專利名稱：一種超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線通信技術領域，涉及無線通信系統(tǒng)收發(fā)模塊和射頻集成電路，為 一種超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
背景技術：
近年來，在筆記本電腦、移動通信等便攜式電子設備和WSN、GPS飛速發(fā)展的推動 下，低功耗收發(fā)系統(tǒng)已成為射頻集成電路的重要發(fā)展方向之一。國內(nèi)外研究人員主要從以 下幾個角度實現(xiàn)低功耗射頻集成電路設計，第一，從改變工藝的角度，如采用BiCMOS和多 閾值電壓等工藝，但是這些方法其成本較昂貴而且后者的再制造性較差；第二，從電路設計 技術的角度出發(fā)，在不改變現(xiàn)有工藝的情況下實現(xiàn)低功耗射頻集成電路的設計，如亞閾值 區(qū)工作電路，浮柵/準浮柵MOS電路、襯底驅動技術、襯底偏置技術、自級聯(lián)電路、電平移動 技術、電流模式電路等，然而由于這些技術有著自身的缺點，因此它們各自的應用范圍受到 一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是現(xiàn)有的低功耗射頻集成電路改進工藝成本較昂貴、 制造性較差，現(xiàn)有的改進電路設計還存在很多問題，應用范圍受到限制，需要提供一種超低 功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)，包含接收與發(fā)射模塊，對接收與發(fā)射模塊進行整合，降低系統(tǒng)的功率ο本發(fā)明的技術方案為一種超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)，包括層疊電流復用模塊、 無源混頻器、自適應增益混頻器、可重構濾波器、鎖相環(huán)、峰值檢測模塊和收發(fā)天線，層疊電 流復用模塊設有壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器；發(fā)射工作模式下基帶信 號經(jīng)過可重構濾波器后，經(jīng)過無源混頻器與本征信號混頻，混頻后的射頻信號經(jīng)過層疊電 流復用模塊，通過開關選通壓控振蕩器、分頻器、功率放大器電路，最后經(jīng)收發(fā)天線發(fā)射信 號，接收工作模式下射頻信號經(jīng)收發(fā)天線接收信號，接收到信號經(jīng)過層疊電流復用模塊，通 過開關選通壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器電路，經(jīng)過自適應增益混頻器與本征信號混 頻并且對信號放大，經(jīng)過可重構濾波器后，輸出中頻信號，峰值檢測模塊對自適應增益混頻 器進行反饋控制，其中層疊電流復用模塊的壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器共用 一個靜態(tài)偏置電流，組成模塊層疊電流復用結構；自適應增益混頻器中，由收發(fā)天線接收的 射頻信號首先經(jīng)過可變跨導級、高通濾波，然后經(jīng)過混頻級，輸出信號經(jīng)過低通濾波器后， 返回到可變跨導級對信號再次放大，使得跨導放大級得到兩次利用，峰值檢測模塊控制對 自適應增益混頻器的增益進行控制，動態(tài)調節(jié)收發(fā)系統(tǒng)功耗；可重構濾波器通過開關控制 模塊和兩個二階低通濾波器實現(xiàn)。上述超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)方法為層疊電流復用模塊的壓控振蕩 器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器共用一個靜態(tài)偏置電流，當系統(tǒng)工作于發(fā)射模式時，壓控振蕩器、分頻器、功率放大器共用一路電流工作，低噪聲放大器不工作，而系統(tǒng)工作 于接收模式時，壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器共用一路電流工作，功率放大器不工作， 分頻器一直對壓控振蕩器分流，最終實現(xiàn)一路電流供這四個模塊使用，實現(xiàn)低功耗設計；自 適應增益混頻器中，混頻器的跨導級，把射頻電壓信號轉化為射頻電流，雙平衡MOS開關對 輸入的射頻電流進行調制，輸出中頻信號，中頻信號經(jīng)過低通濾波再返回到跨導級，對信號 進一步放大，使得跨導放大器得到兩次利用，跨導放大級采用源簡并結構，峰值檢測模塊根 據(jù)檢測到的信號強度，產(chǎn)生相應控制電壓，控制源簡并電阻值，改變跨導放大級的跨導，同 時也改變電路的直流偏置，實現(xiàn)增益可變和系統(tǒng)功耗的動態(tài)調整；可重構濾波器通過開關 控制模塊，選擇可重構濾波器工作在低通模式或復數(shù)帶通模式，實現(xiàn)濾波器的可重構。本發(fā)明壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器共用一個偏置電流；接收 部分的下混頻部分采用自適應增益混頻器，增益可變，信號在混頻器的跨導級得到兩次放 大，同時在跨導級通過采用自動增益結構，改變跨導級跨導，實現(xiàn)可變增益放大的作用，發(fā) 射部分的上混頻采用無源混頻器降低功耗；接收與發(fā)射的濾波器采用可重構結構，通過選 通開關實現(xiàn)二階低通濾波器和復數(shù)帶通濾波器的功能，節(jié)約系統(tǒng)的功耗和芯片面積。本發(fā) 明從優(yōu)化射頻系統(tǒng)結構角度出發(fā)，對傳統(tǒng)的收發(fā)系統(tǒng)結構進行改進，對系統(tǒng)中一些模塊進 行整合，實現(xiàn)模塊之間電流的復用，或者用一個模塊實現(xiàn)多種功能。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)收發(fā)系統(tǒng)具有超低的功耗，結構簡單，把發(fā)射系統(tǒng)中功率放大 器和接收系統(tǒng)中低噪聲放大器以及壓控振蕩器、分頻器共用一路偏置電流；通過一個模塊 來實現(xiàn)下混頻、可變增益，達到電流復用；上混頻器使用低功耗無源混頻器；收發(fā)系統(tǒng)的二 階濾波器采用可重構結構，根據(jù)接收機接收到信號強度不同自動調節(jié)偏置電流，調節(jié)增益 大小，從而對功耗進行動態(tài)調整，開關來選通低通濾波器還是復數(shù)帶通濾波器，整個收發(fā)系 統(tǒng)正常工作時，功耗僅為3mW。


圖1為本發(fā)明的超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)主體電路框圖。圖2為本發(fā)明的低噪聲放大器、分頻器、功率放大器，壓控振蕩器電流復用原理 圖。圖3為本發(fā)明的具有可變增益、濾波功能的自適應增益混頻器原理框圖。圖4為本發(fā)明的具有可變增益、濾波功能的自適應增益混頻器電路原理圖。圖5為無源混頻器原理圖。圖6為本發(fā)明的可重構濾波器的復數(shù)濾波器電路原理圖。
具體實施例方式下面說明本發(fā)明的具體實施。如圖1，本發(fā)明包括層疊電流復用模塊1、無源混頻器2、自適應增益混頻器3、可重 構濾波器4、鎖相環(huán)5、峰值檢測模塊6和收發(fā)天線7，層疊電流復用模塊1設有壓控振蕩器、 分頻器、低噪聲放大器和功率放大器；發(fā)射工作模式下基帶信號經(jīng)過可重構濾波器后，經(jīng)過 無源混頻器與本征信號混頻，混頻后的射頻信號經(jīng)過層疊電流復用模塊，通過開關選通壓 控振蕩器、分頻器、功率放大器電路，最后經(jīng)天線發(fā)射信號，接收工作模式下射頻信號經(jīng)天線接收信號，接收到信號經(jīng)過層疊電流復用模塊，通過開關選通壓控振蕩器、分頻器、低噪 聲放大器電路，經(jīng)過自適應增益混頻器與本征信號混頻并且對信號放大，經(jīng)過可重構濾波 器后，輸出中頻信號，峰值檢測模塊對自適應增益混頻器進行反饋控制。其中，如圖2，層疊電流復用模塊1的壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放 大器為模塊層疊結構，壓控振蕩器、分頻器和功率放大器用于發(fā)射信號，壓控振蕩器、分頻 器和低噪聲放大器用于接收信號，系統(tǒng)的發(fā)射和接收共用壓控振蕩器和分頻器，壓控振蕩 器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器為模塊共用一個靜態(tài)偏置電流，組成模塊層疊電流 復用結構?；祛l器一般由3部分組成跨導級、混頻級與負載級，如圖3，本發(fā)明的自適應增益 混頻器3中，由收發(fā)天線(7)接收的射頻信號首先經(jīng)過可變跨導級、高通濾波，然后經(jīng)過混 頻級，輸出信號經(jīng)過低通濾波器后，返回到可變跨導級對信號再次放大，使得跨導放大級得 到兩次利用，跨導放大級采用源簡并結構，峰值檢測模塊(6)根據(jù)檢測到的信號強度，產(chǎn)生 相應控制電壓，控制源簡并電阻值，改變跨導放大級的跨導，同時也改變電路的直流偏置， 實現(xiàn)增益可變和系統(tǒng)功耗的動態(tài)調整；可重構濾波器4采用開關控制模塊，選擇可重構濾 波器4工作在低通模式或復數(shù)帶通模式。由于收發(fā)系統(tǒng)中壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器、功率放大器，通常都需要大 的偏置電流，而低噪聲放大器和功率放大器分別工作在收發(fā)機系統(tǒng)的接收和發(fā)射模式中。 本發(fā)明的壓控振蕩器、分頻器、功率放大器、低噪聲放大器采用多模塊層疊，電流復用技術， 發(fā)射工作模式下，選擇開關S接入B處，壓控振蕩器、分頻器、功率放大器模塊層疊共用電 流，而接收工作模式下選擇開關S接入A處，壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器模塊層疊共 用電流。分頻器根據(jù)電路設計對壓控振蕩器分出一部分電流，余下的電流給低噪聲放大器 或者功率放大器。低噪聲放大器采用源級電感負反饋共源共柵放大器結構，這種結構可是 實現(xiàn)輸入端窄帶匹配，利用共源共柵結構提高系統(tǒng)的隔離度。功率放大器也采用共源共柵 結構，這種結構根據(jù)需要，可以使用不同的偏置，可以設計成A類、B類、C類功率放大器。低 噪聲放大器和功率放大器采用相同的LC負載，這種負載形式具有良好的選頻特性，采用開 關電容陣列用來修正工藝、溫度、電壓引起的電容偏差，調節(jié)諧振頻率。壓控振蕩器采用LC 振蕩器，通過在低噪聲放大器負載電感頂端并聯(lián)一個大電容，來隔離壓控放大器與其他兩 個模塊之間的影響。分頻器一直對壓控振蕩器分流。如圖4，本發(fā)明的自適應增益混頻器，也就是接收部分的下混頻器的跨導級由晶體 管 PM0、PM3、NM0、NM1，電容 CO、Cl、C2、C3、C15、C16，電阻 Rl、R2、R3、R4 組成，電容 CO、Cl、 C2、C3、C15、C16對射頻起到短路的作用，同時起到隔直作用，跨導級將射頻輸入電壓信號轉 化為射頻輸入電流信號，PMO和NMO電流復用，提高跨導。開關級由晶體管PM4、PM5、PM6、 PM7組成，PMU PM2為開關晶體管提高直流偏置電流，開關控制RF電流連接到輸出端，在電 流域內(nèi)執(zhí)行乘法，中頻負載級由晶體管匪2、匪3，電阻R7、R8，電容C6、C9、C10組成，負載級 采用局部反饋技術，穩(wěn)定輸出共模電平，電容C6、C9、ClO對射頻信號交流短路，對中頻呈現(xiàn) 大的阻抗。R5，C7，R6、C8實現(xiàn)一階低通濾波器，濾除射頻信號，通混頻器的輸出中頻信號， 中頻信號再經(jīng)過ΝΜ0、匪1管共源放大，在ΝΜ0、匪1的漏端輸出中頻信號，由于C16，C15對 中頻相當于開路，NM4、匪5做為ΝΜ0、匪1的源級退化電阻，通過改變柵上控制電壓，可以改 變MOS管的線性電阻，從而改變ΝΜ0、匪1管的等效跨導，進而改變中頻放大器的增益，該控制電壓由RSSI電路產(chǎn)生，根據(jù)接收機接收信號強度大小的不同，相應的產(chǎn)生控制電壓，產(chǎn) 生不同的源級退化電阻，同時會改變電路靜態(tài)偏置電流，從而實現(xiàn)動態(tài)的調整功耗。由于下 混頻器的輸入是射頻信號，而輸出是中頻信號，因此這種自適應增益混頻器在同一頻率處 信號沒有形成反饋，進而不會產(chǎn)生穩(wěn)定性問題。圖5是無源混頻器電路，采用雙平衡MOS開關，由4個MOS管組成，MOS開關的柵 級受差分本征信號的控制，解決了單平衡開關混頻電路存在LO到IF的饋通。本發(fā)明的二階可重構濾波器，當收發(fā)機處于接收模式時，通過開關切換選擇復數(shù) 帶通濾波器，如圖6，即閉合開關S1-S8，選擇信道，射頻信號通過正交本征下變頻后，所需 信號和鏡像信號在頻域上發(fā)生“分裂”，分別在虛軸反而各一側，如果有一個在頻域上非虛 軸對稱的濾波器對它們進行處理，就可以濾除鏡像信號而得到所需信號，因此可以消除鏡 像信號的影響；當收發(fā)機處于發(fā)射模式時，通過斷開開關S1-S8，整個濾波器實現(xiàn)二階低通 濾波器的功能，從而實現(xiàn)濾波器的可重構，節(jié)約系統(tǒng)的功耗。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為 限，但凡本領域普通技術人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應納入權 利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)，其特征是包括層疊電流復用模塊(1)、無源混頻 器(2)、自適應增益混頻器( 、可重構濾波器(4)、鎖相環(huán)( 、峰值檢測模塊(6)和收發(fā)天 線(7)，層疊電流復用模塊(1)設有壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器；發(fā)射 工作模式下基帶信號經(jīng)過可重構濾波器(4)后，經(jīng)過無源混頻器( 與本征信號混頻，混頻 后的射頻信號經(jīng)過層疊電流復用模塊(1)，通過開關選通壓控振蕩器、分頻器、功率放大器 電路，最后經(jīng)收發(fā)天線(7)發(fā)射信號，接收工作模式下射頻信號經(jīng)收發(fā)天線(7)接收信號， 接收到信號經(jīng)過層疊電流復用模塊(1)，通過開關選通壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器 電路，經(jīng)過自適應增益混頻器( 與本征信號混頻并且對信號放大，經(jīng)過可重構濾波器(4) 后，輸出中頻信號，峰值檢測模塊(6)對自適應增益混頻器C3)進行反饋控制，其中層疊電流復用模塊(1)的壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器共用 一個靜態(tài)偏置電流，組成模塊層疊電流復用結構；自適應增益混頻器(3)中，由收發(fā)天線 (7)接收的射頻信號首先經(jīng)過可變跨導級、高通濾波，然后經(jīng)過混頻級，輸出信號經(jīng)過低通 濾波器后，返回到可變跨導級對信號再次放大，使得跨導放大級得到兩次利用，峰值檢測模 塊(6)控制對自適應增益混頻器的增益進行控制，動態(tài)調節(jié)收發(fā)系統(tǒng)功耗；可重構濾波器 (4)通過開關控制模塊和兩個二階低通濾波器實現(xiàn)。
2.權利要求1所述的超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征是層疊電流復 用模塊的壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器共用一個靜態(tài)偏置電流，當系統(tǒng) 工作于發(fā)射模式時，壓控振蕩器、分頻器、功率放大器共用一路電流工作，低噪聲放大器不 工作，而系統(tǒng)工作于接收模式時，壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器共用一路電流工作，功 率放大器不工作，分頻器一直對壓控振蕩器分流，最終實現(xiàn)一路電流供這四個模塊使用，實 現(xiàn)低功耗設計；自適應增益混頻器(3)中，混頻器的跨導級，把射頻電壓信號轉化為射頻電 流，雙平衡MOS開關對輸入的射頻電流進行調制，輸出中頻信號，中頻信號經(jīng)過低通濾波再 返回到跨導級，對信號進一步放大，使得跨導放大器得到兩次利用，跨導放大級采用源簡并 結構，峰值檢測模塊根據(jù)檢測到的信號強度，產(chǎn)生相應控制電壓，控制源簡并電阻值，改變 跨導放大級的跨導，同時也改變電路的直流偏置，實現(xiàn)增益可變和系統(tǒng)功耗的動態(tài)調整；可 重構濾波器(4)通過開關控制模塊，選擇可重構濾波器(4)工作在低通模式或復數(shù)帶通模 式，實現(xiàn)濾波器的可重構。
全文摘要
一種超低功耗恒定包絡收發(fā)系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，包括層疊電流復用模塊、無源混頻器、自適應增益混頻器、可重構濾波器、峰值檢測模塊、鎖相環(huán)和收發(fā)天線，層疊電流復用模塊設有壓控振蕩器、分頻器、低噪聲放大器和功率放大器。本發(fā)明把收發(fā)系統(tǒng)中模塊進行大量整合，多處實現(xiàn)電流復用和模塊的可重構，接收機根據(jù)接收信號強度大小自動調節(jié)偏置電流，從而實現(xiàn)對功耗動態(tài)調整，以實現(xiàn)整個接收機超低功耗。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)收發(fā)系統(tǒng)具有超低的功耗，結構簡單，設計方便。
文檔編號H04B1/38GK102082579SQ20101062065
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者葉至易, 吳建輝, 張萌, 李紅, 江平, 竺磊, 趙亮, 陳超 申請人:東南大學