波器过滤的射频信号，
-振荡级(1)，用于生成第一高频信号，
-至少一个分频器(14)，用于将所述第一高频信号的频率除以M以生成第二高频信号，其中M是大于1的整数，
-至少一个第一混频单元(12)，用于将被过滤且被放大的所述射频信号与所述第一高频信号相混合以生成中间信号，该中间信号的频率等于所述射频信号的载频与所述第一高频信号的频率之差，
-至少一个第二混频单元(13)，用于将由所述第一混频单元提供的所述中间信号与所述第二高频信号相混合以生成输出信号，该输出信号的频率等于所述中间信号的频率与所述第二高频信号的频率之差，
其特征在于，所述第一高频信号的频率在所述带通滤波器的频带之外并且是被过滤且被放大的射频信号的频率的M/N倍，该因子在1至2之间，其中N是大于1的整数并且M大于N但小于2N从而降低与被转换信号的镜像频率有关的噪声。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一高频信号频率是所述被过滤且被放大的射频信号的频率的M/N倍，其中M等于4，而N等于3，这因而限定了等于4/3的因子，并且所述分频器(14)是4倍分频器。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述分频器(14)是用于生成第二高频同相信号和第二高频正交信号的主从型分频器，并且所述第二混频单元(13)包括两个混频器，这两个混频器中的一个用于将所述中间信号与所述第二高频同相信号相混合以提供同相基带输出信号，并且这两个混频器中的另一个用于将所述中间信号与所述第二高频正交信号相混合以提供正交基带输出信号。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述振荡级(1)包括具有石英晶体(2)的基准振荡单元(3)、用于将来自所述振荡器(3)的基准信号的频率与来自压控振荡器(6)的信号的频率相比较的相位和频率检测器(4)、用于根据被提供给所述检测器(4)的信号的比较结果而生成用于所述压控振荡器(6)的控制电压以使得该压控振荡器生成所述第一高频信号的低通滤波器(5)。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述振荡级被配置成基于对由所述设备的天线(8)所捕获的射频信号的频率的检测而生成第一高频信号。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，包括位于所述带通滤波器(9)与所述低噪声放大器(11)之间的切换单元(10)，该切换单元用于将所述射频信号接收和发射设备设置成经由同一天线(8)的射频接收模式或射频发射模式。
7.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，对于射频信号的发射，该设备包括第三混频单元(15)，该第三混频单元包括两个混频器，这两个混频器中的一个(15a)用于将同相基带信号与所述第二高频同相信号相混合并且这两个混频器中的另一个(15b)用于将正交基带信号与所述第二高频正交信号相混合，以及用于将来自所述两个混频器(15a、15b)的输出信号相加以提供中间传输信号的加法器(15c)，并且该设备包括用于将所述中间传输信号与所述第一高频信号相混合以提供射频信号的第四混频单元(16)，其中所述射频信号由低通滤波器(18)过滤并且由第二功率放大器(17)放大从而经由所述设备的天线被发射。
8.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，对于射频信号的发射，所述设备包括第三混频单元(15)，该第三混频单元包括两个混频器，这两个混频器中的一个(15a)用于将同相基带信号与所述第二高频同相信号相混合以提供中间同相信号并且这两个混频器中的另一个(15b)用于将正交基带信号与所述第二高频正交信号相混合以提供中间正交信号，并且所述分频器包括针对所述第一高频信号的、用于提供第三高频同相和正交信号的第一主从两倍分频器(14a)，以及用于提供所述第二高频同相信号和所述第二高频正交信号的第二主从两倍分频器(14b)，并且所述设备包括第四混频单元(19)，该第四混频单元包括两个附加混频器，这两个附加混频器中的一个(19a)用于将所述中间同相信号与所述第三高频同相信号相混合并且这两个附加混频器中的另一个(19b)用于将所述中间正交信号与所述第三高频正交信号相混合，以及用于将来自所述第四混频单元的两个附加混频器(19a、19b)的输出信号相加以提供未经过低通滤波器而由第二功率放大器(17)放大且经由所述设备的天线被发射的射频信号的加法器(19c)。
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