CN117792847A - 一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，涉及接收机测试技术领域；其基于结构相同的标准件和待测件，第一步标准件发送测试射频信号给待测件；第二步待测件根据式(9)算得待测件与标准件载波信号的频率偏差并发往标准件；第三步标准件判断频率偏差是或否满足精度要求，否则根据式(11)算得待测件与标准件的晶体频偏，根据无源晶体的频率偏差和负载电容关系曲线获得待测件晶体起振电路调谐电容的校准参数并发往待测件，执行第四步；是则执行第五步；第四步待测件获得调谐电容的校准参数并重新配置待测件调谐电容的参数值，执行第二步；第五步标准件告知待测件保存最后的校准参数并结束；载波频率校准效率高、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及接收机测试技术领域，尤其涉及一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法。
背景技术
随着社会数字化、智能化的发展，射频无线通信在各行各业的应用越来越广泛。在大规模生产过程中，由于器件参数的差异和生产过程的加工偏差，或者是因为工作环境的变化，比如温度，射频设备的参考时钟频率有时会偏离额定的工作频率范围，导致射频的载波频率产生线性偏移，会严重影响无线连接的稳定性，通信质量下降，甚至无法通信。其中，射频设备主要说的是芯片。
为了解决载波频率偏移的问题，很多厂家在设备生产的测试时，采用专门的仪器来测试参考时钟的频率，并根据测试结果反复调整产生参考时钟晶体的振荡频率，最终达到满意的结果，但这种方法会大大增加批量生产的时间和成本，导致终端产品和系统成本偏高。
发明内容
本发明提供一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，解决载波频率校准效率较低、成本较高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案在于如下方面：
一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，基于结构相同的标准件和待测件，包括如下步骤并实现标准件对待测件载波频率校准：
第一步，标准件发送测试射频信号给待测件；
第二步，待测件根据公式(9)计算获得待测件载波信号与标准件载波信号之间的频率偏差并发往标准件；
Δf=f'IF－fRF+fLO 公式(9)
公式(9)中，Δf为待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差，f'IF为待测件的低中频信号的频率值，fLO为已知的标准件载波信号的频率值；
第三步，标准件判断频率偏差是或否满足精度要求，否则根据公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线获得待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数并发往待测件，执行第四步；是则执行第五步；
ΔfREF=Δf/m 公式(11)
公式(11)中，ΔfREF为待测件与标准件之间的晶体频偏，分频比m；
第四步，待测件获得调谐电容C的校准参数并重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步；
第五步，标准件告知待测件保存最后的校准参数并结束。
进一步的技术方案在于：在第一步中，标准件跟待测件建立无线连接，标准件发送测试射频信号fRF给待测件。
进一步的技术方案在于：在第二步中，待测件接收到标准件发来的测试射频信号fRF后，生成待测件低中频信号，频率值为f'IF，根据公式(9)计算得到待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差Δf，并将该频率偏差Δf发送给标准件。
进一步的技术方案在于：在第三步中，标准件接收到待测件发来的频率偏差Δf后，判断频率偏差Δf是否达到精度要求，如果未达到频率校准精度，标准件通过公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏ΔfREF，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线，推算出待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数，标准件将该调谐电容C的校准参数通过无线方式发送给待测件，执行第四步；直到频率偏差Δf达到精度要求，完成频率校准，执行第五步。
进一步的技术方案在于：在第四步中，待测件接收到标准件发来的调谐电容C的校准参数，根据收到的校准参数重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步实现更新频率偏差Δf并将更新后的频率偏差Δf再发送给标准件。
进一步的技术方案在于：在第五步中，频率偏差Δf已经达到允许的误差范围内，标准件生成校准完成信号并发往待测件，待测件接收到标准件发来的校准完成信号，待测件保存最后的校准参数，校准结束。
进一步的技术方案在于：标准件包括第一射频芯片、第一天线和第一无源晶体，第一射频芯片与第一天线连接，第一射频芯片与第一无源晶体连接；待测件包括第二射频芯片、第二天线和第二无源晶体，第二射频芯片与第二天线连接，第二射频芯片与第二无源晶体连接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，基于结构相同的标准件和待测件包括如下步骤，第一步，标准件发送测试射频信号给待测件；第二步，待测件根据公式(9)计算获得待测件载波信号与标准件载波信号之间的频率偏差并发往标准件；第三步，标准件判断频率偏差是或否满足精度要求，否则根据公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线获得待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数并发往待测件，执行第四步；是则执行第五步；第四步，待测件获得调谐电容C的校准参数并重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步；第五步，标准件告知待测件保存最后的校准参数并结束；其通过第一步骤至第五步骤，实现标准件对待测件载波频率校准，载波频率校准效率高、成本低。
详见具体实施方式部分描述。
附图说明
图1是低中频接收机的原理框图；
图2是无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线；
图3是本发明的原理框图；
图4是本发明载波频率校准的流程图。
实施方式
本申请根据低中频射频接收机的工作原理，提出了一种快速低成本的载波频率校准解决方法，并根据该方法设计了一个低成本的设备作为标准件，用标准件和待测件构成一个通信系统，达到校准的目的。该方法无需专门的仪器，用标准件对待测件的载波频率进行校准，在很短的时间内达到很高的校准精度，有效提高了产品良率，大大促进标准化的大规模生产。
总体思想：
在射频通信过程中，载波信号频率fLO的精度决定了通信信号的质量和可靠性。射频设备的载波信号基本都是由内部的锁相环电路提供。
如图1所示，给出了一个采用低中频接收机结构射频系统芯片的接收机部分框图。
如图1所示，载波信号频率fLO跟锁相环PLL的输出信号频率一致。对于输出频率为fLO的锁相环PLL来说，其fLO取决于其分频比m和参考时钟频率fREF，即存在以下公式：
fLO=m*fREF 公式(1)
公式(1)中，分频比m是确定的，载波信号频率fLO的偏差都是因为参考时钟频率fREF引起的，所以载波信号频率偏移的校准，只需要校准参考时钟频率fREF即可。
如图1所示，同样地，参考时钟fREF的产生电路，由片上的晶体起振电路Crystaloscillator和片外的无源晶体passive crystal两部分构成，无源晶体通过P和N两个芯片引脚连接到晶体起振电路，晶体起振电路主要包括调谐电容C和负载电路两个部分。
参考时钟fREF的常规频率校准方法，一般需要用专门的仪器先进行测量参考时钟频率fREF，再修改晶体起振电路的调谐电容电阻RC参数，再对参考时钟频率fREF进行测量，反复操作，最后达到射频电路系统频率精度要求。对于参考时钟频率fREF为几十MHz、频率偏差为100ppm的晶体来说，其偏差频率为几KHz，如果将该频率偏差校准到10ppm，每个频率计量和修改RC参数的操作周期需要数秒时间，而且还需要专门的仪器，整个测量和校准过程需要数十秒才能完成，速度慢成本高。
如图1所示，在低中频射频接收机中，天线接收到的射频信号fRF和载波信号fLO混频，接收机的混频分为上边带混频和下边带混频，这里以上边带混频为例，即射频信号频率fRF>载波信号频率fLO，产生一个低中频信号fIF，该低中频信号可以直接输出到数字系统Digital system中去处理。
本申请需要用到一个标准件，该标准件是一块电路板，电路板使用一块跟待测件同一型号的的射频芯片，作为主控芯片，外接天线、无源晶体，以及其他电感电容等必需的外围器件。
因为标准件采用和待测件同样的射频芯片，二者频率的产生机制完全一致。对于频率准确的标准件来说，标准件的载波信号频率fLO是准确值，输入一个频率确定的射频信号fRF，标准件输出的低中频信号的频率fIF也是确定的。
低中频信号频率的计算公式如下：
fIF=fRF－fLO 公式(2)
公式(2)中，fIF为低中频信号的频率值，fRF为射频信号的频率值，fLO为载波信号的频率值。
公式(2)的计算逻辑均适用于标准件和待测件中生成的低中频信号的频率值的计算，为了便于区分，本申请的标准件的低中频信号的频率值的计算公式采用公式(2)，待测件的低中频信号的频率值的计算公式采用公式(3)。
如果给待测件同样输入射频信号fRF，则待测件生成的低中频信号的频率f'IF为：
f'IF = fRF －f'LO 公式(3)
公式(3)中，f'IF为待测件生成的低中频信号的频率值，f'LO为待测件载波信号的频率值，fRF为标准件发来测试信号即射频信号的频率值。
而对于载波存在偏差的待测件来说，待测件载波信号频率为f'LO，载波信号频率f'LO和理想值fLO存在频率偏差Δf ，有公式(4)：
f'LO= fLO－Δf 公式(4)
公式(4)中，Δf为标准件载波信号的频率值fLO与待测件载波信号的频率值f'LO之间的频率偏差。
变换公式(4)获得公式(5)。
Δf= fLO－f'LO 公式(5)
将公式(4)代入公式(3)获得公式(6)：
f'IF=fRF－(fLO－Δf) 公式(6)
公式(6)中，f'IF为待测件生成的低中频信号的频率值，fRF为标准件发来测试信号即射频信号的频率值，fLO为已知的标准件载波信号的频率值，Δf为标准件载波信号的频率值fLO与待测件载波信号的频率值f'LO之间的频率偏差。
f'IF=fIF+Δf 公式(7)
公式(7)中，f'IF为待测件生成的低中频信号的频率值，fIF为已知的标准件生成的低中频信号的频率值，Δf为待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差。
整合公式(3)、公式(4)和公式(7)，获得公式(8)：
f'IF=fRF－f'LO= fRF－(fLO－Δf)= fIF+Δf 公式(8)
公式(8)中，f'IF为待测件生成的低中频信号的频率值，fRF为标准件发来测试信号即射频信号的频率值，f'LO为待测件载波信号的频率值，fLO为已知的标准件载波信号的频率值，Δf为待测件载波信号的频率值f'LO与标准件载波信号的频率值fLO之间的频率偏差。
进一步整理获得：
Δf=f'IF－fRF+fLO 公式(9)
公式(9)中，Δf为待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差，f'IF为待测件的低中频信号的频率值，fLO为已知的标准件载波信号的频率值。
待测件生成的低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间存在同样的频率偏差Δf。Δf的数值跟fIF很接近，很容易通过基带的处理计算出，而且通过公式(1)的计算逻辑可以获得公式(10)：
Δf=m*ΔfREF 公式(10)
公式(10)中，Δf为待测件低中频信号与标准件低中频信号之间的频率偏差，分频比m是确定的，ΔfREF为待测件与标准件之间的晶体频偏。
变换公式(10)获得公式(11)：
ΔfREF=Δf/m 公式(11)
公式(11)中，ΔfREF为待测件与标准件之间的晶体频偏，Δf为待测件载波信号的频率值f'LO与标准件载波信号的频率值fLO之间的频率偏差，分频比m是确定的。
公式(11)中的Δf与公式(9)中的Δf相等。
这个方法把两个相差数万倍的参数，待测件与标准件之间的晶体频偏ΔfREF和标准件的参考时钟频率fREF的计算和测量，转化成了两个等同数量级的参数，待测件低中频信号与标准件低中频信号之间的频率偏差Δf和待测件低中频信号频率值f'IF的计算和测量，从而极大地简化了计算量，也极大地减少了测量时间，从而降低了硬件成本和量产测试时间。
对于同一型号的无源晶体来说，其频率偏差和负载电容一般存在单调线性关系。
如图2所示，无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线。以负载电容为10pF为例，可以快速高精度地得到待测件与标准件之间的晶体频偏ΔfREF，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线的映射关系，可以通过纵轴的频率误差即晶体频偏ΔfREF确定横轴的负载电容值，设置晶体起振电路里的调谐电容参数，就实现频率校准的目的。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
如图3和图4所示，本发明公开了一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，基于标准件对待测件实现载波频率校准的步骤。
如图3所示，标准件包括第一射频芯片、第一天线和第一无源晶体，第一射频芯片与第一天线连接，第一射频芯片与第一无源晶体连接。标准件为根据需要提前校准好的器件。
待测件包括第二射频芯片、第二天线和第二无源晶体，第二射频芯片与第二天线连接，第二射频芯片与第二无源晶体连接。待测件为批量生产后待校准的器件。
标准件与待测件的结构相同。
由于批量生产的待测件中的无源晶体的差异性，需要对生产获得的待测件校准后才可以出厂。
如图4所示，载波频率校准步骤具体划分包括如下步骤：
第一步，标准件发送测试射频信号给待测件。
具体地：标准件跟待测件建立无线连接，标准件发送测试射频信号fRF给待测件。
第二步，待测件根据公式(9)计算获得待测件载波信号与标准件载波信号之间的频率偏差并发往标准件。
具体地：待测件接收到标准件发来的测试射频信号fRF后，生成待测件低中频信号，频率值为f'IF，根据公式(9)计算得到待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差Δf，并将该频率偏差Δf发送给标准件。
第三步，标准件判断频率偏差是或否满足精度要求，否则根据公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线获得待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数并发往待测件，执行第四步；是则执行第五步。
具体地：标准件接收到待测件发来的频率偏差Δf后，判断频率偏差Δf是否达到精度要求，如果未达到频率校准精度，标准件通过公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏ΔfREF，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线，推算出待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数，标准件将该调谐电容C的校准参数通过无线方式发送给待测件，执行第四步；直到频率偏差Δf达到精度要求，完成频率校准，执行第五步。
第四步，待测件获得调谐电容C的校准参数并重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步。
具体地：待测件接收到标准件发来的调谐电容C的校准参数，根据收到的校准参数重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步实现更新频率偏差Δf并将更新后的频率偏差Δf再发送给标准件。
第五步，标准件告知待测件保存最后的校准参数并结束。
具体地：频率偏差Δf已经达到允许的误差范围内，标准件生成校准完成信号并发往待测件，待测件接收到标准件发来的校准完成信号，待测件保存最后的校准参数，校准结束。
如图3所示，为标准件和待测件构成的测试系统。左边为标准件设备，右边为待测件设备，两个设备通过无线信号进行数据交互和频率校准，校准完成后，待测件获得最终校准参数并直接用该校准参数来工作。
本方法提供的是标准件设备，对另外一个待测件设备，做校准频率校准流程。标准件设备通过无线通信方式将测试数据发送给待测件设备，待测件接收到该信号后经过计算，发送低中频的频率误差信号，标准件跟据该信号的频率偏差大小，判断待测件的频率偏差是否满足要求，发送校准信号参数，或校准完成指示信号。
有益的技术效果：
1、硬件投入成本低：利用自制的简单的标准件系统即可完成，不需要专门的仪器设备。
2、校准过程时间短：在一两个通信周期内即可完成，不同的通信标准通信周期不同，绝大部分可以在1秒中以内完成。
3、精度高：利用射频接收机的低中频结构，可以快速准确计算出待测件的载波频率偏差，根据晶振调谐电容和振荡频率的映射关系，准确确认晶振的调谐电容值，最后载波频偏的校准精度，只取决于调谐电容的精度。一般来说，设备的调谐电容精度都足够高，从而校准后的载波频率精度也很高。
关键部件及技术：
1、标准件
本校准方法中使用了跟待测件同样射频芯片的标准件，用来提供测试的射频信号频率fRF，帮助待测件判断频率偏差Δf的精度，并给待测件发送校准参数值或校准完成信号。
2、低中频架构射频接收机
低中频射频接收机即待测件，可以得到一个待测件低中频信号f'IF，待测件根据标准件发射的射频测试信号fRF的频率，根据公式(9)计算得到待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差Δf，Δf /fIF远大于射频载波的精度要求ppm级别，而且Δf=m*ΔfREF，从而大大简化频率计算，并获得很高的校准精度。
3、晶体起振电路的振荡频率和负载电容的单调线性映射关系
从ΔfREF=Δf/m的计算值，根据晶体起振电路的振荡频率和负载电容的单调线性映射关系，可以快速确认调谐电容的C参数值，不用反复迭代测量校准。
4、标准件和待测件之间的交互流程和内容
标准件和待测件根据上述的交互流程，可以快速确认待测件的晶振负载电容参数值。频率校准的精度取决于晶振负载电容的调谐精度。
创新点：
1、利用低中频接收机的载波频偏会导致低中频信号产生频率偏差Δf的方法，并根据Δf=m*ΔfREF推算得到晶振的偏差频率ΔfREF。该方法通过频率的转换，极大地简化了频率偏差的计算量，也极大地减少了测量时间，从而降低了硬件成本和量产测试时间。
2、采用同样的射频芯片作为标准件，给待测件提供测试的射频信号频率fRF，帮助待测件判断Δf的精度，并给待测件发送校准参数值或校准完成信号。该方法可以有效降低测试的硬件成本。
3、根据第二步得到的晶振偏差频率，通过晶体起振电路振荡频率和负载电容的单调线性映射关系，快速确认调谐电容C参数值的方法。
4、标准件和待测件根据上述的交互流程和方法，可以快速确认待测件的晶振负载电容参数值。频率校准的精度取决于晶体起振电路负载电容的调谐精度。
上述实施例中，射频芯片可以为手机芯片、蓝牙芯片、WiFi芯片或者GPS芯片。
Claims (7)
1.一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：基于结构相同的标准件和待测件，包括如下步骤并实现标准件对待测件载波频率校准：
第一步，标准件发送测试射频信号给待测件；
第二步，待测件根据公式(9)计算获得待测件载波信号与标准件载波信号之间的频率偏差并发往标准件；
Δf=f'IF－fRF+fLO 公式(9)
公式(9)中，Δf为待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差，f'IF为待测件的低中频信号的频率值，fLO为已知的标准件载波信号的频率值；
第三步，标准件判断频率偏差是或否满足精度要求，否则根据公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线获得待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数并发往待测件，执行第四步；是则执行第五步；
ΔfREF=Δf/m 公式(11)
公式(11)中，ΔfREF为待测件与标准件之间的晶体频偏，分频比m；
第四步，待测件获得调谐电容C的校准参数并重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步；
第五步，标准件告知待测件保存最后的校准参数并结束。
2.根据权利要求1所述的一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：在第一步中，标准件跟待测件建立无线连接，标准件发送测试射频信号fRF给待测件。
3.根据权利要求2所述的一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：在第二步中，待测件接收到标准件发来的测试射频信号fRF后，生成待测件低中频信号，频率值为f'IF，根据公式(9)计算得到待测件低中频信号的频率值f'IF与标准件低中频信号的频率值fIF之间的频率偏差Δf，并将该频率偏差Δf发送给标准件。
4.根据权利要求3所述的一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：在第三步中，标准件接收到待测件发来的频率偏差Δf后，判断频率偏差Δf是否达到精度要求，如果未达到频率校准精度，标准件通过公式(11)计算得到待测件与标准件之间的晶体频偏ΔfREF，根据无源晶体的频率偏差和其负载电容关系曲线，推算出待测件晶体起振电路调谐电容C的校准参数，标准件将该调谐电容C的校准参数通过无线方式发送给待测件，执行第四步；直到频率偏差Δf达到精度要求，完成频率校准，执行第五步。
5.根据权利要求4所述的一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：在第四步中，待测件接收到标准件发来的调谐电容C的校准参数，根据收到的校准参数重新配置待测件调谐电容C的参数值，执行第二步实现更新频率偏差Δf并将更新后的频率偏差Δf再发送给标准件。
6.根据权利要求5所述的一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：在第五步中，频率偏差Δf已经达到允许的误差范围内，标准件生成校准完成信号并发往待测件，待测件接收到标准件发来的校准完成信号，待测件保存最后的校准参数，校准结束。
7.根据权利要求1所述的一种用于低功耗射频通信的载波频率校准方法，其特征在于：标准件包括第一射频芯片、第一天线和第一无源晶体，第一射频芯片与第一天线连接，第一射频芯片与第一无源晶体连接；待测件包括第二射频芯片、第二天线和第二无源晶体，第二射频芯片与第二天线连接，第二射频芯片与第二无源晶体连接。
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