CN101399544B - 频率合成装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种频率合成装置及方法，用于无线通信，所述频率合成装置包括：锁相环电路，根据参考频率以及单位频率产生第一基础频率；第一除法模块，切分第一基础频率以产生第二基础频率；第二除法模块，多次切分第二基础频率以产生单位频率以及多个中间频率，每一个中间频率具有一个单位频率的2的指数比例；第二混频器，将中间频率中的一个与单位频率混合以产生步进频率；以及第一混频器，将第一基础频率以及第二基础频率中的一个与步进频率混合以产生输出频率，输出频率的多个种类可以覆盖超宽带频谱的所有频带。本发明提供的频率合成装置及其方法，产生了可以覆盖超宽频频谱的所有频带的输出频率，可以提高效率，且不需增加成本。

Description

频率合成装置及方法
技术领域
本发明是关于超宽带(Ultra Wide Band，以下简称为UWB)通信，特别是关于频率合成的装置及方法。
背景技术
IEEE802.15.3a是用于宽带宽以及短距离数据通信的标准。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，以下简称为OFDM)UWB通信系统是以IEEE标准为基础的。UWB被定义为任何占用带宽(bandwidth)大于中心频率的20％的频谱，或带宽至少为500百万赫兹(MHz)的无线电技术。现代UWB系统使用调制技术(例如，OFDM)来占用这些非常宽的带宽，以此使短距离内超过480兆比特每秒(Mbps)的高比特率成为可能。
图1为UWB频谱的示意图。从3.1到10.6十亿赫兹(GHz)的UWB频谱被分为14个宽为528MHz的频带，其中，14个载波频率(carrier frequency)是相应相关的。这些频带被进一步分为5个频带组(如图1的组1至组5所示)，每个频带组具有两个或三个连续的频带。按照惯例，载波频率的产生需要14个独立的振荡源。有多种产生这些载波频率的增强型技术已经被提议，例如，使用较少的振荡源来产生这些载波频率。例如，在一种现有技术中，一个频率合成器使用单一的振荡器以及多个除法器(divider)来产生所有14个UWB频带。这些频带产生于两个阶段。在阶段1，首先产生频带#2，#5，#8，#11以及#14。在阶段2，通过对频带#2，#5，#8，#11以及#14进行频率转移(frequency translation)来产生剩余的频带。在此架构中，仅需要一个振荡源，然而，由于频带#1，#3，#4，#6，#7，#9，#10，#12以及#13的产生需要额外的用于执行频率转移的电路，其中，需要配置单边带(singleside band，以下简称为SSB)混频器(mixer)的多个级，因此两个阶段的过程被认为是效率较低的。其中的一个缺点是谐波失真(harmonic distortion)，因为I/Q的不匹配增加，所以谐波失真会沿着SSB混频器的多个级恶化。因此，这种先前技术中的两阶段的实施方式会花费较高的成本，而效率会降低。因此，需要一种增强的方法。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种频率合成装置及其方法。
本发明提供了一种频率合成装置，用于无线通信，包括：锁相环电路，根据参考频率以及单位频率产生第一基础频率；第一除法模块，耦接于所述锁相环电路，切分所述第一基础频率以产生一第二基础频率；第二除法模块，耦接于所述第一除法模块，多次切分所述第二基础频率以产生所述单位频率以及多个中间频率，所述多个中间频率中的每一个具有一个单位频率的2的指数比例；第二混频器，耦接于所述第二除法模块，将所述多个中间频率中的一个与所述单位频率混合以产生步进频率；以及第一混频器，耦接于所述第二混频器以及所述第一除法模块，将所述第一基础频率以及所述第二基础频率中的一个与所述步进频率混合以产生输出频率，所述输出频率的多个种类可以覆盖超宽带频谱的所有频带。
本发明提供了一种频率合成方法，用于无线通信，包括：根据参考频率以及单位频率产生第一基础频率；切分所述第一基础频率以产生第二基础频率；多次切分所述第二基础频率以产生所述单位频率以及多个中间频率，所述多个中间频率中的每一个具有一个单位频率的2的指数比例；选择所述多个中间频率中的一个与所述单位频率混合以产生步进频率；以及选择所述第一基础频率以及所述第二基础频率中的一个与所述步进频率混合以产生输出频率，所述输出频率的多个种类可以覆盖超宽带频谱的所有频带。
本发明提供的频率合成装置及其方法，产生了可以覆盖超宽带频谱的所有频带的输出频率，可以提高效率，且不需增加成本。
附图说明
图1为UWB频谱的示意图。
图2为本发明一实施例的两个基础频率以及多个步进频率的组合示意图。
图3a为本发明一实施例的合成器的示意图。
图3b为本发明另一实施例的合成器的示意图。
图4为一频率表，用于表示图3a以及图3b的合成器执行的频率选择。
图5为本发明一实施例的频率合成方法的流程图。
具体实施方式
图2为本发明一实施例的两个基础频率(elemental frequency)以及多个步进频率(step frequency)的组合示意图。因为UW频谱包括连续的频带，其中每一频带具有528MHz的带宽，通常，变化值可以使用以下公式：
fout＝(fn±fs)或(fm±fs)其中fs∈{k，3k，5k，7k}     (1)
其中，fn以及fm为特别选出的基础频率，于以下实施例中，fn为第一基础频率，fm为第二基础频率，其作为频率组合的基础。且fs为具有k，3k，5k以及7k变化值的步进频率，其中，k为单位频率(unity frequency)。通过仔细选择单位频率，第一基础频率fn与第二基础频率fm以及步进频率fs的组合产生了完全不同的充分的UWB频带。
事实上，公式(1)可以作如下重写以表示UWB频谱中的所有频带：
fout＝(4224±264x)或(8448±264x)其中x∈{1，3，5，7}    (2)
图3a为本发明一实施例的合成器的示意图，用以实施公式(2)。锁相环(phase-lock loop，以下简称PLL)电路302形成了包括第一除法模块340以及第二除法模块330的回路，比较参考频率fref以及由第二除法模块330回馈的单位频率fk以产生第一基础频率fn。在本实施例中，特别选择8448MHz作为第一基础频率fn，其为单位频率fk的32倍。第一除法模块340包括第一除法器304以及第一复用器345。第一除法器304将第一基础频率fn切分(例如，除以2)以产生第二基础频率fm，第二基础频率fm为4224MHz。第一复用器345耦接于第一除法器304的输入端以及输出端，选择第一基础频率fn以及第二基础频率fm中的一个作为输出，并输入至第一混频器320用于与步进频率混合。在第二除法模块330中，四个除法器332，334，336以及338为串联级联(cascaded in series)，顺序地将第二基础频率fm多次切分(例如，除以2)以最终输出264MHz的单位频率fk。除法器332，334以及336分别相应地输出中间(intermediate)频率，也就是，除法器332输出为单位频率fk的8倍的中间频率f8k，除法器334输出为单位频率fk的4倍的中间频率f4k，除法器336输出为单位频率fk的2倍的中间频率f2k。第二复用器335耦接于除法器332、334及336的输出，用以从多个中间频率中选择出其中的一个，以输出至第二混频器310中与单位频率fk混合。换句话说，第一除法模块340提供第一基础频率fn以及第二基础频率fm，其中，fn为8448MHz，fm为4224MHz，且第二除法模块330与第二混频器310合作以提供一已调整的步进频率fs，步进频率fs包括单位频率fk的1倍、3倍、5倍及7倍的多种频率。第一除法模块340的输出与步进频率fs在第一混频器320中被混合，因此，可以有效地得到公式(2)所定义的输出频率fout。在一实施例的结构中，第一基础频率fn被选择为单位频率fk的32倍，所以第二基础频率fm为单位频率fk的16倍，因此，所提供的输出频率fout的种类可以覆盖UWB频谱的所有14个频带。通过选择参考频率fref以及用于产生第一基础频率fn以及第二基础频率fm的PLL电路比率，输出频率fout的种类可以不仅是14个频带，而可以扩展到任何所需的组合。
因为步进频率fs产生于通过多个除法器以及多个复用器的多个信号，因此，需要缓冲电路306来防止谐波失真。缓冲电路306耦接于第二混频器310的输出，在步进频率fs输出至第一混频器320前，调整步进频率fs的增益的不平衡以及相位的不匹配。为了进一步提供四相移键控(Quadrature Phase-ShiftKeying，QPSK)调制，可能会提供具有正交相位的输出频率fout，因此，第二混频器310以及第一混频器320被特别配置为SSB混频器。
在一变化实施例中，公式(1)可以作如下变更以表示UWB频谱中的所有频带：
fout＝(8448±528x)/2或(16896±528x)/2其中x∈{1，3，5，7}     (3)
图3b为本发明另一实施例的合成器的示意图，其为实施公式(3)的实施例。在图3b中，第一基础频率fn的比例是由发送到PLL电路302的参考频率fref所决定的，在本实施例中，参考频率fref为528MHz。第一基础频率fn被选择为16896MHz，因此，第二基础频率fm为第一基础频率fn的一半，即8448MHz。通过第二除法模块330连续的相除，产生了等于参考频率fref的单位频率fk以应用于第二混频器310。步进频率fs具有多种528x MHz，其中，x为1，3，5或7，以及第一混频器320混合第一除法模块340的输出与步进频率fs以获得8448MHz增加或减少528x MHz以及16896MHz增加或减少528xMHz的多个频率值。第二除法器308耦接于第一混频器320的输出，将第一混频器320的混合结果除以2以产生如公式(3)所述的输出频率fout。与图3a的实施例相似，通过第二除法器308提供具有正交相位的输出频率fout，且第二混频器310以及第一混频器320被特别配置为SSB混频器。
图4为一频率表，用于表示图3a以及图3b的合成器执行的频率选择。多种输出频率覆盖了UWB频谱的所有频带，即：3432MHz，3960MHz，4488MHz，5016MHz，5544MHz，6072MHz，6600MHz，7128MHz，7656MHz，8184MHz，8712MHz，9240MHz，9768MHz，以及10296MHz。本领域一般技术人员知道混频器可以根据需要来执行频率的增加或减少，所以在此不再描述详细的操作。如图4所示，例如，当需要频带#1时，第一复用器345选择第二基础频率fm作为第一混频器320的输入。接着，第二复用器335选择2倍频率f2k作为第二混频器310的输入，因此，通过将2倍频率f2k与单位频率fk组合，第二混频器310产生3倍频率f3k。接着，第一混频器320将第二基础频率fm与3倍频率f3k混合以产生输出频率(fm-f3k)，输出频率(fm-f3k)为3432MHz。其它频带可以通过类似方法获得。需要注意的是，当所需的步进频率fs等于单位频率fk时，除法器338的输出可以直接被缓冲电路306以及第一混频器320使用，而不再需要第二复用器335以及第二混频器310。可以看出基础频率以及步进频率的组合并不限于仅产生14个频带。通过改变参数(例如，第一基础频率fn，第二基础频率fm，以及单位频率fk)，此建议的结构可以灵活适用于更广的应用。
图5为本发明一实施例的频率合成方法的流程图。在图5中，频率合成方法将简短的描述为以下步骤。在步骤501中，根据参考频率fref以及单位频率fk产生第一基础频率fn，且通过将第一基础频率fn除以2产生第二基础频率fm。在步骤503中，进一步将第二基础频率fm进行多次切分以产生单位频率fk以及多个中间频率，每一个中间频率具有一个单位频率fk的2的指数比例。在步骤505中，选择中间频率中的一个与单位频率fk混合以产生步进频率fs。在步骤507中，选择第一基础频率fn以及第二基础频率fm中的一个与步进频率fs混合以产生输出频率fout。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应与权利要求所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种频率合成装置，其特征在于，所述频率合成装置用于无线通信，包括：
锁相环电路，根据参考频率以及单位频率产生第一基础频率；
第一除法模块，耦接于所述锁相环电路，切分所述第一基础频率以产生第二基础频率；
第二除法模块，耦接于所述第一除法模块，多次切分所述第二基础频率以产生所述单位频率以及多个中间频率，所述多个中间频率中的每一个具有一个单位频率的2的指数比例；
第二混频器，耦接于所述第二除法模块，将所述多个中间频率中的一个与所述单位频率混合以产生步进频率；以及
第一混频器，耦接于所述第二混频器以及所述第一除法模块，将所述第一基础频率以及所述第二基础频率中的一个与所述步进频率混合以产生输出频率，所述输出频率的多个种类可以覆盖超宽带频谱的所有频带。
2.根据权利要求1所述的频率合成装置，其特征在于，所述第一除法模块包括：
第一除法器，耦接于所述锁相环电路，将所述第一基础频率除以2以产生所述第二基础频率；以及
第一复用器，耦接于所述第一除法器的输入端以及输出端，选择所述第一基础频率以及所述第二基础频率中的一个作为所述第一混频器的输入，用以与所述步进频率混合。
3.根据权利要求1所述的频率合成装置，其特征在于，所述第二除法模块包括：
多个串联级联的除法器，顺序地将所述第二基础频率除以2以最终输出所述单位频率，其中，所述多个除法器中的每一个相应地输出所述多个中间频率中的一个；以及
第二复用器，耦接于所述多个除法器，选择所述多个中间频率中的一个以作为所述第二混频器的输入，用以与所述单位频率混合。
4.根据权利要求1所述的频率合成装置，其特征在于，所述频率合成装置进一步包括缓冲电路，耦接于所述第二混频器的输出，在输出所述步进频率至所述第一混频器前，调整所述步进频率的增益及相位。
5.根据权利要求1所述的频率合成装置，其特征在于：
所述第一基础频率为所述单位频率的32倍；以及
所述第二基础频率为所述单位频率的16倍。
6.根据权利要求5所述的频率合成装置，其特征在于，所述多个中间频率包括所述单位频率的2倍频率，所述单位频率的4倍频率，以及所述单位频率的8倍频率。
7.根据权利要求6所述的频率合成装置，其特征在于：
所述第二除法模块中的第二复用器选择所述单位频率的2倍频率，所述单位频率的4倍频率，以及所述单位频率的8倍频率中的一个输出至所述第二混频器；以及
所述第二混频器将所述第二复用器的输出与所述单位频率混合以产生所述步进频率，所述步进频率包括所述单位频率的1倍，3倍，5倍以及7倍的多种频率。
8.根据权利要求7所述的频率合成装置，其特征在于：
所述第一除法模块中的第一复用器，选择所述第一基础频率以及所述第二基础频率中的一个输出到所述第一混频器；以及
所述第一混频器，混合所述第一复用器的输出与所述步进频率，以产生所述输出频率，所述输出频率的多个种类包括：所述第一基础频率增加或减少所述单位频率的1倍，3倍，5倍以及7倍的频率，以及所述第二基础频率增加或减少所述单位频率的1倍，3倍，5倍以及7倍的频率。
9.根据权利要求8所述的频率合成装置，其特征在于：
所述参考频率选择所述第一基础频率为8448MHz，从而：
所述第二基础频率为4224MHz；
所述单位频率为264MHz；以及
所述输出频率的所述多个种类可以覆盖所述超宽带频谱的3432MHz、3960MHz、4488MHz、5016MHz、5544MHz、6072MHz、6600MHz、7128MHz、7656MHz、8184MHz、8712MHz、9240MHz、9768MHz及10296MHz频带。
10.根据权利要求8所述的频率合成装置，其特征在于，所述频率合成装置进一步包括第二除法器，耦接于所述第一混频器，切分所述输出频率以产生一切分频率，其中：
所述参考频率选择所述第一基础频率为16896MHz，从而：
所述第二基础频率为8448MHz；
所述单位频率为528MHz；以及
所述切分频率的多个种类可以覆盖所述超宽带频谱的3432MHz、3960MHz、4488MHz、5016MHz、5544MHz、6072MHz、6600MHz、7128MHz、7656MHz、8184MHz、8712MHz、9240MHz、9768MHz及10296MHz频带。
11.一种频率合成方法，其特征在于，所述频率合成方法用于无线通信，所述频率合成方法包括：
根据参考频率以及单位频率产生第一基础频率；
将所述第一基础频率切分以产生第二基础频率；
多次切分所述第二基础频率以产生所述单位频率以及多个中间频率，所述多个中间频率中的每一个具有一个单位频率的2的指数比例；
选择所述多个中间频率中的一个与所述单位频率混合以产生步进频率；以及
选择所述第一基础频率以及所述第二基础频率中的一个与所述步进频率混合以产生输出频率，所述输出频率的多个种类可以覆盖超宽带频谱的所有频带。
12.根据权利要求11所述的频率合成方法，其特征在于，所述频率合成方法进一步包括，调整所述步进频率的增益以及相位。
13.根据权利要求11所述的频率合成方法，其特征在于：
所述第一基础频率为所述单位频率的32倍；以及
所述第二基础频率为所述单位频率的16倍。
14.根据权利要求13所述的频率合成方法，其特征在于，所述多个中间频率包括所述单位频率的2倍频率，所述单位频率的4倍频率，以及所述单位频率的8倍频率。
15.根据权利要求14所述的频率合成方法，其特征在于，所述步进频率包括所述单位频率的1倍，3倍，5倍以及7倍的多种频率。
16.根据权利要求15所述的频率合成方法，其特征在于，所述输出频率包括：所述第一基础频率增加或减少所述单位频率的1倍，3倍，5倍以及7倍的频率，以及所述第二基础频率增加或减少所述单位频率的1倍，3倍，5倍以及7倍的频率。
17.根据权利要求16所述的频率合成方法，其特征在于，所述参考频率选择所述第一基础频率为8448MHz，从而：
所述第二基础频率为4224MHz；
所述单位频率为264MHz；以及
所述输出频率的所述多个种类可以覆盖所述超宽带频谱的3432MHz、3960MHz、4488MHz、5016MHz、5544MHz、6072MHz、6600MHz、7128MHz、7656MHz、8184MHz、8712MHz、9240MHz、9768MHz及10296MHz频带。
18.根据权利要求17所述的频率合成方法，其特征在于：
所述参考频率选择所述第一基础频率为16896MHz，从而所述第二基础频率为8448MHz以及所述单位频率为528MHz；以及
所述频率合成方法进一步包括：切分所述输出频率以产生切分频率，以及所述切分频率的多个种类可以覆盖所述超宽带频谱的3432MHz、3960MHz、4488MHz、5016MHz、5544MHz、6072MHz、6600MHz、7128MHz、7656MHz、8184MHz、8712MHz、9240MHz、9768MHz及10296MHz频带。
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