CN105375945A - 用于机器到机器应用的rf前端架构 - Google Patents

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Abstract

本发明的各实施例涉及用于机器到机器应用的RF前端架构。本发明的一个实施例提供了一种用于机器到机器应用的RF前端模块。RF前端模块包括集成电路(IC)芯片，该集成电路(IC)芯片包括多个功能块。该多个功能块至少包括发射链、接收链、合成器以及用于与其他片外前端组件对接的一个或者多个接口。

Description

用于机器到机器应用的RF前端架构
相关申请的交叉引用
本申请要求提交于2014年8月15日、发明人为HansWang、TaoLi、BingleiZhang和ShihHsiungMo、名称为“RFFrontEndArchitectureforMachine-to-Machine(M2M)Application”、代理人案号为AVC14-1002PSP的第62/038,005号美国临时申请的权益。
技术领域
本公开内容总体上涉及射频(RF)前端组件。更具体地，本公开内容涉及适于用于机器到机器(M2M)通信的RF前端架构。
背景技术
机器到机器(M2M)通信在物联网(IoT)的新兴技术中扮演了重要的角色，物联网是对现有因特网基础设施内的唯一可标识嵌入式计算设备的互连。更具体地，M2M通信是指使得联网设备能够交换信息和执行动作而无需人类的手动辅助的任何技术。
在这一早期阶段中，M2M通信技术(比如遥测)被用于远程监控目的，从而依赖于电话线路，并且稍后依赖于无线电波，以用于对经测量操作数据的传输。因特网的出现以及公共无线网络的盛行已将M2M通信的角色从纯粹的科学、工程学和制造扩张到如家庭供暖单元、电表和连接到因特网的装置的产品中的日常使用。例如，公用事业公司已使用了所谓的“智能”仪表来定期记录公用事业使用的消耗并且出于监控和记账目的将该信息传达回公用事业公司。另外，在所谓的“智能”家居中，各种装置由家庭网络连接并且能够相互通信以及经由家庭所有者所携带的移动设备从该所有者接收操作命令。
对比如长期演进(LTE)网络的下一代无线网络的当前开发意味着M2M通信现在可以利用更高速度在网络上被承载。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种用于机器到机器应用的RF前端模块。该RF前端模块包括集成电路(IC)芯片，该集成电路(IC)芯片包括多个功能块。该多个功能块至少包括发射链、接收链、合成器以及用于与其他片外前端组件对接的一个或者多个接口。
在对这一实施例的变型中，该接收链包括接收器、模数转换器(ADC)以及用于与基带处理器对接的数字接口。
在进一步的变型中，该数字接口是串行接口。
在对这一实施例的变型中，该发射链包括发射器、数模转换器(DAC)以及用于与基带处理器对接的数字接口。
在进一步的变型中，该数字接口是串行接口。
在对这一实施例的变型中，该功能块还包括耦合到该发射链的功率检测器。
在对这一实施例的变型中，该功能块还包括温度传感器。
在对这一实施例的变型中，该一个或者多个接口包括以下各项中的一项或者多项：移动行业处理器接口(MIPI)RF前端接口、通用输入/输出(GPIO)接口以及串行***接口(SPI)。
在对这一实施例的变型中，该功能块还包括被配置用于向振荡器提供控制信号的第二数模转换器(DAC)。
在进一步的变型中，该振荡器位于片外，并且该振荡器是压控振荡器。
在对这一实施例的变型中，该其他片外前端组件包括以下各项中的一项或者多项：滤波器、开关以及放大器。
在对这一实施例的变型中，该发射链和该接收链被配置用于遵从长期演进(LTE)分类0(Cat-0)标准操作。
附图说明
图1呈现了图示实施远程无线电头端的无线网络的架构的示图。
图2呈现了图示传统单通道RRH(现有技术)的架构的示图。
图3呈现了图示根据本发明的实施例的多流RRH的示例性架构的示图。
具体实施方式
以下描述被呈现用于使得任何本领域技术人员能够制作和使用本发明，并且在特定应用及其要求的情境中被提供。对所公开的实施例的各种修改对本领域技术人员将是容易地显而易见的，并且在此定义的一般原理可以被应用于其他实施例和应用而不会背离本发明的精神和范围。因此，本发明并未被限于所示出的实施例，而是将符合与在此公开的原理和特征一致的最宽范围。
概述
本发明的各实施例提供了一种用于机器到机器(M2M)应用的RF前端模块。更具体地，为了确保更小尺寸和更低功耗，该RF前端包括吸收了尽可能多的离散RF前端组件的射频集成电路(RFIC)芯片。更具体地，RFIC包括多通道收发器、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，具有数字接口、功率检测器、到其他RF前端组件的标准化接口、锁相环(PLL)合成器、到基站的标准化接口以及温度传感器。
用于M2M通信的RF前端
机器到机器(M2M)通信技术自计算机联网自动化的出现起已经存在，并且已经在比如遥测、工业自动化和监测控制与数据采集(SCADA)的应用中被运用。当在这些传统设置中被使用时，M2M通信经常涉及被用来捕获事件(比如温度读取或者公用事业使用读取)的设备(比如传感器或者仪表)。捕获的数据然后通过有线或者无线网络被中继到将捕获的事件翻译成有意义信息的应用(比如软件程序)。在传统上，在机器之间的通信经常通过使机器的专用远程网络将信息中继回中央集线器以用于分析而被实现。然而，由于比如全球移动通信网络(GSM)的蜂窝网络的低成本和普遍存在，许多现代遥测***通过蜂窝网络发射和接收数据。例如，某些遥测***可以使用短消息服务(SMS)以发射和接收数据。
图1呈现了图示机器到机器通信的示例性场景的示图。在图1中，智能网格100包括于多个个别家庭关联的多个智能仪表，比如智能仪表102、104和106。这些智能仪表经由网络110与位于中央办公室108中的控制器通信，网络110可以包括公共无线网络。更具体地，智能仪表102-106可以向中央办公室108发射与个别家庭关联的、比如公用事业使用数据的数据，并且可以从中央办公室108接收命令。为了使能这样的双向通信，每个智能仪表配备有无线通信接口。
图2呈现了图示传统无线通信接口(现有技术)的示图。在图2中，无线通信接口200包括多个功能块，一些功能块被集成到集成电路(IC)芯片上并且一些功能块包括离散组件。例如，无线通信接口200可以包括RFIC240，该RFIC240包括RF接收(RX)模块202和RF发射(TX)模块204。RFRX202向片外模数转换器(ADC)模块206发送将被转换到数字域的经解调信号，并且数字信号被发送给基带数字信号处理器(DSP)210以用于进一步的处理。在发射(TX)方向中，RFTX模块204从数模转换器(DAC)模块208接收基带中的模拟信号，并且将基带信号调制到RF域。无线通信接口200还包括RF前端(RFFE)块220以及本地振荡器212，RFFE块220包括多个离散RFFE组件，比如开关、滤波器、放大器和自动增益控制(AGC)电路等。
如从图2中可见的，无线通信接口包括IC芯片和多个离散组件。在IC和离散组件之间的接口可能是复杂并且庞大的。作为结果，无线通信接口的尺寸和消耗的能量的量可能相当大。然而，对于比如智能仪表的M2M应用，远程节点经常是电池供电的并且被期待在无需更换电池的情况下维持长时间。因此，理想M2M无线通信接口应当具有低功耗。另外，为了减少成本，理想M2M无线通信接口应当具有更小形状因子。
近年来，长期演进(LTE)无线网络的迅速部署以使得通过LTE的M2M通信成为了当前行业趋势。为了使能这样的双向通信，每个智能仪表配备有通信接口(经常是无线接口)以发射和接收命令。在当前可商购智能仪表中，无线接口被设计用于第二代(2G)和第三代(3G)无线网络。随着无线网络朝向LTE(也被称为4G)迁移，期望开发能够通过LTE网络通信的智能仪表或者家庭装置。
与比如语音呼叫和web浏览的通过LTE的其他应用比较，M2M通信要求相对更低的带宽，其可以在1Mbps左右。除了低带宽之外，低成本和地功耗是用于M2M通信接口的关键设计要求。新开发的LTE分类0(Cat-0)标准减少了LTE调制解调器的复杂度，并且适于用于M2M应用。更具体地，LTECat-0利用仅一个发射/接收天线操作(代替在其他LTE标准中使用的多输入多输出(MIMO))、具有单个RF链并且提供半双工能力。在一些实施例中，满足LTECat-0标准的紧凑低功耗RF前端架构被提供用于M2M应用。
图3呈现了图示根据本发明的实施例的、用于在机器到机器应用中使用的RF前端的示例性架构的示图。注意，在本公开内容中，术语“RF前端”被宽泛地用于包括在天线和基带处理器之间的任何电路。在图3中，M2MRF前端模块300包括IC芯片320和压控振荡器(VCO)340。
M2M前端IC320包括多个功能块，比如RF接收(RX)模块302、模数转换器(ADC)模块304、RF发射(TX)模块306、数模转换器(DAC)模块308、数字接口310、功率检测器312、移动行业处理器接口(MIPI)RF前端接口314、通用输入/输出(GPIO)接口316、CFO(载波频率振荡器)DAC318、锁相环(PLL)合成器(SYN)模块322、SPI(串行***接口)324以及温度传感器326。
RFRX模块302和ADC模块304形成单个RX链。更具体地，RX模块302可以包括多个输入。在一些实施例中，RX模块302可以包括能够在上至4个通道中接收RF信号的上至4个输入。取决于调制方案，RX模块302可以包括不同类型的解调器。例如，如果接收的RF信号是经正交调制的，则RX模块302可以包括正交解调器。在一些实施例中，RX模块302正交解调器，并且经解调的同相(I)信号和正交(Q)信号被分离地馈送给ADC模块304，ADC模块304可以包括上至8个ADC(对于每个RX通道两个ADC)。
类似地，RFTX模块306和DAC模块308形成单个TX链。TX模块306可以包括多个输出。在一些实施例中，TX模块306包括两个输出以用于在两个不同通道中输出RF信号。在一些实施例中，TX模块306包括从DAC模块308接收I信号和Q信号并且将I信号和Q信号调制到RF域的正交调制器。注意，DAC模块308可以包括上至4个DAC，其中两个DAC服务于一个TX通道。在图3中所示的示例中，M2M前端模块302提供比发射通道更多的接收通道，因为它与向中央控制器发送数据相比更可能从中央控制器接收复杂的控制信号。功率检测器312负责检测发射的信号以便提供TX输出功率控制。在一些实施例中，功率检测器312包括耦合到RFTX模块306的两个输出的两个输入。
在一些实施例中，RX模块和TX模块的带宽的范围可以从若干Kbps到若干Mbps。在另外的实施例中，RX模块和TX模块的带宽可以在1Mbps左右。在一些实施例中，RX模块和TX模块在半双工模式中工作，即，RX模块和TX模块按照不同时隙操作。在另外的实施例中，RX链和TX链遵从LTECat-0标准。
在图3中，ADC模块304和DAC模块308经由数字接口310耦合到基带处理器(在图3中未示出)。在一些实施例中，数字接口310是串行接口，比如JESD20x串行接口，其中ADC模块304的8n比特的输出被串行地发送给基带处理器。类似地，对DAC模块308的4m比特的输入也被串行地接收。除了串行输入/输出之外，数字接口310还从/向基带处理器接收/发送控制信号。
除了RX路径和TX路径之外，M2M前端模块300还包括多个接口以用于与其他前端组件对接，该其他前端组件可以包括离散组件，比如滤波器或者开关。在一些实施例中，M2M前端模块300可以包括一个或者多个MIPIRF前端(RFFE)接口，比如MIPIRFFE接口314，MIPIRFFE接口314使得M2M前端模块300能够与MIPI就绪前端组件交互。然而，并非所有RFFE器件都是MIPI就绪的。为了与其他非MIPI就绪RFFE器件交互，M2M前端模块300包括一个或者多个GPIO接口，比如GPIO接口316。附加地，M2M前端模块300还可以包括SPI324以用于与其他片外组件(比如可编程逻辑器件(CPLD))对接。
CFODAC318负责输出可以控制VCO340的电压信号，VCO340向PLL合成器322提供正弦波。在一些实施例中，PLL合成器322包括向被包括在RX模块302/TX模块306中的调制器/解调器提供本地振荡器(LO)信号的两个合成器。另外，合成器模块322还可以向ADC模块304和DAC模块308提供时钟信号。
温度传感器326负责测量温度。
从图3可见，标准RF前端组件中的大部分组件被集成到单个IC上，除了VCO340和其他离散组件，比如滤波器和开关。这样的高级别的集成不仅确保了紧凑器件尺寸，还降低了制造成本。另外，具有数字接口的片上集成的ADC和DAC还减少了所需板面积和管脚数目。
与传统无线接口相比，图3中所示的M2M前端模块向RFIC上集成了尽可能多的离散组件，比如功率检测器、CFODAC、合成器、温度传感器等，从而因此最小化了外部组件的数目。这样的途径可以将无线接口的制造成本和总功耗减少至最小。
除了高级别的集成之外，在M2MRFFE模块中包括的IC还包括多个标准接口，比如MIPI、GPIO、SPI等以用于与其他外部片外组件对接。这一简化的外部接口还可以导致减少的器件尺寸和功耗。
注意，在图3中所示的架构仅为示例。在实践中，紧凑低成本低功耗M2MRFFE模块可以具有不同配置。例如，被集成到IC上的组件的数目可以多于或者少于图3中所示的数目，RX模块和TX模块的输入和输出的数目可以多于或者少于图3中所示的数目，并且外部接口的数目和类型也可以不同于图3中所示的数目和类型。取决于外部RFFE组件的类型，IC可以包括其他类型的接口，比如集成电路间(I2C)接口、单线总线或者三线总线。
已经仅处于例示和描述的目的而呈现了本发明的各实施例的前述描述。它们并非旨在于是穷尽的或者限于本公开内容。因此，对于本领域中的从业者而言许多修改和变型将是显而易见的。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (12)

1.一种用于机器到机器应用的RF前端模块，包括：
集成电路(IC)芯片，所述集成电路(IC)芯片包括多个功能块，其中所述多个功能块至少包括：
发射链，
接收链，
合成器，以及
用于与其他片外前端组件对接的一个或者多个接口。
2.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述接收链包括接收器、模数转换器(ADC)以及用于与基带处理器对接的数字接口。
3.根据权利要求2所述的RF前端模块，其中所述数字接口是串行接口。
4.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述发射链包括发射器、数模转换器(DAC)以及用于与基带处理器对接的数字接口。
5.根据权利要求4所述的RF前端模块，其中所述数字接口是串行接口。
6.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述功能块还包括耦合到所述发射链的功率检测器。
7.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述功能块还包括温度传感器。
8.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述一个或者多个接口包括以下各项中的一项或者多项：
移动行业处理器接口(MIPI)RF前端接口；
通用输入/输出(GPIO)接口；以及
串行***接口(SPI)。
9.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述功能块还包括被配置用于向振荡器提供控制信号的第二数模转换器(DAC)。
10.根据权利要求8所述的RF前端模块，其中所述振荡器位于片外，并且其中所述振荡器是压控振荡器。
11.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述其他片外前端组件包括以下各项中的一项或者多项：
滤波器；
开关；以及
放大器。
12.根据权利要求1所述的RF前端模块，其中所述发射链和所述接收链被配置用于遵从长期演进(LTE)分类0(Cat-0)标准操作。
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