用于窄带物联网设备的温度稳定振荡器电路的制作方法

本发明涉及一种用于窄带物联网(nb-iot)设备的无线电收发器的温度稳定振荡器电路，所述无线电收发器包括：接收路径，用于将所接收的模拟射频(rf)信号转换成数字基带(bb)信号；发射路径(tx)，用于将数字bb信号转换成发射的模拟rf信号；晶体振荡器(xo)，用于提供用于操作nb-iot设备的时钟；锁相环(pll)合成器，用于将由晶体振荡器提供的时钟倍增，以馈送tx路径中的上混频器和rx路径中的下混频器，以及频率偏移估计单元，用于估计晶体振荡器的时钟与从基站接收的信号之间的频率偏移。

降低移动电话收发器的成本并且协调多种传输方案(诸如，gsm(全球移动通信系统)、umts(通用移动电信系统)和lte(长期演进))是首要目标。

利用自由运行的晶体振荡器(即，没有任何电压控制来操纵频率)作为时钟源已经成为现有技术。为了支持较宽的温度范围，通常会利用所谓的tcxo(温度补偿的晶体振荡器)设备。

此外，与ntc(具有负温度系数的电阻器)封装在一起作为温度传感器的普通晶体在市场上可用，但是由于ntc的高度非线性特性，它们仅在非常有限的温度范围内才有用。

支持etsi(欧洲电信标准化协会)3gpp(第三代合作伙伴计划)nb-iot(窄带物联网)无线电传输协议的收发器通常需要满足非常低的价格点才能在物联网市场上取得成功。tcxo设备是物料账单的重要贡献者。它包含实际的晶体、振荡器电路、温度传感器、用于调谐晶体频率的变容二极管以及补偿电路装置，该补偿电路装置可以是完全模拟的，也可以采用模数转换和数模转换来将传感器信号转变成变容二极管的控制信号。

此外，它不能补偿晶体的老化，即，在其寿命期间晶体频率的降低。这与普通物联网设备(诸如，无线水消耗计量表)对十年寿命的要求冲突。由iot设备支持的温度范围可以很大，例如-40摄氏度…70摄氏度，这转变成晶体的甚至更大的范围，例如-40摄氏度…85摄氏度。当nb-iot设备操作时，尤其是发射器功率放大器可以产生大量的热量，这些热量最终传播到晶体并且改变其温度，并且因此改变时钟频率。但是，对nb-iot中传输期间的载波频率的精确度的要求相当严格，这意味着可能需要在传输期间重新调整载波频率。

因此，本发明的一个目的是找到使用廉价的时钟源(可以以恒定的时钟频率可靠地支持宽温度范围)来降低物联网设备的物料账单的可能性。

本发明的目的将在其中得以解决，晶体振荡器包括用于生成时钟的晶体，并且包括与晶体紧密良好热耦合放置的二极管，以通过测量二极管的电压来监控晶体的温度，而所测量的电压和所估计的频率偏移的对被提供给温度补偿学习算法以选择正确的锁相环频率比，以用于控制和设置锁相环合成器的频率。

通过为普通晶体配备二极管作为温度传感器，可以降低物料的账单。良好热耦合意指二极管与晶体之间的适当热耦合以及晶体/二极管组合相对于热源的热绝缘，并且确保了所测量的温度很好地反映了晶体温度。所有电路装置都位于现有的片上系统中：振荡器、用于驱动二极管的恒流源以及用于测量二极管上的电压的模数转换器，该电压在与绝对温度大致成比例的宽范围中。

没有用于控制晶体振荡器本身的频率的部件，而是只能经由对pll(锁相环)频率比和重采样比的控制来控制导出的载波频率和采样频率。

在单点工厂校准后，对从基站接收的信号的频率偏移估计与相关联的温度测量结果一起被馈送到学习算法中，该算法允许基于温度测量结果(在已经经历的温度范围之内和之外)来选择正确的pll频率比。已经经历的温度范围是指在过去的设备寿命内已经记录的数据集。

在本发明的温度稳定振荡器电路的优选实施例中，从基站接收的信号被用作由晶体振荡器生成以用于操作nb-iot设备的时钟的基准。基站信号具有相当高的温度稳定性，并且因此被用作基准。

在本发明的温度稳定振荡器电路的另一实施例中，二极管被以恒定的电流馈送成正向偏置，从而导致更大的线性操作区域。二极管的电压被馈送到模数转换器中。

在本发明的温度稳定振荡器电路的另一实施例中，二极管被以串联的电阻器和恒定的电压源来操作，这也导致较大的线性操作区域。

在本发明的温度稳定振荡器电路的一个优选实施例中，所测量的电压和所估计的频率偏移的对被记录，以补偿晶体频率的温度依赖性以及由于老化引起的晶体频率的长期改变。在操作期间，对晶体温度的规律测量允许补偿由于自发发热引起的频率改变。并且温度学习算法支持忘记很旧的测量结果，以应对晶体的老化。

在本发明的温度稳定振荡器电路的另外的优选实施例中，二极管的电压被周期性地测量。对二极管电压的定期测量允许监控晶体温度并且补偿载波频率上的改变，以便满足由nb-iot的3gpp标准给出的对载波频率精确度的要求。

在温度稳定振荡器电路的一个实施例中，尽可能远离发热体地形成晶体和二极管。为了实现足够的精确度，二极管与晶体之间的良好温度匹配至关重要。这可以通过二极管与晶体之间的紧密安装和良好热耦合，以及“晶体/二极管”对尽可能远离最大发热体(通常是功率放大器)的放置来实现。

因此，在温度稳定振荡器电路的另一实施例中，在晶体、二极管与基板之间形成热隔离，晶体和二极管被安装在该基板上。在自热引起的温度上升期间，这有助于改善二极管与晶体之间的温度匹配。晶体和二极管可以是紧密地安装在公共基板上的分离的器件，以便实现足够好的热耦合。

在温度稳定振荡器电路的另外的实施例中，晶体的温度由双极晶体管监控，其中基极和集电极被连接以用作更理想的二极管，即使以电阻器而不是电流源操作。

在本发明的温度稳定振荡器电路的另一个另外的实施例中，形成分离的锁相环合成器，以馈送tx路径中的上混频器和rx路径中的下混频器，以用于频分复用操作。

将使用示例性实施例更详细地解释本发明。

图1是本发明的温度稳定振荡器电路；

图2是在公共基板上的本发明的温度稳定振荡器电路。

图1示出了本发明的温度稳定振荡器电路1。用于nb-iot的无线电收发器包括：接收路径2，将所接收的模拟射频(rf)信号转换成数字基带(bb)信号；发射路径3，将数字bb信号转换成发射的模拟rf信号；晶体振荡器(xo)4，提供时钟来操作系统；锁相环(pll)合成器5，将由晶体振荡器4提供的时钟倍增，以馈送tx路径3中的上混频器6和rx路径2中的下混频器7。晶体振荡器4利用晶体来控制振荡。与晶体10紧密良好热耦合地放置二极管12。二极管12被以恒定电流11馈送成正向偏置，并且跨二极管p-n转变的电压被馈送到模数转换器(adc)13。除了数据接收和传输之外，包括温度学习算法单元14、频率偏移估计单元9和pll合成器5的频率控制单元17的基带处理器8成对地记录跨二极管12的电压测量结果的读数以及所接收的信号相对于其标称值的相关的频率偏移估计，该标称值基于可能的载波频率的方案而已知。

所测量的电压和所估计的频率偏移的对被馈送到学习算法中，该学习算法目的在于在考虑老化的情况下，估计晶体s曲线形状(频率相对于温度的曲线)的电流参数。对于电池操作的设备，低功耗至关重要。通常，调制解调器将针对长时间段睡眠，并且在进行数据传输时应将其开启持续时间降至最低。基于到目前为止获得的这种对的集合，可以使用电流二极管电压读数来正确地设置频率。新的电压/频率偏移对被记录为必要信号接收的一部分。此外，由于功率损耗，发射路径3中的功率放大器(pa)15产生大量的热量。在高功率的长传输期间，热量将通过安装基板16传播到晶体10，并且改变其温度和频率。对二极管电压的定期测量允许监控晶体温度并且补偿载波频率上的改变，以便满足由nb-iot的3gpp标准给出的对载波频率精确度的要求。

为了实现足够的精确度，二极管10与晶体12之间的良好温度匹配至关重要。这是通过二极管10与晶体12之间的紧密安装和良好热耦合，以及“晶体/二极管”对尽可能远离最大发热体(通常是功率放大器15)的放置来实现的。这在图2中被示出。此外，在由自热引起的温度升高期间，二极管/晶体对与基板16之间的热隔离有助于改善二极管12与晶体10之间的温度匹配。

作为正向偏置二极管的备选，可以使用双极晶体管来测量晶体温度。晶体和二极管可以是紧密安装在公共基板上的分离的器件，以便实现足够好的热耦合。

用于窄带物联网设备的温度稳定振荡器电路

附图标记列表

1温度稳定振荡器电路

2接收路径

3发射路径

4晶体振荡器

5锁相环合成器

6上混频器

7下混频器

8基带处理器

9频率偏移估计单元

10晶体

11恒流源

12二极管

13模数转换器

14温度补偿学习算法单元

15功率放大器

16基板

17晶体振荡器控制单元

18基站