专利名称：一种超低功耗恒定包络收发系统及其实现方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信系统收发模块和射频集成电路，为 一种超低功耗恒定包络收发系统及其实现方法。
背景技术：
近年来，在笔记本电脑、移动通信等便携式电子设备和WSN、GPS飞速发展的推动 下，低功耗收发系统已成为射频集成电路的重要发展方向之一。国内外研究人员主要从以 下几个角度实现低功耗射频集成电路设计，第一，从改变工艺的角度，如采用BiCMOS和多 阈值电压等工艺，但是这些方法其成本较昂贵而且后者的再制造性较差；第二，从电路设计 技术的角度出发，在不改变现有工艺的情况下实现低功耗射频集成电路的设计，如亚阈值 区工作电路，浮栅/准浮栅MOS电路、衬底驱动技术、衬底偏置技术、自级联电路、电平移动 技术、电流模式电路等，然而由于这些技术有着自身的缺点，因此它们各自的应用范围受到 一定的限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的低功耗射频集成电路改进工艺成本较昂贵、 制造性较差，现有的改进电路设计还存在很多问题，应用范围受到限制，需要提供一种超低 功耗恒定包络收发系统，包含接收与发射模块，对接收与发射模块进行整合，降低系统的功率ο本发明的技术方案为一种超低功耗恒定包络收发系统，包括层叠电流复用模块、 无源混频器、自适应增益混频器、可重构滤波器、锁相环、峰值检测模块和收发天线，层叠电 流复用模块设有压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器；发射工作模式下基带信 号经过可重构滤波器后，经过无源混频器与本征信号混频，混频后的射频信号经过层叠电 流复用模块，通过开关选通压控振荡器、分频器、功率放大器电路，最后经收发天线发射信 号，接收工作模式下射频信号经收发天线接收信号，接收到信号经过层叠电流复用模块，通 过开关选通压控振荡器、分频器、低噪声放大器电路，经过自适应增益混频器与本征信号混 频并且对信号放大，经过可重构滤波器后，输出中频信号，峰值检测模块对自适应增益混频 器进行反馈控制，其中层叠电流复用模块的压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器共用 一个静态偏置电流，组成模块层叠电流复用结构；自适应增益混频器中，由收发天线接收的 射频信号首先经过可变跨导级、高通滤波，然后经过混频级，输出信号经过低通滤波器后， 返回到可变跨导级对信号再次放大，使得跨导放大级得到两次利用，峰值检测模块控制对 自适应增益混频器的增益进行控制，动态调节收发系统功耗；可重构滤波器通过开关控制 模块和两个二阶低通滤波器实现。上述超低功耗恒定包络收发系统的实现方法为层叠电流复用模块的压控振荡 器、分频器、低噪声放大器和功率放大器共用一个静态偏置电流，当系统工作于发射模式时，压控振荡器、分频器、功率放大器共用一路电流工作，低噪声放大器不工作，而系统工作 于接收模式时，压控振荡器、分频器、低噪声放大器共用一路电流工作，功率放大器不工作， 分频器一直对压控振荡器分流，最终实现一路电流供这四个模块使用，实现低功耗设计；自 适应增益混频器中，混频器的跨导级，把射频电压信号转化为射频电流，双平衡MOS开关对 输入的射频电流进行调制，输出中频信号，中频信号经过低通滤波再返回到跨导级，对信号 进一步放大，使得跨导放大器得到两次利用，跨导放大级采用源简并结构，峰值检测模块根 据检测到的信号强度，产生相应控制电压，控制源简并电阻值，改变跨导放大级的跨导，同 时也改变电路的直流偏置，实现增益可变和系统功耗的动态调整；可重构滤波器通过开关 控制模块，选择可重构滤波器工作在低通模式或复数带通模式，实现滤波器的可重构。本发明压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器共用一个偏置电流；接收 部分的下混频部分采用自适应增益混频器，增益可变，信号在混频器的跨导级得到两次放 大，同时在跨导级通过采用自动增益结构，改变跨导级跨导，实现可变增益放大的作用，发 射部分的上混频采用无源混频器降低功耗；接收与发射的滤波器采用可重构结构，通过选 通开关实现二阶低通滤波器和复数带通滤波器的功能，节约系统的功耗和芯片面积。本发 明从优化射频系统结构角度出发，对传统的收发系统结构进行改进，对系统中一些模块进 行整合，实现模块之间电流的复用，或者用一个模块实现多种功能。本发明相对于传统收发系统具有超低的功耗，结构简单，把发射系统中功率放大 器和接收系统中低噪声放大器以及压控振荡器、分频器共用一路偏置电流；通过一个模块 来实现下混频、可变增益，达到电流复用；上混频器使用低功耗无源混频器；收发系统的二 阶滤波器采用可重构结构，根据接收机接收到信号强度不同自动调节偏置电流，调节增益 大小，从而对功耗进行动态调整，开关来选通低通滤波器还是复数带通滤波器，整个收发系 统正常工作时，功耗仅为3mW。
图1为本发明的超低功耗恒定包络收发系统主体电路框图。图2为本发明的低噪声放大器、分频器、功率放大器，压控振荡器电流复用原理 图。图3为本发明的具有可变增益、滤波功能的自适应增益混频器原理框图。图4为本发明的具有可变增益、滤波功能的自适应增益混频器电路原理图。图5为无源混频器原理图。图6为本发明的可重构滤波器的复数滤波器电路原理图。
具体实施例方式下面说明本发明的具体实施。如图1，本发明包括层叠电流复用模块1、无源混频器2、自适应增益混频器3、可重 构滤波器4、锁相环5、峰值检测模块6和收发天线7，层叠电流复用模块1设有压控振荡器、 分频器、低噪声放大器和功率放大器；发射工作模式下基带信号经过可重构滤波器后，经过 无源混频器与本征信号混频，混频后的射频信号经过层叠电流复用模块，通过开关选通压 控振荡器、分频器、功率放大器电路，最后经天线发射信号，接收工作模式下射频信号经天线接收信号，接收到信号经过层叠电流复用模块，通过开关选通压控振荡器、分频器、低噪 声放大器电路，经过自适应增益混频器与本征信号混频并且对信号放大，经过可重构滤波 器后，输出中频信号，峰值检测模块对自适应增益混频器进行反馈控制。其中，如图2，层叠电流复用模块1的压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放 大器为模块层叠结构，压控振荡器、分频器和功率放大器用于发射信号，压控振荡器、分频 器和低噪声放大器用于接收信号，系统的发射和接收共用压控振荡器和分频器，压控振荡 器、分频器、低噪声放大器和功率放大器为模块共用一个静态偏置电流，组成模块层叠电流 复用结构。混频器一般由3部分组成跨导级、混频级与负载级，如图3，本发明的自适应增益 混频器3中，由收发天线(7)接收的射频信号首先经过可变跨导级、高通滤波，然后经过混 频级，输出信号经过低通滤波器后，返回到可变跨导级对信号再次放大，使得跨导放大级得 到两次利用，跨导放大级采用源简并结构，峰值检测模块(6)根据检测到的信号强度，产生 相应控制电压，控制源简并电阻值，改变跨导放大级的跨导，同时也改变电路的直流偏置， 实现增益可变和系统功耗的动态调整；可重构滤波器4采用开关控制模块，选择可重构滤 波器4工作在低通模式或复数带通模式。由于收发系统中压控振荡器、分频器、低噪声放大器、功率放大器，通常都需要大 的偏置电流，而低噪声放大器和功率放大器分别工作在收发机系统的接收和发射模式中。 本发明的压控振荡器、分频器、功率放大器、低噪声放大器采用多模块层叠，电流复用技术， 发射工作模式下，选择开关S接入B处，压控振荡器、分频器、功率放大器模块层叠共用电 流，而接收工作模式下选择开关S接入A处，压控振荡器、分频器、低噪声放大器模块层叠共 用电流。分频器根据电路设计对压控振荡器分出一部分电流，余下的电流给低噪声放大器 或者功率放大器。低噪声放大器采用源级电感负反馈共源共栅放大器结构，这种结构可是 实现输入端窄带匹配，利用共源共栅结构提高系统的隔离度。功率放大器也采用共源共栅 结构，这种结构根据需要，可以使用不同的偏置，可以设计成A类、B类、C类功率放大器。低 噪声放大器和功率放大器采用相同的LC负载，这种负载形式具有良好的选频特性，采用开 关电容阵列用来修正工艺、温度、电压引起的电容偏差，调节谐振频率。压控振荡器采用LC 振荡器，通过在低噪声放大器负载电感顶端并联一个大电容，来隔离压控放大器与其他两 个模块之间的影响。分频器一直对压控振荡器分流。如图4，本发明的自适应增益混频器，也就是接收部分的下混频器的跨导级由晶体 管 PM0、PM3、NM0、NM1，电容 CO、Cl、C2、C3、C15、C16，电阻 Rl、R2、R3、R4 组成，电容 CO、Cl、 C2、C3、C15、C16对射频起到短路的作用，同时起到隔直作用，跨导级将射频输入电压信号转 化为射频输入电流信号，PMO和NMO电流复用，提高跨导。开关级由晶体管PM4、PM5、PM6、 PM7组成，PMU PM2为开关晶体管提高直流偏置电流，开关控制RF电流连接到输出端，在电 流域内执行乘法，中频负载级由晶体管匪2、匪3，电阻R7、R8，电容C6、C9、C10组成，负载级 采用局部反馈技术，稳定输出共模电平，电容C6、C9、ClO对射频信号交流短路，对中频呈现 大的阻抗。R5，C7，R6、C8实现一阶低通滤波器，滤除射频信号，通混频器的输出中频信号， 中频信号再经过ΝΜ0、匪1管共源放大，在ΝΜ0、匪1的漏端输出中频信号，由于C16，C15对 中频相当于开路，NM4、匪5做为ΝΜ0、匪1的源级退化电阻，通过改变栅上控制电压，可以改 变MOS管的线性电阻，从而改变ΝΜ0、匪1管的等效跨导，进而改变中频放大器的增益，该控制电压由RSSI电路产生，根据接收机接收信号强度大小的不同，相应的产生控制电压，产 生不同的源级退化电阻，同时会改变电路静态偏置电流，从而实现动态的调整功耗。由于下 混频器的输入是射频信号，而输出是中频信号，因此这种自适应增益混频器在同一频率处 信号没有形成反馈，进而不会产生稳定性问题。图5是无源混频器电路，采用双平衡MOS开关，由4个MOS管组成，MOS开关的栅 级受差分本征信号的控制，解决了单平衡开关混频电路存在LO到IF的馈通。本发明的二阶可重构滤波器，当收发机处于接收模式时，通过开关切换选择复数 带通滤波器，如图6，即闭合开关S1-S8，选择信道，射频信号通过正交本征下变频后，所需 信号和镜像信号在频域上发生“分裂”，分别在虚轴反而各一侧，如果有一个在频域上非虚 轴对称的滤波器对它们进行处理，就可以滤除镜像信号而得到所需信号，因此可以消除镜 像信号的影响；当收发机处于发射模式时，通过断开开关S1-S8，整个滤波器实现二阶低通 滤波器的功能，从而实现滤波器的可重构，节约系统的功耗。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种超低功耗恒定包络收发系统，其特征是包括层叠电流复用模块(1)、无源混频 器(2)、自适应增益混频器( 、可重构滤波器(4)、锁相环( 、峰值检测模块(6)和收发天 线(7)，层叠电流复用模块(1)设有压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器；发射 工作模式下基带信号经过可重构滤波器(4)后，经过无源混频器( 与本征信号混频，混频 后的射频信号经过层叠电流复用模块(1)，通过开关选通压控振荡器、分频器、功率放大器 电路，最后经收发天线(7)发射信号，接收工作模式下射频信号经收发天线(7)接收信号， 接收到信号经过层叠电流复用模块(1)，通过开关选通压控振荡器、分频器、低噪声放大器 电路，经过自适应增益混频器( 与本征信号混频并且对信号放大，经过可重构滤波器(4) 后，输出中频信号，峰值检测模块(6)对自适应增益混频器C3)进行反馈控制，其中层叠电流复用模块(1)的压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器共用 一个静态偏置电流，组成模块层叠电流复用结构；自适应增益混频器(3)中，由收发天线 (7)接收的射频信号首先经过可变跨导级、高通滤波，然后经过混频级，输出信号经过低通 滤波器后，返回到可变跨导级对信号再次放大，使得跨导放大级得到两次利用，峰值检测模 块(6)控制对自适应增益混频器的增益进行控制，动态调节收发系统功耗；可重构滤波器 (4)通过开关控制模块和两个二阶低通滤波器实现。
2.权利要求1所述的超低功耗恒定包络收发系统的实现方法，其特征是层叠电流复 用模块的压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器共用一个静态偏置电流，当系统 工作于发射模式时，压控振荡器、分频器、功率放大器共用一路电流工作，低噪声放大器不 工作，而系统工作于接收模式时，压控振荡器、分频器、低噪声放大器共用一路电流工作，功 率放大器不工作，分频器一直对压控振荡器分流，最终实现一路电流供这四个模块使用，实 现低功耗设计；自适应增益混频器(3)中，混频器的跨导级，把射频电压信号转化为射频电 流，双平衡MOS开关对输入的射频电流进行调制，输出中频信号，中频信号经过低通滤波再 返回到跨导级，对信号进一步放大，使得跨导放大器得到两次利用，跨导放大级采用源简并 结构，峰值检测模块根据检测到的信号强度，产生相应控制电压，控制源简并电阻值，改变 跨导放大级的跨导，同时也改变电路的直流偏置，实现增益可变和系统功耗的动态调整；可 重构滤波器(4)通过开关控制模块，选择可重构滤波器(4)工作在低通模式或复数带通模 式，实现滤波器的可重构。
全文摘要
一种超低功耗恒定包络收发系统及其实现方法，包括层叠电流复用模块、无源混频器、自适应增益混频器、可重构滤波器、峰值检测模块、锁相环和收发天线，层叠电流复用模块设有压控振荡器、分频器、低噪声放大器和功率放大器。本发明把收发系统中模块进行大量整合，多处实现电流复用和模块的可重构，接收机根据接收信号强度大小自动调节偏置电流，从而实现对功耗动态调整，以实现整个接收机超低功耗。本发明相对于传统收发系统具有超低的功耗，结构简单，设计方便。
文档编号H04B1/38GK102082579SQ20101062065
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者叶至易, 吴建辉, 张萌, 李红, 江平, 竺磊, 赵亮, 陈超 申请人:东南大学