CN101517905B - 集成fm发射器到蜂窝电话中的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括在同一半导体中制造的蜂窝无线电设备和FM发射器。FM发射器包括至少一个混频器、滤波器和天线调谐网络。混频器变换输入信号的中级载频以生成具有FM载频的第二信号。滤波器从第二信号去除谱能量以生成第三信号。天线调谐网络与滤波器分离，并响应第三信号产生第四信号以驱动天线。

Description

集成FM发射器到蜂窝电话中的系统和方法
技术领域
本发明概要地涉及将FM发射器集成到蜂窝电话中，并且更具体地，涉及具有便于将该发射器集成到蜂窝电话中的特性的FM发射器。
背景技术
现代蜂窝电话可具有播放数字音乐文件(例如，MP3文件)的能力。由于蜂窝电话扬声器系统的能力有限，因此，电话可包含低功率调频(FM)发射器以便通过FM信道将数字音乐文件传送到附近的立体声系统。然而，将FM发射器结合到蜂窝电话中可能遇到的难题是FM发射器生成的带外谱能量可侵入电话的接收信道，由此可能削弱电话接收进入信号的能力。
作为一个更具体的示例，对于全球移动通信系统(GSM)标准，由蜂窝电话接收的RF信号可能具有较小的幅度，如大约-108dBm。在GSM接收信道中出现的任何谱能量(如由例如FM发射器生成的带外谱能量)必须小于接收信道的噪声基底，该基底可大约为-117dBm。因此，对FM发射器发射的带外谱能量可设置严格的要求。
因此，一直以来需要集成FM发射器和蜂窝电话的更好方式。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种发射器包括至少一个混频器、滤波器和天线调谐网络。混频器变换输入信号的频率以生成第二信号。滤波器与天线调谐网络分离，并且从第二信号中去除谱能量以生成第三信号。天线调谐网络响应第三信号产生第四信号以驱动天线。
在本发明的另一实施例中，一种系统包括均在同一半导体管芯中制造的蜂窝无线电设备(cellular radio)和FM发射器。FM发射器包 括至少一个混频器、滤波器和天线调谐网络。混频器变换输入信号的中级载频以生成具有FM载频的第二信号。滤波器从第二信号去除谱能量以生成第三信号。天线调谐网络与滤波器分离，并响应第三信号产生第四信号以驱动天线。
在还有的本发明的另一实施例中，一种方法包括变换输入信号的频率以生成第二信号。第二信号通过滤波器传送以便从第二信号去除谱能量以生成第三信号。第三信号传送到与滤波器分离的天线调谐网络以便产生第四信号以驱动天线。
从下面的附图、描述和权利要求中将明白本发明的优点和其它特征。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的无线通信系统的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的图1的FM发射器的信号处理路径的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的FM发射器的滤波器的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的发射器的IF放大器的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的发射器的混频器的示意图。
图6、7和8是根据本发明的不同实施例的信号处理路径的示意图。
图9是根据本发明的一个实施例的图8的信号处理路径的相关控制电路和低通滤波器的示意图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的一个实施例，蜂窝无线电设备24和调频(FM)发射器35是蜂窝电话10的一部分。因此，蜂窝无线电设备24和FM发射器35位于同一电话机壳内。视本发明的特定实施例而定，蜂窝无线电设备24和FM发射器35可制造在不同的半导体管芯上，或者可制造在同一半导体管芯上。此外，视本发明的特定实施例而定， 蜂窝无线电设备24和FM发射器35可以是同一半导体封装或“芯片”的一部分，或者可以是不同半导体封装的一部分。另外，在本发明的一些实施例中，FM发射器35可以是包括FM和AM接收路径(可以被禁用)的半导体封装的一部分。因此，许多变化是可能的并且在所附权利要求的范围之内。
FM发射器35可构建为通过低功率FM链路48将FM信号发射(经其FM天线14)到FM接收器50。在此方面，FM接收器50可从低功率FM链路48接收RF FM信号(经其天线51)，并且通过其扬声器系统54产生音频内容(编码在RF信号中)以响应接收的FM信号。例如，根据本发明的一些实施例，蜂窝电话10可充当MP3播放器，能够下载、存储和播放(经FM接收器50和扬声器系统54)基于MP3的数字音乐文件。
FM发射器35具有将在其它情况下可能由于发射器35的发射而引入蜂窝电话10的接收信道中的失真最小化的特性；并且FM发射器35具有将其管芯面积最小化的设计。如下进一步所述，FM发射器35包括模拟上变频路径36，该路径包括从发射的FM信号显著滤除在其它情况下将落入FM频带外的谱能量的低通滤波器(LPF)76。FM发射器35的天线调谐网络38驱动天线14以响应由LPF76提供的滤波的信号。由于LPF76进行的带外谱能量的滤波，天线调谐网络38的Q因数可保持较低(例如，大约为10的Q因数)，同时仍将FM发射器35引入蜂窝电话10的接收信道中的谱能量最小化。
蜂窝电话10可具有各种不同的设计，图1中作为示例示出了其中一种设计。蜂窝无线电设备24构建成经至少一根天线12与蜂窝网络通信。FM发射器35包括数字信号处理器(DSP)40，该处理器例如可将蜂窝无线电设备24提供的数字信号转换成中频(IF)信号。DSP40将IF信号提供到数模转换器(DAC)60和70，这些转换器将模拟信号提供给将接收的IF信号频率变换成RF信号的模拟上变频路径36。更具体地说，由模拟上变频路径36生成的RF信号通过(FM发射器35 的)天线调谐网络36传送到天线14。
FM发射器35的微控制器单元(MCU)42控制发射器35的整体操作。更具体地说，如下面进一步所述，MCU34可控制FM发射器35的信号增益。
除了它的其它特征，蜂窝电话10还可包括扬声器系统18、麦克风19、袖珍键盘15和显示屏17。
图2示出根据本发明的一些实施例的FM发射器35的信号处理路径58的示范实施例。在本发明的一些实施例中，DAC60和70分别从蜂窝无线电设备24(参见图1)接收同相(表示为“I”)和正交(表示为“Q”)基带信号。DAC60和70分别包括数字输入端子65和63。
模拟变频路径36将IF I和Q信号从IF变换到RF。更具体地说，根据本发明的一些实施例，FM发射器35包括同相信号处理路径81和正交信号处理路径83。同相信号处理路径81包括DAC60和IF跨导体(transconductor)62，IF跨导体62放大DAC60提供的模拟信号并将放大的信号提供到混频器64。类似地，正交信号处理路径83包括DAC70和IF跨导体72，IF跨导体72放大DAC70提供的模拟信号并将放大的信号提供到混频器74。根据本发明的一些实施例，IF跨导体62和72具有相同的设计，这将在下面进一步论述。
根据本发明的一些实施例，混频器64和74具有相同的设计，并且每个是方波混频器，其接收方波混合信号(例如，由分频器66提供)以便将IF频率变换成RF频率。提供到混频器64和74的方波混合信号依照同相/正交混合偏移90°。
由于方波混合，已混合信号的谐波可包含大量的带外谱能量。因此，由加法器68提供的FM信号(组合了混频器64和74提供的已混合信号)可包含大量的带外谱能量。
更具体地说，根据本发明的一些实施例，LPF76接收来自混频器64和74的FM信号，并且产生具有显著减少的FM带外的谱含量的RF信号。RF跨导体78接收来自LPF76的滤波的信号以便产生传送 到电流驱动器100的放大的RF信号。
电流驱动器100形成在FM发射器35的高功率侧(包含天线调谐网络38)和低功率侧(电流驱动器100的上游的信号处理路径58的部分)之间的过渡。如图2所示，在本发明的一些实施例中，电流驱动器100可包括从电流镜形成的跨阻放大器。耦合到电流镜的输出端子121的电阻器120将来自电流镜的输出电流转换成驱动天线调谐网络38的电压。
更具体地说，电流驱动器100可包括耦合到驱动器100的输入节点90的电流吸收器(current sink)104。输入节点90耦合到RF跨导体78的输出端子，并且也耦合到p沟道金属氧化物半导体场效晶体管(PMOSFET)106的漏极端子。PMOSFET106的漏极和栅极端子耦合在一起，并且PMOSFET106的源极端子耦合到电压电源(表示为“VDD”)。另一PMOSFET108其栅极端子连接到PMOSFET106的栅极端子。电流驱动器100的PMOSFET108的源极端子耦合到VDD电源电压，并且PMOSFET108的漏极端子耦合到输出端子121。
如图2所示，根据本发明的一些实施例，天线调谐网络38可从耦合在输出调谐网络38的输出端39与地之间的电感器124和电容器126的并联组合形成。输出端子39耦合到天线14。电阻器120可与电感器124和电容器126并联耦合。
参照图3，根据本发明的一些实施例，LPF76可以是接收和提供差分信号的无源RC梯型滤波器。在此方面，LPF76可从分别布置在LPF765的输入端子69和71与LPF的输出端子81和79之间的低通滤波器布置中的电容器130和电阻器134形成。要注意的是，在本发明的其它实施例中，其它拓扑可用于LPF76，并且根据本发明的实施例，这些其它拓扑可包括有源滤波器。
参照图4，根据本发明的一些实施例，IF跨导体62、72可以是接收跨其输入端子163和177的差分输入信号并在其输出端子151和189提供对应的差分输出信号的跨导放大器。根据本发明的一些实施例， 跨导体62、72可具有普通对称设计，设计包括PMOSFET174，其栅极端子充当输入端子177。PMOSFET174的源极端子耦合到节点175，并且PMOSFET174的漏极端子耦合到节点179。电流源176耦合在VDD电源电压与节点175之间，并且电流吸收器178耦合在节点179与地之间。从电阻器184和电容器186形成的低通滤波器耦合在节点179与n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(NMOSFET)188的栅极端子之间。NMOSFET188将节点179上呈现的电压转换成流入输出端子189的电流。
在其对称设计中，IF跨导体62、72也包括输入PMOSFET160，其栅极端子充当其它输入端子163。PMOSFET160的源极端子耦合到节点161，并且PMOSFET160的漏极端子耦合到节点156。电流源162耦合在VDD电源电压与节点161之间，并且电流吸收器158耦合在节点156与地之间。从电阻器154和电容器152形成的低通滤波器耦合在节点156与NMOSFET150的栅极端子之间。NMOSFET150的源极端子耦合地，并且NMOSFET150的漏极端子经连接以便接收来自其它输出端子151的电流。
为形成偏置，NMOSFET164将其漏极端子耦合在节点161与NMOSFET166的漏极端子之间。类似地，NMOSFET170将其漏极端子耦合到节点175，并且NMOSFET170的源极端子耦合到NMOSFET172的漏极端子。NMOSFET166和172的源极端子耦合地。另外，NMOSFET164和170的栅极端子接收偏置电压(表示为“VBIAS”)，并且NMOSFET166和172的栅极端子分别耦合到节点156和179。
在上述IF跨导体62、72一半之间的反馈由耦合在节点161与175之间的电阻器168提供。根据本发明的一些实施例，IF跨导体62、72的增益可由MCU42(参见图1)通过调节电阻器168的电阻进行调整。因此，电阻器168可从经MCU42控制的开关选择性并联耦合(以形成用于电阻器168的总电阻)的一组电阻器形成。
要注意的是，视本发明的特定实施例而定，许多变化和拓扑可能 用于IF跨导体62、72。因此，图4中示出的实施例只是为了描述IF跨导体62、72的一个可能实现。其它实现是可能的，并且在所附权利要求的范围之内。
参照图5，根据本发明的一些实施例，混频器64、74可以是双平衡吉尔伯特单元(Gilbert cell)。在此方面，混频器64、74可包括从其源极端子耦合到输出端子189(参见图4)的NMOSFET224和NMOSFET226形成的NMOSFET对。NMOSFET226的漏极端子可耦合到节点227，并且NMOSFET224的漏极端子可耦合到节点203。PMOSFET228的源漏极路径可耦合在VDD电源电压与节点227之间，并且PMOSFET202的源极-漏极路径可耦合在VDD电源电压与节点203之间。根据本发明的一些实施例，节点227和203分别向LPF76的输入端子69和71提供输出电流。
NMOSFET224的栅极端子耦合到充当输入端子以接收本地振荡器混合信号的节点222。在此方面，节点222也耦合到是另一对NMOSFET一部分的NMOSFET220的栅极端子。更具体地说，NMOSFET200包括充当用于本地振荡器混合信号的输入端子的栅极端子。NMOSFET200和220的源极端子一起耦合在节点210，节点210向下耦合到输出端子151(参见图4)。NMOSFET220的漏极端子耦合到节点227，并且NMOSFET200的漏极端子耦合到节点203。
要注意的是，混频器64、74的实现是混频器的许多可能实现之一，其它实施例在设想之中并且在所附权利要求的范围之内。
参照图6，根据本发明的一些实施例，图2的信号处理路径58可替换为信号处理路径300。相同的参考标号用于表示信号处理路径58的类似元件，并且带有以下差别。具体而言，信号处理路径300设计为适应由于集成电路工艺拐点(process corner)和/或发射的FM信号的RF频率造成的信号摆幅电荷。如果最小化RF跨导体78的输入端子处的电压信号摆幅范围，则可最小化RF跨导体78的电流消耗(参见图2)和RF跨导体78占用的硅面积。
在图6所示的方案中，为了将在RF跨导体78的输入端子的信号摆幅变化最小化，峰值检测器310提供由RF跨导体78提供的输出信号的信号强度的指示，并且此指示用于调整到RF跨导体78的输入信号的幅度。更具体地说，根据本发明的一些实施例，开关322可闭合以将节点323耦合到峰值检测器310的输入端子。节点323提供某个值，该值指示流到输出调谐网络38的电流，并可由耦合到在节点324与VDD电源电压之间耦合的PMOSFET340的漏极端子的电阻器342供应。PMOSFET340的栅极端子。PMOSFET340的源极-漏极路径可耦合到PMOSFET108和106的栅极端子，使得跨电阻器342的电压指示来自RF跨导体78的输出信号。
峰值检测器310如其名称所暗示的一样，将跨电阻器342的电压与预定或编程的阈值电压进行比较。在超过此阈值时，峰值检测器310在其输出端子311上声明峰值检测信号(称为“PK_DETECT_TRIP”)以便指示峰值条件。MCU42(还是参见图1)检测PK_DETECT_TRIP信号的声明；并且此检测使MCU42采取措施以降低在RF跨导体78的信号的幅度，以便调节作为RF跨导体78的上游的增益。
在此方面，如图6所示，根据本发明的一些实施例，PK_DETECT_TRIP信号的声明使MCU42降低位于DAC60和70上游的数字放大器302和304的增益。因此，通过调整数字放大器302和304的增益，可控制在RF跨导体78的输入端子呈现的信号的幅度。
因此，可使用在图6示出的信号处理路径300以便调整到RF跨导体78的输入信号的幅度。
根据本发明的一些实施例，峰值检测器310可用于除调整到RF跨导体78的输入信号外的其它目的。例如，开关320可在FM频率变化后闭合，以便监视到天线调谐网络38的输入信号以将来自FM发射器的输出功率最大化。
在图6所示的方案中，每个DAC60、70可不再满标度操作。这可影响DAC60、70的每个的信噪比(SNR)多达12dB(作为一个示例)。 另外，在DAC、IF跨导体62和72及混频器64和74中的DC偏移可变得更重要，这是因为任何非零DC偏移可成为信号摆幅的更大部分。此情况可使相当多的频率突刺(frequency spur)出现在RF谱中。
图7示出根据本发明的其它实施例的备选信号处理路径350。FM发射器350具有与信号处理路径300相同的大体设计，相同的标号用于表示类似的组件。信号处理路径300和350具有以下差别。具体而言，MCU42不控制数字放大器以控制RF跨导体78的输入信号摆幅，而是基于峰值检测器310的输出控制IF跨导体62和72的增益。此方案可降低IF路径中的DC偏移。然而，因为IF跨导体的输出电流较小，所以IF跨导体62和72及混频器64和74引入的总DC偏移现在可成为信号摆幅的较大部分，同样导致RF谱中出现相当多的突刺。
因此，根据本发明的一些实施例，可使用图8示出的备选信号处理路径400。信号处理路径400具有与信号处理路径300类似的设计，并使用了相同的参考标号。信号处理路径300和400的不同之处如下。具体而言，信号处理路径400不操控数字放大器(参见图6)或IF放大器(参见图7)中的增益以控制到RF跨导体78的输入信号的幅度，而是控制LPF76的增益。
更具体地说，信号处理路径400控制混频器64和74(参见图2)的下游和在IF到RF频率变换后的信号增益。因此，响应峰值检测器310的PK_DETECT_TRIP信号声明，MCU42降低LPF76的增益以便调节信号摆幅。根据本发明的一些实施例，MCU42调节LPF76的增益，该增益可通过改变滤波器76的特定电阻或电容器而进行调节。
还参照图9，在其中LPF76是无源梯形滤波器的本发明的实施例中，LPF76的第一电容器130a(参见图3)的电容可由MCU42控制以控制LPF76的增益(小于一)。更具体地说，LPF76可包括操作耦合在电容器460与地之间的开关464的二进制转温度计码转换器452。电容器460的其它端子耦合在一起。因此，通过选择性地声明开关464，MCU42可将信息写入转换器452以便选择电容器130a的 值，并因此选择LPF76的增益。根据本发明的一些实施例，电容器460可进行对数加权；并且MCU42可从最小值向上“扫描(sweep)”电容值，直至峰值检测器310启动(trip)以指示用于LPF76的适当增益。
使用LPF76的增益的上述控制的优点是整个信号处理路径400对信号路径中的DC偏移不敏感。
虽然本发明已相对有限数量的实施例进行了描述，但受益于此公开的本领域的技术人员将理解由此产生的多种修改和变化。所附权利要求旨在涵盖属于本发明真正精神和范围的所有此类修改和变化。

Claims (10)

1.一种无线通信系统，包括：
半导体管芯；
蜂窝无线电设备，在所述管芯中形成，用蜂窝网络发射和接收信号；以及
FM发射器，在所述管芯中形成，所述FM发射器整体与所述蜂窝无线电设备分离，所述FM发射器包括：
至少一个混频器，变换输入信号的中级载频，以生成具有FM载频的第二信号；
滤波器，从所述第二信号去除谱能量以生成第三信号；以及
天线调谐网络，响应所述第三信号产生第四信号以驱动天线。
2.如权利要求1所述的系统，其中
所述输入信号包括正交信号和同相信号，
所述至少一个混频器包括：
第一混频器，将所述正交信号的载频变换到射频；以及
第二混频器，将所述同相信号的载频变换到射频。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述滤波器包括无源滤波器。
4.如权利要求1所述的系统，还包括：
控制器，响应所述第四信号的幅度而调整所述滤波器的增益。
5.如权利要求4所述的系统，其中所述控制器适用于调节所述滤波器的电容以调整所述增益。
6.一种用于无线通信系统的方法，包括：
在共用的半导体管芯中形成蜂窝无线电设备和FM发射器，所述FM发射器整体与所述蜂窝无线电设备分离；以及
为所述FM发射器配置以下器件：
至少一个混频器，变换输入信号的中级载频，以生成具有FM载频的第二信号；
滤波器，从所述第二信号去除谱能量以生成第三信号；
天线调谐网络，响应所述第三信号产生第四信号，以驱动天线。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述输入信号包括正交信号和同相信号，
所述至少一个混频器包括：
第一混频器，将所述正交信号的载频变换到射频；以及
第二混频器，将所述同相信号的载频变换到射频。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述滤波器包括无源滤波器。
9.如权利要求7所述的方法，还包括：
为所述FM发射器配置控制器，以响应所述第四信号的幅度调整所述滤波器的增益。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述控制器适用于调节所述滤波器的电容，以调整所述增益。
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