本地振荡器、无线通讯系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，涉及一种通信系统，尤其涉及一种本地振荡器、无线通 讯系统及其控制方法。

背景技术

现代无线通信系统一般由三个大的模块构成，分别是信号接收链路(RX)，信号发送链路 (TX)以及本地振荡器(LO)，如图1所示。信号发送时的工作原理可以进行如下描述：数字 基带信号通过上混频器(UPMX)与本振信号进行上混频，将信号频谱搬移至射频，然后通过 功率放大器(PA)发送到天线上。信号接收时从天线接收的信号通过低噪声放大器(LNA)放 大，然后经过下混频器(DNMX)与本振信号进行下混频，将信号频谱搬移至直流附近，然后 经过低通滤波器(LPF)和模数转换器(ADC)后送给数字基带进行处理。

VCO是一个压控振荡器，振荡器会有频率牵引现象存在，频率牵引会导致振荡器输出频率 变化，从而影响发送信号的质量。在满足下面条件的情况下，会有频率牵引：(1)干扰频率 在振荡器振荡频率附近；(2)干扰频率的谐波在振荡器振荡频率附近；(3)干扰频率在振荡 器振荡频率谐波附近。此外，与压控振荡器VCO类似，数控振荡器DCO也有一样的频率牵引 问题。两者的不同在于：压控振荡器VCO中控制振荡频率的是输入电压，数控振荡器DCO中 控制振荡频率的是输入数字code。

在图1所示系统中，当信号发射时，本振信号是由压控振荡器(VCO)信号经过分频后得 到，所以发送信号的二阶谐波会和VCO信号频率重合。如图2所示，PA发送的射频信号会对 VCO产生牵引，从而影响发送信号质量。

VCO频率牵引会带来一些负面效果，以下分两种情况讨论VCO频率牵引带来的负面效果。

第一种情况是发送信号是恒定包络情况，这种情况下当PA输出建立后，PA输出功率恒定， VCO的频率牵引效果是带来一个固定的相位偏移。考虑到LO是由锁相环(PLL)组成，VCO上 固定的相位偏移会被PLL修正，但是在这个过程中有可能会造成PLL重新锁定。

第二种情况是发送信号是变包络信号，此时PA对VCO的频率牵引是一个时变的干扰，LO 中PLL无法一直抵消掉频率牵引的干扰，造成LO输出时钟上有抖动。基带信号和LO信号进 行上混频后，射频信号上会引入额外噪声。

传统消除VCO频率牵引的方法包括：

(1)将PA和VCO放在芯片的两个角落，使得干扰源距离VCO尽量远，使得耦合通路上的衰减更大，VCO受到的干扰能量更低，频率牵引效果更弱。此方法受芯片面积限制。

(2)在芯片中把PA和VCO的电源和地分开，减小VCO从电源和地上受到的干扰。此方法会增加芯片封装成本。

(3)VCO使用8字形电感，使得信号发送链路中的电感耦合到VCO电感中的能量更少。 此方法需要使用相对传统电感面积更大的8字形电感，并且PA电感位于8字形电感对称轴上 才能有最好的效果。

(4)PA对VCO的频率牵引分为对VCO幅度的影响和对VCO瞬时频率的影响。在VCO中加 入对VCO幅度和频率的控制字，通过调整VCO的幅度和频率控制字，抵消频率牵引的影响。 此方法一般需要复杂的校准才能抵消频率牵引。

(5)使用OSLO方案，如图3所示。在这种情况下

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的无线通讯系统组成，以便克服现有无线通讯系统 组成存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种本地振荡器、无线通讯系统及其控制方法，可能够消除振荡器的频率牵 引，提高LO信号质量。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种本地振荡器，所述本地振荡器包括：查找表LUT、匹配滤波器H_F、噪声检测器NDET、 功率检测器PDET、延时单元DL、可变增益放大器GBB以及数字锁相环；

所述数字锁相环包括振荡器、多模分频器MMDIV、时间数字转换器TDC以及数字环路滤波 器DLF；

所述功率检测器PDET的输出端连接延时单元DL的输入端，延时单元DL的输出端连接可 变增益放大器GBB的输入端；

所述时间数字转换器TDC的输出端分别连接噪声检测器NDET的输入端、查找表LUT的输 入端、数字环路滤波器DLF的输入端；

所述噪声检测器NDET的输出端连接可变增益放大器GBB，查找表LUT的输出端连接振荡 器，数字环路滤波器DLF的输出端连接振荡器；

所述振荡器的输出端连接多模分频器MMDIV的输入端，多模分频器MMDIV的输出端连接 所述时间数字转换器TDC的输入端。

作为本发明的一种实施方式，所述本地振荡器进一步包括正交分频器IQDIV，所述振荡器 的输出端连接正交分频器IQDIV的输入端。

作为本发明的一种实施方式，所述查找表LUT用以在写入模式时，以参考时钟信号为周 期，将输入信号值顺序写入；在读出模式时，以参考时钟信号为周期，顺序将其中存储的值 读出到输出端；所述噪声检测器NDET用以检测输入端噪声信号能量；所述功率检测器PDET 用以检测输入信号功率；所述延时单元DL用以以参考时钟为周期，对输入信号进行一个或者 多个周期延迟后输出。

作为本发明的一种实施方式，所述振荡器包括数控振荡器DCO或压控振荡器VCO。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：

一种无线通讯系统，包括上述的本地振荡器。

作为本发明的一种实施方式，所述无线通讯系统还包括信号发送链路TX，所述信号发送 链路TX连接所述本地振荡器。

作为本发明的一种实施方式，所述信号发送链路TX包括数模转换器DAC、低通滤波器LPF 及功率放大器PA；所述数模转换器DAC的输出端连接低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器 LPF的输出端连接功率放大器PA的输入端；所述功率放大器PA的输出端连接天线。

作为本发明的一种实施方式，所述本地振荡器进一步包括正交分频器IQDIV，所述振荡器 的输出端连接正交分频器IQDIV的输入端，正交分频器IQDIV的输出端连接所述功率放大器 PA的输入端。

根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：

一种上述的无线通讯系统的控制方法，所述控制方法包括：

在功率放大器PA开始工作时，将查找表LUT设置为写入模式；将时间数字转换器TDC输 出数据写入查找表LUT中，并进行保存，保存数据直至数字锁相环重新稳定。

作为本发明的一种实施方式，所述控制方法进一步包括：以后每次再将功率放大器PA从 关断切换为工作时，查找表LUT为读出模式，匹配滤波器H_F正常输出，抵消功率放大器PA 带来的频率牵引影响。

作为本发明的一种实施方式，所述控制方法进一步包括：

当振荡器不受到频率牵引时，时间数字转换器TDC输出信号中噪声能量为本地振荡器LO 中的热噪声，量化噪声和闪烁噪声；

当振荡器受到频率牵引时，时间数字转换器TDC输出信号中会额外叠加上由于频率牵引 带来的噪声；

调节可变增益放大器GBB的增益，使得时间数字转换器TDC输出信号中的噪声达到最小， 此时由于频率牵引带来的扰动也最小；

延时单元DL用来匹配输入基带信号中的幅度信息到振荡器受到频率牵引的延迟。

作为本发明的一种实施方式，所述无线通讯系统的本地振荡器还包括第二延时单元、第 二可变增益放大器，第二延时单元DL、第二可变增益放大器GBB作为第二补偿电路COMP2； 延时单元DL、可变增益放大器GBB作为第一补偿电路COMP1；

所述控制方法包括：

关闭功率放大器PA和第一补偿电路COMP1；此时上混频器UPMX是主要的频率牵引来源；

调节第二补偿电路COMP2，使得噪声检测器NDET检测到的噪声最小，此时上混频器UPMX 造成的频率牵引被消除；

将功率放大器PA和第一补偿电路COMP1启动，调节可变增益放大器GBB的增益，使得时 间数字转换器TDC输出信号中的噪声达到最小，此时频率牵引带来的扰动也最小；延时单元 DL用来匹配输入基带信号中的幅度信息到振荡器受到频率牵引的延迟；

在后续正常使用过程中，第一补偿电路COMP1和第二补偿电路COMP2保持已经调到最优 的参数值，即可工作。

本发明的有益效果在于：本发明提出的本地振荡器、无线通讯系统及其控制方法，能够 消除振荡器(如可以为压控振荡器VCO、数控振荡器DCO)的频率牵引，提高LO信号质量。

本发明采用数字锁相环的结构，以消除频率牵引的影响，具有如下优势：

(1)与传统PFDCP相比，TDC输出的是数字信号，这样TDC输出的数字信号可以方便的 保存、读取以及进行信号处理。

(2)TDC输出的数字信号中的噪声能量可以方便的检测出来，用来作为判断GBB的增益 是否达到最优的依据。

(3)GBB和DLF输出均为数字控制字，可以直接相加。

(4)在数字域实现NDET，LUT，GBB以及H_F代价低。

(5)本发明能够同时消除PA在启动过程中以及工作过程中对VCO(也适用于DCO)的频 率牵引。

(6)本发明能够消除发送链路中其他模块对于VCO(也适用于DCO)的频率牵引。

附图说明

图1为现有无线收发机框图。

图2为振荡器频率牵引示意图。

图3为使用OSLO方案消除振荡器频率牵引的示意图。

图4为本发明一实施例中无线通讯系统的组成示意图。

图5为本发明一实施例中无线通讯系统的组成示意图(消除PA从关断到工作过程中的频 率牵引)。

图6为本发明一实施例中PA开启时的扰动信号流图。

图7为本发明一实施例中消除PA开启时对振荡器频率牵引的信号流图。

图8为本发明一实施例中无线通讯系统的组成示意图(消除幅度调制信号频率牵引)。

图9为本发明一实施例中无线通讯系统的组成示意图(消除UPMX以及PA对振荡器的频 率牵引)。

图10为本发明一实施例中DCO的工作原理示意图。

图11为本发明一实施例中VCO的工作原理示意图。

图12为本发明一实施例中DCO的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理 解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同 或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范 围内。

说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。

本发明揭示了一种本地振荡器，图4为本发明一实施例中无线通讯系统的组成示意图； 请参阅图4，所述本地振荡器包括：查找表LUT、匹配滤波器H_F，噪声检测器NDET、功率检 测器PDET、延时单元DL、可变增益放大器GBB以及数字锁相环；所述数字锁相环包括振荡器、 多模分频器MMDIV、时间数字转换器TDC以及数字环路滤波器DLF。

如图4所示，在本发明的一实施例中，所述振荡器包括数控振荡器DCO。图10为本发明 一实施例中DCO的工作原理示意图；如图10所示，数控振荡器DCO的输入信号为数字信号， 需要数模转换电路DAC将数字信号转换为控制电路，数控振荡器DCO输出由输入电压控制的 频率；当然，数控振荡器DCO也可以采用其他的结构方式，请参阅图12，通过数字信号控制 与电容阵列12连接的开关闭合或关断，实现对输出频率的控制。

在本发明的另一实施例中，所述振荡器包括数模转换电路及压控振荡器VCO。图11为本 发明一实施例中VCO的工作原理示意图；如图11所示，压控振荡器VCO的输入信号为控制电 压(所以没有数模转换电路DAC)，压控振荡器VCO输出由输入电压控制的频率。压控振荡器 VCO增加数模转换电路DAC，即可看作数控振荡器DCO，因此也适用于本发明。

请继续参阅图4，所述功率检测器PDET的输出端连接延时单元DL的输入端，延时单元 DL的输出端连接可变增益放大器GBB的输入端。所述时间数字转换器TDC的输出端分别连接 噪声检测器NDET的输入端、查找表LUT的输入端、数字环路滤波器DLF的输入端。所述噪声 检测器NDET的输出端连接可变增益放大器GBB，查找表LUT的输出端连接数控振荡器DCO， 数字环路滤波器DLF的输出端连接数控振荡器DCO。所述数控振荡器DCO的输出端连接多模分 频器MMDIV的输入端，多模分频器MMDIV的输出端连接所述时间数字转换器TDC的输入端。

在本发明的一实施例中，所述本地振荡器进一步包括正交分频器IQDIV，所述数控振荡器 DCO的输出端连接正交分频器IQDIV的输入端。在一实施例中，正交分频器IQDIV的功能是将 输入信号频率除以2，同时产生正交信号(IQ信号)。

在一实施例中，所述查找表LUT用以在写入模式时，以参考时钟信号为周期，将输入信 号值顺序写入；在读出模式时，以参考时钟信号为周期，顺序将其中存储的值读出到输出端。

所述噪声检测器NDET用以检测输入端噪声信号能量；所述功率检测器PDET用以检测输 入信号功率；所述延时单元DL用以以参考时钟为周期，对输入信号进行一个或者多个周期延 迟后输出。

本发明还揭示一种无线通讯系统，包括上述的本地振荡器。

图4为本发明一实施例中无线通讯系统的组成示意图；请参阅图4，在本发明的一实施例 中，所述无线通讯系统还包括信号发送链路TX，所述信号发送链路TX连接所述本地振荡器。 在一实施例中，所述信号发送链路TX包括数模转换器DAC、低通滤波器LPF及功率放大器PA； 所述数模转换器DAC的输出端连接低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端连接 功率放大器PA的输入端；所述功率放大器PA的输出端连接天线。

在本发明的一实施例中，所述本地振荡器进一步包括正交分频器IQDIV，所述数控振荡器 DCO的输出端连接正交分频器IQDIV的输入端，正交分频器IQDIV的输出端连接所述功率放大 器PA的输入端。

本发明进一步揭示一种上述的无线通讯系统的控制方法，所述控制方法包括：在功率放 大器PA开始工作时，将查找表LUT设置为写入模式；将时间数字转换器TDC输出数据写入查 找表LUT中，并进行保存，保存数据直至数字锁相环重新稳定。

在一实施例中，所述控制方法进一步包括：以后每次再将功率放大器PA从关断切换为工 作时，查找表LUT为读出模式，匹配滤波器H_F正常输出，抵消功率放大器PA带来的频率牵 引影响。

在本发明的一实施例中，所述控制方法进一步包括：

当数控振荡器DCO(在一实施例中，振荡器也可以为压控振荡器VCO)不受到频率牵引时， 时间数字转换器TDC输出信号中噪声能量为本地振荡器LO中的热噪声，量化噪声和闪烁噪声；

当数控振荡器DCO受到频率牵引时，时间数字转换器TDC输出信号中会额外叠加上由于 频率牵引带来的噪声；

调节可变增益放大器GBB的增益，使得时间数字转换器TDC输出信号中的噪声达到最小， 此时由于频率牵引带来的扰动也最小；

延时单元DL用来匹配输入基带信号中的幅度信息通过PA到数控振荡器DCO受到频率牵 引的延迟。

在本发明的一实施例中，所述无线通讯系统的本地振荡器还包括第二延时单元、第二可 变增益放大器，第二延时单元DL、第二可变增益放大器GBB作为第二补偿电路COMP2；延时 单元DL、可变增益放大器GBB作为第一补偿电路COMP1；

所述控制方法包括：

关闭功率放大器PA和第一补偿电路COMP1；此时上混频器UPMX是主要的频率牵引来源；

调节第二补偿电路COMP2，使得NDET检测到的噪声最小，此时UPMX造成的频率牵引被消 除；

将功率放大器PA和第一补偿电路COMP1启动，调节可变增益放大器GBB的增益，使得时 间数字转换器TDC输出信号中的噪声达到最小，此时频率牵引带来的扰动也最小；延时单元 DL用来匹配输入基带信号中的幅度信息到数控振荡器DCO受到频率牵引的延迟；

在后续正常使用过程中，第一补偿电路COMP1和第二补偿电路COMP2保持已经调到最优 的参数值，即可工作。

在本发明的一实施例中，本发明无线通讯系统可以消除PA开启造成的频率牵引。

PA从关断到工作这个过程中，VCO(也适用于DCO)会受到的频率牵引。本发明可以消除 PA从关断状态到工作状态这个过程对VCO的频率牵引效果。如图5所示。

工作过程描述如下：

a)将PA关断，H_F输出设为全0

b)将PA使能，使其开始工作，将LUT设置为写入模式，将TDC输出数据写入LUT中，并进行保存，保存数据直至PLL重新稳定；然后将LUT设置为读出模式；

c)以后每次再将PA从关断切换为工作时，LUT为读出模式，H_F正常输出，用以抵消PA 带来的频率牵引影响。

H_F的传输函数利用如下分析方法可以得出：

频率牵引对VCO的影响可以表示为一个加性噪声，记为X；多模分频器(MMDIV)的传递 函数记为1/N；时间数字转换器(TDC)增益记为G_TDC；数字环路滤波器(DLF)传递函数记为H_LF；数控振荡器(DCO)传递函数记为H_DCO。将写入LUT的数据记为Y，环路信号流图 如图6所示，那么有如下等式成立：

在LUT设置为读出模式时，信号流图如图7所示，为了使得LO输出时钟没有频率牵引影 响，那么信号X和信号Y在的影响叠加之后，在PLL输出处为0，有如下等式成立：

Y×H_F×H_DCO+X＝0 公式2

由上面两个公式可以得到：

按照上面的方法，可以消除PA开启时对VCO的频率牵引。

如果有需要，可以按照相同的方法消除PA关断时对VCO的频率牵引。

在本发明的一实施例中，本发明无线通讯系统可以消除调幅信号造成的频率牵引。

如果PA输出信号为调幅信号，VCO(也适用于DCO)受到的频率牵引和PA输出功率相关。 利用图8所示电路可以消除PA输出调幅信号时对VCO的频率牵引。其中PDET是功率检测器， 能检测出基带信号中的幅度分量；NDET是噪声检测电路，能检测出TDC输出信号中噪声能量 大小；GBB是一个可变增益放大器，其增益由NDET输出控制。

工作原理说明如下：当VCO不受到频率牵引时，TDC输出信号中噪声能量为LO电路中的 热噪声，量化噪声和闪烁噪声；而当VCO受到频率牵引时，TDC输出信号中会额外叠加上由于 频率牵引带来的噪声，调节GBB的增益，使得TDC输出信号中的噪声达到最小，此时由于频 率牵引带来的扰动也最小。其中DL模块用来匹配输入基带信号中的幅度信息到压控振荡器VCO (或数控振荡器DCO)受到频率牵引的延迟。

本发明中提取PA输出包络信息是在数字基带部分实现，在一些设计中，为了检测PA输 出功率，以进行PA输出功率调节，在PA输出会有包络检测器。在这些设计中，可以直接利 用此包络检测器的输出，这种方法的好处是可以节省图8中的PKDET模块。

在本发明的一实施例中，本发明无线通讯系统可以消除上混频器造成的频率牵引。

一般来说，VCO频率牵引主要来源于发送链路中的PA。利用我们上述方法消除了PA的影 响后，上混频器(UPMX)或者功率预放大器(PPA)对于VCO的频率牵引会占据主导地位。本 发明也提出了消除发送链路中其他模块对于VCO的频率牵引的方法，以消除UPMX造成的频率 牵引为例进行说明。

图9是一个能同时消除UPMX和PA对VCO频率牵引作用的发射机框图，其中起到抵消作 用的模块是COMP1和COMP2，其中消除PA影响的模块COMP1已经包含在图4框图中了，COMP2 是用以消除UPMX影响的模块。

具体实施过程为：首先关闭PA和COMP1，此时UPMX是主要的频率牵引来源，调节COMP2， 使得NDET检测到的噪声最小，此时UPMX造成的频率牵引被消除；然后将PA和COMP1启动， 按照上文中消除PA影响的操作，调整COMP1中的DL和GBB，消除PA造成的频率牵引；在后 续正常使用过程中，COMP1和COMP2保持已经调到最优的参数值，即可工作。

利用本发明所提出的方法，同样也可以消除UPMX在启动过程中造成的频率牵引。按照本 发明所提出的方法，也可以消除系统中其他模块对压控振荡器VCO(或数控振荡器DCO)造成 的频率牵引。造成频率牵引的不同来源一般独立的，可以进行线性叠加，在本发明中所提出 的方法可以方便地进行扩展，消除各种造成压控振荡器VCO(或数控振荡器DCO)频率牵引的 源头。

综上所述，本发明提出的本地振荡器、无线通讯系统及其控制方法，可能够消除振荡器 (如可以为压控振荡器VCO、数控振荡器DCO)的频率牵引，提高LO信号质量。

本发明采用数字锁相环的结构，以消除频率牵引的影响，具有如下优势：

(1)与传统PFDCP相比，TDC输出的是数字信号，这样TDC输出的数字信号可以方便的 保存、读取以及进行信号处理。

(2)TDC输出的数字信号中的噪声能量可以方便的检测出来，用来作为判断GBB的增益 是否达到最优的依据。

(3)GBB和DLF输出均为数字控制字，可以直接相加。

(4)在数字域实现NDET，LUT，GBB以及H_F代价低。

(5)本发明能够同时消除PA在启动过程中以及工作过程中对压控振荡器VCO(或数控振 荡器DCO)的频率牵引。

(6)本发明能够消除发送链路中其他模块对于压控振荡器VCO(或数控振荡器DCO)的 频率牵引。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中 的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾， 都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实 施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点 的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本 领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清 楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、 比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对 这里所披露的实施例进行其它变形和改变。