CN1290255C - 射频发射机和接收机电路 - Google Patents
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Abstract
揭示了一种用于射频通信系统的无线电收发机电路。所述电路包括发射机电路、接收机电路和本机振荡器电路。本地振荡器电路包括至少一个振荡器输入信号,其频率是射频通信系统的传送频率的非整数倍。用振荡器输入信号来产生发射机本地振荡器信号和接收机本地振荡器信号。
Description
优先权信息
本申请对于申请日为2001年2月16日,申请号为60/269,493的美国临时专利申请要求优先权。
发明背景
本发明涉及用于射频通信系统的发射机和接收机领域,尤其涉及用于发射和接收射频(RF)信号的组合电路。
由于无线通信系统日益普及,因此产生了对于价格低廉、频谱纯净的RF发射机。高品质的RF发射机一般包括价格比较昂贵的元件。例如,某些带通滤波器,诸如声表面波(SAW)滤波器,虽能提供优良的性能但价格比较昂贵。许多应用还要求发射机的功耗要低。人们还希望发射机适用于多种调制标准中的任何标准,诸如移动通信全球系统(GSM)或数字蜂窝系统(DCS)。
按常规可以知道,应该如此设计发射机电路,从而减少把寄生信号(例如,谐波和外来信号)引入系统的可能性。在某些情形中,预知某些寄生信号的来源可能极为困难,因而几乎无法加以模拟。为了解决这个问题,一般认为应该把常规的发射机电路设计成适应性强的电路,从而能够调节频率计划,以从有关的频带中去除任何噪声。
例如,在某些情形中,通过使用两个单独的振荡器可以最为容易地校正一个电路,由于可以独立地调节任何一个振荡器,因此便于调节以降低噪声。此外,可以把频率选择得使它们的谐波不相关,这样就把由振荡器产生的谐波寄生信号的机会减至最小。然而,遗憾的是,某些振荡器的价格颇为昂贵。例如,某些由合成器构成的振荡器电路能够产生极为稳定的输出信号,但其价格相当昂贵。人们也希望避免使用价格比较昂贵的滤波器。
因此,人们需要既便宜又有效的RF发射机。人们还需要一种既有频谱方面的效能、制作成本又较低的转发环路调制器。
一般,RF接收机把输入RF信号变换为中频(例如,超外差接收机),或把输入信号与一个直流(DC)信号直接混合(例如,直接变换接收机)。直接变换接收机直接与一个DC信号混合,因而有时称为零IF接收机,因为其中频是零赫兹(DC)。调制信息仅在下变频中表现出来,而没有一般与中频相随的载波信息。在直接变频接收机中,本地振荡器信号与输入信号工作在相同的频率上。第5,438,692号和第5,548,068号美国专利公开了常规的直接变频接收机。
在直接变频中,通过正交下变频保存调制信息。该正交下变频包括把输入线或载波与本地振荡器信号沿两条不同的路径混合。沿一条路径的本地振荡器信号相对于输入RF信号可以处于零相位(0°),而沿另一条路径可以相移90°。或者,相对于输入信号,一条路径可以处于-45°,而另一条路径处于+45°。例如,参看第5,303,417号美国专利。在任何场合,一般在电路路径之间相互有90°的相位差,把一条路径称为I通道,而把另一条路径称为Q通道。正交下变频方法把必要的相位信息保存在输入信号中。
假如本机振荡器信号辐射至输入RF信号,则可能出现干扰。因为这些信号的频率相同,从输入信号中无法频率滤除本机振荡器信号。实际上,输入信号将被阻塞。第4,811,425号和第5,428,837号美国专利涉及在零中频接收机中减少本机振荡器信号的泄漏对RF输入信号的影响。
此外,假如RF输入信号辐射至压控振荡器(VCO),则可能出现干扰。因为VCO一般都很灵敏,频率与VCO的频率接近的任何信号,即使其只有很少的能量,也将与VCO相互作用。这是因为VCO将有选择地放大与VCO信号的频率接近的信号,从而造成寄生响应。
克服这个问题的一个方法是使用这样一个VCO,其工作频率不同于输入RF信号的频率。然后改变VCO信号的频率,以产生频率与输入RF信号频率相同的本机振荡器信号。例如,通过混频器把来自一个VCO的信号(其频率为F1)可以与来自另一个VCO的信号(其频率为F2)加以组合。然后可以用带通滤波器对经组合的信号进行滤波,以产生本机振荡器信号。然而,F1和F2信号的乘积将包括一些必须被滤除的寄生信号,以产生频谱纯净的本机振荡器信号。例如,两个正弦函数的乘积sin(α)×sin(β)等于1/2cos(α-β)-1/2cos(α+β)。在混频器处将产生两个频率(F1+F2)(F1-F2),而其中的一个必须被滤除。一般必须进行这种类型的滤除出IC的工作,这又引起本机振荡器信号对输入RF信号的干扰或泄漏。
在其他的常规本机振荡器电路中,可能只用一个VCO,而该VCO的输出将输入至倍频器,然后至滤波器。VCO的频率(F1)可以是输入RF频率的一半,而本机振荡器的频率将是2F1。在还有一些常规本机振荡器电路中,VCO的频率(F1)可以是RF输入信号频率的两倍,而本机振荡器的频率将是1/2F1。用这样一个VCO(F1)也能做到这一点,把该VCO的输出送入除以2电路以产生本机振荡器信号。然而,在每个这样的电路中,本机振荡器信号仍然可以辐射至RF输入信号,而VCO可以对RF输入信号的谐波频率敏感。
这些常规技术不能充分减轻干扰问题。本发明的另一个目的是提供直接变频接收机或发射机,该接收机或发射机具有较小的RF输入信号与本机振荡器之间的泄漏或干扰。
在达到上述目的的单个系统中提供改进的RF发射机和接收机也是本发明的一个目的。
发明概要
本发明提供用于射频通信系统的无线电收发机电路。该电路包括发射机电路、接收机电路和本地振荡器电路。本地振荡器电路包括至少一个振荡器输入信号,其频率是射频通信系统的传输频率的非整数倍。用振荡器输入信号来产生发射机本地振荡器信号和接收机本地振荡器信号。在一个实施例中,双频带射频输入信号的两个频带的频率(FRF)由本地振荡器的频率(FLO)分别乘以非整数值(1/x)加一或减一之和的乘积模块提供。
附图简述
参照附图能够进一步了解下面的详细描述,在这些图中:
图1示出了本发明的一个电路实施例的功能框图;
图2示出了本发明的另一个电路实施例的功能框图;
图3示出了本发明的又一个电路实施例的功能框图。
发明详述
如图1所示,按照本发明的一个实施例的一个组合的发射机和接收机的电路10包括用于把信号送至天线的发射机输出端口12,其后接以用于放大的放大器14。发射机电路包括VCO16、低通滤波器18、相敏检波器20和分频器22(在一个实施例中,它完成除以二的功能)。送至相敏检波器20的另一个输入信号来自分频器24,而分频器24的输入接收自VCO58。至分频器22的输入是一个由混频器26和28提供的正交信号,而混频器26和28耦合至输入32和34。正交相移由相移器30提供。从VCO16至混频器38和带通滤波器36的环路路径提供本机振荡器信号。
进一步如图1所示,接收机电路使用相同的VCO58。特别,VCO58通过分频器56,而输入至相移器46,相移器46为混频器42和44提供正交相移,而混频器42和44接收在40处的输入信号。把混频器42和44的输出提供给低通滤波器48和50,而低通滤波器48和50又接着把信号提供给系统接收机端口52和54。
在一个实施例中,VCO58可以工作在1350MHz,而分频器可以根据需要在作为2/3乘法器工作或作为4/3乘法器工作之间切换,对于接收机电路提供900MHz或1800MHz的本机振荡器信号。对于发射机,分频器22可以完成除以二的功能,而分频器24可以完成除以六的功能,根据需要提供1800MHz或900MHz的发射信号。在一个实施例中,通过在到天线14的路径中使用一个多级分频器(由它们可以获得除以二的功能)或者使用一个可选的再除以二的分频器,本机振荡器信号可以在1800MHz和900MHz之间切换。系统允许对于发射机电路和接收机电路使用一个VCO,而减少了由于谐波干扰造成的噪声,因为VCO频率不是1800MHz或900mHz的整数倍。
如图2所示,一个包括本发明的转发环路调制器的组合的发射机和接收机电路包括分数n合成器70、低通环路滤波器72和VCO74,而VCO74的输出是本机振荡器信号76。如图所示,把本机振荡器信号76反馈至分数n合成器,输入到在发射机电路所反馈路径中的下变频器混频器80,以及输入到相位比较器部分的n分频器82。相位比较器还包括m分频器84、相位比较器和电荷泵装置86以及低通滤波器88。
把滤波器88的输出耦合至一对VCO90和92,每个VCO又依次分别耦合至放大器94和96,最后至输出天线98。发射机输出可以在每条输出路径之间切换,以提供在两种传输标准下的运作。两种被选的传输标准可以是许多标准中的任何标准,例如,GSM和DCS。在别的实施例中,系统可以容纳任何数目的运行模式。
反馈路径包括匹配或开关装置,该装置交替地接收来自一个或另一个VCO90或92的输入信号。组合器装置100的输出作为至下变频器混频器80的输入而呈现。通过带通滤波器102,把混频器80的输出耦合至正交调制器元件作为反馈信号。如图所示,正交调制器元件包括I和Q通道混频器104、106、相移器108、求和器110和带通滤波器112。
还把系统的本机振荡器输出信号76馈送至图2的系统中的接收机电路。特别地,通过分频器114(例如,除以3)把本机振荡器信号76耦合至一个振荡器环路,该环路包括混频器116、另一个分频器122(例如,除以4)、VCO120和低通滤波器118。把VCO120的输出也耦合到两条信号接收路径(例如,一条用于GSM系统,另一条用于DCS系统)中的每一条。
通过带通滤波器124(例如,SAW)和放大器126把来自天线98的第一信号接收路径耦合至正交解调电路,该电路包括一对混频器128和130以及相移器132,该相移器132例如提供VCO120振荡器信号的零度和90度相移。来自天线98的另一条信号路径类似地包括带通滤波器134(例如,SAW)和放大器136,该放大器136与一对混频器138和140相通。第二信号路径的正交元件包括分频器142(例如,除以2),该分频器142把VCO120振荡器信号以除以2的频率提供给每个混频器138和140。
把混频器128和138的输出呈现给选择装置144,该选择装置144通过低通滤波器146耦合至放大器148,以提供I通道接收机输出。把混频器130和140的输出呈现给选择装置150,该选择装置150通过低通滤波器152耦合至放大器154,以提供Q通道接收机输出。在某些实施例中,选择装置144(以及选择装置150)可以简单地包括一个把输入线与输出线连在一起的节点。
在工作时,把由振荡器74产生的参考信号提供给发射机的相位比较器电路,给发射机的下变频器混频器,以及给接收机电路的分频器114。环路振荡器电路使用参考信号,用于为接收机电路的正交解调器提供接收机参考信号。为产生DCS频带的I和Q通道信号,以零度和90度相移来使用接收机参考信号;为产生GSM频带的I和Q通道信号,用分频器来使用接收机参考信号。
输入至下变频器混频器的本地振荡器信号也输入至n分频器。在一个实施例中,用分数n合成器、环路滤波器和VCO来产生这个信号,把所有这些部件连成一个反馈环路结构。明确地说,通过低通滤波器把分数n合成器的输出耦合至VCO。VCO的输出产生本地振荡器信号,而把这个输出信号反馈到分数n合成器。因此,本发明给出,只用一个VCO即可对反馈电路中的相位比较器电路和下变频器混频器提供振荡器信号。通过仔细地选择元件来做到这一点。
电路提供了发射机输出信号(RFOUT)的频率可以与本地振荡器的频率有关这一情形。特别,我们涉及混频器的高侧乘积和低侧乘积,并且由于它是下变频器,我们涉及差值乘积IF=|RF-LO|。因此,对于GSM,RFLO/n=(RFLO-RFOUT)/m,这里RFLO-RFOUT是高侧差值乘积。对RFOUT来解,有RFOUT=RFLO(1-m/n),由它得出RFLO=RFOUT/(1-m/n)。对于DCS,RFLO/n=(RFOUT-RFLO)/m,这里RFOUT-RFLO是低侧差值乘积。对RFOUT来解,有RFOUT=RFLO(1+m/n),或RFLO=RFOUT/(1+m/n)。可以这样来选择m和n的值,从而对于GSM,发射机输出信号可以是900MHz;而对于DCS发射机输出信号可以是1800MHz。认识到下述情形,即可得知这是做得到的:对于DCS,RFOUT=RFLO+RFIF,而对于GSM,RFOUT=RFLO-RFIF,这里RFIF是中频信号的频率,该中频信号是送至正交调制器的反馈信号。在各个实施例中,本机振荡器例如可以包括与可变频率倍乘器(1/A)串联的压控振荡器,RFLO=RFVCO/A。
在工作时,响应于两个同频率输入信号之间的相位差,相位比较器的输出提供了一个直流电压。例如,每个送至相位比较器的输入信号可以是225MHz。假如m=2而n=6,则输入至m分频器的信号的频率必须是450MHz,而输入至n分频器的信号的频率必须是1350MHz。对于GSM,由发射振荡器产生的输出信号的频率将是900MHz。把这个信号输出至发射机天线(未示出)。因此,对于这些m和n的值,对于GSM,RFLO=3/2RFOUT;而对于DCS,RFLO=3/4RFOUT。
也把该输出信号耦合至下变频器混频器作为R输入。本地振荡器输入信号的频率将是1350MHz。因为混频器将产生其频率为两个输入信号的和频以及差频的信号,因此混频器的输出产生两个信号,一个信号的频率是2250MHz,而另一个信号的频率是450mHz。例如,两个正弦函数的乘积sin(α)×sin(β)等于1/2cos(α-β)-1/2cos(α+β)。因此在输出处产生的两个频率将是F1+F2和F1-F2。在滤波器处滤掉2250MHz信号,而正交调制器电路接收频率为450MHz的反馈信号。
通过控制I和Q,可以精确控制输入至m分频器的450MHz信号的相位(或角度)。例如,如果把零伏施加在Q输入上,而把一伏施加在I输入,则提供给分频器电路的将是角度为零度的450MHz信号。如果把零伏施加在Q输入上,而把负一伏施加在I输入,则提供给分频器电路的将是角度为180度的450MHz信号。如果把一伏施加在Q输入上,而把零伏施加在I输入,则提供给分频器电路的将是角度为90度的450MHz信号。如果把负一伏施加在Q输入上,而把零伏施加在I输入,则提供给分频器电路的将是角度为-90度的450MHz信号。通过调节I和Q输入,可以完全地调节450MHz信号的角度。
因此正交调制器对RF输出信号提供调制。相位比较器的输出产生一个其频率为输入信号的和频的信号,并且产生一个其频率为输入信号的差频的信号。在滤波器处滤掉频率为和频(450MHz)的信号,而把直流信号输入至压控振荡器,该压控振荡器又为天线产生输出信号。滤波器的其他功能之一是它也滤除了在系统中可能产生的任何其他噪声。
通过特别选择VCO、滤波器以及分频器的值,可以提供一个能够达到本发明的目的的转发环路调制器电路。在其他实施例中,m和n的值可以不同。本发明允许在转发环路调制器电路中去掉一个振荡器而性能特征不明显地变坏。
如图3所示,本发明的另一个实施例提供了一种无线电收发机电路,它类似与图2中示出的电路,只是通过带通滤波器102把混频器80的输出耦合至分频器82,而不是如图2那样把VCO74的输出耦合至分频器82。来自本地振荡器电路的输入也通过分频器83。此外,如图3所示,通过分频器158把送至正交通道混频器104和相移器108的反馈信号耦合至本地振荡器信号76,而不是如图2那样耦合至滤波器102。在一个实施例中,分频器82、83和84提供相同的分频值(例如,y),而分频器158提供不同的分频值(例如,x)。
图3中的接收机电路也类似于图2中的接收机电路,只是把一对混频器128和130耦合至分频器160,而把混频器138和140耦合至分频器162的输出。把分频器160的输出耦合至分频器162,而把分频器160的输入耦合至求和器164。把求和器164的输入耦合至一对混频器166和168。如图所示,把混频器138和140也耦合至混频器166和168,而把混频器166和168的输出耦合至求和器170,如图3所示,把求和器170耦合至本地振荡器信号76。
按照本发明的一个实施例,在工作期间,分频器158可以提供1/6的频率倍乘,而每个分频器82、83和84可以提供1/2的频率倍乘。接收机电路中的每个分频器160和162也可以提供1/2的频率倍乘。在此构造中的本机振荡器信号76提供2.7GHz的信号频率。因此,至发射机输入正交混频器的反馈信号是450MHz,输入至分频器84的信号是450MHz,而从分频器84输出的信号是225MHz。输入至比较器86的另一个信号也是225MHz,因而输入至分频器82的信号是450MHz。取决于工作模式,反馈电路工作于1800MHz或900MHz,而混频器80把该信号与从分频器83输出的1350MHz的信号合并。混频器80的输出是450MHz,而该信号在经过滤波器102之后被提供给分频器82。
在接收机电路中,把参考信号(频率为2.7GHz)输入至一个镜象抑制混频器的求和器170。这些混频器把该信号的正交分量与来自混频器138和140的900MHz信号合并。把混频器166和168的输出提供给求和器164,因而该求和器164的输出是3.6GHz。然后把该信号输入至分频器160以提供1.8GHz信号给混频器128和130,如图所示。分频器160也提供1.8GHz输出信号给分频器162,而把分频器162的输出(它是900MHz)提供给混频器138和140,以及提供给混频器166和168,如图所示。
所以,图3的电路允许在双频带射频无线电收发机中使用单个振荡器,其中,本机振荡器信号是射频信号的非整数谐波。
本领域的技术人员将理解,对于上面描述的实施例可以进行多种修改和变更而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (18)
1.一种用于发射和接收射频信号的射频无线电收发机,所述射频无线电收发机包括发射机电路、接收机电路和本地振荡器电路:
与无线电收发机参考信号耦合的所述发射机电路用于发射有正交关系的射频信号,所述发射机电路包括(a)输入装置,它用于接收代表了要被调制的信息的输入信号并且用于产生中频信号,(b)比较器装置,它用于接收所述中频信号和比较器参考信号,以及用于响应于所述中频信号和比较器参考信号产生比较器输出信号,以及(c)反馈电路,它耦合至所述比较器输出信号用于产生被耦合至所述输入装置的反馈信号,所述反馈电路包括反馈混频器,所述反馈混频器与频率约为1350MHz的反馈参考信号耦合;
所述接收机电路用于接收有正交关系的射频信号并且与所述无线电收发机参考信号耦合;以及
所述本地振荡器电路用于为所述发射机电路和所述接收机电路产生所述无线电收发机参考信号。
2.如权利要求1所述的无线电收发机,其特征在于所述输入装置包括一对有正交关系的混频器和一个带通滤波器。
3.如权利要求1所述的无线电收发机,其特征在于所述比较器装置包括一对分频器、一个耦合至所述分频器的相位比较器、一个低通滤波器和一对压控振荡器。
4.如权利要求3所述的无线电收发机,其特征在于所述比较器装置还包括一个与所述分频器之一耦合的带通滤波器。
5.如权利要求1所述的无线电收发机,其特征在于所述反馈装置包括一个混频器和一个带通滤波器。
6.如权利要求1所述的无线电收发机,其特征在于所述反馈装置包括一个混频器和一个分频器。
7.一种用于发射和接收频率为FRF的射频信号的射频无线电收发机,所述射频无线电收发机包括发射机电路、接收机电路和本地振荡器电路:
所述发射机电路用于发射有正交关系的射频信号,所述发射机电路包括频率倍乘装置,用于对本机振荡器信号提供1/x的频率倍乘;
所述接收机电路用于接收由正交关系的射频信号并且与所述本机振荡器信号耦合;
所述本机振荡器电路用于为所述发射机电路和所述接收机电路产生所述本机振荡器信号,所述本机振荡器信号的频率为FLO,这里在所述无线电收发机的第一工作频带内FRF=FLO(1/x+1),而在所述无线电收发机的第二工作频带内FRF=FLO(1/x-1)。
8.如权利要求7所述的无线电收发机,其特征在于所述频率倍乘装置包括一个相位比较器,所述相位比较器与一个除以二的分频器以及一个除以六的分频器耦合,所述除以六的分频器也与所述本地振荡器电路耦合。
9.如权利要求7所述的无线电收发机,其特征在于所述频率倍乘装置包括一个除以六的分频器,所述除以六的分频器与所述本地振荡器电路以及所述发射机电路的一个输入单元的正交混频器耦合。
10.如权利要求1所述的无线电收发机,其特征在于所述本机振荡器电路提供频率约为1350MHz的本机振荡器信号。
11.如权利要求1所述的无线电收发机,其特征在于所述本机振荡器电路提供频率约为2.7GHz的本机振荡器信号。
12.一种用于发射和接收双频带射频信号的双频带射频无线电收发机,所述无线电收发机包括:
发射机电路,它用于发射频率为FRF的具有正交关系的射频信号,所述发射机电路包括一个提供1/x频率倍乘的频率倍乘装置;以及
本机振荡器电路,它用于提供频率为FLO的本机振荡器信号,这里在第一工作频带内FRF=FLO(1/x+1),而在第二工作频带内FRF=FLO(1/x-1)。
13.如权利要求12所述的无线电收发机,其特征在于所述无线电收发机还包括一个与所述本机振荡器信号耦合的接收机电路。
14.如权利要求12所述的无线电收发机,其特征在于提供频率为1350MHz的所述本机振荡器信号。
15.如权利要求12所述的无线电收发机,其特征在于提供频率为2.7GHz的所述本机振荡器信号。
16.如权利要求12所述的无线电收发机,其特征在于所述x的值为3。
17.如权利要求12所述的无线电收发机,其特征在于所述x的值为整数。
18.如权利要求12所述的无线电收发机,其特征在于所述双频带射频信号的频率为900MHz和1800MHz。
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