CN102916720A - 一种可重构多频段收发机射频前端 - Google Patents

一种可重构多频段收发机射频前端 Download PDF

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一种可重构多频段收发机射频前端，包括接收机部分、发射机部分以及频率综合器；接收机部分包括依次连接的低噪声放大器、第一级可重构下变频器、第二级正交下变频器以及第一中频电路，第一中频电路接数字基带调制解调器；发射机部分包括第二中频电路、第一级低频上变频器、第二级高频上变频器以及功率放大器，第二中频电路接数字基带调制解调器；频率综合器包括锁相环，锁相环的频率输出接第一级可重构下变频器、正交振荡器和多相滤波器，正交振荡器接第二级正交下变频器和第一级低频上变频器，多相滤波器的输出接第二级高频上变频器，本发明通过可重构的方式把零中频结构和滑动中频结构融合在一起，提高了收发机性能，降低了收发机功耗。

Description

一种可重构多频段收发机射频前端
技术领域
本发明属于微电子学与固体电子学的射频集成电路设计领域，涉及一种新型的可重构多频段收发机射频前端。
背景技术
随着半导体技术的不断进步，无线通信领域不断涌现出新的技术和应用，GSM、WLAN、3G、Bluetooth、Zigbee、WBAN等技术层出不穷。人们越来越希望使用一部便携式无线设备来满足更多的需求，设备的便携性对其体积和质量提出了限制。设备的兼容性和功能多样性要求多频段、多模式的电路尽可能集成在一起，并且功耗尽可能低以减小电池的体积。
收发机射频前端是无线通信系统重要的硬件基础，收发机前端的性能很大程度影响通信的质量。接收机前端的设计往往是收发机系统中的关键。目前，常见的射频接收机结构有超外差式接收机、零中频接收机和低中频接收机三种。
超外差式接收机是目前实际应用最多的一种接收机，原理是将天线接收到的高频信号经过放大、滤波和下变频转换到固定的中频，然后进行中频处理和解调。该接收机存在着镜像信号干扰和相邻信道干扰的问题，为了解决这些问题往往需要片外器件来实现滤波器，不利于提高集成度。零中频接收机的核心是把有用信号直接正交下变频到基带，镜像信号就是有用信号，减轻了镜像抑制的要求，避免了片外元件，有利于提高集成度。零中频结构的中频电路工作频率低，有利于降低功耗，但是也存在直流失调等弊端。低中频接收机的原理是把射频信号与一个只有正频率成分的复本振信号下变频到一个较低的中频，这样镜像抑制可以在较低的频率实现，降低了难度，同时低中频的信号不在基带，避免了直流失调的影响。不过，I、Q通路的失配会恶化低中频接收机的性能。除此之外，滑动中频接收机也得到了许多研究，通过两次变频的方式达到降低功耗的目的。
鉴于人们对功能多样性和兼容性的需求，能以多种模式工作在多种频段的射频收发机就变得十分关键。国际通信联盟无线电通信局定义了ISM频段，开放给工业、科学和医疗三个主要机构使用。ISM覆盖了十几个频段，目前的无线通信中常见的有400MHz、900MHz和2.4GHz等。在多频段射频收发机的设计中，为了适应不同的频段和带宽，不能简单采用前述几种结构，需要对射频前端进行优化设计，尽可能提高集成度和复用程度，提高电路性能，降低功率消耗。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可重构多频段收发机射频前端，通过优化系统结构和电路设计以较低的功耗代价实现了多种功能，可以覆盖400Hz、900MHz和2.4GHz等多个频段。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可重构多频段收发机射频前端，包括接收机部分、发射机部分以及频率综合器；
其中，所述接收机部分包括与天线连接的低噪声放大器，低噪声放大器的输出接第一级可重构下变频器，第一级可重构下变频器的输出送入同相支路I路和正交支路Q路的第二级正交下变频器，第二级正交下变频器输出端分别连接第一中频电路的I、Q支路，第一中频电路的输出端接数字基带调制解调器的输入端；
所述发射机部分包括第二中频电路，第二中频电路的输入端接数字基带调制解调器的输出端，第二中频电路的输出端接第一级低频上变频器，第一级低频上变频器输出端接第二级高频上变频器，第二级高频上变频器输出通过功率放大器，功率放大器接天线；
所述频率综合器包括锁相环，锁相环的频率输出接入第一级可重构下变频器、正交振荡器和多相滤波器，正交振荡器的同相支路I路和正交支路Q路接入第二级正交下变频器，正交振荡器的同相支路I路和正交支路Q路还接入第一级低频上变频器，多相滤波器的输出接入第二级高频上变频器。
所述的功率放大器采用共源共栅结构以获得高增益，主放大管由多个晶体管并联，通过数字控制共源共栅晶体管来实现输出功率的数字控制。
与现有技术相比，本发明的射频收发机不同于简单的零中频收发机和滑动中频收发机，本发明充分考虑到接收机和发射机的不同性能需求，接收机往往关注噪声性能、灵敏度和线性度等指标，而发射机往往关注功耗和EVM等指标。通过可重构的方式把零中频结构和滑动中频结构融合在一起，提高了收发机性能，降低了收发机功耗。
附图说明
图1是本发明的可重构多频段收发机的结构图。
图2是收发机工作在不同频段时的变频方法示意图。
图3是发射机射频部分电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种可重构多频段收发机射频前端，主要包括以下模块：天线11（Antenna）、接收机12（Receiver）、发射机13（Transmitter）、锁相环14（Phase Locked Loop，简称PLL）、数字基带调制解调器15（DigitalBaseband Modem）。接收机包括以下模块：低噪声放大器121（Low NoiseAmplifier，简称LNA）、第一级可重构下变频器122（amp-mix）、第二级正交下变频器123（quad mixer）、第一中频电路124（Intermediate FrequencyCircuits）。发射机包括了以下模块：第二中频电路131（IntermediateFrequency Circuits）、第一级低频上变频器132（Low Band Up Mixer）、第二级高频上变频器133（High Band Up Mixer）和功率放大器134（PowerAmplifier，简称PA）。
其中，天线11的作用是把空间中的射频信号接收下来送入芯片或者把芯片内的射频信号发送到空间中去。
锁相环14的作用是利用参考频率合成所需要的不同的振荡频率，通过多相滤波器（Ploy Phase Filter，简称PPF）就可以得到不同相位的振荡信号。
数字基带调制解调器15的作用是根据接收到的数字信号解调出正确的信息或把要发送的信息进行数字调制。
除了上述几部分，本实施例的收发机还包括接收机12链路和发射机13链路两个主要的部分。其中，接收机12链路有以下几部分：
低噪声放大器121，用于对天线接收到的射频信号进行初步放大。低噪声放大器121除了完成放大功能以外，还要尽可能降低放大器本身引入的噪声。
第一级可重构下变频器122和第二级正交下变频器123共同实现了接收机的可重构性。当接收机工作在2.4GHz频段的时候，第一级可重构下变频器122实现第一次下变频功能，将射频信号搬移到较低的射频频段。第二级正交下变频器123将得到的较低频段的射频信号再一次进行搬移，这样两者共同实现滑动变频结构，最终把射频信号变换到基带。
当接收机工作在900MHz和400MHz时，第一级可重构下变频器122的本振输入端接直流信号，等效为放大器功能，第二级正交下变频器123直接把射频信号下变频到基带，实现零中频结构。
图2给出了收发机工作在不同频段时的变频方式，以接收过程为例进行说明：当接收机工作在2.4GHz时，第一级可重构下变频器122得到射频信号与本振信号的差频，信号被搬移到500MHz附近，之后第二级正交下变频器123得到该信号与本振1/4分频信号的差频，即为基带信号；当接收机工作在900MHz时，第一级可重构下变频器122实现放大功能，第二级正交下变频器123得到射频信号与本振1/2分频信号的差频，实现了直接变频；当接收机工作在400MHz时，第一级可重构下变频器122实现放大功能，第二级正交下变频器123得到射频信号与本振信号1/4分频信号的差频，实现了直接变频。
在满足多频段通信的基础上，这样的收发机结构和变频方式相比于其他的收发机结构有明显的优势：一、充分考虑到接收机和发射机的不同性能需求，对接收机的重构尽量避免在信号链路上使用开关，避免插入损耗。二、由图2可以看出，收发机工作在在2.4GHz、900MHz和400MHz三个频段时，频率综合器调节范围只有25％（1.6G-2.4GHz），降低了频率综合器设计的难度。三、在2.4GHz频段工作时，采用滑动中频结构进行变频，第二级正交变频器工作在500MHz附近，需要提供的I、Q两路本振也在500MHz附近，相比于直接用2.4GHzI、Q本振信号和2.4GHz变频器要节省功耗。
第一中频电路124，用于对基带信号进行放大滤波等处理，并把模拟信号转换为数字信号。
发射机链路有以下几部分：
第二中频电路131，用于把数字调制信号转换为模拟基带信号，并进行放大滤波等处理。
第一级低频上变频器132和第二级高频上变频器133，共同作用实现不同频段的上变频功能。第一级低频上变频器132将基带信号搬移到较低的射频频段，之后第二级高频上变频器133可以将较低频的射频信号搬移到更高的频段。
功率放大器134，用于把射频信号放大到一定的功率要求，通过匹配网络和天线发射出去。
图3给出了发射机射频部分电路的示意，发射机工作在2.4GHz频段时，第一级低频上变频器132和第二级高频上变频器133都按照图2所示的方式进行了两级变频。当发射机工作在900MHz和400MHz时，按照图2所示的方式，只有第一级低频上变频器132工作，可以把信号直接搬移到射频频段。对于第二级高频上变频器133，输入的四相本振信号是本振信号通过电阻电容多相位滤波器得到的。虽然在标准的CMOS工艺里面，电阻和电容的精度有限，但是鉴于发射机对镜像抑制的要求不是很高，该结构可以满足要求。功率放大器采用共源共栅结构，可以获得比较高的增益，主放大管有多个晶体管并联，通过数字控制共源共栅晶体管来实现输出功率的数字控制。

Claims (4)

1.一种可重构多频段收发机射频前端，其特征在于，包括接收机部分、发射机部分以及频率综合器；
其中，所述接收机部分包括与天线连接的低噪声放大器，低噪声放大器的输出接第一级可重构下变频器，第一级可重构下变频器的输出送入同相支路I路和正交支路Q路的第二级正交下变频器，第二级正交下变频器输出端分别连接第一中频电路的I、Q支路，第一中频电路的输出端接数字基带调制解调器的输入端；
所述发射机部分包括第二中频电路，第二中频电路的输入端接数字基带调制解调器的输出端，第二中频电路的输出端接第一级低频上变频器，第一级低频上变频器输出端接第二级高频上变频器，第二级高频上变频器输出通过功率放大器，功率放大器接天线；
所述频率综合器包括锁相环，锁相环的频率输出接入第一级可重构下变频器、正交振荡器和多相滤波器，正交振荡器的同相支路I路和正交支路Q路接入第二级正交下变频器，正交振荡器的同相支路I路和正交支路Q路还接入第一级低频上变频器，多相滤波器的输出接入第二级高频上变频器。
2.根据权利要求1所述可重构多频段收发机射频前端，其特征在于，当工作于400MHz和900MHz频段时，所述第一级可重构下变频器的本振输入端接直流信号，等效为放大器，接收机只用第二级正交下变频器进行下变频，实现直接变频结构。
3.根据权利要求1所述可重构多频段收发机射频前端，其特征在于，当工作于2.4GHz频段时，所述第一级可重构下变频器的本振输入端接接时钟信号，配置成变频器，接收机用第一级可重构下变频器将信号初次变频到500MHz，再用第二级正交变频器将信号变频到基带。
4.根据权利要求1所述可重构多频段收发机射频前端，其特征在于，所述的功率放大器采用共源共栅结构以获得高增益，主放大管由多个晶体管并联，通过数字控制共源共栅晶体管来实现输出功率的数字控制。
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