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CN111510119B - 频率调制电路以及应用其的发射机 - Google Patents

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CN111510119B CN202010361701.3A CN202010361701A CN111510119B CN 111510119 B CN111510119 B CN 111510119B CN 202010361701 A CN202010361701 A CN 202010361701A CN 111510119 B CN111510119 B CN 111510119B
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Abstract

公开了一种频率调制电路以及应用其的发射机，所述频率调制电路包括调制电路及一种带有压控振荡器的锁相环。所述调制电路产生模拟调制信号与数字调制信号，对所述频率调制电路进行频率调制。其中，所述模拟调制信号与所述数字调制信号由同一输入信号产生。本发明将模拟调制与数字调制相结合，减小了频率调制电路的输出噪声和功耗，节省了芯片面积，同时在一定程度上克服了频率调制范围与频率调制分辨率的矛盾。

Description

频率调制电路以及应用其的发射机
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体的说，涉及一种频率调制电路以及应用其的发射机。
背景技术
传统的调频发射机一般通过带有混频器的调频电路实现调制信号对载波信号的调制，调制后的信号为适合信道传输的高频信号。相对于带有混频器的调频发射机，带有锁相环的调频发射机在功耗，面积及成本等当面更具优势，因而其应用越来越广泛。
图1为一种带有锁相环的发射机频率调制电路，锁相环单独工作时将输出信号频率锁定在参考频率，将调制信号引入锁相环后，频率调制电路输出以参考频率为中心在一定范围内波动的已调制信号，已调制信号经功率放大后输出。图1所示的频率调制方式要求引入高精度的数模转换器，而高精度的数模转换器设计复杂，导致芯片面积和功耗的增加。同时，压控振荡器对数模转换器对应的调制路径输出噪声增益较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种频率调制电路及应用其的发射机，将模拟调制与数字调制相结合，以减小现有技术中电路的输出噪声，芯片面积以及功耗较大等问题，同时在一定程度上克服了频率调制范围与频率调制分辨率的矛盾。
根据本发明的第一方面，提出了一种频率调制电路。所述频率调制电路包括调制电路，被配置为根据输入信号生成数字调制信号与模拟调制信号；带有压控振荡器的锁相环，被配置为接收参考频率，并根据所述模拟调制信号与所述数字调制信号对所述压控振荡器的输出信号进行频率调制。
优选地，所述输入信号被配置为包括高位数字码以及低位数字码。
优选地，所述频率调制电路包括第一调制电路，被配置为根据所述高位数字码生成所述数字调制信号，并对所述输出信号进行频率调制；第二调制电路，被配置为根据所述低位数字码生成所述模拟调制信号，并对所述输出信号进行频率调制。
优选地，所述第二调制电路包括数模转换器，被配置为将所述高位数字码转换成模拟信号；低通滤波器，被配置为将所述模拟信号滤波后生成所述模拟调制信号。
优选地，所述锁相环包括控制电路，根据所述参考频率与所述输出信号生成控制信号，以控制所述压控振荡器。
优选地，所述锁相环还包括分频器，被配置为根据所述输入信号以及所述输出信号对所述输出信号分频，以产生反馈信号。
优选地，所述控制电路包括鉴相器，被配置为根据所述参考频率及所述反馈信号，以产生误差信号；电荷泵，被配置为根据所述误差信号充放电，以输出相应电压信号；低通滤波器，被配置为对所述电压信号滤波，输出所述控制信号。
优选地，所述压控振荡器包括开关电容阵列以及可变电容阵列。
优选地，所述高位数字码用以控制所述开关电容阵列，以调节所述开关电容阵列的容值，进而对所述输出信号进行频率调制。
优选地，所述压控振荡器还包括电感，用以和所述开关电容阵列以及所述可变电容阵列形成振荡回路，其中所述电感，所述开关电容阵列以及所述可变电容阵列并联连接。
优选地，所述开关电容阵列包括多组并联的电容模块，其中每组电容模块包括串联连接的开关和电容。
优选地，所述数字调制信号控制所述每组电容模块中开关的导通与关断，以调节所述开关电容阵列的容值。
优选地，所述每组电容模块包括所述开关，第一电容和第二电容，其中所述开关串接在所述第一电容和所述第二电容之间。
优选地，所述第一电容的容值与所述第二电容的容值相等。
优选地，所述开关电容阵列中每组电容模块的容值相等。
优选地，所述开关电容阵列中下一组电容模块的容值是上一组电容模块的容值的两倍。
优选地，所述开关电容阵列包括第一部分与第二部分，其中，所述第一部分的每组电容模块的容值相等；所述第二部分中下一组电容模块的容值是上一组电容模块的容值的2倍。
优选地，所述可变电容阵列包括可变电容，根据所述低位数字码和所述输出信号与所述参考频率之间的误差信息调节所述可变电容阵列的容值。
优选地，所述可变电容阵列包括第一可变电容阵列与第二可变电容阵列，其中，第一可变电容阵列与第二可变电容阵列并联连接。
优选地，所述第一可变电容阵列包括第一可变电容与第二可变电容，其中所述第一可变电容和第二可变电容容值相等。
优选地，根据表征所述参考频率和所述输出信号之间的误差的控制信号控制所述第一可变电容与所述第二可变电容公共端的电压以调节所述第一可变电容阵列的容值。
优选地，所述第二可变电容阵列包括第三可变电容与第四可变电容，其中所述第三可变电容和所述第四可变电容容值相等。
优选地，根据所述模拟调制信号控制所述第三可变电容与所述第四可变电容公共端的电压以调节所述第二可变电容阵列的容值。
根据本发明的第二方面，提出了一种发射机。所述发射机包括以上任意所述频率调制电路和功率放大器。其中，所述频率调制电路根据所述输入信号，并以所述参考频率为基准对所述输出信号进行频率调制；所述功率放大器对所述输出信号功率放大后由所述发射机天线发射。
综上所述，本发明根据调制电路产生的模拟调制信号与数字调制信号进行频率调制，使得输出信号以参考频率为中心在一定范围内波动。本发明将模拟调制与数字调制相结合，减小了频率调制电路的输出噪声和功耗，节省了芯片面积，同时在一定程度上克服了频率调制范围与频率调制分辨率的矛盾。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为现有技术一种频率调制电路示意图；
图2为本发明实施例发射机电路示意图；
图3为本发明实施例压控振荡器示意图；
图4为本发明实施例第一种开关电容阵列电路示意图；
图5为本发明实施例第二种开关电容阵列电路示意图；
图6为本发明实施例第三种开关电容阵列电路示意图；以及
图7为本发明实施例第二调制支路输出噪声传递函数模型图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2为本发明实施例发射机电路示意图。如图2所示，发射机包括频率调制电路及功率放大器PA，其中频率调制电路包括调制电路以及带有压控振荡器的锁相环3。在没有调制电路的情况下，锁相环接收参考频率，并使得输出信号(分频后)的频率等于参考频率。调制电路根据输入信号产生数字调制信号Dm和模拟调制信号Vm，用于对输出信号Vout的频率进行调制，从而使得输出信号的频率以参考频率为中心在预设范围内上下波动，这里参考频率为发射信道中心频率，该预设范围由输入信号Din决定。进一步地，已调制的输出信号Vout经功率放大器PA功率放大后由发射机天线发射。其中，调制电路包括第一调制电路1以及第二调制电路2。
本发明实施例中，输入信号Din包括高位数字码和低位数字码。其中，第一调制电路1根据高位数字码直接产生数字调制信号Dm，第二调制电路2根据低位数字码生成模拟调制信号Vm，以控制压控振荡器VCO。在第二调制支路2中，数模转换器DAC将高位数字码转换成模拟信号，经低通滤波器LPF1滤波后产生模拟调制信号Vm，以控制压控振荡器VCO；
如图2所示，带有压控振荡器的锁相环3，接收参考频率Fref，并根据所述模拟调制信号Vm与所述数字调制信号Dm对，所述压控振荡器VCO的输出信号Vout进行频率调制。锁相环3包括控制电路31，sigma-delta调制器SDM，压控振荡器VCO以及分频器Div。其中控制电路31包括鉴相器PFD，电荷泵CP以及低通滤波器LPF2。进一步地，sigma-delta调制器SDM对输入信号Din进行sigma-delta调制，分频器Div根据sigma-delta调制器输出数字码对输出信号Vout分频，产生反馈信号Vfed，其中sigma-delta调制器输出数字码均值与输入信号Din相等；鉴相器PFD根据参考频率Fref与输出信号反馈信号Vfed生成误差信号，电荷泵CP根据误差信号进行充放电，输出相应电压信号，输出一个控制信号Vc，以控制压控振荡器VCO，从而实现对输出信号Vout的频率调制。由上述可知，模拟调制信号Vm，数字调制信号Dm及控制信号Vc共同实现对输出信号Vout的频率调制。
图3为本发明实施例压控振荡器示意图。如图3所示，压控振荡器VCO包括并联连接的开关电容阵列C1，可变电容阵列以及带中间抽头的电感L(电感中间抽头接电源VDD)，以实现频率调制。进一步地，压控振荡器还包括两个差分输出端Out_p和Out_n，以输出差分信号Vout。此外，压控振荡器VCO还包括功率管Q1和功率管Q2，其中功率管Q1及Q2源极接地，功率管Q1的栅极和漏极分别交叉耦合到功率管Q2的漏极和栅极，之后分别连接到压控振荡器差分输出端。电感与电容形成LC谐振回路进行调谐，当谐振回路发生振荡时，在谐振回路中产生能量损耗，导致振荡信号衰减，功率管Q1和Q2可向谐振回路提供电流，从而补充振荡损耗。
如图3所示，开关电容阵列C1包括多组并联的电容模块，每组电容模块包括第一电容C11、第二电容C12以及开关S，其中开关S串联接在第一电容C11和第二电容C12之间。进一步地，第一电容C11和第二电容C12容值相等。
在本实施例中，数字控制信号Dm控制开关电容阵列C1中开关S的导通与关断，从而控制第一电容C11及C12是否接入谐振回路，以调节谐振回路总电容，实现输出信号的频率调制。当数字控制信号Dm控制开关S导通时，第一电容C11和第二电容C12被接入回路，谐振回路总电容增加，振荡频率减小；当数字控制信号Dm控制开关S关断时，第一电容C11和第二电容C12未被接入回路，谐振回路总电容减小，振荡频率增加。
可选地，图4为本发明实施例第一种开关电容阵列示意图。如图4所示，具体地，开关电容阵列C1为二进制权重电容阵列，下一组电容模块的容值为上一组电容模块容值的两倍。本实施例中数字控制信号Dm为m位二进制数，控制开关的导通与关断。这里，二进制数位数即为电容模块组数m(也即开关数量)。
可选地，图5为本发明实施例第二种开关电容阵列示意图。如图5所示，具体地，开关电容阵列C1为单位权重电容阵列，进一步地，每组电容模块电容相等。本实施例中，数字控制信号Dm为m位二进制数，通过数字逻辑控制电路转换成2m位温度计码控制开关的导通与关断，温度计码位数即为电容模块组数2m(也即开关数量)。
可选地，图6为本发明实施例第三种开关电容阵列示意图。如图6所示，具体地，开关电容阵列C1包括单位权重电容阵列和二进制电容权重阵列，其中二进制权重电容阵列下一组电容容值为上一组电容容值两倍。具体地，本发明实施例中，数字控制信号Dm为a+b位二进制数，低位b位二进制数控制二进制权重电容阵列中开关的导通与关断；高位a位二进制数通过数字逻辑控制电路转换成2a位温度计码控制单位权重电容阵列开关的导通与关断，其中，二进制电容阵列第一组电容模块第一电容容值为单位电容阵列单位电容容值的2a倍，电容模块组数为2a+b(也即开关数量)。
如图2所示，可变电容阵列包括第一可变电容阵列C2和第二可变电容阵列C3。进一步地，第一可变电容阵列C2包括第一可变电容C21和第二可变电容C22，这里第一可变电容C21和第二可变电容C22容值相等。进一步地，第一可变电容C21与第二可变电容C22公共端与外部控制端口连接，控制信号Vc通过外部控制端口控制第一可变电容C21与第二可变电容C22公共端电压，以调节第一可变电容阵列C2容值，调节谐振回路总电容，进而实现输出信号的频率调制。第二可变电容阵列C3包括第三可变电容C31和第四可变电容C32，这里第三可变电容C31和第四可变电容C32容值相等。进一步地，第三可变电容C31与第四可变电容C32公共端与外部控制端口连接，模拟调制信号Vm通过外部控制端口控制第三可变电容C31与第四可变电容C32公共端电压，以调节第二可变电容阵列C3容值，调节谐振回路总电容，进而实现输出信号的频率调制。
图7为本发明实施例第二调制支路输出噪声传递函数模型图，图中忽略了分频比控制支路。可选地，输入信号包括高位m位二进制数及低位n位二进制数。
可选地，n位低位频率调制的频率分辨率为fres1，模拟调制信号控制的压控振荡器VCO的调制增益为km1；m位高位频率调制的频率分辨率为fres2，数字调制信号控制的压控振荡器VCO的调制增益为km2，模数转换器DAC输出电压范围为Vdac，压控振荡器VCO频率调制范围fm为：
fm＝[(2m-1)fres2+(2n-1)fres1]/Vdac
第二调制电路2控制的压控振荡器VCO的调制增益km1：
km1＝(2n-1)fres1/Vdac
设第二调制电路2输出噪声为Vn，这里，第二调制电路2的输出噪声由数模转换器DAC生成的噪声经滤波器LPF1滤波后形成，频率调制电路的输出噪声为Φout。为推导第二调制电路2输出噪声Vn对输出噪声Φout的贡献的传递函数G(s)，将参考频率Fref设置为零。其中多模分频器Div分频比为N，鉴相器PFD增益为kpd，锁相环3低通滤波器LPF2增益为LPF2(s)，控制信号Vc对应的压控振荡器VCO增益为Kvco，则传递函数G(s)可以表示为：
G(s)＝Φout/Vn＝km1/s*(N*s)/[N*s+kpd*LPF2(s)*Kvco]
从噪声传递函数可以看出，减小第二调制电路2控制的压控振荡器VCO的调制增益Km1，可以减小DAC产生的的噪声对压控振荡器VCO输出噪声Φout的贡献。在本发明实施例中，将模拟调制与数字调制结合，减小由模拟调制支路控制的频率调制范围，因而可以减小压控振荡器对模拟调制支路输出噪声的增益，进而减小了频率调制电路的噪声输出。同时，数模转换器的设计复杂度可以降低，通过合理的安排数模转换器位数和低位数字码位数，可以减小第二调制支路的面积。总体而言，本发明实施例在功耗及面积方面有一定优势，以及在一定程度上克服了频率分辨率与频率调制范围的矛盾。
依照本发明实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (22)

1.一种频率调制电路，其特征在于，包括：
调制电路，被配置为根据包括高位数字码以及低位数字码的输入信号生成数字调制信号与模拟调制信号，其中所述调制电路包括第一调制电路，被配置为根据所述高位数字码生成所述数字调制信号；以及第二调制电路，被配置为根据所述低位数字码生成所述模拟调制信号；以及
带有压控振荡器的锁相环，被配置为接收参考频率，并根据所述模拟调制信号与所述数字调制信号对所述压控振荡器的输出信号进行频率调制。
2.根据权利要求1所述的频率调制电路，其特征在于，所述第二调制电路包括：
数模转换器，被配置为将所述高位数字码转换成模拟信号；
低通滤波器，被配置为将所述模拟信号滤波后生成所述模拟调制信号。
3.根据权利要求1所述的频率调制电路，其特征在于，所述锁相环包括：
控制电路，根据所述参考频率与所述输出信号生成控制信号，以控制所述压控振荡器，从而实现对所述输出信号的频率调制。
4.根据权利要求3所述的频率调制电路，其特征在于，所述锁相环还包括分频器，被配置为根据所述频率调制电路的输入信号经由sigma-delta调制器输出数字码对所述压控振荡器的输出信号进行分频，以产生反馈信号。
5.根据权利要求4所述的频率调制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
鉴相器，被配置为根据所述参考频率及所述反馈信号，以产生误差信号；
电荷泵，被配置为根据所述误差信号充放电，以输出相应电压信号；
低通滤波器，被配置为对所述电压信号滤波，输出所述控制信号。
6.根据权利要求1所述的频率调制电路，其特征在于，所述压控振荡器包括：
开关电容阵列以及可变电容阵列。
7.根据权利要求6所述的频率调制电路，其特征在于，所述高位数字码用以控制所述开关电容阵列，以调节所述开关电容阵列的容值，进而对所述输出信号进行频率调制。
8.根据权利要求6所述的频率调制电路，其特征在于，所述压控振荡器还包括：电感，用以和所述开关电容阵列以及所述可变电容阵列形成振荡回路，其中所述电感，所述开关电容阵列以及所述可变电容阵列并联连接。
9.根据权利要求6所述的频率调制电路，其特征在于，所述开关电容阵列包括多组并联的电容模块，其中每组电容模块包括串联连接的开关和电容。
10.根据权利要求9所述的频率调制电路，其特征在于，所述数字调制信号控制所述每组电容模块中开关的导通与关断，以调节所述开关电容阵列的容值。
11.根据权利要求9所述的频率调制电路，其特征在于，所述每组电容模块包括所述开关，第一电容和第二电容，其中所述开关串接在所述第一电容和所述第二电容之间。
12.根据权利要求11所述的频率调制电路，其特征在于，所述第一电容的容值与所述第二电容的容值相等。
13.根据权利要求9所述的频率调制电路，其特征在于，所述开关电容阵列中每组电容模块的容值相等。
14.根据权利要求9所述的频率调制电路，其特征在于，所述开关电容阵列中下一组电容模块的容值是上一组电容模块的容值的两倍。
15.根据权利要求9所述的频率调制电路，其特征在于，所述开关电容阵列包括第一部分与第二部分，其中，所述第一部分的每组电容模块的容值相等；所述第二部分中下一组电容模块的容值是上一组电容模块的容值的2倍。
16.根据权利要求6所述的频率调制电路，其特征在于，所述可变电容阵列包括可变电容，根据所述低位数字码和所述输出信号与所述参考频率之间的误差信息调节所述可变电容阵列的容值。
17.根据权利要求16所述的频率调制电路，其特征在于，所述可变电容阵列包括第一可变电容阵列与第二可变电容阵列，其中，第一可变电容阵列与第二可变电容阵列并联连接。
18.根据权利要求17所述的频率调制电路，其特征在于，所述第一可变电容阵列包括第一可变电容与第二可变电容，其中所述第一可变电容和第二可变电容容值相等。
19.根据权利要求18所述的频率调制电路，其特征在于，根据表征所述参考频率和所述输出信号之间的误差的控制信号控制所述第一可变电容与所述第二可变电容公共端的电压以调节所述第一可变电容阵列的容值。
20.根据权利要求17所述的频率调制电路，其特征在于，所述第二可变电容阵列包括第三可变电容与第四可变电容，其中所述第三可变电容和所述第四可变电容容值相等。
21.根据权利要求20所述的频率调制电路，其特征在于，根据所述模拟调制信号控制所述第三可变电容与所述第四可变电容公共端的电压以调节所述第二可变电容阵列的容值。
22.一种发射机，其特征在于，包括权利要求1-21任意一项所述的频率调制电路和功率放大器，其中，所述频率调制电路根据所述输入信号，并以所述参考频率为基准对所述输出信号进行频率调制；所述功率放大器对所述输出信号功率放大后由所述发射机天线发射。
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