任意相位軌跡頻率合成器的制造方法
【專利說明】任意相位軌跡頻率合成器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年2月7日提交的61/937，380的美國臨時申請的權利，在此將其全部公開的內容通過引用并入本文。
技術領域
[0003]本發(fā)明的主題涉及提供改善的使用任意相位軌跡控制器來直接生成相位調制射頻(RF)信號的發(fā)射機和頻率合成器結構的技術和設備。
【背景技術】
[0004]從WiFi到汽車門鎖，無線通信已經普遍存在。諸如無線傳感器網絡以及物聯(lián)網(1T)等新興技術極大地提高了對無線設備的要求。尤其是，對低生產成本、小尺寸(即，高度小型化)以及降低功率消耗的無線裝置具有較高的需求。由于在這些網絡中，長的電池壽命對于許多應用是非常重要的，所以降低無線裝置的功耗并開發(fā)新的功率輸出策略尤其重要?；诖?，為了開發(fā)更小且成本更低的裝置，需要減小無線裝置的射頻及其所附的中央處理單元(CPU)、閃存、隨機存取存儲器(RAM)以及數字接口模塊。一般，通過下面的Moore準則并使用更加小的集成電路制作技術可以將這些裝置小型化。然而，大量射頻結構并不兼容低電源電壓和降低的凈空電壓，與廣泛的裝置不匹配，并具有小晶體管特征尺寸生成的特殊裝置行為。此外，無法使用技術的最小特征尺寸來減小傳統(tǒng)設計中普遍存在的感應器占用的較大的芯片面積。
[0005]部分無線發(fā)射機結構生成一對笛卡爾基帶信號，稱為同相(I)和正交(Q)信號。I和Q信號名義上正交，并使用混頻器或鏡像混頻器將I和Q信號合并且上調到發(fā)射機中的RF頻率上。通常需要仔細設計混頻器并需要足夠的功率以生成準確的信號。使用放大器將混頻器輸出信號放大到傳輸所用的滿功率。對于諸如IEEE 802.15.4或藍牙等具有恒定振幅包絡的低功率調制無線標準來說，使用I和Q信號的信號傳輸方法是非常浪費的。這些標準中，所有的傳輸信息都包含在信號的相位中。因此，需要一種替代性方法，該方法不在基帶生成和處理1-Q信號對并隨后上調到RF，而是直接生成相位。
[0006]因此，需要無線通信應用中使用的發(fā)射機和頻率合成器提供較小且高效傳輸的新的電路和裝置結構。

【發(fā)明內容】

[0007]本文的論述通過提供改良的使用任意相位軌跡控制器來直接生成相位調制射頻(RF)信號的發(fā)射機和頻率合成器結構來降低上面所指出的一個或多個問題。
[0008]根據本公開的一個方面，一種頻率合成器包括:壓控振蕩器(VCO)，其根據VCO的輸入端接收的信號，在輸出端生成具有頻率受控的合成頻率信號；數字可調分頻器，其耦接到VCO的輸出端并通過所述合成頻率信號在輸出端生成降低的頻率信號；相位數模轉換器(DAC)，其接收定時信號和數字控制信號，并在輸出端生成定時信號的延時形式，該定時信號根據數字控制信號實現(xiàn)延時；相位檢測器(ro)，其耦接到數字可調分頻器的輸出端、相位DAC的輸出端和參考時鐘，在與VCO的輸入端耦接的ro的輸出端上生成相位控制信號；數字信號轉換器，其用于控制數字可調分頻器和相位DAC從而使得VCO輸出的合成頻率信號的相位或頻率對編碼在數字信號轉換器所接收到的數字信號中的期望相位或頻率軌跡進行跟蹤。
[0009]數字信號轉換器可確定相位DAC達到延時門限的時間，并作為對確定相位DAC達到延時門限而對數字可調分頻器的分頻進行調整。例如，當數字信號轉換器確定相位DAC達到最大延時門限時，數字信號轉換器會減小相位DAC的數字可調延時并增加數字可調分頻器的分頻。例如，當數字信號轉換器確定相位DAC達到最大延時門限時，數字信號轉換器將相位DAC的數字可調延時降低，所降低的時間長度與VCO輸出的合成頻率信號的一個周期相等。并且，當數字信號轉換器確定相位DAC達到最小延時門限時，數字信號轉換器增加相位DAC的數字可調延時并降低數字可調分頻器的分頻。
[0010]相位DAC可從數字可調分頻器接收降低的頻率信號作為定時信號，并可直接向ro輸出降低的頻率信號的延時形式。
[0011 ] 相位DAC可接收參考時鐘信號作為定時信號，并可向ro輸出參考時鐘信號的延時形式。
[0012]頻率合成器還可包括電荷泵，其耦接在相位檢測器的輸出端和VCO的輸入端之間，并用于對相位控制信號進行濾波，以在VCO的輸入端提供濾波后的相位控制信號。
[0013]數字信號轉換器可以包括具有預定范圍的數字累加器。數字信號轉換器可根據存儲在累加器中的值對相位DAC進行控制，并根據累加器達到預定范圍的上限或下限的上溢或下溢狀態(tài)，對數字可調分頻器進行控制。
[0014]相位DAC輸出的定時信號的延時形式通過ro來對VCO的輸入端進行控制。
[0015]數字可調分頻器可以是可調的，從而對施加到合成頻率信號的分頻比進行增大、減小或保持穩(wěn)定。
[0016]根據本公開的另一個方面，一種方法包括根據頻率合成器的壓控振蕩器(VCO)的輸入端接收的信號在VCO中生成具有頻率受控的合成頻率信號；在與VCO輸出端耦接的數字可調分頻器中，通過所述合成頻率信號生成降低的頻率信號；在接收定時信號和數字控制信號的相位數模轉換器(DAC)中，生成定時信號的延時形式，該定時信號根據數字控制信號實現(xiàn)延時；在與數字可調分頻器、相位DAC、參考時鐘的輸出端耦接的相位檢測器(PD)中，生成相位控制信號并將該相位控制信號耦接到VCO的輸入端；通過接收數字信號的數字信號轉換器來對數字可調分頻器和相位DAC進行控制，從而使得VCO輸出的合成頻率信號的相位或頻率對編碼在數字信號轉換器所接收到的數字信號中的期望相位或頻率軌跡進行跟蹤。
[0017]根據本公開的各個方面，頻率合成器的VCO的輸出端可耦接到發(fā)射機的功率放大器、或耦接到無線接收器的混頻器，從而為接收的RF信號的頻率轉換提供參考。在一些實施例中，混頻器通過一個或多個緩沖器與VCO耦接，緩沖器可以是模擬的(例如，A類型放大器)或數字的(例如，串聯(lián)耦接的一個或多個轉換器)。
[0018]該方法還可包括，在數字信號轉換器中確定相位DAC是否達到延時門限，并作為對相位DAC達到延時門限的響應而對數字可調分頻器的分頻進行調整。在一個示例中，所述調整包括，當相位DAC達到最大延時門限時，減少相位DAC的數字可調延時并增加數字可調分頻器的分頻。當相位DAC達到最大延時時，在一些實施例中將相位DAC的數字可調延時降低，所降低的時間長度與合成頻率信號的一個周期相等。所述調整還可包括，當相位DAC達到最小延時門限時，增加相位DAC的數字可調延時并降低數字可調分頻器的分頻。
[0019]相位DAC接收的定時信號可以是數字可調分頻器生成的降低的頻率信號，并且該方法還包括向ro輸出降低的頻率信號的延時形式。
[0020]相位DAC接收的定時信號可以是來自參考時鐘的參考時鐘信號，并且該方法還包括直接向ro輸出參考時鐘信號的延時形式。
[0021]該方法還可包括對ro生成的相位控制信號進行濾波，并將濾波后的相位控制信號提供給VCO的輸入端。
[0022]對相位DAC進行控制可包括:根據存儲在接收數字信號的數字信號累加器中的值對相位DAC進行控制，對數字可調分頻器的控制可包括，根據累加器達到累加器的預定范圍的上限或下限的上溢或下溢狀態(tài)，對數字可調分頻器進行控制。
[0023]在下面的描述中在一定程度上將列舉出其它優(yōu)點和新穎性特征，并且在一定程度上，對于本領域技術人員來說，通過對下面內容和所附附圖的審查，或者可以通過對示例的制作或操作學習到，這些優(yōu)點和新穎性特征是顯而易見的。通過實踐或使用下面討論的詳細示例中所列舉的方法、手段及其組合的不同方面可以實現(xiàn)和獲得本技術的論述的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0024]附圖描繪了符合該論述的一個或多個實施方案，它們只作為實例，而不是作為限制。在這些附圖中，同樣的參考編號表示相同或相似的單元。
[0025]圖1至圖6是展示直接生成相位調制射頻(RF)信號的發(fā)射機的示例性結構的功能框圖。
[0026]圖7是展示圖1至圖6中的任意一個發(fā)射機中可使用的壓控振蕩器(VCO)的示例性結構的功能框圖。
[0027]圖8和圖9是展示圖1至圖6中的任意一個發(fā)射機中可使用的數模轉換器(DAC)的示例性結構的功能框圖。
[0028]圖10至圖16是對圖3的發(fā)射機進行模擬操作的過程中獲取的性能的圖示。
【具體實施方式】
[0029]在下面的詳細描述中，以示例方式列舉了許多具體細節(jié)，從而對相關論述提供充分理解。然而，對應本領域技術人員來說應該清楚，不使用這些細節(jié)也可以實踐該論述。在其它示例中，以相對較高的水平對眾所周知的方法、過程、組件和/或電路進行了描述，而沒有進行詳細描述，以避免沒有必要地模糊該論述的觀點。
[0030]本文公開的各種方法和電路涉及提供使用任意相位軌跡控制器以直接生成相位調制射頻(RF)信號的發(fā)射機結構。
[0031]發(fā)射機結構通過將高解析度相位數模轉換器(DAC)與快速鎖相環(huán)(PLL)組合來提供任意相位軌跡。該方法通過消除對復用器、正交信號相加、功率放大器(PA)前的濾波以及使用無感應器振蕩器的需求而降低功耗、設計復雜度和芯片面積。任意相位軌跡方法可以生成從IEEE 802.15.4正交相移鍵控(QPSK)到藍牙高斯頻移鍵控(GFSK)范圍內的具有任意信道中心頻率的信號。
[0032]在一些實施例中，這些方法和電路與調幅器進行了組合以作為極性調制器，從而使得星座圖上傳輸的信號矢量的任意布置符合任意調制格式。
[0033]發(fā)射機結構以及相關信號調制結構將調制器電流降低為低于標準發(fā)射機電路和裝置獲得的電流的50 %，將發(fā)射機的芯片面積減少超過50 %，支持4兆碼片/秒到8兆碼片/秒的碼片速率，為減小信道帶寬提供軌跡成形，以及支持與藍牙經典、藍牙低能量和ANT協(xié)議兼容的GFSK。進一步，與傳統(tǒng)的發(fā)射機設計通常將兩個正交信號I和Q信號進行上變頻轉換相反，本文公開的信號調制結構不使用正交I和Q信號，而直接創(chuàng)建任意相位軌跡。
[0034]現(xiàn)在對附圖中所示的示例進行詳細地介紹并在下面進行討論。
[0035]圖1示出了直接生成相位調制射頻(RF)信號的發(fā)射機100的基本結構。發(fā)射機100包括生成驅動功率放大器(PA) 113的RF信號的壓控振蕩器(VCO) 109。發(fā)射器100中，VCO 109工作在兩倍于RF信道頻率(例如，是PA 113輸出的RF信號的頻率的兩倍)的頻率上。例如，VCO 109可以在5GHz上工作，而PA 113輸出的信號是2.5GHz