CN1901401A - 实现rf信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路，将天线接收到的RF信号首先通过片外低噪声放大器进行低噪声放大，然后经过射频滤波器输入到接收芯片中，接收芯片把射频信号下变频到中频信号输出，然后通过匹配滤波器送至普通的室内电缆。其发射芯片是把来自室内电缆的中频信号上变频到射频信号，再通过天线发射出去。本发明所述集成电路既可以采用双芯片结构设计，也可以采用单芯片结构设计，将上述接收芯片和发射芯片集成在同一芯片内。本发明支持多种通信协议，采用集成电路设计，具有体积小、功耗低，信号传输一致性、可靠性高等优点，适用于解决通信技术领域的无线信号室内覆盖问题。

Description

实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路

技术领域

本发明涉及通信技术领域的无线信号室内覆盖技术，特别涉及一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路。

背景技术

现代都市中建筑物越来越高、越来越多、越来越密集，移动通信的无线电信号在其间传播受到阻挡而衰减，另外现代建筑多以钢筋混凝土为骨架，再加上全封闭式的外装修，对无线电信号的屏蔽和衰减特别厉害，影响正常的通信。在一些高层建筑物的低层，基站信号通常较弱，存在部分盲区；而在某些超高建筑物的高层，又没有完全覆盖。在大中城市的中心区，基站密度都比较大，平均站距小于1Km，所以通常进入室内的信号比较杂乱、不稳定。特别是在一些没有完全封闭的高层建筑的中、高层，进入室内的信号非常杂乱，近处基站的信号或远处基站的信号通过直射、折射、反射、绕射等方式进入室内，信号忽强忽弱不稳定，同频、邻频干扰严重。移动电话在这种环境下使用，未通话时，小区重选频繁，通话过程中频繁切换，话音质量差，掉话现象较严重。

为了解决上述室内信号覆盖的问题，目前最有效的方法就是建设室内分布系统，将基站的信号通过有线方式直接引入到室内的每一个区域，再通过小型天线将基站信号发送出去，从而达到消除室内覆盖盲区，抑制干扰，为室内的移动通信用户提供一个稳定、可靠的信号供其使用。但是安装和维护一套室内分布系统的费用是非常高昂的。例如，于2006年2月1日公告的中国发明专利CN 1240192，即公开了一种在低带宽媒体上传输RF带宽内的RF信号的系统和方法，该系统实现将射频(RF)信号下变频到中频(IF)信号，再通过普通的室内标准电缆传输，在远端天线处，再对中频(IF)信号进行上变频恢复为原始的射频(RF)信号。其缺陷在于，上述在低带宽媒体上传输RF信号的系统是由多个分离的电路模块或芯片搭建而成，其信号在传输和转换过程中一致性、可靠性较差，输出信号可能出现失真现象。另外，随着无线通信技术的发展，人们对射频频谱的利用越来越广泛，移动通信已经推出了多个无线协议，如GSM、CDMA以及3G系统等，其频谱覆盖范围800MHz～2100MHz。但是，专利CN1240192所述的在低带宽媒体上传输RF信号的系统只适用于单协议的移动通信系统，没有给出多协议同时通信的解决方案。

发明内容

为了解决多协议的RF信号室内覆盖问题，本发明提供了一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路，实现小体积、低功耗、高可靠性的无线信号和有线信号之间的双向转换。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，包括：射频放大电路，用于接收RF信号，将RF信号放大后输出至射频缓冲器；下变频混频器，其射频输入端接收上述射频缓冲器输出的RF信号，将RF信号下变频成中频信号输出；本振信号产生电路，用于生成本振信号并输出至下变频混频器的本振输入端；射频镜像信号抑制电路，包括多相滤波器、加法器和缓冲器，其多相滤波器接收由下变频混频器输出的中频信号，经加法器去除其中的干扰信号，再输出至缓冲器；可变增益放大器，接收由上述射频镜像信号抑制电路的缓冲器输出的中频信号，对其进行增益放大后输出。

上述射频放大电路包括两个低噪声放大器，其输入端分别与芯片外的RF滤波器连接。

上述下变频混频器包括I混频器和Q混频器，其射频输入端与射频缓冲器连接，中频输出端经中频缓冲器与射频镜像信号抑制电路的多相滤波器连接。

上述本振信号产生电路包括压控振荡器和除2除4电路，压控振荡器的输出信号经除2除4电路生产下变频混频器所需的正交本振信号，其0°本振信号与第一混频器的本振输入端连接，90°本振信号与第二混频器的本振输入端连接。所述压控振荡器的输出端还与锁相环电路连接。

上述射频镜像信号抑制电路输出的中频信号输出至芯片外，经中频滤波器后，再输入芯片内，与可变增益放大器的输入端连接。

一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的发射芯片，包括：可变增益放大器，用于接收中频信号，将中频信号增益放大后输出至缓冲器；上变频器，其中频输入端接收上述缓冲器输出的中频信号，将中频信号上变频成RF信号输出；本振信号产生电路，用于生成本振信号并输出至上变频器的本振输入端；功放驱动电路，接收上变频器输出的RF信号，对其进行功率预放大后输出。

上述可变增益放大器的缓冲器输出的中频信号输出至芯片外，经中频滤波器后，再输入芯片内，经二次放大器与上变频器的中频输入端连接。

上述本振信号产生电路包括压控振荡器和除2除4电路，压控振荡器的输出信号经除2除4电路生产上变频器所需的本振信号，与上变频器的本振输入端连接。所述压控振荡器的输出端还与锁相环电路连接。

本发明所述RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路，既可以采用双芯片结构设计，如上所述接收芯片和发射芯片；也可以采用单芯片结构设计，将上述接收芯片和发射芯片集成在同一芯片内。即，一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路，包括上述接收芯片和发射芯片的组成电路。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1).本发明支持多种通信协议，如GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等，其RF频谱覆盖范围达到800MHz～2100MHz，输出的中频信号在40～100MHz范围之间，适合普通的室内标准电缆传输。

(2).本发明采用集成电路设计，在芯片级电路的基础之上实现RF信号和中频信号之间的转换，具有体积小、功耗低，信号传输一致性、可靠性高等优点。

(3).基于上述多协议性和集成电路的优点，可以在本发明的集成电路基础之上，设计相应的外围电路，与其他设备连接组成无线信号的室内覆盖系统，由此开发的室内覆盖系统具有结构简单，而且适用范围广，可支持多种通信协议等特点。

附图说明

图1为本发明的双芯片原理框图；

图2为本发明的双芯片设计结构原理图；

图3为本发明的单芯片原理框图；

图4为本发明的单芯片设计结构原理图。

具体实施方式

如图1、3所示为本发明的原理框图，其中，RF接收/转换电路包括片外放大器/滤波器10、射频放大电路11、下变频混频器12、本振信号产生电路13、射频镜像信号抑制电路14、可变增益放大器15和匹配滤波器16，天线单元31接收来自移动基站发射的RF信号后，经双工器30发送至片外放大器/滤波器10，RF信号依次经过射频放大电路11、下变频混频器12、本振信号产生电路13、射频镜像信号抑制电路14和可变增益放大器15，下变频成中频信号，再经匹配滤波器16输出至室内电缆。RF发射电路包括片外功放/滤波器20、功放驱动电路21、上变频器22、本振信号产生电路23、可变增益放大器25和匹配滤波器26，来自室内电缆的中频信号依次经过匹配滤波器26、可变增益放大器25、本振信号产生电路23、上变频器22和功放驱动电路21上变频成RF信号，然后经外功放/滤波器20输送至双工器30，最后由天线单元31发射出去。本发明所述RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路可以采用双芯片结构设计(原理框图如图1所示)，也可以采用单芯片结构设计(原理框图如图3所示)。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式并不局限于此。

实施例一：

如图2所示为本发明的双芯片结构原理图，图中虚线框中的电路部分为芯片内部结构，包括RF接收芯片(Rx CHIP)和发射芯片(Tx CHIP)，由两块芯片构成的收发系统工作原理是：远端接入单元天线接收到移动基站发射的RF信号后，通过双工器(Diplexer)传送到接收机部分。天线接收到的RF信号首先通过片外低噪声放大器(OFF-CHIP-LNA)进行低噪声放大，然后经过射频滤波器(RF Filter)输入到接收芯片Rx CHIP中，接收芯片把射频信号(RF)下变频到中频信号(IF)输出，然后通过匹配滤波器送至普通的室内电缆，如CAT-5电缆。发射机部分是把来自室内电缆的中频信号(IF)上变频到射频信号(RF)，再通过天线发射出去。如图2所示，来自电缆CAT-5的中频信号经过匹配滤波器进入到发射芯片Tx CHIP中进行上变频，并经过一定功率放大输出，然后再通过RF滤波器、片外功放(OFF-CHIP PA)、双工器，由天线发射出去。

接收芯片Rx CHIP的工作原理如下：

接收芯片集成了两个低噪声放大器LNA，其中，低噪声放大器LNA1实现GSM900和CDMA的频道信号低噪声放大，低噪声放大器LNA2实现GSM1800、PHS以及3G应用频道信号的低噪声放大。芯片工作时，只有一个LNA正常工作，另外一个LNA被关闭。经低噪声放大器LNA放大后的射频信号通过射频缓冲器(RF Buffer)同时送入两个下变频混频器的射频输入端，混频器是三端口电路，包括射频输入端、本振输入端和中频输出端。采用正交的本振信号分别送至两个混频器的本振输入端可得到正交的中频信号，0°本振信号输入的混频器为I混频器(I Mixer)，90°本振信号输入的混频器为Q混频器(Q Mixer)，正交本振信号由压控振荡器VCO和除2除4电路产生。两个混频器产生的正交中频信号分别经过中频缓冲器输入至多相滤波器(PolyPhase Filter)，经过多相滤波器使两路产生的所需中频信号相位一致，射频镜像信号产生的干扰中频信号相位相反，再经过加法器(Adder)使所需中频信号增大，干扰中频信号抵消，从而提高整个接收机的镜像抑制比。为驱动片外中频滤波器，在加法器之后，还增加一级中频缓冲器。经过混频器及镜像抑制电路产生的中频信号送出片外，进行中频滤波，中频滤波器使用高选择性的片外滤波器，有效抑制带外信号。为使在接收不同能量的射频信号情况下，中频输出信号恒定，射频接收机中均带有可变增益放大器，本发明为减小体积，接收芯片也集成了数字控制的可变增益放大器。如图2所示，经过中频滤波器选择后的中频信号再送至芯片内的可变增益放大器，通过数字控制可改变放大器增益，从而使得最终中频输出信号稳定。

以上所述是接收芯片的信号链路工作原理，为产生混频器所需本振信号，以及对不同频道的选择，本接收芯片还集成了压控振荡器(VCO)和锁相环。本发明采用两个压控振荡器VCO实现多协议全波段的本振信号覆盖，两个压控振荡器VCO通过开关选择。为提高压控振荡器VCO的集成度，本发明采用除2除4电路生成混频器实际需要的本振信号，即压控振荡器VCO振荡信号的频率是混频器实际需要的本振信号的2倍或4倍。压控振荡器VCO、除2除4电路以及锁相环工作原理如下：压控振荡器VCO产生的振荡信号通过一缓冲器送至除2除4电路和前置分频器(Prescaler)，除2除4电路生成本振信号，除2除4通过数字控制字进行选择；前置分频器对压控振荡器VCO产生的振荡信号进行32/33双模分频，再将分频后信号送至可编程计数器(ProgramCounter)和吞咽计数器(Swallow Counter)，从而形成Integer-N型分频器。分频器产生的低频信号与一基准信号进行相位比较，即两路信号同时送至鉴相器PFD，鉴相器把两信号的相位差转换成控制信号，再由电荷泵(CP)和片外环路滤波器(LPF)生成电压信号，因此，鉴相器PFD、电荷泵CP以及片外环路滤波器LPF电路负责把分频后的信号和参考信号之间的误差转换成电压，该电压再对压控振荡器VCO进行控制，从而形成闭环系统，产生稳定的振荡信号。通过对分频器进行不同分频比的配置，可产生不同频率的振荡信号，从而可接收不同频道的射频信号。鉴相器PFD输入的基准信号由非常稳定的晶振提供，如图2所示，本发明集成了晶振驱动电路(Oscillator Driver)和参考分频器(Reference Divider)，在同一晶振频率下，通过对参考分频器的配置，可产生不同的参考频率。同时，本发明为检测锁相环环路是否锁定，芯片还集成了锁定检测电路(LOCK DETECK)，通过对鉴相器PFD、电荷泵CP电路信息的检测，可以判断锁相环是否锁定在所需频率上。

除上述的信号链路模块、压控振荡器以及锁相环，本发明还集成了带隙基准电流源(Bandgap)，为芯片内各模块提供稳定的电流偏置。同时，还集成SPI串行通信电路，实现芯片与片外系统之间的数据通信。

发射芯片Tx CHIP实现了与接收芯片Rx CHIP相反的功能，即把来自电缆的中频信号上变频至射频信号，其工作原理如下：

发射芯片首先采用可变增益放大器对输入的中频信号进行增益放大，然后，送至片外进行中频滤波，选择后的中频信号再输入至片内，进行再次放大后输入至上变频器(Up-Converter)的中频输入端，上变频器产生高中频信号输出，高中频信号也就是我们所需要发射的射频信号，上变频后的射频信号经过缓冲器输入至功放驱动电路(Pre-PA)进行功率预放大，然后输出片外，完成发射工作。

发射芯片同样集成了本振信号产生电路，用于生成上变频器所需的本振信号，其电路组成与接收芯片的本振信号产生电路基本相同。其中，压控振荡器VCO、锁相环以及SPI、Bandgap电路工作原理和电路组成和工作原理与接收芯片中的相应电路相同，在此不再累述。所不同的是，发射芯片与接收芯片的压控振荡器VCO和锁相环的电路工作频点不同，这一点主要取决于无线通信协议标准。为减小体积，降低成本，本发明的接收芯片和发射芯片共用同一个晶振。

实施例二：

如图4所示为本发明的单芯片结构原理图，图中虚线框中的电路部分为芯片内部结构，该RF收发芯片集成了两部分电路：接收部分Rx和发射部分Tx。其中，接收部分Rx的电路组成和工作原理与双芯片结构中的接收芯片相同，发射部分Tx的电路组成和工作原理与双芯片结构中的发射芯片相同，因此，在此不再累述。

上述集成电路具有以下技术特征：

1.多协议无线通信收发电路实现芯片全集成。

2.本产品采用对VCO振荡频率进行除2除4配置实现上、下变频器宽带所需的本振信号。

3.芯片接收部分输出中频和芯片发射部分的输入中频相同，选择在40～100MHz范围之间，适合在普通的室内电缆上进行传输。

4.芯片接收部分采用两个低噪声放大器LNA实现多协议射频信号的低噪声放大。

5.芯片接收部分采用I/Q混频器、多相滤波器以及加法器实现接收镜像抑制。

6.芯片接收和发射部分均采用数控可变增益放大器实现输出信号电平稳定。

7.芯片接收及发射部分均采用两个压控振荡器VCO实现宽频带覆盖。

8.芯片接收及发射部分均采用电荷泵式Integer-N频率综合器进行频率选择。

9.芯片接收及发射部分均采用差分信号输入输出。

10.芯片接收及发射部分均通过参考分频器对晶振频率进行分频获得参考频率，从而使本产品可选择不同的晶振。

11.芯片采用带隙基准源(Bandgap)提供芯片偏置。

12.芯片采用串行通信协议SPI实现芯片内外通信。

如上所述，为本发明的最佳实施方式。尽管所述实例已经表示和描述了本发明，但并不表示对本发明自身的限制，本领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的前提下，可在其形式上和细节上作出各种变化，所附的权利要求书覆盖了本发明精神和范围内的所有这些改变和修改。

Claims (11)

1.一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，其特征在于，包括：

射频放大电路，用于接收RF信号，将RF信号放大后输出至射频缓冲器；

下变频混频器，其射频输入端接收上述射频缓冲器输出的RF信号，将RF信号下变频成中频信号输出；

本振信号产生电路，用于生成本振信号并输出至下变频混频器的本振输入端；

射频镜像信号抑制电路，包括多相滤波器、加法器和缓冲器，其多相滤波器接收由下变频混频器输出的中频信号，经加法器去除其中的干扰信号，再输出至缓冲器；

可变增益放大器，接收由上述射频镜像信号抑制电路的缓冲器输出的中频信号，对其进行增益放大后输出。

2.根据权利要求1所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，其特征在于，所述射频放大电路包括两个低噪声放大器，其输入端分别与芯片外的RF滤波器连接。

3.根据权利要求1所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，其特征在于，所述下变频混频器包括I混频器和Q混频器，其射频输入端与射频缓冲器连接，中频输出端经中频缓冲器与射频镜像信号抑制电路的多相滤波器连接。

4.根据权利要求1所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，其特征在于，所述本振信号产生电路包括压控振荡器和除2除4电路，压控振荡器的输出信号经除2除4电路生产下变频混频器所需的正交本振信号，其0°本振信号与第一混频器的本振输入端连接，90°本振信号与第二混频器的本振输入端连接。

5.根据权利要求4所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，其特征在于，所述压控振荡器的输出端还与锁相环电路连接。

6.根据权利要求1所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的接收芯片，其特征在于，所述射频镜像信号抑制电路输出的中频信号输出至芯片外，经中频滤波器后，再输入芯片内，与可变增益放大器的输入端连接。

7.一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的发射芯片，其特征在于，包括：

可变增益放大器，用于接收中频信号，将中频信号增益放大后输出至缓冲器；

上变频器，其中频输入端接收上述缓冲器输出的中频信号，将中频信号上变频成RF信号输出；

本振信号产生电路，用于生成本振信号并输出至上变频器的本振输入端；

功放驱动电路，接收由上变频器输出的RF信号，对其进行功率预放大后输出。

8.根据权利要求7所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的发射芯片，其特征在于，所述可变增益放大器的缓冲器输出的中频信号输出至芯片外，经中频滤波器后，再输入芯片内，经二次放大器与上变频器的中频输入端连接。

9.根据权利要求7所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的发射芯片，其特征在于，所述本振信号产生电路包括压控振荡器和除2除4电路，压控振荡器的输出信号经除2除4电路生产上变频器所需的本振信号，与上变频器的本振输入端连接。

10.根据权利要求9所述实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路的发射芯片，其特征在于，所述压控振荡器的输出端还与锁相环电路连接。

11.一种实现RF信号和中频有线信号之间的双向转换集成电路，其特征在于，包括权利要求1所述接收芯片和权利要求7所述发射芯片的组成电路。

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