CN116032306A - 射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统，其中射频收发装置包括前级放大器和调控单元。前级放大器包括级联的两级窄带放大器和作为负载分别连接于每一窄带放大器的两个放大器负载，每一放大器负载上均具有调整对应窄带放大器频率和滚降系数的可变元器件，两级窄带放大器的最大增益相等且两级窄带放大器的频率响应曲线叠加后形成前级放大器的频率响应曲线。调控单元基于通信系统的当前信道调节每一放大器负载内的可变元器件的参数以调整每一级窄带放大器的频率和滚降系数，以使前级放大器的带宽匹配通信系统的当前信道且在前级放大器的带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益。

Description

射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，且特别涉及一种射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统。

背景技术

随着通信技术的发展，高频，宽带应用技术方案变得越来越重要，如WIFI6，5G通信，UWB等宽带通信方式已经进入了人们的生活当中。但是，随着频率的提升及带宽的增加，对通信电路的要求越来越高，传统的窄带技术方案已经变得越来越不能满足通信系统的要求，宽带系统的到来对设计而言是一个巨大的挑战，要在获得高频和大带宽的同时，还需要满足系统的噪声和带外抑制等要求，而要想获得好的噪声和带外抑制又需要尽可能的在应用的时候将带宽缩小。这一对矛盾问题在传统宽带方案中由于电路本身的结构特性和不可调整性，对系统的性能具有较大的影响；特别是在有干扰信号的情况下，由于宽带电路的无差别放大，即系统当前信道内的信号和当前信道外的信号均同步放大，从而大大恶化系统的噪声和带外抑制性能。

进一步的，相比传统的窄带放大器，宽带放大器在电路实现上具有更大的难度。首先表现在宽带的匹配需要耗费较大的面积；其次，宽带的电路消耗的电流是巨大的，为了获得好的技术性能往往需要耗费非常大的时间来进行优化设计。很显然，这种高优化成本和大芯片面积在高性能低成本的集成电路领域往往是不可接受的。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，提供一种基于窄带放大器的组合来达到所需的宽带特征和带外抑制相兼容的射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统。

为了实现上述目的，本发明提供一种射频收发装置，其包括前级放大器和调控单元。前级放大器包括级联的两级窄带放大器和作为负载分别连接于每一窄带放大器的两个放大器负载，每一放大器负载上均具有调整对应窄带放大器频率和滚降系数的可变元器件，两级窄带放大器的最大增益相等且两级窄带放大器的频率响应曲线叠加后形成前级放大器的频率响应曲线。调控单元基于通信系统的当前信道调节每一放大器负载内的可变元器件的参数以调整每一级窄带放大器的频率和滚降系数，以使前级放大器的带宽匹配通信系统的当前信道且在前级放大器的带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益。

根据本发明的一实施例，根据前级放大器的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道，将每一信道所对应的放大器负载内的可变元器件的参数形成参数配置集并进行存储；当通信系统再次工作于某一信道时调控单元从存储区内获取与该信道对应的参数配置集并将其写入对应的放大器负载。

根据本发明的一实施例，在前级放大器中，第一级窄带放大器为低通滤波器，第二级窄带放大器为带通放大器，第一级窄带放大器的拐点频率和第二级窄带滤波器的中心频率之间的频段形成前级放大器的带宽。

根据本发明的一实施例，与第一级窄带放大器相连接的放大器负载为电阻反馈式负载，与第二级窄带放大器相连接的放大器负载为LC负载。

根据本发明的一实施例，电阻反馈式负载包括可变反馈电阻R1，开关管M1，M2以及可变电流源I1；可变电流源I1、开关管M1，M2三者依次串联连接于电源和第一封装地线之间，射频输入通过可变反馈电阻R1连接于开关管M1，M2的串联连接处，两个开关管M1，M2的控制相连接；基于控制指令调整可变反馈电阻R1和可变电流源I1以改变低通放大器的拐点频率和滚降系数。

根据本发明的一实施例，LC负载包括电容阵列C1，可调电感L1，可变电阻R2以及开关管M3，M4；可调电感L1与可变电阻R2串联后与电容阵列C1并联后形成调节模块，调节模块经串联的开关管M4，M3以及第二封装地线连接于带通放大器，调节模块和开关管M4的连接点形成射频输出；基于控制指令调整电容阵列C1和可调电感L1以改变带通放大器的中心频率，调整可变电阻R2改变带通放大器低频侧的滚降系数。

根据本发明的一实施例，射频收发装置还包括连接于两个放大器负载之间的可变电流偏置电路，可变电流偏置电路调整与后一级窄带放大器的绝对增益。

另一方面，本发明还提供一种射频收发装置的自动调谐方法，其包括：

根据前级放大器的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道；

基于通信系统的当前信道调节前级放大器内每一放大器负载内可变元器件的参数以调整每一窄带放大器的频率和滚降系数，以使前级放大器的带宽匹配通信系统的当前信道且在前级放大器的带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益；

当通信系统切换信道后，再次跟随切换后的当前信道调节每一窄带放大器的频率和滚降系数。

根据本发明的一实施例，预先将通信系统内每一信道所对应的放大器负载内的可变元器件的参数形成参数配置集并进行存储；当通信系统再次工作于某一信道时从存储区内获取该信道对应的参数配置集并写入对应的放大器负载。

另一方面，本发明还提供一种宽带射频通信系统，其包括上述的射频收发装置和混频器。

综上所述，本发明提供的射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统中采用两个窄带放大器级联叠加来形成前级放大器。调控单元基于通信系统的当前信道来调整每一窄带放大器的频率和滚降系数，从而使得前级放大器的带宽与通信系统的当前信道匹配，实现当前信道内有效信号的放大而信道外信号因不完全放大而得到抑制。而滚降系数的调节这使得两个窄带滤波器叠加所形成频率响应曲线中，在放大器带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益，即在当前信道内得到平坦的宽带特性。进一步的，根据前级放大器的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道，针对每个信道调节前级放大器内窄带放大器的频率和滚降系数，从而使得通信系统在每个信道内均能有很好的带内放大和带外抑制特性，在兼容宽带通信系统匹配的同时很好地实现了带内有效放大、带外抑制的窄带通信优势；即同时实现了大宽带、低噪声的性能兼容。

此外，基于窄带放大器所实现的宽带通信系统大大降低了芯片的面积、芯片工作消耗的电流，同时也更有利于宽带性能的优化，降低优化成本。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为现有宽带射频通信系统及每个节点对应的频率响应曲线。

图2所示为本发明一实施例提供的射频收发装置的电路原理框图。

图3所示图2中前级放大器内两个窄带放大器频率响应曲线相叠加后的示意图。

图4所示为两个窄带放大器频率响应曲线相叠加后的局部放大示意图。

图5所示为图2中两个放大器负载的具体电路结构示意图。

图6所示为传统两个放大器简单级联后的频率响应曲线。

图7所示为本发明一实施例提供的宽带射频通信系统的结构示意图。

图8所示为本发明一实施例提供的射频收发装置自动调谐方法的流程示意图。

具体实施方式

在图1中，第一级放大器和第二级放大器均为传统的宽带放大器，用以将天线接收到的信号进行放大。从其频率响应可见传统的宽带放大器对带宽(BW)内的信号均无差别放大。在图1中，信号的总带宽为箭头所描述的BW范围，但是通信系统工作的时候占用的带宽只有其中的一个信道(channel)，用Ch1～Chn表示n个信道。当目前的通信选择Ch1的时候，理想状态下Ch2～Chn的带宽内的信号实际上是不需要被放大的，如果进行无差别放大，反而让更多噪声进入了系统里面，恶化了系统的信噪比。此外，基于宽带放大器所形成的前级放大器还存在芯片面积大，所需工作电流大以及性能优化的问题；即传统的宽带射频通信系统无法同时获得大带宽、低噪声、高增益以及低成本的性能。

有鉴于此，如图2至图6所示，本实施例提供一种射频收发装置，其包括前级放大器10和调控单元20。前级放大器10包括级联的两级窄带放大器A1，A2和作为负载分别连接于每一窄带放大器的两个放大器负载11,12。每一放大器负载上均具有调整对应窄带放大器频率和滚降系数的可变元器件，两级窄带放大器A1，A2的最大增益Gm相等且两级窄带放大器A1，A2的频率响应曲线叠加后形成前级放大器10的频率响应曲线。调控单元20基于通信系统的当前信道调节每一放大器负载内的可变元器件的参数以调整每一级窄带放大器的频率和滚降系数，以使前级放大器10的带宽匹配通信系统的当前信道且在前级放大器10的带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益。

在本实施例中，在前级放大器10中位于第一级的窄带放大器A1为低通放大器且与其相连接的放大器负载为电阻反馈负载RI；位于第二级的窄带放大器A2为带通放大器且与其相连接的放大器负载为LC负载LC1。然而，本发明对此不作任何限定。于其它实施例中，位于第一级的窄带放大器A1也可为带通放大器，而第二级的窄带放大器则可为高通放大器。调控单元20基于通信系统的当前信道调节两个放大器负载的参数后使得窄带放大器A1的拐点频率(corner freq1)和窄带放大器A2的中心频率(freq2)之间的频段形成的前级放大器10的带宽且与通信系统当前信道匹配。进一步的，在corner freq1至freq2内任一频率点均具有相等或接近的增益。所述接近指的是该区域内频率点的实际增益和叠加的预设增益之差不超过1db。然而，本发明对此不作任何限定。在实际的优化设计可通过不断地调整可变元器件的参数以使corner freq1至freq2内所有频率点的增益无线接近，从而在cornerfreq1至freq2内形成较为平坦的带通特性。

图6所示为传统两个窄带放大器简单级联后的频率响应曲线。其中曲线L01为低通放大器的频率响应曲线，曲线L02带LC负载的带通放大器的频率响应曲线；曲线L03为两者叠加后的频率响应曲线。从图中可以看出，两个窄带放大器的频率响应曲线的增益最大值Gm均为10db，相交叠的地方的增益均为8db；故两级窄带放大器级联在一起以后得到的曲线L03中，最左边和最右边的增益均为10+1＝11db，中间相交叠的地方的增益为16db。可以看到，两个窄带放大器的简单级联并不能构成宽带放大器，即无法实现在所需的信道内个频率点的增益相等或接近的宽带特征。

本实施例在频率调谐的同时引入每一窄带放大器滚降系数的调节，滚降系数与窄带放大器频率响应曲线中边沿的上升和下降速率息息相关。图3和图4所示为本实施例中前级放大器内两个窄带放大器经频率和滚降系数调整后的叠加的频率响应曲线。在图3中(a)为窄带放大器A1的频率响应曲线，(b)为窄带放大器A2的频率响应曲线；(c)为两者叠加后的频率响应曲线。图4为(c)的局部放大示意图。图4中，曲线L11为作为第一级的放大器A1的低通放大器的频率响应曲线，曲线L12带LC负载的带通放大器A2的频率响应曲线；曲线L13为两者叠加后的频率响应曲线。调整后使得曲线L11右侧的下降速率与曲线12左侧的上升速率一致以使两者交叠的地方的增益相加均为11db。而在低通放大器拐点频率(cornerfreq1)处的增益和也为11db；带通放大器的中心频率freq2处，两者相加的增益和也为11db，这样在整个corner freq1至freq2频段内，即可获得较为平坦的带通特性。而通过频率跟随响应调整后得到的corner freq1至freq2频段则为通信系统的当前信道，从而实现通信系统当前信道内有效信号被均匀地放大，而带外的信号则被不完全放大而得到抑制。

基于通信系统当前信道的前级放大器10内的频率调节使得前级放大器10对通信系统当前信道内的有效信号进行放大，而带外信号则由于不完全放大而得到很好的抑制，实现低噪声的性能要求。而滚降系数的调节则使得在前级放大器10的带宽范围内具有很好的宽带特性，当前信道内的信号均被无差别的放大而具有很好的增益性能，从而获得低噪声、高增益的特性。进一步的，根据前级放大器10的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道，前级放大器10对每个信道均采用一种放大器负载参数的配置组合来实现低噪声的宽带特性，从而使得整个通信系统具有很好的宽带特性。

图8所示为本发明一实施例提供的射频收发装置自动调谐方法的流程示意图。结合图8介绍本实施例同给的射频收发装置的自动调谐方法。其工作原理为：步骤S10，根据前级放大器10的带宽(corner freq1至freq2频段宽度)将通信系统的带宽划分为多个信道。如当通信信号带宽为1G，前级带放大器10可实现的带宽是250M；则可将通信信号带宽划分为四个信道来实现，分别为Ch1，Ch2，Ch3以及Ch4。当宽带通信系统工作于带宽内的某个信道(如Ch1)时执行步骤S20，调控单元20将调解两个负载放大器内的可变元器件的参数，从而使得两个窄带放大器A1，A2的频率corner freq1，freq2以及滚降系数满足图4所示的要求。而当通信系统的信道调节至另一信道，如Ch2时执行步骤S20，再次跟随切换后的当前信道Ch2调节每一窄带放大器A1，A2的频率corner freq1，freq2以及滚降系数。

于本实施例中，将每一信道所对应的放大器负载内的可变元器件的参数形成参数配置集并进行存储；如信道Ch1对应的参数配置集为S1，信道Ch2对应的参数配置集为S1，信道Chn对应的参数配置集为Sn。参数配置集S1～Sn在形成后进行预存储。当通信系统再次工作于某一信道时调控单元20可从存储区内获取与该信道对应的参数配置集并将其写入对应的放大器负载即可。

于本实施例中，调控单元20为连接于混频器的锁相环电路，锁相环电路包括压控振荡器和自校准模块。当与窄带放大器A2相连接的LC负载LC1的电路拓扑结构、晶体管尺寸以及电容阵列均与压控振荡器相同时，可将压控振荡器本振校准输出后的电容阵列控制字的值作为控制指令并以这个控制指令为关键词从存储区内匹配对应的参数配置集并写入对应的放大器负载。然而，本发明调控单元的结构不作任何限定。于其它实施例中，调控单元也可在获得系统当前的信道后通过查询索引表来获得当前信道对应的参数配置集。

图5所示为前级放大器中两个放大器负载的具体电路结构示意图，电阻反馈负载RI包括可变反馈电阻R1，开关管M1，M2以及可变电流源I1。可变电流源I1、开关管M1，M2三者依次串联连接于电源和第一封装地线CND1之间，射频输入IN通过可变反馈电阻R1连接于开关管M1，M2的串联连接处，两个开关管M1，M2的控制极相连接。具体而言，可变电流源I1输出的电流越小，可变反馈电阻R1越大时，则在图4中corner freq1越往低频方向(图4中坐标系的左侧)移动且曲线L11右侧的下降速率将增大。相反的，当可变电流源I1输出的电流越大，可变反馈电阻R1越小时，corner freq1越往高频方向移动且曲线右侧的下降速率将减小。故调控单元20将基于这一调整规律来配置电阻反馈负载RI内可变电流源I1和可变反馈电阻R1的参数以实现窄带放大器A1的频率跟随当前信道的响应变化且滚降系数满足图4所示的宽带特性要求。此外，还可通过进一步优化可变反馈电阻R1、可变电流源I1以及第一封装地线GND1的大小来实现阻抗的宽带匹配，该方式无需片外的元件即可实现；且若射频输入端口IN采用键合线进行连接，通过调整设计还可实现非常良好的宽带特性。

对于LC负载LC1而言，其包括电容阵列C2，可调电感L2，可变电阻R2以及开关管M3，M4；可调电感L2与可变电阻R2串联后与电容阵列C3并联后形成调节模块，调节模块经串联的开关管M4，M3以及第二封装地线GND2连接于带通放大器，调节模块和开关管M4的连接点形成射频输出OUT。调控单元20基于当前信道调整电容阵列C2和可调电感L2以改变窄带放大器A2的中心频率，调整可变电阻R2以改变窄带放大器A2低频侧的滚降系数。即电容阵列C2和可调电感L2用于实现频率的大范围调整，可调电阻R2用以在不同频点对窄带放大器A2的滚将系数进行调整，而可变电流偏置电路13用以对窄带放大器A2的绝对增益进行调节，从而实现两级放大器增益曲线的最优叠加，达到宽带特性的要求。本实施例对可变电流偏置电路的具体电流结构不作任何限定，能实现电流偏置要求以改变窄带放大器A2的绝对增益的电路均可。

于此同时，将调节后的可变电流源I1、可变反馈电阻R1、电容阵列C2，可调电感L2，可变电阻R2以及可变电流偏置电路13的参数形成与当前信道对应的参数配置集。

相对应的，如图7所示，本实施例还提供一种宽带射频通信系统，其包括上述射频收发装置100，混频器200、锁相环电路作为调控单元20、滤波器300、VGA400以及ADC500。

综上所述，本发明提供的射频收发装置、自动调谐方法及宽带射频通信系统中采用两个窄带放大器级联叠加来形成前级放大器。调控单元基于通信系统的当前信道来调整每一窄带放大器的频率和滚降系数，从而使得前级放大器的带宽与通信系统的当前信道匹配，实现当前信道内有效信号的放大而信道外信号因不完全放大而得到抑制。而滚降系数的调节这使得两个窄带滤波器叠加所形成频率响应曲线中，在放大器带宽范围内每一频率点具有接近或相等的增益，即在当前信道内得到平坦的宽带特性。进一步的，根据前级放大器的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道，针对每个信道调节前级放大器内窄带放大器的频率和滚降系数，从而使得通信系统在每个信道内均能有很好的带内放大和带外抑制特性，在兼容宽带通信系统匹配的同时很好地实现了带内有效放大、带外抑制的窄带通信优势；即同时实现了大宽带、低噪声的性能兼容。

此外，基于窄带放大器所实现的宽带通信系统匹配大大降低了芯片的面积、芯片工作消耗的电流，同时也更有利于宽带性能的优化，降低优化成本。

虽然本发明已由较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟知此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所要求保护的范围为准。

Claims (10)

1.一种射频收发装置，其特征在于，包括：

前级放大器，包括级联的两级窄带放大器和作为负载分别连接于每一窄带放大器的两个放大器负载，每一放大器负载上均具有调整对应窄带放大器频率和滚降系数的可变元器件，两级窄带放大器的最大增益相等且两级窄带放大器的频率响应曲线叠加后形成前级放大器的频率响应曲线；

调控单元，基于通信系统的当前信道调节每一放大器负载内的可变元器件的参数以调整每一级窄带放大器的频率和滚降系数，以使前级放大器的带宽匹配通信系统的当前信道且在前级放大器的带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益。

2.根据权利要求1所述的射频收发装置，其特征在于，根据前级放大器的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道，将每一信道所对应的放大器负载内的可变元器件的参数形成参数配置集并进行存储；当通信系统再次工作于某一信道时调控单元从存储区内获取与该信道对应的参数配置集并将其写入对应的放大器负载。

3.根据权利要求1所述的射频收发装置，其特征在于，在前级放大器中，第一级窄带放大器为低通滤波器，第二级窄带放大器为带通放大器，第一级窄带放大器的拐点频率和第二级窄带滤波器的中心频率之间的频段形成前级放大器的带宽。

4.根据权利要求3所述的射频收发装置，其特征在于，与第一级窄带放大器相连接的放大器负载为电阻反馈式负载，与第二级窄带放大器相连接的放大器负载为LC负载。

5.根据权利要求3所述的射频收发装置，其特征在于，电阻反馈式负载包括可变反馈电阻R1，开关管M1，M2以及可变电流源I1；可变电流源I1、开关管M1，M2三者依次串联连接于电源和第一封装地线之间，射频输入通过可变反馈电阻R1连接于开关管M1，M2的串联连接处，两个开关管M1，M2的控制相连接；基于控制指令调整可变反馈电阻R1和可变电流源I1以改变低通放大器的拐点频率和滚降系数。

6.根据权利要求3所述的射频收发装置，其特征在于，LC负载包括电容阵列C1，可调电感L1，可变电阻R2以及开关管M3，M4；可调电感L1与可变电阻R2串联后与电容阵列C1并联后形成调节模块，调节模块经串联的开关管M4，M3以及第二封装地线连接于带通放大器，调节模块和开关管M4的连接点形成射频输出；基于控制指令调整电容阵列C1和可调电感L1以改变带通放大器的中心频率，调整可变电阻R2改变带通放大器低频侧的滚降系数。

7.根据权利要求1所述的射频收发装置，其特征在于，所述射频收发装置还包括连接于两个放大器负载之间的可变电流偏置电路，所述可变电流偏置电路调整与后一级窄带放大器的绝对增益。

8.一种权利要求1所述的射频收发装置自动调谐方法，其特征在于，包括：

根据前级放大器的带宽将通信系统的带宽划分为多个信道；

基于通信系统的当前信道调节前级放大器内每一放大器负载内可变元器件的参数以调整每一窄带放大器的频率和滚降系数，以使前级放大器的带宽匹配通信系统的当前信道且在前级放大器的带宽范围内每一频率点均具有相等或接近的增益；

当通信系统切换信道后，再次跟随切换后的当前信道调节每一窄带放大器的频率和滚降系数。

9.根据权利要求8所述的射频收发装置自动调谐方法，其特征在于，预先将通信系统内每一信道所对应的放大器负载内的可变元器件的参数形成参数配置集并进行存储；当通信系统再次工作于某一信道时从存储区内获取该信道对应的参数配置集并写入对应的放大器负载。

10.一种宽带射频通信系统，其特征在于，包括权利要求1～7所述的射频收发装置和混频器。

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