CN1104782C - 可配置的单片收发信机集成电路结构 - Google Patents

可配置的单片收发信机集成电路结构 Download PDF

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Abstract

一个单片收发信机集成电路(100)，有多个实现接收机功能，发射机功能和音频处理功能的片上集成电路。该IC(100)具有很多个接口(220，240，252，270，260，245，288，290)，位于片上电路之间，并用于将一个片上电路与另一个相连。至少部分片上接口(220，240，245，252，270)是可配置的，用于连接一个片外处理电路来代替一个相应的片上电路。在优选实施方式中，该单片收发信机IC(100)支持这么一种无线配置，即相应片上电路具有片外版。这些片上电路用于完成接收机前端功能，合成器功能，参考振荡器功能及音频处理功能。

Description

可配置的单片收发信机集成电路结构
技术领域
本发明一般涉及无线电收发信机，详细涉及实现收发信机功能的集成电路装置。
背景技术
无线电收发信机一般是由实现接收机功能，发送机功能以及音频处理功能等的积木式部件构成。一般来说，这些无线电积木式部件是由多个电路来实现的，其中很多有很高的集成度。为减少无线电收发信机的大小和成本人们已经付出了很大的努力。在该努力中，集成了无线电电路的主要部分，并可作为完成特定功能的定制芯片。定制芯片使无线电设计者可以利用当芯片被批量生产时带来的成本降低的优点。但是，这种成本节省是以灵活性为代价的，因为在设计和生产新的定制芯片时必须投入大成本否则电路将不易改变。例如，如果一些电路符合要求而其它电路不符合要求，对定制芯片进行重新设计一般是必要的。
有一种要求是当实现一个无线电收发信机时在一个单集成电路中集成尽可能多的功能。在一个通用基底上集成的整个收发信机系统将会减少成本提高可靠性。但是，设计和集成适当电路时存在的困难限制了实际的实现。最好将集成收发信机系统设计为允许在提高性能和功能方面有灵活性。因此，需要一种可配置的单片无线电收发信机。
发明内容
本发明提供了一种可配置单片收发信机集成电路，包括：
至少三个芯片内电路实现接收机功能，发送机功能和音频处理功能；以及
至少两个具有芯片外连接的接口，其中至少两个接口中的每一个接口都可配置将至少三个芯片内的电路的一个连接到至少三个芯片内电路的另一个，至少两个接口中的每一个可配置连接一个芯片外处理电路以取代至少三个芯片内电路之一。
根据本发明的可配置单片收发信机集成电路的一个方面，其中至少三个芯片内电路之一实现一个接收机前端，包括一个无线电频率放大器，一个下变混合器，以及一个基带滤波器，它们都连接在一起。
根据本发明的可配置单片收发信机集成电路的另一个方面，其中至少三个芯片内电路之一实现自动增益控制电路，该电路有一个输出信号路径连接到至少两个接口之一并能供芯片外使用。
根据本发明的可配置单片收发信机集成电路的另一个方面，其中至少三个芯片内电路之一实现音频处理块，它可配置在接收和发送模式下工作。
根据本发明的可配置单片收发信机集成电路的另一个方面，其中至少三个芯片的电路之一实现一个合成器，并且至少两个接口之一可配置连接一个替代芯片外合成器电路。
根据本发明的可配置单片收发信机集成电路的另一个方面，其中至少三个芯片内电路之一实现基准振荡器，并且至少两个接口之一可配置连接一个用于替换的芯片外基准振荡器电路。
根据本发明的可配置单片收发信机集成电路的另一个方面，可配置单片收发信机集成电路进一步包括连接到该至少两个接口的可编程接口总线。
本发明还提供一种无线电装置，包括：
一个可配置单片收发信机集成电路，包括：
一个接收机前端块，包括一个无线电频率放大器，一个无线电频率滤波器和一个下变混合器，都连接在一起；
一个接收机后端块，包括一个自动增益控制块，该块具有一个可选地连接到接收机前端块的输出；
一个第一接口将接收机前端块连接到接收机后端块，它提供使用芯片外接收机前端的接口；以及
一个第二接口为自动增益控制块的输出提供芯片外接口。
根据本发明的无线电装置的一个方面，无线电装置进一步包括接收机前端电路，它区别于可配置单片收发信机集成电路，它的接收机前端电路连接到第一接口并通过第二接口连接到自动增益控制的输出。
本发明还提供另一种可配置单片收发信机集成电路，包括：
一个接收机前端块包括一个放大器，一个滤波器和一个混合器，都连接在一起；
一个接收机后端块包括一个自动增益控制电路；
一个第一接口提供可选地将接收机后端块的自动增益电路连接到接收机前端块并提供支持用芯片外接收机前端取代接收机前端块的芯片外接口；
一个合成器块；
一个第二接口可配置地将接收机前端块连接到合成器块或选择连接到一个芯片的合成器源；
一个基准振荡块；
一个第三接口可配置地将合成器块连接到基准振荡器块或可选择连接到芯片外基准震荡器源；
一个第四接口连接到接收机后端块以提供芯片外用的接收机信号；
一个音频处理块可配置地提供发送和接收音频处理；以及
一个第五接口可配置地将音频处理块连接到接收机后端块或选择连接到一个芯片外信号源。
附图说明
图1是根据本发明的一个单片收发信机集成电路结构的框图。
图2是根据本发明的强调可配置接口的一个单片收发信机集成电路结构的简化框图。
图3是根据本发明，采用单片收发信机集成电路的第一种无线电配置的框图。
图4是根据本发明采用单片收发信机集成电路和代用外部收发机前端的第二种无线电配置的框图。
图5是根据本发明的采用单片收发信机集成电路，代用的外部合成器，代用基准电路的第三种无线电配置的框图。
图6是根据本发明的采用单片收发机集成电路和外部音频处理的第四种无线电配置的框图。
首选实施例的详细说明
本发明提供可配置单片收发信机集成电路(IC)的结构。单片收发机IC有多个实现接收机功能，发送机功能，和音频处理功能等的芯片内电路。该IC有位于各芯片内电路之间并用于将一个芯片内电路与另一个芯片内电路连接起来的接口。至少有一些单片接口可配置为连接到芯片外处理电路来取代对应的芯片内电路。在首选实施例中，单片收发信机IC支持这样一种无线电配置，即片上电路的对应功能可由片外实现，这些片上电路的对应功能包括接收机前端功能，合成器功能，基准振荡器功能以及音频处理功能。
图1是根据本发明的一个单片收发信机IC(SCT IC)100的主要部分的框图。该SCT IC 100包括实现直接转换接收机101的块，整数本地振荡器(LO)合成器117，基准振荡器和相关温度补偿电路103，以及包括接收音频电路150和发送音频电路160的音频处理块。该SCT IC100还包括一个串行端口接口(SPI)寄存器126，它方便来自外部资源，如微处理器的编程。
直接转换接收机101对最好频率范围在40 MHz与600 MHz之间的进入无线电频率(RF)信号102进行操作。进入RF信号102提供给RF预放大器级104的一个输入。RF预放大器级104提供低噪声放大并使用来自自动增益控制(AGC)电路142的输入。预放大器级104的输出提供给下变频混合器130，131的输入。优选地，一个混合器131的输出与另一个混合器130的输出相差90度的相位。下变频信号由低通滤波器132，133过滤。在首选实施例中，滤波器的带宽可通过SPI寄存器126来编程。低通滤波器132，133的滤波输出提供给上变频级105，它将基带信号转换成频率变换同相(L)和正交(Q)信号，形成限幅器134，135的输入。另外，上变频混合器105的输出被用于生成一个AGC信号和一个接收信号强度指示(RSSI)信号125。AGC电路142用于避免强的信道信号过载接收机。作为信号载波强度的指示符，RSSI125提供一个可用于监视目的的芯片外输出。基带信号还提供给芯片外使用。限幅器134，135的输出提供给频率调制(FM)解调器107的输入。解调器107提供一个与其输入信号的频率偏移成比例的输出信号。解调器107的输出信号连接到求和器136，它将解调信号与来自调制补偿块137的输入相加以提供一个频率响应基本平的音频信号。对接收机101，信号之和是有用的，因为LO合成器117可被编程跟踪进入RF信号的频率。该跟踪由一个除N块(divide-by-N block)138，一个跟踪相位检测器139，一个跟踪VCO 140和一个跟踪混合器141来实现。RF输入信号的跟踪以及信号的求和在美国专利5,584,062中有详细说明，该专利于1996年12月10日授予Meador等人，标题为补偿相位锁定接收机的方法和装置，其全部内容引用至此作为参考。
求和器136输出的解调信号被提供给接收音频电路150的输入。在接收音频电路150中，接收机滤波器109与来自求和器136的解调信号相连。接收机滤波器109提供FM去加重和在音频范围内对解调信号进行滤波。接收机滤波器109的输出提供给压扩器115的输入。压扩器115给低电平噪音和寄生信号提供增益衰减。压扩器115的输出输入给音量控制块110，它用可编程电阻衰减器来实现。音量控制块110通过SPI寄存器126编程。音量控制块110的输出输入给音频放大器级145，它输出一个放大的信号驱动外部音频功放或高阻抗扬声器。接收音频电路还包括一个静噪级114，和一个接收专用线/数字专用线(PL/DPL)级112。静噪级114提供一个信号活动指示符，接收PL/DPL级112用于滤波和调整可能出现在求和器136的输出中的低频信令音。
接收机101的LO信号由一个压控振荡器(VCO)生成。在首选实施例中，VCO是用芯片外实现的，但如果必需也可选择芯片内实现。当收发机IC 100工作在接收模式下时，VCO信号180通过缓冲区181被处理，缓存的信号通过除2级182来处理。除2级182与I/Q生成器183一起工作生成两个幅度相同但相位差90度的两个信号。I/Q生成器180的I和Q信号提供给混合器130，131的输入。
I/Q生成器183的输出信号还输入给镜像频率取消混合器(imagecanceling mixer)141，它将信号与跟踪VCO 140的输出信号混合起来。I/Q生成器输出的频率可被表示为FLO。跟踪VCO的输出信号的频率可被表示为FTRACK，镜像频率取消混合器141以FLO+FTRACK衰减混合器分量使得混合器输出信号可被表示为FLO-FTRACK。位于混合器141的输出的附加滤波器级185衰减混合器输出信号中的其它互调分量。这些分量的频率通常比所要求的频率要高得多。
滤波器180的输出信号输入到除N级186的一个输入。除N级186由与SPI寄存器126接口的控制线(未示出)编程。除N级186的输出输入给LO相位检测级187，在那里它与LO合成器117的基准信号相比较。相位检测器187的输出信号然后提供给芯片外环路滤波器，由芯片外VCO处理。在接收模式下，LO基准分频器级189的输出信号通过相位调制器118提供给相位检测器187的输入。在发送模式下，LO合成器117被编程为能够FM调制一个传送的RF信号。来自SPI寄存器126的控制线(未示出)激活发送音频级160，发送除2级165，相位调制器118和发送放大器122。在发送模式下，接收机电路和接收音频级150被禁止以减小电流消耗以及避免不希望的干扰。
对于发送操作，来自麦克风的声音信号提供给麦克风放大器级171的一个输入。被放大的输出信号提供给发送音频滤波器级172的一个输入，该滤波器提供低通滤波，高通滤波和去加重滤波功能。该滤波衰减音频范围外的信号。发送音频滤波器级172输出的信号输入给偏移限幅器173。偏移限幅器173防止强的音频信号破坏传输调制信号。偏移限幅器173的输出由一个低通滤波器174滤波，该滤波器首选有一个高于声音范围的转角频率。求和器175将来自滤波器174的调制声音信号与滤波过的PL，DPL和来自发送PL/DPL生成器113的数字信号输出组合起来。提供给发送PL/DPL生成器113的信号一般是由一个芯片外微控制器提供的。求和器175的组合信号输入给低端口和高端口调制衰减器176，177。这些调制衰减器可通过SPI寄存器126来调节。低端口衰减器176的输出被应用于高端口调制器177的输入。使用两个调制衰减器的目的是提供一种调整应用于LO合成器117的调制信号的偏移电平的装置。
LO合成器117配置双端口调制作为一个在调制信号的输入频率范围内提供常数的发送偏移电平给LO合成器117的装置。低端口衰减器176的输出被处理并被提供给相位解调器118。LO合成器117的参考路径的调制提供一种调制低频信号的装置。高频信号由LO合成器117的频率响应来衰减。高端口衰减器117的输出由VCO用于调制。这种调制技术在美国专利编号为4,052,672，1977年10月4日授予Enderby等人的专利中有详细说明，该专利标题为《扩展相位范围、高保真调制器装置》，其全部内容引用至此作为参考。
在发送模式下，VCO信号180提供给缓冲区181一个输出。缓存的信号提供给除2级165的一个输入和传输放大器级122的一个输入。传输放大器级122的输出可用于提供一个信号给无线电天线或给一个附加的功放级，如果需要的话。
在接收和发送模式下，系统时钟包括LO合成器的基本信号，由基准振荡器和温度补偿级103生成。在首选实施例中，基准振荡器级190提供一个高稳定的从-30摄氏度到80摄氏度的16.8MHz+/-2.5ppm信号。温度传感器192和温度补偿级193用于生成一个温变控制电压，用于温度补偿晶体基准振荡器190并作为芯片外接口提供。温度传感器192提供一个对温度线性的电压并提供给补偿级193的输入。优选地，补偿级193有一个中间范围电路在接近室温时提供电压对温度的线性输出，有一个冷温度范围电路在预定的冷温度范围内提供电压对温度的非线性关系，以及一个热温度范围电路在预定的热温度范围内提供电压对温度的非线性关系。来自温度补偿级193的依据温度的电压与数字到模拟转换器194的输出电压相加，该输出电压用于将基准振荡器190调整到其在室温时的标称频率。温度补偿技术在下面的专利中有说明，该专利为美国专利编号为4,254,382，1981年3月3日授与Keller等人，标题为晶体振荡器温度补偿电路，其全部内容被引用至此作为参考。
在首选实施例中，基准振荡器190输出一个16.8兆赫兹(MHz)的信号并提供给时钟分频器级124。时钟分频器124由SPI接口126控制，被用于为外部微控制器生成一个稳定的时钟信号。该时钟信号的频率可被稍稍偏移以避免电路串扰，因为电路串扰反过来会影响收发机电路工作。16.8MHz信号还被输入系统时钟生成器，它为发送和接收滤波器级提供时钟并为上变频级105提供上变频信号。
在首选实施例中，SPI寄存器是一个146位串行移位寄存器，它对LO合成器117，直接转换接收机101，基准振荡器和温度补偿103，接收音频150和发送音频160提供编程控制。
图2是根据本发明的强调功能块和可配置接口的单片收发信机集成电路100的一个框图。接收机前端块210包括处理一般从天线接收的无线电频率信号的放大，滤波和混合元件，以生成基带信号。在首选实施例中，接收机前端块包括RF放大器104，滤波器132，133，下变混合器130，131及其它元件。接收机前端块210连接到接收机后端块230。接收机后端块230包括中间频率处理块232，自动增益控制电路(AGC)234，限幅器236和解调器238。中间频率处理块232在需要时还可包括上变混合器。中间频率处理块232连接到AGB 234和连接到解调器238的限幅器236。接收机前端块210通过一个接口连接到接收机后端块230，其中该接口提供可选连接自动增益控制器电路234到接收机前端210，并提供一个芯片外接口以支持用一个芯片外接收机前端取代单片接收机前端块210。外部前端接口220包括一个为自动增益控制块234的输出提供芯片外接口221的可配置的芯片内部件222。AGC 234的输出信号可被选择地通过接口部件222连接到接收机前端块。接口222的其它部分可提供支持连接接收机前端块和接收机后端块的芯片外硬件的芯片外接口。在首选实施例中，芯片外电容器提供连接接收机前端210和接收机后端230的硬件。
解调器238提供一个解调信号239作为一个输出。接收机输出接口240的输入有限幅器的输出237和解调器238输出的解调信号239。接收机输出接口240是可配置的以在限幅器的输出和解调信号239之中选择一个作为芯片外信号。
基准振荡器250包含在芯片内为不同的电路提供主时钟。收发机IC100还进一步包括一个支持可选外部基准振荡器的接口252。基准振荡器接口252可配置选择将芯片内基准振荡器块250，或者芯片外基准振荡器源电路连接到合成器块264或其它电路。跟踪回路254连接到基准振荡器252，进而连接到相位检测器256。相位检测器与接收机后端块230的限幅器输出237连接。相位检测器257的输出连接到相位检测器接口260。相位检测器260可以选择地将相位检测器257的输出连接到偏移电压控制振荡器块262。偏移VCO 262连接到合成器264。合成器264通过合成器接口270连接到接收机前端210。合成器接口270是可配置的以选择将接收机前端块连接到芯片内合成器块264，或者作为一个替换连接到芯片外合成器源。接收机后端230通过音频处理接口245连接到音频处理块280。在首选实施例中，音频处理块280是可配置的以提供发送和接收音频处理。接口245有芯片外连接器并可配置为接收和发送模式。在接收模式下，接口可配置为芯片内和芯片外模式。在芯片内模式下，接口245将来自接收机后端块230的信号连接到音频处理块280。在芯片外模式下，接口245将来自芯片外连接器247的信号连接到音频处理块280。
在音频处理块280中静噪电路282提供基本的基于载波的信号的音频输出控制。可编程音频滤波器284是可配置的以在接收和发送模式下重用。在发送模式下，滤波器284，286被配置为处理发送音频。在接收模式下，滤波器284，286被配置为处理接收音频。音频处理块280进一步包括噪音减小电路292，接收信令电路293，发送音频电路294和发送信令电路295。可配置的接口288提供滤波器284和286的相互连接。噪音减小接口290配置将噪音减小电路292连接到接收机音频电路291或断开它们的连接。
不同的可配置接口220，240，252，270，260，245，288和290首选连接到可编程接口总线248并受微处理器控制。
这样，可配置单片收发机IC包括至少三个芯片内电路实现接收机功能，发送机功能和音频处理功能。该IC进一步包括具有芯片外连接的接口，它可配置为将一个芯片内电路连接到另一个芯片内电路或连接到取代其中一个芯片内电路的芯片外处理电路。
图3是根据本发明利用单片收发机集成电路的无线电配置300的一个框图。该无线电包括单片接收机IC 100，它被连接到提供无线电整体操作控制的微处理器控制器310。该无线电还进一步包括连接到天线开关322的天线320。天线开关322被连接到接收路径，该路径包括带通滤波器332和接收机放大器334。接收机放大器334提供一个RF输入信号给IC 100的RF输入端口205。芯片外VCO 340也连接到IC 100。为了音频输出的目的，音频功放360将来自IC 100的音频信号连接到扬声器365。为了发送，麦克风370被连接到IC 100，来自IC 100的发送信号连接到发送机功放375。发送机功放375的放大信号377通过天线开关322连接到天线320。微处理器控制器310有一个来自IC 100的时钟输入380并提供无线电操作的控制。
图4是另一个可选无线电配置400的框图，其中芯片外接收机前端电路取代了IC中的接收机前端块。除此而外的，配置如同图3说明。在这种配置中，芯片外(外部)接收机前端电路420连接到VCO 340并通过接口430连接到收发机IC 100。接口430包括AGC接口222，它将AGC的输出连接到前端电路420，硬件接口410提供无线电频率信号给芯片内接收机后端电路。用这种装置可以通过用外部接收机前端取代芯片内接收机前端来实现性能改善。
图5是根据本发明，使用单片收发信机集成电路，一个仅用外部合成器和一个代用基准振荡器的第二个可选无线电装置500的框图。除此而外的配置的说明与图3一样。在这种配置中，一个芯片外合成器510取代芯片内合成器通过合成器接口270连接。芯片外合成器510还连接到VCO 340。另外，芯片外基础振荡器520取代芯片内基准振荡器通过基准振荡器接口252连接到IC 100。这种配置为改善整个无线电性能提供了灵活性。
图6是根据本发明，使用单片收发信机集成电路，一个外部音频处理器的第四个无线电装置的框图。除此之外的配置说明与图3一样，这里，接口240被配置选择解调信号作为接收机后端的输出并将该信号提供给外部处理电路610。音频处理接口245被配置将来自外部处理电路610的芯片外信号615连接到音频处理电路280进一步处理。
在首选实施例中，SCT IC提供单个硅基底上的多信道无线电所要求的接收和发送功能。SCT IC使用一个直接转换接收器和高分辨率LO合成器，其特征在于提供了双端口调制以及具有芯片内温度补偿的高稳定的基准振荡器。集成了无线电控制，如音量控制，静噪调节，基准振荡器弯曲(warp)，发送偏移，调制平衡和LO中心频率调节。
本发明提供了优于现有技术的优点。一个基本完整的无线电收发信机系统通过电路的全新组合集成在一个通用基底上。进而，为设计引入重大灵活性从而可以减小成本提高实用无线电实现的可靠性。所得的集成收发信机系统在改善性能和功能方面提供了灵活性。
虽然说明和讲述了本发明的首选实施例，但很明显本发明并不仅限于此。在不背离所附权利要求书中所定义的本发明的精神和范围内，本技术领域的熟练技术人员可对其进行修改修正，变化，替换以及等效变化。

Claims (10)

1.一个可配置单片收发信机集成电路，包括：
至少三个芯片内电路实现接收机功能，发送机功能和音频处理功能；以及
至少两个具有芯片外连接的接口，其中至少两个接口中的每一个接口都可配置将至少三个芯片内的电路的一个连接到至少三个芯片内电路的另一个，至少两个接口中的每一个可配置连接一个芯片外处理电路以取代至少三个芯片内电路之一。
2.权利要求1的可配置单片收发信机集成电路，其中至少三个芯片内电路之一实现一个接收机前端，包括一个无线电频率放大器，一个下变混合器，以及一个基带滤波器，它们都连接在一起。
3.权利要求1的可配置单片收发信机集成电路，其中至少三个芯片内电路之一实现自动增益控制电路，该电路有一个输出信号路径连接到至少两个接口之一并能供芯片外使用。
4.权利要求1的可配置单片收发信机集成电路，其中至少三个芯片内电路之一实现音频处理块，它可配置在接收和发送模式下工作。
5.权利要求1的可配置单片收发信机集成电路，其中至少三个芯片的电路之一实现一个合成器，并且至少两个接口之一可配置连接一个替代芯片外合成器电路。
6.权利要求1的可配置单片收发信机集成电路，其中至少三个芯片内电路之一实现基准振荡器，并且至少两个接口之一可配置连接一个用于替换的芯片外基准振荡器电路。
7.权利要求1的可配置单片收发信机集成电路，进一步包括连接到该至少两个接口的可编程接口总线。
8.一个无线电装置，包括：
一个可配置单片收发信机集成电路，包括：
一个接收机前端块，包括一个无线电频率放大器，一个无线电频率滤波器和一个下变混合器，都连接在一起；
一个接收机后端块，包括一个自动增益控制块，该块具有一个可选地连接到接收机前端块的输出；
一个第一接口将接收机前端块连接到接收机后端块，它提供使用芯片外接收机前端的接口；以及
一个第二接口为自动增益控制块的输出提供芯片外接口。
9.权利要求8的无线电装置，进一步包括接收机前端电路，它区别于可配置单片收发信机集成电路，它的接收机前端电路连接到第一接口并通过第二接口连接到自动增益控制的输出。
10.可配置单片收发信机集成电路，包括：
一个接收机前端块包括一个放大器，一个滤波器和一个混合器，都连接在一起；
一个接收机后端块包括一个自动增益控制电路；
一个第一接口提供可选地将接收机后端块的自动增益电路连接到接收机前端块并提供支持用芯片外接收机前端取代接收机前端块的芯片外接口；
一个合成器块；
一个第二接口可配置地将接收机前端块连接到合成器块或选择连接到一个芯片的合成器源；
一个基准振荡块；
一个第三接口可配置地将合成器块连接到基准振荡器块或可选择连接到芯片外基准震荡器源；
一个第四接口连接到接收机后端块以提供芯片外用的接收机信号；
一个音频处理块可配置地提供发送和接收音频处理；以及
一个第五接口可配置地将音频处理块连接到接收机后端块或选择连接到一个芯片外信号源。
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