DE60306537T2

DE60306537T2 - Mehrband-empfangsoszillatorfrequenzerzeugungsschaltung

Info

Publication number: DE60306537T2
Application number: DE60306537T
Authority: DE
Inventors: S. Wilhelm San Jose HAHN; Emmanuel San Jose RIOU
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2023-08-23
Also published as: KR20050059080A; WO2004021572A3; JP2005537744A; ATE332032T1; AU2003255997A1; TW200419930A; CN100492881C; AU2003255997A8; EP1550204A2; US6816021B2; US20040041642A1; DE60306537D1; EP1550204B1; CN1723608A; WO2004021572A2

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte Halbleiterschaltungs(IC) Anordnungen und bezieht sich spezieller auf eine Frequenzerzeugungsschaltung mit lokalem Oszillator (LO) zur Verwendung in einem Sender oder Empfänger in einer Kommunikationseinrichtung, die beispielsweise in einem drahtlosen lokalen Netzwerk arbeitet. Die Erfindung ist besonders relevant für Kombinationseinrichtungen, die einen lokalen Multiband-Oszillator erfordern, wie z.B. eine drahtlose IEEE 802.11-Einrichtung. Andere Anwendungen für die Erfindung umfassen Sender oder Empfänger, die in verschiedenen Frequenzbändern über ein drahtloses oder terrestrisches Medium arbeiten müssen.
Anordnungen mit lokalen Frequenzoszillatoren wurden in vielen Anwendungen verwendet, die von Mobiltelefonen zu Fernsehtunern zu drahtlosen lokalen Netzwerken (WLAN) oder drahtlosen persönlichen Netzwerken reichen, die verschiedene standardisierte Protokolle wie z.B. IEEE 802.15, IEEE 802.11a/b, HiperLAN 2 oder Zigbee implementieren. Eine drahtlose Einrichtung empfängt über eine Antenne durch ihren Empfänger Funksignale. Die Funksignale werden zur weiteren Bearbeitung, um Basisbandsignale zu erzeugen, mit LO-Frequenzsignalen, die von einer LO-Frequenzerzeugungsschaltung erzeugt werden, gemischt. Der Empfänger ist typischerweise in der Lage, Funksignale in vielfachen Frequenzbändern zu empfangen. Zurzeit gibt es mehrere Wege, den LO-Frequenzbandschalter zum Erzeugen von Frequenzsignalen zu realisieren, um vielfache Frequenzbänder zu produzieren.
Konventionell umfasst eine einfache Implementierung mehrere spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO), einen für jede der gewünschten Frequenzen, die erzeugt werden sollen, und einen Multiplexer. Der Multiplexer erlaubt die Auswahl einer gegebenen Frequenz aus den gewünschten Frequenzen. Der Hauptnachteil dieser Technik ist die lange Schaltzeit und die große erforderliche Siliziumfläche.
Ein anderer Ansatz ist, nur einen VCO in Verbindung mit einer Kondensatorbank zu verwenden. Die gewünschte Frequenz wird dann durch Schalten zwischen ausgewählten Kondensatoren in der Kondensatorbank erzeugt.
Eine andere bekannte Technik ist es, einen VCO zu verwenden, der von einem Frequenzteiler mit einem Divisor von N gefolgt wird. Durch Ein- oder Ausschalten des Frequenzteilers können Frequenzen erzeugt werden, die ganzzahlige Subharmonische der VCO-Frequenz sind. Die Limitierung dieser Technik ist, dass sie nur für kleine ganze Zahlen arbeitet und keine nicht-ganzzahligen Bandfrequenzverhältnisse erzeugen kann. Außerdem wird normalerweise ein Hochfrequenz-VCO benötigt.
US-A-3.140.447 beschreibt einen verbesserten Frequenzteiler zum Erzeugen von sinusförmiger elektrischer Energie der Frequenz f als Reaktion auf elektrische Energie mit der Frequenz nf, wobei n eine ganze Zahl ist und wobei der Teiler in der Abwesenheit eines Eingangssignals nf innerhalb eines vorher festgelegten Amplitudenbereichs nicht oszillierend ist und der rückgekoppelt ist, wenn ein Eingangssignal nf innerhalb des genannten vorher festgelegten Amplitudenbereichs an ihn angelegt wird.
US-A-3.320.547 beschreibt eine Schaltungsanordnung mit einem Modulator, der im Gebrauch angeordnet ist, mit einer modulierenden Frequenz über einen Rückkopplungspfad von dem Modulatorausgang gespeist zu werden, wobei der Rückkopplungspfad eine Frequenzteileranordnung enthält.
Deshalb gibt es einen Bedarf für eine verbesserte HF-Frequenzerzeugungsschaltung mit überragender Leistungsfähigkeit.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine lokale Multiband-Oszillatorimplementierung mit einem einzigen Oszillator zu schaffen, der die verschiedenen Frequenzbänder erzeugt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine lokale Oszillatorerzeugungsschaltung zu schaffen, die eine größere Flexibilität zum Wählen des Frequenzbereichs des spannungsgesteuerten Oszillators als die zur Zeit existierenden Implementierungen bietet.
Zu diesem Zweck erzeugt eine LO-Frequenzerzeugungsschaltung der Erfindung ein LO-Ausgangsfrequenzsignal aus einem Eingangsfrequenzsignal. Die Schaltung umfasst eine Schalter-Schaltung mit einem Schalter und einer Vielzahl von Filtern. Die Schalter-Schaltung ist konfiguriert, das LO-Ausgangsfrequenzsignal durch eines der Filter zu filtern, um ein gefiltertes Frequenzsignal zu produzieren. Ein Frequenzteiler ist konfiguriert, eine Frequenz des gefilterten Frequenzsignals durch einem vorher festgelegten Quotienten zu teilen, um ein sekundäres Ausgangsfrequenzsignal zu erzeugen. Das LO-Ausgangsfrequenzsignal wird in einem Mischer erzeugt, der das Eingangsfrequenzsignal mit dem sekundären Ausgangsfrequenzsignal mischt.
Eine Schaltung der Erfindung ermöglicht es, ein Ausgangssignal einer gewünschten Frequenz durch Schalten zu dem passenden Filter der Schalter-Schaltung zu erzeugen. Also kann das gewünschte Frequenzausgangssignal durch Setzen der passenden Frequenz des Eingangsfrequenzsignals und die passenden Charakteristiken für die Filter und Teiler erzeugt werden. Das gewünschte Frequenzband kann danach auf der Basis des Frequenzbandes des Eingangsfrequenzsignals erhalten werden. Das Eingangsfrequenzsignal kann von einem lokalen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erhalten werden. Die Charakteristiken der Schalter-Schaltung und des Frequenzteilers können auf der Basis der Schwingungsfrequenz des VCO und der gewünschten Frequenz des zu erreichenden Ausgangsfrequenzsignals bestimmt werden. Für jedes Filter der Schalter-Schaltung kann eine gegebene LO-Ausgangsfrequenz erzeugt werden.
In einer Ausführungsform erlaubt die Schalter-Schaltung das Schalten zwischen einem Tiefpassfilter und einem Hochpassfilter und die Erfindung ermöglicht dabei, zwei Frequenzen und zwei entsprechende Frequenzbänder abzuleiten. Ein Vorteil der Erfindung ist es deshalb, die Erzeugung von verschiedenen Frequenzbändern bei Verwendung eines einzelnen spannungsgesteuerten Oszillators zu ermöglichen. Ein anderer Vorteil der Erfindung ist es, die Erzeugung von Frequenzbändern zu ermöglichen, die oberhalb und unterhalb der Eingangsfrequenz des VCOs angeordnet sind. Also erlaubt die Erfindung eine größere Flexibilität in der Wahl der Frequenzbänder, an denen der VCO arbeitet. Die Frequenz kann deshalb gewählt werden, um das Phasenrauschen und den Abstimmbereich zu optimieren, und folglich kann das Frequenzband des VCOs schmäler gemacht werden, um das entstandene Phasenrauschen zu reduzieren.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Schaltung der Erfindung verwendet werden, um durch Einfügen einer Schaltung der Erfindung ananstellees Frequenzteilers andere Frequenzen zu erzeugen. Solch eine Schaltung umfasst deshalb zwei Schalter-Schaltungen und in einer Ausführungsform, wo die Schalter-Schaltungen das Schalten zwischen einem Hochpassfilter und einem Tiefpassfilter ermöglichen, können vier Frequenzen aus vier möglichen Kombinationen von Filtern erzeugt werden, wie hiernach gezeigt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann das LO-Ausgangssignal von einer Kaskade von Schaltungen der Erfindung erzeugt werden.
Andere Aufgaben und Errungenschaften mit einem vollständigeren Verstehen der Erfindung werden offensichtlich und verstanden mit Bezug auf die folgende Be schreibung und die Ansprüche, die in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung gemacht werden.
Die Erfindung wird in weiteren Details und mit Bezug auf die zugehörige Zeichnung als Beispiel erklärt. In der Zeichnung zeigen:
1 eine typische konventionelle I/O-Schaltung;
2 eine I/O-Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 ein beispielhaftes Schaltbild der Detektionsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
4 ein beispielhaftes Schaltbild der Referenzspannungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche oder entsprechende Merkmale und Funktionen haben in den verschiedenen Figuren gleiche Bezugszeichen.
1 zeigt ein funktionales Blockschaltbild eines Empfängers 10 zur Verwendung in einer drahtloses Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Empfänger 10 empfängt über Antenne 12 Funksignale. Die Funksignale werden von einem rauscharmen Verstärker (LNA) 14 verstärkt. Empfänger 10 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 22, der ein Frequenzsignal Fin erzeugt, das in einen Schalter-Teilerblock 20 gegeben wird. Block 20 erzeugt ein Frequenzsignal Fout des lokalen Oszillators (LO), das in unterschiedlichen Frequenzbändern sein kann, zum Mischen mit den verstärkten Frequenzsignalen von LNA 14 über einen Mischer 24. Die gemischten Frequenzsignale werden durch ein Tiefpassfilter 26 gefiltert, der die gefilterten Signale an einen Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (VGA) 32 liefert, um Basisbandsignale zu erzeugen.
2 zeigt ein funktionales Blockschaltbild für einen Schalter-Teilerblock 20 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Block 20 enthält einen Mischer 34, eine Schalter-Schaltung 36 und einen Frequenzteiler 40. Das Eingangsfrequenzsignal Fin wird von VCO 22 an den Schalter-Teilerblock 20 geliefert, um ein Ausgangsfrequenzsignal Fout zu erzeugen. Das Ausgangsfrequenzsignal Fout wird über Schalter-Schaltung 36 und Frequenzteiler 40 zurückgespeist und wird von Mischer 34 mit dem Eingangsfrequenzsignal Fin gemischt. Die Schalter-Schaltung 36 enthält eine Vielzahl von Frequenzfiltern, die nur erlauben, dass ausgewählte Frequenzen mit Fin gemischt werden, wie es detaillierten weiter unten beschrieben wird. Teiler 40 teilt außerdem die in der Schalter-Schaltung 36 ausgewählte Frequenz mit einem vorher festegelegten Teilerquotienten. In einer anderen Oszillatorschaltung, die keinen Teil der Erfindung bildet, ist der Teiler 40 vor der Schalter-Schaltung 36 angeord net, sodass das Ausgangsfrequenzsignal Fout zuerst durch den Teiler 40 für die Frequenzteilung geleitet wird und dann durch ein ausgewähltes der Filter der Schalter-Schaltung 36 gefiltert wird. Eine solche Implementierung erfordert Frequenzfilter mit steilerer Charakteristik als die Filter der in 2 gezeigten Ausführungsformen, da in die Filter hereinkommende Frequenzen in einem schmaleren Band komprimiert sein können.
3 zeigt eine Implementierung der Schalter-Schaltung 36 in einem Schalter-Teilerblock 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Schalter-Schaltung 36 enthält einen Hochpassfilter 42, einen Tiefpassfilter 44 und einen Schalter 46. Der Schalter 46 erlaubt die Auswahl zwischen Hochpassfilter 42 und Tiefpassfilter 44. Wenn das Hochpassfilter 42 ausgewählt ist, wird Fout als Fout = (N/(N – 1))·Fin ausgedrückt. Andererseits ist, wenn das Tiefpassfilter 44 ausgewählt ist, Fout = (N/(N + 1))·Fin. Beispielsweise wird in einer drahtlosen Anordnungsimplementierung der IEEE 802.11a/b-Protokollstandards mit N = 3 und einer VCO-Frequenz Fin = 3,5 GHz Folgendes erzeugt: mit dem Hochpassfilter ausgewählt ist Fout = 5,25 GHz und mit dem Tiefpassfilter ausgewählt ist Fout = 2,625 GHz.
4 zeigt einen Schalter-Teilerblock 50 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform gleicht der in 3, außer dass ein zweiter Mischer 54 dazugefügt ist und der Divisor N des Frequenzteilers 40 auf eine gerade Zahl gesetzt ist. Diese Ausführungsform nimmt den Vorteil der intrinsischen Charakteristik des Teilers 40 mit einem geraden Quotienten, um beide In-Phase-Ausgangssignale I1 und I2 (I1 um 180° verschoben) und beide Quadratur-Ausgangssignale Q1 und Q2 (Q1 um 180° verschoben) zu erzeugen. Tatsächlich kann ein Teiler mit einem geraden Quotienten verwendet werden, um ein gegebenes Signal und dessen um 90° und 270° verschobene Version zu erzeugen. Wenn also der Teiler 40 ein Ausgangssignal liefert, liefert er auch die um 90°, 180° und 270° verschobenen Versionen.
5 zeigt einen Schalter-Teilerblock 60 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform gleicht der in 3, außer dass sie eine unterschiedliche Implementierung der Schalter-Schaltung 36 enthält. In 5 enthält die Schalter-Schaltung 36 ein Bandpassfilter 62 und ein Notch-Filter 64 zusätzlich zu dem Hochpassfilter 42, dem Tiefpassfilter 44 und dem Schalter 46. Schalter 46 erlaubt die Auswahl zwischen den vier Filtern. Das serielle Notch-Filter 64 kann abhängig von dessen Einstellung als ein Hoch- oder Niederfrequenzfilter arbeiten. Schalten des Schalters 46 ermöglicht es, eines der Filter 62, 64, 42 oder 44, die als ein Hochpass- oder Tiefpassfilter arbeiten, auszuwählen. Also kann das Ausgangsfrequenzsignal abhängig von der gewünschten Frequenz durch ein Tiefpassfilter oder ein Hochpassfilter gegeben werden. Wenn das ausgewählte Filter 42, 62 oder 64 als ein Hochpassfilter arbeitet, kann das Ausgangsfrequenzsignal Fout wie folgt ausgedrückt werden: Fout = (N/(N – 1))·Fin. Wenn das ausgewählte Filter als ein Tiefpassfilter arbeitet, kann das Ausgangsfrequenzsignal Fout wie folgt ausgedrückt werden: Fout = (N/(N + 1))·Fin.
In den obigen Ausführungsformen kann der Divisor des Frequenzteilers 40 eine ganze Zahl oder eine gebrochene Zahl sein. Außerdem kann der Frequenzteiler 40 durch den oben beschriebenen Schalter-Teilerblock ersetzt werden, wie in 6 gezeigt, und erzeugt dadurch eine kaskadierte Implementierung des Frequenzteilers 40.
6 zeigt einen Schalter-Teilerblock 70 gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform gleicht der in 2, aber der Frequenzteilerblock 40 ist durch einen anderen Schalter-Teilerblock 40' ersetzt. Der Frequenzteiler in Block 40' kann außerdem durch noch einen anderen Schalter-Teilerblock ersetzt werden und so weiter. Wenn man das so macht, können 2^k Frequenzbänder erzeugt und ausgewählt werden, wobei k die Anzahl der verwendeten Schalter-Teilerblöcke ist. Also können durch Verwenden von 2 Schalter-Teilerblöcken 4 Frequenzbänder erzeugt werden, durch Verwenden von 3 Schalter-Teilerblöcken 8 Frequenzbänder erzeugt werden und so weiter. Das Frequenzband von Fout wird direkt aus dem Frequenzband von Fin erhalten, das das Frequenzband des VCO ist, der Fin erzeugt. Solche Ausführungsformen erlauben es, ein VCO mit einem schmaleren Band zu verwenden, da die Erfindung es erlaubt, ein größeres Frequenzband für Fout zu erzeugen. Also kann das Band des VCO gewählt werden, um das Phasenrauschen zu minimieren.

Claims

Lokale Oszillatorschaltung zum Erzeugen eines Ausgangsfrequenzsignals aus einem Eingangsfrequenzsignal, die Folgendes umfasst: – einen Mischer (34, 54) der konfiguriert ist, das Eingangsfrequenzsignal mit einem sekundären Ausgangsfrequenzsignal zu mischen, um das Ausgangsfrequenzsignal zu erzeugen, – einen Frequenzteiler (40), der konfiguriert ist, eine Frequenz eines gefilterten Frequenzsignals durch einen vorher festgelegten Quotienten zu teilen, um das genannte sekundäre Ausgangsfrequenzsignal zu erzeugen; wobei die lokale Oszillatorschaltung gekennzeichnet ist durch – eine Schalter-Schaltung (36) mit einem Schalter (46) und einer Vielzahl von Filtern (42, 44, 62, 64), wobei die Schalter-Schaltung (36) konfiguriert ist, das Ausgangsfrequenzsignal durch eines der Filter zu filtern, um das gefilterte Frequenzsignal zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 1, in der die Schalter-Schaltung (36) ein Filter (42, 44, 62, 64) zum Erzeugen des gefilterten Frequenzsignals umfasst, wobei das Filter ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter, ein Band-I-Passfilter oder ein Notch-Filter ist.
Schaltung nach Anspruch 1, die außerdem einen spannungsgesteuerten Oszillator (22) zum Erzeugen des Eingangsfrequenzsignals umfasst.
Schaltung nach Anspruch 1, in der das Eingangsfrequenzsignal eine Frequenz im Wesentlichen gleich 3,5 GHz hat.
Schaltung nach Anspruch 1, in welcher der Teiler Folgendes umfasst: eine sekundäre lokale Oszillatorschaltung zum Erzeugen des sekundären Ausgangsfrequenzsignals aus dem gefilterten Frequenzsignal, wobei die sekundäre Schaltung eine sekundäre Schalter-Schaltung mit einem sekundären Schalter und einer Vielzahl von sekundären Fil tern umfasst, die sekundäre Schalter-Schaltung konfiguriert ist, das sekundäre Ausgangsfrequenzsignal durch eines der sekundären Filter zu filtern, um ein gefiltertes sekundäres Frequenzsignal zu erzeugen; einen sekundären Frequenzteiler, der konfiguriert ist, eine Frequenz des gefilterten sekundären Frequenzsignals durch einen zweiten vorher festgelegten Quotienten zu teilen; und einen sekundären Mischer, der konfiguriert ist, das gefilterte Frequenzsignal mit dem Ausgangssignal des sekundären Frequenzteilers zu mischen, um das sekundäre Ausgangsfrequenzsignal zu erzeugen.
Anordnung mit einer lokalen Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Anordnung nach Anspruch 6, in der die Anordnung einen Sender umfasst, der basierend auf den Nachträgen des IEEE 802.11-Standards arbeitet.
Anordnung nach Anspruch 6, in der die Anordnung einen Empfänger umfasst, der basierend auf den IEEE 802.11a, IEEE 802.11b oder IEEE 802.11g-Standards arbeitet.
Anordnung nach Anspruch 6, in der die Anordnung außerdem eine Antenne (12) zum Empfangen eines Datensignals über ein drahtloses lokales Netzwerk und eine Mischanordnung zum I-Mischen des empfangenen Datensignals mit dem LO-Ausgangsfrequenzsignal umfasst.
Anordnung nach Anspruch 6, in der die Anordnung außerdem eine Antenne (12) zum Senden des Funkfrequenzdatensignals und eine Mischanordnung zum Mischen des Basisbanddatensignals mit dem LO-Ausgangsfrequenzsignal, um das Funkfrequenzsignal zu erzeugen, umfasst.
Kommunikationssystem mit einer lokalen Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.