全频带频率产生器

摘要

本发明涉及一种用于无线通信系统的频率产生器。该频率产生器包括一个本地振荡器产生电子信号，驱动分频器、选择器以及混频器等。该振荡器所产生的信号通过分频器的分频操作产生一些中间频率，然后选择器与混频器能够把这些中间频率进行选择性地混频操作，从而生成14个频率。最后通过除二操作产生满足UWB系统所需的14个载波频率或部分载波频率的正交信号。本发明的频率产生器在频率最终输出端产生所需正交信号，从而使得正交信号的相位误差与幅度失衡变得最小，而在硬件复杂度与成本上与传统方案相当或更优。

权利要求

1.一种全频带频率产生器，用于产生多频带正交频分复用超宽带的多个载频频率，该全频带频率产生器包括：一锁相环，用于产生一频率信号；

一多相滤波器，接收所述频率信号，以产生一正交频率信号；

一第一分频器，接收所述频率信号，以产生第一分频信号；

一第一二选一多路选择器，接收所述正交频率信号和所述第一分频信号，以产生第一选择信号；

一第二分频器，接收所述第一分频信号，以产生第二分频信号；

一第三分频器，接收所述第二分频信号，以产生第三分频信号；

一第四分频器，接收所述第三分频信号，以产生第四分频信号；

一三选一多路选择器，接收所述第二分频信号，第三分频信号和第四分频信号，以产生一第二选择信号；

一第五分频器，接收所述第四分频信号，以产生第五分频信号；

一第六分频器，接收所述第五分频信号，以产生第六分频信号；

一第一混频器，接收所述第二选择信号和第五分频信号，以产生一第一混频信号；

一第二二选一多路选择器，接收所述第一混频信号和所述第五分频信号，以产生一第二选择信号；

一第二混频器，接收所述第一选择信号和第二选择信号，以产生第二混频信号；

一第七分频器，接收所述第二混频信号，以产生第七分频信号；

所述第七分频信号为UWB系统所需载波频率的十四个频率信号之一。

2.根据权利要求1所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述第一分频器至第五分频器，以及第七分频器为除二分频器，其中第六分频器为除八分频器。

3.根据权利要求1所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述第六分频信号作为反馈信号与一参考信号比较。

4.根据权利要求1所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述锁相环进一步由所述的第一分频器至第六分频器与鉴频鉴相器，环路滤波器，压控振荡器依次串联连接构成。

5.根据权利要求1所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述第一混频器和所述第二混频器为单边带混频器。

6.一种全频带频率产生器，用于产生多频带正交频分复用超宽带的多个载频频率，该频率产生器包括：一锁相环，用于产生一频率信号；

一多相滤波器，接收所述频率信号，以产生一正交频率信号；

一分频器组，接收所述频率信号，以产生第一分频信号；

一第二分频器，接收所述第一分频信号，以产生第二分频信号；

一第一混频器，接收所述第一分频信号和所述第二分频信号进行混频，以产生第一混频信号；

一第三分频器，接收所述第二分频信号，以产生第三分频信号；

一二选一多路选择器，接收所述第一混频信号和所述第二分频信号，以产生一选择信号；

一第二混频器，接收所述正交频率信号和所述选择信号，以产生第二混频信号；

一第四分频器，接收所述第二混频信号，以产生第四分频信号；

所述第四分频信号为UWB系统所需载波频率的十四个频率信号之一。

7.根据权利要求6所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述分频器组由四个除二分频器串联构成，所述第二分频器和所述第四分频器为除二分频器，所述第三分频器为除八分频器。

8.根据权利要求6所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述分频器组为除十六分频器，所述第二分频器和所述第四分频器为除二分频器，所述第三分频器为除八分频器。

9.根据权利要求6所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述第三分频信号作为反馈信号与一参考信号比较。

10.根据权利要求6所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述的锁相环进一步由所述的分频器组，第二分频器以及第三分频器与鉴频鉴相器，环路滤波器，压控振荡器依次串联连接构成。

11.根据权利要求6所述的全频带频率产生器，其特征在于：其中所述第一混频器和所述第二混频器为单边带混频器。

说明书

全频带频率产生器

技术领域

[0001] 本发明涉及宽带RF通信系统，特别是满足MB-OFDM超宽带标准的频率综合器领域。

背景技术

[0002] 最近几年，对于短距离内高速率的数据传输研究非常之热，欧美、日本与中国等国家相继开放了3～10GHz与60GHz免费授权使用频段，众多企业与高校研究所积极设立项目，研究上述频段内的硅基电路之设计。这其中以工作于3～10GHz的超宽带(UWB)技术发展最为迅速。

[0003] 无线UWB技术主要用于实现短距离、超高速的无线通信，其传输距离目前一般在10m以内，传输速率可以达到480Mbps甚至更高。UWB高传输速率、低功耗且不干扰已有无线系统的特点，使得UWB成为现在及未来五年内的热点。

[0004] FCC为UWB划分的频谱范围为3.1GHz～10.6GHz，发射功率谱密度不得大于-41.2dBm/MHz。鉴于工艺的限制和高频的设计难度，初始的兴趣集中于3.1GHz～4.9GHz的应用。WiMedia联盟的多频带正交频分复用超宽带(以下简称MB-OFDM UWB)标准规定，OFDM信号由128个子载波组成，这些载波占用528MHz，所以子载波间隔为4.125MHz。因为载波间隔为4.125MHz，导致OFDM符号长度必须是1/4.125e6＝242.42ns。考虑到符号间干扰，最好总的OFDM符号长度是312.5ns。128个子载波的5个频带边缘被设置为零，从而实际的占用带宽仅仅是507.375MHz(略宽于所要求的500MHz)。

[0005] UWB频谱从3.1～10.6GHz被分为14个频带，每个频带相差528MHz，了有14个载波频率。这些频率被进一步分组，每组有两个或三个相邻的频带，请参阅图1所示。

[0006] 截至目前，国外关于MB-OFDM UWB频率综合器的研究基本上可以分为3类：(1)每一个频率都需要一个独立的PLL，频率之间的切换通过多路选择器来实现；(2)仅用1个或2个PLL，通过采用混频器来实现各个所需频率的产生，最后频率之间的切换通过多路选择器来实现；(3)方案类似于(2)，不同点在于避免了多路选择器的使用，取而代之的是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，简称DDS)技术。

[0007] UWB设计中最具有挑战性的部分是频率综合器。此频率综合器需要在保持频谱纯度的同时，能够在9.47ns内从一个载波跳变到另一个载波。

[0008] 传统的依靠改变分频比实现频率合成的锁相环式频率合成器已经无法满足Multiband UWB小于9ns跳频时间的要求，可采用直接频率合成的方法：即通过混频和分频的方法直接得到各个band的频率，这种频率合成方法的跳频时间只取决于开关的时间，可以满足UWB快速跳频的要求。

[0009] 而在直接频率合成方法中所使用的混频器一般为单边带(Single SideBand，简称SSB)混频器。SSB混频器除了具有可观的面积和能量需求之外，还典型地产生含有显著“毛刺”(即不需要的频率成分)的输出信号。当多路SSB混频器被级联连接时，不需要的毛刺成分被极大地提高。此外，因为一次产生仅仅一个单一的所需的频率，所以系统设计要求被迫确保校正频率在需要的时候是有效且稳定的。

[0010] 目前工业界的一种实现14个载波频率的主流方法如图2所示，由本地锁相环路(未示出)产生的16.896GHz信号经过除二分频器201产生8.448GHz正交差分信号，该差分信号驱动下一级除二分频器202，同时该正交差分信号驱动第一多路选择器MUX208(Multiplexer，简称MUX)；8.448GHz信号经过除二分频器202产生4.224GHz正交差分信号，该差分信号驱动下一级除二分频器203，同时该正交差分信号驱动第一多路选择器MUX 208与第二多路选择器MUX 207；4.224GHz信号经过除二分频器203产生2.112GHz正交差分信号，该差分信号驱动下一级除二分频器204，同时该正交差分信号驱动第二多路选择器MUX 207；2.112GHz信号经过除二分频器204产生1.056GHz正交差分信号，该差分信号驱动下一级除二分频器205，同时该正交差分信号驱动第二多路选择器MUX 207；
1.056GHz信号经过除二分频器205产生0.528GHz正交差分信号，该差分信号分别驱动下一级除二分频器210与除八分频器206来分别产生0.264GHz与0.066GHz信号，同时该正交差分信号驱动第一SSB混频器211；第一SSB混频器211的另一个输入端为第二多路选择器MUX 207输出的4.224GHz、2.112GHz、1.056GHz三个频率中的一个，所述频率由控制端的三路高低电平来选择决定；第一SSB混频器211的输出，经过一个除二分频器212产生正交差分输出信号，给第三多路选择器MUX 209；第三多路选择器MUX 209的另一个输入端为上面产生的0.264GHz信号；第二多路选择器MUX 208与第三多路选择器MUX 209的输出信号送于第二SSB混频器213，通过执行频率相加与相减操作，从而最终产生正交差分输出的
14个频率，具体操作关系见图7的频率转换关系表，不再详述。上述方案被应用于Alereon AL5000芯片中，满足ECMA-368标准要求。该方案的缺点是正交信号的准确性依赖单边带混频器，版图的失配与工艺的偏差等因素均可能使载波信号的正交相位偏移与幅度失衡。而载波的正交信号的不准确，一方面将增加直接变频接收机的设计难度、恶化接收机性能，另一方面也会影响发射机性能、使得EVM值(Error Vector Magnitude，简称EVM)不满足系统要求。

[0011] 因此，非常有必要使频率综合器产生准确的14正交输出的载波频率，与此同时功耗与成本较低，还满足快速的跳频时间要求。

发明内容

[0012] 本发明的主要目的在于，提供一种用于无线通信系统的全频率产生器。该全频率产生器通过分频器的分频操作产生一些中间频率，选择器与混频器将所述中间频率进行选择性地混频操作，从而产生满足UWB系统所需的14个载波频率的正交信号。

[0013] 本发明的又一目的在于，提供一种用于无线通信系统的全频率产生器。该全频率产生器通过分频器的分频操作产生一些中间频率，选择器与混频器将所述中间频率进行选择性地混频操作，能够产生满足UWB系统中的部分载波频率，使得全频率产生器的架构简化。

[0014] 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种全频带频率产生器，用于产生多频带正交频分复用超宽带的多个载频频率，该全频带频率产生器包括：一锁相环，用于产生一频率信号；一多相滤波器，接收所述频率信号，以产生一正交频率信号；一第一分频器，接收所述频率信号，以产生第一分频信号；一第一二选一多路选择器，接收所述正交频率信号和所述第一分频信号，以产生第一选择信号；一第二分频器，接收所述第一分频信号，以产生第二分频信号；一第三分频器，接收所述第二分频信号，以产生第三分频信号；一第四分频器，接收所述第三分频信号，以产生第四分频信号；一三选一多路选择器，接收所述第二分频信号，第三分频信号和第四分频信号，以产生一第二选择信号；一第五分频器，接收所述第四分频信号，以产生第五分频信号；一第六分频器，接收所述第五分频信号，以产生第六分频信号；一第一混频器，接收所述第二选择信号和第五分频信号，以产生一第一混频信号；一第二二选一多路选择器，接收所述第一混频信号和所述第五分频信号，以产生一第二选择信号；一第二混频器，接收所述第一选择信号和第二选择信号，以产生第二混频信号；一第七分频器，接收所述第二混频信号，以产生第七分频信号。

[0015] 其中所述第七分频信号为UWB系统所需载波频率的十四个频率信号之一。

[0016] 其中所述第一分频器至第五分频器，以及第七分频器为除二分频器，其中第六分频器为除八分频器。

[0017] 其中所述第六分频信号作为反馈信号与一参考信号比较。

[0018] 其中所述锁相环进一步由所述的第一分频器至第六分频器与鉴频鉴相器，环路滤波器，压控振荡器依次串联连接构成。

[0019] 其中所述第一混频器和所述第二混频器为单边带混频器。

[0020] 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的全频带频率产生器，该频率产生器包括：一锁相环，用于产生一频率信号；一多相滤波器，接收所述频率信号，以产生一正交频率信号；一分频器组，接收所述频率信号，以产生第一分频信号；一第二分频器，接收所述第一分频信号，以产生第二分频信号；一第一混频器，接收所述第一分频信号和所述第二分频信号进行混频，以产生第一混频信号；一第三分频器，接收所述第二分频信号，以产生第三分频信号；一二选一多路选择器，接收所述第一混频信号和所述第二分频信号，以产生一选择信号；一第二混频器，接收所述正交频率信号和所述选择信号，以产生第二混频信号；一第四分频器，接收所述第二混频信号，以产生第四分频信号。

[0021] 其中所述第四分频信号为UWB系统所需载波频率的十四个频率信号之一。

[0022] 其中所述分频器组由四个除二分频器串联构成，所述第二分频器和所述第四分频器为除二分频器，所述第三分频器为除八分频器。

[0023] 其中所述分频器组为除十六分频器，所述第二分频器和所述第四分频器为除二分频器，所述第三分频器为除八分频器。

[0024] 其中所述第三分频信号作为反馈信号与一参考信号比较。

[0025] 其中所述的锁相环进一步由所述的分频器组，第二分频器以及第三分频器与鉴频鉴相器，环路滤波器，压控振荡器依次串联连接构成。

[0026] 其中所述第一混频器和所述第二混频器为单边带混频器。

[0027] 借由上述技术方案，本发明的全频率产生器至少具有下列优点：

[0028] 该全频率产生器能够使得正交信号的相位误差与幅度失衡变得最小，而在硬件复杂度与成本上与传统方案相当或更优。

[0029] 另外，本发明所提供的全频率产生器中的单边带混频器相较于现有技术中的混频器节省了一半电路。这主要是因为，单边带混频器的负载通常为电感电容谐振网络，在集成电路中属于面积较大的元件，而电路复杂度减少一半在一定程度上就是意味着电路的元件减少了一半，因此面积相应减小了一所以面积与功耗均减小一半，所以本发明的全频率产生器能够比现有技术的全频率产生器的电路减小一半的面积与功耗。

[0030] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

[0031] 图1是ECMA-368MB-OFDM UWB标准中的子频带结构的图与主要国家相应授权使用频段；

[0032] 图2是已知的MB-OFDM UWB接收机频率综合器框图；

[0033] 图3是本发明提出的第一实施方案的频率综合器框图；

[0034] 图4是图3中SSB混频器的频率操作关系表；

[0035] 图5是本发明提出的第二实施例的频率综合器框图。

[0036] 图6是用于本发明第一和第二实施例的锁相环框图；

[0037] 图7是图2中SSB混频器的频率操作关系表；

具体实施方式

[0038] 为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的无线定位方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

[0039] 图1所示为UWB的子频带划分图，从3.1GHz到10.6GHz频段被划分为14个频带(band)，该14个频带又被分为6个频带组，任意两个相邻的频带间隔有一基本频带528MHz，每个频带组的中心频率分别f0(MHz)＝3960(频带组1)、5544(频带组2)、7128(频带组3)、8712(频带组4)、10296(频带组5)。

[0040] 现在参考图3，该电路框图阐述了一个可以产生UWB对应6个频带分组内的全部的14个正交载波频率产生器。频带产生的基础是由ECMA-368MB-OFDM UWB标准中所规定的跳频操作仅发生在每个频带分组内这个事实而决定，因此每一时刻只需要同时产生一个频带分组内所需的两个或三个载波频率即可。产生14个频率的方法有很多。但是本发明的一个重要方面体现在它既能产生基带所需的时钟频率，同时又生成了准确的正交信号直接提供给射频前端。对于MB-OFDM UWB系统，典型的基带频率为528MHz或者1056MHz，而上述两个频率都可以在本发明的结构中产生。

[0041] 图3示出了本发明频率综合器结构框图的第一实施例。该频率综合器包括：锁相环(未示出)，依次串联连接的6个分频器(即，第一分频器301至第六分频器306)，一三选一多路选择器307，一第一混频器308，二选一多路选择器311、309，一第二混频器310，一除二分频器313，以及一多相滤波器312。其中所述6个分频器由5个除二分频器(301～305)和一个除八分频器306构成，第七分频器为除二分频器，其中所述第一混频器308和第二混频器310为单边带混频器。

[0042] 在图3中，锁相环(PLL)产生的16.896GHz信号同时传送给第一分频器(Divider2)301和多相位滤波器(Poly-phase Filter，PPF)312。第一分频器301产生8.448GHz信号，该信号驱动下一级第二分频器302，同时其正交信号驱动二选一多路选择器(Multiplexer，MUX)311。第二分频器302产生4.224GHz信号，该信号驱动下一级第三分频器303，同时其正交信号驱动三选一多路选择器307。第三分频器303产生2.112GHz信号，该信号驱动下一级第四分频器304，同时其正交信号驱动307。第四分频器304产生
1.056GHz信号，该信号驱动下一级第五分频器305，同时其正交信号驱动307。第五分频器
305产生528MHz信号，该信号驱动下一级第六分频器306产生66MHz信号，同时其正交信号驱动二选一多路选择器309和第一混频器308。

[0043] 三选一多路选择器307通过控制端来选择输出4.224GHz、2.112GHz、1.056GHz三个频率中的一个，与528MHz信号通过第一混频器308实现频率相减与相加操作，通过相加来获得4.752GHz、2.64GHz、1.584GHz三个频率信号，通过相减来获得3.696GHz频率信号。其中所述控制端通过控制信号来进行控制，在本实施例中为3位数字信号，此处数字信号即为高低电平来分别表示“0”与“1”状态，例如在1.8V电压供电的电路中，数字信号的0”与“1”两个状态分别对应0V与1.8V两种直流电平，通过其不同的高低电平组合形式来决定三选一多路选择器307对应的输出信号，例如状态位“100”表示选择307的第一个输入信号作为307的输出信号，“010”表示选择307的第二个输入信号作为307的输出信号。

[0044] 二选一多路选择器309通过控制端选择4.752GHz、3.696GHz、2.64GHz、1.584GHz、528MHz五个频率中的一个，输出给第二混频器310。第二混频器310的另一个输入来源于二选一多路选择器311，其中二选一多路选择器311的输入信号分别为16.896GHz与
8.448GHz正交信号，通过控制端切换二选一多路选择器311的输入选择。其中所述的控制端通过控制信号来进行控制，在本实施例中为2位数字信号，此处数字信号即为高低电平来分别表示“0”与“1”状态，例如在1.8V电压供电的电路中，数字信号的0”与“1”两个状态分别对应0V与1.8V两种直流电平，通过其不同的高低电平组合形式来决定二选一多路选择器311对应的输出信号，例如状态位“10”表示选择311的第一个输入信号作为311的输出信号，“01”表示选择311的第二个输入信号作为311的输出信号。其它二选一选择器工作原理与其类似。由于本地锁相环路产生的16.896GHz并非正交信号，本发明中选择多相位滤波器312来产生16.896GHz正交信号。

[0045] 第二混频器310通过频率相加与相减操作产生14个频率。通过将上述产生的14个频率驱动下一级第七分频器313，从而最终产生满足UWB射频前端要求的14个正交载波频率。第二混频器310的具体频率操作关系请参见图4表。由于此时不需要第二混频器310产生正交输出，且在本实施例中第二混频器310相当于图2中相应单边带混频器213的一半电路。这主要是因为，单边带混频器的负载通常为电感电容谐振网络，在集成电路中属于面积较大的元件，而电路复杂度减少一半在一定程度上就是意味着电路的元件减少了一半，因此面积相应减小了一所以面积与功耗均减小一半，所以本实施例中的单边带混频器
310的电路结构能够比图2中对应的电路减小一半的面积与功耗。

[0046] 另外，某些UWB系统中并不需要全部的14个载波频率，例如在欧洲、日本以及中国只能使用高频段的频带分组(Group 3/4/5/6)。在这种情形之下，全频率产生器的架构可以被简化，以便仅产生满足所需要的频率，例如第一混频器308与第二混频器310可能仅需要实现频率相加或相减，三选一多路选择器307仅需要实现二选一操作等，这需要结合具体频率分组再定夺。或者电路结构完全不做变动，把不需要的部分通过使能控制端关闭，从而节省功耗。

[0047] 图5所示为本发明的第二实施例的结构框图，在第一实施例的结构框图的基础上，经过简化，产生第六频带分组对应的3个频带中心频率7.656GHz、8.712GHz和8.712GHz。

[0048] 在图5中，该频率综合器包括：锁相环(未示出)，一分频器组501，一第一分频器502，一第二分频器503，一第一SSB混频器506，一二选一多路选择器507，一第二混频器
505，一第三分频器508以及一多相滤波器504。其中分频器组501由四个除二分频器依次串联构成或由除十六分频器构成，其中第一分频器502和第三分频器508为除二分频器，第二分频器503为除八分频器构成。

[0049] 锁相环产生的16.896GHz信号同时传送给分频器组501和多相位滤波器(PPF)504，分频器组501产生1.056GHz信号，该信号驱动第一分频器502，产生528MHz信号，该528MHz信号驱动下一级第二分频器503产生66MHz信号，第一混频器506将1.056GHz信号和528MHz信号进行混频，该528MHz正交信号驱动二选一多路选择器507和第一混频器506。

[0050] 二选一多路选择器507通过控制端选择1.584GHz、528MHz两个频率中的一个，输出给第二混频器505。第二混频器505的另一个输入来源于多相滤波器504的输出。由于本地锁相环路产生的16.896GHz并非正交信号，本发明中选择多相位滤波器504来产生16.896GHz正交信号。

[0051] 第二混频器505通过频率相加与相减操作产生3个频率。通过将上述产生的3个频率驱动下一级第三分频器508，从而最终产生满足UWB射频前端要求的3个正交载波频率。第二混频器505的具体频率关系操作请参见图4的表中对应的#9、#10、#11行。

[0052] 图6显示了产生图3和图5中16.896GHz信号的锁相环路结构。该结构由鉴频鉴相器(PFDCP)401、环路滤波器402、压控振荡器(VCO)403和分频器构成，其中分频器可以是由图3中的第一至第六分频器组成，或由图5中的分频器组501，第一分频502器和第二分频器503组成。其中鉴频鉴相器401接收来自本地振荡器(未示出)产生的一参考信号(REF)以及分频器产生的分频信号，经过比较后，再经由环路滤波器传送给压控振荡器，以产生所述的16.896GHz信号。

[0053] 根据本发明提供的用于无线通信系统的全频率产生器。该全频率产生器包括一个本地振荡器产生电子信号，驱动分频器、选择器以及混频器等。该振荡器所产生的信号通过分频器的分频操作产生一些中间频率，然后选择器与混频器能够把这些中间频率进行选择性地混频操作，从而生成14个频率。最后通过除二操作产生满足UWB系统所需的14个载波频率的正交信号。一般而言，本发明使用一个全频率产生器(例如PLL等)和一个或两个单边带混频器产生14个本地振荡器信号，用于接收占用一个频率带宽的相应子频带的通信信号。根据上述实施方案，在频率最终输出端产生所需正交信号，从而使得正交信号的相位误差与幅度失衡变得最小，而在硬件复杂度与成本上与传统方案相当或更优。

[0054] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。