CN103001757B - 基于单频率合成器的频分双工收发器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于单一频率合成器的FDD收发器。单一频率合成器生成并提供载波频率，从而能够在传送和接收时执行上变频和下变频。因此，可减小整个系统的范围、功耗和设计复杂度，并可改进系统的性能。

Description

基于单频率合成器的频分双工收发器
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C119(a)要求分别于2011年9月14号和2012年5月16号向韩国知识产权局提交的申请号为10-2011-0092692和10-2012-0052200的韩国申请的优先权，上述申请案的整体内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及基于单频率合成器的频分双工(FDD)收发器，并更具体地，涉及能够在传送和接收时使用单频率合成器实现上变频和下变频的基于单频率合成器的FDD收发器。
背景技术
图1示出了普通无线通信收发器的构造，图2示出了基于普通模拟电路的直接转换结构发射器的构造，图3示出了普通数字IF结构发射器的构造，图4示出了基于普通模拟电路的直接转换结构接收器的构造，以及图5示出了普通数字IF结构接收器的构造。
在无线通信收发器结构中，例如如图1所示，当执行传送时，数字前端111执行数字信号处理。发射器112将数字前端111的数字输出转换为模拟输出，对模拟基带信号进行滤波，执行上变频至射频(RF)频带，并然后执行功率放大。下一步，双工器114发送结果信号至天线115。
发射器112可包括直接转换结构和数字中频(IF)结构。
直接转换结构执行上变频至RF频带以便立即输出。
如图2所示，在基于模拟电路的直接转换结构发射器中，数模转换器(DACs)211和212首先将数字基带同相(I)信号和数字基带正交(Q)信号转换成为相应模拟基带信号。此时，低通滤波器213和214去除所生成的镜像(image)。
混频器216和217将模拟基带信号与频率合成器215所生成的相应RF载波频率混合，并对I信号和Q信号执行上变频。经转换的I信号和经转换的Q信号相加。相加后的信号经过带通滤波器218之后由功率放大器(PA)219进行功率放大，并然后传送。
相反，如图3所示，数字IF结构发射器执行从基带信号至低IF频带信号的上变频，并然后再次执行从低IF频带信号至RF频带信号的上变频。
更具体地，混频器311和312在数字区域执行从数字基带I信号和数字基带Q信号至IF频带信号的上变频。IF频带信号相加。DAC314将相加后的信号转换为模拟信号。这时，低通滤波器315去除所生成的镜像。
这里，可以通过数字控制振荡器(NCO)313来获得IF。
混频器317将模拟信号与由频率合成器316产生的RF载波混合，并执行从混合信号到RF频带信号的上变频。RF频带信号经过带通滤波器318之后由PA319进行功率放大，并然后传送。
与直接转换结构相比，数字IF结构没有例如本地振荡器(LO)的泄露或者DC偏移等问题。
其间，在无线通信收发器结构中，例如如图1所示，当执行接收时，通过天线115和双工器114接收RF频带信号。接收器113对RF频带信号执行低噪信号放大，执行从放大信号至基带信号的下变频，对基带信号执行模拟信号处理和模数转换，并输入结果信号至数字前端111。
象发射器112一样，接收器113也具有直接转换结构和数字IF结构。
如图4所示，在基于普通模拟电路的直接转换结构接收器中，立刻执行从RF频带信号至基带信号的下变频。
低噪放大器(LNA)411放大经由双工器114从天线115接收的RF频带信号，在该状态下低噪声残留。混频器412和413将放大的RF频带信号与由频率合成器416生成的载波混合，并执行从混合信号至基带信号的下变频。
低通滤波器414和415去除可能与基带信号混叠(alias)的频率信号。ADC417和418将相应模拟信号转换为数字基带I信号和数字基带Q信号。
相反，如图5所示，数字IF结构接收器执行至低IF频带信号的下变频，并然后再次执行从低IF频带信号至基带信号的下变频。
更具体地，LNA511对接收信号执行低噪放大。混频器512和513将放大信号和由频率合成器516生成的载波混合，并执行从混合信号至初级IF频带信号的下变频。低通滤波器514和515从初级IF频带信号去除混叠镜像。ADC517和518将模拟IF频带信号转换至数字IF频带信号。数字混频器519将数字IF频带信号混合，并再次执行从混合IF频带信号至基带信号的下变频。这里，可以通过NCO520获得IF。
如上所述，无线通信收发器需要两个或多个PLL(锁相环)频率合成器。在FDD的频分双工模式中，分开设置发射器频带和接收器频带，并且收发器同时执行传送和接收。因此，在发射器和接收器中分别使用频率合成器，从而独立地改变传送频率和接收频率。
也就是说，直接变换结构的发射器和接收器中的每一个需要一个频率合成器，并且数字IF结构需要用于从IF频带信号至RF频带信号的上变频的频率合成器、以及用于从RF频带信号至IF频带信号的下变频的频率合成器。
而且，除了直接转换结构或者数字IF结构之外，还广泛使用超外差(superheterodyne)结构。超外差结构需要在发射器和接收器中的每一个中的两个频率合成器。
如上所述，在FDD系统中，因为同时执行传送和接收，并且发射器和接收器不能像在时分双工(TDD)系统中那样共享频率合成器，所以收发器需要两个或多个频率合成器。因此，FDD系统存在的问题在于，增加了整个系统的范围、功耗和设计复杂度。
相关现有技术包括名称为低IF收发器结构(Low-IFTransceiverArchitecture)的美国专利申请公开号2009/0075601(2009年3月19日)。
发明内容
本发明的实施例涉及基于单一频率合成器的FDD收发器，该FDD收发器在传送和接收时使用单一频率合成器实现上变频和下变频。
在一个实施例中，基于单一频率合成器的FDD收发器包括：传送信号处理器，被配置为执行从基带信号至IF频带信号的上变频，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，生成IF用于从传送频率和接收频率至IF频带信号的上变频，并补偿传送频率和接收频率的IF；发射器，被配置为将由发送信号处理器上变频的数字IF频带信号转换为模拟信号，从模拟信号中去除噪声，执行从模拟信号到RF频带信号的上变频，放大RF频带信号，并输出放大RF频带信号；双工器，被配置为通过天线发送从发射器输出的RF频带信号；接收器，被配置为对经由双工器从天线接收的RF频带信号执行低噪声信号放大，并对放大RF频带信号执行下变频和模拟信号处理；和频率合成器，被配置为生成载波频率用于发射器中的上变频和接收器中的下变频。
在本发明中，传送信号处理器包括数字滤波器，被配置为取样基带信号，并从所述基带信号去除取样镜像；IF上变频器，被配置为执行从由数字滤波器滤波的信号到IF频带的上变频；以及IF生成和补偿单元，被配置为接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，生成IF频带信号的上变频所必需的1F，并对IF进行补偿。
在本发明中，该数字滤波器对基带信号进行上取样。
在本发明的IF生成和补偿单元中，基于传送频率和接收频率之间的差异来执行对IF的补偿。
由本发明的频率合成器产生的载波频率是接收频率。
在本发明中，接收器具有直接转换结构或者数字IF结构。
在另一个实施例中，基于单一频率合成器的FDD收发器包括：发射器，被配置为对模拟基带信号进行滤波，执行从模拟基带信号至RF频带信号的上变频，并放大RF频带信号的传送功率；双工器，被配置为通过天线发送由发射器放大的RF频带信号；接收器，被配置为对经由双工器从天线接收的RF频带信号执行低噪声信号放大，执行从RF频带信号至中频(IF)频带信号的下变频，并将IF频带信号转换为数字IF频带信号；接收信号处理器，被配置为执行从接收器的数字IF频带信号至基带信号的下变频，取样基带信号，输出取样的基带信号，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，生成IF用于从传送频率和接收频率至基带信号的下变频，以及补偿传送频率和接收频率的IF；以及频率合成器，被配置为生成载波频率用于发射器中的上变频和接收器中的下变频。
在本发明中，发射器具有直接转换结构或数字IF结构。
在本发明中，接收信号处理器包括IF下变频器，被配置为执行从数字IF频带信号至基带信号的下变频；IF生成和补偿单元，被配置为生成从IF频带信号到基带信号的下变频所必需的IF，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，并补偿传送频率和接收频率的IF；以及数字滤波器，被配置为取样由IF下变频器转换的基带信号并输出取样信号。
在本发明的IF生成和补偿单元中，基于传送频率和接收频率之间的差异来执行IF的补偿。
从本发明的频率合成器生成的载波频率为传送频率。
附图说明
通过结合附图进行的以下详细描述，上述和其它方面、特征和其它优点将会被更清楚地理解，其中：
图1示出了普通无线通信收发器的构造；
图2示出了基于普通模拟电路的直接转换结构发射器的构造；
图3示出了普通数字IF结构发射器的构造；
图4示出了基于普通模拟电路的直接转换结构接收器的构造；
图5示出了普通数字IF结构接收器的构造；
图6示出了根据本发明一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器的构造；
图7示出了表明根据本发明一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器中的上变频的构造；以及
图8示出了根据本发明另一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器的构造。
具体实施方式
下文中，将参考附图来描述根据本发明的基于单一频率合成器的FDD收发器的实施例。但是，这些实施例只是为了说明的目的，并不意欲限制本发明的范围。
图6示出了根据本发明一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器的构造，图7示出了表明根据本发明一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器中的上变频的构造。
如图6所示，根据本发明一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器包括传送信号处理器610、发射器620、双工器630、接收器650、以及频率合成器660。
传送信号处理器610包括：数字滤波器611，被配置为取样基带信号并从该基带信号去除取样镜像；IF上变频器612，被配置为执行从数字滤波器611的滤波信号至IF频带信号的上变频；以及IF生成和补偿单元613，被配置为生成上变频至IF频带信号所必需的IF，并补偿传送频率和接收频率的IF。
因此，传送信号处理器610执行从基带信号至IF频带信号的上变频，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，为上变频至IF频带信号生成IF，并补偿传送频率和接收频率的IF。
这里，当通过上取样基带信号而将基带信号上变频至IF时，数字滤波器611使得数字电路的时钟频率能够以IF的两倍或更快运行。在这种情况下，能够防止当数字电路的时钟频率没有以IF的两倍或更快运行时出现的、依照尼奎斯特(Nyquist)理论的镜像交叠问题。此外，当执行上取样时，数字滤波器611用于去除在与取样频率的倍数对应的位置处发生的取样镜像。
IF上变频器612使用镜像抑制混频器来去除镜像。IF生成和补偿单元613基于传送频率和接收频率之间的差异来补偿IF。
当试图改变频率合成器660的载波频率并且试图固定发射器620的输出频率时，IF生成和补偿单元613补偿频率。
例如，当直接转换结构接收器650的接收频率为2.15GHz以及直接转换结构发射器620的输出频率为1.95GHz时，从频率合成器660生成的载波频率为2.15GHz，发射器620的IF为2.15GHz-1.95GHz＝200MHz。
这200MHz对应于接收器650中的下变频必需的载波频率和发射器620的输出频率之间的差异。
当接收器650的接收频率为2.12GHz并且发射器620的输出频率试图固定为1.95GHz时，从频率合成器660生成的载波频率改变为2.12GHz，并且发射器620的IF被补偿2.12GHz-1.95GHz＝170MHz。
当接收器650的接收频率为2.15GHz并且发射器620的输出频率改变为1.97时，发射器620的IF被补偿2.15GHz-1.97GHz＝180MHz，并且从频率合成器660生成的载波频率固定。
上述方法也可应用到其中在接收器650中使用数字IF结构的情形。在这种情况下，从频率合成器660生成的频率被用作当生成的频率从RF频带下变频至IF频带时、以及当生成的频率从IF频带上变频至RF频带时所必需的载波频率。当改变传送频率和接收频率时，根据情况来补偿传送频率和接收频率的IF。
发射器620将由传送信号处理器610上变频的数字IF频带信号转换为模拟信号，从该模拟信号去除噪声，执行从模拟信号至RF频带信号的上变频，并放大和输出结果信号。
为此，发射器620包括DAC621，被配置为将经受IF上变频器612的上变频的数字IF频带信号转换为模拟信号；模拟前端单元522，被配置为从DAC621输出的模拟信号中去除镜像，并控制信号的数量；RF上变频器623，被配置为执行从模拟前端单元622的IF频带信号至RF频带信号的上变频；带通滤波器624，被配置为从RF上变频器623上变频的RF频带信号去除频谱上的毛刺(spur)和噪声；以及PA625，被配置为放大经过带通滤波器624的信号的传送功率。
模拟前端单元622通过低通滤波器去除当转换模拟信号时生成的镜像。
而且，当执行上变频时，RF上变频器623使用镜像抑制混频器来去除镜像。
如图7所示，执行从基带至IF频带的上变频，以及执行从IF频带至RF频带的上变频。
图7中使用的频率转换方法对应于以数字方式实现从基带至IF频带的上变频、以及以模拟方式实现从IF频带至RF频带的上变频的数字IF方法。
这里，从基带至IF频带的上变频使用镜像抑制混频器。
图7所示的图可以通过以下等式表达。
RFout＝IcosωLOcosωIF-QcosωLOsinωIF+IsinωLOsinωIF+QsinωLOcosωIF＝I(cosωLOcosωIF+sinωLOsinωIF)+Q(sinωLOcosωIF-cosωLOsinωIF)＝Icos(ωLO-ωIF)+Qsin(ωLO-ωIF)
因此，最终输出频率变为期望的ωLO-ωIF。
双工器630通过天线640发送由发射器620的PA625放大的RF频带信号。
接收器650可具有直接转换结构或者数字IF结构。接收器650对经由双工器630从天线640接收的RF频带信号执行低噪信号放大，并对RF频带信号执行下变频和模拟信号处理。
频率合成器660由发射器620和接收器650共享。频率合成器660生成用于RF上变频器623中的上变频以及用于接收器650中的下变频的载波频率。
由频率合成器660产生的载波频率为接收频率。
图8示出了根据本发明另一个实施例的基于单一频率合成器的FDD收发器的构造。
如图8所示，基于单一频率合成器的FDD收发器包括发射器810、双工器820、接收器840、接收信号处理器850，和频率合成器860。
发射器810可具有直接转换结构或者数字IF结构。发射器810对模拟基带信号进行滤波，执行从模拟基带信号至RF频带的上变频，并执行RF频带信号的传送功率。
双工器820通过天线830发送由发射器810放大的信号。
接收器840对经由双工器820从天线830接收的RF频带信号执行低噪信号放大，并执行从IF频带信号至数字信号的下变频。
为此，接收器840包括：LNA841，被配置为在维持低噪声的状态下放大经由双工器820从天线830接收的RF频带信号；RF下变频器842，被配置为执行将经受LNA841的低噪声放大的RF频带信号下变频至IF频带信号；模拟前端单元843，被配置为从RF下变频器842下变频的IF频带信号中去除混叠镜像；和ADC844，被配置为将模拟前端单元843的信号转换为数字信号。
接收信号处理器850包括：IF下变频器851，被配置为执行从数字IF频带信号至基带信号的下变频；IF生成和补偿单元852，被配置为生成当执行从IF频带信号至基带信号的下变频时所必需的IF，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，并补偿传送频率和接收频率的IF；以及数字滤波器853，被配置为取样由IF下变频器851转换的基带信号，并输出结果信号。
如上所述，执行由接收器840输出的数字IF频带信号至基带信号的下变频。取样基带信号并输出，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息。生成用于从传送频率和接收频率至基带信号的下变频的IF，并补偿传送频率和接收频率的IF。
频率合成器860生成用于在发射器810中的上变频和用于在RF下变频器842中的下变频的载波频率。
从频率合成器860生成的载波频率为传送频率。
IF下变频器842使用镜像抑制混频器去除镜像。当试图改变频率合成器860的载波频率并且试图固定接收器840的RF频带输出频率时，IF生成和补偿单元852补偿频率。
例如，当直接转换结构发射器810的传送频率为1.95GHz并且直接转换结构接收器840的接收频率为2.15GHz时，从频率合成器860生成的载波频率为1.95GHz，而接收器840的IF为2.15GHz-1.95GHz＝200MHz。
当试图将接收频率改变至2.12GHz并试图将传送频率固定为1.95GHz时，接收器840的IF被补偿2.12GHz-1.95GHz＝170MHz，并且频率合成器860的载波频率被固定。
当接收频率为2.15GHz并且试图将传送频率改变为1.97GHz时，频率合成器860的载波频率改变为1.97GHz，并且接收器840的IF被补偿2.15GHz-1.97GHz＝180MHz。
上述方法还可以应用于其中发射器810使用数字IF结构的情况。在这种情况下，当发射器810将IF频带信号上变频至RF频带信号时必需的载波频率被用作当接收器840将RF频带信号下变频至IF频带信号时必需的频率，并使用适于这些信号的IF。
如上所述，依照根据本发明的基于单一频率合成器的FDD收发器，单一频率合成器生成并提供载波频率，从而可以在传送和接收时执行上变频和下变频。因此，可减小整个系统的范围、功耗和设计复杂度，并可改进系统的性能。
而且，因为数字电路的角色变得重要，所以本发明与试图最大化数字电路的信号处理的半导体工业的潮流并驾齐驱。
以上已为了说明性的目的而公开了本发明的实施例。本领域的技术人员将理解的是，在不背离如所附权利要求公开的发明的范围和精神的前提下，各种修改、增添和替换都是可能的。

Claims (9)

1.一种基于单一频率合成器的频分双工(FDD)收发器，包括：
传送信号处理器，被配置为执行从基带信号至中频(IF)频带信号的上变频，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，生成IF用于从传送频率和接收频率至IF频带信号的上变频，并基于传送频率和接收频率之间的差异，来补偿传送频率和接收频率的IF；
发射器，被配置为将由传送信号处理器上变频的数字IF频带信号转换为模拟信号，从模拟信号中去除噪声，执行从模拟信号到射频(RF)频带信号的上变频，放大RF频带信号，并输出放大的RF频带信号；
双工器，被配置为通过天线发送从发射器输出的RF频带信号；
接收器，被配置为对经由双工器从天线接收的RF频带信号执行低噪声信号放大，并对放大的RF频带信号执行下变频和模拟信号处理；和
频率合成器，被配置为生成载波频率，用于发射器中的上变频和接收器中的下变频。
2.如权利要求1所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中该传送信号处理器包括：
数字滤波器，被配置为取样基带信号，并从所述基带信号去除取样镜像；
IF上变频器，被配置为执行从由数字滤波器滤波的信号到IF频带的上变频；以及
IF生成和补偿单元，被配置为接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，生成IF频带信号的上变频所必需的IF，并对IF进行补偿。
3.如权利要求2所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中该数字滤波器对基带信号进行上取样。
4.如权利要求1所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中由该频率合成器生成的载波频率是接收频率。
5.如权利要求1所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中该接收器具有直接转换结构或者数字IF结构。
6.一种基于单一频率合成器的频分双工(FDD)收发器，包括：
发射器，被配置为对模拟基带信号进行滤波，执行从模拟基带信号至射频(RF)频带信号的上变频，并放大RF频带信号的传送功率；
双工器，被配置为通过天线发送由发射器放大的RF频带信号；
接收器，被配置为对经由双工器从天线接收的RF频带信号执行低噪声信号放大，执行从RF频带信号至中频(IF)频带信号的下变频，并将IF频带信号转换为数字IF频带信号；
接收信号处理器，被配置为执行从接收器的数字IF频带信号至基带信号的下变频，取样基带信号，输出取样的基带信号，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，生成IF用于从传送频率和接收频率至基带信号的下变频，以及基于传送频率和接收频率之间的差异，来补偿传送频率和接收频率的IF；以及
频率合成器，被配置为生成载波频率，用于发射器中的上变频和接收器中的下变频。
7.如权利要求6所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中该发射器具有直接转换结构或者数字IF结构。
8.如权利要求6所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中该接收信号处理器包括：
IF下变频器，被配置为执行从数字IF频带信号至基带信号的下变频；
IF生成和补偿单元，被配置为生成从IF频带信号到基带信号的下变频所必需的IF，接收关于传送频率的信息和关于接收频率的信息，并补偿传送频率和接收频率的IF；以及
数字滤波器，被配置为取样由IF下变频器转换的基带信号并输出取样的信号。
9.如权利要求6所述的基于单一频率合成器的FDD收发器，其中从该频率合成器生成的载波频率为传送频率。
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