專利名稱：一種面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線射頻收發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，特別是針對(duì)無線傳感網(wǎng)，要求低功耗、低成本、較低收發(fā)速率和高接收靈敏度的一種面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置。
背景技術(shù)：
無線傳感網(wǎng)主要針對(duì)于短距離范圍的低速無線通信，在工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、醫(yī)療護(hù)理和公共安全等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，為了延長電池使用時(shí)間，降低更換電池的成本，通常要求收發(fā)機(jī)消耗的功耗必須很低，因而在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝上集成低功耗的射頻收發(fā)機(jī)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。出于低成本和低功耗的考慮，直接下變頻接收機(jī)和低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)更適合于無線傳感網(wǎng)應(yīng)用。然而直接下變頻接收機(jī)的缺點(diǎn)是有直流失調(diào)和閃爍噪聲問題，直流失調(diào)通常是在數(shù)字基帶部分進(jìn)行消除，這樣增加了數(shù)字基帶的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。低中頻接收機(jī)很好的克服了直接下變頻接收機(jī)所遇到的問題，但是由于增益和相位的不匹配引入了鏡像抑制信號(hào)問題，可以通過加入一個(gè)復(fù)數(shù)濾波器達(dá)到系統(tǒng)所要求的鏡像抑制率。對(duì)于發(fā)射機(jī)，采用直接上變頻發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)能達(dá)到較好的發(fā)射效率和性能，并且可以滿足不同的調(diào)制信號(hào)發(fā)射，既可以發(fā)射恒包絡(luò)信號(hào)，也可以發(fā)射非恒包絡(luò)信號(hào)，而基于鎖相環(huán)調(diào)制的發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)只能發(fā)射恒包絡(luò)信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，使其能夠適用于無線傳感網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合中。
( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，該裝置包括雙工器10、射頻前端11、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13、可編程增益放大器14、鎖相環(huán)頻率綜合器15、數(shù)字處理器16、存儲(chǔ)器17、可變?cè)鲆婀β史糯笃?8、混頻器19和低通濾波器20，其中雙工器10、射頻前端11、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13和可編程增益放大器14構(gòu)成接收鏈路，該接收鏈路用于接收和處理射頻信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)方便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理；雙工器10、可變?cè)鲆婀β史糯笃?8、混頻器19和低通濾波器20構(gòu)成發(fā)射鏈路，該發(fā)射鏈路用于將基帶模擬調(diào)制信號(hào)混頻到載波頻率，并發(fā)送無線信號(hào)；該接收鏈路和該發(fā)射鏈路共用該雙工器10。上述方案中，該雙工器10的一端與天線連接，一端與射頻前端11的輸入端連接，一端與可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸出端連接，用于接收和發(fā)射的選通和隔離。上述方案中，該射頻前端11的輸入端分別與雙工器10的一端、鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸出端以及數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸入端連接，用于放大接收到的微弱信號(hào)，降低整體接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，將射頻信號(hào)變頻到中頻信號(hào)以方便后續(xù)中頻電路的處理。該射頻前端11由增益可變的低噪聲放大器和無源正交混頻器構(gòu)成，低噪聲放大器的增益模式分為高增益和低增益，無源正交混頻器將射頻信號(hào)通過與本振信號(hào)混頻輸出正交差分的低中頻信號(hào)。為了降低噪聲系數(shù)，在低噪聲放大器輸出和輸入之間引入反饋電路，反饋電路由NMOS管、電阻和電容構(gòu)成，同時(shí)不影響電路的線性特性。上述方案中，該可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12由可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?20和主濾波器121構(gòu)成，其輸入端分別與射頻前端11的輸出端、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13的輸出端以及數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端與可編程增益放大器14的輸入端連接，用于選通放大低中頻信號(hào)和抑制鏡像干擾信號(hào)。該可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?20的增益由數(shù)字信號(hào)控制，具有高增益和低增益兩種模式；該主濾波器121中的跨導(dǎo)基于偽差分反相器結(jié)構(gòu)。
上述方案中，該自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13的輸出端與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸入端連接，用于控制復(fù)數(shù)濾波器的頻率特性，使其不受工藝誤差而變化。該自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13是基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的，使得復(fù)數(shù)濾波器的帶寬和中心頻率能夠跟隨外部輸入的參考頻率，而不受工藝誤差而變化。上述方案中，該可編程增益放大器14的輸入端分別與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸出端以及數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端輸出放大后的中頻信號(hào)，將信號(hào)幅度穩(wěn)定在設(shè)定的電平范圍內(nèi)，方便后續(xù)電路處理。該可編程增益放大器14由兩個(gè)單級(jí)放大器和一個(gè)高通濾波器構(gòu)成；高通濾波器插在兩個(gè)單級(jí)放大器中間，用于消除前級(jí)產(chǎn)生的直流失調(diào)；單級(jí)放大器的增益和帶寬均由數(shù)字控制，用于產(chǎn)生分貝線性的增益并保持相同的帶寬。上述方案中，該鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸入端與數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端分別與射頻前端11的輸入端以及混頻器19的輸入端連接，用于向射頻前端11提供下變頻的本振信號(hào)和向混頻器19提供發(fā)射的本振信號(hào)。該鎖相環(huán)頻率綜合器15由鑒頻鑒相器150、電荷泵151、低通濾波器152、LC壓控振蕩器153、可編程分頻器154、多模預(yù)分頻器155、除2分頻器156和輸出緩沖器157構(gòu)成，通過數(shù)字編程控制產(chǎn)生確定的射頻載波信號(hào)。在該鎖相環(huán)頻率綜合器15中，LC壓控振蕩器153采用了電流復(fù)用和襯底反偏技術(shù)，不僅降低了功耗，而且提高了相位噪聲。上述方案中，該數(shù)字處理器16的輸入端與存儲(chǔ)器17的輸出端連接，并接收外部輸入的編程配置數(shù)據(jù)，輸出端分別與射頻前端11的輸入端、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸入端、可編程增益放大器14的輸入端、可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸入端以及鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸入端連接，用于對(duì)整個(gè)收發(fā)機(jī)芯片進(jìn)行數(shù)字控制，控制整個(gè)接收和發(fā)射鏈路的增益配置，以及處理基帶數(shù)字信號(hào)及非易失性存儲(chǔ)器的讀寫控制。上述方案中，該存儲(chǔ)器17是一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的極低功耗的非易失性存儲(chǔ)器，連接于數(shù)字處理器16，用于存儲(chǔ)整個(gè)芯片的數(shù)字配置數(shù)據(jù)，在掉電情況下也能保存接收機(jī)的配置數(shù)據(jù)，避免重新上電時(shí)重復(fù)配置。上述方案中，該可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸入端分別與數(shù)字處理器16的輸出端和混頻器19的輸出端連接，輸出端與雙工器10的一端連接，用于將混頻器19輸出的射頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大。該可變?cè)鲆婀β史糯笃?8是由功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成。上述方案中，該混頻器19的輸入端分別與鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸出端以及低通濾波器20輸出端連接，輸出端與可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸入端連接，用于將模擬基帶信號(hào)上變頻到發(fā)射載波。該混頻器19由有源正交差分混頻器和失配調(diào)諧電路構(gòu)成；有源正交差分混頻器用于將基帶數(shù)據(jù)頻率與載波頻率相混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接上變頻；失配調(diào)諧電路用于調(diào)節(jié)混頻器的相位失配和幅度失配，提高混頻器的性能。上述方案中，該低通濾波器20采用無源方式實(shí)現(xiàn)，其輸入端輸入基帶模擬調(diào)制信號(hào)，輸出端連接于正交混頻器19的輸入端。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，各構(gòu)成電路均可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝單芯片集成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足無線傳感網(wǎng)的低成本要求，接收機(jī)功耗低，發(fā)射機(jī)以低的功耗實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率通信，解決了相關(guān)應(yīng)用中的低功耗問題。2、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，由于低噪聲放大器 采用變?cè)鲆娼Y(jié)構(gòu)，所以可以根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度的大小來動(dòng)態(tài)調(diào)整增益和電路的功耗，采用噪聲消除技術(shù)降低噪聲，使其在線性度和噪聲系數(shù)之間達(dá)到了良好的折中；混頻器采用了無源混頻器，幾乎不消耗功耗，同時(shí)具有高線性度。3、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，采用了可變?cè)鲆娴膹?fù)數(shù)濾波器對(duì)鏡像信號(hào)進(jìn)行抑制，這樣可以靈活控制復(fù)數(shù)濾波器的增益，復(fù)數(shù)濾波器采用低功耗的gm-C結(jié)構(gòu)，。由于采用了基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)頻率調(diào)諧電路對(duì)復(fù)數(shù)濾波器的頻率特性進(jìn)行調(diào)諧，避免了工藝誤差和溫度變化的影響。4、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，放大器之間插入高通濾波器，消除了直流失調(diào)，這種直流失調(diào)消除方法不需要消耗功耗，而且正好適合于低中頻接收機(jī)應(yīng)用。數(shù)字控制的電阻和電容陣列，很方便的控制放大器的增益和帶寬，使得在不同的增益下保持恒定的帶寬。5、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，使用了非易失性存儲(chǔ)器保存射頻收發(fā)機(jī)的數(shù)字配置信號(hào)，因此在遇到掉電或者更換電池等情況時(shí)，可以避免
重復(fù)配置。6、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，鎖相環(huán)頻率綜合器中的LC壓控振蕩器采用了電流復(fù)用技術(shù)和負(fù)阻耦合對(duì)管襯底反偏技術(shù)，降低了功耗，并且提聞了相位噪聲性能。7、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其可變?cè)鲆婀β史糯笃魇怯晒β黍?qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成。其功率驅(qū)動(dòng)級(jí)采用AB類電路結(jié)構(gòu)，功率放大級(jí)采用B類互補(bǔ)推挽式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在滿足功放線性要求的同時(shí)，降低了系統(tǒng)功耗。功率驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入采用電感匹配，提高發(fā)射機(jī)增益，而且當(dāng)無射頻信號(hào)輸入時(shí)，只有功率驅(qū)動(dòng)級(jí)消耗功耗，降低發(fā)射功耗，提高發(fā)射效率。8、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，混頻器由有源正交差分混頻器和失配調(diào)諧電路構(gòu)成。有源正交差分混頻器將基帶數(shù)據(jù)與載波頻率混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接上變頻。失配調(diào)諧電路用于調(diào)節(jié)混頻器的相位失配和幅度失配，提高混頻器的性能。9、本發(fā)明提供的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，特別適合應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)及其它短距離低速低功耗應(yīng)用的無線通信領(lǐng)域中。


圖I為依照本發(fā)明實(shí)施例的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖I中射頻前端11的電路圖；圖3為圖I中可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖I中可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?20的電路圖；圖5為圖I中主濾波器121的電路圖；圖6為圖I中可編程增益放大器14的電路圖；
圖7為圖I中鎖相環(huán)頻率綜合器15的結(jié)構(gòu)不意圖；圖8為圖I中可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的電路圖。圖9為圖I中上混頻器19的電路圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，圖I為依照本發(fā)明實(shí)施例的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該射頻收發(fā)裝置包括雙工器10、射頻前端11、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13、可編程增益放大器14、鎖相環(huán)頻率綜合器15、數(shù)字處理器16、存儲(chǔ)器17、可變?cè)鲆婀β史糯笃?8、混頻器19和低通濾波器20。其中，雙工器10、射頻前端
11、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13和可編程增益放大器14構(gòu)成接收鏈路，該接收鏈路用于接收和處理射頻信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)方便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理。雙工器10、可變?cè)鲆婀β史糯笃?8、混頻器19和低通濾波器20構(gòu)成發(fā)射鏈路，該發(fā)射鏈路用于將基帶模擬調(diào)制信號(hào)混頻到載波頻率，并發(fā)送無線信號(hào)。該接收鏈路和該發(fā)射鏈路共用該雙工器10。雙工器10，該雙工器10的一端與天線連接，一端與射頻前端11的輸入端連接，一端與可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸出端連接，用于接收和發(fā)射的選通和隔離。射頻前端11，該射頻前端11的輸入端分別與雙工器10的一端、鎖相環(huán)頻率綜合器
15的輸出端以及數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸入端連接，用于放大接收到的微弱信號(hào)，降低整體接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，將射頻信號(hào)變頻到中頻信號(hào)以方便后續(xù)中頻電路的處理。該射頻前端11由增益可變的低噪聲放大器和無源正交混頻器構(gòu)成。低噪聲放大器的增益模式分為高增益和低增益。為了降低噪聲系數(shù)，在低噪聲放大器輸出和輸入之間引入反饋電路，反饋電路由NMOS管、電阻和電容構(gòu)成，同時(shí)不影響電路的線性特性。無源正交混頻器將射頻信號(hào)通過與本振信號(hào)混頻輸出正交差分的低中頻信號(hào)，使得射頻前端不僅具有高增益，低噪聲系數(shù)；而且提高的電路的線性特性，降低系統(tǒng)功耗。可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12，該可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12由可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?20和主濾波器121構(gòu)成，其輸入端分別與射頻前端11的輸出端、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13的輸出端以及數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端與可編程增益放大器14的輸入端連接，用于選通放大低中頻信號(hào)和抑制鏡像干擾信號(hào)?？勺?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12中的前置放大器120的增益由數(shù)字信號(hào)控制，具有高增益和低增益兩種模式，主濾波器121中的跨導(dǎo)基于偽差分反相器結(jié)構(gòu)，消耗功耗很低，且線性度較高。自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13，該自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13的輸出端與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸入端連接，用于控制復(fù)數(shù)濾波器的頻率特性，使其不受工藝誤差而變化。該自動(dòng)頻率調(diào)諧電路13是基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的，使得復(fù)數(shù)濾波器的帶寬和中心頻率能夠跟隨外部輸入的參考頻率，而不受工藝誤差而變化。可編程增益放大器14，該可編程增益放大器14的輸入端分別與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸出端以及數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端輸出放大后的中頻信號(hào)，將信號(hào)幅度穩(wěn)定在設(shè)定的電平范圍內(nèi)，方便后續(xù)電路處理。該可編程增益放大器14由兩個(gè)單級(jí)放大器和一個(gè)高通濾波器構(gòu)成，高通濾波器插在兩個(gè)單級(jí)放大器中間，用于消除前級(jí)產(chǎn)生的直流失調(diào)。單級(jí)放大器的增益和帶寬均由數(shù)字控制，可以產(chǎn)生分貝線性的增益并保持相同的帶寬。 鎖相環(huán)頻率綜合器15，該鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸入端與數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端分別與射頻前端11的輸入端以及混頻器19的輸入端連接，用于向射頻前端11提供下變頻的本振信號(hào)和向混頻器19提供發(fā)射的本振信號(hào)。該鎖相環(huán)頻率綜合器15由鑒頻鑒相器150、電荷泵151、低通濾波器152、LC壓控振蕩器153、可編程分頻器154、多模預(yù)分頻器155、除2分頻器156和輸出緩沖器157構(gòu)成。該頻率綜合器具有低功耗和低相位噪聲，其通過數(shù)字編程控制產(chǎn)生確定的射頻載波信號(hào)。在該鎖相環(huán)頻率綜合器15中，LC壓控振蕩器153采用了電流復(fù)用和襯底反偏技術(shù)，不僅降低了功耗，而且提高了相位噪聲。數(shù)字處理器16，該數(shù)字處理器16的輸入端與存儲(chǔ)器17的輸出端連接，并接收外部輸入的編程配置數(shù)據(jù)，輸出端分別與射頻前端11的輸入端、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的輸入端、可編程增益放大器14的輸入端、可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸入端以及鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸入端連接，用于對(duì)整個(gè)收發(fā)機(jī)芯片進(jìn)行數(shù)字控制，控制整個(gè)接收和發(fā)射鏈路的增益配置，以及處理基帶數(shù)字信號(hào)及非易失性存儲(chǔ)器的讀寫控制。存儲(chǔ)器17，該存儲(chǔ)器17是一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的極低功耗的非易失性存儲(chǔ)器，連接于數(shù)字處理器16，用于存儲(chǔ)整個(gè)芯片的數(shù)字配置數(shù)據(jù)，在掉電情況下也能保存接收機(jī)的配置數(shù)據(jù)，避免重新上電時(shí)重復(fù)配置?？勺?cè)鲆婀β史糯笃?8，該可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸入端分別與數(shù)字處理器
16的輸出端和混頻器19的輸出端連接，輸出端與雙工器10的一端連接，用于將混頻器19輸出的射頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大。該可變?cè)鲆婀β史糯笃?8是由功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成。其功率驅(qū)動(dòng)級(jí)是AB類結(jié)構(gòu)，功率放大級(jí)是B類互補(bǔ)推挽式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在滿足功放線性要求的同時(shí)，盡可能降低系統(tǒng)功耗。當(dāng)無射頻信號(hào)輸入時(shí)，只有功率驅(qū)動(dòng)級(jí)消耗功耗，降低發(fā)射功耗，提高發(fā)射效率。其增益模式分為高，中，低三檔增益用于調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)功率的大小。其中，A類指放大器在整個(gè)周期都導(dǎo)通，B類指在一般的周期導(dǎo)通，AB類指在一大半的周期內(nèi)導(dǎo)通，這是功率效率與線性度之間的trade off的關(guān)系?；祛l器19，該混頻器19的輸入端分別與鎖相環(huán)頻率綜合器15的輸出端以及低通濾波器20輸出端連接，輸出端與可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的輸入端連接，用于將模擬基帶信號(hào)上變頻到發(fā)射載波。該混頻器19由有源正交差分混頻器和失配調(diào)諧電路構(gòu)成。有源正交差分混頻器用于將基帶數(shù)據(jù)頻率與載波頻率相混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接上變頻。失配調(diào)諧電路用于調(diào)節(jié)混頻器的相位失配和幅度失配，提高混頻器的性能。低通濾波器20，該低通濾波器20的輸入端輸入基帶模擬調(diào)制信號(hào)，輸出端連接于正交混頻器19的輸入端；該低通濾波器20采用無源方式實(shí)現(xiàn)，不需要消耗功耗，用于濾除基帶信號(hào)中的雜散高頻信號(hào)?；趫DI所示的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出了圖I中射頻前端11的電路圖。該射頻前端11由增益可變的低噪聲放大器和無源正交混頻器構(gòu)成。該低噪聲放大器是共源共柵結(jié)構(gòu)，為了降低噪聲系數(shù)，在低噪聲放大器輸出和輸入之間引入反饋電路，反饋電路由器件M3、CF和Rf構(gòu)成。其中器件M3、CF構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路，用于實(shí)現(xiàn)低噪聲阻抗匹配；器件(^和Rf構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路用于擴(kuò)展頻率帶寬。該低噪聲放大器的增益模式分為高增益和低增益。當(dāng)開關(guān)SW為O時(shí)，且偏置電壓Vbi也為O時(shí)，電路工作在低增益模式，同時(shí)電路的功耗為零。所述的無源正交混頻器將射頻信號(hào)通過與本振信號(hào)混頻輸出正交的差分低中頻信號(hào)。被低噪聲放大器放大的射頻信號(hào)通過Ca電容耦 合到混頻器的輸入，混頻器的另一端通過電容Cb連接到地。中頻輸出兩端電容與中頻輸出的阻抗一起形成低通濾波器，濾除高頻干擾和噪聲。該無源混頻器的功耗為零。整個(gè)射頻前端不僅具有高增益，低噪聲系數(shù)，而且功耗很低。圖3示出了圖I中可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的結(jié)構(gòu)示意圖，該可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12由可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?20和主濾波器121構(gòu)成?？勺?cè)鲆媲爸梅糯笃?20用于對(duì)下變頻后的信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大，從而在線性度和噪聲之間達(dá)到了良好的折中。主濾波器121用于選通有用信號(hào)并完成對(duì)鏡像信號(hào)的抑制?；趫D3給出的可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4示出了圖I中可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?20的電路圖。其中電阻R1和R2構(gòu)成共模反饋網(wǎng)絡(luò)，用于穩(wěn)定輸入和輸出的共模電平，電容C與電阻R1和R2構(gòu)成一個(gè)高通極點(diǎn)，起到隔直流的作用，消除來自混頻器的直流失調(diào)。對(duì)于差分信號(hào)，R1和R2產(chǎn)生的等效電阻為R1 · R2Z(R2-R1)。當(dāng)選擇合理電阻值，使得“R2-IV’的值很小時(shí)，可以產(chǎn)生非常大的等效電阻，這樣對(duì)于相同的高通截止頻率，就可以選擇電容值較小的隔直電容，節(jié)省了芯片面積。開關(guān)Dc^P D1由數(shù)字信號(hào)控制，當(dāng)D1、D0為” 11”時(shí)，前置放大器處于高增益模式，當(dāng)Dl、DO為” 01”時(shí)，前置放大器為低增益模式。基于圖3給出的可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器12的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5示出了圖I中主濾波器121的電路圖。復(fù)數(shù)濾波器的帶寬可以通過調(diào)整跨導(dǎo)gm的值而改變，復(fù)數(shù)濾波器的中心頻率可以通過調(diào)整跨導(dǎo)G1, G2, G3的值而改變?；趫DI所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6示出了圖I中可編程增益放大器14的電路圖?？勺?cè)鲆娣糯笃鞴灿袃杉?jí)放大，中間電容C3和電阻R3構(gòu)成高通濾波器，起到抑制前級(jí)直流失調(diào)的作用。Rf-array是數(shù)字控制的電阻陣列，G-array是數(shù)字控制的電容陣列。每一級(jí)放大器增益由Rf/R的值決定，因此改變Rf-array的控制字就可以改變放大器的增益；每一級(jí)放大器的帶寬由密勒電容C。決定，因此改變G-array的控制字就可以改變放大器的帶寬。這樣就可以在不同的增益設(shè)置下，達(dá)到相同的帶寬。基于圖I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7示出了圖I中鎖相環(huán)頻率綜合器15的結(jié)構(gòu)示意圖。鎖相環(huán)頻率綜合器15由鑒頻鑒相器150、電荷泵151、低通濾波器152、LC壓控振蕩器153、可編程分頻器154、多模預(yù)分頻器155、除2分頻器156和輸出緩沖器157構(gòu)成。鑒頻鑒相器150用于對(duì)參考信號(hào)fKEF和可編程分頻器154的輸出信號(hào)fDIV的頻率和相位進(jìn)行比較。鑒頻鑒相器的輸出電壓脈沖控制電荷泵151的充放電。低通濾波器152用于將電荷泵的充放電信號(hào)轉(zhuǎn)化成控制LC壓控振蕩器153振蕩頻率的模擬電壓V。。除2分頻器156用于將LC壓控振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行除2分頻，除2分頻后的信號(hào)一路通過多模預(yù)分頻器155，可編程分頻器154反饋到鑒頻鑒相器的輸入，另一路通過輸出緩沖器157輸出。基于圖I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8示出了圖I中可變?cè)鲆婀β史糯笃?8的電路圖。功率放大器的第一級(jí)為CLASS AB放大器，由晶體管Ml和M2構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，控制信號(hào)SWO和SWl分別控制晶體管M3和M4，控制驅(qū)動(dòng)級(jí)增益。第二級(jí)為CLASS B型互補(bǔ)推挽型放大器，晶體管M5和M6為放大管，并通過匹配網(wǎng)絡(luò)到天線。
基于圖I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9示出了圖I中混頻器19的電路圖。該混頻器由混頻器I和混頻器Q構(gòu)成。它們的電路結(jié)構(gòu)完全一致，唯一不同的是它們的輸入本振信號(hào)是相互正交的。以混頻器I為例，其由無源低通濾波器，有源正交差分混頻器和失配調(diào)諧電路構(gòu)成。無源低通濾波器有器件電阻、電容構(gòu)成一階低通濾波器，用于濾除雜散的高頻信號(hào)。有源正交差分混頻器中，器件MIl是尾電流源，用于提供混頻器電流；器件MI2，MI3構(gòu)成上級(jí)放大器，而器件MI4 MI7構(gòu)成開關(guān)管，將基帶模擬信號(hào)與載波信號(hào)相混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接上變頻。失配調(diào)諧電路是由兩路可變電流源構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)混頻器的相位失配和幅度失配，提高混頻器的性能。以上所述的系統(tǒng)框圖和實(shí)施電路圖，對(duì)本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該裝置包括雙工器(10)、射頻前端(11)、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路(13)、可編程增益放大器(14)、鎖相環(huán)頻率綜合器(15)、數(shù)字處理器(16)、存儲(chǔ)器(17)、可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)、混頻器(19)和低通濾波器(20)，其中 雙工器(10)、射頻前端(11)、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路(13)和可編程增益放大器(14)構(gòu)成接收鏈路，該接收鏈路用于接收和處理射頻信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)以方便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理； 雙工器(10)、可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)、混頻器(19)和低通濾波器(20)構(gòu)成發(fā)射鏈路，該發(fā)射鏈路用于將基帶模擬調(diào)制信號(hào)混頻到載波頻率，并發(fā)送無線信號(hào)； 該接收鏈路和該發(fā)射鏈路共用該雙工器(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該雙工器(10)的一端與天線連接，一端與射頻前端(11)的輸入端連接，一端與可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)的輸出端連接，用于接收和發(fā)射的選通和隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該射頻前端(11)的輸入端分別與雙工器(10)的一端、鎖相環(huán)頻率綜合器(15)的輸出端以及數(shù)字處理器(16)的輸出端連接，輸出端與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)的輸入端連接，用于放大接收到的微弱信號(hào)，降低整體接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，將射頻信號(hào)變頻到中頻信號(hào)以方便后續(xù)中頻電路的處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該射頻前端(11)由增益可變的低噪聲放大器和無源正交混頻器構(gòu)成，低噪聲放大器的增益模式分為高增益和低增益，無源正交混頻器將射頻信號(hào)通過與本振信號(hào)混頻輸出正交差分的低中頻信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，為了降低噪聲系數(shù)，在低噪聲放大器輸出和輸入之間引入反饋電路，反饋電路由NMOS管、電阻和電容構(gòu)成，同時(shí)不影響電路的線性特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)由可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?120)和主濾波器(121)構(gòu)成，其輸入端分別與射頻前端(11)的輸出端、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路(13)的輸出端以及數(shù)字處理器(16)的輸出端連接，輸出端與可編程增益放大器(14)的輸入端連接，用于選通放大低中頻信號(hào)和抑制鏡像干擾信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該可變?cè)鲆媲爸梅糯笃?120)的增益由數(shù)字信號(hào)控制，具有高增益和低增益兩種模式；該主濾波器(121)中的跨導(dǎo)基于偽差分反相器結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該自動(dòng)頻率調(diào)諧電路(13)的輸出端與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)的輸入端連接，用于控制復(fù)數(shù)濾波器的頻率特性，使其不受工藝誤差而變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該自動(dòng)頻率調(diào)諧電路(13)是基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的，使得復(fù)數(shù)濾波器的帶寬和中心頻率能夠跟隨外部輸入的參考頻率，而不受工藝誤差而變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該可編程增益放大器(14)的輸入端分別與可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)的輸出端以及數(shù)字處理器(16)的輸出端連接，輸出端輸出放大后的中頻信號(hào)，將信號(hào)幅度穩(wěn)定在設(shè)定的電平范圍內(nèi)，方便后續(xù)電路處理。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該可編程增益放大器(14)由兩個(gè)單級(jí)放大器和一個(gè)高通濾波器構(gòu)成；高通濾波器插在兩個(gè)單級(jí)放大器中間，用于消除前級(jí)產(chǎn)生的直流失調(diào)；單級(jí)放大器的增益和帶寬均由數(shù)字控制，用于產(chǎn)生分貝線性的增益并保持相同的帶寬。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該鎖相環(huán)頻率綜合器(15)的輸入端與數(shù)字處理器(16)的輸出端連接，輸出端分別與射頻前端(11)的輸入端以及混頻器(19)的輸入端連接，用于向射頻前端(11)提供下變頻的本振信號(hào)和向混頻器(19)提供發(fā)射的本振信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該鎖相環(huán)頻率綜合器(15)由鑒頻鑒相器(150)、電荷泵(151)、低通濾波器(152)、LC壓控振蕩器(153)、可編程分頻器(154)、多模預(yù)分頻器(155)、除2分頻器(156)和輸出緩沖器(157)構(gòu)成，通過數(shù)字編程控制產(chǎn)生確定的射頻載波信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，在該鎖相環(huán)頻率綜合器(15)中，LC壓控振蕩器(15) 3采用了電流復(fù)用和襯底反偏技術(shù)，不僅降低了功耗，而且提高了相位噪聲。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該數(shù)字處理器(16)的輸入端與存儲(chǔ)器(17)的輸出端連接，并接收外部輸入的編程配置數(shù)據(jù)，輸出端分別與射頻前端(11)的輸入端、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器(12)的輸入端、可編程增益放大器(14)的輸入端、可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)的輸入端以及鎖相環(huán)頻率綜合器(15)的輸入端連接，用于對(duì)整個(gè)收發(fā)機(jī)芯片進(jìn)行數(shù)字控制，控制整個(gè)接收和發(fā)射鏈路的增益配置，以及處理基帶數(shù)字信號(hào)及非易失性存儲(chǔ)器的讀寫控制。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該存儲(chǔ)器(17)是一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS 藝的極低功耗的非易失性存儲(chǔ)器，連接于數(shù)字處理器(16)，用于存儲(chǔ)整個(gè)芯片的數(shù)字配置數(shù)據(jù)，在掉電情況下也能保存接收機(jī)的配置數(shù)據(jù)，避免重新上電時(shí)重復(fù)配置。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)的輸入端分別與數(shù)字處理器(16)的輸出端和混頻器(19)的輸出端連接，輸出端與雙工器(10)的一端連接，用于將混頻器(19)輸出的射頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行功率放大。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)是由功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該混頻器(19)的輸入端分別與鎖相環(huán)頻率綜合器(15)的輸出端以及低通濾波器(20)輸出端連接，輸出端與可變?cè)鲆婀β史糯笃?18)的輸入端連接，用于將模擬基帶信號(hào)上變頻到發(fā)射載波。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該混頻器(19)由有源正交差分混頻器和失配調(diào)諧電路構(gòu)成；有源正交差分混頻器用于將基帶數(shù)據(jù)頻率與載波頻率相混頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直接上變頻；失配調(diào)諧電路用于調(diào)節(jié)混頻器的相位失配和幅度失配，提高混頻器的性能。
21.根據(jù)權(quán)利要求I所述的面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，其特征在于，該低通濾波器(20)采用無源方式實(shí)現(xiàn)，其輸入端輸入基帶模擬調(diào)制信號(hào)，輸出端連接于正交混頻器(19)的輸入端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向無線傳感網(wǎng)應(yīng)用的低功耗射頻收發(fā)裝置，包括雙工器、射頻前端、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路、可編程增益放大器、鎖相環(huán)頻率綜合器、數(shù)字處理器、存儲(chǔ)器、可變?cè)鲆婀β史糯笃?、混頻器和低通濾波器；雙工器、射頻前端、可變?cè)鲆鎻?fù)數(shù)濾波器、自動(dòng)頻率調(diào)諧電路和可編程增益放大器構(gòu)成接收鏈路，用于接收和處理射頻信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)以方便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理；雙工器、可變?cè)鲆婀β史糯笃鳌⒒祛l器和低通濾波器構(gòu)成發(fā)射鏈路，用于將基帶模擬調(diào)制信號(hào)混頻到載波頻率，并發(fā)送無線信號(hào)；該接收鏈路和該發(fā)射鏈路共用該雙工器。本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)單片集成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，適合于無線傳感網(wǎng)應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102970053SQ201210548579
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者陳晶晶, 吳南健, 王海永, 劉威揚(yáng), 劉曉東 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所