CN103916150B - 一种无晶体振荡器的无线接收器 - Google Patents

一种无晶体振荡器的无线接收器 Download PDF

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Abstract

一种无晶体振荡器的无线接收器,包括前端滤波器、低噪声放大器、混频器、中频滤波器、90°移相网络、鉴频器、电荷泵、滤波电容、压控振荡器、信号解调电路和锁定检测电路。无线接收器内部集成由频率减法器,压控振荡器和频率电压转换电路组成的反馈回路来使压控振荡器输出频率能够很好的跟随输入射频信号频率。这样,无需外部晶体振荡器,本地压控振荡器就可以调节在一个稳定的振荡频率使接收器正常工作。

Description

一种无晶体振荡器的无线接收器
技术领域
本发明涉及一种无线接收器,特别指的是一种集成内部参考时钟及时钟自动校准的无需外部晶体振荡器的无线接收器。
背景技术
现有的无线通信系统需要一个独立的晶体振荡器为发射器和接收器提供一个精确的用于频率和时钟同步的参考频率。但是,晶体振荡器的应用存在占用面积大,成本高等缺点。如图1,无线通信系统由无线发射器102与无线接收器103构成,无线发射器102与无线接收器103需要工作在严格相同的参考时钟频率下,以确保数据的正确发送和接收,系统的参考时钟频率受外部制造工艺、工作电压和温度等因素的影响必须很小。当前的无线通信系统通常采用晶体振荡器101和104以提供精确的参考频率。图中101和104具有相同的时钟频率。晶体振荡器101和104的物理特性能够提供一个稳定的频率,典型的频率误差<20ppm。但是,晶体振荡器本身高昂的成本、较大的外形尺寸以及带来额外的硬件和安装工艺成本,促使我们寻找新的无需晶体振荡器的技术。
目前,存在相关的无晶体振荡器技术只是通过改善内部振荡器来实现的,这些技术只能将频率误差控制在一定的误差范围内,且不具有自动跟踪校准功能。这样的频率误差范围仅适用于某些对频率要求不严格的相关应用中,远不能满足无线通信系统对频率误差的要求。
发明内容
为了解决以上技术中存在的问题本发明提出了以下技术解决方案。
一种无晶体振荡器的无线接收器,包括前端滤波器、频率减法器、压控振荡器、频率电压转换电路、信号解调电路、锁定检测电路;频率减法器、频率电压转换电路、压控振荡器依次循环连接;前端滤波器、频率减法器、信号解调电路依次相连接。
频率减法器用于对该无线接收器接收的无线电信号做混频和中频滤波处理;压控振荡器用于为频率减法器提供混频所需的本地振荡频率;频率电压转换电路在无线接收器工作初始阶段根据无线电信号混频后的频率偏差,将压控振荡器输出的本地振荡频率调整到频率减法器混频所需要的频率;锁定检测电路用于锁定调整后的本地振荡频率;信号解调电路用于解调经频率减法器混频滤波后的无线电信号所携带的信息。
一种无晶体振荡器的无线接收器,包括前端滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第一混频器、第二混频器、第一中频滤波器、第二中频滤波器、90°移相网络、频率电压转换电路、压控振荡器、信号解调电路、锁定检测电路。
初始阶段,频率电压转换电路为压控振荡器提供一个初始的输入电压Vcp,压控振荡器输出一个初始的本地振荡频率Fvco;本地振荡频率Fvco分两路传递,一路信号I直接传给第二混频器,信号I的频率为FvcoI;另一路经90°移相网络移相后产生信号Q传给第一混频器,信号Q的频率为FvcoQ;FvcoQ与FvcoI大小相同,相位相差90°。
无线接收器接收的无线电信号经过前端滤波器滤波,再分别经第一低噪声放大器和第二低噪声放大器放大处理后产生两路相同的频率为Fref的信号;一路信号与信号Q一起依次经第一混频器混频和第一中频滤波器滤波后得到Fref与FvcoQ频率相减的信号,频率为|Fref-FvcoQ|;同理,另一路信号与信号I经第二混频器混频和第二中频滤波器处理得到Fref与FvcoI频率相减的信号,频率为|Fref-FvcoI|。
频率电压转换电路根据|Fref-FvcoQ|与|Fref-FvcoI|两个信号的相位关系来控制电压Vcp的大小,从而调整本地振荡频率Fvco,使得本地振荡频率Fvco与无线电信号的频率接近;当本地振荡频率Fvco与无线电信号的频率偏差小于系统设定的值时,锁定检测电路锁定电压Vcp的大小,使得本地振荡频率Fvco的频率固定;此后,信号解调电路便可根据第一中频滤波器和第二中频滤波器分别输出的两路信号来解调出无线电信号所携带的信息。
进一步地,频率电压转换电路包括依次连接的鉴频器、电荷泵、滤波电容。滤波电容为压控振荡器提供电压Vcp,鉴频器根据|Fref-FvcoQ|与|Fref-FvcoI|两个信号的相位关系来控制电荷泵,电荷泵通过对滤波电容充电或放电来调整电压Vcp的大小;当本地振荡频率Fvco与无线电信号的频率偏差小于系统设定的值时,滤波电容上的电压Vcp大小被锁定,鉴频器、电荷泵停止工作,从而使本地振荡频率Fvco的频率固定。
进一步地,锁定检测电路包含分频器、第一计数器、第二计数器、门电路和锁存器。分频器与第一计数器相连接,第一计数器、第二计数器分别与锁存器相连接,门电路分别与第一计数器、第二计数器循环连接构成回路。
分频器对本地振荡频率Fvco分频;第一计数器、第二计数器分别对本地振荡频率Fvco分频后的频率和所述|Fref-FvcoI|或|Fref-FvcoQ|进行相同数量的计数;计数时,第一计数器、第二计数器输出端保持低电平,先计数完成的计数器输出一个高电平给门电路,门电路对第一计数器、第二计数器进行清零,第一计数器、第二计数器开始重新计数;同时,该高电平传给锁存器,锁存器根据第一计数器和第二计数器计数的快慢来判断本地振荡频率Fvco是否接近无线电信号的频率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是现有的通信系统示意图。
图2是无晶体振荡器的无线接收器简单原理图。
图3是无晶体振荡器的无线接收器详细的工作原理图。
图4是内部时钟频率与外部参考时钟频率跟踪锁定检测电路原理图。
具体实施方式
如图2所示,本发明内部集成采用由频率减法器202、频率电压转换电路205和压控振荡器204依次循环连接组成的反馈回路来取代外部晶体振荡器,压控振荡器204输出频率能够很好的跟随输入参考频率,以提供一个高精度的本地振荡频率。当输入参考频率发生变化时,频率减法器202输出频差也将跟随变化,频率电压转换电路205输出的控制电压也将跟随变化,变化的控制电压控制压控振荡器204的输出频率变化,使压控振荡器204的输出频率跟随输入参考频率变化。通过这样的机理,可以实现将频率减法器202输出的频率有效的控制在解调电路的带宽以内,始终保证电路能够正常的解调。
如图2所示,无晶体振荡器的无线接收器接收到由外部无线发射设备发射的无线电信号,通过内部滤波器201的滤波处理,接收器选择出所需要的参考信号频率,频率减法器202将参考信号频率与压控振荡器204的输出频率进行减法运算,输出信号频率为两个信号的差值,频率电压转换电路205将频率减法器202的输出信号的频率量转化成与之成正比的电压量输出,采用这个电压去控制压控振荡器204。若频率减法器202输出误差频率过大,以至于信号解调电路不能正常解调,则频率电压转换电路205将输出一个与之成正比的电压,控制压控振荡器204输出频率变化以逼近参考信号频率,直到参考信号频率与压控振荡器的频率误差在解调电路的带宽之内,保证解调电路能够正常解调。
如图3所示,无晶体振荡器的无线接收器包括前端滤波器301、第一低噪声放大器302、第二低噪声放大器303、第一混频器304、第二混频器305、第一中频滤波器306、第二中频滤波器307、90°移相网络308、鉴频器309、电荷泵310、滤波电容311、压控振荡器204、信号解调电路203和锁定检测电路314,其中,第一混频器304和第二混频器305、第一中频滤波器306和第二中频滤波器307的等效图为图2中的频率减法器202;鉴频器309、电荷泵310、滤波电容311的等效图为图2中频率电压转换电路205。前端滤波器301用于对无线电信号滤波,前端滤波器301依次经过第一低噪声放大器302、第一混频器304、第一中频滤波器306与信号解调电路203的第一输入端相连接;前端滤波器301并且依次经过第二低噪声放大器303、第二混频器305、第二中频滤波器307与信号解调电路203的第二输入端相连接;信号解调电路203用于对经频率减法器202混频滤波后的无线电信号所携带的信息进行解调;第一中频滤波器306、第二中频滤波器307分别与频率电压转换电路205的两个输入端相连接;频率电压转换电路205的输出端与压控振荡器204相连接;压控振荡器204分别与第二混频器305、90°移相网络308相连接;90°移相网络308与第一混频器304相连接。
如图3所示,本发明由前端滤波器301、第一低噪声放大器302、第二低噪声放大器303、第一混频器304、第二混频器305、第一中频滤波器306、第二中频滤波器307、90°移相网络308、鉴频器309、电荷泵310、滤波电容311、压控振荡器204、信号解调电路203和锁定检测电路314组成。初始状态下,压控振荡器204的输入电压Vcp被设置为一个初始值Vref,输出信号频率为Fvco。压控振荡器204输出频率与输入电压Vcp成正比。外部天线接收到无线电信号以后,通过前端滤波器301滤波和第一低噪声放大器302、第二低噪声放大器303放大处理以后,产生出一个能为后端电路处理的参考信号,假设参考信号频率为Fref。压控振荡器204的输出信号Fvco通过90°移相网络308产生两路正交信号,FvcoI和FvcoQ。FvcoI、FvcoQ与Fvco频率相同,相位相差90°。第一混频器304、第二混频器305将信号参考信号与压控振荡器输出信号进行乘法运算,第一混频器304产生的输出信号频率为Fref-FvcoQ和Fref+FvcoQ,第二混频器305产生的输出信号频率为Fref-FvcoI和Fref+FvcoI。第一混频器304、第二混频器305的输出信号经过第一中频滤波器306、第二中频滤波器307,滤波器为低通滤波器,第一中频滤波器306输出信号频率Fref-FvcoQ,第二中频滤波器307输出信号频率Fref-FvcoI。若Fvco低于Fref,鉴频器309输出高电平,此高电平信号控制电荷泵310以恒定电流Icp向电容311进行充电。电容311上的电压Vcp逐渐升高,控制压控振荡器204的输出频率Fvco增加,直到Fvco接近Fref,|Fref-Fvco|小于系统设定的最小误差频率Ferror为止。同理,若Fvco高于Fref,鉴频器309输出低电平,此低电平信号控制电荷泵310以恒定电流Icp向电容311进行放电。电容311上的电压Vcp逐渐降低,控制压控振荡器204的输出频率Fvco减小,直到Fvco接近Fref,|Fref-Fvco|小于系统设定的最小误差频率Ferror为止。当|Fref-Fvco|小于Ferror时,锁定检测电路314输出高电平(其他情况下输出为低电平),表示压控振荡器204输出频率已经跟踪锁定了输入参考信号频率。信号解调电路203能够解调出正确的接收数据。
如图4所示,锁定检测电路314包括分频器401、第一计数器402、第二计数器403、门电路404和锁存器405。分频器401与第一计数器402相连接,第一计数器402、第二计数器403分别与锁存器405相连接,门电路404分别与第一计数器402、第二计数器403循环连接构成回路。分频器401将图3中的压控振荡器204输出频率Fvco进行一定的分频处理,产生一个较低的参考频率Fdiv,送到第一计数器402;同时将图3中第一中频滤波器306或第二中频滤波器307的输出误差频率信号|Fref-Fvco|送到第二计数器403。第一计数器402和第二计数器403的内部结构相同,对输入信号的上升沿进行相同数量的计数,计数完成输出高电平。清零信号端输入高电平用于对计数器实现清零处理,清零完成后,计数器从零开始从新计数,输出端保持低电平,直到下一次数据计满为止。第一计数器402和第二计数器403同时对频率信号Fdiv和|Fref-Fvco|进行计数,对到其中频率较高的信号计数完成时,计数器优先输出高电平,另一个计数器由于数据未计满,依然保持低电平。两个计数器的输出送到或门电路404,或门电路404输出高电平,将两个计数器同时清零,开始下一个周期的计数。同时,两个计数器的输出状态送到锁存器405,锁存器405将计数器的输出状态锁存起来,锁存器405的输出状态反映了信号Fdiv和|Fref-Fvco|频率的大小。

Claims (9)

1.一种无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
包括频率减法器(202)、压控振荡器(204)、频率电压转换电路(205)、信号解调电路(203)、锁定检测电路(314);
所述频率减法器(202)、频率电压转换电路(205)、压控振荡器(204)依次循环连接;
所述信号解调电路(203)与频率减法器(202)相连接;
所述频率减法器(202)用于对该无线接收器接收的无线电信号做混频和中频滤波处理;
所述压控振荡器(204)用于为频率减法器(202)提供混频所需的本地振荡频率;
所述频率电压转换电路(205)在无线接收器工作初始阶段根据无线电信号混频后的频率偏差,将压控振荡器(204)输出的本地振荡频率调整到频率减法器(202)混频所需要的频率;
所述锁定检测电路(314)用于锁定调整后的本地振荡频率;
所述信号解调电路(203)用于解调经频率减法器(202)混频滤波后的无线电信号所携带的信息。
2.根据权利要求1所述的无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
还包括滤波器(201);
所述滤波器(201)与频率减法器(202)相连接。
3.根据权利要求1所述的无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
所述频率电压转换电路(205)包括依次连接的鉴频器(309)、电荷泵(310)、滤波电容(311)。
4.根据权利要求1所述的无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
所述锁定检测电路(314)包含分频器(401)、第一计数器(402)、第二计数器(403)、门电路(404)和锁存器(405);
所述分频器(401)与所述第一计数器(402)相连接,所述第一计数器(402)、第二计数器(403)分别与所述锁存器(405)相连接,所述门电路(404)分别与所述第一计数器(402)、第二计数器(403)循环连接构成回路。
5.一种无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
包括前端滤波器(301)、第一低噪声放大器(302)、第二低噪声放大器(303)、第一混频器(304)、第二混频器(305)、第一中频滤波器(306)、第二中频滤波器(307)、90°移相网络(308)、频率电压转换电路(205)、压控振荡器(204)、信号解调电路(203)、锁定检测电路(314);
初始阶段,频率电压转换电路(205)为压控振荡器(204)提供一个初始的输入电压Vcp,压控振荡器(204)输出一个初始的本地振荡频率Fvco;本地振荡频率Fvco分两路传递,一路信号I直接传给第二混频器(305),信号I的频率为FvcoI;另一路经90°移相网络(308)移相后产生信号Q传给第一混频器(304),信号Q的频率为FvcoQ;FvcoQ与FvcoI大小相同,相位相差90°;
无线接收器接收的无线电信号经过前端滤波器(301)滤波,再分别经第一低噪声放大器(302)和第二低噪声放大器(303)放大处理后产生两路相同的频率为Fref的信号;一路信号与信号Q一起依次经第一混频器(304)混频和第一中频滤波器(306)滤波后得到Fref与FvcoQ 频率相减的信号,频率为|Fref-FvcoQ|;同理,另一路信号与信号I经第二混频器(305)混频和第二中频滤波器(307)处理得到Fref与FvcoI频率相减的信号,频率为|Fref-FvcoI|;
频率电压转换电路(205)根据|Fref-FvcoQ|与|Fref-FvcoI|两个信号的相位关系来控制电压Vcp的大小,从而调整本地振荡频率Fvco,使得本地振荡频率Fvco与无线电信号的频率接近;当本地振荡频率Fvco与无线电信号的频率偏差小于系统设定的值时,锁定检测电路(314)锁定电压Vcp的大小,使得本地振荡频率Fvco的频率固定;此后,信号解调电路(203)便可根据第一中频滤波器(306)和第二中频滤波器(307)分别输出的两路信号来解调出无线电信号所携带的信息。
6.根据权利要求5所述的无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
所述频率电压转换电路(205)包括鉴频器(309)、电荷泵(310)、滤波电容(311);
滤波电容(311)为所述压控振荡器(204)提供电压Vcp,鉴频器(309)根据|Fref-FvcoQ|与|Fref-FvcoI|两个信号的相位关系来控制电荷泵(310),电荷泵(310)通过对滤波电容(311)充电或放电来调整电压Vcp的大小;当本地振荡频率Fvco与无线电信号的频率偏差小于系统设定的值时,滤波电容(311)上的电压Vcp大小被锁定,鉴频器(309)、电荷泵(310)停止工作,从而使本地振荡频率Fvco的频率固定。
7.根据权利要求5所述的无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
所述锁定检测电路(314)包含分频器(401)、第一计数器(402)、第二计数器(403)、门电路(404)和锁存器(405);
分频器(401)对本地振荡频率Fvco分频;第一计数器(402)、第二计数器(403)分别对本地振荡频率Fvco分频后的频率和所述|Fref-FvcoI|或|Fref-FvcoQ|进行相同数量的计数;计数时,第一计数器(402)、第二计数器(403)输出端保持低电平,先计数完成的计数器输出一个高电平给门电路(404),门电路(404)对第一计数器(402)、第二计数器(403)进行清零,第一计数器(402)、第二计数器(403)开始重新计数;同时,该高电平传给锁存器(405),锁存器(405)根据第一计数器(402)和第二计数器(403)计数的快慢来判断本地振荡频率Fvco是否接近无线电信号的频率。
8.一种无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
包括前端滤波器(301)、第一低噪声放大器(302)、第二低噪声放大器(303)、第一混频器(304)、第二混频器(305)、第一中频滤波器(306)、第二中频滤波器(307)、90°移相网络(308)、频率电压转换电路(205)、压控振荡器(204)、信号解调电路(203)、锁定检测电路(314);
前端滤波器(301)用于对无线电信号滤波,前端滤波器(301)依次经过第一低噪声放大器(302)、第一混频器(304)、第一中频滤波器(306)与信号解调电路(203)的第一输入端相连接;前端滤波器(301)并且依次经过第二低噪声放大器(303)、第二混频器(305)、第二中频滤波器(307)与信号解调电路(203)的第二输入端相连接;信号解调电路(203)用于对所述无线电信号所携带的信息进行解调;
第一中频滤波器(306)、第二中频滤波器(307)分别与频率电压转换电路(205)的两个输入端相连接;频率电压转换电路(205)的输出端与压控振荡器(204)相连接;压控振荡器(204) 分别与第二混频器(305)、90°移相网络(308)相连接;90°移相网络(308)与第一混频器(304)相连接。
9.根据权利要求8所述的无晶体振荡器的无线接收器,其特征在于:
所述频率电压转换电路(205)包括依次连接的鉴频器(309)、电荷泵(310)、滤波电容(311)。
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