CN110190867A - 一种基于功率管理的无线收发机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率管理的无线收发机，包括：天线模块，用于接收和发射射频信号；频率合成模块，用于提供本地振荡信号；接收模块，用于对射频信号放大、混频、滤波和模数转换后，得到第一数字信号；基带处理模块，用于对第一数字信号进行数字处理，产生用于发射的第二数字信号，并且为频率合成模块提供第三数字信号以用于产生本地振荡信号；发射模块，用于对第二数字信号进行数模转换、过滤、放大、混频后，得到射频信号；功率管理模块，用于根据第一数字信号的电压对接收模块的电源电压进行调节，或/和根据第二数字信号的电压对发射模块的电源电压进行调节。该基于功率管理的无线收发机实现了无线收发机的低功耗。

Description

一种基于功率管理的无线收发机

技术领域

本发明属于射频电路领域，具体涉及一种基于功率管理的无线收发机。

背景技术

在当今信息时代，人们已将信息的传递和交互作为社会生活的必要组成部分。其中，无线通信是通信领域中最为活跃的一部分，在各个方面都得到了广泛的应用。

无线收发机在设计时需要满足通信***的最苛刻要求，因此必然会付出功耗的代价。例如收发机射频前端电路的线性度、滤波性能、噪声性能、带宽和增益等指标都与功耗存在着折衷关系。

随着无限射频应用需求的不断增长，以及CMOS先进制造工艺的不断革新，无线收发机对芯片的低功耗提出更高的要求。目前，无线收发机中主要采用无线射频芯片电路设计，尽管在无线射频芯片中大多数电路模块都是由数字电路来实现，但是无线收发机的收发功耗还是太高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于功率管理的无线收发机。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种基于功率管理的无线收发机，包括：

天线模块，用于接收和发射射频信号；

频率合成模块，用于提供本地振荡信号；

接收模块，用于对所述射频信号放大，将放大后的信号与所述本地振荡信号进行混频，然后将混频后的信号经过滤波、放大和模数转换后，得到第一数字信号；

基带处理模块，用于对所述第一数字信号进行数字处理，产生用于发射的第二数字信号，并且为所述频率合成模块提供第三数字信号以用于产生所述本地振荡信号；

发射模块，用于对所述第二数字信号进行数模转换、过滤和放大，将放大后的信号与所述本地振荡信号进行混频，然后将混频后的信号进行过滤和放大后，得到所述射频信号；

功率管理模块，用于根据所述基带处理模块接收到的所述第一数字信号的电压对所述接收模块的电源电压进行调节，或/和根据所述基带处理模块产生的所述第二数字信号的电压对所述发射模块的电源电压进行调节。

在本发明的一个实施例中，所述频率合成模块包括：

第一数模转换器，用于将所述基带处理模块产生的第三数字信号转换为静态电压信号；

压控晶体振荡器，用于根据所述静态电压信号产生参考时钟；

小数分频锁相环，用于根据所述参考时钟产生本地振荡信号。

在本发明的一个实施例中，所述频率合成模块还包括：

移相器，用于对所述本地振荡信号的相位进行调整，产生第一相位信号和第二相位信号。

在本发明的一个实施例中，所述接收模块包括：

低噪声放大器，用于对所述射频信号进行放大，得到第一放大信号；

第一混频电路，用于将所述第一放大信号与所述第一相位信号进行频率搬移，得到第一混频信号；

第一低通滤波器，用于对所述第一混频信号进行滤波，得到第一滤波信号；

第一可变增益放大器，用于对所述第一滤波信号进行放大，得到第二放大信号；

第二低通滤波器，用于对所述第二放大信号进行滤波，得到第二滤波信号；

第一模数转换器，用于将所述第二滤波信号转换为第四数字信号；

第二混频电路，用于将所述放大信号与第二相位信号进行频率搬移，得到第二混频信号；

第三低通滤波器，用于对所述第二混频信号进行滤波，得到第三滤波信号；

第二可变增益放大器，用于对所述第三滤波信号进行放大，得到第三放大信号；

第四低通滤波器，用于对所述第二放大信号进行滤波，得到第四滤波信号；

第二模数转换器，用于对所述第四滤波信号转换为第五数字信号。

在本发明的一个实施例中，所述功率管理模块包括：

若干功率调节电路，用于当所述第四数字信号的电压超出或低于第一阈值范围时，依次对所述低噪声放大器、所述第一混频电路、所述第一低通滤波器、所述第一可变增益放大器及所述第一模数转换器的电源电压进行降低或升高；或者，用于当所述第五数字信号的电压超出或低于所述第一阈值范围时，依次对所述低噪声放大器、所述第二混频电路、所述第三低通滤波器、所述第二可变增益放大器及所述第二模数转换器的电源电压进行降低或升高。

在本发明的一个实施例中，所述发射模块包括：

第二数模转换器，用于将所述第二数字信号转换为模拟信号；

第五低通滤波器，用于对所述模拟信号进行滤波，得到第五滤波信号；

自动增益控制放大器，用于将所述第五滤波信号进行放大，得到第四放大信号；

第三混频器，用于对所述第四放大信号与所述本地振荡信号进行频率搬移，得到第三混频信号；

第六低通滤波器，用于对所述第三混频信号进行滤波，得到第六滤波信号；

功率放大器，用于对所述第六滤波信号进行放大，得到用于发射的所述射频信号。

在本发明的一个实施例中，所述功率管理模块还包括：

若干所述功率调节电路，用于当第二数字信号的电压超出或低于第二阈值电压时，依次对所述第二数模转换器、所述第五低通滤波器、所述自动增益控制放大器、所述第三混频器、所述第六低通滤波器及所述功率放大器的电源电压进行降低或升高。

在本发明的一个实施例中，所述功率管理模块为可编程线性稳压源。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在无线收发机中设置功率管理模块，根据基带处理模块中的数字信号的电压灵活对接收模块和/或发射模块中的电源电压进行调节，从而使得各个模块的增益发生改变，解决了无线收发机的功耗问题，避免无线收发机的功耗太高而无法正常工作，实现了无线收发机的低功耗。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于功率管理的无线收发机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于功率管理的无线收发机的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种PLDO电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于功率管理的无线收发机的结构示意图，包括：天线模块10、频率合成模块20、接收模块30、基带处理模块40、发射模块50和功率管理模块60。

其中，天线模块10用于接收和发射射频信号。具体的，天线模块10包括信号接收模块和信号发射模块，信号接收模块用于接收射频信号，信号发射模块用于发射射频信号。

频率合成模块20用于提供本地振荡信号。

接收模块30分别与天线模块10、频率合成模块20连接，接收模块30用于对射频信号进行放大，然后将放大后的信号与本地振荡信号进行混频，再将混频后的信号经过滤波、放大和模数转换后，得到第一数字信号。

基带处理模块40分别与接收模块30、发射模块50、频率合成模块20连接，用于对接收模块30产生的第一数字信号进行数字处理，为发射模块50产生用于发射的第二数字信号，并且为频率合成模块20提供第三数字信号以用于产生本地振荡信号。具体地，基带处理模块为数字基带Baseband，Baseband采用数字电路的办法来处理信号。

发射模块50分别与频率合成模块20、基带处理模块40连接，用于对第二数字信号进行数模转换、过滤和放大，并将放大后的信号与本地振荡信号进行混频，然后将混频后的信号进行过滤和放大，得到用于发射的射频信号，并且通过天线模块发射出去。

功率管理模块60与基带处理模块40和接收模块30均连接，功率管理模块60的输入端连接基带处理模块40，功率管理模块60的输出端连接接收模块30，功率管理模60块用于根据基带处理模块40接收到的第一数字信号的电压对接收模块30的电源电压进行调节，或/和功率管理模块60连接在基带处理模块40和发射模块50之间，用于根据基带处理模块40产生的第二数字信号的电压对发射模块50的电源电压进行调节。

具体地，无线收发机主要包括两个阶段：接接阶段和发射阶段，基带处理模块40主要用来处理接收到的数字信号或者产生用于发射的射频信号，功率管理模块60则对接收阶段或者发射阶段的电源电压进行调整。进一步地，由于接收阶段和发射阶段可以同步进行，也可以不同步进行，因此，功率管理模块60对接收阶段和对发射阶段的电源电压的调整也可以同步进行，也可以不同步进行。

本发明实施例在无线收发机中设置功率管理模块60，根据基带处理模块40中的数字信号的电压灵活对接收模块和/或发射模块中的电源电压进行调节，从而使得各个模块的增益发生改变，解决了无线收发机的功耗问题，避免无线收发机的功耗太高而无法正常工作，实现了无线收发机的低功耗。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的另一种基于功率管理的无线收发机的结构示意图。在一个具体实施例中，频率合成模块20包括第一数模转换器(DAC1)、压控晶体振荡器(VCXO)、小数分频锁相环(Fractional-NPLL)。

其中，第一数模转换器与基带处理模块40连接，用于将基带处理模块40产生的第三数字信号转换为静态电压信号；压控晶体振荡器与第一数模转换器连接，用于根据静态电压信号产生稳定的参考时钟；小数分频锁相环与压控晶体振荡器连接，用于根据参考时钟产生稳定的本地振荡信号。

进一步地，频率合成模块20还包括：移相器，连接在小数分频锁相环和接收模块之间，用于对本地振荡信号的相位进行调整，产生第一相位信号和第二相位信号。

具体地，Fractional-N PLL产生的信号为0度和180度的差分信号，接收模块30包含I路和Q路，I路需要的是0度和180度的本振信号，而Q路需要的是90度和270度的本振信号。因此需要移相器产生I路和Q路各自所需的信号，其中，第一相位信号是指I路和Q路所需信号中的一个，第二相位信号是指I路和Q路所需信号中的另一个。进一步，移相器的型号为0/90移相器。

进一步，频率合成模块20中的DAC1、VCXO、Fractional-NPLL可以各为1个，它们依次与接收模块30连接，同时依次与发射模块50连接，既为接收模块30提供本地振荡信号，也为发射模块50提供本地振荡信号。另外，为接收模块30提供本地振荡信号的DAC1、VCXO、Fractional-NPLL可以与为发射模块50提供本地振荡信号的DAC1、VCXO、Fractional-NPLL不同，即存在一套DAC1、VCXO、Fractional-NPLL与接收模块30依次连接，同时存在另一套DAC1、VCXO、Fractional-NPLL与发射模块50依次连接。

在一个具体实施例中，接收模块30包括子模块：低噪声放大器(LNA)、第一混频电路(MIX1)、第一低通滤波器(LPF1)、第一可变增益放大器(PGA1)、第二低通滤波器(LPF2)、第一模数转换器(ADC1)、第二混频电路(MIX2)、第三低通滤波器(LPF3)、第二可变增益放大器(PGA2)、第四低通滤波器(LPF4)和第二模数转换器(ADC2)。

其中，低噪声放大器与天线模块10连接，用于对天线模块10接收到的射频信号放大，同时保持良好的噪声性能，得到第一放大信号。

第一混频电路与低噪声放大器连接，并且连接移相器，用于将放大信号与第一相位信号进行频率搬移，将信号与噪声进一步分离，得到第一混频信号。

第一低通滤波器与第一混频电路连接，用于对第一混频信号进行滤波，去除噪声，得到第一滤波信号。

第一可变增益放大器与第一低通滤波器连接，用于对第一滤波信号进行放大，对不同幅度的信号进行不同程度的放大，得到第二放大信号。

第二低通滤波器与第一可变增益放大器连接，用于对第二放大信号进行滤波，进一步去除噪声，得到第二滤波信号。

第一模数转换器连接在第二低通滤波器与基带处理模块之间，用于将第二滤波信号转换为第四数字信号，并将第四数字信号发送给基带处理模块。

第二混频电路与低噪声放大器连接，并且连接移相器，用于将放大信号与第二相位信号进行频率搬移，将信号与噪声进一步分离，得到第二混频信号。

第三低通滤波器与第二混频电路连接，用于对第二混频信号进行滤波，去除噪声，得到第三滤波信号。

第二可变增益放大器与第三低通滤波器连接，用于对第三滤波信号进行放大，对不同幅度的信号进行不同程度的放大，得到第三放大信号。

第四低通滤波器与第二可变增益放大器连接，用于对第三放大信号进行滤波，进一步去除噪声，得到第四滤波信号。

第二模数转换器连接在第四低通滤波器与基带处理模块40之间，用于将第四滤波信号转换为第五数字信号，并将第五数字信号发送给基带处理模块40。

在接收模块30和基带处理模块40的基础上，功率管理模块60包括若干功率调节电路，功率调节电路可以为可编程线性稳压源(PLDO电路)，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种PLDO电路的结构示意图，可编程线性稳压源电路中的晶体管M6的栅极连接基带处理模块40。若干功率调节电路用于当基带处理模块40接收到的第四数字信号即第一模数转换器ADC1输出的第四数字信号的电压超出或低于第一阈值范围时，依次对低噪声放大器、第一混频电路、第一低通滤波器、第一可变增益放大器和第一模数转换器的电源电压进行调节。

进一步，接收信号过程中，接收到的射频信号首先输入到LNA电路中，LNA对接收到的信号进行低噪声放大，放大后的信号被输入MIX中将信号平频谱搬移到合适的频率，之后进入LPF1滤波去噪，得到的信号进入PGA进一步被放大，被放大到一定幅度的信号进一步由LPF2滤波处理后通过ADC输出。此时，若功率管理模块60检测到ADC1输出的第四数字信号的电压过高或过低，即高于或低于第一阈值范围时，则功率管理模块60根据需要调整其输出电压，进而控制接收模块30中各个子模块的电源电压，同时适当调整接收模块30中各个子模块的增益，最终使得ADC1输出的第四数字信号的电压恢复到正常值。

具体地，当功率调节电路检测到第四数字信号的电压过高时，PLDO电路控制其输出电压降低，接收模块30中子模块的电源电压降低，同时各放大器的增益减小，ADC1输出的第四信号的电压降低到正常值；反之则PLDO电路控制其输出电压升高，各个子模块的电源电压降低，同时各放大器的增益提高，ADC1输出的第四信号的电压升高到正常值，电路正常工作。

具体地，若干功率调节电路的个数为3个，分别为PLDO1、PLDO2、PLDO3。其中，PLDO1的输入端与基带处理模块40连接，输出端与LNA和MIX1连接。PLDO2的输入端与基带处理模块40连接，输出端与LPF1和PGA1连接。PLDO3的输入端与基带处理模块40连接，输出端与ADC1连接。当PLDO1、PLDO2、PLDO3检测到第四数字信号的电压超过或低于阈值电压时，首先PLDO1调整LNA和MIX1的电源电压，若PLDO1调整后第四数字信号的输出电压仍不符合要求，则在PLDO1调整的基础上采用PLDO2调整LPF1和PGA1的电源电压，若经PLDO2调整第四数字信号的输出电压仍不符合要求，则在PLDO1和PLDO2调整的基础上采用PLDO3调整ADC1的输出电压，直至第四数字信号的电压符合要求。

以ADC量化LPF2信号阈值上限为±0.4V、下限±0.2V为例，接收阶段在初始化过程中调整接收模块中各个子模块的电源电压的过程如下：

若输出的第四数字信号的电压超出±0.4V时，PLDO调节接收模块中各个子模块的电源电压降低，然后再次检测调整后输出的第四数字信号的电压，若再次检测符合要求，则保持调整后的子模块的电源电压不变。同理，当输出的第四数字信号的电压低于±0.2V时，PLDO调节接收模块中各个子模块的电源电压升高，然后再次检测调整后输出的第四数字信号的电压，若再次检测符合要求，则保持调整后的子模块的电源电压不变。另外，当子模块的电源电压连续向相同方向调整跳变3次后，即子模块的电源电压连续升高3次或者连续降低3次，则不论输出的第四数字信号的电压为多大，都不再进行调整，保持第三次调整的值不变。

在PLDO电路进行调节之后，该基于功率管理的无线收发机会保持该状态不变，直至人为外部施加触发信号，无线收发机再次进入调整的过程。

进一步，若干功率调节电路还用于当基带处理模块接收到的第五数字信号即ADC2输出的第五数字信号的电压超出或低于第一阈值范围时，依次对LNA、MIX2、LPF3、PGA2和ADC2的电源电压进行调节。

在一个具体实施例中，发射模块50包括子模块：第二数模转换器(DAC2)、第五低通滤波器(LPF5)、自动增益控制放大器(AGC)、第三混频器(MIX3)、第六低通滤波器(LPF6)、功率放大器(PA)。

其中，第二数模转换器与基带处理模块40连接，用于将基带处理模块40产生的第二数字信号转换为模拟信号。

第五低通滤波器与第二数模转换器连接，用于对模拟信号进行滤波，除去噪声，得到第五滤波信号。

自动增益控制放大器与第五低通滤波器连接，用于根据基带处理模块40的需求将第五滤波信号进行放大，得到第四放大信号。

第三混频器与自动增益控制放大器连接，并且连接Fractional-N PLL，用于对第四放大信号与本地振荡信号进行频率搬移，将信号和噪声进一步分离，得到第三混频信号。

第六低通滤波器与第三混频器连接，用于对第三混频信号进行滤波，进一步去除噪声，得到第六滤波信号。

功率放大器连接在第六低通滤波器和天线模块10之间，用于对第六滤波器信号进行放大，得到用于发射的射频信号，通过天线模块10将得到的射频信号发射出去。

在上述发射模块50和基带处理模块40的基础上，与发射模块50和基带处理模块40还连接有功率管理模块60，功率管理模块60包括若干功率调节电路，若干功率调节电路的输入端连接基带处理模块40，输出端连接发射模块50中的各个子模块。与发射模块50和基带处理模块40连接的功率调节电路用于当第二数字信号的电压超出或低于第二阈值电压时，依次对DAC2、LPF5、AGC、MIX3、LPF6、PA的电源电压进行调节。

具体的，当检测到第五数字信号的电压超出限定的第二阈值范围时，PLDO电路调整其输出电压，从而调整发射模块50中个子模块的电源电压，使得第五数字信号的电压正常，电路正常工作。

具体地，与发射模块50和基带处理模块40相连的功率调节电路的个数为4个，分别为PLDO4、PLDO5、PLDO6、PLDO7。PLDO4、PLDO5、PLDO6、PLDO7的输入端均与基带处理模块40连接，PLDO4的输出端连接DAC2，PLDO5的输出端连接LPF5和AGC，PLDO6的输出端连接MIX3和LPF6，PLDO7的输出端连接PA。

当需要PLDO电路进行调节时，依次用PLDO4调整DAC2，用PLDO5调整LPF5和AGC(中频放大部分)，用PLDO6调节MIX3和LPF6(调制部分)，用PLDO7调节PA(输出部分)，从而使信号正常输出。在调节过程中，若在某一步的调节后检测到信号正常输出，则停止后续的调节过程。

综上，采用可编程线性稳压电路调节接收模块30和发射模块50中各个子模块的次序为信号传输所经过子模块的顺序。

本发明实施例采用功率调节电路对接收模块30和发射模块50中各个子模块的电源电压进行调节，可以根据需要灵活进行调节，调节的灵活性较高。经过调节，各个模块的电源电压和增益更符合无线收发机对低功耗的需求，解决了无线收发机的功耗高的问题，实现了无线收发机的低功耗。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于功率管理的无线收发机，其特征在于，包括：

天线模块，用于接收和发射射频信号；

频率合成模块，用于提供本地振荡信号；

接收模块，用于对所述射频信号放大，将放大后的信号与所述本地振荡信号进行混频，然后将混频后的信号经过滤波、放大和模数转换后，得到第一数字信号；

基带处理模块，用于对所述第一数字信号进行数字处理，产生用于发射的第二数字信号，并且为所述频率合成模块提供第三数字信号以用于产生所述本地振荡信号；

发射模块，用于对所述第二数字信号进行数模转换、过滤和放大，将放大后的信号与所述本地振荡信号进行混频，然后将混频后的信号进行过滤和放大后，得到所述射频信号；

功率管理模块，用于根据所述基带处理模块接收到的所述第一数字信号的电压对所述接收模块的电源电压进行调节，或/和根据所述基带处理模块产生的所述第二数字信号的电压对所述发射模块的电源电压进行调节。

2.如权利要求1所述的无线收发机，其特征在于，所述频率合成模块包括：

第一数模转换器，用于将所述基带处理模块产生的第三数字信号转换为静态电压信号；

压控晶体振荡器，用于根据所述静态电压信号产生参考时钟；

小数分频锁相环，用于根据所述参考时钟产生本地振荡信号。

3.如权利要求2所述的无线收发机，其特征在于，所述频率合成模块还包括：

移相器，用于对所述本地振荡信号的相位进行调整，产生第一相位信号和第二相位信号。

4.如权利要求3所述的无线收发机，其特征在于，所述接收模块包括：

低噪声放大器，用于对所述射频信号进行放大，得到第一放大信号；

第一混频电路，用于将所述第一放大信号与所述第一相位信号进行频率搬移，得到第一混频信号；

第一低通滤波器，用于对所述第一混频信号进行滤波，得到第一滤波信号；

第一可变增益放大器，用于对所述第一滤波信号进行放大，得到第二放大信号；

第二低通滤波器，用于对所述第二放大信号进行滤波，得到第二滤波信号；

第一模数转换器，用于将所述第二滤波信号转换为第四数字信号；

第二混频电路，用于将所述放大信号与第二相位信号进行频率搬移，得到第二混频信号；

第三低通滤波器，用于对所述第二混频信号进行滤波，得到第三滤波信号；

第二可变增益放大器，用于对所述第三滤波信号进行放大，得到第三放大信号；

第四低通滤波器，用于对所述第二放大信号进行滤波，得到第四滤波信号；

第二模数转换器，用于对所述第四滤波信号转换为第五数字信号。

5.如权利要求4所述的无线收发机，其特征在于，所述功率管理模块包括：

若干功率调节电路，用于当所述第四数字信号的电压超出或低于第一阈值范围时，依次对所述低噪声放大器、所述第一混频电路、所述第一低通滤波器、所述第一可变增益放大器及所述第一模数转换器的电源电压进行调节，或者，用于当所述第五数字信号的电压超出或低于所述第一阈值范围时，依次对所述低噪声放大器、所述第二混频电路、所述第三低通滤波器、所述第二可变增益放大器及所述第二模数转换器的电源电压进行调节。

6.如权利要求1所述的无线收发机，其特征在于，所述发射模块包括：

第二数模转换器，用于将所述第二数字信号转换为模拟信号；

第五低通滤波器，用于对所述模拟信号进行滤波，得到第五滤波信号；

自动增益控制放大器，用于将所述第五滤波信号进行放大，得到第四放大信号；

第三混频器，用于对所述第四放大信号与所述本地振荡信号进行频率搬移，得到第三混频信号；

第六低通滤波器，用于对所述第三混频信号进行滤波，得到第六滤波信号；

功率放大器，用于对所述第六滤波信号进行放大，得到用于发射的所述射频信号。

7.如权利要求6所述的无线收发机，其特征在于，所述功率管理模块还包括：

若干所述功率调节电路，用于当第二数字信号的电压超出或低于第二阈值电压时，依次对所述第二数模转换器、所述第五低通滤波器、所述自动增益控制放大器、所述第三混频器、所述第六低通滤波器及所述功率放大器的电源电压进行调节。

8.如权利要求5或7所述的无线收发机，其特征在于，所述功率管理模块为可编程线性稳压源。