CN1248357A - 位于芯片上的无线电收发机 - Google Patents

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Abstract

可以将一个完整的无线电收发机(100)完全地集成在一个IC芯片上。为了在该芯片上集成IF滤波器(120、124),可以使用带有低IF的外差式结构。传送过程中的上变频以及接收过程的下变频中都可以使用一个单独的、直接调制的VCO(118)。在(VCO)的振荡器槽中使用接合线作为谐振器。在空中接口中使用TDD方案来消除串音干扰或泄漏。使用高斯型二进制FSK调制方案(124)以提供其他一些实现的有利条件。

Description

位于芯片上的无线电收发机
本发明通常涉及无线通信领域，特别是涉及在一个集成电路芯片上构造的短程无线电收发机。
带有先进技术的高水平的电路集成已经允许手提式通信设备(例如，蜂窝电话)的制造商们相当大地减小了他们产品的大小。作为一般原则，这些比较小的产品能消耗较少的能量并且最终能够很便宜地生产。
过去，已经努力使整个无线电发射机/接收机(收发机)构造在一个单独的集成电路(IC)芯片上。通常，这些努力是不成功的，只将一些无线电元件放置在一个单独的芯片上了。例如，Okanobu的美国专利No.5428835公开了在一个单独的半导体芯片上构成的接收机电路。可以在无线电系统的技术规范中找到不能整体集成的主要理由。
大多数标准的无线电通信系统的空中接口技术规范中都提出了有关对频率精度、邻近通道干扰、调制性能等等的高要求。但是，目前的片上信号处理技术不能达到能够满足由这些空中接口技术规格所提出的性能标准的水平。
本发明的一个目的是能够明显地减小无线电收发机的整个尺寸。
本发明的另一个目的是能制造一个比电缆链路成本低的短程无线电通信链路。
本发明的又一个目的是在一个单独的集成电路芯片上制造一个短程的无线电收发机。
根据本发明，可以通过完全地将一个无线电收发机结构集成在一个半导体IC芯片上来实现本发明上述和其他目的。为了在芯片上集成这个收发机的IF滤波器，可以使用带有相对低的IF的外差式结构。在传送过程中的上变频以及在接收过程的下变频中都可以使用一个单独的、直接调制的VCO。在VCO的振荡器槽中使用接合线作为谐振器。在空中接口中使用时分复用方案来消除串音干扰或泄漏。使用高斯型二进制FSK调制方案来提供其他一些实现的有利条件。
通过参考附图以及随后详细的说明来对本发明的方法和装置有一个更全面的理解。其中：
图1是可用来便于理解本发明的无线电收发机结构的基本功能性框图；
图2是可用来实现图1所示的接收机部分的功能的普通接收机部分的框图；
图3是带有图1所示接收机结构的可用于下变频的镜像抑制混频器级的框图；
图4是可用于实现本发明装置和方法的单独芯片的收发机结构的示意图；
图5是根据本发明第二实施例的位于一个单独IC芯片上的无线电收发机的详细电路框图。
通过参考附图1-5可以最好地理解本发明的最佳实施例以及其有益效果，相同的数字可用来代表各附图相同和相应的部分。
对于最佳实施例，空中接口的技术规格允许声音和数据的数字传输。在共同转让给Dent等人的、在1996年7月13日申请的题目为“短程无线电通信系统和使用方法”的美国专利申请，其序列号为No.08/685069中描述了这种可使用的空中接口。可使用的频带是位于2.4GHz的具有83.5MHz可利用带宽的未经许可的工业用的、科学的、医学(ISM)频带。但是，在美国，联邦通信委员会(FCC)需要为其中所传输的能量高于0dbm的操作扩展的频率。在这个频带中可以有许多“干扰信号”或“人为干扰”(例如，微波加热炉是这个频带中声名狼藉的“干扰信号”)。因此，使用跳频方案来增强对这种干扰的免疫力。特别地，与直接序列的频率扩展不同，通过跳频扩展所提供的对干扰的免疫力是独立于干扰台的传输能量的。
此外，根据这个最佳实施例，在整个83.5MHz频带上扩展的平均频率其结果是不需要处理宽频带信号。尽管所包含的收发机可以工作于其频段的频谱是足够宽的以提供扩展，但是瞬时带宽可以小得允许收发机可操作的前端频率位于一个窄的频带中。在这个最佳系统中，瞬时(信道)带宽是1MHz，然而跳频是以伪随机方式在79个跳跃信道(横跨79MHz)上进行的。所使用的最佳调制方案是高斯型频移键控(GFSK)。这种方法可以提供坚固的无线通信链路并且允许使用相对简单的发射机和接收机电路。
关于这个最佳实施例，信息信号是以信息包的形式传送的。使用自动重发请求(ARQ)误差校正来再次发送接收到的数据区中带有误差的信息包。声音区不再重发，但是使用(鲁棒的)连续可变斜率增量调制(CVSD)方法来用于语音编码。CVSD是一种自适应增量调制方法，因而出现噪音时其性能是逐渐退化的。使用时分复用(TDD)方法来获得一个完整的双工通信链路。一个双工帧持续1.25秒，其中在第一个625微秒期间以一种方向发送一个信息包，在第二个625微秒期间以相反的方向发送另一个信息包。每种传送都发生在通过随用户而定的伪随机序列所确定的一个新跳频上。
为了更好地理解本发明，此时用通用术语来描述一个无线电收发机将很有用。图1是无线电收发机结构(10)的基本功能性框图，使用该结构能便于理解本发明。由于受基于天线尺寸和传播条件的影响的要求，首先考虑收发机的接收机部分，一般通过射频(RF)载波来传送经空间传播的信号。在天线(12)接收到的RF信号是频率向下变频(14)的以便于信号处理。特别地，被携带的信息有一个远低于载波频率的速率。其次，将下变频信号滤波(16)，以便于抑制在感兴趣频带之外的所有干扰和噪声，并因此提高接收机的信躁比。这个处理过程通常被称为“通路滤波”，因为仅被滤过感兴趣的频带或信道。
一旦接收到的信号已经进行通路滤波，则处理过程的下一步是从信道中恢复信息(18)并将其转换为可用格式。例如，恢复的信息可以是诸如那些用于数字调制方法中的离散符号(例如，数据输出)的形式，或是一个用于音频或视频应用的模拟信号。特别地，接收机部分键控功能可以从频谱的剩余部分滤出感兴趣的频带。
收发机(10)的发射机部分将待发送的信息转换或整形(20)为可以由载波传送的信号格式。然后那个信号进行上变频(22)为所需的高频(RF)频带并且从天线(12)发送出去。尤其是，对于发射机部分，键控功能将所发送的信号的能量限制在感兴趣的频带内(即，相对于感兴趣频带之外的频率，泄漏尽可能小的信号能量)。
图2是可以用于实现图1中所示的接收机部分功能的普通接收机部分30的框图。大多数普通的无线电接收机都使用超外差接收机结构，如图2中所示的接收机30的结构。从天线32接收到的RF载波通过将RF信号与第一本机振荡器信号(36)混频(34)而下变频为第一中频(IF)。使用一个合适的带通滤波器38(例如，带有锐截止特性的)进行通路滤波。然后通过将滤波信号与第二本机振荡器信号(42)混频(40)从而将通路滤波后的信号下变频为一个基带信号。这里，可以对该基带信号进行附加滤波过程。从而恢复(44)所使用的信息(例如，数据)。
将这种接收机集成在一个芯片上所遇到问题是将IF带通滤波器(例如，38)集成。例如，滤波器的性能是通过它的品质因数(Q)确定的。Q是滤波器选择性的量度标准(它滤波得如何)并且可以由这个表达式来表示：Q＝f0/BW，其中(f0)是滤波器的中心频率，BW是滤波器的带宽。所以，一个中心频率位于高频部分的窄带滤波器将有一个高的Q。
通常，可以通过一些技术手段构造带通滤波器并将其集成在半导体芯片上。但是，在单晶硅技术中使用普通电子元件所获得的这种滤波器的Q值明显地受到局限。主要的限制因数是在芯片上的电子元件之间所产生的损耗。
至于降低干扰和噪声，仅由滤波器的带宽(BW)来确定其在信躁比方面的性能。对于一个固定的带宽，通过降低其中心频率f0从而将这个低Q滤波器集成在一个芯片上。对于一种特殊情况，f0变成零并且该带通滤波器变成一个比带通滤波器更易集成在芯片上的低通滤波器。在这种情况中，仅用下变频这一个步骤可以将被处理的信号转换为基带信号。当然，这种方法从集成观点看很有吸引力并且确实是一种获得全面集成化的途径。但是，用这种方法会产生第二个问题，即会产生被称为“零拍(homodyne)”或“零IF”的结构。
由于所处理的信号被直接映射到DC，所以用零IF结构会产生被称为“DC偏移”的问题。因此，在DC附近的干扰信号不能与所希望的信号区别开从而不能被滤波掉。这个问题也会带来对于接收机的偶次互调特性更苛刻的要求。可以用附加的信号处理来去掉部分DC偏移，但是这个过程会增加电路的复杂性以及增加IC的功率损耗。
一个适用于将IF集成在半导体芯片上的中间步骤是使用“低IF”结构。使用这个步骤，IF或滤波器的中心频率就是相对而言的低频，但不是零。这种结构类型可以构造适用于集成在一个芯片上的低Q滤波器而避免DC问题。
不过，与图象载波有关的第三个问题就产生了。
将所接收到的(RF)信号与本机振荡器载波fI0混频的处理过程产生一个不仅映射位于fI0+f0的感兴趣的频带而且将位于fI0-f0的图象频带映射到IF信号上的低IF信号f0(或反之亦然)。由于在将两个RF频带映射在相同的IF频带上之后，它们彼此不再能区别开，因此这个处理导致了一个明显的问题。所以，应该使用镜像干扰抑制器件。
图3是一个可用于下变频的带有图1所示接收机结构的镜像干扰抑制混频器级(50)的框图。使用这个电路，可以将来自天线12的接收RF信号耦合到第一和第二混频器(52、54)。本机振荡器信号(56)直接耦合到第一混频器(52)，并且移相90度(58)然后耦合到第二混频器(54)。来自第一混频器(52)的下变频信号被移相90度并且被代数相加到来自第二混频器(54)的移相的、下变频信号，其最终功能是抑制图象频带。
可以用这种镜像干扰抑制电路(如图3)实现的图象频带抑制量是根据电路元件匹配的程度，以及根据横跨所需抑制频带的频带宽度而定。用片上元件可以获得一个相对高的匹配精度。不过，实际上，片上电路所获得的实际的镜像干扰抑制多少是有限的(例如，对于1MHz带宽，大约为30-40bB)。但是，根据本发明(如上所述的与空中接口有关的)，在其中每个信息包是以79个可用跳频中之一来传送的情况中使用跳频系统。有时，如果两个不同的用户同时占用同一跳频，则会发生诸如在两个信息包之间冲突这样的干扰。因此，如果具有降低的镜像干扰抑制性能，那么可以得出彼此占用图象频带的不同用户的信息包也可以彼此之间互相干扰。在任何一种情况中，对于这个最佳实施例，这种偶而的信息包冲突，不管是来自同频道、图象频道或是相邻频道的干扰所导致的，都通过使用一个用于数据传输的适当的ARQ协议以及一个用于语音传输的鲁棒的语音编码格式(如，CVSD)在空中接口操作中计算和补偿。换句话说，本发明通过使用跳频扩展、误差修正以及专用于空中接口的语音编码技术来补偿由于镜像干扰而退化的接收机性能，上述这些方法允许在一个单独的芯片上全面集成接收机和发射机(如下所描述的)部分。
以前，当努力将发射机和接收机放置在一个单独芯片上时，会产生一个问题，即以相对高的功率电平发射的信号会泄漏在接收机的输入部分。实际上，这种泄漏或“串音”曾经是试图将整个收发机构造在一个芯片上所遇到的一个主要的设计问题。但是，对于本发明的这个最佳实施例，使用TDD方案来进行整个空中接口的双工操作，这样消除了串音并且因而便于将整个收发机集成在一个芯片上。换句话说，所说明的收发机的发射机和接收机部分并不是同时启动的，并且在整个集成的收发机中解决了串音和从发射机到接收机的泄漏问题。
此外，通过使用频分双工(FDD)方案利用不同的发射和接收频率可以进一步降低串音和泄漏。一般地，使用FDD方案都在收发机的天线部分需要一个双工器以便于分离发射和接收的信号。但是，根据本发明，使用TDD方案就不需要这样一个双工器。另外，为了进一步减少芯片上的元件数，在这个最佳实施例中使用一个单独的可变控制振荡器(VCO)，从而交替地在发射部分进行上变频以及在接收部分进行下变频。
图4是单个芯片的收发机结构的示意框图，该收发机可用来实现本发明的装置和方法。对于这个最佳实施例，用高斯滤波器整形的二进制FSK作为调制方案。具体地，对单个收发机芯片使用FSK调制有许多现实好处。例如，用频率调制(FM)鉴频器级(122)直接地在IF完成检测功能。这个过程消除了对于用于信息恢复的进行第二下变频到基带级的需要。其次，简化了发射部分以便于可以将待发射的信息符号直接耦合到将这些符号转换为FM信号的VCO(如，HF振荡器118)上。使用这种方法，发射部分只需要一个单独的VCO就足够了，同时消除了对于一个分离的上变频混频器的需要。使用FSK的另一个好处是FSK信号的非相干检测对于频率误差相对不敏感。在这种情况中，频率误差在FM检波器的输出端显示为一个DC偏移信号。然而，可以使用一个自动频率控制(AFC)级来迅速补偿这个偏移。这个过程消除了对于较高稳定性的本机振荡器级或精确的频率跟踪方案的需要。
FSK调制的另一个好处是在通路滤波之后可以硬性限幅所接收的信号。被接收的信息仅保存在信号的相位中而不在其幅度中。因此，这个过程消除了对于难以使用的自动增益控制(AGC)电路以及幅度跟踪方案的需要。由于不相干信号在不同的跳频中衰减，因此通过在空中接口中定义的频率跳跃也将严重地阻碍AGC的操作。
返回图4，通过在空中接口中进行适宜的调整(如上所述)来补偿他人以前在试图将整个收发机集成在一个单个IC芯片上时所面临的现实问题，可以用图4所示的相对简单的结构(根据本发明)。与在图1中所公开的结构相比，还是可以看出图1的基本组成块。特别地，在图1中所示的每个基本构成块都可以仅由图4所示结构中的一种电路来替换。例如，在图4中，在镜像干扰抑制混频器(116)中进行下变频步骤，该混频器将来自RF的信号转换为一个低IF信号。在这个低IF频率处选择带通滤波器(120)执行通路选择。然后在FM鉴频器(122)中恢复这个通路滤波信号。值得注意地，由于FM鉴频器(122)可以直接在低IF处检测所接收的信号，因此就不需要第二下变频步骤将其变频到更低的IF或基带频率。
在图4的发射机部分，为了抑制频带外信号的能量，用高斯整形滤波器(124)来整形待发射信号。这个整形信号直接耦合到在所需的RF频率处直接产生FM信号的VCO(118)上。尤其是，整个收发机仅需要一个单独的VCO。该同一个VCO(118)在接收周期执行下变频功能，而在发射周期执行上变频功能。所用的低IF被选择在一个合适的频率上，以便于允许带有足够选择性的带通滤波器(120)的片上集成。对于这个最佳实施例，使用3MHz的IF(f0)，以便于能够实现带有1MHz带宽并且Q为3的CMOS回转子滤波器(在芯片上)。可以以类似的方式实现低通整形滤波器(124)和跟在FM鉴频器后面的低通检波器(没有明确示出)。FM检波器(122)最好被构造成一个正交检波器。对于VCO级(118)，在振荡器槽中使用接合线电感作为谐振器，而不用外部(片外)元件。最好是，用一个公共参考电路调谐所有的振荡器以补偿制造公差。
图5是根据本发明的第二实施例的安装在一个单独IC芯片上的短程无线电收发机的详细框图。然而，尽管根据一个单独IC芯片的实施方式描述所示的无线电收发机，但是这个描述仅是为了说明的目的而且本发明不局限于此。例如，一些图5所示的元件可以设置在IC芯片的外部。回到图5，芯片(200)上的收发机包括一个耦合到位于接收机前端的低噪声放大器(LNA)204上的发射/接收天线202。LAN的输出耦合到一个镜像干扰抑制混频器，该混频器是由用于I通道的第一混频器206、用于Q通道的第二混频器208、45度移相器210、135度移相器212、90度移相器214、以及合成器216所组成。来自VCO218的本机振荡器信号耦合到90度移相器214。因此，通过复合移相的IF I和Q信号实现镜像干扰抑制从而从合成器216产生一个输出IF信号。
对于这个实施例，所选的IF信号是大约3.0MHz。从合成器216输出的IF信号耦合到IF接收机电路，该电路包括一个抑制相邻通道信号的带通滤波器220。这个带通滤波器最好是使用跨导C型滤波的参差调谐IF滤波器。这个IF接收机电路还包括一个硬限幅器(H.L.)222、一个FM鉴频器224以及一个低通滤波器226。这个IF接收机电路还可以包括带有一个A/D转换器(没有明确示出)的RSSI指示器。检测这个IF信号(224)，并且从低通滤波器226中输出恢复的信息。
在一个芯片上的收发机200还包括一个由相位检波器230、环路滤波器236以及带有模数逻辑的前置换算器240所组成的锁相环。这个锁相环是合成器的一个元件，该合成器包括相位检波器230、电荷泵232、调整滤波器234、环路滤波器236、前置换算器240、模数逻辑电路238、VCO218、以及缓冲器219。就这样，使用由整形滤波器256整形的输入信息信号(例如，输入的数据)来直接调制VCO。一个采样保持电路(S/H)(没有明确示出)将输入电压稳定于VCO，而这个VCO是被直接调制的。VCO218还是发射机部分的一个元件。为了发射，VCO218的输出被耦合到一个功率放大器242并且耦合到天线202。
使用全差分信号通路来抑制共模噪声和干扰信号。此外，所有的接收滤波器、发射滤波器以及FM鉴频器都采用匹配的电子电路。通过频率锁定于晶体振荡器248的参考滤波器来提供所有滤波器和鉴频器的自动调谐。
收发机200还包括数字电路244以提供功率抑制控制、由于处理变量而对芯片上的某个模拟块编程以及合成器控制逻辑。数字电路244与一个串行数字接口连接246连接。在这个芯片上还包括一些典型的功能性电路块，例如，一个晶体振荡器(XO)248、频率可调的低功率振荡器(LPO)、加电复位(POR)252以及有限状态机(FSM)254。因此，图5所示的单芯片收发机包括用于所有模拟电路块的功率抑制逻辑电路、调谐模拟电路块的逻辑电路、串联到并联转换器以及解码逻辑电路。
总之，如同通过图4和5所示的实施例所说明的，整个无线电收发机被完全地集成在一个IC芯片上。为了将IF滤波器集成在这个芯片上，使用带有相对低的IF的外差式结构。一个单独直接调制的VCO既用于上变频也用于下变频，并且在VCO的振荡器槽中使用接合线作为谐振器。在空中接口中使用TDD方案来消除串音或泄漏。使用高斯型二进制FSK调制方案来提供其它一些现实好处(如上所述)。
尽管在附图中已经说明了本发明的方法和装置的一个最佳实施例并且在上述详细的说明书中已经对此进行了描述，但是可以理解的是本发明不局限于所公开的这些实施例，而且在不脱离前述以及由随后的权利要求所限定的本发明的实质的情况下，可以有许多变形、修改和替换。

Claims (22)

1.位于一个单独IC芯片上的无线电装置，包括：
一个天线部分，用于发射和接收一些高频信号，所述无线电装置包括用于以时分复用方式发射和接收所述一些高频信号的装置；
与所述天线部分耦合的下变频部分，用于将所述一些高频信号的第一高频信号下变频为一个低的中频信号；
与所述下变频部分耦合的一个带通滤波器；
与所述带通滤波器耦合的一个鉴频器；
与所述天线部分耦合的上变频部分，用于将一个信息信号上变频为所述一些高频信号的第二高频信号，所述上变频部分包括所述下变频的一部分；以及
与所述上变频部分的输入耦合的一个整形滤波器。
2.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述低的中频信号的中心频率是大约3MHz。
3.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述下变频部分包括一个可变控制振荡器。
4.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述上变频部分包括一个可变控制振荡器。
5.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述上变频部分包括一个直接调制的可变控制振荡器。
6.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述下变频部分包括一个镜像干扰抑制混频器级。
7.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述整形滤波器包括一个高斯整形滤波器。
8.如权利要求1的无线电装置，进一步包括一个二进制频移键控调制装置。
9.如权利要求1的无线电装置，进一步包括用于数据传输的自动重发请求误差校正装置。
10.如权利要求1的无线电装置，进一步包括用于语音传输的连续可变斜率增量调制装置。
11.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所述鉴频器包括一个频率调制鉴频器。
12.如权利要求1的无线电装置，进一步包括用于提供干扰免疫力的跳频装置。
13.如权利要求1的无线电装置，进一步包括用于自动调谐一些滤波器和FM鉴频器的自动调谐装置。
14.如权利要求1的无线电装置，其特征在于所有的有源元件都集成在这个单独的IC芯片上，并且至少无源环路滤波器和无源VCO谐振器的其中之一被设置在该单独IC芯片的外部。
15.位于一个半导体芯片上的短程无线电装置，包括：
接收机输入装置，用于将一个高频信号下变频为一个低的中频信号并且抑制镜像信号；
与所述接收机输入装置耦合的一个带通滤波器，调谐所述带通滤波器以通过所述的低的中频信号；
一个频率调制的鉴频器级，与所述带通滤波器的输出耦合，用于信息的恢复；
与一个功率放大器级耦合的用于上变频、并且与所述接收机输入装置耦合用于下变频的可变控制振荡器，通过一个待发射的信息信号调制所述可变控制振荡器。
16.如权利要求15的无线电装置，其特征在于所述可变控制振荡器包括一个锁相环。
17.如权利要求15的无线电装置，其特征在于所述低的中频是大约3MHz。
18.如权利要求15的无线电装置，其特征在于所述可变控制振荡器包括频率合成器的一部分。
19.如权利要求15的无线电装置，其特征在于所述可变控制振荡器使用接合线作为谐振器。
20.一种无线电结构，包括：
一个天线部分，用于发射和接收一些高频信号，所述无线电结构包括用于以时分复用方式发射和接收所述一些高频信号的装置；
与所述天线部分耦合的下变频部分，用于将所述一些高频信号的第一高频信号下变频为一个低的中频信号；
与所述下变频部分耦合的一个带通滤波器；
与所述带通滤波器耦合的一个鉴频器；
与所述天线部分耦合的上变频部分，用于将一个信息信号上变频为所述一些高频信号的第二高频信号，所述上变频部分包括所述下变频的一部分；以及
与所述上变频部分的输入耦合的一个整形滤波器。
21.一种使用位于一个半导体芯片上的短程无线电收发机的方法，包括这些步骤：
以时分复用方式调制所述短程无线电收发机；
将一个接收到的信号从高频下变频为一个低的中频；
将所述低的中频信号进行通路滤波；
从所述通路滤波过的信号中检测第一信息信号；
对第二信息信号进行高斯整形；并且
将所述整形的第二信息信号上变频为所述高频信号。
22.如权利要求21的方法，其特征在于所述低的中频是大约3MHz。
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