来自空中下载信号的振荡器校准的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是在2018年5月31日提交的美国专利申请no.15/994,388的继续申请，该美国专利申请的内容通过引用结合于此。

本公开总体上涉及校准可操作于物联网(iot)设备的低功率发射机的振荡器。

背景技术：

物联网(iot)是物理设备、车辆、建筑物和嵌入有电子器件、软件、传感器、致动器的其他物品的互联网络，以及是使得这些物体能够收集和交换数据的网络连接。期望iot提供设备、系统和服务的高级连接，其超越机器对机器(m2m)通信并覆盖多种协议、域和应用。

iot可以被封装在各种各样的设备中，诸如心脏监控植入物；农场动物上的生物芯片应答器；具有内置传感器的汽车；照明、暖通空调(hvac)系统的自动化；以及使用wi-fi进行远程监控的器具，例如洗衣机/烘干机、机器人真空吸尘器、空气净化器、烤箱或冰箱/冷冻机。通常，iot设备封装无线传感器或此类传感器的网络。

大多数iot设备是收集数据并将这些数据传输给中央控制器的无线设备。存在一些要满足的要求以允许iot设备的广泛部署。这些要求包括可靠的通信链路、低能耗以及低维护成本。

为此，iot设备和所连接的无线传感器被设计成支持低功率通信协议，诸如蓝牙低能耗(ble)、lora等。然而，利用此类协议的iot设备需要电池，例如，纽扣电池。对于电子设备，由于例如成本、尺寸、对环境影响缺乏耐久性以及频繁更换，对电源(例如电池)的依赖性是限制因素。作为使用电池的替代，可以从诸如光、运动和诸如现有射频传输的电磁功率的源中获得功率。为了使功率消耗最小化，iot设备被设计成具有最少的所需部件或实施低功率消耗振荡器。

图1示意性地示出了包括ble封装器110、振荡器120、电源130、放大器140和天线150的标准ble发射机100。这些部件允许来自ble发射机100的无线信号的传输。

ble标准定义了从2.4000ghz到2.4835ghz的40个通信信道。在40个信道中，37个信道用于传播数据，并且最后三个信道(37、38和39)用作广告信道以建立连接并发送广播数据。ble标准定义了跳频扩频技术，在该跳频扩频技术中无线电在每个连接事件上的信道之间跳跃。广播公司设备可以在3个广告信道中的任何一个上做广告。为ble标准定义的调制方案是高斯频移键控(gfsk)调制。为此，在每个信道内，高于载波频率且大于185khz的频率偏差对应于具有二进制值“1”的比特，而小于-185khz的频率偏差对应于具有二进制值“0”的比特。

ble封装器110可以接收源自主机设备的处理器的信号。这样的信号可以包括ble发射机100发射的信号中包括的数据或控制参数。

振荡器120生成可以承载由ble封装器110生成的数据信号的射频(rf)载波信号。承载数据信号的调制的rf信号由放大器140放大，然后由天线150广播。电源130可以是电池。

振荡器120可以是自由运行振荡器，其可以用于直接生成rf载波信号。因此，自由运行振荡器可以代替频率合成器来生成rf载波信号。自由运行振荡器的使用可以节省功率。在ble发射机100中，自由运行振荡器生成具有在无线频谱的特定部分(例如2.4ghz无线频谱)内的频率的rf载波信号。

通常，通过锁相环路(pll)将自由运行振荡器锁定到源自晶体振荡器的时钟。晶体振荡器具有谐振器121，所述谐振器121也可被包括在主控iot设备的处理器的板上。谐振器121通常是晶体谐振器、石英谐振器或基于微机电系统(mems)的谐振器，谐振器121通常提供足够精确和稳定的时间/频率参考。然而，对于低成本、超低功率和小形状因数的iot设备，需要省略此类谐振器。

一些设备(例如射频识别(rfid)设备)使用外部信号作为参考信号。通常，rfid读写器将所接收的信号解调到传输至rfid标签的载波上。接收载波参考信号的rfid标签可以基于这样的信号同步其自身的传输。rfid不对传输进行定时，而仅仅在接收到参考信号时发送数据。这种同步解决方案不能在ble发射机中工作，在所述ble发射机中传输发生在特定会话中。此外，rfid读写器和标签不处理通过空中下载接收的信号以用作ble传输的rf载波信号。

因此，提供设计克服上述挑战的没有谐振器的发射机的解决方案将是有利的。

技术实现要素：

下面是本公开的几个示例性实施例的概述。提供本概述是为了方便读者，从而提供对这些实施例的基本理解，而不是完全限定本公开的广度。该概述不是对所有预期实施例的广泛综述，并且既不旨在标识所有实施例的关键或重要元件，也不旨在描绘任何或所有方面的范围。其唯一目的是以简化形式呈现一个或更多个实施例的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。为了方便起见，术语“某些实施例”在本文中可用于指本公开的单个实施例或多个实施例。

本文所公开的某些实施例包括振荡器校准电路。振荡器包括耦接到第一振荡器的第一锁频电路flc，其中第一flc使用空中下载参考信号校准第一振荡器的频率，其中第一flc在数据传输会话之前校准第一振荡器且在数据传输会话期间保持自由运行。

本文所公开的某些实施例还包括振荡器校准电路，所述振荡器校准电路包括第一锁频电路(flc)、第二flc以及第三flc；第一锁频电路(flc)耦接到第一振荡器，其中，第一flc使用空中下载参考信号来校准第一振荡器的频率；第二flc耦接到第一flc且耦接到第二振荡器，其中第二flc使用由第一振荡器提供的第二参考信号来校准第二振荡器的频率；第三flc耦接到第二flc且耦接到第三振荡器，其中所述第三flc使用由第二振荡器提供的第三参考信号来校准第三振荡器的频率，且其中第一flc、第二flc和第三flc中的每一个在数据传输会话之前分别校准第一振荡器、第二振荡器和第三振荡器，且在数据传输会话期间保持自由运行。

本文所公开的某些实施例还包括无线发射机，该无线发射机包括：天线和振荡器校准电路，所述振荡器校准电路耦接到所述天线，其中所述振荡器校准电路包括：第一锁频电路(flc)和第二锁频电路(flc)；所述第一锁频电路(flc)耦接到第一振荡器，其中所述第一flc使用空中下载参考信号来校准第一振荡器的频率；第二锁频电路(flc)耦接到第二振荡器，其中第二flc使用空中下载参考信号校准第二振荡器的频率，其中第一flc和第二flc中的每一个都在即将进行数据传输会话之前分别校准第一振荡器和第二振荡器，并且在数据传输会话期间保持自由运行。

附图说明

在说明书的结尾处的权利要求书中特别指出并清楚地要求保护本文公开的主题。从下面结合附图的详细描述中，所公开的实施例的前述和其它目的、特征及优点将变得显而易见。

图1是ble发射机的示意图。

图2是根据实施例的振荡器校准电路的框图。

图3a到3d展示了根据实施例的校准点。

图4是用于描述所公开的实施例的锁频环路(fll)电路的框图。

图5是根据另一实施例设计的振荡器校准电路的框图。

图6是根据实施例的用于使用空中下载信号校准振荡器的方法的流程图。

具体实施方式

重要的是要注意，本文公开的实施例仅是本文创新教导的许多有利应用的示例。通常，在本申请的说明书中所做的陈述不一定限制各种要求保护的实施例中的任何一个。此外，一些陈述可以应用于一些发明特征而不是其它特征。通常，除非另外指出，单数元件可以是复数，反之亦然，而不失一般性。在附图中，相同的附图标记在各个视图中表示相同的部件。

一些公开的实施例包括用于校准ble发射机中的振荡器的振荡器校准电路。振荡器的频率在即将传输数据之前的会话期间被锁定，并在传输会话期间保持自由运行。

图2示出了根据实施例设计的振荡器校准电路200的示例性框图。振荡器校准电路200包括两个锁频电路(flc)210和220，用于分别校准振荡器211和221的频率。振荡器211和221是片上(on-die)振荡器，即，它们被并入作为ble发射机的一部分。在实施例中，振荡器211是被校准到单点载波频率的本地振荡器(图3a)。在另一个实施例中，振荡器211可以被校准到具有正偏移频率值δf的(单点)载波频率(fo)(图3b)。在又一个实施例中，振荡器211可以被校准到具有负偏移频率值δf的(单点)载波频率(fo)(图3c)。在又一实施例中，振荡器211可被校准到两个校准点：具有负偏移频率值δf的载波频率(fo)和具有正偏移频率值δf的载波频率(fo)(图3d)。在ble协议中，δf是用于区分‘1’和‘0’的值的频率偏差，并且被设置为大约185khz。载波频率(fo)为2.4ghz。

在另一个实施例中，本地振荡器211可被校准到中频(if)频率信号。例如，这种信号的频率将是24mhz。if信号可以用于在例如ble后向散射数据包上使信号后向散射。

回到图2，振荡器221是被配置为生成具有1mhz频率的符号信号的符号振荡器。符号信号用于调制将被传输的数据。

应注意，可依次(以任何次序一个接一个地)或并行地执行由振荡器211和221各自的flc210和220对振荡器211和221的校准。在示例性实施例中，振荡器211和221中的每一个可以被实现为数控振荡器(dco)。

flc210和220中的每一个分别接收振荡器信号202和203作为反馈。信号可以从控制器(未示出)被启用，并且被配置为在传输会话之前启用振荡器211和221的锁频。在另一个实施例中，在检测到具有预定义的频率(例如，2.4ghz)的空中下载信号时启用反馈信号。在传输会话期间，信号202和203使flc210和220停用，因此锁频。执行flc210和220的启用/停用状态之间的切换以减少flc210和220的功耗并减少振荡器的频率漂移。

具体地，在传输会话期间使flc210和220停用时，这些电路不被供电，从而降低了ble发射机的功耗，因为flc210和220处于自由运行状态。此外，这促使flc210和220在每个传输会话之前都重新锁定频率且减小所传输的信号的频率漂移，因为传输在振荡器被锁定之后立即发生。

在实施例中，只要flc210和220被校准到具有预定义的频率误差的容限的目标频率，flc210和220就被启用。频率精度(或定时精度)通常以标称振荡器频率的百万分之一(ppm)给出。

可以基于ble协议的规范中定义的允许误差来确定允许的预定义的频率误差。在另一实施例中，基于接收设备所允许的容限来确定允许误差。这样的容限可以被配置在ble发射机中或随着时间学习。例如，对于重要任务传感器，所允许的频率误差将小于对于非重要任务传感器所允许的频率误差。在又一实施例中，在预定义的时间窗口之后和/或在可用能量低于预定义的阈值时由flc中的每一个执行的校准过程可以超时。

在实施例中，频率精度，即所允许的误差对于振荡器211和221中的每一个可以是不同的。例如，对于振荡器211(本地振荡器)，所允许的误差可以是大约1000ppm。振荡器221(符号振荡器)的频率精度误差更严格。例如，振荡器221所允许的误差是50ppm。

在一个实施例中，空中下载参考信号可以来自恒定音调、调制和跳频信号。例如，这种参考信号可以是ble广告数据包信号、900mhz频带中的超宽频(uwb)rfid读写器信号、13.56mhzrfid读写器信号、工业、科学和医疗(ism)频带中的任何一个频带处的单音调参考、ism频带中的任何一个频带处的调制参考以及wi-fi频谱(2.4ghz或5ghz频带)中的rf信号。ism频带可以在2.4ghz频带或433mhz频带中。

flc210和220中的每一个可实施为锁频环路(fll)、锁相环路(pll)或延迟锁定环路(dll)。在示例且非限制性实施例中，图4中提供可根据实施例利用的fll电路。

应当理解，振荡器校准电路200可以集成在ble发射机中，所述ble发射机包括多个天线，每个天线可以用于不同的目的。例如，一个天线可以专用于功率捕获，另一个天线用于传输数据，而另一个天线用于参考信号的接收。

图4示出了可以根据实施例利用的fll电路400的示例性框图。示例fll电路400包括第一计数器410、第二计数器420及耦接到振荡器440的校正单元430。在该示例中，振荡器440是dco。

振荡器440向计数器410和420提供反馈，使得数字频率字(或字节)将振荡器440设置为在尽可能接近经由计数器(401)获得的参考信号的一部分的频率(例如，2.4ghz)中振荡。在该实施例中，振荡器440的输出被除以二，以便生成具有不同相位的两个时钟信号(402和403)。时钟信号用作计数器410和420的使能信号。这使得能够连续计数和更新数字频率字。

计数器410和420对振荡器440的每个周期内的参考时钟周期进行计数。例如，对于2.4ghz的参考连续波，对于24mhz期望100个周期。具体地，第一计数器410在时钟402的正边沿之间计数，第二计数器420在时钟信号403的负边沿之间计数。在时钟信号402的正边沿处，计数器410被预置为目标校准值并在完整的时钟周期期间计数。在每个时钟周期结束时的计数器410的值与振荡器440和参考信号401之间的频率偏移成比例。负值意味着振荡器440比参考信号快，而正值意味着振荡器440比参考信号慢。在振荡器440的负边沿处，计数器值被锁存在校正单元430中。

第二计数器420类似地由时钟信号403驱动，因此当第一计数器410的值被锁存并通过校正单元430传播时，第二计数器420在下一个完整的振荡器440的时钟周期上计数以生成它的计数值。因此，计数器410和420交替地在振荡器440的时钟周期上工作。

校正单元430接收表示振荡器440和参考信号401之间的频率偏移的计数值。在示例性实施例中，计数值乘以k(2的幂的整数值)，以便将检测器输出转换为等效的频率单位(赫兹)。校正单元430还对误差求平均以获得更好的估计。校正单元430的输出是具有预定义的数量的最低有效位(lsb)的数字频率字，所述最低有效位(lsb)不被传递到振荡器440。

在实施例中，校正单元430可以被实现为有线逻辑门、微控制器、微处理器等。如上所述，在数据传输会话之前执行频率锁定。在实施例中，在每个锁频会话时，振荡器440可以被设置为用于在先前的锁定会话中设置振荡器440的先前的数字频率字。

图5示出了根据另一实施例设计的示例性振荡器校准电路500。在该示例性实施例中，振荡器校准电路500包括分别校准振荡器511、521和531的3个flc510、520和530。在该配置中，顺序地执行校准。

具体地，flc510使用空中下载参考信号501来校准辅助振荡器511。信号501可以是上述任何类型的空中下载信号。辅助振荡器511被校准以输出具有1mhz频率的辅助信号502。

辅助信号502用作flc520的参考信号，所述辅助信号502校准本地振荡器521。根据一个实施例，如参考图3a-3d所讨论的，本地振荡器521可以被校准以输出单点载波频率或两点载波频率。这里，本地振荡器521的输出作为ble发射机的载波信号以及作为flc530的参考信号。flc530校准符号振荡器531以输出具有1mhz频率的符号信号。符号信号用于调制将要发送的数据。

flc510、520和530中的每一个都可调制信号，如上文参考图2和4的详细论述。在该实施例中，在即将传输会话之前执行校准，而所有的flc和振荡器在传输时都是自由运行的。为此，flc510、520和530中的每一个都在即将传输会话之前被启用。

应当理解，振荡器校准电路500展示了高频率精度和低功消。这是因为，使用诸如2.4ghz的高频校准(辅助)参考信号来校准本地振荡器521和符号振荡器531。因此，校准时间短，这导致了更少的功耗。

辅助振荡器的使用允许克服频率牵引。当通过用于传输(由本地振荡器产生的)载波信号的相同天线接收用于校准本地振荡器的参考信号时，这种现象发生。频率牵引通常改变振荡频率。通过由辅助振荡器添加另一个校准阶段，使参考信号的接收与载波信号的传输解耦。

应注意，振荡器校准电路500可以以另一布置来配置。例如，flc510可以用于flc520和530两者的校准。

还应当注意，根据所公开的实施例设计的振荡器校准电路500和200不包括任何显式谐振器部件，诸如晶体谐振器、石英谐振器或基于mems的谐振器。

图6示出了用于根据实施例使用空中下载信号校准振荡器的示例性流程图600。振荡器在例如但不限于ble发射机的无线发射机中是可操作的。

在s610处，检测空中下载接收的信号。在实施例中，当接收到具有特定频率的信号时，触发检测事件。在另一实施例中，当通过ble信道之一的特定信道接收数据包时触发检测事件。在另一实施例中，当所接收的信号的能量水平超过预定义的能量时，触发检测事件。

在s620处，一旦检测到信号，就触发锁定使能信号以至少启用用于校准rf和符号振荡器的flc。应注意，当利用辅助振荡器时，也启用耦接到该振荡器的flc校准。

在实施例中，同时激活所有的flc以允许振荡器的同时校准。在另一实施例中，顺序地校准flc。比如，一旦辅助振荡器被锁定，便启用校准辅助振荡器的flc，然后，启用校准本地振荡器的flc。最后，一旦辅助振荡器被锁定，就启用校准符号振荡器的flc。

在s630处，至少将rf和符号振荡器校准到它们各自的目标频率。在s640处，检查rf和符号振荡器是否已经收敛或以其他方式锁定在它们各自频率的目标上。如果是，则在s650处，flc被停用；否则，执行返回到s630处。应当注意，如果振荡器在预定义的时间间隔之后或在功耗达到特定水平之后没有收敛，则终止校准过程。在s660处，通过由本地振荡器生成的载波信号传输使用符号信号调制的数据。

应当理解，使用诸如“第一”、“第二”等的名称对本文的元件的任何引用通常不限制那些元件的数量或顺序。相反，这些名称在本文中通常用作区分两个或更多个元件或元件的实例的便利方法。因此，对第一和第二元件的引用并不意味着在那里仅可以使用两个元件，或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。此外，除非另有说明，否则一组元件包括一个或更多个元件。另外，在说明书或权利要求书中使用的“a、b或c中的至少一个”或“a、b或c中的一个或更多个”或“由a、b和c组成的组中的至少一个”或“a、b和c中的至少一个”形式的术语意思是“a或b或c或这些元件的任意组合”。例如，该术语可以包括a、或b、或c、或a与b、或a与c、或a与b与c、或2个a、或2个b、或2个c等。

本文叙述的所有示例和条件语言旨在用于教学目的，以帮助读者理解所公开的实施例的原理和发明人为了促进本领域而贡献的思想，以及应当被解释为不限于这样具体叙述的示例和条件。此外，本文叙述的原理、方面和实施例以及其特定示例的所有陈述意在涵盖其结构和功能等效物两者。另外，这些等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，所开发的执行相同功能的任何元件，而不论结构如何。