任意相位轨迹频率合成器的制造方法
【专利说明】任意相位轨迹频率合成器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年2月7日提交的61/937，380的美国临时申请的权利，在此将其全部公开的内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本发明的主题涉及提供改善的使用任意相位轨迹控制器来直接生成相位调制射频(RF)信号的发射机和频率合成器结构的技术和设备。
【背景技术】
[0004]从WiFi到汽车门锁，无线通信已经普遍存在。诸如无线传感器网络以及物联网(1T)等新兴技术极大地提高了对无线设备的要求。尤其是，对低生产成本、小尺寸(即，高度小型化)以及降低功率消耗的无线装置具有较高的需求。由于在这些网络中，长的电池寿命对于许多应用是非常重要的，所以降低无线装置的功耗并开发新的功率输出策略尤其重要。基于此，为了开发更小且成本更低的装置，需要减小无线装置的射频及其所附的中央处理单元(CPU)、闪存、随机存取存储器(RAM)以及数字接口模块。一般，通过下面的Moore准则并使用更加小的集成电路制作技术可以将这些装置小型化。然而，大量射频结构并不兼容低电源电压和降低的净空电压，与广泛的装置不匹配，并具有小晶体管特征尺寸生成的特殊装置行为。此外，无法使用技术的最小特征尺寸来减小传统设计中普遍存在的感应器占用的较大的芯片面积。
[0005]部分无线发射机结构生成一对笛卡尔基带信号，称为同相(I)和正交(Q)信号。I和Q信号名义上正交，并使用混频器或镜像混频器将I和Q信号合并且上调到发射机中的RF频率上。通常需要仔细设计混频器并需要足够的功率以生成准确的信号。使用放大器将混频器输出信号放大到传输所用的满功率。对于诸如IEEE 802.15.4或蓝牙等具有恒定振幅包络的低功率调制无线标准来说，使用I和Q信号的信号传输方法是非常浪费的。这些标准中，所有的传输信息都包含在信号的相位中。因此，需要一种替代性方法，该方法不在基带生成和处理1-Q信号对并随后上调到RF，而是直接生成相位。
[0006]因此，需要无线通信应用中使用的发射机和频率合成器提供较小且高效传输的新的电路和装置结构。
【发明内容】
[0007]本文的论述通过提供改良的使用任意相位轨迹控制器来直接生成相位调制射频(RF)信号的发射机和频率合成器结构来降低上面所指出的一个或多个问题。
[0008]根据本公开的一个方面，一种频率合成器包括:压控振荡器(VCO)，其根据VCO的输入端接收的信号，在输出端生成具有频率受控的合成频率信号；数字可调分频器，其耦接到VCO的输出端并通过所述合成频率信号在输出端生成降低的频率信号；相位数模转换器(DAC)，其接收定时信号和数字控制信号，并在输出端生成定时信号的延时形式，该定时信号根据数字控制信号实现延时；相位检测器(ro)，其耦接到数字可调分频器的输出端、相位DAC的输出端和参考时钟，在与VCO的输入端耦接的ro的输出端上生成相位控制信号；数字信号转换器，其用于控制数字可调分频器和相位DAC从而使得VCO输出的合成频率信号的相位或频率对编码在数字信号转换器所接收到的数字信号中的期望相位或频率轨迹进行跟踪。
[0009]数字信号转换器可确定相位DAC达到延时门限的时间，并作为对确定相位DAC达到延时门限而对数字可调分频器的分频进行调整。例如，当数字信号转换器确定相位DAC达到最大延时门限时，数字信号转换器会减小相位DAC的数字可调延时并增加数字可调分频器的分频。例如，当数字信号转换器确定相位DAC达到最大延时门限时，数字信号转换器将相位DAC的数字可调延时降低，所降低的时间长度与VCO输出的合成频率信号的一个周期相等。并且，当数字信号转换器确定相位DAC达到最小延时门限时，数字信号转换器增加相位DAC的数字可调延时并降低数字可调分频器的分频。
[0010]相位DAC可从数字可调分频器接收降低的频率信号作为定时信号，并可直接向ro输出降低的频率信号的延时形式。
[0011 ] 相位DAC可接收参考时钟信号作为定时信号，并可向ro输出参考时钟信号的延时形式。
[0012]频率合成器还可包括电荷泵，其耦接在相位检测器的输出端和VCO的输入端之间，并用于对相位控制信号进行滤波，以在VCO的输入端提供滤波后的相位控制信号。
[0013]数字信号转换器可以包括具有预定范围的数字累加器。数字信号转换器可根据存储在累加器中的值对相位DAC进行控制，并根据累加器达到预定范围的上限或下限的上溢或下溢状态，对数字可调分频器进行控制。
[0014]相位DAC输出的定时信号的延时形式通过ro来对VCO的输入端进行控制。
[0015]数字可调分频器可以是可调的，从而对施加到合成频率信号的分频比进行增大、减小或保持稳定。
[0016]根据本公开的另一个方面，一种方法包括根据频率合成器的压控振荡器(VCO)的输入端接收的信号在VCO中生成具有频率受控的合成频率信号；在与VCO输出端耦接的数字可调分频器中，通过所述合成频率信号生成降低的频率信号；在接收定时信号和数字控制信号的相位数模转换器(DAC)中，生成定时信号的延时形式，该定时信号根据数字控制信号实现延时；在与数字可调分频器、相位DAC、参考时钟的输出端耦接的相位检测器(PD)中，生成相位控制信号并将该相位控制信号耦接到VCO的输入端；通过接收数字信号的数字信号转换器来对数字可调分频器和相位DAC进行控制，从而使得VCO输出的合成频率信号的相位或频率对编码在数字信号转换器所接收到的数字信号中的期望相位或频率轨迹进行跟踪。
[0017]根据本公开的各个方面，频率合成器的VCO的输出端可耦接到发射机的功率放大器、或耦接到无线接收器的混频器，从而为接收的RF信号的频率转换提供参考。在一些实施例中，混频器通过一个或多个缓冲器与VCO耦接，缓冲器可以是模拟的(例如，A类型放大器)或数字的(例如，串联耦接的一个或多个转换器)。
[0018]该方法还可包括，在数字信号转换器中确定相位DAC是否达到延时门限，并作为对相位DAC达到延时门限的响应而对数字可调分频器的分频进行调整。在一个示例中，所述调整包括，当相位DAC达到最大延时门限时，减少相位DAC的数字可调延时并增加数字可调分频器的分频。当相位DAC达到最大延时时，在一些实施例中将相位DAC的数字可调延时降低，所降低的时间长度与合成频率信号的一个周期相等。所述调整还可包括，当相位DAC达到最小延时门限时，增加相位DAC的数字可调延时并降低数字可调分频器的分频。
[0019]相位DAC接收的定时信号可以是数字可调分频器生成的降低的频率信号，并且该方法还包括向ro输出降低的频率信号的延时形式。
[0020]相位DAC接收的定时信号可以是来自参考时钟的参考时钟信号，并且该方法还包括直接向ro输出参考时钟信号的延时形式。
[0021]该方法还可包括对ro生成的相位控制信号进行滤波，并将滤波后的相位控制信号提供给VCO的输入端。
[0022]对相位DAC进行控制可包括:根据存储在接收数字信号的数字信号累加器中的值对相位DAC进行控制，对数字可调分频器的控制可包括，根据累加器达到累加器的预定范围的上限或下限的上溢或下溢状态，对数字可调分频器进行控制。
[0023]在下面的描述中在一定程度上将列举出其它优点和新颖性特征，并且在一定程度上，对于本领域技术人员来说，通过对下面内容和所附附图的审查，或者可以通过对示例的制作或操作学习到，这些优点和新颖性特征是显而易见的。通过实践或使用下面讨论的详细示例中所列举的方法、手段及其组合的不同方面可以实现和获得本技术的论述的优点。
【附图说明】
[0024]附图描绘了符合该论述的一个或多个实施方案，它们只作为实例，而不是作为限制。在这些附图中，同样的参考编号表示相同或相似的单元。
[0025]图1至图6是展示直接生成相位调制射频(RF)信号的发射机的示例性结构的功能框图。
[0026]图7是展示图1至图6中的任意一个发射机中可使用的压控振荡器(VCO)的示例性结构的功能框图。
[0027]图8和图9是展示图1至图6中的任意一个发射机中可使用的数模转换器(DAC)的示例性结构的功能框图。
[0028]图10至图16是对图3的发射机进行模拟操作的过程中获取的性能的图示。
【具体实施方式】
[0029]在下面的详细描述中，以示例方式列举了许多具体细节，从而对相关论述提供充分理解。然而，对应本领域技术人员来说应该清楚，不使用这些细节也可以实践该论述。在其它示例中，以相对较高的水平对众所周知的方法、过程、组件和/或电路进行了描述，而没有进行详细描述，以避免没有必要地模糊该论述的观点。
[0030]本文公开的各种方法和电路涉及提供使用任意相位轨迹控制器以直接生成相位调制射频(RF)信号的发射机结构。
[0031]发射机结构通过将高解析度相位数模转换器(DAC)与快速锁相环(PLL)组合来提供任意相位轨迹。该方法通过消除对复用器、正交信号相加、功率放大器(PA)前的滤波以及使用无感应器振荡器的需求而降低功耗、设计复杂度和芯片面积。任意相位轨迹方法可以生成从IEEE 802.15.4正交相移键控(QPSK)到蓝牙高斯频移键控(GFSK)范围内的具有任意信道中心频率的信号。
[0032]在一些实施例中，这些方法和电路与调幅器进行了组合以作为极性调制器，从而使得星座图上传输的信号矢量的任意布置符合任意调制格式。
[0033]发射机结构以及相关信号调制结构将调制器电流降低为低于标准发射机电路和装置获得的电流的50 %，将发射机的芯片面积减少超过50 %，支持4兆码片/秒到8兆码片/秒的码片速率，为减小信道带宽提供轨迹成形，以及支持与蓝牙经典、蓝牙低能量和ANT协议兼容的GFSK。进一步，与传统的发射机设计通常将两个正交信号I和Q信号进行上变频转换相反，本文公开的信号调制结构不使用正交I和Q信号，而直接创建任意相位轨迹。
[0034]现在对附图中所示的示例进行详细地介绍并在下面进行讨论。
[0035]图1示出了直接生成相位调制射频(RF)信号的发射机100的基本结构。发射机100包括生成驱动功率放大器(PA) 113的RF信号的压控振荡器(VCO) 109。发射器100中，VCO 109工作在两倍于RF信道频率(例如，是PA 113输出的RF信号的频率的两倍)的频率上。例如，VCO 109可以在5GHz上工作，而PA 113输出的信号是2.5GHz