CN108702169B - 用于双向无线通信的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于执行无线通信的装置和方法。在一些实施例中，一种装置包括变压器，该变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组。该装置还包括与第一绕组耦合的第一发射器电路以及与第二绕组耦合的第二电路。第三绕组与天线耦合。第一发射器电路被配置为通过第一绕组与第三绕组之间的磁耦合向天线发射第一信号。第二电路被配置为不受损地承受来自第一发射器电路的第二信号，其中该第二信号是通过第一绕组与第二绕组之间的磁耦合从第一信号产生的。第一绕组与第二绕组之间的匝数比可以被配置为将第二信号的电压限定在预定阈值内。

Description

用于双向无线通信的系统和方法

优先权要求和相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2017年10月31日提交的申请号为15/798,501、发明名称为“用于双向无线通信的系统和方法”的美国非临时专利申请的权益和优先权。

技术领域

本文的实施例一般涉及无线通信，并且更具体地，涉及用于双向无线通信的系统和方法。

背景技术

双向无线通信系统包括发射器、接收器和天线。发射器可以接收携带某一信息的数据，基于该数据产生电信号，并向天线发送该电信号。天线可以将从发射器接收的电信号转换为无线信号。无线信号可以以无线电波的形式传播一定距离以传输信息。天线也可以接收无线信号，将其转换为电信号，并向接收器提供转换的电信号。接收器可以对从天线接收的电信号进行放大和滤波，并向其他电路块提供电信号以提取信息。发射器和接收器可以集成在集成电路(Integrated Circuit，IC)芯片上，而天线可以是芯片外组件而非IC芯片的一部分。

在通信系统中，天线可以通过固定的电连接与发射器和接收器耦合。每个发射器和接收器都可以被单独控制以接入天线。例如，当发射器通过固定的电连接向天线发射电信号时，可以禁用接收器，或控制接收器以丢弃来自发射器的电信号。同样，当接收器通过固定的电连接接收来自天线的电信号时，可以控制发射器不向固定的电连接发射任何信号。

这样的布置工作在允许在不同时间通过公共信号路径传输和接收通信数据的通信协议下，例如时分复用。然而，这样的布置会使接收器遭受发射器发射的电信号，其可能导致不良后果。例如，发射器可以设计为发射相对较大的电压摆幅的信号。由于信号在空间内传播，电压摆幅可以设计为覆盖发射信号功率的衰减。发射信号的电压电平可能会对接收器的晶体管器件造成高压应力，从而可能导致设备故障。因此，接收器的可靠性可能会降低。

代替固定的电连接，可以提供发射器/接收器(Transmitter/Receiver，T/R)开关，以使得发射器和接收器中的一个与天线电连接。T/R开关可以包括：控制天线与发射器之间的电连接的第一晶体管以及控制天线与接收器之间的电连接的第二晶体管。可以控制两个晶体管协同操作。当发射器通过第一开关向天线发射电信号时，接收器可以通过第二开关与天线电隔离。当接收器通过第二开关接收来自天线的电信号时，发射器可以通过第一开关与天线电隔离。T/R开关通常也是芯片外组件。

发明内容

描述了提供有助于无线通信的技术的某些实施例。根据本公开的某些方面，提供了一种装置。该装置包括变压器，该变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组。该装置还包括与第一绕组耦合的第一发射器电路以及与第二绕组耦合的第二电路。第三绕组与天线耦合。第一发射器电路被配置为通过第一绕组与第三绕组之间的磁耦合向天线发射第一信号。第二电路被配置为不受损地承受来自第一发射器电路的第二信号，该第二信号是通过第一绕组与第二绕组之间的磁耦合从第一信号产生的。第一绕组与第二绕组之间的匝数比可以被配置为将第二信号的电压限定在预定阈值内。

在一些实施例中，第二电路包括至少一个接收器电路；接收器电路被配置为通过第二绕组与第三绕组之间的磁耦合接收来自天线的第三信号。第二电路还可以包括第二绕组与接地节点之间的开关；当第一发射器电路发射第一信号时，该开关断开以将第二绕组与接地节点断开。

在一些实施例中，第二电路包括至少一个第二发射器电路；第二发射器电路被配置为通过第二绕组与第三绕组之间的磁耦合向天线发射第四信号。第二电路还可以包括第二绕组与接地节点之间的开关；当第一发射器电路发射第一信号时，该开关断开以将第二绕组与接地节点断开。该第一发射器电路可以被配置发射作为具有第一最大电压的第一变化信号的所述第一信号；第二发射器电路被配置发射作为具有第二最大电压的第二变化信号的所述第四信号；该第一最大电压大于该第二最大电压。

在一些实施例中，该变压器是巴伦变压器；第一发射器电路包括全差分输出级。

在一些实施例中，该预定阈值是基于第一信号的最大电压和第二电路的操作电压设定的。该操作电压可以是基于第二电路的晶体管器件的预定电压应力容限确定的。

根据本公开的某些方面，提供了一种装置。该装置包括变压器，该变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，第三绕组与天线耦合。该装置还可以包括与第一绕组耦合的第一发射器电路、与第二绕组耦合的第二电路以及控制器电路。控制器电路被配置为确定从该装置到另一设备的距离，基于该距离确定在天线处发射的第一信号的目标强度，以及基于该目标强度选择第一发射器电路以发射第一信号。控制器电路还被配置为：向第一发射器电路发射表示第一信号的数据，以使第一发射器电路能够通过第一绕组与第三绕组之间的磁耦合向天线发射第一信号。第二电路可以被配置为不受损地承受来自第一发射器电路的第二信号，该第二信号是通过第一绕组与第二绕组之间的磁耦合从第一信号产生的。而且，第一绕组与第二绕组之间的匝数比可以被配置为将第二信号的电压限定在预定阈值内。

在一些实施例中，控制器电路被配置为：基于从另一设备接收的接收信号强度信息(RSSI)确定距离。控制器电路可以被配置为基于该距离确定自由空间路径损耗(FSPL)比率，基于FSPL和所需的接收信号强度确定所需的输出摆浮，以及基于所需的输出摆浮选择第一发射器电路。

在一些实施例中，第二电路还包括与第二绕组耦合的接收器电路。该第二电路还可以包括第二绕组与接地节点之间的开关；当第一发射器电路发射第一信号时，该开关断开以将第二绕组与接地节点断开。

在一些实施例中，第一发射器电路被配置为发射作为具有第一最大电压的第一变化信号的第一信号。该第二电路被配置为发射或接收作为具有第二最大电压的第二变化信号的第二信号。该第一最大电压大于该第二最大电压。

在一些实施例中，该变压器是巴伦变压器。第一发射器电路包括全差分输出级。该预定阈值可以是基于该第一信号的最大电压和第二电路的操作电压设定的。该操作电压可以是基于该第二电路的晶体管器件的预定电压应力容限进行确定的。

根据本公开的某些方面，提供了一种发射无线信号的方法。该方法可以由通信系统执行，该通信系统包括变压器，该变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，第三绕组与天线耦合；与第一绕组耦合的第一发射器电路；以及与第二绕组耦合的第二电路。该方法可以包括：确定从该通信系统到另一设备的距离，基于该距离确定在天线处发射的第一信号的目标强度，基于该目标强度选择第一发射器电路以发射第一信号，以及向第一发射器电路发射表示第一信号的数据，以使第一发射器电路能够通过第一绕组与第三绕组之间的磁耦合向天线发射第一信号。在一些实施例中，该方法还包括：通过第二电路并通过第二绕组接收来自另一设备的接收信号强度信息(RSSI)，其中该距离是基于RSSI确定的。

附图说明

将参照附图描述根据本公开的各种实施例，其中：

图1A-1D示出了根据本公开某些方面的双向通信系统的示例。

图2A-2C示出了根据本公开某些方面的图1A中双向通信系统的组件的示例；

图3A-3C示出了根据本公开某些方面的双向通信系统的另一个示例。

图4示出了根据本公开某些方面的在双向通信系统中使用的变压器的布局结构的示例。

图5示出了根据本公开某些方面的发射无线信号的过程的示例；以及

图6示出了根据本公开某些方面的用于实现双向通信系统的组件的计算设备的示例。

具体实施方式

在以下描述中，将描述各种实施例。为了解释的目的，将阐述具体配置和细节以便彻底理解实施例。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有具体细节的情况下实施这些实施例。此外，为了不混淆所描述的实施例，可以省略或简化公知的特征。

双向无线通信系统包括发射器、接收器和天线。发射器和接收器可以集成在集成电路(Integrated Circuit，IC)芯片上，而天线可以是芯片外组件而非IC芯片的一部分。该通信系统可以包括芯片外T/R开关，以控制发射器和接收器之间向天线的接入，并且提供发射器和接收器之间的电隔离。

芯片外T/R开关的使用可能会降低通信系统的性能。例如，T/R开关可以向天线和发射器之间以及天线和接收器之间的信号路径引入显著电阻和寄生电容，这会降低系统的操作带宽。而且，T/R开关和发射器之间以及T/R开关和接收器之间的各自接口处的阻抗不匹配也会在该信号路径中导致插入损耗。尽管T/R开关可以在发射器和接收器之间提供电隔离(例如，为了降低该接收器遭受产生的高压电信号的风险)，T/R开关可能会对整个通信系统带来显著的性能下降。

这里描述的技术用于通过磁耦合提供发射器和接收器之间向天线的共享接入。在一些实施例中，具有至少第一绕组、第二绕组和第三绕组的变压器可以用于提供该共享接入。在这些实施例中，第一绕组可以电连接到发射器；第二绕组可以电连接到接收器；并且第三绕组可以电连接到天线。在这些实施例中，发射器可以通过第一绕组与第三绕组之间的磁耦合向天线发射信号。在这些实施例中，接收器也可以通过第二绕组与第三绕组之间的磁耦合接收来自天线的信号。在这些实施例中，接收器也可以通过第一绕组与第二绕组之间的磁耦合接收来自发射器的信号。在这些实施例中，可以设置第一绕组和第二绕组之间的匝数比，使得接收器从发射器接收的信号可以被限定在预定阈值内。作为说明性示例，如果发射器发射最大电压为3v的信号，并且接收器的晶体管被设计为在1v的电压下操作，则第一绕组与第二绕组之间的匝数比可以设置为约3.3:1。使用该匝数比，接收器从发射器接收的信号可以被限定为1v。

应理解，上文描述的实施例并非旨在进行限制。在一些其他实施例中，根据本公开的变压器中的绕组的数量可以多于三个或少于三个。例如，根据本公开的变压器可以具有四个绕组，其中四个绕组中的匝数比为4:1:1:1。可以构思其他示例。

使用变压器而非晶体管来提供对天线的共享接入具有优势。首先，变压器的电阻和电容通常小于T/R开关的电阻和电容。其次，变压器可以集成为IC芯片的一部分，该IC芯片包括发射器和接收器。所有的这些都可以减小天线与发射器/接收器之间的信号路径上的电阻、电容以及插入损耗，并且可以改善通信系统的性能。连接到接收器和发射器的绕组之间的匝数比可以被配置为降低接收器的晶体管器件上的高压应力。因此，可以提高接收器的可靠性和整个通信系统的可靠性。

图1A示出了可以用于各种实施例的无线系统100。在一些示例中，无线系统100可以包括短距离通信系统，例如，蓝牙^TM低能耗(Bluetooth TM Low Energy，BLE)系统。如图1A所示，无线系统100可以包括第一通信系统102、第二通信系统120和/或任何其他组件。如图所示，第一通信系统102可以连接到天线104，而第二通信系统120可以连接到天线124。通过天线104和天线124，第一通信系统102以及第二通信系统120可以进行无线通信。例如，第一通信系统102可以是封装在无线耳机内的硅芯片的一部分，而第二通信系统120可以是电话的一部分。在该示例中，用户可以对无线耳机讲话，该无线耳机将音频信号转换为无线信号130。然后，第一通信系统102可以通过天线104发射无线信号130。第二通信系统120可以通过天线124接收无线信号130，并将接收的信号提供给电话的其他处理电路以向蜂窝网络发送。此外，第一通信系统102也可以通过天线124接收来自第二通信系统120的无线信号132，并且向无线耳机的其他处理电路提供接收的信号。无线耳机可以将接收的信号转换为音频信号，并向用户输出音频信号。

如图1A所示，第一通信系统102可以包括控制器电路106、发射器电路108、接收器电路110、电磁设备112和/或任何其他组件。控制器电路106可以充当发射器电路108/接收器电路110与任何其他处理逻辑(图1中未示出)之间的接口。例如，控制器电路106可以接收数据，将该数据转换成电信号，并向发射器电路108提供该信号用于传输。控制器电路106还可以接收来自接收器电路110的电信号，将接收的信号转换成数据，并向处理逻辑转发该数据。下文将要详细讨论，发射器电路108可以通过电磁设备112向天线104发射从控制器电路106接收的电信号。接收器电路110同样可以通过电磁设备112接收来自天线104的电信号，并向控制器电路106发射接收的信号。控制器电路106还可以控制发射器电路108和接收器电路110的其他操作。例如，当发射器电路108向天线104发射信号时，控制器电路106可以禁用接收器电路110(或者丢弃接收器电路110的输出)。而且，当接收器电路110接收来自天线104的信号时，控制器电路106可以禁用发射器电路108，或将向发射器电路108的输入固定在静态电压，使得发射器电路108不在天线104处生成信号。

发射器电路108可以包括用于向天线104发射电信号的电路。该电路可以包括，例如，一个或多个功率放大器。该一个或多个功率放大器的示例可以包括多级固态放大器，其中每一级都包括一个或多个晶体管和电感器。每一级的晶体管都可以放大电信号，同时电感器可以用于DC偏置、滤波和阻抗匹配。晶体管可以包括金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、双极结晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)和/或任何其他类型的晶体管。

多级固态放大器可以是单端或全差分放大器。图1B示出了可以是发射器电路108的一部分的单端两级功率放大器140的示例。功率放大器140的每一级包括N型晶体管(例如，晶体管142a或晶体管142b)及扼流电感器(例如，扼流电感器144a或扼流电感器144b)。每一级具有单一的输入和单一的输出。第一级的输入(连接到输入端口141的晶体管142a的栅极)可以接收来自控制器电路106的电压，并且第一级的输出可以连接到第二级的输入(晶体管142b的栅极)。第二级的输出(连接到输出端口148的晶体管142b的漏极)可以连接到，例如，电磁设备112。电磁设备112可以在天线104处生成信号。下面将更详细讨论，信号可以通过磁耦合从放大器的输出得到。扼流电感器144a和扼流电感器144b可以连接到输出偏置电压146。输出偏置电压146与功率放大器140的最大输出电压摆幅可以设置放大器的最大输出电压。例如，如果最大输出电压摆幅为+/-1v，且输出偏置电压146设置为2v，则功率放大器140的输出电压范围可以在1-3v之间，其中最大输出电压为3v。

图1C示出了可以是发射器电路108的一部分的全差分功率放大器150的示例。功率放大器150包括被配置为差分对(例如，晶体管152a和晶体管152b)的一对N型晶体管(例如，MOSFET、BJT等)。该差分对的每个输入可以通过电阻器-电容器网络与端口152耦合。端口152可以与电压源耦合，以设置差分对的输入DC电平。该差分对还可以与被配置为共源共栅装置的一对晶体管154a和晶体管154b耦合，其中晶体管154a和晶体管154b的栅极端子通过端口162与另一个DC电压源耦合。一对晶体管154a和晶体管154b的漏极端子161a和漏极端子161b是功率放大器150的差分输出。漏极端子161a和漏极端子161b可以与电磁设备112(例如，巴伦变压器)耦合，其为功率放大器150提供RF扼流。与单端功率放大器140相比，全差分功率放大器150可以提供对共模噪声(例如，出现在两个差分输入上的噪声)、干扰、偶阶谐波等的消除，其可以提高发射信号的保真度。

再次参考图1A，接收器电路110可以包括用于处理(通过电磁设备112)从天线104接收的电信号的电路。该电路可以包括，例如，低噪声放大器。图1D示出了低噪声放大器180的示例，在该示例中，该低噪声放大器180包括被配置为放大器的N型晶体管182以及包括电阻器184a、电容器184b和电感器184c的滤波器箱(filter tank)184。滤波器箱184可以连接到电源电压186，其可以设置低噪声放大器180的最大输出电压。低噪声放大器180可以包括电感器188，该电感器188被配置为向N型晶体管182提供电感负反馈以用于阻抗匹配。晶体管182的栅极连接到与偏置电压192连接的偏置电阻器190，以设置晶体管182的DC操作点。低噪声放大器180可以在晶体管182的栅极(连接到输入端口181)接收来自电磁设备112的电信号，对接收的信号进行滤波和放大，并且在晶体管182的漏极(连接到输出端口183)处输出处理过的信号。接收器电路110可以包括其他电路，如变频器(图中未示出)，在向控制器电路106进行发送之前，处理接收的信号。

再次参考图1A，电磁设备112可以允许发射器电路108和接收器电路110之间向天线104的共享接入。例如，电磁设备112可以接收来自发射器电路108的输出端口的电信号，并基于接收的信号，通过磁感应在天线104处生成电信号。电磁设备112可以接收来自天线104的电信号，并基于接收的信号，通过磁感应在接收器电路110的输入端口处生成电信号。在一些实施例中，电磁设备112可以是具有多个绕组的变压器。当将交流电压施加到一个绕组上时，交流电流过绕组。交流电产生磁通量。磁通量流过其他绕组，并在每个绕组上感应出交变电压。如果每个绕组都连接到负载，交流电也可能在每个绕组中流动。另一方面，如果将静态电压施加到绕组上，不会产生磁通量。

现参考图2A，图2A示出了根据本公开某些方面的图1A中第一通信系统102的组件的示例。如图2A所示，发射器电路108包括功率放大器(Power Amplifier，PA)140，接收器电路110包括低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)180。功率放大器140的输入端口141和低噪声放大器180的输出端口183都连接到控制器电路106。此外，电磁设备112包括具有绕组202、绕组204和绕组206的变压器。每个绕组具有两个双向端口。例如，绕组202具有端口202a和端口202b，绕组204具有端口204a和端口204b，绕组206具有端口206a和端口206b。在图2A的示例中，绕组202在端口202a处连接到功率放大器140的输出端口148，而端口202b接地。而且，绕组204在端口204a处连接到天线104，而端口204b接地。此外，绕组206在端口206a处电连接到低噪声放大器180的输入端口181，而端口206b接地。

绕组202、绕组204和绕组206之间的磁耦合可以实现功率放大器140和低噪声放大器180之间向天线104的共享接入。例如，当第一通信系统102在接收数据(例如，接收来自第二通信系统120的数据)的过程中，控制器电路106可以禁用功率放大器140或向该放大器发射静态信号，以防止功率放大器140在绕组204(和天线104)处感应信号。天线104可以接收来自第二通信系统120的无线信号，并将接收的无线信号转换为交流电压。将交流电压施加到绕组204上，其可以产生交变磁通量。当交变磁通量流过绕组202和绕组206，可以在绕组202和绕组206中的每一个绕组上感应出交流电压的缩放版本。低噪声放大器180可以基于在绕组206处感应的交流电压，在输出端口183处产生输出，并提供给控制器电路106。在绕组202处感应的交流电压也对功率放大器140产生不显著的影响，因为该放大器不发送数据。

另一方面，当第一通信系统102在发射数据(例如，向第二通信系统120发射数据)的过程中，功率放大器140通过输入端口141接收来自控制器电路106的数据，并在输出端口148处产生交流电压。将交流电压施加到绕组202，其产生交变磁通量。当交变磁通量流过绕组204和绕组206时，可以在绕组204和绕组206中的每一个绕组上感应出交流电压的缩放版本。天线104可以将在绕组204处感应的交流电压转换为无线信号，并且发射该无线信号。低噪声放大器180还可以基于在绕组206处感应的交流电压，在输出端口183处产生输出，当控制器电路106向功率放大器140发射数据时，该输出可以被控制器电路106丢弃。当控制器电路106向功率放大器140发射数据时，控制器电路106还可以通过，例如，禁用电源电压186，来禁用低噪声放大器180。

尽管控制器电路106可以被配置为在向功率放大器140发射数据时丢弃低噪声放大器180的输出，在绕组206处感应的交流电压可能使低噪声放大器180的晶体管器件(例如，图1D的晶体管182)遭受高电压。例如，参考图2B，功率放大器140的输出电压范围可以在0v至3.3v之间。功率放大器140可以被配置为输出该电压摆幅，以解决信号在空间传播时的信号功率的衰减。如果绕组202和绕组206之间的匝数比为1：1，则可以在绕组206处以及在晶体管182的栅极处引入0-3.3v的交流电压。

0-3.3v的交流电压能够对晶体管182造成高压应力。通常，低噪声放大器可以由提供更高的增益和带宽的晶体管构成，以提高灵敏度和增大操作频率范围。这些晶体管器件通常具有相对低的操作电压(例如，1v)并且具有低的电压应力容限。例如，晶体管182可以被设计为接收经过栅极端子和源极端子、栅极端子和漏极端子以及漏极端子和源极端子，大小为1v的电压阈值。在由0-3.3v交流电压驱动晶体管182的栅极的情况下，可能使晶体管182遭受高电压应力，其可导致，例如，氧化物击穿、热电子效应等。所有这些都可能导致设备击穿以及设备性能的迅速退化。

为了减小功率放大器140引起的高电压应力，可以设置绕组202和绕组206之间的匝数比，以减小绕组206处感应的最大电压。例如，如图2B所示，绕组202和绕组206之间的匝数比可以设置为约3.3:1。在功率放大器140的输出电压在0V至3.3V，以及3.3:1的匝数比的情况下，绕组206处的感应电压可以被限定在0V至1V的范围内，其在晶体管182的操作电压内。利用这样的布置，可以减少晶体管182遭受的高压应力，又可以提高低噪声放大器180的可靠性。另一方面，绕组204(连接到天线104)和绕组206之间的匝数比。

尽管绕组206处的感应电压可以通过匝数比减小，以减少低噪声放大器180上的电压应力，但感应电压仍可能导致其他不良影响，例如漏电流。例如，如上文所述，晶体管182的栅极(和低噪声放大器180的输入端口181)可以通过偏置电阻器190连接到偏置电压192，以设置DC操作点。如图2B所示，绕组206可以形成从偏置电压192到地面的完整电流路径230。利用感应电压，漏电流可以沿着电流路径230流动。漏电流是不被期望的，因为其导致在接收器电路110处的功率损耗，每当发射器电路108通过天线104进行发射时，接收器电路110不执行接收器功能。

为了减少泄漏电流和由此产生的功率损耗，当发射器电路108通过天线104进行发射时，可以提供开关以断开绕组206处的电流路径。现参考图2C，图2C示出了提供有开关的第一通信系统102的示例。如图2C所示，第一通信系统102包括开关240，开关240包括N型晶体管例如MOS晶体管、BJT晶体管等。晶体管的漏极可以连接到绕组206的端口206b，而晶体管的源极可以接地。当晶体管断开时，偏置电压192与地之间的电流路径230可以被切断，并且可以阻止泄漏电流的流动。开关240的晶体管可以是与低噪声放大器180的晶体管182相同类型的晶体管，因为它们遭受相同电平的电压应力。因此，开关240可以与接收器电路110(以及发射器电路108和控制器电路106)集成在一个硅芯片上。

控制器电路106可以控制开关240的接通和断开。当发射器电路108通过绕组202和绕组204之间的磁耦合向天线104发射信号时，也在绕组206处感应出不需要的信号，这时控制器电路106可以断开开关240。控制器电路106可以禁用接收器电路110，和/或丢弃基于绕组206处的感应电压产生的接收器电路110的输出。控制器电路106可以断开开关240，以阻止由该感应电压引起的绕组206中的泄漏电流的流动。当接收器电路110通过绕组204和绕组206之间的磁耦合处理来自天线的信号时，控制器电路106可以接通开关240。

现参考图3A，图3A示了根据本公开的通信系统302的示例。通信系统302可以与天线304连接，以与另一个设备(例如，图1A中的第二通信系统120)进行双向通信。通信系统302可以是封装在无线耳机内的BLE硅芯片的一部分，并且可以代替图1A的第一通信系统102。如图3A所示，通信系统302包括控制器电路306、高电压电路308、低电压电路310和电磁设备112。

高电压电路308可以包括功率放大器140，功率放大器140可以输出0-3.3v的交流电压。低电压电路310可以包括操作电压为1v的低功率放大器180、低电压功率放大器340和开关240。低电压功率放大器340可以具有与图1B的单端功率放大器140相同的拓扑。低电压功率放大器340也可以具有与图1C的全差分功率放大器150相同的拓扑，并且至少包括输入端口342和输出端口344。低电压功率放大器340可以输出0-1v的交流电压。低噪声放大器180的输入端口181和低电压功率放大器340的输出端口344可以连接在一起形成双向端口350。低功率放大器180、低电压功率放大器340和开关240可以由具有相同电压应力容限的晶体管器件(例如，具有1v的相同操作电压)构成。

在该示例中，电磁设备112包括绕组202(具有端口202a和端口202b)、绕组204(具有端口204a和端口204b)以及绕组206(具有端口206a和端口206b)。功率放大器140可以连接到绕组202的端口202a，而端口202b可以接地。天线304可以连接到绕组204的端口204a，而端口204b可以接地。低电压电路310的端口350(连接到低噪声放大器180的输入端口181和低电压功率放大器340的输出端口344)可以连接到绕组206的端口206a，而绕组206的端口206b可以连接到开关240的漏极，其可以控制端口206b和地之间的电流路径。

在一些实施例中，通信系统302可以通过控制提供给功率放大器140和低电压功率放大器340的数据并且通过控制开关240，来提供多功率级无线信号传输。例如，在高功率传输模式中，控制器电路306可以向功率放大器140提供数据用于传输，其可以将该数据转换为集中在0-3.3v之间的电信号，并且通过绕组202和绕组204之间磁耦合向天线304输出电信号。控制器电路306还可以禁用低电压功率放大器340或者向低电压功率放大器340发射静态信号(即DC)，以防止低电压功率放大器340在天线104处感应信号。如上所述，控制器电路306也可以断开开关240，以避免由于感应电流引起的功率损耗。在低功率传输模式中，控制器电路306可以向低电压功率放大器340提供数据用于传输，其可以将数据转换为集中在0-1v之间的电信号，并且通过绕组206和绕组204之间磁耦合向天线304输出电信号。控制器电路306也可接通开关240，以允许低电压功率放大器340在绕组206处输出交流电压。当通信系统302在接收来自天线104的数据的过程中时，开关240也被接通，使得低噪声放大器180可以通过绕组204和绕组206之间的磁耦合接收来自天线104的信号。

通信系统302可以传输不同功率电平的无线信号以节省功率，同时保持接收端设备(例如，第二通信系统120)处的发射信号的保真度。如上所述，无线信号在空间中传播时可能会经历衰减。衰减的程度可以基于天线304处的无线信号的功率与接收端设备处接收的无线信号的功率之间的比率来量化。衰减的程度(也称为自由空间路径损耗(Free-SpacePath Loss，FSPL))可以根据以下公式来定义：

FSPL＝(4πd/λ)^2 (公式1)

此处，π是数学常数(3.1416)，d是与发射信号的天线304的距离，而λ是无线信号的波长。

如上所述，功率放大器的该输出摆幅被配置以解决信号在空间中传播时无线信号功率的衰减。例如，该输出摆幅可以被设置，使得接收端设备处接收的无线信号的功率电平，在衰减之后，保持在一定阈值以上。控制器电路306可以确定无线信号传播的距离，以及基于该距离的FSPL。基于该FSPL以及发射器电路处可获得的输出摆幅，控制器电路306可确定接收端设备处的一组预期的接收信号功率电平。然后，控制器电路306可以基于相应的接收信号功率电平是否超过阈值，选择输出摆幅(以及生成所选择的输出摆幅的发射器电路)。例如，如果通信系统302和第二通信系统120分隔的距离较远，则控制器电路306可以选择功率放大器140，以向天线304输出电压摆幅为0-3.3v的信号。另一方面，如果两个系统分隔的距离较近，则控制器电路306可以选择低电压功率放大器340，以向天线304输出电压摆幅为0-1v的信号，以节省功率。

控制器电路306可以基于系统与信号的目标接收设备之间的距离，确定功率放大器输出信号的传播距离。参考图1A中的示例，该传播距离可以是第一通信系统102(或通信系统302)与第二通信系统120之间的距离。首先，控制器电路306可以向第二通信系统120发射预定摆幅的信号，然后接收来自第二通信系统120的信号强度信息(Receive SignalStrength Information，RSSI)。根据公式1以及发射功率和RSSI之间的比率，控制器电路306可以估计两个系统之间的距离。基于该距离，控制器电路306可以进一步针对每一个可获得的发射器输出摆幅确定第二通信系统120处的一组接收信号功率。然后，如上所述，控制器电路306可以选择提供超过阈值的接收信号功率电平的输出摆幅，并相应地配置放大器以及开关240。

图3B示出了通信系统302的另一示例，该通信系统302中，高压电路308包括差分功率放大器(例如，图1C的功率放大器150)，并提供巴伦变压器360来代替电磁设备112。巴伦变压器360包括绕组362、绕组364以及绕组366。绕组362可以分别在端口362a和362b处连接到功率放大器150的输出端口161a和输出端口161b，以接收来自功率放大器150的差分信号。绕组364在端口364a处连接到天线304，而端口364b接地。绕组366的端口366a连接到低电压电路310的端口350，而端口366b连接到开关240的漏极。巴伦变压器360还包括端口368，其可连接到DC电压源以提供DC偏置。DC偏置可以设置功率放大器150的差分输出的共模电压。绕组362可以在端口362a和端口362b处接收差分信号，并且在绕组364和绕组366处感应出单端信号。图3C示出了端口362a(161a)、端口362b(161b)和端口366a(364a)处的电压波形的示例，其中绕组362和绕组366之间的匝数比设置为3.3:1，差分功率放大器的输出电压在0至1.65v之间，且端口368处的DC偏置设置为0.825v。

图4示出了巴伦变压器360的布局结构的一个示例。绕组362、绕组364和绕组366可以是堆叠结构的一部分，其中每个绕组由一个金属层来实现。在图4的示例中，绕组362可以是位于最上面的金属层，绕组364可以是中间金属层的一部分，绕组366可以是底部金属层的一部分。绕组362的一部分可以覆盖绕组364的顶部，而绕组364的一部分可以覆盖绕组366的顶部。这些绕组的布置，使得它们沿着x-y平面共轴，其中将交流电压施加到这些绕组中的一个绕组上可以感应出沿z方向流动的磁通量。沿z方向流动的磁通量会在其他绕组上感应出电压和电流。尽管图4示出的绕组362、绕组364和绕组366中的每一个绕组都为单个绕组，但应理解，这些绕组中的每一个可以在其各自的金属层中可以包括多个堆叠的绕组(沿z轴)。作为说明性示例，绕组362可以被构造为具有来自三个金属层的金属，以形成堆叠的三绕组线圈。

图5示出了根据本公开某些方面的用于执行双向无线通信的过程500的示例流程图。过程500可以通过上文描述的各种系统例如控制器电路306来实现，执行与图1A的第二通信系统120之间的无线通信。控制器电路306和第二通信系统120可以是BLE系统或其他短程通信系统的一部分。

在操作502中，系统确定与信号的目标接收端设备之间的距离。目标接收端设备可以是第二通信系统120。该系统确定该距离可以基于，例如，目标接收端设备提供的RSSI信息。

在操作504中，系统基于该距离，确定信号所需的输出摆幅。例如，基于该距离，系统可以确定FSPL。基于该FSPL，系统可以针对可获得的输出摆幅，确定该接收端设备处预期的接收无线信号功率。系统可以选择与超过阈值的预期的接收无线信号功率对应的该输出摆幅，作为所需的输出摆幅。

在操作506中，系统基于所需的输出摆幅发射信号，选择第一功率放大器(例如，功率放大器140或功率放大器150)和第二功率放大器(例如，低电压功率放大器340)中的一个，。例如，如果需要0-3.3v的电压摆幅，则系统选择功率放大器140或功率放大器150来发射信号。另一方面，如果需要0-1v的电压摆幅，则系统选择低电压功率放大器340来发射信号。

在操作508中，系统基于该选择确定配置。例如，如果需要0-3.3v的电压摆幅，则系统可以禁用低电压功率放大器340，或者向低电压功率放大器340提供静态信号输入。系统也可以禁用开关240。另一方面，如果需要0-1v的电压摆幅，该系统可以禁用功率放大器140(或功率放大器150)，或者向该功率放大器提供静态信号输入。系统也可以启用开关240。然后，在操作510中，该系统向所选择的放大器向天线304发射数据。

需要注意的是，尽管图5描述了示例过程作为顺序操作，一些操作可以并行或同时执行。可能会有未包括在图中的其他步骤的操作。一些操作可以是可选的，因此在各实施例中可以省略。一些操作可能与其他操作一起执行。此外，方法的实施例可以在硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其任意组合中实现。

图6示出了根据本公开的可用于实现(图1A的)控制器电路106和(图3A的)控制器电路306的计算系统600的示例。如图6所示，计算系统600可以包括一个或多个处理器612、存储器设备614、存储器设备616和通信接口618，所有这些都可以通过总线620彼此通信。

存储器设备614可以是用于存储由处理器612执行的信息和指令的随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或其他易失性存储设备。存储器设备614还可以在由处理器612执行的指令被执行期间，用于存储瞬时变量或其他中间信息。这样的指令在被存储在处理器612可访问的非瞬时存储介质(例如，存储设备616)中之后，使计算系统600成为特殊用途的机器，该机器被定制以执行指令中指定的操作。这些指令可以被组织到不同的软件模块中，例如，可以包括例如软件组件、面向对象的软件组件、类别组件和任务组件的组件、程序、功能、字段、过程、子程序、程序代码段、驱动程序、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表格、数组和变量。

通常，本文使用的词语“模块”指的是以硬件或固件实现的逻辑，或指的是可能具有入口和出口点、以编程语言编写的软件指令的集合，例如，Java、Lua、C或C++。软件模块可以编译并链接到可执行程序中，安装在动态链接库中，或者用解译编程语言编写，例如，BASIC、Perl或Python。应理解，软件模块可以从其他模块或被其本身调用，和/或可以响应于检测到的事件或中断而被调用。配置用于在计算设备上执行的软件模块可以提供在计算机可读介质上，如光盘、数字视频盘、闪存驱动器、磁盘或者任何其他有形介质，或者数字下载(并且可以初始被存储在压缩或可安装的格式中，在执行之前需要安装、解压缩或解密)。这样的软件代码可以部分或全部存储在执行计算设备的存储器设备上，以供计算设备执行。软件指令可以嵌入固件中，如EPROM。应进一步理解的是，硬件模块可以包括连接的逻辑单元，例如门和触发器，和/或可以包括可编程单元，例如可编程门阵列或处理器。优选地，本文描述的模块或计算设备功能作为软件模块实现，但可以在硬件或固件中表示。通常，本文描述的模块是指逻辑模块，该逻辑模块可以与其他模块组合或者被划分成子模块而不管其物理组织或存储。

计算系统600可以使用定制的硬连线逻辑、一个或多个ASIC或FPGA、固件和/或程序逻辑，来实现本文所描述的技术，其与计算机系统结合使得或将计算机系统600编程成为特定用途的机器。根据一些实施例，响应于处理器612执行分别包含在存储器614中的一个或多个指令的一个或多个序列，计算系统600执行本文描述的操作、功能和技术以及其他特征。这样的指令可以是从另一存储介质，如存储设备616读入存储器614。存储器614中包含的指令序列的执行使得处理器612执行本文所述的过程步骤，例如图5的过程500。在可替代实施例中，可以使用硬连线电路代替软件指令或与软件指令组合。

本文使用的术语“非瞬时介质”是指用于存储使得机器以特定方式操作的数据和/或指令的任意非瞬时介质。这种非瞬时介质可以包括非易失性介质和/或易失性介质。非易失性介质可以包括，例如，光或磁设备如存储设备616。易失性介质可以包括动态存储器，例如存储器614。非瞬时介质的常见形式包括，例如，软磁盘、软盘、硬盘、固态驱动器、磁带或任何其他磁性数据存储介质、CD-ROM、任何其他光学数据存储介质、任何带有孔图样的物理介质、RAM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、NVRAM、任何其他存储芯片或胶卷以及其联网版本。

通信接口618可以提供双向数据通信。该接口可以包括与例如功率放大器140、功率放大器150和功率放大器340以及低噪声放大器180连接的电路。该电路可以包括，例如，频率转换器(如混频器)、模数转换器转换器、符号编码器和解码器等。

因此，说明书和附图认为是示例性的而非限制性的。然而，显而易见的是，可以在不脱离所附权利要求所阐述的本公开的更广泛的精神和范围的情况下对其进行各种修改和改变。

其它变化也属于本公开的精神范围之内。因此，尽管公开的技术可以容许各种修改和替换结构，但其中一些示意性实施例仍在附图中示出并在上文中进行了详细说明。然而，应该理解的是，本公开并不限于特定的形式或者所公开的形式，而是相反，旨在涵盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、可替换结构和等价，如所附的权利要求所限定。

在描述所公开的实施例(特别是在上面的权利要求书的上下文中)所使用的术语“一”、“一个”、“所述”以及类似的指示语均应解释为涵盖了单数和复数，除非文中另有指示或者与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括(comprising)”、“具有”、“包括(including)”、和“包含(containing)”应被解释为开放式用语(即，意思是“包括但不限于”)。术语“连接”应解释为部分或全部包含在内、连接于或连接在一起，即使会有一些物件介于其间。本文中所引用的数值范围仅旨在提供一种用于分别引用落入该范围内的各个离散数值的简便方法，除非文中有其他指示，否则各个离散数值均包含在该说明书中，如同其在文中是被单独引用一样。除非文中另有指示或者上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以任何合适的顺序实施。除非另有声明，否则所使用的任何或所有示例，或者文中所使用的示例性语言(如“例如”)仅旨在更好地说明本公开的实施例，而非限定本公开的范围。说明书中的任何语言均不应被解释为是指示任一未在权利要求中要求的元素是实施本公开的必要元素。

除非特别声明，否则析取性用语(disjunctive language)，如短语“X，Y或Z中的至少一个”在上下文中要如通常所使用的进行理解，以表示项、术语等可以是X、Y或Z，或其任意组合(例如，X、Y和/或Z)。因此，这样的析取性用语通常并不旨在且不应当暗示某些实施例需要至少一个X、至少一个Y、或至少一个Z三者均存在。

本文描述了本公开的各种实施例，包括本发明人所知的实施本公开的最佳方式。通过阅读上述说明书，本领域普通技术人员显然能够想到这些优选实施例的变型方式。本发明人期望技术人员会采用这些适当的变型方式，并且本发明人同样希望以本文中具体描述的方式以外的方式来实施本公开。因此，本公开包括适用法律所允许的所附权利要求叙述的主题的所有的变型和等效。此外，除非文中有其他指示或者与上下文明显矛盾，否则本公开包括上述元素的所有可能的变型的任意组合。

Claims (18)

1.一种用于执行无线通信的装置，包括：

变压器，包括第一绕组、第二绕组和第三绕组；

与所述第一绕组耦合的第一发射器电路；以及

与所述第二绕组耦合的第二电路；

其中：

所述第三绕组与天线耦合；

所述第一发射器电路被配置为通过所述第一绕组与所述第三绕组之间的磁耦合向所述天线发射第一信号；

所述第二电路包括至少一个第二发射器电路，所述第二发射器电路被配置为通过所述第二绕组与所述第三绕组之间的磁耦合向所述天线发射第四信号；

所述第二电路被配置为不受损地承受来自所述第一发射器电路的第二信号，其中，所述第二信号是通过所述第一绕组与所述第二绕组之间的磁耦合从所述第一信号产生的。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二电路包括至少一个接收器电路；所述接收器电路被配置为通过所述第二绕组与所述第三绕组之间的磁耦合接收来自所述天线的第三信号。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第二电路还包括所述第二绕组与接地节点之间的开关；当所述第一发射器电路发射所述第一信号时，所述开关断开，以将所述第二绕组与所述接地节点断开。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一发射器电路被配置为发射作为具有第一最大电压的第一变化信号的所述第一信号；所述第二发射器电路被配置为发射作为具有第二最大电压的第二变化信号的所述第四信号；所述第一最大电压大于所述第二最大电压。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述变压器是巴伦变压器；所述第一发射器电路包括全差分输出级。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一绕组与所述第二绕组之间的匝数比被配置为使所述第二信号的电压限定在预定阈值内，所述预定阈值是基于所述第一信号的最大电压和第二电路的操作电压设定的。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述操作电压是基于所述第二电路的晶体管器件的预定电压应力容限确定的。

8.一种用于执行无线通信的装置，包括：

变压器，包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第三绕组与天线耦合；

与所述第一绕组耦合的第一发射器电路；

与所述第二绕组耦合的第二电路，所述第二电路包括至少一个第二发射器电路；以及

控制器电路，被配置为：

确定从所述装置到另一设备的距离；

基于所述距离，确定在所述天线处待发射的信号的目标强度；

基于所述目标强度，在所述装置的多个发射器电路中选择待使用的发射器电路；

当所选择的发射器电路为所述第一发射器电路时，向所述第一发射器电路发射表示第一信号的数据，以使所述第一发射器电路能够通过所述第一绕组与所述第三绕组之间的磁耦合向所述天线发射所述第一信号；

其中：

所述第二电路被配置为不受损地承受来自所述第一发射器电路的第二信号，其中，所述第二信号是通过所述第一绕组与所述第二绕组之间的磁耦合从所述第一信号产生的。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器电路被配置为：基于从所述另一设备接收的接收信号强度信息RSSI，确定所述距离。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制器电路被配置为：

基于所述距离，确定自由空间路径损耗FSPL比率；

基于所述FSPL比率和所需的接收信号强度，确定所需的输出摆幅；以及

基于所述所需输出摆幅，选择所述待使用的发射器电路。

11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二电路还包括与所述第二绕组耦合的接收器电路。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二电路还包括所述第二绕组与接地节点之间的开关；当所述第一发射器电路发射所述第一信号时，所述开关断开，以将所述第二绕组与所述接地节点断开。

13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一发射器电路被配置为发射作为具有第一最大电压的第一变化信号的所述第一信号；所述第二电路被配置为发射或接收作为具有第二最大电压的第二变化信号的所述第二信号；所述第一最大电压大于所述第二最大电压。

14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述变压器是巴伦变压器；所述第一发射器电路包括全差分输出级。

15.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一绕组与所述第二绕组之间的匝数比被配置为使所述第二信号的电压限定在预定阈值内，所述预定阈值是基于所述第一信号的最大电压和所述第二电路的操作电压设定的。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述操作电压是基于所述第二电路的晶体管器件的预定电压应力容限确定的。

17.一种发射无线信号的方法，所述方法由通信系统执行，所述通信系统包括变压器，所述变压器包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第三绕组与天线耦合；与所述第一绕组耦合的第一发射器电路；以及与所述第二绕组耦合的第二电路，所述第二电路包括至少一个第二发射器电路；所述方法包括：

确定从所述通信系统到另一设备的距离；

基于所述距离，确定在所述天线处待发射的信号的目标强度；

基于所述目标强度，在多个发射器电路中选择待使用的发射器电路；以及

当所选择的发射器电路为所述第一发射器电路时，向所述第一发射器电路发射表示第一信号的数据，以使所述第一发射器电路能够通过所述第一绕组与所述第三绕组之间的磁耦合向所述天线发射所述第一信号，

所述第二电路被配置为不受损地承受来自所述第一发射器电路的第二信号，其中，所述第二信号是通过所述第一绕组与所述第二绕组之间的磁耦合从所述第一信号产生的。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：通过所述第二电路并通过所述第二绕组接收来自所述另一设备的接收信号强度信息RSSI，其中，所述距离是基于RSSI确定的。

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