CN109412615B - 应用于物联网的无线射频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应用于物联网的无线射频系统,包括无线射频传输模块以及无线射频接收模块,无线射频传输模块用于将来自物联网的数字讯号执行讯号波形整形,以将数字讯号调变为已调变输出讯号,通过自混频方式提升已调变输出讯号的电压/电流振幅以及降低相位噪声,以及通过电流再利用方式,放大已调变输出讯号的电压/电流振幅,将放大后的已调变输出讯号通过第一天线发送至无线信道,无线射频接收模块用于检测来自第二天线所接收的载波输入讯号以得到基频讯号,并将基频讯号解调变为差动讯号,且在将开回路状态下执行数次放大,以放大已解调变的差动讯号的电压/电流振幅而产生数字输出讯号,将数字输出讯号传送至后端的讯号处理器。
Description
技术领域
本发明关于一种无线射频技术,特别的是,有关一种应用于物联网且具备低功率消耗的无线射频系统。
背景技术
随着科技日新月异,继计算机、因特网、互联网等信息技术发展后,物联网(Internet of Things,IOT)技术也成为近些年热门议题,简单来说,物联网可将所有对象以讯号传递或感应设备与因特网、互联网连接,藉此实现对象识别以及智能管理,其中,讯号传递或感应设备例如无线射频辨识系统(Radio Frequency Identification,RFID),如此让物品在生产、物流、贩卖等程序中,实现自动化识别、信息互联或是信息共享,藉以在管理上达到便利的效果。
以物联网采用的无线射频辨识系统为例,随着集成电路的不断发展,模拟集成电路、数字集成电路以及无线射频集成电路经常被整合在同一系统芯片(SOC)内,然而无线射频集成电路却经常占据整个系统功率消耗。具体来说,无线射频集成电路中包含传输部分与接收部分,现有无线射频系统其接收部分的架构,像是超外差接收机(Super-HeterodyneReceiver)、直接降频接收机(Homodyne Receiver)、镜像拒斥接收机(Image-RejectReceiver)、低中频接收机(Low-IF Receiver)等,都是使用大功率混频器与大功率本地振荡器的同调检测的方式来达成讯号的解调变,此使得无线射频系统的功率消耗剧增,大大缩短其使用时限。
另外,无线射频系统传输部分所消耗功率通常都会比接收部分高,即占整个系统芯片(SOC)的功率消耗比例最高,现有无线射频系统其传输部分的架构,像是双级升频传输机(Dual Up-Conversion Transmitter)、直接升频传输机(Direct Up-ConversionTransmitter)、锁相回路传输机(PLL-Based Transmitter)、低中频传输机(Low-IFTransmitter)等,也是使用大功率混频器以及大功率本地振荡器的同调检测的方式来达成讯号的调变,同样导致无线射频系统的功率消耗剧增,易让无线射频系统使用时限缩短。
上述现有的无线射频系统的接收传输架构主要运用在远距离传输、高数据量传输,远距离传输使得系统需要高灵敏度的规格,高数据量传输使得系统需要高比特率与多信道的电路规格,致使系统需高功率消耗。然而,物联网应用环境中,无线射频系统需要大量节点以及长时间使用特性,极需要低功率消耗、低面积与低成本的接收传输架构,藉以进行短距离的数据传输,故现有的无线射频系统架构并不适用于物联网的应用。
由上可知,如何找出一种无线射频集成电路,特别是,通过内部电路创新与改良,以大幅提升系统灵敏度及比特率,藉此创造出一个适合于物联网应用情境下的无线射频传输接收系统,此将成为本技术领域人员努力追求的目标。
发明内容
鉴于上述先前技术的缺点,本发明提出一种适用于物联网传输接收的通讯系统架构与内部电路组件架构,此无线射频传输接收系统具有低功率消耗、低电路组件量、低面积、低复杂度、高整合度、抗载波频率偏移的特性,可符合物联网对于大量通讯节点需求,藉此解决传统通讯架构不适用于物联网的问题。
本发明提出一种应用于物联网的无线射频系统,包括:无线射频传输模块以及无线射频接收模块。无线射频传输模块包括预加重讯号产生器、电流再利用自混频压控振荡器以及电流再利用多倍转导增益功率放大器,其中,所述预加重讯号产生器用于将来自物联网的数字讯号执行讯号波形整形,以将所述数字讯号调变为已调变输出讯号,所述电流再利用自混频压控振荡器通过自混频方式,提升所述已调变输出讯号的电压/电流振幅以及降低相位噪声,所述电流再利用多倍转导增益功率放大器通过电流再利用方式,放大所述已调变输出讯号的电压/电流振幅,将放大后的所述已调变输出讯号通过第一天线发送至无线信道;另外,无线射频接收模块包括单转双自偏压增益带宽提升封包检测器以及电流再利用迭接组态双级放大器,其中,所述单转双自偏压增益带宽提升封包检测器用于检测来自第二天线所接收的载波输入讯号以得到基频讯号,且将所述基频讯号解调变为差动讯号,所述电流再利用迭接组态双级放大器用于在将开回路状态下执行数次放大,以放大所述已解调变的差动讯号的电压/电流振幅而产生输出讯号,将所述输出讯号传送至后端的讯号处理器。
可选择性地,所述无线射频接收模块还包括可变频高通滤波器,所述高通滤波器用于滤除所述已解调变的差动讯号中低频噪声。
可选择性地,所述无线射频接收模块还包括比较器,所述比较器用于检测所述电流再利用迭接组态双级放大器放大后的所述输出讯号,以将所述输出讯号转换成数字数据,令所述数字数据传送至所述讯号处理器执行所述数字数据的处理与显示。
可选择性地,当所述差动讯号为模拟讯号时,所述电流再利用迭接组态双级放大器放大后的所述输出讯号直接输出。
于一实施态样中,所述预加重讯号产生器包括数个延迟组件、数字逻辑运算单元以及多任务器,其中,所述数字讯号通过所述数个延迟组件分散为不同讯号,所述不同讯号经所述数字逻辑运算单元运算后通过搭配不同电压/电流偏压的所述多任务器,以令所述已调变输出讯号具有不同的电压/电流振幅。
于一实施态样中,所述电流再利用自混频压控振荡器包括平方律组件、直流耦合低频交流隔离单元、互补式交错混频单元以及电感电容共振单元,其中,所述平方律组件将所述已调变输出讯号进行倍频化,所述直流耦合低频交流隔离单元对已倍频化的所述已调变输出讯号滤波以滤除低频噪声,所述互补式交错混频单元对已滤波的所述已调变输出讯号进行混频以降频至一倍频的谐振频率并回传至所述电感电容共振单元,通过正回授路径提升所述已调变输出讯号的电压/电流振幅。
于一实施态样中,所述电流再利用多倍转导增益功率放大器包括数个放大器、直流电源单元、直流阻隔单元,其中,所述直流电源单元和所述直流阻隔单元提供交流讯号的回路,所述数个放大器放大所述已调变输出讯号的电压/电流振幅并传递至输出端,以达到任意倍数的转导增益。
于一实施态样中,所述单转双自偏压增益带宽提升封包检测器包括倍数频次谐波耦接单元、低频阻隔单元、可变频谐波滤除单元以及高阻抗单元,其中,所述弦波输入讯号经所述倍数频次谐波耦接单元后产生谐波失真讯号,所述低频阻隔单元对所述谐波失真讯号滤除低频噪声干扰并传送至所述可变频谐波滤除单元,所述可变频谐波滤除单元由已滤除低频噪声的所述谐波失真讯号中滤出所述基频讯号,且所述高阻抗单元通过交流讯号虚接地特性提升输出端的输出阻抗,以提高输出增益。
于一实施态样中,所述电流再利用迭接组态双级放大器包括数个放大器以及双向放大器,其中,所述数个放大器交错接线,所述已解调变的差动讯号由所述数个放大器放大后,再送至输出端,且所述双向放大器通过双重输入讯号再利用的特性,提升输出讯号的振幅。
相较于先前技术,本发明所提出的无线射频系统,在无线射频接收模块中利用了谐波检测的技术来达成解调变,因此可以大幅简化无线射频接收模块的复杂度,降低系统功率消耗与面积,且达成便于整合的目的。另外,在无线射频传输模块的部分,由于无线射频接收模块谐波检测技术的使用,在无线射频传输模块中就能免除锁相回路的使用,简化系统设计,达到降低功率消耗与面积的功效,以及便于整合的目的。
附图说明
图1为本发明无线射频系统的系统架构示意图。
图2A和2B为本发明无线射频系统的预加重讯号产生器的内部架构图和电路图。
图3A和3B为本发明无线射频系统的电流再利用自混频压控振荡器的内部架构图和电路图。
图4A和4B为本发明无线射频系统的电流再利用多倍转导增益功率放大器的内部架构图和电路图。
图5A和5B为本发明无线射频系统的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器的内部架构图和电路图。
图6为本发明无线射频系统的无线射频接收模块内可变频高通滤波器的电路图。
图7A和7B为本发明无线射频系统的电流再利用迭接组态双级放大器的内部架构图和电路图。
图8为本发明无线射频系统的无线射频接收模块内比较器的电路图。
组件标号说明
1 无线射频系统
11 无线射频传输模块
111 预加重讯号产生器
1111-1117 延迟组件
1118 数字逻辑运算单元
1119 多任务器
112 电流再利用自混频压控振荡器
1121 电感电容共振单元
1122 互补式交错混频单元
1123 直流耦合低频交流隔离单元
1124 平方律组件
113 电流再利用多倍转导增益功率放大器
1131 放大器
1132、1132’ 直流阻隔单元
1133 直流电源单元
1134 讯号加总
1135 负载
12 无线射频接收模块
121 单转双自偏压增益带宽提升封包检测器
1211 倍数频次谐波耦接单元
1212、1213 低频阻隔单元
1214 可变频谐波滤除单元
1215 高阻抗单元
122 可变频高通滤波器
123 电流再利用迭接组态双级放大器
1231、1232 放大器
1233 双向放大器
124 比较器
13 第一天线
14 第二天线
具体实施方式
以下内容将搭配图式,通过特定的具体实施例说明本发明的技术内容,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用。本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用,在不背离本发明的精神下,进行各种修饰与变更。尤其是,于图式中各个组件的比例关系及相对位置仅具示范性用途,并非代表本发明实施的实际状况。
请参照图1,为本发明的无线射频系统的系统架构示意图。简单来说,本发明的无线射频系统1可应用于物联网,利用了谐波检测的技术,藉此简化系统电路设计,以达到降低功率消耗与面积以及便于整合等目的。无线射频系统1包括位于传输端的无线射频传输模块11以及位于接收端的无线射频接收模块12。
无线射频传输模块11包括预加重讯号产生器111、电流再利用自混频压控振荡器112及电流再利用多倍转导增益功率放大器113。简言之,所述预加重讯号产生器111用于将来自物联网的数字讯号执行讯号波形整形,将所述数字讯号调变为已调变输出讯号,所述电流再利用自混频压控振荡器112通过自混频方式,提升所述已调变输出讯号的电压/电流振幅以及降低相位噪声,所述电流再利用多倍转导增益功率放大器113通过电流再利用方式,放大所述已调变输出讯号的电压/电流振幅,将放大后的所述已调变输出讯号通过第一天线13发送至无线通道。
具体来说,无线射频传输模块11具有低功率消耗、低面积、低成本、高整合度、容易实现等特点,适合应用在物联网的系统中,此无线射频传输模块11可将任何输入讯号,例如数字讯号或模拟讯号,将其进行调变,包括进行升频调变或是降频调变均可。如图所示,来自物联网的数字讯号进入无线射频传输模块11时,会先通过预加重讯号产生器111以进行讯号波形整形,以成为已调变输出讯号。有关讯号波形整形,可通过不同形式的波形整形来弥补各种调变方式的可能缺点,例如OOK调变、ASK调变、FSK调变、PSK调变、QAM调变、MSK调变等,在此情况下,可同时解决OOK讯号与ASK讯号振幅变化速度缓慢的问题,也可加速FSK讯号调频稳定的速度,以及解决PSK讯号不连续的高频干扰问题。
数字讯号通过预加重讯号产生器111后,已调变输出讯号会传递至电流再利用自混频压控振荡器112,此时电流再利用自混频压控振荡器112通过自混频技术,使得电流再利用自混频压控振荡器112可在更低功率消耗、更低组件面积以及更低成本下,可输出电压/电流振幅更高的已调变输出讯号,并且具有更低相位噪声(phase-noise)以及较低的噪声裙带,如此可减低无线射频传输模块11对于其他频带的干扰。
接着,通过电流再利用自混频压控振荡器112的已调变输出讯号会传递至电流再利用多倍转导增益功率放大器113,电流再利用多倍转导增益功率放大器113通过电流再利用技术、放大器迭接架构以及直流阻隔单元等,形成一个可产生任意倍数转导增益的功率放大器,因此,能在更低功率消耗下,输出更高的输出功率(Output Power)至第一天线13,如此电流再利用多倍转导增益功率放大器113的使用可达到更高能量转换效益。另外,放大器迭接架构可在只使用单条偏压电流下达成差动架构才具有的偶次谐波消除功能以及共模噪声消除功能,此让已调变输出讯号的线性度更好、降低对邻近通道的干扰、提升无线射频接收模块12的讯号噪声比(SNR)以及降低无线射频接收模块12的位错误率(bit-errorrate)。
无线射频接收模块12包括单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121及电流再利用迭接组态双级放大器123。简言之,所述单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121用于检测来自第二天线14所接收的弦波输入讯号以得到基频讯号,且将所述基频讯号解调变为差动讯号,所述电流再利用迭接组态双级放大器123用于在将开回路状态下执行数次放大,以放大所述已解调变的差动讯号的电压/电流振幅而产生输出讯号,将所述输出讯号传送至后端的讯号处理器。
较佳者,无线射频接收模块12还包括可变频高通滤波器122,可设置于单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121及电流再利用迭接组态双级放大器123之间,可变频高通滤波器122可用于滤除所述已解调变的差动讯号中低频噪声。
较佳者,无线射频接收模块12还包括比较器124,可设置于电流再利用迭接组态双级放大器123之后,比较器124可用于检测所述电流再利用迭接组态双级放大器123放大后的所述输出讯号,以将所述输出讯号转换成数字数据,令所述数字数据传送至所述讯号处理器执行所述数字数据的处理与显示。于另一实施例中,倘若差动讯号并非为数字讯号而是为模拟讯号,则电流再利用迭接组态双级放大器123放大后的所述输出讯号可直接输出。
具体来说,无线射频接收模块12同样具有低功率消耗、低面积、低成本、高整合度、容易实现等特点,亦可应用于物联网的系统中。由于无线射频接收模块12使用了谐波检测的技术,因而传输部分可去除锁相回路(PLL)的使用,故可大幅减低的无线射频传输模块11的功率消耗、面积、成本,也增加了无线射频系统1的整合度。无线射频接收模块12可将任何振幅调变的讯号进行解调变,例如ASK讯号、OOK讯号或QAM讯号,如图1所示,第二天线14将弦波输入讯号接收进来并传送至单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121,单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121可将讯号中基频封包的部分检测出来,并且转成差动讯号输出,由于解调变后的讯号直接落于基频会受到低频的闪烁噪声干扰,因此,解调变后的差动讯号会传送至可变频高通滤波器122,为了要抵抗制程偏移,可将可变频高通滤波器122的频带设计为可调的。
之后,差动讯号被传送至电流再利用迭接组态双级放大器123来执行数次放大,其原因在于解调变后的讯号振幅不大,故需要一个放大器,本发明的电流再利用迭接组态双级放大器123在开回路情况下,迭接组态的放大器具有功率消耗较低和带宽较佳的优点,而双向放大器具有增益较高和输出摆幅较大的优点,最后,放大后的已解调变的差动讯号传送至比较器124,若差动讯号为数字讯号,则将差动讯号转换成数字数据,数字数据可输出后由后端的数字信号处理器、手机或计算机进行讯号处理与显示,假若差动讯号为模拟讯号,则无需比较器123,可由电流再利用迭接组态双级放大器123将输出讯号直接输出。
相较于双级升频传输系统(Dual Up-Conversion Transmitter),本发明的无线射频传输模块11使用直接升频(direct up-conversion)方式来调变基频讯号,因而具备系统复杂度低、功率消耗较低等特点,输出讯号的调变方式可为OOK(on-off-keying)调变或FSK(frequency-shift-keying)调变,若是OOK调变方式,则无线射频传输模块11可具有低功率消耗、低面积、低成本、低复杂度、高整合度等特点,若是FSK调变方式,则无线射频传输模块11可具有高比特率(high data rate)、低位错误率(low bit error rate)的特点。
本发明的无线射频传输模块11中使用了谐波检测,故可抵抗载波频率的偏移,如此无线射频传输模块11中则无需使用锁相回路,由于在无线射频系统1中,无线射频传输模块11的功率消耗都会高于无线射频接收模块12,因此,在没有锁相回路的使用下,可使无线射频传输模块11的功率消耗与面积大幅减低。
现有无线射频系统使用直接升频处理传输时,在振幅位移调变(ASK)过程需要控制压控振荡器的偏压电压/电流,藉此控制压控振荡器输出大、小振幅,以产生振幅调变的讯号,然而压控振荡器输出讯号振幅的上升与下降时间会限制传输时的讯号比特率,若压控振荡器受到电压/电流控制后振幅上升和下降的时间短,则系统的比特率低,若压控振荡器受到电压/电流控制后振幅上升与下降的时间快,则系统的比特率就提升。为了克服上述问题,本发明在电流再利用自混频压控振荡器112的前端加入预加重讯号产生器111(Pre-Emphasis Signal Generator),如此可将原先要输入给电流再利用自混频压控振荡器112的电压/电流控制讯号做讯号振幅上的加权,通过总加权就可产出任意波形的刺激讯号,此刺激讯号输入至电流再利用自混频压控振荡器112,就能让电流再利用自混频压控振荡器112振幅上升与下降受到更强烈的讯号控制,提高上升与下降的速率,因而整个无线射频传输模块11的讯号比特率就能够大幅提升。于另一实施例中,若预加重讯号产生器111以数字电路形式实现的话,则预加重讯号产生器111只会消耗极低的功率,因而无线射频传输模块11整体讯号比特率能提升,且功率消耗几乎不会增加。
如前所述,预加重讯号产生器111可让整个无线射频传输模块11的讯号比特率提升,举例来说,当调变方式为OOK调变时,无线射频传输模块11的比特率会比使用ASK调变低,其原因在于当传送OOK讯号0的时候(OOK调变的调变因子(modulation index)为100%),此时电流再利用自混频压控振荡器112会处于完全关闭的状态,而在ASK调变下,电流再利用自混频压控振荡器112却没有完全关闭,所以传送OOK调变讯号时,每当传送讯号1,就要等待电流再利用自混频压控振荡器112从完全关闭的状态重新开始振荡,才能传送出讯号1,因此,每次都要等电流再利用自混频压控振荡器112从完全关闭状态下开始振荡,才能完整的传送讯号0和讯号1,这个等待电流再利用自混频压控振荡器112重新振荡的时间,使得OOK调变的讯号比特率无法提高,因此,本发明的预加重讯号产生器111,就能让电流再利用自混频压控振荡器112重新振荡的时间缩短,藉此改善OOK调变的讯号比特率较低的问题,也使得OOK调变在维持原本低功率消耗的优点下,仍可有效改善低比特率的缺点。
若本发明的无线射频传输模块11使用FSK(frequency-shift-keying)调变方式,则预加重讯号产生器111可将输入的讯号改变,输出可调控电流再利用自混频压控振荡器112的偏压电压/电流,通过不同加权比例过后的控制波形,使得电流再利用自混频压控振荡器112在调频过程中稳定且快速,藉提升传送FSK调变讯号时的讯号比特率。
本发明的电流再利用自混频压控振荡器112使用了电流再利用自混频的技术,以将射频频率的振荡器讯号传送至倍频器(frequency-doubler),藉此产生两倍频的射频讯号,接着,将此两倍频的讯号通过电流再利用自混频压控振荡器112本身的交错互补式混频器(cross-coupling-mixer),将两倍频的射频讯号做频率转移,转移至原本一倍的射频讯号并送至电流再利用自混频压控振荡器112的谐振腔,形成了一个正回授的循环。此正回授的循环会加强电流再利用自混频压控振荡器112的谐振腔输出讯号的振幅,等效降低了输出讯号的相位噪声(phase-noise),且前述运作中,电感电容谐振腔(LC-tank)、交错互补式混频器(cross-coupling-mixer)、倍频器(frequency-doubler)皆使用了电流再利用的技术,降低所需电流消耗,因而通过自混频来降低输出讯号相位噪声的技术,即可在不增加偏压电流路径的情况下输出较大的振荡讯号。
本发明的电流再利用多倍转导增益功率放大器(Current-Reused Multiple-transconductance Power Amplifier)113通过直流阻隔单元(DC-Block)与转导放大器(transconductor)的结合,创造出了一个多倍数转导增益的放大器。由于功率放大器在传输时所耗功率也是相当可观的,因而本发明通过电流再利用多倍转导增益功率放大器113,通过直流阻隔单元提供做为交流讯号的地端,让转导放大器可以迭接方式共享同一条直流路径做偏压,再通过直流阻隔单元做交流耦合,而使输出的交流讯号做迭加,藉此达成多倍转导增益效果,故整体的转导增益可以为任意倍数,此明显优于现有电流再利用的做法(功率放大器的等效输出转导增益(Gm)为两倍晶体管的转导增益值(2倍的gm值))。
在使用电流再利用的过程中,如果输出讯号的电压摆幅(voltage swing)不高,则无需担心晶体管摆幅的问题,因而可通过任意晶体管的迭接以达到任意倍数的转导增益。本发明的电流再利用多倍转导增益功率放大器113,基于输入的是差动讯号,而通常双端输出的架构中,偶次谐波的成份都是同向的,因而本发明中反向的差动讯号可在输出端形成同向迭加,而讯号中的同向偶次谐波就会形成反向相消,因此,即可在只使用一条偏压电流的架构中,达成传统差动功率放大器才会拥有的偶次谐波消除功能。
请参照图2A和2B,说明本发明无线射频系统的预加重讯号产生器的内部架构图和电路图。如图所示,预加重讯号产生器111包括数个延迟组件1111-1117、数字逻辑运算单元1118以及多任务器1119,其中,所述数字讯号通过所述数个延迟组件1111-1117分散为不同讯号,所述不同讯号经所述数字逻辑运算单元1118运算后通过搭配不同电压/电流偏压的所述多任务器1119,以令所述已调变输出讯号具有不同的电压/电流振幅。
具体来说,预加重讯号产生器111由数个延迟组件1111-1117组成,数字的输入讯号通过不同的延迟时间分散成不同的讯号后,经数字逻辑运算单元1118就能产生出任意的数字调变/编码波形,此种波形因通过数字电路运算,故讯号的电压/电流振幅只有0和1两种,接着,通过多任务器1119(例如信道晶体管逻辑多任务器)进行偏压电压/偏压电流的选择,即可让输出的讯号有不同振幅,因而成为一个任意波形的产生器。图延迟组件1111-1117可为模拟或数字形式,数字逻辑运算单元1118用于执行各种组合逻辑的运算,例如常用的逻辑运算AND、OR、NOT、XOR、NAND、NOR、XNOR等,多任务器1119通过不同输入的数字编码可选择不同的偏压电压/电流作为输出,故可产出任意波形。
请参照图3A和3B,说明本发明无线射频系统的电流再利用自混频压控振荡器的内部架构图和电路图。如图所示,电流再利用自混频压控振荡器112包括电感电容共振单元1121、互补式交错混频单元1122、直流耦合低频交流隔离单元1123以及平方律组件1124,其中,所述平方律组件1124将所述已调变输出讯号进行倍频化,所述直流耦合低频交流隔离单元1123对已倍频化的所述已调变输出讯号滤波以滤除低频噪声,所述互补式交错混频单元1122对已滤波的所述已调变输出讯号进行混频以降频至一倍频的谐振频率并回传至所述电感电容共振单元1121,通过正回授路径提升所述已调变输出讯号的电压/电流振幅。
具体来说,当电流再利用自混频压控振荡器112开始振荡时,差动输出的电感电容共振单元1121会将谐振讯号输出至互补式交错混频单元1122(倍频器),产生出两倍频率的谐振讯号,之后,传送至直流耦合低频交流隔离单元1123进行低频的滤波,为了避免低频的闪烁噪声传递至互补式交错混频单元1122,互补式交错混频单元1122会将低频的噪声讯号进行升频至谐振频率且传送至电感电容共振单元1121,藉此干扰谐振讯号的输出,造成谐振输出讯号相位噪声上升,低频的干扰经由直流耦合低频交流隔离单元1123滤除后,会将两倍谐振频率的讯号传送至互补式交错混频单元1122,互补式交错混频单元1122会将两倍谐振频率的讯号进行降频至一倍的谐振频率,通过形成一圈正回授的路径,使得电感电容共振单元1121的输出讯号振幅更大,进而令输出谐振讯号的相位噪声降低。
电感电容共振单元1121可由任何类型的主动式或被动式的电容性组件与电感性组件来实现,互补式交错混频单元1122可使用任何具有频率调变功能的电路与任何具有提供负电阻功能的电路来实现,例如晶体管交错耦合对,直流耦合低频交流隔离单元1123可由任何具有直流馈通、低频讯号阻隔功能的电路架构来实现,例如电感电容谐振网络,平方律组件1124可由任何具有将输入讯号频率执行两倍化功能的电路来实现。其中,电感电容共振单元1121、互补式交错混频单元1122、直流耦合低频交流隔离单元1123以及平方律组件1124都可使用偏压电流/偏压电压再利用的技术,使其共享偏压电流/偏压电压,藉此节省功率的消耗。
请参照图4A和4B,说明本发明无线射频系统的电流再利用多倍转导增益功率放大器的内部架构图和电路图。电流再利用多倍转导增益功率放大器113包括数个放大器1131、直流阻隔单元1132、1132’、直流电源单元1133,其中,所述直流阻隔单元1132、1132’和所述直流电源单元1133提供交流讯号的回路,所述数个放大器1131放大所述已调变输出讯号的电压/电流振幅并传递至输出端,以达到任意倍数的转导增益。
电流再利用多倍转导增益功率放大器113通过数个放大器1131与数个直流阻隔单元1132与数个直流电源单元1133的连接,使得电流再利用多倍转导增益功率放大器113能产出任意倍数的转导增益。首先,差动输入的讯号会输入给各放大器1131,并将放大器1131输出放大过后的电流/电压讯号,通过直流阻隔单元1132’传送至输出端进行讯号加总1134,最后输出至负载1135,此外,放大器1131全部都可共享同一个偏压电流/偏压电压,如此使电流再利用多倍转导增益功率放大器113在更低的功率消耗下产生出更高的转导增益。
由于电流再利用多倍转导增益功率放大器113具有将差动输入讯号在输出端进行同向相加功能,所以也具有将输入的共模噪声或是同向的偶次谐波项在输出端进行反向相消的功能,此种功能在现有技术中只有全差动式的架构才能达成,但本发明的电流再利用多倍转导增益功率放大器113,尽管不是全差动式的架构,但能具备此功能。放大器1131可由任意种类的放大器来实现,例如电压放大器、电流放大器、转导放大器或转阻放大器等,直流阻隔单元1132、1132’可使用任何具有阻隔直流讯号、传递交流讯号的电路架构来实现,例如主动式或被动式的电感电容组件。
本发明的无线射频接收模块12使用平方率检测的技术来完成讯号的解调变,此技术会利用到具有谐波产生功能的电路组件,例如晶体管组件,接收到的输入讯号在通过谐波产生的电路组件后,会产生基频项的封包讯号与高次的谐波项,若再将高次的谐波讯号通过谐波滤除器滤除,例如低通滤波器或带通滤波器,剩下的封包讯号就正是无线射频接收模块12所欲求得的基频讯号,此解调变只用到谐波产生电路与谐波滤除组件,因而组件数量少,整个无线射频接收模块12的功率消耗与芯片面积也会非常的低,故可达到长时间使用、低成本的特点。
传统的无线射频系统的接收部分,都是使用大功率混频器与大功率本地振荡器来执行解调变的功能,然而若输入讯号的载波频率和本地振荡器载波频率不相等,解调变后的讯号就会发生振幅失真与相位失真,为了避免讯号失真,就必须无线射频系统的传输部分的振荡器和接收部分统的本地振荡器上加入锁相回路的电路,藉此提升载波频率的精准度,然此方式却会提高系统的功率消耗。为了克服此问题,本发明提出新的无线射频接收架构,采用谐波检测的功能来达成讯号的解调变,在此方法下,即便接收讯号的载波频率有偏移,经过谐波产生组件与谐波滤除电路后,解调变出来的讯号的振幅不会和载波频率有直接的关系,因而能抵抗载波频率的偏移,而且无线射频系统1的无线射频传输模块11和无线射频接收模块12,基于无须使用锁相回路,故整个无线射频系统1就能操作在更低的功率消耗上。
本发明的无线射频接收模块12使用谐波检测的技术,可将输入讯号进行解调变,因而解调变后的讯号直接落于基频,因此不会有传统的通讯架构所面临的镜像干扰(imageinter-ference)问题,传统的通讯架构为了解决镜像干扰的问题,会在无线射频接收部分的最前端加入一个high-Q值的RF滤波器,但这会使系统的功率消耗、面积、成本提高且降低整合度,反之,本发明不会遇到镜像干扰的问题,因而无需使用到high-Q值的RF滤波器,可以大幅减低电路的面积成本、功率消耗与复杂度,并提升系统的整合度。
本发明的无线射频接收模块12,使用了谐波检测的技术,与传统的直接降频接收系统相同,都是将讯号直接降至基频,然而直接降频会使直接降频接收系统遇到本地溢漏自混频(LO leakage self-mixing)的问题,因为本地振荡器的讯号振幅非常的大,而混频器的隔离能力有限,本地振荡器的高频讯号会馈通(feedthrough)穿过混频器跑到混频器的输入端,造成混频器的自混频,因而在混频器的输出端产生了一个直流偏移(DCoffset),当直流偏移与基频讯号(可能含有直流成分)混在一起时,就会对基频讯号造成干扰,影响系统的灵敏度以及后端电路的直流位准,反观本发明的无线射频接收模块12使用谐波检测的方式,因而无需使用大讯号的本地振荡器,也不需使用混频器,因此,不会有本地溢漏自混频的问题,同时也可减少制作成本与功率消耗。
本发明的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器(Balun Self-Biasing Gain-Bandwidth-improved Envelope Detector)121中,可直接通过电路架构来执行单端讯号转成双端讯号的功能,且不需要使用大面积的平衡不平衡转换器(Balun)。由于差动的讯号处理与讯号传输会具有抵抗共模噪声的功能,因此一般的电路设计中都会设计全差动式的电路架构来进行讯号的处理与传输,无线射频接收模块12也是将各电路组件设计成全差动式,然而在一般的无线射频接收系统中,由于天线所接收到的讯号是单端的讯号,因此若要将此单端的讯号转成双端的讯号,通常都会在接收系统的最前端加入大面积的平衡不平衡转换器(Balun),利用互感的特性以将讯号从单端转换成双端,然而平衡不平衡转换器因为面积庞大,若要整合入芯片内(On-Chip),成本会过高,通常只能通过芯片外(Off-Chip)来实现,因此增加系统整体的面积,也降低了系统整合度。为了解决此问题,本发明的无线射频接收模块12直接通过芯片内的电路架构,即可将第二天线14所收到的单端讯号转成双端讯号,因而可大幅降低了系统面积、系统成本,同时提高了芯片的整合度。
本发明通过单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121在输入端的阻抗匹配,能同时达成最大功率匹配与最佳噪声匹配,且单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121也具有反向隔离的功能,因此此单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121具有低噪声放大器(LNA)的各种功能与特色,且由于物联网的传输距离不长,输入讯号的功率也比一般情况大,因而在射频前端免除传统大功率的低噪声放大器的使用,可减少功率消耗与面积。另外,通过阻抗匹配,故可与传统的电感源极退化-低噪声放大器(Inductive sourcedegenaration LNA)一样,拥有输入端跨压放大Q倍的功能(Q-boosting的功能),因此,能进一步地提高此电路的增益,使增益提高Q倍。
本发明的无线射频接收模块12将各个内部电路组件的晶体管操作在弱反转区(weak-inversion),或称之为次临界传导区(subthreshold region),若将晶体管操作在弱反转区,与一般操作在强反转区(strong-inversion)的晶体管行为相比,相同的偏压电流之下,操作在弱反转区的晶体管的小讯号转导增益会具有较大的值,因而无线射频接收模块12能再进一步的降低系统的功率消耗。
本发明的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121在输出端使用了自我偏压(self-biasing)的技术,可免除共模回授电路的使用,因而减低电路的功率消耗。然而采用谐波检测解调变方式,其最大缺点就是解调变后的讯号振幅都很低,若使用自我偏压的技术后,单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121的输出阻抗必定会降低,进而使得增益降低。为了克服自我偏压所造成的输出阻抗降低,在本发明的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121中,提出自我偏压输出阻抗回复(self-biasing output-impedance-recovering)的技术,利用差动小讯号虚短路与共模讯号断路的特性,成功达到电路输出端自偏压而输出阻抗却不会降低的效果,故称之为自偏压输出阻抗回复,此技术同时也省去共模回授所需电路的面积与功率消耗。
本发明的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121也使用增益/带宽同时提升的技术。当操作于弱反转区时,封包检测器在输出端受寄生电容的影响非常敏感,寄生电容会大幅度的影响到封包检测器解调变出来讯号的带宽,但如果希望封包检测器的转移增益振幅够大,就必须提升输出阻抗,然而当输出阻抗提升后,RC时间常数增加(R变大),输出讯号的带宽就会变低,且为了要提升输出阻抗,在相同的偏压电流、固定输出位准下,晶体管的长度和宽度必须要等比例增加,此将再进一步地提高输出端寄生电容,使得RC时间常数再增加(C变大),带宽又会变的更低,影响整个操作速度。对此,本发明所提出的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121使用了迭接组态自偏压的架构,通过晶体管的迭接组态,就能在输出端产生一个较大的输出阻抗值,此较大的阻抗值来自于晶体管迭接组态(可放大输出阻抗的特性),因而无需大尺寸的晶体管,输出端的寄生电容值就能大幅减低,故能达成高输出阻抗、高增益与宽带的封包检测器架构。
如上所述,单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121使用了自偏压输出阻抗回复的技术,此技术会让两个差动的输出端,通过极高阻抗值相连在一起,因此也能够大幅加快整个封包检测器的输出直流偏压瞬时响应与降低输出直流位准偏移(DC offset),提升整个封包检测器输出端的瞬时响应,对于未来无线射频接收模块12整合唤醒电路有特别大的帮助,加入唤醒电路也就是让无线射频接收模块12通过唤醒电路的控制,在有讯号输入时,无线射频接收模块12才会打开,而没讯号输入时关闭,此可进一步降低整个无线射频接收模块12的功率消耗。由上可知,无线射频接收模块12会面临到经常要开启与关闭的状态,如果其本身的直流瞬时响应太慢,即表示开启与关闭的时间太慢,则会降低整个唤醒无线射频接收模块12的讯号比特率,以及降低数据量的传输,因此,加快电路的直流瞬时响应是必要的,因而本发明使用了自偏压输出阻抗回复的技术,提升直流位准的瞬时响应,也就成功的提升系统的比特率。另-外,自偏压输出阻抗回复的技术的另一个功能就是降低差动输出端的直流偏移,因为输出端通过两个阻值极大的电路相连,此两个电路会将输出端的直流位准互相平均,让两输出端的直流位准趋向中心值,降低输出端的直流偏移,倘若在输出端发生了直流偏移,此直流偏移会被下一级的放大器放大,导致放大器的输出端直流位准饱和,失去检测讯号的能力,故本发明利用自偏压输出阻抗回复的技术即可成功地解决差动输出端直流位准偏移的问题。
本发明在单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121的后端加入了可变频高通滤波器(High-Pass Filter)122,由于无线射频接收模块12使用的是谐波检测的方式来达成讯号的解调变,解调变后的讯号频率会直接降至基频,优点就是不需要使用大功率的混频器与大功率的振荡器来做解调变,但无线射频接收模块12解调变后讯号直接降到基频,因此解调变后的输出讯号就会遇到闪烁噪声(Flicker Noise)的直接干扰,此种极低频的干扰振幅非常大,且通过后级的放大器放大过后,一定会造成放大器输出端的直流位准偏移(DC offset),让下一级的基频放大器失去运作功能,因此,本发明在单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121的后端加入了可变频高通滤波器122,可变频高通滤波器122会将解调变后的基频讯号中的低频干扰滤除,让此低频干扰不会送至下一级的基频放大器,如此可以避免后端电路直流位准的饱和。
本发明的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121还改善了传统差动输出封包检测器输出讯号不匹配的问题,传统的谐波检测封包检测器若要产生出差动的输出讯号并结合电流再利用技术,电路设计上只能做成一端输出在下,通过N型晶体管来输出讯号,另一端输出在上,使用P型晶体管来输出讯号,然而此种作法若发生了制程偏移,就会导致N型晶体管和P型晶体管的参杂浓度不同,进而导致N型晶体管和P型晶体管的载子迁移率(mobility)与信道门坎电压(Vth)不匹配,因此两端输出的讯号振幅势必不同,输出振幅不同的两个差动讯号若输出给下一级的差动电路,会影响下一级电路的运作以及效能。本发明的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121可让差动讯号输出端同时使用N晶体管负载或是同时使用P晶体管负载来达成解调变,因此,可以解决传统差动输出封包检测器输出讯号不匹配的问题。
本发明在单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121中加入了耦合电容,由于封包检测器将讯号做解调变过后,讯号会直接解回基频,因此基频讯号势必会和组件本身的低频闪烁噪声(Flicker Noise)混合在一起,进而降低整个无线射频接收模块12的灵敏度,然而本发明加入了低频阻隔单元,就能使此封包检测器本身具有低频噪声滤除的功能,故可改善低频噪声干扰的问题。
本发明的电流再利用迭接组态双级放大器(Current-Reused Cascode-Two-StageAmplifier)123使用了电流再利用的技巧,藉以实现一种只使用单一偏压电流的双级放大器(一般的双级放大器需要提供两条以上的偏压电流),由于单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121解调变后输出的基频讯号振幅很小,若直接送至比较器124,比较器124无法闩锁(Latch)振幅过小的讯号。因此,在进入比较器124之前,会使用基频放大器来将解调出的讯号放大到比较器124所能闩锁的量级。通常放大器为了要使讯号无失真的放大,会采用负回授的架构,但增益会受到负回授的抑制而变小。本发明为数字的调变与解调变,传递的都是0和1的数字调变讯号,因而即便讯号有失真,只要振幅够大比较器124依然能将输入讯号转换出0和1的数字输出讯号,因此,本发明的电流再利用迭接组态双级放大器123采用开回路架构设计,可使增益提升,并使无线射频接收模块12能在更低的功率消耗之下,达成较大的增益。
本发明的电流再利用迭接组态双级放大器123,通过电路内部交错式的接线设计,能让此放大器打破了传统放大器架构的规格,基于迭接组态,可让基频放大器同时具放大器功率消耗较低与带宽较佳的优点,以及双级放大器增益较高与输出摆幅较大的优点,因此能创造出一个低功率消耗、高带宽、高增益的基频放大器。
本发明的电流再利用迭接组态双级放大器123,通过电路内部交错式的接线设计,让此放大器内部具有正回授的特性,通过了正回授的效应,就能使基频放大器的增益改变,使回授后的整体增益提升1/(1-BA)倍,其中,A为放大器原增益,B为回授因子,若将回授的回路增益(BA)设计在小于1的值,则即使加入正回授机制,无线射频接收模块12仍能保持稳定。
本发明的电流再利用迭接组态双级放大器123通过了电路内部交错式的接线设计,使输出端的直流位准具有自我偏压较正的功能,因此,这种差动式的电流再利用迭接组态双级放大器123的两个输出端就不需要使用共模回授的电路来稳定输出的直流位准,如此可节省共模回授电路的设计,以及减少共模回授电路所带来的功率消耗。
本发明的电流再利用迭接组态双级放大器123使用弱反转区的技术,不仅让此放大器的功率消耗更低,并且由于弱反转区下的晶体管的输出阻抗极高,也让其内部的回授因子B的值降到极低(B的值等于回授路径上晶体管输出阻抗的倒数),因此,能使BA的值非常容易设计在小于1的值,进而使无线射频接收模块12稳定。
请参照图5A和5B,说明本发明无线射频系统的单转双自偏压增益带宽提升封包检测器的内部架构图和电路图。单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121包括倍数频次谐波耦接单元1211、低频阻隔单元1212、1213、可变频谐波滤除单元1214以及高阻抗单元1215,其中,所收到的弦波输入讯号经倍数频次谐波耦接单元1211后产生谐波失真讯号,所述低频阻隔单元1212、1213对所述谐波失真讯号滤除低频噪声干扰并传送至所述可变频谐波滤除单元1214,所述可变频谐波滤除单元1214由已滤除低频噪声的所述谐波失真讯号中滤出所述基频讯号,且所述高阻抗单元1215通过交流讯号虚接地特性提升输出端的输出阻抗。
详言之,输入的讯号可以是单端或双端,如果是单端输入的话,则另外一端不需要输入讯号,直接提供直流偏压电压/电流即可。首先,输入的差动讯号会通过倍数频次谐波耦接单元1211产生出具有谐波失真的讯号,即讯号中会包含已被解调完成的基频讯号,接着,向下和向上传送至低频阻隔单元1212和低频阻隔单元1213并将低频的闪烁噪声滤除,滤除后,再传送至可变频谐波滤除单元1214,以将所欲求的基频讯号过滤出来,其中,高阻抗单元1215可提升输出端的输出阻抗,固可提升整体封包检测器的增益。
倍数频次谐波耦接单元1211可用任何具有谐波产生的电路组件或架构来实现,低频阻隔单元1212、1213可用任何具有低频阻隔的电路架构来实现,例如电感电容电阻组件,高阻抗单元1215可用任何具有高阻抗值的电路组件或架构来实现,例如被动式电阻或主动式晶体管电阻等,可变频谐波滤除单元1214可由任何具有高频谐波滤除功能的电路组件或架构来实现,例如被动组件滤波器或主动组件滤波器等。另外,左边数来第一和第三个倍数频次谐波耦接单元1211以及左半边的低频阻隔单元1212、1213、可变频谐波滤除单元1214以及高阻抗单元1215等构件可使用同一条的偏压电流或偏压电压来实现,同理,另一半的构件亦可使用同一条的偏压电流或偏压电压来实现,通过电压/电流共享,可进一步节省功率消耗。
请参照图6,说明本发明无线射频系统的无线射频接收模块内可变频高通滤波器的电路图。本发明的可变频高通滤波器(High-Pass Filter)122使用了交流讯号虚接地的特性,并且结合晶体管的源极退化组态(Source Degeneration)与源极端的可变电容,藉此产生一个可变频的高通滤波器,用于滤除低频的干扰。由于解调变出来的讯号直接落在基频且振幅极小,因此会和低频噪声混合在一起,若再经由后级的放大器放大,势必会使放大器的输出端饱和。本发明的接收机将解调完后的讯号通过一个高通滤波器(High-PassFilter),将低频的干扰滤除,此高通滤波器电路采用源极退化组态与可变电容的结合,故成为一个低功率消耗可变频带的高通滤波器。
请参照图7A和7B,说明本发明无线射频系统的电流再利用迭接组态双级放大器的内部架构图和电路图。电流再利用迭接组态双级放大器123包括数个放大器1231、1232以及双向放大器1233,其中,数个放大器1231、1232交错接线,所述已解调变的差动讯号由所述数个放大器1231、1232放大后,再送至输出端,且所述双向放大器1233通过双重输入讯号再利用的特性,提升输出讯号的振幅。
运作时,输入的差动讯号会先传送至放大器1231,接着再传送至放大器1232执行第二次的放大,最后再送至输出端,因放大的过程中执行数次放大,故整体架构为一个双级放大器,双向放大器1233利用双重输入讯号再利用的特性,可促使输出讯号的振幅再提升,且双向放大器1233连接于第一级放大器与第二级放大器之间,形成正回授的回授网络,此让电流再利用迭接组态双级放大器123可再提升(1/(1-BA))倍的增益。通过双向放大器1233的正回授路径,随着双向放大器1233本身种类的不同(例如电压放大器、电流放大器、转导放大器或转阻放大器等),可以任意的提升或降低第一级放大器与第二级放大器的输出阻抗振幅,进而改变电流再利用迭接组态双级放大器123整体带宽、或是增益、或是稳定度相位边限,另外,电流再利用迭接组态双级放大器123的交错接线架构,使其具有输出端直流位准自我稳定的功能,进而免除共模回授电路的使用,固可降低设计共模回授电路所需的功率消耗。放大器1231、1232及双向放大器1233可使用任何类型的放大器架构或组件来实现,例如电压放大器、电流放大器、转导放大器或转阻放大器等。
请参照图8,说明本发明无线射频系统的无线射频接收模块内比较器的电路图。无线射频接收模块12中,最初先通过单转双自偏压增益带宽提升封包检测器121将讯号解调变,接着,再经由电流再利用迭接组态双级放大器123放大到一定的振幅后,最后,再使用比较器124进行数字讯号的转换与输出,通过比较器124的非线性放大的方式会将基频讯号转成Rail-to-Rail的数字讯号。相较于采用高增益的运算放大器,采用基频放大器放大与具闩锁(Latch)的比较器124进行检测可以达到更低的功率消耗,并且输出更理想的数字讯号。
本发明所提出的无线射频系统,在无线射频接收模块中利用了谐波检测的技术来达成解调变,因此可以大幅简化无线射频接收模块的复杂度,降低系统功率消耗与面积,且达成便于整合的目的,另外在无线射频传输模块的部分,由于无线射频接收模块谐波检测技术的使用,在无线射频传输模块中就能免除锁相回路的使用,简化系统设计,达到降低功率消耗与面积的功效,以及便于整合的目的。
综上所述,本发明的无线射频传输系统包括:预加重讯号产生器(pre-emphasissignal generator)、电流再利用自混频压控振荡器(current-reused voltage-controlled oscillator)、电流再利用多倍转导增益功率放大器(current-reusedmultiple-transcon-ductance power amplifier)。所述预加重讯号产生器进行讯号波形的整形,可以通过各种不同形式的波形整形,来弥补各种调变方式的缺点,并可解决OOK讯号与ASK讯号振幅变化速度缓慢的问题,也可加速FSK讯号调频稳定的速度,以及解决PSK讯号不连续的高频干扰问题;所述电流再利用自混频压控振荡器通过了自混频的技术,让所述压控振荡器可以在更低的功率消耗、更低的组件面积、更低的成本,输出电压/电流振幅更高的讯号,并且拥有更低的相位噪声(phase-noise),较低的噪声裙带,可减低无线射频传输系统对于其他频带的干扰;所述电流再利用多倍转导增益功率放大器采用了电流再利用的技术、放大器的迭接架构与直流阻隔单元,创造出了一个可以产生任意倍数转导增益的功率放大器,因此功率放大器就能在更低的功率消耗下,输出更高的输出功率(OutputPower)至传输天线,让功率放大器的使用达到更高的能量转换效益,并且此迭接功率放大器可在只使用单条偏压电流的情况下,达成差动架构才具有的偶次谐波消除功能与共模噪声消除功能,可让输出讯号的线性度更好,降低对邻近通道的干扰,提升无线射频接收系统的讯号噪声比(SNR),与降低无线射频接收系统的位错误率(bit-error rate)。
本发明的无线射频接收系统包括:单转双自偏压增益带宽提升封包检测器(balunself-biasing gain-bandwidth-improved envelope detector)、可变频高通滤波器(tunable high-pass filter)、电流再利用迭接组态双级放大器(current-reusedcascode-two-stage amplifier)及比较器(comparator)。所述单转双自偏压增益带宽提升封包检测器将讯号中基频封包的部分检测出来,并且转成差动的讯号输出;所述可变频高通滤波器可排除封包检测器解调变后的讯号直接落于基频会受到低频的闪烁噪声干扰的问题;所述电流再利用迭接组态双级放大器具有迭接组态放大器功率消耗较低与带宽较佳的优点,以及双级放大器增益较高与输出摆幅较大的优点;所述比较器转换成数字数据供后端设备进行讯号处理与显示,然如果传输的是模拟讯号,就不用传送至比较器,而由放大器直接输出讯号。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及功效,而非用于限制本发明。任何熟习此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰与改变。因此,本发明的权利保护范围,应如本发明的申请专利范围所列。
Claims (9)
1.一种应用于物联网的无线射频系统,其特征在于,包括:
一无线射频传输模块,包括:
一预加重讯号产生器,用于将来自物联网的数字讯号执行讯号波形整形,以将所述数字讯号调变为已调变输出讯号;
一电流再利用自混频压控振荡器,通过自混频方式,提升所述已调变输出讯号的电压/电流振幅以及降低相位噪声;及
一电流再利用多倍转导增益功率放大器,通过电流再利用方式,放大所述已调变输出讯号的电压/电流振幅,将放大后的所述已调变输出讯号通过第一天线发送至无线信道;以及
一无线射频接收模块,包括:
一单转双自偏压增益带宽提升封包检测器,用于检测来自第二天线所接收的弦波输入讯号以得到基频讯号,且将所述基频讯号解调变为已解调变的差动讯号;及
一电流再利用迭接组态双级放大器,用于在开回路状态下执行数次放大,以放大所述已解调变的差动讯号的电压/电流振幅而产生输出讯号,将所述输出讯号传送至后端的讯号处理器。
2.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述无线射频接收模块还还包括可变频高通滤波器,用于滤除所述已解调变的差动讯号中低频噪声。
3.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述无线射频接收模块还包括比较器,用于检测所述电流再利用迭接组态双级放大器放大后的所述输出讯号,以将所述输出讯号转换成数字数据,令所述数字数据传送至所述讯号处理器执行所述数字数据的处理与显示。
4.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,当所述差动讯号为模拟讯号时,所述电流再利用迭接组态双级放大器放大后的所述输出讯号直接输出。
5.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述预加重讯号产生器包括数个延迟组件、数字逻辑运算单元以及多任务器,其中,所述数字讯号通过所述数个延迟组件分散为不同讯号,所述不同讯号经所述数字逻辑运算单元运算后通过搭配不同电压/电流偏压的所述多任务器,以令所述已调变输出讯号具有不同的电压/电流振幅。
6.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述电流再利用自混频压控振荡器包括平方律组件、直流耦合低频交流隔离单元、互补式交错混频单元以及电感电容共振单元,其中,所述平方律组件将所述已调变输出讯号进行倍频化,所述直流耦合低频交流隔离单元对已倍频化的所述已调变输出讯号滤波以滤除低频噪声,所述互补式交错混频单元对已滤波的所述已调变输出讯号进行混频以降频至一倍频的谐振频率并回传至所述电感电容共振单元,通过正回授路径提升所述已调变输出讯号的电压/电流振幅。
7.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述电流再利用多倍转导增益功率放大器包括数个放大器、直流电源单元、直流阻隔单元,其中,所述直流电源单元和所述直流阻隔单元提供交流讯号的回路,所述数个放大器放大所述已调变输出讯号的电压/电流振幅并传递至输出端。
8.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述单转双自偏压增益带宽提升封包检测器包括倍数频次谐波耦接单元、低频阻隔单元、可变频谐波滤除单元以及高阻抗单元,其中,所述弦波输入讯号经所述倍数频次谐波耦接单元后产生谐波失真讯号,所述低频阻隔单元对所述谐波失真讯号滤除低频噪声干扰并传送至所述可变频谐波滤除单元,所述可变频谐波滤除单元由已滤除低频噪声的所述谐波失真讯号中滤出所述基频讯号,且所述高阻抗单元通过交流讯号虚接地特性提升输出端的输出阻抗。
9.如权利要求1所述的无线射频系统,其特征在于,所述电流再利用迭接组态双级放大器包括数个放大器以及双向放大器,其中,所述数个放大器交错接线,所述已解调变的差动讯号由所述数个放大器放大后,再送至输出端,且所述双向放大器通过双重输入讯号再利用的特性,提升输出讯号的振幅。
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