CN113644932A - 一种北斗三号rdss系统发射链路滤波器带宽自动切换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，包括多模频率检测电路、改进型电荷泵电路和带宽可调低通滤波器电路，所述多模频率检测电路包括晶振多模分频电路和鉴频鉴相器电路。本发明采用新型有源RC滤波器结构，并且把电阻值分配成电阻阵列的串联组合，设计时计算好需要切换的带宽需求，在特定的电阻上并联MOS开关管，通过外部控制值的变化，并通过多模频率检测电路和改进型电荷泵电路实现了发射速率自动检测，滤波器带宽自动切换，适配发射速率，解决了多功能多发射速率基带应用背景下的滤波器带宽选择问题，极大的提高了发射效率和量产成本，普及了多功能基带的应用场景。

Description

一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路
技术领域
本发明涉及混合信号和模拟集成电路技术领域，具体为一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路。
背景技术
滤波器是模拟射频集成电路的重要模块，被广泛使用在射频收发器中，无论是射频接收链路前端的干扰抑制还是发射链路的滤波整形，都需要各种带宽的滤波器来适配，随着现在多功能通信基带的普及，发射链路通道能同时支持不同速率的基带信号，这就对滤波器提出了更高的要求，传统的带宽不变的滤波器已经不能适用于现代快速发展的基带的需求，带宽自动切换滤波器成为未来发展的大趋势。
传统的北斗三号RDSS系统发射链路低通滤波器一般采用无源RC滤波器，设计时计算好带宽后用三级或者更多级电阻和电容搭建，结构简单功耗低，缺点是带宽无法调整，一种滤波器只能适配一种发射速率，更换方案时候需要更换滤波器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，采用新型有源RC滤波器结构，并且把电阻值分配成电阻阵列的串联组合，设计时计算好需要切换的带宽需求，在特定的电阻上并联MOS开关管，通过外部控制值的变化，并通过多模频率检测电路和改进型电荷泵电路实现了发射速率自动检测，滤波器带宽自动切换，适配发射速率，解决了多功能多发射速率基带应用背景下的滤波器带宽选择问题，极大的提高了发射效率和量产成本，普及了多功能基带的应用场景，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：包括多模频率检测电路、改进型电荷泵电路和带宽可调低通滤波器电路；
所述多模频率检测电路包括晶振多模分频电路和鉴频鉴相器电路，所述晶振多模分频电路用于对输入的晶振信号进行可编程分频操作得到参考基准频率信号，所述鉴频鉴相器电路用于将参考基准频率信号和发射基带信号作为两个输入信号同时输入后进行频率比较，输出包含频率比较信息的四路时变检测脉冲信号；
所述改进型电荷泵电路用于输入所述鉴频鉴相器电路输出的四路时变检测脉冲信号，将四路时变检测脉冲信号转化为电容上电流的充放电操作，并通过输出端的RC滤波和反相器整形电路获得可变的控制值电平；
所述带宽可调低通滤波器电路包括有源RC电路和MOS开关，所述带宽可调低通滤波器电路用于把固定的电阻值细化为电阻阵列，在电阻阵列的特定电阻两端加所述MOS开关，通过所述改进型电荷泵电路输出的控制值电平来控制所述MOS开关的导通和关闭，从而改变所述有源RC电路中电阻阵列的有效值，进而改变低通滤波器的带宽；
所述多模频率检测电路还包括压控振荡电路，所述压控振荡电路连接在所述晶振多模分频电路和所述带宽可调低通滤波器电路之间，构成反馈环路，所述压控振荡电路用于使得环路带宽保持在较小的范围内，环路带宽变化较小，相位余量保持相对恒定；
所述压控振荡电路的输出频率满足如下公式：
参考基准频率＝发射基带×N，N为所述晶振多模分频电路的分频比；
所述环路带宽满足如下公式：
Figure 327969DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，Fx为环路带宽，Kφ为所述鉴频鉴相器电路的频率变化斜率或者增益常数，Z_cp(S)为预置补偿网络在拉普拉斯变化下的传递函数，Z_lf(S)为所述带宽可调低通滤波器电路在拉普拉斯变化下的传递函数，Kvco为所述压控振荡电路的压控灵敏度；
计算所述反馈环路锁相环带内相位噪声包括：
S1、对所述鉴频鉴相器电路和所述改进型电荷泵电路进行仿真，获得电路的电流噪声PNOUT；
S2、仿真所述压控振荡电路核心的输出幅度有效值VRMS；
S3、根据获得的电流噪声PNOUT和输出幅度有效值VRMS计算所述鉴频鉴相器电路和所述改进型电荷泵电路等效到锁相环输出的相位噪声PNCP；
其中，
Figure 713951DEST_PATH_IMAGE002
,N为锁相环的分频比，I为所述改进型电荷泵电路的充放电电流；
S4、计算参考时钟等效到锁相环输出的相位噪声PNREF；
其中，
Figure 946218DEST_PATH_IMAGE003
，N为锁相环的分频比，PNref为参考时钟的相位噪声；
S5、计算锁相环整体的带内相位噪声PNTotal；
其中，
Figure 75848DEST_PATH_IMAGE004
。
优选的，所述改进型电荷泵电路采用自偏置结构。
优选的，所述偏置结构通过一个误差补偿运放电路反馈提供PMOS端的精确偏置电压。
优选的，所述改进型电荷泵电路中的误差补偿运放电路采用由两个PMOS管和三个NMOS管组成的单级电路。
优选的，所述晶振多模分频电路由3级2/3分频单元串联组成，每一级所述2/3分频单元都能根据自己的控制端来编程分频数，使得所述晶振多模分频电路的8到27可编程分频模式。
优选的，所述2/3分频单元采用四个锁存器和三个与门组成的可编程单元，通过P端输入的电平选择2或者3分频，级联后实现连续可编程分频操作。
优选的，所述鉴频鉴相器电路采用两个DFF模块、一个或非门和两级反相器电容组成的延迟模块以及四个反相器组成的输出驱动级模块。
优选的，所述DFF模块采用六个MOS管组成的TSPC DFF结构。
优选的，所述多模频率检测电路还包括压控振荡电路，所述压控振荡电路连接在所述晶振多模分频电路和所述带宽可调低通滤波器电路之间，构成反馈环路，所述压控振荡电路用于使得环路带宽保持在较小的范围内，环路带宽变化较小，相位余量保持相对恒定；
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，采用新型有源RC滤波器结构，并且把电阻值分配成电阻阵列的串联组合，设计时计算好需要切换的带宽需求，在特定的电阻上并联MOS开关管，通过外部控制值的变化，并通过多模频率检测电路和改进型电荷泵电路实现了发射速率自动检测，滤波器带宽自动切换，适配发射速率。
本发明提出的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，解决了多功能多发射速率基带应用背景下的滤波器带宽选择问题，将传统的更换滤波器或者手动切换发射支路升级到现在的发射链路滤波器带宽自动切换，极大的提高了发射效率和量产成本，普及了多功能基带的应用场景。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路的整体结构框图；
图2为本发明的一种实施例的多模多频检测电路的结构框图；
图3为本发明的一种实施例的改进型电荷泵电路的电路示意图；
图4为本发明的一种实施例的带宽可调低通滤波器电路的电路示意图；
图5为本发明的一种实施例的晶振多模分频电路的电路示意图；
图6为本发明的一种实施例的鉴频鉴相器电路的电路示意图；
图7为本发明的一种实施例的2/3分频器单元结构电路的电路示意图；
图8为本发明的一种实施例的TSPC DFF电路的电路示意图；
图9为本发明的一种实施例的改进型电荷泵电路中误差补偿运放电路的电路示意图；
图10为本发明的另一种实施例的多模多频检测电路的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-9，一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，包括多模频率检测电路、改进型电荷泵电路和带宽可调低通滤波器电路；
多模频率检测电路包括晶振多模分频电路和鉴频鉴相器电路，晶振多模分频电路用于对输入的晶振信号进行可编程分频操作得到参考基准频率信号Fref，鉴频鉴相器电路用于将参考基准频率信号Fref和发射基带信号Fdiv作为两个输入信号同时输入后进行频率比较，输出包含频率比较信息的四路时变检测脉冲信号UP、UPb、DN和DNb；
晶振多模分频电路由3级2/3分频单元串联组成，每一级2/3分频单元都能根据自己的控制端P来编程分频数，使得晶振多模分频电路的8到27可编程分频模式；
2/3分频单元采用四个锁存器和三个与门组成的可编程单元，通过P端输入的电平选择2或者3分频，级联后实现连续可编程分频操作；
鉴频鉴相器电路采用两个DFF模块、一个或非门和两级反相器电容组成的延迟模块以及四个反相器组成的输出驱动级模块；
DFF模块采用六个MOS管组成的TSPC DFF结构。
改进型电荷泵电路采用自偏置结构，偏置结构通过一个误差补偿运放电路反馈提供PMOS端的精确偏置电压，不需要任何外部的偏置电压源供电，此改进型电荷泵电路将四路时变检测脉冲信号UP、UPb、DN和DNb转化为对电容C的充放电操作获得直流电压，因为此改进型电荷泵电路的输出VT需要控制后级带宽可调低通滤波器电路，需要的是高低电平变化的标准控制值电平，此改进型电荷泵电路在输出级增加了电阻R和电容C构成电压滤波电路，输出增加一级反相器构成波形整形电路，保证输出的高低电平符合控制值标准；
改进型电荷泵电路用于输入鉴频鉴相器电路输出的四路时变检测脉冲信号UP、UPb、DN和DNb，将四路时变检测脉冲信号转化为电容上电流的充放电操作，并通过输出端改进增加的RC滤波和反相器整形电路获得可变的控制值电平，改进型电荷泵电路包含电流基准电路、PMOS充电支路、NMOS放电支路和误差补偿运放电路，相对于传统的电荷泵电路，这种应用在北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路中国的电荷泵电路不需要精确检测频率变化，而是引进误差补偿运放电路，补偿固有的频率偏差，电路功耗低电流小，输出毛刺小，同时为了输出信号直接控制带宽可调低通滤波器，这种改进的电荷泵输出端集成了RC滤波和反相器整形电路；
改进型电荷泵电路中的误差补偿运放电路采用由两个PMOS管和三个NMOS管组成的单级电路，其电流管的偏置电压Vb来自改进型电荷泵电路中NMOS管的偏置电压，不需要外部电压源供电，可以实现独立工作。
带宽可调低通滤波器电路包括有源RC电路和MOS开关，相对于传统的低通滤波器电路，带宽可调低通滤波器电路用于把固定的电阻值细化为电阻阵列，在电阻阵列的特定电阻两端加MOS开关，通过改进型电荷泵电路输出的控制值电平来控制MOS开关的导通和关闭，从而改变有源RC电路中电阻阵列的有效值，进而改变低通滤波器的带宽。
综上所述，相比于传统的发射链路滤波器，本发明的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路增加了一个带宽可调低通滤波器，一个多模频率检测电路和一个改进电荷泵电路；带宽可调低通滤波器通过在传统的低通滤波器的基础上增加电阻值切换电路，将低通滤波器的带宽切换转化为电阻值的切换，从而利用可变化的控制值去控制电阻阵列的变化，由电阻阵列的变化可以精确调节低通滤波器的带宽变化；多模频率检测电路是一种由晶振多模分频电路和鉴频鉴相器组成的频率检测电路，多模频率检测电路可以将北斗三号RDSS系统发射链路的输入信号和基准信号比较，得到快速变化的时变检测脉冲信号，由于这种快速变化的时变检测脉冲信号虽然包含了检测到的频率信息，但是在时域的快速变化导致这种信号无法直接去控制带宽可调低通滤波器，因此通过改进型电荷泵电路去将快速变化的时变检测脉冲信号转化为固定的高低电平，达到滤波器带宽自动切换的目的。
实施例2
请参阅图10，与实施例1的不同之处在于：
多模频率检测电路还包括压控振荡电路，压控振荡电路连接在晶振多模分频电路和带宽可调低通滤波器电路之间，构成反馈环路，压控振荡电路用于使得环路带宽保持在较小的范围内，环路带宽变化较小，相位余量保持相对恒定，能够在任意频率间切换时保证系统稳定性。
压控振荡电路的输出频率满足如下公式：
参考基准频率＝发射基带×N，N为晶振多模分频电路的分频比；
环路带宽满足如下公式：
Figure 93482DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，Fx为环路带宽，Kφ为鉴频鉴相器电路的频率变化斜率或者增益常数，Z_cp(S)为预置补偿网络在拉普拉斯变化下的传递函数，Z_lf(S)为带宽可调低通滤波器电路在拉普拉斯变化下的传递函数，Kvco为压控振荡电路的压控灵敏度。
计算反馈环路锁相环带内相位噪声包括：
S1、对鉴频鉴相器电路和改进型电荷泵电路进行仿真，获得电路的电流噪声PNOUT；
S2、仿真压控振荡电路核心的输出幅度有效值VRMS；
S3、根据获得的电流噪声PNOUT和输出幅度有效值VRMS计算鉴频鉴相器电路和改进型电荷泵电路等效到锁相环输出的相位噪声PNCP；
其中，
Figure 384786DEST_PATH_IMAGE006
,N为锁相环的分频比，I为改进型电荷泵电路的充放电电流；
S4、计算参考时钟等效到锁相环输出的相位噪声PNREF；
其中，
Figure 891902DEST_PATH_IMAGE007
，N为锁相环的分频比，PNref为参考时钟的相位噪声；
S5、计算锁相环整体的带内相位噪声PNTotal；
其中，
Figure 559643DEST_PATH_IMAGE008
。
可以高精度拟合反馈环路锁相环的带内相位噪声，为反馈环路锁相环的设计提供整体仿真结果，有利于反馈环路锁相环设计的迭代和优化。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：包括多模频率检测电路、改进型电荷泵电路和带宽可调低通滤波器电路；
所述多模频率检测电路包括晶振多模分频电路和鉴频鉴相器电路，所述晶振多模分频电路用于对输入的晶振信号进行可编程分频操作得到参考基准频率信号，所述鉴频鉴相器电路用于将参考基准频率信号和发射基带信号作为两个输入信号同时输入后进行频率比较，输出包含频率比较信息的四路时变检测脉冲信号；
所述改进型电荷泵电路用于输入所述鉴频鉴相器电路输出的四路时变检测脉冲信号，将四路时变检测脉冲信号转化为电容上电流的充放电操作，并通过输出端的RC滤波和反相器整形电路获得可变的控制值电平；
所述带宽可调低通滤波器电路包括有源RC电路和MOS开关，所述带宽可调低通滤波器电路用于把固定的电阻值细化为电阻阵列，在电阻阵列的特定电阻两端加所述MOS开关，通过所述改进型电荷泵电路输出的控制值电平来控制所述MOS开关的导通和关闭，从而改变所述有源RC电路中电阻阵列的有效值，进而改变低通滤波器的带宽；
所述多模频率检测电路还包括压控振荡电路，所述压控振荡电路连接在所述晶振多模分频电路和所述带宽可调低通滤波器电路之间，构成反馈环路，所述压控振荡电路用于使得环路带宽保持在较小的范围内，环路带宽变化较小，相位余量保持相对恒定；
所述压控振荡电路的输出频率满足如下公式：
参考基准频率＝发射基带×N，N为所述晶振多模分频电路的分频比；
所述环路带宽满足如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，Fx为环路带宽，Kφ为所述鉴频鉴相器电路的频率变化斜率或者增益常数，Z_cp(S)为预置补偿网络在拉普拉斯变化下的传递函数，Z_lf(S)为所述带宽可调低通滤波器电路在拉普拉斯变化下的传递函数，Kvco为所述压控振荡电路的压控灵敏度；
计算所述反馈环路锁相环带内相位噪声包括：
S1、对所述鉴频鉴相器电路和所述改进型电荷泵电路进行仿真，获得电路的电流噪声PNOUT；
S2、仿真所述压控振荡电路核心的输出幅度有效值VRMS；
S3、根据获得的电流噪声PNOUT和输出幅度有效值VRMS计算所述鉴频鉴相器电路和所述改进型电荷泵电路等效到锁相环输出的相位噪声PNCP；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,N为锁相环的分频比，I为所述改进型电荷泵电路的充放电电流；
S4、计算参考时钟等效到锁相环输出的相位噪声PNREF；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，N为锁相环的分频比，PNref为参考时钟的相位噪声；
S5、计算锁相环整体的带内相位噪声PNTotal；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。
2.根据权利要求1所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述改进型电荷泵电路采用自偏置结构。
3.根据权利要求2所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述偏置结构通过一个误差补偿运放电路反馈提供PMOS端的精确偏置电压。
4.根据权利要求3所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述改进型电荷泵电路中的误差补偿运放电路采用由两个PMOS管和三个NMOS管组成的单级电路。
5.根据权利要求1所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述晶振多模分频电路由3级2/3分频单元串联组成，每一级所述2/3分频单元都能根据自己的控制端来编程分频数，使得所述晶振多模分频电路的8到27可编程分频模式。
6.根据权利要求5所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述2/3分频单元采用四个锁存器和三个与门组成的可编程单元，通过P端输入的电平选择2或者3分频，级联后实现连续可编程分频操作。
7.根据权利要求1所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述鉴频鉴相器电路采用两个DFF模块、一个或非门和两级反相器电容组成的延迟模块以及四个反相器组成的输出驱动级模块。
8.根据权利要求7所述的一种北斗三号RDSS系统发射链路滤波器带宽自动切换电路，其特征在于：所述DFF模块采用六个MOS管组成的TSPC DFF结构。
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