专利名称：产生具有在连续频率范围内的期望频率的振荡信号的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信系统，尤其是必须支持大范围的频率的多频段收发器。本发明也涉及产生具有在连续频率范围内的期望频率的振荡信号的方法。
背景技术：
在现代通信系统中频谱是稀缺资源，因此，例如第三代合作伙伴计划(3GPP)规范组不断增加新频段。
大多数现代收发器的解决方案采用直接转换的接收器和发射器架构，以降低复杂度且最小化功率消耗。这样的收发器使用本地振荡器来为接收器部分和发射器部分产生频率。接收器和发射器需要正交本地振荡信号。一般通过将本地振荡信号除以2来产生正交本地振荡信号。因此，优选地，应当以期望接收/发射频率的2倍(或更高偶倍数)来操作本地振荡信号。本地振荡器的输出必须为干净的低噪声信号以获得良好质量的接收/发射。一般通过使用锁相环将压控电感电容(LC)振荡器锁定到晶体振荡器来实现。LC振荡器需要覆盖全部的期望接收无线电频率和发射无线电频率，即必须支持大范围的频率。典型的LC振荡器包括电感器、可变电容器、代表全部损耗的电阻器和保持放大器(sustaining amplifier)。可以将电感器实现为大型芯片上金属结构,且使电容器可变以能够产生不同输出频率。电容器可以包括可开闭电容器、可变电容器或其组合。已经证实，很难产生高的电容变化。当可变范围不足时,不得不使用多个中心不同的压控振荡器(VCO)，并通过多路复用器选择正确的VC0。这产生庞大的解决方案，且可能需要为每个将被支持的新频段增加新的VC0。通过在VCO输出端增加分频器以将VCO的输出除以2，来降低对VCO的频率变化的需求。一般而言，对于VCO覆盖一个倍频程所对应的频率范围是足够的，即VCO频率范围的上下端点之间具有因数2。然而，实际上VCO的中心频率将因工艺、供应电压和温度(PVT)而变化。因此，如果中心频率从其标称值向上或向下漂移，则因数为2的相对VCO范围不一定覆盖全部的期望频率范围。因此，中心频率的变化迫使调谐范围的每端上需要有额外裕度。也为了避免专用集成电路(ASIC)的自旋(respins),应当为设计中的定心偏差增加一些裕度。总之,这迫使设计者在调谐范围的每端具有 12%的裕度，且对于连续调谐范围，所要求的调谐范围变为2. 5，而不是上述因数2。利用一个VCO仍然难以获得此值，因此不得不仍使用多个VCO。典型地，使用3个VCO覆盖2. 5的调谐范围。可以通过进行更巧妙的VCO设计降低VCO的数量。例如，也可将电感器制作成可切换的。然而总是难以达到2. 5的相对调谐范围。现有解决方案的主要问题是成本和效率。多个VCO占据很多空间且多路复用技术将消耗电流。通过设计宽调谐范围的VC0，可以降低所需的VCO的数量。然而，当设计宽调谐范围的VCO时，则需要更多的切换，会引入谐振腔损耗。这意味着更差的噪声性能和更高的电流消耗。因此，明显地需要降低VCO的调谐范围要求。
发明内容
因此，本发明的实施方式的目标是提供一种降低所要求的VCO调谐范围的简单的方法。根据本发明的实施方式，在产生具有在第一连续频率范围内的期望频率的第一振荡信号的方法中实现所述目标，该方法包括在具有至少一个压控振荡器的压控振荡器单元中产生第二振荡信号，所述第二振荡信号具有在至少一倍频程的联合的第二连续频率范围内的频率。该方法还包括如下步骤选择所述第二连续频率范围以具有在所述第一频率范围内的下端点和在所述第一频率范围之上的上端点；选择性地使用未变化的所述第二振荡信号或将所述第二振荡信号除以从包括数字2的整数幂的分频比组中所选择的分频比，以获得所述第一振荡信号。
通过令VCO的中心高于所要求的，即使得VCO覆盖期望频率范围的上部分和在该范围之上的一些频率，并使用附加的分频器，使得可以选择性地使用未变化的VCO信号以覆盖期望频率范围的上部分或分频的VCO信号以覆盖期望频率范围的下部分，获得针对例如VCO的漂移和公差的在期望范围之下和之上的足够的裕度。本发明也简化了 VCO设计，节省了面积、电流且增加了一次成功的硅的概率。该方法还包括如下步骤比较所述第一振荡信号的实际频率与所述期望频率；根据比较结果选择所述分频比。通过这种方式可以很容易地找到最佳分频比。通过选择所述分频比的步骤实现目标，选择所述分频比的步骤包括将压控振荡器单元调到所述第二连续频率范围的端点处的频率；从所述分频比组中选择初始分频比使得所述第一振荡信号的频率在所述第一频率范围内；如果可能，调节压控振荡器单元的频率使得所述第一振荡信号的频率等于所述期望频率，否则，改变分频比并调节压控振荡器单元的频率使得所述第一振荡信号的频率等于所述期望频率。使用VCO频率范围的端点进一步简化将所产生的频率调节到期望值的过程。在一个实施方式中，选择第二连续频率范围使得其上端点为第一频率范围的上端点的咅。通过这种方式获得针对例如vco的漂移和公差的在期望范围之下和之上的同样的裕度。分频比组可以包括比率2和4。这允许来自覆盖一倍频程的VCO的具有足够裕度的4的期望相应频率范围。如前所述，本发明的一些实施方式也涉及一种产生具有在第一连续频率范围内的期望频率的第一振荡信号的压控振荡器装置，该装置包括具有至少一个压控振荡器的压控振荡器单元，该单元配置成产生第二振荡信号，所述第二振荡信号具有在至少一倍频程的联合的第二连续频率范围内的频率。选择第二连续频率范围以具有在所述第一频率范围内的下端点和在所述第一频率范围之上的上端点；且该装置还包括用于选择性地使用未变化的所述第二振荡信号或将所述第二振荡信号除以从包括数字2的整数幂的分频比组中所选择的分频比以获得所述第一振荡信号的部件。上述针对方法的所提到的内容所对应的实施方式也适用于该装置。
下面将参照附图更全面地描述本发明的实施方式，其中图I示出可使用本发明的射频(RF)收发器的方框图；图2示出具有压控振荡器的锁相环的方框图；图3示出压控LC振荡器的方框图；图4示出使用3个VCO和多路复用器的VCO单元；图5示出使用除二分频器扩展VCO单元的相应频率范围的结构。
图6示出具有覆盖中心在2. 83GHz处的相应的2的范围的VCO单元的图5的结构的频率范围的示例；图I示出当中心频率已经向下漂移时图6的频率范围；图8示出将中心高于期望频率范围的VCO输出信号可选地除以I或2的VCO装置；图9示出图8的装置的频率范围的示例；图10示出具有所增加的频率计数器的图8的装置；图11示出图10的装置的分频器选择算法的流程图；图12示出图5的结构和图8的装置的组合；图13示出将中心高于期望频率范围的VCO输出信号可选地除以1、2或4的VCO
装置；图14示出图13的装置的频率范围的示例；以及图15示出具有所增加的频率计数器的图13的装置。
具体实施例方式图I示出可使用本发明的典型的RF收发器I的方框图。所述收发器I具有接收部分2和发射部分3。大多数现代收发器的解决方案采用直接转换的接收器和发射器架构，以降低复杂度且最小化功率消耗。接收器和发射器需要正交本地振荡信号。因此，在所述接收器2中，所接收的信号从低噪声放大器4提供至到混频器5、6，在所述混频器5、6中通过混合接收信号和正交本地振荡信号，将接收信息转换为基带频率。一般通过在分频器8中将来自负责产生频率的本地振荡器7的本地振荡信号除以因数2或更高偶倍数，来产生正交本地振荡信号。因此，优选地，应当以期望接收(RX)频率的2倍(或更高偶倍数)操作本地振荡信号。混频器5、6的两个输出为同相分量和正交分量，且在将这两个输出在模拟-数字转换单元11中转换为数字值和在基带处理级12中进行进一步处理之前，在滤波器9和滤波器10中进行低通滤波。类似地，在发射部分，将来自处理级13的信号在混频器17、混频器18中混合至无线电频率和输入至放大器21之前，在数字-模拟转换单元14中进行转换且在滤波器15、滤波器16中进行滤波。同样地，通过在分频器20中将来自负责产生频率的本地振荡器19的本地振荡信号除以因数2或更高偶倍数，来产生正交本地振荡信号。本地振荡器7和本地振荡器19的输出必须为干净的低噪声信号以获得良好质量的接收/发射。一般通过使用锁相环将压控LC振荡器锁定到晶体振荡器来实现这点。LC振荡器需要覆盖全部的期望接收和发射无线电频率，即必须支持大范围的频率。
图2示出典型的锁相环31的方框图，其中将LC振荡器32锁定到晶体振荡器33。在相位频率检测器和充电泵34中将反馈信号的相位与来自晶体振荡器33的参考信号的相位进行比较。如果反馈信号的相位落后于参考信号的相位，则产生短升(short UP)信号，在充电泵中将所述短升信号转换为正电流脉冲，该正电流脉冲输入到环路滤波器35的电容器中。同样地，如果反馈信号的相位领先于参考信号的相位，则产生短降(short DOWN)信号，在充电泵中将所述短降信号转换为来自环路滤波器35的负电流脉冲。在参考信号和反馈信号的相位彼此相同或彼此接近的死区中，检测器将激发两个充电泵或不激发充电泵，不影响环路滤波器35。环路滤波器35的电压反过来控制压控LC振荡器32的频率。分 数分频锁相环的反馈通道包括分频器36和三角积分调制器37，以确保将从压控LC振荡器32所产生的输出频率进行适当地分频，以和相位频率检测器中的参考信号相比较。图3示出典型的压控LC振荡器41的示例性方框图。上部分为谐振器，所述谐振器包括电感器42、可变电容器43、代表全部损耗的电阻器44和保持放大器45。可将所述电感器42实现为大型片上金属结构，且使所述电容器43可变以能够产生不同输出频率。所述电容器43可以包括可开闭电容器、可变电容器或其组合。如前所述，振荡器需要覆盖大范围的频率。通过相应地改变所述电容器43获得这个范围中的不同频率。通过/ =给出振荡器的谐振条件，其中，C为谐振器中可用的总电容。这里意识到，为了能够产生从fmin到f_的频率范围内的所有可能的频率，C必须以因数A2ax//I变化。电容较低地受电感器的自身谐振频率、vco负载和其它寄生效应限制。而且，已经证实，难以产生高的电容变化。因此一个vco的能得到的频率变化是受限的。如果一个VCO的范围不足以覆盖所需要的频率范围，则不得不使用多个中心不同的VC0，然后通过多路复用器选择正确的VC0。这产生庞大的解决方案，且可能需要为每个将被支持的新频段增加新的VC0。利用图4中使用3个VC052、VC0 53和VCO 54与多路复用器55的VCO单元51示出了这种解决方案。降低对VCO单元的频率变化的需要的方式是在VCO输出端增加分频器，以将VCO输出除以2来提供在该范围中的较低频率。如果例如f_为fmin的4倍，即因数f./f.为4，且可以将输出频率除以例如2，则VCO覆盖例如一倍频程所对应的fmax/2 fmax的频率范围是足够的。换句话说，这将放宽VCO输出范围需求至因数2。图5示出这样的装置61的方框图，其中VCO 62,VCO 63和VCO 64与多路复用器65对应于图4。将多路复用器65的输出端连接到分频部件66和分频部件67。应当注意，“除以I”相当于保持信号不变，因此仅为了完整性示出分频部件66。最后，多路复用器68从分频部件66和分频部件67的输出中选择一个输出。在图5示出的示例中，我们以4倍的连续的相应频率范围为目标。作为示例,在图6中示出，期望输出频率范围(规格)可以为I 4GHz。那么VCO应当覆盖相应的2的范围，即2 4GHz，且分频器确保我们在多路复用器68中通过联合两个范围使范围加倍降到1GHz。因此在多路复用器68 (联合)的输出端处所覆盖的频率范围对应于期望范围。因此，可以将VCO的联合的频率范围的中心定为较低和较高VCO频率的几何平均值，SP
通过增加更多的分频器，我们可以进一步向下延伸频率范围。
然而，实际上VCO的中心频率将因工艺、供应电压和温度(PVT)而变化。因此，如图7所示，中心频率已经从标称值2. 83GHz向下漂移到2. 7GHz，为2的相应VCO范围不一定覆盖全部的期望频率范围。因此，中心频率的变化在调谐范围的每端上强加 6%的额外裕度的需要。也为了避免ASIC的自旋(respins)，应当增加一些裕度，以在设计中使中心偏移。这要求在范围的每端上另外 6%的裕度(在不成熟的ASIC过程中，建模误差会很高，这会导致很高的中心偏移)。总之这迫使设计者令调谐范围的每端具有 12%的裕度，
且对于连续调谐范围，所要求的调谐范围变为
权利要求
1.一种产生具有在第一连续频率范围内的期望频率的第一振荡信号的方法，该方法包括 在具有至少ー个压控振荡器的压控振荡器单元(72 ；82 ；92)中产生第二振荡信号，所述第二振荡信号具有在至少一倍频程的联合的第二连续频率范围内的频率； 选择所述第二连续频率范围以具有在所述第一频率范围内的下端点和在所述第一频率范围之上的上端点； 选择性地使用未变化的所述第二振荡信号或将所述第二振荡信号除以从包括数字2的整数幂的分频比组中所选择的分频比，以获得所述第一振荡信号； 比较所述第一振荡信号的实际频率与所述期望频率；和 根据比较结果选择所述分频比，其特征在于，选择所述分频比的步骤包括 将所述压控振荡器单元(72 ；82 ；92)调到(101)所述第二连续频率范围的端点处的频率； 从所述分频比组中选择(102)初始分频比使得所述第一振荡信号的频率在所述第一频率范围内；以及 如果可能，调节(107)所述压控振荡器单元(72 ；82 ；92)的频率使得所述第一振荡信号的频率等于所述期望频率，否则，改变(106)所述分频比并调节所述压控振荡器单元(72 ；82 ；92)的频率使得所述第一振荡信号的频率等于所述期望频率。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，选择所述第二连续频率范围使得其上端点为所述第一频率范围的上端点的力倍。
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述分频比组包括比率2和4。
4.一种产生具有在第一连续频率范围内的期望频率的第一振荡信号的压控振荡器装置(71 ；77 ；81 ；91 ;98)，该装置包括 具有至少ー个压控振荡器的压控振荡器单元(72 ；82 ;92)，所述单元用于产生第二振荡信号，所述第二振荡信号具有在至少一倍频程的联合的第二连续频率范围内的频率； 其中，选择所述第二连续频率范围以具有在所述第一频率范围内的下端点和在所述第一频率范围之上的上端点；且该装置还包括 用于选择性地使用未变化的所述第二振荡信号或将所述第二振荡信号除以从包括数字2的整数幂的分频比组中所选择的分频比以获得所述第一振荡信号的部件(73，74，75 ；.93,94,95,96)； 用于比较所述第一振荡信号的实际频率与所述期望频率的部件(76;96);和用于根据比较结果选择所述分频比的部件(76 ;96)，其特征在于，选择所述分频比的部件配直成 将所述压控振荡器单元(72 ；82 ；92)调到所述第二连续频率范围的端点处的频率；从所述分频比组中选择初始分频比使得所述第一振荡信号的频率在所述第一频率范围内；以及 如果可能，调节所述压控振荡器单元(72 ；82 ；92)的频率使得所述第一振荡信号的频率等于所述期望频率，否则，改变所述分频比并调节所述压控振荡器单元(72;82;92)的频率使得所述第一振荡信号的频率等于所述期望频率。
5.如权利要求4所述的压控振荡器装置，其特征在干，选择所述第二连续频率范围使得其上端点为所述第一频率范围的上端点的^倍。
6.如权利要求4或5所述的压控振荡器装置，其特征在于，所述分频比组包括比率2和4。
全文摘要
一种产生具有在第一频率范围内的期望频率的第一振荡信号的方法，该方法包括在压控振荡器单元(72)中产生第二振荡信号，所述第二振荡信号具有在至少一倍频程的第二频率范围内的频率。该方法还包括选择所述第二连续频率范围以具有在所述第一频率范围内的下端点和在所述范围之上的上端点；并选择性地使用未变化的振荡信号或将振荡信号除以从数字2的整数幂中所选择的分频比以获得所述第一振荡信号。通过使VCO的中心高于其它要求并使用附加的分频器，使得可以选择性地使用未变化的或分频的VCO信号，获得针对例如VCO的漂移和公差的在期望范围之下和之上的足够裕度。本发明也简化了VCO设计。
文档编号H03L7/099GK102668382SQ201080052719
公开日2012年9月12日 申请日期2010年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者马格纳斯·尼尔森 申请人:意法爱立信有限公司