TWI667892B - 應用於物聯網之無線射頻系統 - Google Patents

Abstract

一種應用於物聯網之無線射頻系統，包括無線射頻傳輸模組以及無線射頻接收模組，其中，無線射頻傳輸模組用於將來自物聯網之數位訊號執行訊號波形之整形，以將該數位訊號調變為已調變輸出訊號，透過自混頻方式提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅以及降低相位雜訊，以及透過電流再利用方式，放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅，俾將放大後之該已調變輸出訊號透過第一天線發送至無線通道，該無線射頻接收模組用於檢測來自第二天線所接收之載波輸入訊號以得到基頻訊號，並將該基頻訊號解調變為差動訊號，且在將開迴路狀態下執行數次放大，以放大該差動訊號的電壓/電流振幅而產生數位輸出訊號，俾將該數位輸出訊號傳送至後端之訊號處理器。

Description

應用於物聯網之無線射頻系統

本發明係關於一種無線射頻技術，特別的是，係有關一種應用於物聯網且具備低功率消耗之無線射頻系統。

隨著科技日新月異，繼電腦、網際網路、互聯網等信息技術發展後，物聯網(Internet of Things，IOT)技術也成為近些年熱門議題，簡單來說，物聯網可將所有物件以訊號傳遞或感應設備與網際網路、互聯網連接，藉此實現物件識別以及智能管理，其中，訊號傳遞或感應設備例如無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification，RFID)，如此讓物品在生產、物流、販售等程序中，實現自動化識別、資訊互聯或是資訊共享，藉以在管理上達到便利的效果。

以物聯網採用之無線射頻辨識系統為例，隨著積體電路的不斷發展，類比積體電路、數位積體電路以及無線射頻積體電路經常被整合在同一系統晶片(SOC)內，然而無線射頻積體電路卻經常佔據整個系統功率消耗。具體來說，無線射頻積體電路中包含傳輸部分與接收部分，現有無線射頻系統其接收部分的架構，像是超外差接收機(Super-Heterodyne Receiver)、直接降頻接收機(Homodyne Receiver)、鏡像拒斥接收機(Image-Reject Receiver)、低中頻接收機 (Low-IF Receiver)等，都是使用大功率混頻器與大功率本地振盪器之同調檢測的方式來達成訊號的解調變，此使得無線射頻系統的功率消耗劇增，大大縮短其使用時限。

另外，無線射頻系統傳輸部分所消耗功率通常都會比接收部分高，即佔整個系統晶片(SOC)的功率消耗比例最高，現有無線射頻系統其傳輸部分的架構，像是雙級升頻傳輸機(Dual Up-Conversion Transmitter)、直接升頻傳輸機(Direct Up-Conversion Transmitter)、鎖相迴路傳輸機(PLL-Based Transmitter)、低中頻傳輸機(Low-IF Transmitter)等，也是使用大功率混頻器以及大功率本地振盪器之同調檢測的方式來達成訊號的調變，同樣導致無線射頻系統的功率消耗劇增，易讓無線射頻系統使用時限縮短。

上述現有的無線射頻系統的接收傳輸架構主要運用在遠距離傳輸、高資料量傳輸，遠距離傳輸使得系統需要高靈敏度的規格，高資料量傳輸使得系統需要高位元速率與多通道的電路規格，致使系統需高功率消耗。然而，物聯網應用環境中，無線射頻系統需要大量節點以及長時間使用特性，極需要低功率消耗、低面積與低成本的接收傳輸架構，藉以進行短距離之資料傳輸，故現有的無線射頻系統架構並不適用於物聯網之應用。

由上可知，如何找出一種無線射頻積體電路，特別是，透過內部電路創新與改良，以大幅提升系統靈敏度及位元速率，藉此創造出一個適合於物聯網應用情境下的無線射頻傳輸接收系統，此將成為本技術領域人員努力追求之目標。

鑒於上述先前技術之缺點，本發明提出一種適用於物聯網傳輸接收之通訊系統架構與內部電路元件架構，此無線射頻傳輸接收系統具有低功率消耗、低電路元件量、低面積、低複雜度、高整合度、抗載波頻率偏移之特性，可符合物聯網對於大量通訊節點需求，藉此解決傳統通訊架構不適用於物聯網之問題。

本發明係提出一種應用於物聯網之無線射頻系統，係包括：無線射頻傳輸模組以及無線射頻接收模組。無線射頻傳輸模組係包括預加重訊號產生器、電流再利用自混頻壓控振盪器以及電流再利用多倍轉導增益功率放大器，其中，該預加重訊號產生器係用於將來自物聯網之數位訊號執行訊號波形之整形，以將該數位訊號調變為已調變輸出訊號，該電流再利用自混頻壓控振盪器係透過自混頻方式，提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅以及降低相位雜訊，該電流再利用多倍轉導增益功率放大器係透過電流再利用方式，放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅，俾將放大後之該已調變輸出訊號透過第一天線發送至無線通道；另外，無線射頻接收模組係包括單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器以及電流再利用疊接組態雙級放大器，其中，該單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器係用於檢測來自第二天線所接收之載波輸入訊號以得到基頻訊號，且將該基頻訊號解調變為差動訊號，該電流再利用疊接組態雙級放大器係用於在將開迴路狀態下執行數次放大，以放大該差動訊號的電壓/電流振幅而產生輸出訊號，俾將該輸出訊號傳送至後端之訊號處理器。

可選擇性地，該無線射頻接收模組更包括可變頻高通濾波器，該高通濾波器係用於濾除該差動訊號中低頻雜訊。

可選擇性地，該無線射頻接收模組更包括比較器，該比較器係用於檢測該電流再利用疊接組態雙級放大器放大後之該輸出訊號，以將該輸出訊號轉換成數位資料，俾令該數位資料傳送至該訊號處理器執行該數位資料的處理與顯示。

可選擇性地，當該差動訊號為類比訊號時，該電流再利用疊接組態雙級放大器放大後之該輸出訊號係直接輸出。

於一實施態樣中，該預加重訊號產生器包括數個延遲元件、數位邏輯運算單元以及多工器，其中，該數位訊號透過該數個延遲元件分散為不同訊號，該不同訊號經該數位邏輯運算單元運算後通過搭配不同電壓/電流偏壓之該多工器，以令該已調變輸出訊號具有不同的電壓/電流振幅。

於一實施態樣中，該電流再利用自混頻壓控振盪器包括平方律元件、直流耦合低頻交流隔離單元、互補式交錯混頻單元以及電感電容共振單元，其中，該平方律元件將該已調變輸出訊號進行倍頻化，該直流耦合低頻交流隔離單元對已倍頻化之該已調變輸出訊號濾波以濾除低頻雜訊，該互補式交錯混頻單元對已濾波之該已調變輸出訊號進行混頻以降頻至一倍頻的諧振頻率並回傳至該電感電容共振單元，藉由正回授路徑以提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅。

於一實施態樣中，該電流再利用多倍轉導增益功率放大器包括數個放大器、直流電源單元、直流阻隔單元以及加總器，其中，該直流電源單元和該直流阻隔單元提供交流訊號的迴路，該數個放大器放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅並透過該直流阻隔單元傳遞至輸出端，以由該加總器對該輸出端進行訊號加總，以達到任意倍數的轉導增益以及產生出更高的轉導增益。

於一實施態樣中，該單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器包括倍數頻次諧波耦接單元、低頻阻隔單元、可變頻諧波濾除單元以及高阻抗單元，其中，該弦波輸入訊號經該倍數頻次諧波耦接單元後產生諧波失真訊號，該低頻阻隔單元對該諧波失真訊號濾除低頻雜訊干擾並傳送至該可變頻諧波濾除單元，該可變頻諧波濾除單元由已濾除低頻雜訊之該諧波失真訊號中濾出該基頻訊號，且該高阻抗單元透過交流訊號虛接地特性以提升輸出端的輸出阻抗，以提高輸出增益。

於一實施態樣中，該電流再利用疊接組態雙級放大器包括數個放大器以及雙向放大器，其中，該數個放大器係交錯接線，該差動訊號由該數個放大器放大後，再送至輸出端，且該雙向放大器透過雙重輸入訊號再利用的特性，以提升輸出訊號的振幅。

相較於先前技術，本發明所提出之無線射頻系統，在無線射頻接收模組中利用了諧波檢測的技術來達成解調變，因此可以大幅簡化無線射頻接收模組的複雜度，降低系統功率消耗與面積，且達成便於整合的目的。另外，在無線射頻傳輸模組的部分，由於無線射頻接收模組諧波檢測技術的使用，在無線射頻傳輸模組中就能免除鎖相迴路的使用，簡化系統設計，達到降低功率消耗與面積的功效，以及便於整合的目的。

1‧‧‧無線射頻系統

11‧‧‧無線射頻傳輸模組

111‧‧‧預加重訊號產生器

1111-1117‧‧‧延遲元件

1118‧‧‧數位邏輯運算單元

1119‧‧‧多工器

112‧‧‧電流再利用自混頻壓控振盪器

1121‧‧‧電感電容共振單元

1122‧‧‧互補式交錯混頻單元

1123‧‧‧直流耦合低頻交流隔離單元

1124‧‧‧平方律元件

113‧‧‧電流再利用多倍轉導增益功率放大器

1131‧‧‧放大器

1132、1132’‧‧‧直流阻隔單元

1133‧‧‧直流電源單元

1134‧‧‧訊號加總

1135‧‧‧負載

12‧‧‧無線射頻接收模組

121‧‧‧單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器

1211‧‧‧倍數頻次諧波耦接單元

1212、1213‧‧‧低頻阻隔單元

1214‧‧‧可變頻諧波濾除單元

1215‧‧‧高阻抗單元

122‧‧‧可變頻高通濾波器

123‧‧‧電流再利用疊接組態雙級放大器

1231、1232‧‧‧放大器

1233‧‧‧雙向放大器

124‧‧‧比較器

13‧‧‧第一天線

14‧‧‧第二天線

圖1，係本發明無線射頻系統之系統架構示意圖。

圖2A和2B，係本發明無線射頻系統之預加重訊號產生器的內部架構圖和電路圖。

圖3A和3B，係本發明無線射頻系統之電流再利用自混頻壓控振盪器的內部架構圖和電路圖。

圖4A和4B，係本發明無線射頻系統之電流再利用多倍轉導增益功率放大器的內部架構圖和電路圖。

圖5A和5B，係本發明無線射頻系統之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器的內部架構圖和電路圖。

圖6，係本發明無線射頻系統之無線射頻接收模組內可變頻高通濾波器的電路圖。

圖7A和7B，係本發明無線射頻系統之電流再利用疊接組態雙級放大器的內部架構圖和電路圖。

圖8，係本發明無線射頻系統之無線射頻接收模組內比較器的電路圖。

以下內容將搭配圖式，藉由特定的具體實施例說明本發明之技術內容，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明之精神下，進行各種修飾與變更。尤其是，於圖式中各個元件的比例關係及相對位置僅具示範性用途，並非代表本發明實施的實際狀況。

請參照圖1，係為本發明之無線射頻系統的系統架構示意圖。簡單來說，本發明之無線射頻系統1可應用於物聯網，利用了諧波檢測的技術，藉 此簡化系統電路設計，以達到降低功率消耗與面積以及便於整合等目的。無線射頻系統1包括位於傳輸端的無線射頻傳輸模組11以及位於接收端的無線射頻接收模組12。

無線射頻傳輸模組11包括預加重訊號產生器111、電流再利用自混頻壓控振盪器112及電流再利用多倍轉導增益功率放大器113。簡言之，該預加重訊號產生器111用於將來自物聯網之數位訊號執行訊號波形之整形，將該數位訊號調變為已調變輸出訊號，該電流再利用自混頻壓控振盪器112透過自混頻方式，提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅以及降低相位雜訊，該電流再利用多倍轉導增益功率放大器113透過電流再利用方式，放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅，俾將放大後之該已調變輸出訊號透過第一天線13發送至無線通道。

具體來說，無線射頻傳輸模組11具有低功率消耗、低面積、低成本、高整合度、容易實現等特點，適合應用在物聯網的系統中，此無線射頻傳輸模組11可將任何輸入訊號，例如數位訊號或類比訊號，將其進行調變，包括進行升頻調變或是降頻調變均可。如圖所示，來自物聯網之數位訊號進入無線射頻傳輸模組11時，會先通過預加重訊號產生器111以進行訊號波形之整形，以成為已調變輸出訊號。有關訊號波形之整形，可透過不同形式的波形整形來彌補各種調變方式的可能缺點，例如OOK調變、ASK調變、FSK調變、PSK調變、QAM調變、MSK調變等，在此情況下，可同時解決OOK訊號與ASK訊號振幅變化速度緩慢之問題，也可加速FSK訊號調頻穩定之速度，以及解決PSK訊號不連續的高頻干擾問題。

數位訊號通過預加重訊號產生器111後，已調變輸出訊號會傳遞至電流再利用自混頻壓控振盪器112，此時電流再利用自混頻壓控振盪器112透過自混頻技術，使得電流再利用自混頻壓控振盪器112可在更低功率消耗、更低元件面積以及更低成本下，可輸出電壓/電流振幅更高的已調變輸出訊號，並且具有更低相位雜訊(phase-noise)以及較低的雜訊裙帶，如此可減低無線射頻傳輸模組11對於其他頻帶的干擾。

接著，通過電流再利用自混頻壓控振盪器112之已調變輸出訊號會傳遞至電流再利用多倍轉導增益功率放大器113，電流再利用多倍轉導增益功率放大器113透過電流再利用技術、放大器疊接架構以及直流阻隔單元等，形成一個可產生任意倍數轉導增益的功率放大器，因此，能在更低功率消耗下，輸出更高的輸出功率(Output Power)至第一天線13，如此電流再利用多倍轉導增益功率放大器113的使用可達到更高能量轉換效益。另外，放大器疊接架構可在只使用單條偏壓電流下達成差動架構才具有的偶次諧波消除功能以及共模雜訊消除功能，此讓已調變輸出訊號的線性度更好、降低對鄰近通道的干擾、提升無線射頻接收模組12的訊號雜訊比(SNR)以及降低無線射頻接收模組12的位元錯誤率(bit-error rate)。

無線射頻接收模組12包括單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121及電流再利用疊接組態雙級放大器123。簡言之，該單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121用於檢測來自第二天線14所接收之弦波輸入訊號以得到基頻訊號，且將該基頻訊號解調變為差動訊號，該電流再利用疊接組態雙級放大器123用於在將開迴路狀態下執行數次放大，以放大該差動訊號的電壓/電流振幅而產生輸出訊號，俾將該輸出訊號傳送至後端之訊號處理器。

較佳者，無線射頻接收模組12還包括可變頻高通濾波器122，可設置於單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121及電流再利用疊接組態雙級放大器123之間，可變頻高通濾波器122可用於濾除該差動訊號中低頻雜訊。

較佳者，無線射頻接收模組12還包括比較器124，可設置於電流再利用疊接組態雙級放大器123之後，比較器124可用於檢測該電流再利用疊接組態雙級放大器123放大後之該輸出訊號，以將該輸出訊號轉換成數位資料，俾令該數位資料傳送至該訊號處理器執行該數位資料的處理與顯示。於另一實施例中，倘若差動訊號並非為數位訊號而是為類比訊號，則電流再利用疊接組態雙級放大器123放大後之該輸出訊號可直接輸出。

具體來說，無線射頻接收模組12同樣具有低功率消耗、低面積、低成本、高整合度、容易實現等特點，亦可應用於物聯網的系統中。由於無線射頻接收模組12使用了諧波檢測的技術，因而傳輸部分可去除鎖相迴路(PLL)的使用，故可大幅減低的無線射頻傳輸模組11的功率消耗、面積、成本，也增加了無線射頻系統1的整合度。無線射頻接收模組12可將任何振幅調變的訊號進行解調變，例如ASK訊號、OOK訊號或QAM訊號，如圖1所示，第二天線14將弦波輸入訊號接收進來並傳送至單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121，單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121可將訊號中基頻封包的部分檢測出來，並且轉成差動訊號輸出，由於解調變後的訊號直接落於基頻會受到低頻的閃爍雜訊干擾，因此，解調變後的差動訊號會傳送至可變頻高通濾波器122，為了要抵抗製程偏移，可將可變頻高通濾波器122的頻帶設計為可調的。

之後，差動訊號被傳送至電流再利用疊接組態雙級放大器123來執行數次放大，其原因在於解調變後的訊號振幅不大，故需要一個放大器，本 發明之電流再利用疊接組態雙級放大器123在開迴路情況下，疊接組態的放大器具有功率消耗較低和頻寬較佳之優點，而雙向放大器具有增益較高和輸出擺幅較大之優點，最後，放大後的差動訊號傳送至比較器124，若差動訊號為數位訊號，則將差動訊號轉換成數位資料，數位資料可輸出後由後端的數位訊號處理器、手機或電腦進行訊號處理與顯示，假若差動訊號為類比訊號，則無需比較器124，可由電流再利用疊接組態雙級放大器123將輸出訊號直接輸出。

相較於雙級升頻傳輸系統(Dual Up-Conversion Transmitter)，本發明之無線射頻傳輸模組11使用直接升頻(direct up-conversion)方式來調變基頻訊號，因而具備系統複雜度低、功率消耗較低等特點，輸出訊號的調變方式可為OOK(on-off-keying)調變或FSK(frequency-shift-keying)調變，若是OOK調變方式，則無線射頻傳輸模組11可具有低功率消耗、低面積、低成本、低複雜度、高整合度等特點，若是FSK調變方式，則無線射頻傳輸模組11可具有高位元速率(high data rate)、低位元錯誤率(low bit error rate)的特點。

本發明之無線射頻傳輸模組11中使用了諧波檢測，故可抵抗載波頻率的偏移，如此無線射頻傳輸模組11中則無需使用鎖相迴路，由於在無線射頻系統1中，無線射頻傳輸模組11的功率消耗都會高於無線射頻接收模組12，因此，在沒有鎖相迴路的使用下，可使無線射頻傳輸模組11的功率消耗與面積大幅減低。

現有無線射頻系統使用直接升頻處理傳輸時，在振幅位移調變(ASK)過程需要控制壓控振盪器的偏壓電壓/電流，藉此控制壓控振盪器輸出大、小振幅，以產生振幅調變的訊號，然而壓控振盪器輸出訊號振幅的上升與下降 時間會限制傳輸時的訊號位元速率，若壓控振盪器受到電壓/電流控制後振幅上升和下降的時間短，則系統的位元速率低，若壓控振盪器受到電壓/電流控制後振幅上升與下降的時間快，則系統的位元速率就提升。為了克服上述問題，本發明在電流再利用自混頻壓控振盪器112的前端加入預加重訊號產生器111(Pre-Emphasis Signal Generator)，如此可將原先要輸入給電流再利用自混頻壓控振盪器112的電壓/電流控制訊號做訊號振幅上的加權，透過總加權就可產出任意波形的刺激訊號，此刺激訊號輸入至電流再利用自混頻壓控振盪器112，就能讓電流再利用自混頻壓控振盪器112振幅上升與下降受到更強烈的訊號控制，提高上升與下降的速率，因而整個無線射頻傳輸模組11的訊號位元速率就能夠大幅提升。於另一實施例中，若預加重訊號產生器111以數位電路形式實現的話，則預加重訊號產生器111只會消耗極低的功率，因而無線射頻傳輸模組11整體訊號位元速率能提升，且功率消耗幾乎不會增加。

如前所述，預加重訊號產生器111可讓整個無線射頻傳輸模組11的訊號位元速率提升，舉例來說，當調變方式為OOK調變時，無線射頻傳輸模組11的位元速率會比使用ASK調變低，其原因在於當傳送OOK訊號0的時候(OOK調變的調變因子(modulation index)為100%)，此時電流再利用自混頻壓控振盪器112會處於完全關閉的狀態，而在ASK調變下，電流再利用自混頻壓控振盪器112卻沒有完全關閉，所以傳送OOK調變訊號時，每當傳送訊號1，就要等待電流再利用自混頻壓控振盪器112從完全關閉的狀態重新開始振盪，才能傳送出訊號1，因此，每次都要等電流再利用自混頻壓控振盪器112從完全關閉狀態下開始振盪，才能完整的傳送訊號0和訊號1，這個等待電流再利用自混頻壓控振 盪器112重新振盪的時間，使得OOK調變的訊號位元速率無法提高，因此，本發明之預加重訊號產生器111，就能讓電流再利用自混頻壓控振盪器112重新振盪的時間縮短，藉此改善OOK調變的訊號位元速率較低的問題，也使得OOK調變在維持原本低功率消耗的優點下，仍可有效改善低位元速率的缺點。

若本發明之無線射頻傳輸模組11使用FSK(frequency-shift-keying)調變方式，則預加重訊號產生器111可將輸入的訊號改變，輸出可調控電流再利用自混頻壓控振盪器112的偏壓電壓/電流，透過不同加權比例過後的控制波形，使得電流再利用自混頻壓控振盪器112在調頻過程中穩定且快速，藉以提升傳送FSK調變訊號時的訊號位元速率。

本發明之電流再利用自混頻壓控振盪器112使用了電流再利用自混頻的技術，以將射頻頻率的振盪器訊號傳送至倍頻器(frequency-doubler)，藉此產生兩倍頻的射頻訊號，接著，將此兩倍頻的訊號透過電流再利用自混頻壓控振盪器112本身的交錯互補式混頻器(cross-coupling-mixer)，將兩倍頻的射頻訊號做頻率轉移，轉移至原本一倍的射頻訊號並送至電流再利用自混頻壓控振盪器112的諧振腔，形成了一個正回授的迴圈。此正回授的迴圈會加強電流再利用自混頻壓控振盪器112的諧振腔輸出訊號的振幅，等效降低了輸出訊號的相位雜訊(phase-noise)，且前述運作中，電感電容諧振腔(LC-tank)、交錯互補式混頻器(cross-coupling-mixer)、倍頻器(frequency-doubler)皆使用了電流再利用的技術，降低所需電流消耗，因而透過自混頻來降低輸出訊號相位雜訊的技術，即可在不增加偏壓電流路徑的情況下輸出較大的振盪訊號。

本發明之電流再利用多倍轉導增益功率放大器(Current-Reused Multiple-transconductance Power Amplifier)113透過直流阻隔單元(DC-Block)與轉導放大器(transconductor)的結合，創造出了一個多倍數轉導增益的放大器。由於功率放大器在傳輸時所耗功率也是相當可觀的，因而本發明藉由電流再利用多倍轉導增益功率放大器113，透過直流阻隔單元提供做為交流訊號的地端，讓轉導放大器可以疊接方式共用同一條直流路徑做偏壓，再透過直流阻隔單元做交流耦合，而使輸出的交流訊號做疊加，藉此達成多倍轉導增益效果，故整體的轉導增益可以為任意倍數，此明顯優於現有電流再利用的做法(功率放大器的等效輸出轉導增益(Gm)為兩倍電晶體的轉導增益值(2倍的gm值))。

在使用電流再利用的過程中，如果輸出訊號的電壓擺幅(voltage swing)不高，則無需擔心電晶體擺幅的問題，因而可透過任意電晶體的疊接以達到任意倍數的轉導增益。本發明之電流再利用多倍轉導增益功率放大器113，基於輸入的是差動訊號，而通常雙端輸出的架構中，偶次諧波的成份都是同向的，因而本發明中反向的差動訊號可在輸出端形成同向疊加，而訊號中的同向偶次諧波就會形成反向相消，因此，即可在只使用一條偏壓電流的架構中，達成傳統差動功率放大器才會擁有的偶次諧波消除功能。

請參照圖2A和2B，係說明本發明無線射頻系統之預加重訊號產生器的內部架構圖和電路圖。如圖所示，預加重訊號產生器111包括數個延遲元件1111-1117、數位邏輯運算單元1118以及多工器1119，其中，該數位訊號透過該數個延遲元件1111-1117分散為不同訊號，該不同訊號經該數位邏輯運算單元1118運算後通過搭配不同電壓/電流偏壓之該多工器1119，以令該已調變輸出訊號具有不同的電壓/電流振幅。

具體來說，預加重訊號產生器111由數個延遲元件1111-1117組成，數位的輸入訊號透過不同的延遲時間分散成不同的訊號後，經數位邏輯運算單元1118就能產生出任意的數位調變/編碼波形，此種波形因透過數位電路運算，故訊號的電壓/電流振幅只有0和1兩種，接著，透過多工器1119(例如通道電晶體邏輯多工器)進行偏壓電壓/偏壓電流的選擇，即可讓輸出的訊號有不同振幅，因而成為一個任意波形的產生器。圖延遲元件1111-1117可為類比或數位形式，數位邏輯運算單元1118用於執行各種組合邏輯的運算，例如常用的邏輯運算AND、OR、NOT、XOR、NAND、NOR、XNOR等，多工器1119透過不同輸入的數位編碼可選擇不同的偏壓電壓/電流作為輸出，故可產出任意波形。

請參照圖3A和3B，係說明本發明無線射頻系統之電流再利用自混頻壓控振盪器的內部架構圖和電路圖。如圖所示，電流再利用自混頻壓控振盪器112包括電感電容共振單元1121、互補式交錯混頻單元1122、直流耦合低頻交流隔離單元1123以及平方律元件1124，其中，該平方律元件1124將該已調變輸出訊號進行倍頻化，該直流耦合低頻交流隔離單元1123對已倍頻化之該已調變輸出訊號濾波以濾除低頻雜訊，該互補式交錯混頻單元1122對已濾波之該已調變輸出訊號進行混頻以降頻至一倍頻的諧振頻率並回傳至該電感電容共振單元1121，藉由正回授路徑以提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅。

具體來說，當電流再利用自混頻壓控振盪器112開始振盪時，差動輸出的電感電容共振單元1121會將諧振訊號輸出至互補式交錯混頻單元1122(倍頻器)，產生出兩倍頻率的諧振訊號，之後，傳送至直流耦合低頻交流隔離單元1123進行低頻的濾波，為了避免低頻的閃爍雜訊傳遞至互補式交錯混頻單元1122，互補式交錯混頻單元1122會將低頻的雜訊訊號進行升頻至諧振頻率 且傳送至電感電容共振單元1121，藉此干擾諧振訊號的輸出，造成諧振輸出訊號相位雜訊上升，低頻的干擾經由直流耦合低頻交流隔離單元1123濾除後，會將兩倍諧振頻率的訊號傳送至互補式交錯混頻單元1122，互補式交錯混頻單元1122會將兩倍諧振頻率的訊號進行降頻至一倍的諧振頻率，透過形成一圈正回授的路徑，使得電感電容共振單元1121的輸出訊號振幅更大，進而令輸出諧振訊號的相位雜訊降低。

電感電容共振單元1121可由任何類型的主動式或被動式的電容性元件與電感性元件來實現，例如電感電容諧振網路。互補式交錯混頻單元1122可使用任何具有頻率調變功能的電路與任何具有提供負電阻功能的電路來實現，例如電晶體交錯耦合對，直流耦合低頻交流隔離單元1123可由任何具有直流饋通、低頻訊號阻隔功能的電路架構來實現。平方律元件1124可由任何具有將輸入訊號頻率執行兩倍化功能的電路來實現。其中，電感電容共振單元1121、互補式交錯混頻單元1122、直流耦合低頻交流隔離單元1123以及平方律元件1124都可使用偏壓電流/偏壓電壓再利用的技術，使其共用偏壓電流/偏壓電壓，藉此節省功率的消耗。

請參照圖4A和4B，係說明本發明無線射頻系統之電流再利用多倍轉導增益功率放大器的內部架構圖和電路圖。電流再利用多倍轉導增益功率放大器113包括數個放大器1131、直流阻隔單元1132、1132’、直流電源單元1133，其中，該直流阻隔單元1132、1132’和該直流電源單元1133提供交流訊號的迴路，該數個放大器1131放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅並傳遞至輸出端，以達到任意倍數的轉導增益。

電流再利用多倍轉導增益功率放大器113透過數個放大器1131與數個直流阻隔單元1132與數個直流電源單元1133的連接，使得電流再利用多倍轉導增益功率放大器113能產出任意倍數的轉導增益。首先，差動輸入的訊號會輸入給各放大器1131，並將放大器1131輸出放大過後的電流/電壓訊號，透過直流阻隔單元1132’傳送至輸出端進行訊號加總1134，最後輸出至負載1135，此外，放大器1131全部都可共用同一個偏壓電流/偏壓電壓，如此使電流再利用多倍轉導增益功率放大器113在更低的功率消耗下產生出更高的轉導增益。

由於電流再利用多倍轉導增益功率放大器113具有將差動輸入訊號在輸出端進行同向相加功能，所以也具有將輸入的共模雜訊或是同向的偶次諧波項在輸出端進行反向相消的功能，此種功能在現有技術中只有全差動式的架構才能達成，但本發明之電流再利用多倍轉導增益功率放大器113，儘管不是全差動式的架構，但能具備此功能。放大器1131可由任意種類的放大器來實現，例如電壓放大器、電流放大器、轉導放大器或轉阻放大器等，直流阻隔單元1132、1132’可使用任何具有阻隔直流訊號、傳遞交流訊號的電路架構來實現，例如主動式或被動式的電感電容元件。

本發明之無線射頻接收模組12使用平方率檢測的技術來完成訊號的解調變，此技術會利用到具有諧波產生功能的電路元件，例如電晶體元件，接收到的輸入訊號在通過諧波產生的電路元件後，會產生基頻項的封包訊號與高次的諧波項，若再將高次的諧波訊號透過諧波濾除器濾除，例如低通濾波器或帶通濾波器，剩下的封包訊號就正是無線射頻接收模組12所欲求得的基頻訊號，此解調變只用到諧波產生電路與諧波濾除元件，因而元件數量少，整個無 線射頻接收模組12的功率消耗與晶片面積也會非常的低，故可達到長時間使用、低成本的特點。

傳統的無線射頻系統的接收部分，都是使用大功率混頻器與大功率本地振盪器來執行解調變的功能，然而若輸入訊號的載波頻率和本地振盪器載波頻率不相等，解調變後的訊號就會發生振幅失真與相位失真，為了避免訊號失真，就必須無線射頻系統的傳輸部分的振盪器和接收部分統的本地振盪器上加入鎖相迴路的電路，藉此提升載波頻率的精準度，然此方式卻會提高系統的功率消耗。為了克服此問題，本發明提出新的無線射頻接收架構，採用諧波檢測的功能來達成訊號的解調變，在此方法下，即便接收訊號的載波頻率有偏移，經過諧波產生元件與諧波濾除電路後，解調變出來的訊號的振幅不會和載波頻率有直接的關係，因而能抵抗載波頻率的偏移，而且無線射頻系統1的無線射頻傳輸模組11和無線射頻接收模組12，基於無須使用鎖相迴路，故整個無線射頻系統1就能操作在更低的功率消耗上。

本發明之無線射頻接收模組12使用諧波檢測的技術，可將輸入訊號進行解調變，因而解調變後的訊號直接落於基頻，因此不會有傳統的通訊架構所面臨的鏡像干擾(image inter-ference)問題，傳統的通訊架構為了解決鏡像干擾的問題，會在無線射頻接收部分的最前端加入一個high-Q值的RF濾波器，但這會使系統的功率消耗、面積、成本提高且降低整合度，反之，本發明不會遇到鏡像干擾的問題，因而無需使用到high-Q值的RF濾波器，可以大幅減低電路的面積成本、功率消耗與複雜度，並提升系統的整合度。

本發明之無線射頻接收模組12，使用了諧波檢測的技術，與傳統的直接降頻接收系統相同，都是將訊號直接降至基頻，然而直接降頻會使直接 降頻接收系統遇到本地溢漏自混頻(LO leakage self-mixing)的問題，因為本地振盪器的訊號振幅非常的大，而混頻器的隔離能力有限，本地振盪器的高頻訊號會饋通(feedthrough)穿過混頻器跑到混頻器的輸入端，造成混頻器的自混頻，因而在混頻器的輸出端產生了一個直流偏移(DC offset)，當直流偏移與基頻訊號(可能含有直流成分)混在一起時，就會對基頻訊號造成干擾，影響系統的靈敏度以及後端電路的直流位準，反觀本發明之無線射頻接收模組12使用諧波檢測的方式，因而無需使用大訊號的本地振盪器，也不需使用混頻器，因此，不會有本地溢漏自混頻的問題，同時也可減少製作成本與功率消耗。

本發明之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器(Balun Self-Biasing Gain-Bandwidth-improved Envelope Detector)121中，可直接透過電路架構來執行單端訊號轉成雙端訊號的功能，且不需要使用大面積的平衡不平衡轉換器(Balun)。由於差動的訊號處理與訊號傳輸會具有抵抗共模雜訊的功能，因此一般的電路設計中都會設計全差動式的電路架構來進行訊號的處理與傳輸，無線射頻接收模組12也是將各電路元件設計成全差動式，然而在一般的無線射頻接收系統中，由於天線所接收到的訊號是單端的訊號，因此若要將此單端的訊號轉成雙端的訊號，通常都會在接收系統的最前端加入大面積的平衡不平衡轉換器(Balun)，利用互感的特性以將訊號從單端轉換成雙端，然而平衡不平衡轉換器因為面積龐大，若要整合入晶片內(On-Chip)，成本會過高，通常只能透過晶片外(Off-Chip)來實現，因此增加系統整體的面積，也降低了系統整合度。為了解決此問題，本發明的無線射頻接收模組12直接透過晶片內的電路架構，即可將第二天線14所收到的單端訊號轉成雙端訊號，因而可大幅降低了系統面積、系統成本，同時提高了晶片的整合度。

本發明透過單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121在輸入端的阻抗匹配，能同時達成最大功率匹配與最佳雜訊匹配，且單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121也具有反向隔離的功能，因此此單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121具有低雜訊放大器(LNA)的各種功能與特色，且由於物聯網的傳輸距離不長，輸入訊號的功率也比一般情況大，因而在射頻前端免除傳統大功率的低雜訊放大器的使用，可減少功率消耗與面積。另外，透過阻抗匹配，故可與傳統的電感源極退化-低雜訊放大器(Inductive source degenaration LNA)一樣，擁有輸入端跨壓放大Q倍的功能(Q-boosting的功能)，因此，能進一步地提高此電路的增益，使增益提高Q倍。

本發明之無線射頻接收模組12將各個內部電路元件的電晶體操作在弱反轉區(weak-inversion)，或稱之為次臨界傳導區(subthreshold region)，若將電晶體操作在弱反轉區，與一般操作在強反轉區(strong-inversion)的電晶體行為相比，相同的偏壓電流之下，操作在弱反轉區的電晶體的小訊號轉導增益會具有較大的值，因而無線射頻接收模組12能再進一步的降低系統的功率消耗。

本發明之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121在輸出端使用了自我偏壓(self-biasing)的技術，可免除共模回授電路的使用，因而減低電路的功率消耗。然而採用諧波檢測解調變方式，其最大缺點就是解調變後的訊號振幅都很低，若使用自我偏壓的技術後，單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121的輸出阻抗必定會降低，進而使得增益降低。為了克服自我偏壓所造成的輸出阻抗降低，在本發明之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121中，提出自我偏壓輸出阻抗回復(self-biasing output-impedance-recovering)的技術，利用差動小訊號虛短路與共模訊號斷路的特性，成功達到電路輸出端自偏壓而輸出阻 抗卻不會降低的效果，故稱之為自偏壓輸出阻抗回復，此技術同時也省去共模回授所需電路的面積與功率消耗。

本發明之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121也使用增益/頻寬同時提升的技術。當操作於弱反轉區時，封包檢測器在輸出端受寄生電容的影響非常敏感，寄生電容會大幅度的影響到封包檢測器解調變出來訊號的頻寬，但如果希望封包檢測器的轉移增益振幅夠大，就必須提升輸出阻抗，然而當輸出阻抗提升後，RC時間常數增加(R變大)，輸出訊號的頻寬就會變低，且為了要提升輸出阻抗，在相同的偏壓電流、固定輸出位準下，電晶體的長度和寬度必須要等比例增加，此將再進一步地提高輸出端寄生電容，使得RC時間常數再增加(C變大)，頻寬又會變的更低，影響整個操作速度。對此，本發明所提出之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121使用了疊接組態自偏壓的架構，透過電晶體的疊接組態，就能在輸出端產生一個較大的輸出阻抗值，此較大的阻抗值來自於電晶體疊接組態(可放大輸出阻抗的特性)，因而無需大尺寸的電晶體，輸出端的寄生電容值就能大幅減低，故能達成高輸出阻抗、高增益與寬頻的封包檢測器架構。

如上所述，單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121使用了自偏壓輸出阻抗回復的技術，此技術會讓兩個差動的輸出端，透過極高阻抗值相連在一起，因此也能夠大幅加快整個封包檢測器的輸出直流偏壓暫態響應與降低輸出直流位準偏移(DC offset)，提升整個封包檢測器輸出端的暫態響應，對於未來無線射頻接收模組12整合喚醒電路有特別大的幫助，加入喚醒電路也就是讓無線射頻接收模組12透過喚醒電路的控制，在有訊號輸入時，無線射頻接收模組12才會打開，而沒訊號輸入時關閉，此可進一步降低整個無線射頻接收模 組12的功率消耗。由上可知，無線射頻接收模組12會面臨到經常要開啟與關閉的狀態，如果其本身的直流暫態響應太慢，即表示開啟與關閉的時間太慢，則會降低整個喚醒無線射頻接收模組12的訊號位元速率，以及降低資料量的傳輸，因此，加快電路的直流暫態響應是必要的，因而本發明使用了自偏壓輸出阻抗回復的技術，提升直流位準的暫態響應，也就成功的提升系統的位元速率。另外，自偏壓輸出阻抗回復的技術的另一個功能就是降低差動輸出端的直流偏移，因為輸出端透過兩個阻值極大的電路相連，此兩個電路會將輸出端的直流位準互相平均，讓兩輸出端的直流位準趨向中心值，降低輸出端的直流偏移，倘若在輸出端發生了直流偏移，此直流偏移會被下一級的放大器放大，導致放大器的輸出端直流位準飽和，失去檢測訊號的能力，故本發明利用自偏壓輸出阻抗回復的技術即可成功地解決差動輸出端直流位準偏移的問題。

本發明在單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121的後端加入了可變頻高通濾波器(High-Pass Filter)122，由於無線射頻接收模組12使用的是諧波檢測的方式來達成訊號的解調變，解調變後的訊號頻率會直接降至基頻，優點就是不需要使用大功率的混頻器與大功率的振盪器來做解調變，但無線射頻接收模組12解調變後訊號直接降到基頻，因此解調變後的輸出訊號就會遇到閃爍雜訊(Flicker Noise)的直接干擾，此種極低頻的干擾振幅非常大，且透過後級的放大器放大過後，一定會造成放大器輸出端的直流位準偏移(DC offset)，讓下一級的基頻放大器失去運作功能，因此，本發明在單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121的後端加入了可變頻高通濾波器122，可變頻高通濾波器122會將解調變後的基頻訊號中的低頻干擾濾除，讓此低頻干擾不會送至下一級的基頻放大器，如此可以避免後端電路直流位準的飽和。

本發明之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121還改善了傳統差動輸出封包檢測器輸出訊號不匹配的問題，傳統的諧波檢測封包檢測器若要產生出差動的輸出訊號並結合電流再利用技術，電路設計上只能做成一端輸出在下，透過N型電晶體來輸出訊號，另一端輸出在上，使用P型電晶體來輸出訊號，然而此種作法若發生了製程偏移，就會導致N型電晶體和P型電晶體的參雜濃度不同，進而導致N型電晶體和P型電晶體的載子遷移率(mobility)與通道門檻電壓(Vth)不匹配，因此兩端輸出的訊號振幅勢必不同，輸出振幅不同的兩個差動訊號若輸出給下一級的差動電路，會影響下一級電路的運作以及效能。本發明之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121可讓差動訊號輸出端同時使用N電晶體負載或是同時使用P電晶體負載來達成解調變，因此，可以解決傳統差動輸出封包檢測器輸出訊號不匹配的問題。

本發明在單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121中加入了耦合電容，由於封包檢測器將訊號做解調變過後，訊號會直接解回基頻，因此基頻訊號勢必會和元件本身的低頻閃爍雜訊(Flicker Noise)混合在一起，進而降低整個無線射頻接收模組12的靈敏度，然而本發明加入了低頻阻隔單元，就能使此封包檢測器本身具有低頻雜訊濾除的功能，故可改善低頻雜訊干擾的問題。

本發明之電流再利用疊接組態雙級放大器(Current-Reused Cascode-Two-Stage Amplifier)123使用了電流再利用的技巧，藉以實現一種只使用單一偏壓電流的雙級放大器(一般的雙級放大器需要提供兩條以上的偏壓電流)，由於單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121解調變後輸出的基頻訊號振幅很小，若直接送至比較器124，比較器124無法閂鎖(Latch)振幅過小的訊號。因此，在進入比較器124之前，會使用基頻放大器來將解調出的訊號放大到比較 器124所能閂鎖的量級。通常放大器為了要使訊號無失真的放大，會採用負回授的架構，但增益會受到負回授的抑制而變小。本發明為數位的調變與解調變，傳遞的都是0和1的數位調變訊號，因而即便訊號有失真，只要振幅夠大比較器124依然能將輸入訊號轉換出0和1的數位輸出訊號，因此，本發明之電流再利用疊接組態雙級放大器123採用開迴路架構設計，可使增益提升，並使無線射頻接收模組12能在更低的功率消耗之下，達成較大的增益。

本發明之電流再利用疊接組態雙級放大器123，透過電路內部交錯式的接線設計，能讓此放大器打破了傳統放大器架構的規格，基於疊接組態，可讓基頻放大器同時具放大器功率消耗較低與頻寬較佳的優點，以及雙級放大器增益較高與輸出擺幅較大的優點，因此能創造出一個低功率消耗、高頻寬、高增益的基頻放大器。

本發明之電流再利用疊接組態雙級放大器123，透過電路內部交錯式的接線設計，讓此放大器內部具有正回授的特性，透過了正回授的效應，就能使基頻放大器的增益改變，使回授後的整體增益提升1/(1-BA)倍，其中，A為放大器原增益，B為回授因子，若將回授的迴路增益(BA)設計在小於1的值，則即使加入正回授機制，無線射頻接收模組12仍能保持穩定。

本發明之電流再利用疊接組態雙級放大器123透過了電路內部交錯式的接線設計，使輸出端的直流位準具有自我偏壓較正的功能，因此，這種差動式的電流再利用疊接組態雙級放大器123的兩個輸出端就不需要使用共模回授的電路來穩定輸出的直流位準，如此可節省共模回授電路的設計，以及減少共模回授電路所帶來的功率消耗。

本發明之電流再利用疊接組態雙級放大器123使用弱反轉區的技術，不僅讓此放大器的功率消耗更低，並且由於弱反轉區下的電晶體的輸出阻抗極高，也讓其內部的回授因子B的值降到極低(B的值等於回授路徑上電晶體輸出阻抗的倒數)，因此，能使BA的值非常容易設計在小於1的值，進而使無線射頻接收模組12穩定。

請參照圖5A和5B，係說明本發明無線射頻系統之單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器的內部架構圖和電路圖。單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121包括倍數頻次諧波耦接單元1211、低頻阻隔單元1212、1213、可變頻諧波濾除單元1214以及高阻抗單元1215，其中，所收到之弦波輸入訊號經倍數頻次諧波耦接單元1211後產生諧波失真訊號，該低頻阻隔單元1212、1213對該諧波失真訊號濾除低頻雜訊干擾並傳送至該可變頻諧波濾除單元1214，該可變頻諧波濾除單元1214由已濾除低頻雜訊之該諧波失真訊號中濾出該基頻訊號，且該高阻抗單元1215透過交流訊號虛接地特性以提升輸出端的輸出阻抗。

詳言之，輸入的訊號可以是單端或雙端，如果是單端輸入的話，則另外一端不需要輸入訊號，直接提供直流偏壓電壓/電流即可。首先，輸入的差動訊號會透過倍數頻次諧波耦接單元1211產生出具有諧波失真的訊號，即訊號中會包含已被解調完成的基頻訊號，接著，向下和向上傳送至低頻阻隔單元1212和低頻阻隔單元1213並將低頻的閃爍雜訊濾除，濾除後，再傳送至可變頻諧波濾除單元1214，以將所欲求的基頻訊號過濾出來，其中，高阻抗單元1215可提升輸出端的輸出阻抗，固可提升整體封包檢測器的增益。

倍數頻次諧波耦接單元1211可用任何具有諧波產生的電路元件或架構來實現，低頻阻隔單元1212、1213可用任何具有低頻阻隔的電路架構來 實現，例如電感電容電阻元件，高阻抗單元1215可用任何具有高阻抗值的電路元件或架構來實現，例如被動式電阻或主動式電晶體電阻等，可變頻諧波濾除單元1214可由任何具有高頻諧波濾除功能的電路元件或架構來實現，例如被動元件濾波器或主動元件濾波器等。另外，左邊數來第一和第三個倍數頻次諧波耦接單元1211以及左半邊的低頻阻隔單元1212、1213、可變頻諧波濾除單元1214以及高阻抗單元1215等構件可使用同一條的偏壓電流或偏壓電壓來實現，同理，另一半的構件亦可使用同一條的偏壓電流或偏壓電壓來實現，透過電壓/電流共用，可進一步節省功率消耗。

請參照圖6，係說明本發明無線射頻系統之無線射頻接收模組內可變頻高通濾波器的電路圖。本發明之可變頻高通濾波器(High-Pass Filter)122使用了交流訊號虛接地的特性，並且結合電晶體的源極退化組態(Source Degeneration)與源極端的可變電容，藉此產生一個可變頻的高通濾波器，用於濾除低頻的干擾。由於解調變出來的訊號直接落在基頻且振幅極小，因此會和低頻雜訊混合在一起，若再經由後級的放大器放大，勢必會使放大器的輸出端飽和。本發明之接收機將解調完後的訊號透過一個高通濾波器(High-Pass Filter)，將低頻的干擾濾除，此高通濾波器電路採用源極退化組態與可變電容的結合，故成為一個低功率消耗可變頻帶的高通濾波器。

請參照圖7A和7B，係說明本發明無線射頻系統之電流再利用疊接組態雙級放大器的內部架構圖和電路圖。電流再利用疊接組態雙級放大器123包括數個放大器1231、1232以及雙向放大器1233，其中，數個放大器1231、1232係交錯接線，該差動訊號由該數個放大器1231、1232放大後，再送至輸出端，且該雙向放大器1233透過雙重輸入訊號再利用的特性，以提升輸出訊號的振幅。

運作時，輸入的差動訊號會先傳送至放大器1231，接著再傳送至放大器1232執行第二次的放大，最後再送至輸出端，因放大的過程中執行數次放大，故整體架構為一個雙級放大器，雙向放大器1233利用雙重輸入訊號再利用的特性，可促使輸出訊號的振幅再提升，且雙向放大器1233連接於第一級放大器與第二級放大器之間，形成正回授的回授網路，此讓電流再利用疊接組態雙級放大器123可再提升(1/(1-BA))倍的增益。藉由雙向放大器1233的正回授路徑，隨著雙向放大器1233本身種類的不同(例如電壓放大器、電流放大器、轉導放大器或轉阻放大器等)，可以任意的提升或降低第一級放大器與第二級放大器的輸出阻抗振幅，進而改變電流再利用疊接組態雙級放大器123整體頻寬、或是增益、或是穩定度相位邊限，另外，電流再利用疊接組態雙級放大器123的交錯接線架構，使其具有輸出端直流位準自我穩定的功能，進而免除共模回授電路的使用，固可降低設計共模回授電路所需的功率消耗。放大器1231、1232及雙向放大器1233可使用任何類型的放大器架構或元件來實現，例如電壓放大器、電流放大器、轉導放大器或轉阻放大器等。

請參照圖8，係說明本發明無線射頻系統之無線射頻接收模組內比較器的電路圖。無線射頻接收模組12中，最初先透過單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器121將訊號解調變，接著，再經由電流再利用疊接組態雙級放大器123放大到一定的振幅後，最後，再使用比較器124進行數位訊號的轉換與輸出，透過比較器124的非線性放大的方式會將基頻訊號轉成Rail-to-Rail的數位訊號。相較於採用高增益之運算放大器，採用基頻放大器放大與具閂鎖(Latch)的比較器124進行檢測可以達到更低的功率消耗，並且輸出更理想的數位訊號。

本發明所提出之無線射頻系統，在無線射頻接收模組中利用了諧波檢測的技術來達成解調變，因此可以大幅簡化無線射頻接收模組的複雜度，降低系統功率消耗與面積，且達成便於整合的目的，另外在無線射頻傳輸模組的部分，由於無線射頻接收模組諧波檢測技術的使用，在無線射頻傳輸模組中就能免除鎖相迴路的使用，簡化系統設計，達到降低功率消耗與面積的功效，以及便於整合的目的。

綜上所述，本發明之無線射頻傳輸系統包括：預加重訊號產生器(pre-emphasis signal generator)、電流再利用自混頻壓控振盪器(current-reused voltage-controlled oscillator)、電流再利用多倍轉導增益功率放大器(current-reused multiple-transcon-ductance power amplifier)。該預加重訊號產生器進行訊號波形的整形，可以透過各種不同形式的波形整形，來彌補各種調變方式的缺點，並可解決OOK訊號與ASK訊號振幅變化速度緩慢的問題，也可加速FSK訊號調頻穩定的速度，以及解決PSK訊號不連續的高頻干擾問題；該電流再利用自混頻壓控振盪器透過了自混頻的技術，讓該壓控振盪器可以在更低的功率消耗、更低的元件面積、更低的成本，輸出電壓/電流振幅更高的訊號，並且擁有更低的相位雜訊(phase-noise)，較低的雜訊裙帶，可減低無線射頻傳輸系統對於其他頻帶的干擾；該電流再利用多倍轉導增益功率放大器採用了電流再利用的技術、放大器的疊接架構與直流阻隔單元，創造出了一個可以產生任意倍數轉導增益的功率放大器，因此功率放大器就能在更低的功率消耗下，輸出更高的輸出功率(Output Power)至傳輸天線，讓功率放大器的使用達到更高的能量轉換效益，並且此疊接功率放大器可在只使用單條偏壓電流的情況下，達成差動架構才具有的偶次諧波消除功能與共模雜訊消除功能，可讓輸出訊號的線性度更好，降低 對鄰近通道的干擾，提升無線射頻接收系統的訊號雜訊比(SNR)，與降低無線射頻接收系統的位元錯誤率(bit-error rate)。

本發明之無線射頻接收系統包括：單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器(balun self-biasing gain-bandwidth-improved envelope detector)、可變頻高通濾波器(tunable high-pass filter)、電流再利用疊接組態雙級放大器(current-reused cascode-two-stage amplifier)及比較器(comparator)。該單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器將訊號中基頻封包的部分檢測出來，並且轉成差動的訊號輸出；該可變頻高通濾波器可排除封包檢測器解調變後的訊號直接落於基頻會受到低頻的閃爍雜訊干擾的問題；該電流再利用疊接組態雙級放大器具有疊接組態放大器功率消耗較低與頻寬較佳的優點，以及雙級放大器增益較高與輸出擺幅較大的優點；該比較器轉換成數位資料供後端設備進行訊號處理與顯示，然如果傳輸的是類比訊號，就不用傳送至比較器，而由放大器直接輸出訊號。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技術之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如本發明的申請專利範圍所列。

Claims (9)

1. 一種應用於物聯網之無線射頻系統，係包括：一無線射頻傳輸模組，係包括：一預加重訊號產生器，係用於將來自物聯網之數位訊號執行訊號波形之整形，以將該數位訊號調變為已調變輸出訊號；一電流再利用自混頻壓控振盪器，係透過自混頻方式，提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅以及降低相位雜訊；及一電流再利用多倍轉導增益功率放大器，係透過電流再利用方式，放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅，俾將放大後之該已調變輸出訊號透過第一天線發送至無線通道；以及一無線射頻接收模組，係包括：一單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器，係用於檢測來自第二天線所接收之弦波輸入訊號以得到基頻訊號，且將該基頻訊號解調變為差動訊號；及一電流再利用疊接組態雙級放大器，係用於在將開迴路狀態下執行數次放大，以放大該差動訊號的電壓/電流振幅而產生輸出訊號，俾將該輸出訊號傳送至後端之訊號處理器。
2. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該無線射頻接收模組更包括可變頻高通濾波器，係用於濾除該差動訊號中低頻雜訊。
3. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該無線射頻接收模組更包括比較器，係用於檢測該電流再利用疊接組態雙級放大器放大後之該輸出訊號，以將該輸出訊號轉換成數位資料，俾令該數位資料傳送至該訊號處理器執行該數位資料的處理與顯示。
4. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，當該差動訊號為類比訊號時，該電流再利用疊接組態雙級放大器放大後之該輸出訊號係直接輸出。
5. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該預加重訊號產生器包括數個延遲元件、數位邏輯運算單元以及多工器，其中，該數位訊號透過該數個延遲元件分散為不同訊號，該不同訊號經該數位邏輯運算單元運算後通過搭配不同電壓/電流偏壓之該多工器，以令該已調變輸出訊號具有不同的電壓/電流振幅。
6. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該電流再利用自混頻壓控振盪器包括平方律元件、直流耦合低頻交流隔離單元、互補式交錯混頻單元以及電感電容共振單元，其中，該平方律元件將該已調變輸出訊號進行倍頻化，該直流耦合低頻交流隔離單元對已倍頻化之該已調變輸出訊號濾波以濾除低頻雜訊，該互補式交錯混頻單元對已濾波之該已調變輸出訊號進行混頻以降頻至一倍頻的諧振頻率並回傳至該電感電容共振單元，藉由正回授路徑以提升該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅。
7. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該電流再利用多倍轉導增益功率放大器包括數個放大器、直流電源單元、直流阻隔單元以及加總器，其中，該直流電源單元和該直流阻隔單元提供交流訊號的迴路，該數個放大器放大該已調變輸出訊號的電壓/電流振幅並透過該直流阻隔單元傳遞至輸出端，以由該加總器對該輸出端進行訊號加總，以達到任意倍數的轉導增益以及提高轉導增益。
8. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該單轉雙自偏壓增益頻寬提升封包檢測器包括倍數頻次諧波耦接單元、低頻阻隔單元、可變頻諧波濾除單元以及高阻抗單元，其中，該弦波輸入訊號經該倍數頻次諧波耦接單元後產生諧波失真訊號，該低頻阻隔單元對該諧波失真訊號濾除低頻雜訊干擾並傳送至該可變頻諧波濾除單元，該可變頻諧波濾除單元由已濾除低頻雜訊之該諧波失真訊號中濾出該基頻訊號，且該高阻抗單元透過交流訊號虛接地特性以提升輸出端的輸出阻抗。
9. 如申請專利範圍第1項所述的無線射頻系統，其中，該電流再利用疊接組態雙級放大器包括數個放大器以及雙向放大器，其中，該數個放大器係交錯接線，該差動訊號由該數個放大器放大後，再送至輸出端，且該雙向放大器透過雙重輸入訊號再利用的特性，以提升輸出訊號的振幅。