CN105099440B - 一种基于锁相环的收发机及通信方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于锁相环的收发机及通信方法，其中收发机包括发射机和接收机，发射机包括调制电路，发射机用于实现对输入信号的移频键控调制，接收机包括信号放大电路和迟滞比较器，接收机用于解调输入的调制信号，发射机和接收机共用电荷泵锁相环。本申请可用于人体通信领域，收发机由于实现了发射机和接收机部分电路的复用，可以极大地降低功耗，满足人体通信应用的要求，同时有利于缩小产品体积，降低成本。

Description

一种基于锁相环的收发机及通信方法

技术领域

本申请涉及通信领域，具体涉及一种基于锁相环的收发机及通信方法。

背景技术

如今，随着生活质量的提高，健康和保健领域也越来越受到人们的关注，便携式智能化的医疗健康设备不断涌现，低功耗、集成化、可穿戴也逐渐成为这些医疗健康设备的发展方向。

目前，移频键控(FSK)调制技术被广泛的应用于短距离无线信号传输中，随着近年来体域网技术的飞速发展，市场对基于这种技术的收发机的功耗、可靠性、抗干扰能力要求也越来越高。

国内外已经出现许多基于人体通信的收发机结构。如中国专利CN201491012U，提出了一种基于人体信道的通信芯片，其收发机结构采用传统结构；韩国科学技术院(KAIST)对此研究比较深入，其2007年在固态电路期刊(JSSC)发表的一篇论文中提出一种基带传输的低功耗收发机结构；而其在2012年的一篇固态电路期刊(JSSC)论文中又提出了一种双模移频键控(Double-FSK)技术的抗干扰收发机结构；其在2013年在电路与系统期刊(TCAS)发表的一篇论文中，提出了基于注入锁定的唤醒接收机结构，功耗较低，但是没有相应的发射机结构。

人体通信的通信质量与电极种类、信道长度、人体部位、性别、运动状态有关，但最大的挑战来自于对功耗的要求，所以低功耗成为人体通信收发机需要解决的问题。

发明内容

本申请提供一种低功耗的基于锁相环的收发机及其通信方法。

根据本申请的第一方面，提供一种基于锁相环的收发机，包括发射机和接收机，发射机包括调制电路，接收机包括信号放大电路和迟滞比较器，发射机和接收机共用电荷泵锁相环；

电荷泵锁相环包括晶体振荡器、双二选一电路、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器，晶体振荡器的输出经双二选一电路连接到鉴频鉴相器，鉴频鉴相器的输出端耦合至电荷泵，电荷泵受电荷控制信号控制，电荷泵的输出端耦合至环路滤波器，环路滤波器的输出端耦合至压控振荡器，压控振荡器的输出反馈至双二选一电路；双二选一电路受第一控制信号和第二控制信号控制；

调制电路的输入端接收采集到的输入信号，输出端耦合至压控振荡器；信号放大电路输入端用于接收调制信号，输出端耦合至双二选一电路，迟滞比较器的一输入端耦合至环路滤波器的输出端，另一端耦合至参考电压。

优选地，发射机还包括第一分频器，第一分频器为可编程分频器，第一分频器接于电荷泵锁相环的反馈回路上，第一分频器受第一分频信号控制。

进一步，接收机还包括第二分频器，第二分频器为可编程分频器，第二分频器接于信号放大电路与双二选一电路之间，第二分频器受第二分频信号控制。

在一种实施方式中，电荷泵包括电荷泵使能电路和电荷泵电路，电荷泵使能电路的输出端耦合至电荷泵电路的输入端，电荷泵使能电路受电荷控制信号控制。

在一种实施方式中，调制电路包括调制控制信号输入端，调制电路通过调制控制信号输入端接收调制控制信号。

作为一种实施方式，接收机还包括第一开关、第二开关和缓存器，信号放大电路包括低噪声放大电路和注入锁定振荡器，低噪声放大电路的输出端耦合至注入锁定振荡器的第一输入端，注入锁定振荡器的输出端耦合至第二分频器，第一开关接在环路滤波器和压控振荡器之间，第二开关的一端耦合至环路滤波器的输出端，另一端耦合至缓存器的输入端，缓存器的输出端耦合至注入锁定振荡器的第二输入端。

在一种实施方式中，还包括稳压电容，稳压电容的一端接在缓存器的输出端，另一端接地。

在一种实施方式中，压控振荡器为双端口控制的环形振荡器，调制控制电路和环路滤波器的输出端分别耦合至环形振荡器的两个输入端口。

在一种实施方式中，调制电路为电压选择电路。

根据本申请的第二方面，提供一种本申请第一方面提供的收发机的通信方法，发射机的通信方法包括步骤：

双二选一电路根据第一控制信号和第二控制信号，传输接收到的压控振荡器的输出信号和晶体振荡器输出的参考时钟，耦合至鉴频鉴相器；

电荷泵为环路滤波器充电；

电荷泵接收电荷控制信号，断开电路，使发射机在锁相环开环状态下发送数据；

接收机的通信方法包括步骤：

双二选一电路根据第一控制信号和第二控制信号，传输接收到的调制信号和压控振荡器反馈信号，耦合至鉴频鉴相器；

根据电荷控制信号，电荷泵锁相环在闭环状态下工作，电荷泵输出耦合至环路滤波器，环路滤波器的输出分别耦合至压控振荡器和迟滞比较器，压控振荡器解调接收到的调制信号。

本申请的有益效果是：

在本申请的一种实施方式中，收发机包括发射机和接收机，发射机和接收机共用电荷泵锁相环电路。发射机工作时，双二选一电路接收第一控制信号和第二控制信号，输出压控振荡器的输出信号和晶体振荡器输出的参考时钟，环路滤波器充电后，电荷泵在电荷控制信号的作用下断开电路，使发射机在锁相环开环状态下发送数据；接收机在工作时，双二选一电路接收第一控制信号和第二控制信号，输出调制信号和压控振荡器反馈信号，电荷泵在电荷控制信号控制下电荷泵锁相环闭环状态下工作。本申请的收发机由于实现了发射机和接收机部分电路的复用，可以极大地降低功耗，满足人体通信应用的要求，同时缩小了产品体积，减少了成本。

附图说明

图1为本申请一种收发机的电路原理图；

图2为本申请一种收发机中发射机的电路原理图；

图3为本申请一种收发机中接收机的电路原理图；

图4为本申请一种收发机的信号波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

请参考图1至图4，本实施例的收发机，包括发射机和接收机，发射机包括调制电路11和电荷泵锁相环2，调制电路11的信号输入端用于接收信号采集模块采集的人体输入信号，输出端耦合至压控振荡器27，调制电路11的输出信号用于调制压控振荡器27的振荡信号；接收机包括信号放大电路、迟滞比较器34和电荷泵锁相环2，信号放大电路用于接收并放大调制信号，信号放大电路的输出耦合至双二选一电路22，迟滞比较器34一个输入端耦合至环路滤波器26的输出端，另一端耦合至参考电压Vref。发射机用于实现对输入信号TX_in的移频键控调制，接收机用于解调输入的调制信号RX_in，发射机和接收机共用电荷泵锁相环2，电荷泵锁相环2包括晶体振荡器21、双二选一电路22、鉴频鉴相器23、电荷泵、环路滤波器26和压控振荡器27，晶体振荡器21输出的时钟信号Fcal经双二选一电路22连接到鉴频鉴相器23，鉴频鉴相器23的输出端耦合至电荷泵，电荷泵受电荷控制信号CP_EN控制，电荷泵的输出端耦合至环路滤波器26，环路滤波器26的输出端耦合至压控振荡器27，压控振荡器27的输出反馈至双二选一电路22；双二选一电路22受第一控制信号B1和第二控制信号B2控制，双二选一电路22包括二选一电路22a和二选一电路22b，晶体振荡器21输出的时钟信号Fcal分别连接到二选一电路22a和二选一电路22b的输入端，压控振荡器27的输出反馈连接到二选一电路22a的另一输入端，信号放大电路的输出耦合至二选一电路22b的另一输入端；二选一电路22a接收第一控制信号B1，二选一电路22b接收第二控制信号B2。

本实施例的收发机中发射机工作时，双二选一电路22接收第一控制信号B1和第二控制信号B2，输出压控振荡器27的输出信号和晶体振荡器21输出的参考时钟Fcal，环路滤波器26充电后，电荷泵在电荷控制信号CP_EN的作用下断开电路，使发射机在电荷泵锁相环开环状态下发送数据；接收机在工作时，双二选一电路22接收第一控制信号B1和第二控制信号B2，输出调制信号和压控振荡器27的反馈信号，电荷泵在电荷控制信号CP_EN控制下电荷泵锁相环闭环条件下工作，对接收到的调制信号进行解调。

本实施方式中的收发机，其发射机和接收机共用一个电荷泵锁相环，可以有效降低功耗，满足人体通信应用的要求；同时，有利于减小产品体积，降低收发机的生产成本。

作为一种优选的实施方式，收发机还包括第一分频器28，第一分频器28为可编程分频器，第一分频器28接于电荷泵锁相环2的反馈回路上，第一分频器28受第一分频信号C_sel_1控制；进一步，还包括第二分频器33，第二分频器33为可编程分频器，第二分频器33接于信号放大电路与双二选一电路22之间，第二分频器33受第二分频信号C_sel_2控制。

本实施方式中加入了可编程分频器，可以通过控制可编程分频器的分频比实现信道选择，使收发机工作在人体通信的最优频段内，最优频段可通过对人体信道传输特性试验测得，从而利用最佳的工作频率进行信号传输。

在一种实施方式中，电荷泵包括电荷泵使能电路24和电荷泵电路25，鉴频鉴相器23的输出端耦合至电荷泵使能电路24的输入端，电荷泵使能电路24的输出端耦合至电荷泵电路25的输入端，电荷泵使能电路24受电荷控制信号CP_EN控制，发射机内，先使锁相环工作在闭环状态，待环路滤波器26充电完毕后，再控制电荷泵使能电路24，使电荷泵电路25停止为环路滤波器26充电。

进一步，调制电路11还包括调制控制信号输入端，调制电路受调制控制信号B3控制。本实施方式中调制电路11增加了调制控制信号输入端，是为了方便数据发送前对压控振荡器27的频率校准。发射机内通过调整第一分频器28选择好信道后，使电荷控制信号CP_EN为低电平，锁相环环路闭环工作；调制控制信号B3为低电平，调制电路11输出恒定电压；通过第一控制信号B1和第二控制信号B2，使二选一电路22a输出第一分频器28的信号，二选一电路22b输出参考时钟Fcal，然后对压控振荡器27进行闭环校准。校准完成后，电荷控制信号CP_EN变为高电平，锁相环环路断开，电荷泵电路停止为环路滤波器26充电；调制控制信号B3变为高电平，输入信号通过调制电路11调控压控振荡器27，实现对输入信号的移频键控调制。

在一种实施方式中，信号放大电路包括低噪声放大电路31和注入锁定振荡器32，接收机还包括第一开关SW1、第二开关SW2和缓存器35，低噪声放大电路31的输出端耦合至注入锁定振荡器32的第一输入端，注入锁定振荡器32的输出端耦合至第二分频器33，第一开关SW1接在环路滤波器26和压控振荡器27之间，第二开关SW2的一端耦合至环路滤波器26的输出端，另一端耦合至缓存器35的输入端，缓存器35的输出端耦合至注入锁定振荡器32的第二输入端。本实施方式中的收发机，接收机实现过程为：首先通过第二分频信号C_sel_2调整第二分频器33的分频比，进行信道选择。然后闭合第二开关SW2，断开第一开关SW1，通过第一控制信号B1和第二控制信号B2，使得二选一电路22a输出参考时钟Fcal，二选一电路22b输出第二分频器33的信号，对注入锁定振荡器32进行频率校准。接收机随后进行闭环解调，闭合第一开关SW1，断开第二开关SW2，通过第一控制信号B1和第二控制信号B2，使得二选一电路22a输出第一分频器28的信号，调制信号RX_in经低噪声放大器31后进入注入锁定振荡器32，将调制信号RX_in再次放大后送入电荷泵锁相环2电路中，迟滞比较器34根据环路滤波器26上的电压变化，将输入的移频键控调制信号解调出来。

进一步，还包括稳压电容36，稳压电容36的一端接在缓存器35的输出端，另一端接地，稳压电容36用于稳定缓存器35输出端的电压。

作为一种实施方式，压控振荡器27为双端口控制的环形振荡器，调制控制电路11和环路滤波器26的输出端分别耦合至环形振荡器27的两个输入端口。

在一种实施方式中，调制控制电路11为电压选择电路，其电路结构简单，进一步降低了收发机的功耗。

本实施例中，第一控制信号、第二控制信号、电荷控制信号、第一分频信号、第二分频信号、调制控制信号以及第一开关和第二开关的控制信号，可以由外部功能电路提供，也可以由内置的数字基带控制电路实现。为了减小收发机的体积，优选将数字基带控制电路内置于收发机。

实施例二：

本实施例中的通信方法基于实施例一中提供的收发机，其中，发射机的通信方法包括步骤：

双二选一电路根据第一控制信号和第二控制信号，传输接收到的压控振荡器的输出信号和晶体振荡器输出的参考时钟，耦合至鉴频鉴相器；

电荷泵为环路滤波器充电；

电荷泵接收电荷控制信号，断开电路，使发射机在锁相环开环状态下发送数据；

接收机的通信方法包括步骤：

双二选一电路根据第一控制信号和第二控制信号，传输接收到的调制信号和压控振荡器反馈信号，耦合至鉴频鉴相器；

根据电荷控制信号，电荷泵锁相环在闭环状态下工作，电荷泵输出耦合至环路滤波器，环路滤波器的输出分别耦合至压控振荡器和迟滞比较器，迟滞比较器解调接收到的调制信号。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种基于锁相环的收发机，包括发射机和接收机，所述发射机包括调制电路，所述接收机包括信号放大电路和迟滞比较器，其特征在于，所述发射机和所述接收机共用电荷泵锁相环；

所述电荷泵锁相环包括晶体振荡器、双二选一电路、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器和压控振荡器，所述晶体振荡器的输出经所述双二选一电路连接到所述鉴频鉴相器，所述鉴频鉴相器的输出端耦合至所述电荷泵，所述电荷泵受电荷控制信号控制，所述电荷泵的输出端耦合至所述环路滤波器，所述环路滤波器的输出端耦合至所述压控振荡器，所述压控振荡器的输出反馈至所述双二选一电路；所述双二选一电路受第一控制信号和第二控制信号控制；

所述调制电路的输入端接收采集到的输入信号，输出端耦合至所述压控振荡器；所述信号放大电路输入端用于接收调制信号，输出端耦合至所述双二选一电路，所述迟滞比较器的一输入端耦合至所述环路滤波器的输出端，另一端耦合至参考电压。

2.如权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述发射机还包括第一分频器，所述第一分频器为可编程分频器，所述第一分频器接于所述电荷泵锁相环的反馈回路上，所述第一分频器受第一分频信号控制。

3.如权利要求2所述的收发机，其特征在于，所述接收机还包括第二分频器，所述第二分频器为可编程分频器，所述第二分频器接于所述信号放大电路与所述双二选一电路之间，所述第二分频器受第二分频信号控制。

4.如权利要求3所述的收发机，其特征在于，所述电荷泵包括电荷泵使能电路和电荷泵电路，所述电荷泵使能电路的输出端耦合至所述电荷泵电路的输入端，所述电荷泵使能电路受所述电荷控制信号控制。

5.如权利要求4所述的收发机，其特征在于，所述调制电路包括调制控制信号输入端，所述调制电路通过所述调制控制信号输入端接收调制控制信号。

6.如权利要求5所述的收发机，其特征在于，所述接收机还包括第一开关、第二开关和缓存器，所述信号放大电路包括低噪声放大电路和注入锁定振荡器，所述低噪声放大电路的输出端耦合至所述注入锁定振荡器的第一输入端，所述注入锁定振荡器的输出端耦合至所述第二分频器，所述第一开关接在所述环路滤波器和所述压控振荡器之间，所述第二开关的一端耦合至所述环路滤波器的输出端，另一端耦合至所述缓存器的输入端，所述缓存器的输出端耦合至所述注入锁定振荡器的第二输入端。

7.如权利要求6所述的收发机，其特征在于，还包括稳压电容，所述稳压电容的一端接在所述缓存器的输出端，另一端接地。

8.如权利要求7所述的收发机，其特征在于，所述压控振荡器为双端口控制的环形振荡器，所述调制电路和所述环路滤波器的输出端分别耦合至所述环形振荡器的两个输入端口。

9.如权利要求8所述的收发机，其特征在于，所述调制电路为电压选择电路。

10.一种如权利要求1-9中任一项所述的收发机的通信方法，其特征在于，发射机的通信方法包括步骤：

所述双二选一电路根据第一控制信号和第二控制信号，传输接收到的压控振荡器的输出信号和晶体振荡器输出的参考时钟，耦合至所述鉴频鉴相器；

所述电荷泵为所述环路滤波器充电；

电荷泵接收所述电荷控制信号，断开电路，使发射机在锁相环开环状态下发送数据；

接收机的通信方法包括步骤：

所述双二选一电路根据第一控制信号和第二控制信号，传输接收到的调制信号和压控振荡器反馈信号，耦合至所述鉴频鉴相器；

根据电荷控制信号，所述电荷泵锁相环在闭环状态下工作，所述电荷泵输出耦合至所述环路滤波器，所述环路滤波器的输出分别耦合至所述压控振荡器和所述迟滞比较器，所述迟滞比较器解调接收到的调制信号。