CN104242961B - 一种两点式无线发射机的频偏校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种两点式无线发射机的频偏校准方法，基于传统两点式发射机的电路结构作出改进，利用两块完成功能设计并成功流片的无线通信芯片进行数据交互来完成频偏校准。实施时，两个芯片分别具有各自的微控制器，寄存器、发射模块、接收模块、天线及切换开关；发射数据双路径接入无线发射机，一路数据经第一芯片的支路开关S2及DAC接入压控振荡器作带外发射，另一路数据经第一芯片的支路开关S1及△-∑调制器接入多模分频器调制分频数作带内发射。通过两个芯片的数据交互及第一芯片微控制器的软件处理，本发明能对发射数据的频偏有效校准，实现数据的高质量平坦传输，且具有功耗低、硬件资源少、成本低和稳定性好等一系列优点。

Description

一种两点式无线发射机的频偏校准方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信设备，尤其涉及一种适用于任何数据率场合高质量发射且能耗、成本较低的无线发射机。

背景技术

目前，常用的基于锁相环的直接发射机主要有三种：图1所示的是基于锁相环的带外发射机，图2所示的是基于锁相环的带内发射机，图3所示的是基于锁相环的两点式发射机。

分析电路可知：基于锁相环的带外发射机主要缺点：（1）由于锁相环环路滤波器的低通特性，该发射机在带外进行发射，支持高数据率，并不支持低数据率发射，所以会限制该发射机的应用场合。（2）由于该发射机是在锁相环开环的时候发送数据，压控振荡器锁定的载波频率会发生漂移，所以不支持长数据包发送。（3）由于锁相环开环发射，VCO的噪声不能经过环路滤波器处理，会对数据产生一定的干扰。

基于锁相环的带内发射机主要缺点：由于该发射机发射数据通过Δ-∑调制器去改变锁相环的分频数，所以数据信息要经过锁相环的低通环路滤波器，只能发射低于环路滤波器带宽的数据，而环路滤波器要尽可能的滤除PLL环路噪声，一般要设置很小，这样该发射机不能支持高数据率应用场合。

基于锁相环的两点式发射机能够在带内和带外同时发射数据，所以很好地解决了上述两种发射机存在的问题，但是其难免存在主要缺点：由于两条支路的频偏计算方法不同，带内部分的频偏可以由数字代码形式的计算公式实现，该频偏实现比较精准；但是另一条支路，则是由DAC输出的电压调试VCO来实现，公式上表达为DAC电压值乘以VCO的频率调谐增益Kvco，由于DAC输出电压值和VCO的频率调谐增益Kvco两个参数与温度、电压和工艺等一系列因素有关系，所以造成该支路的频偏并不可控。由于两条支路频偏的失配，会严重恶化发射机的数据质量，造成接收信号的EVM极差，如图4所示，该发射机的传输数据曲线由于失配会造成一些频点出现不平坦，造成较差的通信质量。

针对该问题，业界传统的解决方法如图5所示，其工作原理：发射数据之前，锁相环环路先开始工作，锁定到发射数据的频点上去，然后闭合S1，断开S2，开始连续地发数据1或者数据0，由数字校准模块在固定时间内对发射频率进行计数，并将数据记录在寄存器中，然后断开S1，闭合S2，通过另一支路开始连续的发数据1或者数据0，由数字校准模块在同样固定时间对此时的发射频率进行计数，并与前一支路记录在寄存器中的数据进行比较。如果一样，校准结束，即两条支路的频偏一致；如果不一样，数字校准模块进行二叉树算法比较，输出下一个可控比特位，去改变可编程DAC的电压输出值，如此反复进行，最终直到两者计数相等，频率一致为止，完成两条支路频偏的校准。校准结束以后，闭合S1，闭合S2，同时开始发射数据，再由功率放大器将两路共同作用的调频信号由天线发射出去，完成两点式无线发射机的发射功能。

但是，该校准方法同样存在难以克服的缺点：（1）数字校准模块计数器工作在较高的频率下，整体功耗偏大。（2）要设计结构非常复杂的可编程DAC电路，硬件资源消耗较大。

发明内容

考虑上述现有基于锁相环的无线发射机的不足与需求，本发明提出了一种两点式无线发射机的频偏校准方法，解决传统两点式无线发射极频偏校准时硬件资源消耗大、功耗偏高的问题，同时提高数据的发射质量。

本发明实现上述目的的技术解决方案为：一种两点式无线发射机的频偏校准方法，所述两点式无线发射机基于由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、多模分频器组成的锁相环和功率放大器构成，所述多模分频器信号输入输出互联△-∑调制器，所述鉴频鉴相器的输入向连接参考频率和多模分频器的反馈频率，压控振荡器的输出向连接功率放大器和多模分频器，功率放大器的输出为无线发射机的输出，所述无线发射机设有包含无线通信数据交互的第一芯片和第二芯片的频偏校准单元，两个芯片分别具有各自的微控制器，寄存器、发射模块、接收模块、天线及切换开关；发射数据双路径接入无线发射机，一路数据经第一芯片的支路开关S2及DAC接入压控振荡器作带外发射，另一路数据经第一芯片的支路开关S1及△-∑调制器接入多模分频器调制分频数作带内发射；所述第一芯片中在支路开关S1及△-∑调制器之间和支路开关S2及DAC之间分别设有用于调控输出幅度改变频偏值的高斯滤波器，其特征在于包括过程：

步骤Ⅰ、功能设计并成功流片频偏校准单元的第一芯片和第二芯片；

步骤Ⅱ、第一芯片切换为发射模式，闭合支路开关S1、断开支路开关S2执行带内发射，第二芯片切换为接收模式，第二芯片接收第一芯片发出的数据并记录频偏于回发至第一芯片的数据包中；

步骤Ⅲ、转换第一芯片和第二芯片的收发模式，第一芯片接收第二芯片的数据包并读取带内发射的频偏，保存至寄存器中；

步骤Ⅳ、再次转换第一芯片和第二芯片的收发模式，闭合支路开关S2、断开支路开关S1执行带外发射，第二芯片接收第一芯片发出的数据并记录频偏于回发的数据包中；

步骤Ⅴ、第三次转换第一芯片和第二芯片的收发模式，第一芯片接收第二芯片的数据包并读取带外发射的频偏，保存至寄存器中；

步骤Ⅵ、第一芯片的微控制器比对带内、带外发射的频偏，如相等则完成匹配，同时闭合支路开关S1、S2进行两点式发射，如不等则由微控制器调整数据发射的输出幅度、改变频偏值，重复步骤Ⅱ至步骤Ⅴ直至带内、带外发射的频偏相等。

本发明无线发射机的研制与应用，较之于现有技术具有突出的优点：一者采用微控制器软件处理频偏校准，降低了功耗和硬件资源等成本，提高了稳定性；二者可支持长数据包和连续发送数据，减轻数据的噪声干扰；三者能够适应高、低数据率发射的任何场合，再者能够实现数据传输的平坦性，提高了发射质量。

附图说明

图1是现有基于锁相环的带外发射机的电路结构示意图。

图2是现有基于锁相环的带内发射机的电路结构示意图。

图3是现有基于锁相环的两点式发射机的电路结构示意图。

图4是图3所示发射机的传输曲线示意图。

图5是传统两点式发射机频偏校准方案的电路结构示意图。

图6是本发明基于锁相环的两点式发射机的电路结构示意图。

图7是图6所示发射机的频偏校准单元的结构示意图。

图8是本发明发射机的传输曲线示意图。

具体实施方式

本发明对多种传统基于锁相环的无线发射机的电路结构及功能特性，探究各自所存在的应用上的不足，创新提出了一种支持各种数据率应用场合且性能更为稳定的两点式无线发射机，并且保持了功耗、面积和成本诸方面的合理性。

首先结合附图从电路结构上来理解本发明。如图6和图7所示，该种两点式无线发射机依然是基于锁相环电路形成的。该锁相环电路由鉴频鉴相器+电荷泵、环路滤波器和压控振荡器构成且该锁相环带有多模分频器和功率放大器。多模分频器信号输入输出互联△-∑调制器，鉴频鉴相器的输入向连接参考频率和多模分频器的反馈频率，压控振荡器的输出向连接功率放大器和多模分频器，功率放大器的输出为无线发射机的输出——天线（完成发射的必要构件，未图示）。本发明无线发射机便是在此锁相环电路的基础上改良所得的带内、带外同发型发射机，从本发明两点式无线发射机的特征部分来看：该发射机设有频偏校准单元，它是由无线通信数据交互的第一芯片和第二芯片构成的，其中第一芯片直接接入该传统两点式无线发射机的电路之中，第二芯片则于电路外与第一芯片数据交互。两个芯片如图7所示分别具有各自的微控制器，寄存器、发射模块、接收模块、天线及切换开关，且第一芯片具有接入上述电路的两个支路开关S1、S2，其连接如图6所示。本发明发射机的发射数据双路径接入无线发射机，分别来看，其中一路数据经第一芯片的支路开关S2及DAC转换后接入压控振荡器作带外发射；另一路经第一芯片的支路开关S1及△-∑调制器接入多模分频器调制分频数作带内发射。由此发射数据便从两个点上分别作用于锁相环中的调频信号，能有效弥补单独带内发射或带外发射的诸方面不足。

除此之外，第一芯片中在支路开关S1及△-∑调制器之间和支路开关S2及DAC之间分别设有用于调控输出幅度的高斯滤波器，受控于微控制器能改变各支路的频偏值。

以下便从本发明上述两点式无线发射机的运作过程来进一步理解频偏校准方法，也即是该两点式无线发射机的工作原理：主要包括过程：步骤Ⅰ、功能设计并成功流片频偏校准单元的第一芯片和第二芯片；其中功能设计指的是分别设计第一芯片和第二芯片相应的硬件资源并赋予各自独特的软件功能。第二芯片主要负责切换接收/发射模式，接收来自于第一芯片的数据并将得到的频偏保存放入回发的数据包中；第一芯片与第二芯片进行无线通信的数据交互，并切换发射机的带内、带外发射模式，通过微控制器比对带内、带外发射的频偏差异，判断匹配成功或是否继续进行频偏校准，并作出相应的发射指令。

步骤Ⅱ、第一芯片切换为发射模式，闭合支路开关S1、断开支路开关S2执行带内发射，第二芯片切换为接收模式，第二芯片接收第一芯片发出的数据并记录频偏于回发至第一芯片的数据包中。此处，回发的数据包中含有当前带内发射的频偏值。

步骤Ⅲ、转换第一芯片和第二芯片的收发模式，第一芯片接收第二芯片的数据包并读取带内发射的频偏，保存至寄存器中，作为之后进行判断匹配成功与否的基础。

步骤Ⅳ、再次转换第一芯片和第二芯片的收发模式，闭合支路开关S2、断开支路开关S1执行带外发射，第二芯片接收第一芯片发出的数据并记录频偏于回发的数据包中；该步骤类似与步骤Ⅱ，所得到回发的数据包中含有当前带外发射的频偏值。

步骤Ⅴ、第三次转换第一芯片和第二芯片的收发模式，第一芯片接收第二芯片的数据包并读取带外发射的频偏，保存至寄存器中，作为进行判断匹配成功与否的另一基础。

步骤Ⅵ、第一芯片的微控制器比对带内、带外发射的频偏，如相等则完成匹配，同时闭合支路开关S1、S2进行两点式发射，如不等则由微控制器调整数据发射的输出幅度、改变频偏值，重复步骤Ⅱ至步骤Ⅴ直至带内、带外发射的频偏相等。

结合附图所示来理解上述校准，在开始配对的过程中，调试微控制器MCU1使第一芯片处于发射状态，调试微控制器MCU2使第二芯片处于接收状态，闭合第一芯片中支路开关S1，断开支路开关S2，发射数据包，第二芯片接收到数据包，在接收解调器中将发射数据的频偏保存下来，并放在发射数据的信息包里，然后调试微控制器MCU1使第一芯片处于接收状态，调试微控制器MCU2使第二芯片处于发射状态，第二芯片将带有频偏大小的数据包发射回到第一芯片中去，微控制器MCU1将频偏读出来并保存在寄存器中，然后再次将调试微控制器MCU1使第一芯片处于发射状态，调试微控制器MCU2使第二芯片处于接收状态，断开第一芯片中支路开关S1，闭合支路开关S2，发射数据包，重复上述过程，最终微控制器MCU1也将此时的频偏读出来保存在寄存器中，这样微控制器MCU1采集到带外和带内发射的频偏值，如果相等，开机配对完成，可以同时闭合支路开关S1和S2，进行数据交互的通信，如果不相等，微控制器MCU1发出比特位去控制高斯滤波器（图示中的GaussFilter）的输出幅度，改变频偏值，如此反复进行比对直到相等、开机配对成功，然后同时闭合S1和S2进行数据交互通信，再由功率放大器将两路数据共同作用的调频信号由天线发出，完成两点式无线发射机的发射功能。

该两点式无线发射机的信号传输曲线如图8所示，发射数据经过带内发射路径的具有低通特性，经过带外发射路径的具有高通特性，在频偏校准后两条路径同时进行数据发射时，传输曲线在整个频率范围内都是平坦的，可自适应支持高数据率和低数据率的发射。该两点式无线发射机具有多方面的优点，逐条来看：（1）由于校准数据信息都是由微控制器软件处理，相对于传统的校准方法，具有功耗低、硬件资源少、成本低和稳定性好等一系列优点。（2）由于发射数据过程中，锁相环环路是闭合工作的，可以有效解决基于锁相环的带外发射开环发射过程中压控振荡器频率漂移的问题，支持长数据包和连续发送数据。（3）由于发射数据过程中，锁相环环路是闭合工作的，压控振荡器和其他模块噪声都要经过环路滤波器低通过滤，能够有效减轻数据的噪声干扰。（4）由于可以实现带内和带外同时发射数据，所以能够应用到高数据率和低数据率发射的任何场合。（5）由于能够进行发射数据的频偏校准，可以实现数据传输的平坦性，具有较高的发射质量。

以上结合附图的实施例描述，旨在便于理解本发明的创新实质，但并非以此来限制本发明多样性的实施方式及要求的权利要求保护范围。但凡理解本发明，并根据上述实施例进行的等效结构变化或构件替换，能够实现相同目的和效果的设计，均应视为对本专利申请保护内容的侵犯。

Claims (1)

1.一种两点式无线发射机的频偏校准方法，所述两点式无线发射机基于由鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、多模分频器组成的锁相环和功率放大器构成，所述多模分频器信号输入输出互联△-∑调制器，所述鉴频鉴相器的输入向连接参考频率和多模分频器的反馈频率，压控振荡器的输出向连接功率放大器和多模分频器，功率放大器的输出为无线发射机的输出，所述无线发射机设有包含无线通信数据交互的第一芯片和第二芯片的频偏校准单元，两个芯片分别具有各自的微控制器，寄存器、发射模块、接收模块、天线及切换开关；发射数据双路径接入无线发射机，一路数据经第一芯片的支路开关S2及DAC接入压控振荡器作带外发射，另一路数据经第一芯片的支路开关S1及△-∑调制器接入多模分频器调制分频数作带内发射；所述第一芯片中在支路开关S1及△-∑调制器之间和支路开关S2及DAC之间分别设有用于调控输出幅度改变频偏值的高斯滤波器，其特征在于包括过程：

步骤Ⅰ、功能设计并成功流片频偏校准单元的第一芯片和第二芯片；

步骤Ⅱ、第一芯片切换为发射模式，闭合支路开关S1、断开支路开关S2执行带内发射，第二芯片切换为接收模式，第二芯片接收第一芯片发出的数据并记录频偏于回发至第一芯片的数据包中；

步骤Ⅲ、转换第一芯片和第二芯片的收发模式，第一芯片接收第二芯片的数据包并读取带内发射的频偏，保存至寄存器中；

步骤Ⅳ、再次转换第一芯片和第二芯片的收发模式，闭合支路开关S2、断开支路开关S1执行带外发射，第二芯片接收第一芯片发出的数据并记录频偏于回发的数据包中；

步骤Ⅴ、第三次转换第一芯片和第二芯片的收发模式，第一芯片接收第二芯片的数据包并读取带外发射的频偏，保存至寄存器中；

步骤Ⅵ、第一芯片的微控制器比对带内、带外发射的频偏，如相等则完成匹配，同时闭合支路开关S1、S2进行两点式发射，如不等则由微控制器调整数据发射的输出幅度、改变频偏值，重复步骤Ⅱ至步骤Ⅴ直至带内、带外发射的频偏相等。