一種兩點式無線發(fā)射機及其頻偏校準方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示了一種兩點式無線發(fā)射機及其頻偏校準方法，基于傳統(tǒng)兩點式發(fā)射機的電路結構作出改進，利用兩塊完成功能設計并成功流片的無線通信芯片進行數(shù)據(jù)交互來完成頻偏校準。實施時，兩個芯片分別具有各自的微控制器，寄存器、發(fā)射模塊、接收模塊、天線及切換開關；發(fā)射數(shù)據(jù)雙路徑接入無線發(fā)射機，一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關S2及DAC接入壓控振蕩器作帶外發(fā)射，另一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關S1及△-∑調(diào)制器接入多模分頻器調(diào)制分頻數(shù)作帶內(nèi)發(fā)射。通過兩個芯片的數(shù)據(jù)交互及第一芯片微控制器的軟件處理，本發(fā)明能對發(fā)射數(shù)據(jù)的頻偏有效校準，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量平坦傳輸，且具有功耗低、硬件資源少、成本低和穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。
【專利說明】一種兩點式無線發(fā)射機及其頻偏校準方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線通信設備，尤其涉及一種適用于任何數(shù)據(jù)率場合高質(zhì)量發(fā)射且能耗、成本較低的無線發(fā)射機。

【背景技術】
[0002]目前，常用的基于鎖相環(huán)的直接發(fā)射機主要有三種:圖1所示的是基于鎖相環(huán)的帶外發(fā)射機，圖2所示的是基于鎖相環(huán)的帶內(nèi)發(fā)射機，圖3所示的是基于鎖相環(huán)的兩點式發(fā)射機。
[0003]分析電路可知:基于鎖相環(huán)的帶外發(fā)射機主要缺點:(1)由于鎖相環(huán)環(huán)路濾波器的低通特性，該發(fā)射機在帶外進行發(fā)射，支持高數(shù)據(jù)率，并不支持低數(shù)據(jù)率發(fā)射，所以會限制該發(fā)射機的應用場合。(2)由于該發(fā)射機是在鎖相環(huán)開環(huán)的時候發(fā)送數(shù)據(jù)，壓控振蕩器鎖定的載波頻率會發(fā)生漂移，所以不支持長數(shù)據(jù)包發(fā)送。(3)由于鎖相環(huán)開環(huán)發(fā)射，VCO的噪聲不能經(jīng)過環(huán)路濾波器處理，會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的干擾。
[0004]基于鎖相環(huán)的帶內(nèi)發(fā)射機主要缺點:由于該發(fā)射機發(fā)射數(shù)據(jù)通過Λ- Σ調(diào)制器去改變鎖相環(huán)的分頻數(shù)，所以數(shù)據(jù)信息要經(jīng)過鎖相環(huán)的低通環(huán)路濾波器，只能發(fā)射低于環(huán)路濾波器帶寬的數(shù)據(jù)，而環(huán)路濾波器要盡可能的濾除PLL環(huán)路噪聲，一般要設置很小，這樣該發(fā)射機不能支持高數(shù)據(jù)率應用場合。
[0005]基于鎖相環(huán)的兩點式發(fā)射機能夠在帶內(nèi)和帶外同時發(fā)射數(shù)據(jù)，所以很好地解決了上述兩種發(fā)射機存在的問題，但是其難免存在主要缺點:由于兩條支路的頻偏計算方法不同，帶內(nèi)部分的頻偏可以由數(shù)字代碼形式的計算公式實現(xiàn)，該頻偏實現(xiàn)比較精準；但是另一條支路，則是由DAC輸出的電壓調(diào)試VCO來實現(xiàn)，公式上表達為DAC電壓值乘以VCO的頻率調(diào)諧增益Kvco，由于DAC輸出電壓值和VCO的頻率調(diào)諧增益Kvco兩個參數(shù)與溫度、電壓和工藝等一系列因素有關系，所以造成該支路的頻偏并不可控。由于兩條支路頻偏的失配，會嚴重惡化發(fā)射機的數(shù)據(jù)質(zhì)量，造成接收信號的EVM極差，如圖4所示，該發(fā)射機的傳輸數(shù)據(jù)曲線由于失配會造成一些頻點出現(xiàn)不平坦，造成較差的通信質(zhì)量。
[0006]針對該問題，業(yè)界傳統(tǒng)的解決方法如圖5所示，其工作原理:發(fā)射數(shù)據(jù)之前，鎖相環(huán)環(huán)路先開始工作，鎖定到發(fā)射數(shù)據(jù)的頻點上去，然后閉合SI，斷開S2，開始連續(xù)地發(fā)數(shù)據(jù)I或者數(shù)據(jù)0，由數(shù)字校準模塊在固定時間內(nèi)對發(fā)射頻率進行計數(shù)，并將數(shù)據(jù)記錄在寄存器中，然后斷開SI，閉合S2，通過另一支路開始連續(xù)的發(fā)數(shù)據(jù)I或者數(shù)據(jù)0，由數(shù)字校準模塊在同樣固定時間對此時的發(fā)射頻率進行計數(shù)，并與前一支路記錄在寄存器中的數(shù)據(jù)進行比較。如果一樣，校準結束，即兩條支路的頻偏一致；如果不一樣，數(shù)字校準模塊進行二叉樹算法比較，輸出下一個可控比特位，去改變可編程DAC的電壓輸出值，如此反復進行，最終直到兩者計數(shù)相等，頻率一致為止，完成兩條支路頻偏的校準。校準結束以后，閉合SI，閉合S2，同時開始發(fā)射數(shù)據(jù)，再由功率放大器將兩路共同作用的調(diào)頻信號由天線發(fā)射出去，完成兩點式無線發(fā)射機的發(fā)射功能。
[0007]但是，該校準方法同樣存在難以克服的缺點:(I)數(shù)字校準模塊計數(shù)器工作在較高的頻率下，整體功耗偏大。(2)要設計結構非常復雜的可編程DAC電路，硬件資源消耗較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]考慮上述現(xiàn)有基于鎖相環(huán)的無線發(fā)射機的不足與需求，本發(fā)明提出了一種兩點式無線發(fā)射機及其頻偏校準方法，解決傳統(tǒng)兩點式無線發(fā)射極頻偏校準時硬件資源消耗大、功耗偏高的問題，同時提高數(shù)據(jù)的發(fā)射質(zhì)量。
[0009]本發(fā)明實現(xiàn)上述第一個目的的技術解決方案為:一種兩點式無線發(fā)射機，基于由鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、多模分頻器組成的鎖相環(huán)和功率放大器構成，所述多模分頻器信號輸入輸出互聯(lián)Λ - Σ調(diào)制器，所述鑒頻鑒相器的輸入向連接參考頻率和多模分頻器的反饋頻率，壓控振蕩器的輸出向連接功率放大器和多模分頻器，功率放大器的輸出為無線發(fā)射機的輸出，其特征在于:所述無線發(fā)射機設有頻偏校準單元，所述頻偏校準單元為無線通信數(shù)據(jù)交互的第一芯片和第二芯片，兩個芯片分別具有各自的微控制器，寄存器、發(fā)射模塊、接收模塊、天線及切換開關；發(fā)射數(shù)據(jù)雙路徑接入無線發(fā)射機，一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關S2及DAC接入壓控振蕩器作帶外發(fā)射，另一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關SI及Λ - Σ調(diào)制器接入多模分頻器調(diào)制分頻數(shù)作帶內(nèi)發(fā)射。
[0010]進一步地，所述第一芯片中在支路開關SI及Λ - Σ調(diào)制器之間和支路開關S2及DAC之間分別設有用于調(diào)控輸出幅度改變頻偏值的高斯濾波器。
[0011]本發(fā)明實現(xiàn)上述第二個目的的技術解決方案為:一種兩點式無線發(fā)射機的頻偏校準方法，基于上述兩點式無線發(fā)射機實現(xiàn)，其特征在于包括過程:
步驟1、功能設計并成功流片頻偏校準單元的第一芯片和第二芯片；
步驟I1、第一芯片切換為發(fā)射模式，閉合支路開關S1、斷開支路開關S2執(zhí)行帶內(nèi)發(fā)射，第二芯片切換為接收模式，第二芯片接收第一芯片發(fā)出的數(shù)據(jù)并記錄頻偏于回發(fā)至第一芯片的數(shù)據(jù)包中；
步驟II1、轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，第一芯片接收第二芯片的數(shù)據(jù)包并讀取帶內(nèi)發(fā)射的頻偏，保存至寄存器中；
步驟IV、再次轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，閉合支路開關S2、斷開支路開關SI執(zhí)行帶外發(fā)射，第二芯片接收第一芯片發(fā)出的數(shù)據(jù)并記錄頻偏于回發(fā)的數(shù)據(jù)包中；
步驟V、第三次轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，第一芯片接收第二芯片的數(shù)據(jù)包并讀取帶外發(fā)射的頻偏，保存至寄存器中；
步驟V1、第一芯片的微控制器比對帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏，如相等則完成匹配，同時閉合支路開關S1、S2進行兩點式發(fā)射，如不等則由微控制器調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)射的輸出幅度、改變頻偏值，重復步驟II至步驟V直至帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏相等。
[0012]本發(fā)明無線發(fā)射機的研制與應用，較之于現(xiàn)有技術具有突出的優(yōu)點:一者采用微控制器軟件處理頻偏校準，降低了功耗和硬件資源等成本，提高了穩(wěn)定性；二者可支持長數(shù)據(jù)包和連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，減輕數(shù)據(jù)的噪聲干擾；三者能夠適應高、低數(shù)據(jù)率發(fā)射的任何場合，再者能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠教剐?，提高了發(fā)射質(zhì)量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是現(xiàn)有基于鎖相環(huán)的帶外發(fā)射機的電路結構示意圖。
[0014]圖2是現(xiàn)有基于鎖相環(huán)的帶內(nèi)發(fā)射機的電路結構不意圖。
[0015]圖3是現(xiàn)有基于鎖相環(huán)的兩點式發(fā)射機的電路結構示意圖。
[0016]圖4是圖3所示發(fā)射機的傳輸曲線示意圖。
[0017]圖5是傳統(tǒng)兩點式發(fā)射機頻偏校準方案的電路結構示意圖。
[0018]圖6是本發(fā)明基于鎖相環(huán)的兩點式發(fā)射機的電路結構示意圖。
[0019]圖7是圖6所示發(fā)射機的頻偏校準單元的結構示意圖。
[0020]圖8是本發(fā)明發(fā)射機的傳輸曲線示意圖。

【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明對多種傳統(tǒng)基于鎖相環(huán)的無線發(fā)射機的電路結構及功能特性，探究各自所存在的應用上的不足，創(chuàng)新提出了一種支持各種數(shù)據(jù)率應用場合且性能更為穩(wěn)定的兩點式無線發(fā)射機，并且保持了功耗、面積和成本諸方面的合理性。
[0022]首先結合附圖從電路結構上來理解本發(fā)明。如圖6和圖7所示，該種兩點式無線發(fā)射機依然是基于鎖相環(huán)電路形成的。該鎖相環(huán)電路由鑒頻鑒相器+電荷泵、環(huán)路濾波器和壓控振蕩器構成且該鎖相環(huán)帶有多模分頻器和功率放大器。多模分頻器信號輸入輸出互聯(lián)Λ - Σ調(diào)制器，鑒頻鑒相器的輸入向連接參考頻率和多模分頻器的反饋頻率，壓控振蕩器的輸出向連接功率放大器和多模分頻器，功率放大器的輸出為無線發(fā)射機的輸出-
天線(完成發(fā)射的必要構件，未圖示)。本發(fā)明無線發(fā)射機便是在此鎖相環(huán)電路的基礎上改良所得的帶內(nèi)、帶外同發(fā)型發(fā)射機，從本發(fā)明兩點式無線發(fā)射機的特征部分來看:該發(fā)射機設有頻偏校準單元，它是由無線通信數(shù)據(jù)交互的第一芯片和第二芯片構成的，其中第一芯片直接接入該傳統(tǒng)兩點式無線發(fā)射機的電路之中，第二芯片則于電路外與第一芯片數(shù)據(jù)交互。兩個芯片如圖7所示分別具有各自的微控制器，寄存器、發(fā)射模塊、接收模塊、天線及切換開關，且第一芯片具有接入上述電路的兩個支路開關S1、S2，其連接如圖6所示。本發(fā)明發(fā)射機的發(fā)射數(shù)據(jù)雙路徑接入無線發(fā)射機，分別來看，其中一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關S2及DAC轉換后接入壓控振蕩器作帶外發(fā)射；另一路經(jīng)第一芯片的支路開關SI及Λ - Σ調(diào)制器接入多模分頻器調(diào)制分頻數(shù)作帶內(nèi)發(fā)射。由此發(fā)射數(shù)據(jù)便從兩個點上分別作用于鎖相環(huán)中的調(diào)頻信號，能有效彌補單獨帶內(nèi)發(fā)射或帶外發(fā)射的諸方面不足。
[0023]除此之外，第一芯片中在支路開關SI及Λ - Σ調(diào)制器之間和支路開關S2及DAC之間分別設有用于調(diào)控輸出幅度的高斯濾波器，受控于微控制器能改變各支路的頻偏值。
[0024]以下便從本發(fā)明上述兩點式無線發(fā)射機的運作過程來進一步理解頻偏校準方法，也即是該兩點式無線發(fā)射機的工作原理:主要包括過程:步驟1、功能設計并成功流片頻偏校準單元的第一芯片和第二芯片；其中功能設計指的是分別設計第一芯片和第二芯片相應的硬件資源并賦予各自獨特的軟件功能。第二芯片主要負責切換接收/發(fā)射模式，接收來自于第一芯片的數(shù)據(jù)并將得到的頻偏保存放入回發(fā)的數(shù)據(jù)包中；第一芯片與第二芯片進行無線通信的數(shù)據(jù)交互，并切換發(fā)射機的帶內(nèi)、帶外發(fā)射模式，通過微控制器比對帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏差異，判斷匹配成功或是否繼續(xù)進行頻偏校準，并作出相應的發(fā)射指令。
[0025]步驟I1、第一芯片切換為發(fā)射模式，閉合支路開關S1、斷開支路開關S2執(zhí)行帶內(nèi)發(fā)射，第二芯片切換為接收模式，第二芯片接收第一芯片發(fā)出的數(shù)據(jù)并記錄頻偏于回發(fā)至第一芯片的數(shù)據(jù)包中。此處，回發(fā)的數(shù)據(jù)包中含有當前帶內(nèi)發(fā)射的頻偏值。
[0026]步驟II1、轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，第一芯片接收第二芯片的數(shù)據(jù)包并讀取帶內(nèi)發(fā)射的頻偏，保存至寄存器中，作為之后進行判斷匹配成功與否的基礎。
[0027]步驟IV、再次轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，閉合支路開關S2、斷開支路開關SI執(zhí)行帶外發(fā)射，第二芯片接收第一芯片發(fā)出的數(shù)據(jù)并記錄頻偏于回發(fā)的數(shù)據(jù)包中；該步驟類似與步驟II，所得到回發(fā)的數(shù)據(jù)包中含有當前帶外發(fā)射的頻偏值。
[0028]步驟V、第三次轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，第一芯片接收第二芯片的數(shù)據(jù)包并讀取帶外發(fā)射的頻偏，保存至寄存器中，作為進行判斷匹配成功與否的另一基礎。
[0029]步驟V1、第一芯片的微控制器比對帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏，如相等則完成匹配，同時閉合支路開關S1、S2進行兩點式發(fā)射，如不等則由微控制器調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)射的輸出幅度、改變頻偏值，重復步驟II至步驟V直至帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏相等。
[0030]結合附圖所示來理解上述校準，在開始配對的過程中，調(diào)試微控制器MCUl使第一芯片處于發(fā)射狀態(tài)，調(diào)試微控制器MCU2使第二芯片處于接收狀態(tài)，閉合第一芯片中支路開關SI，斷開支路開關S2，發(fā)射數(shù)據(jù)包，第二芯片接收到數(shù)據(jù)包，在接收解調(diào)器中將發(fā)射數(shù)據(jù)的頻偏保存下來，并放在發(fā)射數(shù)據(jù)的信息包里，然后調(diào)試微控制器MCUl使第一芯片處于接收狀態(tài)，調(diào)試微控制器MCU2使第二芯片處于發(fā)射狀態(tài)，第二芯片將帶有頻偏大小的數(shù)據(jù)包發(fā)射回到第一芯片中去，微控制器MCUl將頻偏讀出來并保存在寄存器中，然后再次將調(diào)試微控制器MCUl使第一芯片處于發(fā)射狀態(tài),調(diào)試微控制器MCU2使第二芯片處于接收狀態(tài)，斷開第一芯片中支路開關SI，閉合支路開關S2，發(fā)射數(shù)據(jù)包，重復上述過程，最終微控制器MCUl也將此時的頻偏讀出來保存在寄存器中，這樣微控制器MCUl采集到帶外和帶內(nèi)發(fā)射的頻偏值，如果相等，開機配對完成，可以同時閉合支路開關SI和S2，進行數(shù)據(jù)交互的通信，如果不相等，微控制器MCUl發(fā)出比特位去控制高斯濾波器(圖示中的Gauss Filter)的輸出幅度，改變頻偏值，如此反復進行比對直到相等、開機配對成功，然后同時閉合SI和S2進行數(shù)據(jù)交互通信，再由功率放大器將兩路數(shù)據(jù)共同作用的調(diào)頻信號由天線發(fā)出，完成兩點式無線發(fā)射機的發(fā)射功能。
[0031]該兩點式無線發(fā)射機的信號傳輸曲線如圖8所示，發(fā)射數(shù)據(jù)經(jīng)過帶內(nèi)發(fā)射路徑的具有低通特性，經(jīng)過帶外發(fā)射路徑的具有高通特性，在頻偏校準后兩條路徑同時進行數(shù)據(jù)發(fā)射時，傳輸曲線在整個頻率范圍內(nèi)都是平坦的，可自適應支持高數(shù)據(jù)率和低數(shù)據(jù)率的發(fā)射。該兩點式無線發(fā)射機具有多方面的優(yōu)點，逐條來看:(1)由于校準數(shù)據(jù)信息都是由微控制器軟件處理，相對于傳統(tǒng)的校準方法，具有功耗低、硬件資源少、成本低和穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。(2)由于發(fā)射數(shù)據(jù)過程中，鎖相環(huán)環(huán)路是閉合工作的，可以有效解決基于鎖相環(huán)的帶外發(fā)射開環(huán)發(fā)射過程中壓控振蕩器頻率漂移的問題，支持長數(shù)據(jù)包和連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
(3)由于發(fā)射數(shù)據(jù)過程中，鎖相環(huán)環(huán)路是閉合工作的，壓控振蕩器和其他模塊噪聲都要經(jīng)過環(huán)路濾波器低通過濾，能夠有效減輕數(shù)據(jù)的噪聲干擾。(4)由于可以實現(xiàn)帶內(nèi)和帶外同時發(fā)射數(shù)據(jù)，所以能夠應用到高數(shù)據(jù)率和低數(shù)據(jù)率發(fā)射的任何場合。(5 )由于能夠進行發(fā)射數(shù)據(jù)的頻偏校準，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠教剐?，具有較高的發(fā)射質(zhì)量。
[0032]以上結合附圖的實施例描述，旨在便于理解本發(fā)明的創(chuàng)新實質(zhì)，但并非以此來限制本發(fā)明多樣性的實施方式及要求的權利要求保護范圍。但凡理解本發(fā)明，并根據(jù)上述實施例進行的等效結構變化或構件替換，能夠?qū)崿F(xiàn)相同目的和效果的設計，均應視為對本專利申請保護內(nèi)容的侵犯。
【權利要求】
1.一種兩點式無線發(fā)射機，基于由鑒頻鑒相器、電荷泵、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、多模分頻器組成的鎖相環(huán)和功率放大器構成，所述多模分頻器信號輸入輸出互聯(lián)Λ - Σ調(diào)制器，所述鑒頻鑒相器的輸入向連接參考頻率和多模分頻器的反饋頻率，壓控振蕩器的輸出向連接功率放大器和多模分頻器，功率放大器的輸出為無線發(fā)射機的輸出，其特征在于:所述無線發(fā)射機設有頻偏校準單元，所述頻偏校準單元為無線通信數(shù)據(jù)交互的第一芯片和第二芯片，兩個芯片分別具有各自的微控制器，寄存器、發(fā)射模塊、接收模塊、天線及切換開關；發(fā)射數(shù)據(jù)雙路徑接入無線發(fā)射機，一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關S2及DAC接入壓控振蕩器作帶外發(fā)射，另一路數(shù)據(jù)經(jīng)第一芯片的支路開關SI及Λ - Σ調(diào)制器接入多模分頻器調(diào)制分頻數(shù)作帶內(nèi)發(fā)射。
2.根據(jù)權利要求1所述兩點式無線發(fā)射機，其特征在于:所述第一芯片中在支路開關SI及Λ - Σ調(diào)制器之間和支路開關S2及DAC之間分別設有用于調(diào)控輸出幅度改變頻偏值的高斯濾波器。
3.一種兩點式無線發(fā)射機的頻偏校準方法，基于權利要求1所述兩點式無線發(fā)射機實現(xiàn)，其特征在于包括過程: 步驟1、功能設計并成功流片頻偏校準單元的第一芯片和第二芯片； 步驟I1、第一芯片切換為發(fā)射模式，閉合支路開關S1、斷開支路開關S2執(zhí)行帶內(nèi)發(fā)射，第二芯片切換為接收模式，第二芯片接收第一芯片發(fā)出的數(shù)據(jù)并記錄頻偏于回發(fā)至第一芯片的數(shù)據(jù)包中； 步驟II1、轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，第一芯片接收第二芯片的數(shù)據(jù)包并讀取帶內(nèi)發(fā)射的頻偏，保存至寄存器中； 步驟IV、再次轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，閉合支路開關S2、斷開支路開關SI執(zhí)行帶外發(fā)射，第二芯片接收第一芯片發(fā)出的數(shù)據(jù)并記錄頻偏于回發(fā)的數(shù)據(jù)包中； 步驟V、第三次轉換第一芯片和第二芯片的收發(fā)模式，第一芯片接收第二芯片的數(shù)據(jù)包并讀取帶外發(fā)射的頻偏，保存至寄存器中； 步驟V1、第一芯片的微控制器比對帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏，如相等則完成匹配，同時閉合支路開關S1、S2進行兩點式發(fā)射，如不等則由微控制器調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)射的輸出幅度、改變頻偏值，重復步驟II至步驟V直至帶內(nèi)、帶外發(fā)射的頻偏相等。
【文檔編號】H04B1/04GK104242961SQ201410416368
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權日:2014年8月22日
【發(fā)明者】時鍇 申請人:上海磐啟微電子有限公司