CN110932723B - 一种无晶振无线收发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无晶振无线收发系统，包括压控振荡电路与数模转换电路，其中，压控振荡电路与数模转换电路的输出相连接，可对所述无线收发系统的发射频率进行调制。本发明不需要外部晶振，且内部只需要DAC+VCO就可以实现发射频率的调制，结构简单，功耗低。本发明采用出厂校准手段，有效地减小工艺和电源电压带来的误差。本发明采用温度补偿电容阵列，解决了电容容值随温度变化的问题。本发明采用与电源无关的偏置作为DAC的参考电压，减小了电源电压不同对VCO产生的频率误差。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无晶振无线收发系统。
背景技术
目前无线收发系统中，通常采用带晶振的锁相环系统。锁相环是一个可被外来频率(基准频率，同步频率)同步的振荡器(利用外部晶振)。目前常用的锁相环主要有模拟锁相环、集成电路数字锁相环、有记忆能力的(微机控制的)锁相环。
以模拟锁相环为例，至少包括鉴相器、低通滤波器和外部晶振(可通过外加直流电压在一定范围内改变其输出频率)。同步频率和晶振输出的频率同时加到鉴相器上，在鉴相器里，基准频率对晶振进行电压取样，输出一个和它们的相位差成比例关系的电压，此电压经低通滤波器后变成直流电压，此支流电压控制晶振的频率，使它与同步频率的频率同步。
无论采用何种锁相环电路，都无法避免地在电路设计时采用外部晶振，这不仅增加了成本，而且还需要考虑设计鉴频鉴相器、电荷泵、小数分频等形成闭环反馈系统，使得电路设计结构复杂，功耗较大。在对体积要求高或功耗需要严格控制的场合下，为电路设计带来极大的困难。
有技术人员考虑采用VCO(压控振荡器)电路来实现发射频率的调制。但是，常规的单VCO电路由于工艺偏差、电源偏差、温度偏差、频率不稳等原因，无法应用到无线收发系统中。
同时，由于无晶振系统没有准确的时钟，需要采用频率追踪的方法，在接收端和发射端做相对的频率对准，才能在没有绝对精确的频率下，可以实现通信功能。然而一般而言，频率追踪方法耗时较长，算法复杂，不会被用于通信系统上。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种无晶振无线收发系统，主体思路仍然是采用单VCO电路替代晶振-锁相环系统，但同时需要解决常规单VCO电路的问题，使得单VCO能够被用于无线收发系统中。同时，由于本发明提供的系统，对数据率和准备时间的要求不高，因此可以将频率追踪方法应用于本系统，使得本系统得以兼顾成本低、功耗小的优势，又弥补了无晶振系统没有精确时钟的弱势。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是，如何能将单VCO收发电路用于无线收发系统中，使得其胜任对发射频率进行调制的工作，用于取代晶振-锁相环电路在无线收发系统中的作用。降低制造成本、电路设计难度以及功耗。
本发明公开了一种无晶振无线收发系统，包括无晶振无线收发装置以及频率追踪方法，其特征在于，所述无晶振无线收发装置包括压控振荡电路与数模转换电路，所述压控振荡电路与所述数模转换电路的输出相连接，可对所述无线收发装置的发射频率进行调制；所述频率追踪方法可在发射端与接收端之间建立连接。
进一步地，所述数模转换电路的参考电压为与电源无关的偏置电压。
进一步地，所述压控振荡电路包括频率粗调电容阵列、抑制温度漂移电容阵列以及发射频率调制电容阵列，所述频率粗调电容阵列、所述抑制温度漂移电容阵列以及所述发射频率调制电容阵列并联连接。
进一步地，所述频率粗调电容阵列中所包含的电容，其容值比所述抑制温度漂移电容阵列以及所述发射频率调制电容阵列所包含的电容的容值大。
进一步地，所述抑制温度漂移电容阵列中包含的电容为第一可变电容，所述第一可变电容的电压由第一电流源经过第一二极管产生。
进一步地，所述第一可变电容的电压VBE与温度T之间的关系满足如下公式：
其中，VBE为第一可变电容的电压，T为温度，m为温度系数，VT为温度的电压当量，Eg为硅的带隙能量，其值为1.12eV，q为电荷量。
进一步地，所述温度系数m小于0，为负温度系数。
进一步地，所述发射频率调制电容阵列包含的电容为第二可变电容，所述第二可变电容的容值比所述第一可变电容的容值小。
进一步地，所述第二可变电容的电压即为所述数模转换电路的输出电压。
进一步地，所述频率追踪方法具体包括：
步骤1、采用发射端连续发送同一条广播信息；
步骤2、从接收端接受所述广播信息，在通道5对收到的包前导码进行信号强度检测RSSI，得到其值R5；
步骤3、接收端按照二分法的原则改变信道频率，在信道8对收到的同样得到包前导码进行信号强度检测RSSI，得到值R8，比较R8和R5；
步骤4、若R8<R5，则跳到信道2，采用步骤3的方法，得到RSSI值R2，比较R2、R5、R8；
步骤5、若R8<R2<R5，则跳到信道4，采用步骤3的方法，得到RSSI值R4，比较R4、R2、R5；
步骤6、若R2<R5<R4，则跳到信道3，采用步骤3的方法，得到RSSI值R3，比较R4，R3；
步骤7、若R4<R3，则最终确定在信道3通信，反之则在信道4上通信。
相比于现有技术，本发明至少具备以下技术效果：
1、本发明不需要外部晶振，且内部只需要DAC+VCO就可以实现发射频率的调制，结构简单，功耗低。
2、本发明采用出厂校准手段，有效地减小工艺和电源电压带来的误差。
3、本发明采用温度补偿电容阵列，解决了电容容值随温度变化的问题。
4、本发明采用与电源无关的偏置作为DAC的参考电压，减小了电源电压不同对VCO产生的频率误差。
5、本发明采用长前导码，有效解决无晶振系统的芯片之间通信信道不匹配问题。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一个实施例的系统架构图；
图2是本发明的一个实施例的压控振荡电路结构图；
图3是本发明的一个实施例的频率粗调电容阵列结构图；
图4是本发明的一个实施例的抑制温度漂移电容阵列结构图；
图5是本发明的一个实施例的发射频率调制电容阵列结构图；
图6是本发明的一个实施例的频率追踪方法流程图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，为本发明的一个实施例的系统架构图。本实施例是一个无晶振无线收发系统，包括天线、低噪声放大器、下变频混频器、中频滤波器、增益控制放大器、数字调制解调器、模数转换器、移相器、缓冲器、功率放大器等。最关键的是，本实施例包括数模转换电路(DAC)压控振荡电路(VCO)。采用DAC+VCO实现对发射频率的调制。其中，DAC的参考电压并不采用电源电压，而是采用与电源无关的偏置电压。这样可以减小由于电源电压波动而对VCO产生频率误差。
如图2所示，为本发明的一个实施例的VCO结构图。包含差分LC振荡电路，该电路的振荡频率满足以下公式：
其中，f为振荡评率；L为电感值；C为电容值。
在本实施例中，该差分LC振荡电路包含粗调制电容阵列、抑制温度漂移电容阵列以及频率调节电容阵列。
如图3所示，为本发明的一个实施例中，粗调制电容阵列的结构图。粗调制电容阵列中所包含的电容，容值较大，通过D<3:0>能够将发射频率控制在一个大致的范围内。具体方法为，在芯片生产封装CP在片测试时，通过软件写入配置D<3:0>，将频率校准在2.4G-2.5G区间内，误差不超过300MHz，调节电容范围10fF～150fF。
如图4所示，为本发明的一个实施例中，抑制温度漂移电容阵列的结构图。在抑制温度漂移电容阵列中，包含一定数量的容值可变电容。这些容值可变电容的电压VBE由一个电流源经过一个二极管产生。其中，可变电容的电压VBE与温度T之间的关系满足如下公式：
其中，VBE为第一可变电容的电压，T为温度，m为温度系数，VT为温度的电压当量，Eg为硅的带隙能量，其值约为1.12eV，q为电荷量。
在一个优选状态下，VBE＝750mV，m＝-1.5mV/K。即，抑制温度漂移电容阵列提供了一个负温度系数。随着温度上升，Vctrl(压控振荡器的控制电压)会变大，容值可变电容两段的电压变小，导致电容容值变小，可补偿温度变化对发射频率造成的影响。
如图5所示，为本发明的一个实施例中，发射频率调制电容阵列结构图。发射频率调制电容阵列由容值较小的电容组成，DAC输出的模拟电压直接加在电容上，不同的DAC输入对应频率微小的变化，从而实现基带信号在载波信号上的调制。通过开关K<0>至K<2>可调节接入电容的数量，从而调节频率变化的速率。具体地，K<2:0>选择接入的电容数可从1个到8个；当DAC输出电压为1.2V时，优选的电容容值范围为9fF～72fF。
在一个实施例中，无线收发系统可能产生的偏差、误差以及解决方法如下：
(1)工艺偏差：金属电容MIMCAP电容值误差±10％，电感感值偏差±4％，晶体管电容MOSCAP电容值误差±10％，这些误差累积到VCO频率上会有±10％。对于2.4GHz的频率会有200MHZ多的误差。这些误差可以通过芯片出厂时的探针CP测试，通过校准D<3:0>来校准频率。并将它的值写在Flash里。
(2)电压偏差。电源电压在这种应用下从2.5V到3.3V都有可能，通过产生于电源无关的偏置来做DAC的偏置可以比较有效地解决电源电压变化带来的误差。
(3)温度误差。温度在应用环境下有-25℃到85℃的范围。通过上述抑制温度漂移阵列可以将这种误差缩小在1％以内。
综合上述几种误差纠正手段，最终频率误差可以控制在1.5％以内，即30MHz左右。通过将信道间隔设置在30MHz以上，能解决该问题，并且也满足低端的应用需求。
采用本发明的设计，频率误差能纠正回来。但是发射端和接收端并不能确定自己在哪个信道能互相通信。
本发明还可以对频率信道进行追踪，具体步骤如下：
步骤1、采用发射端连续发送同一条广播信息；
步骤2、从接收端接受所述广播信息，在通道5对收到的包前导码进行信号强度检测RSSI，得到其值R5；
步骤3、接收端按照二分法的原则改变信道频率，在信道8对收到的同样得到包前导码进行信号强度检测RSSI，得到值R8，比较R8和R5；
步骤4、若R8<R5，则跳到信道2，采用步骤3的方法，得到RSSI值R2，比较R2、R5、R8；
步骤5、若R8<R2<R5，则跳到信道4，采用步骤3的方法，得到RSSI值R4，比较R4、R2、R5；
步骤6、若R2<R5<R4，则跳到信道3，采用步骤3的方法，得到RSSI值R3，比较R4，R3；
步骤7、若R4<R3，则最终确定在信道3通信，反之则在信道4上通信。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种无晶振无线收发系统，包括无晶振无线收发装置以及频率追踪方法，其特征在于，所述无晶振无线收发装置包括压控振荡电路与数模转换电路，所述压控振荡电路与所述数模转换电路的输出相连接，可对所述无线收发装置的发射频率进行调制；所述频率追踪方法可在发射端与接收端之间建立连接；
所述数模转换电路的参考电压为与电源无关的偏置电压；
所述压控振荡电路包括频率粗调电容阵列、抑制温度漂移电容阵列以及发射频率调制电容阵列，所述频率粗调电容阵列、所述抑制温度漂移电容阵列以及所述发射频率调制电容阵列并联连接；
所述频率粗调电容阵列中所包含的电容，其容值比所述抑制温度漂移电容阵列以及所述发射频率调制电容阵列所包含的电容的容值大；
所述抑制温度漂移电容阵列中包含的电容为第一可变电容，所述第一可变电容的电压由第一电流源经过第一二极管产生；
所述第一可变电容的电压VBE与温度T之间的关系满足如下公式：
其中，VBE为第一可变电容的电压，T为温度，m为温度系数，VT为温度的电压当量，Eg为硅的带隙能量，其值为1.12eV，q为电荷量；
所述频率追踪方法具体包括：
步骤1、采用发射端连续发送同一条广播信息；
步骤2、从接收端接受所述广播信息，在通道5对收到的包前导码进行信号强度检测RSSI，得到其值R5；
步骤3、接收端按照二分法的原则改变信道频率，在信道8对收到的同样得到包前导码进行信号强度检测RSSI，得到值R8，比较R8和R5；
步骤4、若R8<R5，则跳到信道2，采用步骤3的方法，得到RSSI值R2，比较R2、R5、R8；
步骤5、若R8<R2<R5，则跳到信道4，采用步骤3的方法，得到RSSI值R4，比较R4、R2、R5；
步骤6、若R2<R5<R4，则跳到信道3，采用步骤3的方法，得到RSSI值R3，比较R4，R3；
步骤7、若R4<R3，则最终确定在信道3通信，反之则在信道4上通信。
2.如权利要求1所述的无晶振无线收发系统，其特征在于，所述温度系数m小于0，为负温度系数。
3.如权利要求1所述的无晶振无线收发系统，其特征在于，所述发射频率调制电容阵列包含的电容为第二可变电容，所述第二可变电容的容值比所述第一可变电容的容值小。
4.如权利要求3所述的无晶振无线收发系统，其特征在于，所述第二可变电容的电压即为所述数模转换电路的输出电压。
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