基于無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器

摘 要：一種無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器，包括前端濾波器、低噪聲放大器和、混頻器和、中頻濾波器、90。移相網(wǎng)絡(luò)、鑒頻器、電荷泵、濾波電容、壓控振蕩器、信號(hào)解調(diào)電路和鎖定檢測(cè)電路內(nèi)部集成采用由頻率減法器，壓控振蕩器和頻率電壓轉(zhuǎn)換電路組成的反饋回路來(lái)取代外部晶體振蕩器，壓控振蕩器輸出頻率能夠很好的跟隨輸入?yún)⒖碱l率，以提供一個(gè)高精度的本地振蕩頻率。

關(guān)鍵詞：無(wú)晶體震蕩；無(wú)線接收器；頻率減法器；壓控振蕩器；震蕩頻率

一、引言

現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)需要一個(gè)獨(dú)立的晶體振蕩器為發(fā)射器和接收器提供一個(gè)精確的用于頻率和時(shí)鐘同步的參考頻率。但是，晶體振蕩器的應(yīng)用存在占用面積大，成本高等缺點(diǎn)。無(wú)線通信系統(tǒng)由無(wú)線發(fā)射器與無(wú)線接收器構(gòu)成，無(wú)線發(fā)射器與無(wú)線接收器需要工作在嚴(yán)格相同的參考時(shí)鐘頻率下，以確保數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收，系統(tǒng)的參考時(shí)鐘頻率受外部制造工藝、工作電壓和溫度等因素的影響必須很小。當(dāng)前的無(wú)線通信系統(tǒng)通常采用晶體振蕩器和以提供精確的參考頻率。晶體振蕩器和的物理特性能夠提供一個(gè)穩(wěn)定的頻率，典型的頻率誤差。但是，晶體振蕩器本身高昂的成本、較大的外形尺寸以及帶來(lái)額外的硬件和安裝工藝成本，促使我們尋找新的無(wú)需晶體振蕩器的技術(shù)。

目前，存在相關(guān)的無(wú)晶體振蕩器技術(shù)只是通過(guò)改善內(nèi)部振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些技術(shù)只能將頻率誤差控制在一定的誤差范圍內(nèi)，且不具有自動(dòng)跟蹤校準(zhǔn)功能。這樣的頻率誤差范圍僅適用于某些對(duì)頻率要求不嚴(yán)格的相關(guān)應(yīng)用中，遠(yuǎn)不能滿足無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)頻率誤差的要求。

為了解決以上技術(shù)中存在的問(wèn)題，本文提出了以下技術(shù)解決方案。本文內(nèi)部集成采用由頻率減法器，壓控振蕩器和頻率電壓轉(zhuǎn)換電路組成的反饋回路來(lái)取代外部晶體振蕩器，壓控振蕩器輸出頻率能夠很好的跟隨輸入?yún)⒖碱l率，以提供一個(gè)高精度的本地振蕩頻率。當(dāng)輸入?yún)⒖碱l率發(fā)生變化時(shí)，頻率減法器輸出頻差也將跟隨變化，頻率電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的控制電壓也將跟隨變化，變化的控制電壓控制壓控振蕩器的輸出頻率變化，使的輸出頻率跟隨輸入?yún)⒖碱l率變化。通過(guò)這樣的機(jī)理，可以實(shí)現(xiàn)將頻率減法器輸出的頻率有效的控制在解調(diào)電路的帶寬以內(nèi)，始終保證電路能夠正常的解調(diào)。

二、無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器設(shè)計(jì)

（一）無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器原理

無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器接收到由外部無(wú)線發(fā)射設(shè)備發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部濾波器的濾波處理，接收器選擇出所需要的參考信號(hào)頻率，頻率減法器將參考信號(hào)頻率與壓控振蕩器的輸出頻率進(jìn)行減法運(yùn)算，輸出信號(hào)頻率為兩個(gè)信號(hào)的差值，頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將頻率減法器的輸出信號(hào)的頻率量轉(zhuǎn)化成與之成正比的電壓量輸出，采用這個(gè)電壓去控制壓控振蕩器。若頻率減法器輸出誤差頻率過(guò)大，以至于信號(hào)解調(diào)電路不能正常解調(diào)，則頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將輸出一個(gè)與之成正比的電壓，控制壓控振蕩器輸出頻率變化以逼近參考信號(hào)頻率，直到參考信號(hào)頻率與壓控振蕩器的頻率誤差在解調(diào)電路的帶寬之內(nèi)，保證解調(diào)電路能夠正常解調(diào)。

（二）無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器構(gòu)成

無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器包括前端濾波器、低噪聲放大器和、混頻器和、中頻濾波器和、。移相網(wǎng)絡(luò)、鑒頻器、電荷泵、濾波電容、壓控振蕩器、信號(hào)解調(diào)電路和鎖定檢測(cè)電路，其中，混頻器和、中頻濾波器和的等效圖為圖中的頻率減法器鑒頻器、電荷泵、濾波電容的等效圖為圖中頻率電壓轉(zhuǎn)換電路。

無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器接收到由外部無(wú)線發(fā)射設(shè)備發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部濾波器的濾波處理，接收器選擇出所需要的參考信號(hào)頻率。參考信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器放大。參考信號(hào)頻率與壓控振蕩器輸出頻率共同經(jīng)過(guò)混頻器和中頻濾波器，中頻濾波器輸出信號(hào)頻率等于參考信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)的差值。中頻濾波器和輸出信號(hào)頻率經(jīng)過(guò)鑒頻器、電荷泵和濾波電容，濾波電容輸出電壓與頻差成正比。濾波電容輸出電壓控制壓控振蕩器的輸出頻率。其中，移相網(wǎng)絡(luò)將壓控振蕩器產(chǎn)生出來(lái)的一路信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路正交信號(hào)，從而反饋回混頻器。當(dāng)頻差大于系統(tǒng)所設(shè)定的誤差頻率時(shí)，由混頻器和中頻濾波器、鑒頻器、電荷泵、濾波電容、壓控振蕩器、以及90。移相網(wǎng)絡(luò)組成的負(fù)反饋環(huán)路將通過(guò)負(fù)反饋減小頻差，以使得頻差小于系統(tǒng)所設(shè)定的誤差頻率。鎖定檢測(cè)電路用于檢測(cè)判斷頻差的值是否小于的值，若頻差大于，則鎖定檢測(cè)電路輸出低電平，若頻差小于，則鎖定檢測(cè)電路輸出高電平，表示壓控振蕩器輸出頻率已經(jīng)跟蹤鎖定了輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率。信號(hào)解調(diào)電路能夠解調(diào)出正確的接收數(shù)據(jù)。鎖定檢測(cè)電路包括分頻器、計(jì)數(shù)器和、門(mén)電路和輸出鎖存器。分頻器將圖中的壓控振蕩器輸出頻率進(jìn)行一定的分頻處理，產(chǎn)生一個(gè)較低的參考頻率，送到計(jì)數(shù)器同時(shí)將圖中中頻濾波器或的輸出誤差頻率信號(hào)一一送到計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器和的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，對(duì)輸入信號(hào)的上升沿進(jìn)行相同數(shù)量的計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成輸出高電平。清零信號(hào)端輸入高電平用于對(duì)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)清零處理，清零完成后，計(jì)數(shù)器從零開(kāi)始從新計(jì)數(shù)，輸出端保持低電平，直到下一次數(shù)據(jù)計(jì)滿為止。計(jì)數(shù)器和同時(shí)對(duì)頻率信號(hào)和頻差進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)到其中頻率較高的信號(hào)計(jì)數(shù)完成時(shí)，計(jì)數(shù)器優(yōu)先輸出高電平，另一個(gè)計(jì)數(shù)器由于數(shù)據(jù)未計(jì)滿，依然保持低電平。兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出送到或門(mén)電路，或門(mén)電路輸出高電平，將兩個(gè)計(jì)數(shù)器同時(shí)清零，開(kāi)始下一個(gè)周期的計(jì)數(shù)。同時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)送到鎖存器，鎖存器將計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)鎖存起來(lái)，鎖存器的輸出狀態(tài)反映了信號(hào)和頻率的大小。

（三）無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器實(shí)施方式

本文由前端濾波器，低噪聲放大器和，混頻器、中頻濾波器、移相網(wǎng)絡(luò)、鑒頻器、電荷泵、濾波電容、壓控振蕩器、信號(hào)解調(diào)電路和鎖定檢測(cè)電路組成。初始狀態(tài)下，壓控振蕩器的輸入電壓被設(shè)置為一個(gè)初始值，輸出信號(hào)頻率為。壓控振蕩器輸出頻率與輸入電壓成正比。外部天線接收到無(wú)線電信號(hào)以后，通過(guò)前端的高頻濾波器濾波和低噪聲放大器、放大處理以后，產(chǎn)生出一個(gè)能為后端電路處理的參考信號(hào)，假設(shè)參考信號(hào)頻率為。壓控振蕩器的輸出信號(hào)通過(guò)移相網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，兩者頻率相同，相位相差90°?；祛l器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻濾波器，濾波器為低通濾波器，若輸出信號(hào)頻率低于參考信號(hào)頻率，鑒頻器輸出高電平，此高電平信號(hào)控制電荷泵以恒定電流工向電容進(jìn)行充電。電容上的電壓逐漸升高，控制壓控振蕩器的輸出頻率增加，直到輸出頻率接近參考頻率，頻率差值小于系統(tǒng)設(shè)定的最小誤差頻率為止。同理，若高于，鑒頻器輸出低電平，此低電平信號(hào)控制電荷泵以恒定電流工向電容進(jìn)行放電。電容上的電壓逐漸降低，控制壓控振蕩器的輸出頻率減小，直到輸出頻率接近參考頻率，頻率差值小于系統(tǒng)設(shè)定的最小誤差頻率為止。當(dāng)頻率差值小于閾值時(shí)，鎖定檢測(cè)電路輸出高電平其他情況下輸出為低電平，表示壓控振蕩器輸出頻率已經(jīng)跟蹤鎖定了輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率。信號(hào)解調(diào)電路能夠解調(diào)出正確的接收數(shù)據(jù)。

四、結(jié)論

內(nèi)部集成采用由頻率減法器，壓控振蕩器和頻率電壓轉(zhuǎn)換電路組成的反饋回路來(lái)取代外部晶體振蕩器，壓控振蕩器輸出頻率能夠很好的跟隨輸入?yún)⒖碱l率，以提供一個(gè)高精度的本地振蕩頻率。無(wú)晶體振蕩器的無(wú)線接收器接收到由外部無(wú)線發(fā)射設(shè)備發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部濾波器的濾波處理，接收器選擇出所需要的參考信號(hào)頻率，頻率減法器將參考信號(hào)頻率與壓控振蕩器的輸出頻率進(jìn)行減法運(yùn)算，輸出信號(hào)頻率為兩個(gè)信號(hào)的差值，頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將頻率減法器的輸出信號(hào)的頻率量轉(zhuǎn)化成與之成正比的電壓量輸出，采用這個(gè)電壓去控制壓控振蕩器。從而獲得一個(gè)精度較高的本地頻率。

參考文獻(xiàn)

[1]楊豐林，張釗鋒，李寶騏.一種高性能CMOS晶體振蕩電路的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)集成電路，2004（1）：52-55.

[2]孫磊.一種低功耗CMOS晶體振蕩器的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)集成電路，2016，25（5）：15-22.

[3]彭偉娣，張文杰，謝亮，等.一種低功耗CMOS晶振電路設(shè)計(jì)[J].電子器件，2013，36（3）：336-339.

[4]彭偉娣.嵌入式低功耗上電復(fù)位與晶振電路設(shè)計(jì)[D].湘潭大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：

孫夢(mèng)鴿（1993年-），女，漢族，山東臨沂人，華東政法大學(xué)商學(xué)院金融學(xué)碩士，主要從事金融學(xué)研究。