專利名稱：實現rf信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域的無線信號室內覆蓋技術，特別涉及一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路。
背景技術：
現代都市中建筑物越來越高、越來越多、越來越密集，移動通信的無線電信號在其間傳播受到阻擋而衰減，另外現代建筑多以鋼筋混凝土為骨架，再加上全封閉式的外裝修，對無線電信號的屏蔽和衰減特別厲害，影響正常的通信。在一些高層建筑物的低層，基站信號通常較弱，存在部分盲區；而在某些超高建筑物的高層，又沒有完全覆蓋。在大中城市的中心區，基站密度都比較大，平均站距小于1Km，所以通常進入室內的信號比較雜亂、不穩定。特別是在一些沒有完全封閉的高層建筑的中、高層，進入室內的信號非常雜亂，近處基站的信號或遠處基站的信號通過直射、折射、反射、繞射等方式進入室內，信號忽強忽弱不穩定，同頻、鄰頻干擾嚴重。移動電話在這種環境下使用，未通話時，小區重選頻繁，通話過程中頻繁切換，話音質量差，掉話現象較嚴重。
為了解決上述室內信號覆蓋的問題，目前最有效的方法就是建設室內分布系統，將基站的信號通過有線方式直接引入到室內的每一個區域，再通過小型天線將基站信號發送出去，從而達到消除室內覆蓋盲區，抑制干擾，為室內的移動通信用戶提供一個穩定、可靠的信號供其使用。但是安裝和維護一套室內分布系統的費用是非常高昂的。例如，于2006年2月1日公告的中國發明專利CN 1240192，即公開了一種在低帶寬媒體上傳輸RF帶寬內的RF信號的系統和方法，該系統實現將射頻(RF)信號下變頻到中頻(IF)信號，再通過普通的室內標準電纜傳輸，在遠端天線處，再對中頻(IF)信號進行上變頻恢復為原始的射頻(RF)信號。其缺陷在于，上述在低帶寬媒體上傳輸RF信號的系統是由多個分離的電路模塊或芯片搭建而成，其信號在傳輸和轉換過程中一致性、可靠性較差，輸出信號可能出現失真現象。另外，隨著無線通信技術的發展，人們對射頻頻譜的利用越來越廣泛，移動通信已經推出了多個無線協議，如GSM、CDMA以及3G系統等，其頻譜覆蓋范圍800MHz～2100MHz。但是，專利CN1240192所述的在低帶寬媒體上傳輸RF信號的系統只適用于單協議的移動通信系統，沒有給出多協議同時通信的解決方案。
發明內容
為了解決多協議的RF信號室內覆蓋問題，本發明提供了一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路，實現小體積、低功耗、高可靠性的無線信號和有線信號之間的雙向轉換。
為了實現上述發明目的，本發明所采用的技術方案如下一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，包括射頻放大電路，用于接收RF信號，將RF信號放大后輸出至射頻緩沖器；下變頻混頻器，其射頻輸入端接收上述射頻緩沖器輸出的RF信號，將RF信號下變頻成中頻信號輸出；本振信號產生電路，用于生成本振信號并輸出至下變頻混頻器的本振輸入端；射頻鏡像信號抑制電路，包括多相濾波器、加法器和緩沖器，其多相濾波器接收由下變頻混頻器輸出的中頻信號，經加法器去除其中的干擾信號，再輸出至緩沖器；可變增益放大器，接收由上述射頻鏡像信號抑制電路的緩沖器輸出的中頻信號，對其進行增益放大后輸出。
上述射頻放大電路包括兩個低噪聲放大器，其輸入端分別與芯片外的RF濾波器連接。
上述下變頻混頻器包括I混頻器和Q混頻器，其射頻輸入端與射頻緩沖器連接，中頻輸出端經中頻緩沖器與射頻鏡像信號抑制電路的多相濾波器連接。
上述本振信號產生電路包括壓控振蕩器和除2除4電路，壓控振蕩器的輸出信號經除2除4電路生產下變頻混頻器所需的正交本振信號，其0°本振信號與第一混頻器的本振輸入端連接，90°本振信號與第二混頻器的本振輸入端連接。所述壓控振蕩器的輸出端還與鎖相環電路連接。
上述射頻鏡像信號抑制電路輸出的中頻信號輸出至芯片外，經中頻濾波器后，再輸入芯片內，與可變增益放大器的輸入端連接。
一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的發射芯片，包括可變增益放大器，用于接收中頻信號，將中頻信號增益放大后輸出至緩沖器；上變頻器，其中頻輸入端接收上述緩沖器輸出的中頻信號，將中頻信號上變頻成RF信號輸出；本振信號產生電路，用于生成本振信號并輸出至上變頻器的本振輸入端；功放驅動電路，接收上變頻器輸出的RF信號，對其進行功率預放大后輸出。
上述可變增益放大器的緩沖器輸出的中頻信號輸出至芯片外，經中頻濾波器后，再輸入芯片內，經二次放大器與上變頻器的中頻輸入端連接。
上述本振信號產生電路包括壓控振蕩器和除2除4電路，壓控振蕩器的輸出信號經除2除4電路生產上變頻器所需的本振信號，與上變頻器的本振輸入端連接。所述壓控振蕩器的輸出端還與鎖相環電路連接。
本發明所述RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路，既可以采用雙芯片結構設計，如上所述接收芯片和發射芯片；也可以采用單芯片結構設計，將上述接收芯片和發射芯片集成在同一芯片內。即，一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路，包括上述接收芯片和發射芯片的組成電路。
本發明相對于現有技術具有如下的優點及效果(1).本發明支持多種通信協議，如GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等，其RF頻譜覆蓋范圍達到800MHz～2100MHz，輸出的中頻信號在40～100MHz范圍之間，適合普通的室內標準電纜傳輸。
(2).本發明采用集成電路設計，在芯片級電路的基礎之上實現RF信號和中頻信號之間的轉換，具有體積小、功耗低，信號傳輸一致性、可靠性高等優點。
(3).基于上述多協議性和集成電路的優點，可以在本發明的集成電路基礎之上，設計相應的外圍電路，與其他設備連接組成無線信號的室內覆蓋系統，由此開發的室內覆蓋系統具有結構簡單，而且適用范圍廣，可支持多種通信協議等特點。
圖1為本發明的雙芯片原理框圖；圖2為本發明的雙芯片設計結構原理圖；圖3為本發明的單芯片原理框圖；圖4為本發明的單芯片設計結構原理圖。
具體實施例方式
如圖1、3所示為本發明的原理框圖，其中，RF接收/轉換電路包括片外放大器/濾波器10、射頻放大電路11、下變頻混頻器12、本振信號產生電路13、射頻鏡像信號抑制電路14、可變增益放大器15和匹配濾波器16，天線單元31接收來自移動基站發射的RF信號后，經雙工器30發送至片外放大器/濾波器10，RF信號依次經過射頻放大電路11、下變頻混頻器12、本振信號產生電路13、射頻鏡像信號抑制電路14和可變增益放大器15，下變頻成中頻信號，再經匹配濾波器16輸出至室內電纜。RF發射電路包括片外功放/濾波器20、功放驅動電路21、上變頻器22、本振信號產生電路23、可變增益放大器25和匹配濾波器26，來自室內電纜的中頻信號依次經過匹配濾波器26、可變增益放大器25、本振信號產生電路23、上變頻器22和功放驅動電路21上變頻成RF信號，然后經外功放/濾波器20輸送至雙工器30，最后由天線單元31發射出去。本發明所述RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路可以采用雙芯片結構設計(原理框圖如圖1所示)，也可以采用單芯片結構設計(原理框圖如圖3所示)。
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細說明，但本發明的實施方式并不局限于此。
實施例一如圖2所示為本發明的雙芯片結構原理圖，圖中虛線框中的電路部分為芯片內部結構，包括RF接收芯片(Rx CHIP)和發射芯片(Tx CHIP)，由兩塊芯片構成的收發系統工作原理是遠端接入單元天線接收到移動基站發射的RF信號后，通過雙工器(Diplexer)傳送到接收機部分。天線接收到的RF信號首先通過片外低噪聲放大器(OFF-CHIP-LNA)進行低噪聲放大，然后經過射頻濾波器(RF Filter)輸入到接收芯片Rx CHIP中，接收芯片把射頻信號(RF)下變頻到中頻信號(IF)輸出，然后通過匹配濾波器送至普通的室內電纜，如CAT-5電纜。發射機部分是把來自室內電纜的中頻信號(IF)上變頻到射頻信號(RF)，再通過天線發射出去。如圖2所示，來自電纜CAT-5的中頻信號經過匹配濾波器進入到發射芯片Tx CHIP中進行上變頻，并經過一定功率放大輸出，然后再通過RF濾波器、片外功放(OFF-CHIP PA)、雙工器，由天線發射出去。
接收芯片Rx CHIP的工作原理如下接收芯片集成了兩個低噪聲放大器LNA，其中，低噪聲放大器LNA1實現GSM900和CDMA的頻道信號低噪聲放大，低噪聲放大器LNA2實現GSM1800、PHS以及3G應用頻道信號的低噪聲放大。芯片工作時，只有一個LNA正常工作，另外一個LNA被關閉。經低噪聲放大器LNA放大后的射頻信號通過射頻緩沖器(RF Buffer)同時送入兩個下變頻混頻器的射頻輸入端，混頻器是三端口電路，包括射頻輸入端、本振輸入端和中頻輸出端。采用正交的本振信號分別送至兩個混頻器的本振輸入端可得到正交的中頻信號，0°本振信號輸入的混頻器為I混頻器(I Mixer)，90°本振信號輸入的混頻器為Q混頻器(Q Mixer)，正交本振信號由壓控振蕩器VCO和除2除4電路產生。兩個混頻器產生的正交中頻信號分別經過中頻緩沖器輸入至多相濾波器(PolyPhase Filter)，經過多相濾波器使兩路產生的所需中頻信號相位一致，射頻鏡像信號產生的干擾中頻信號相位相反，再經過加法器(Adder)使所需中頻信號增大，干擾中頻信號抵消，從而提高整個接收機的鏡像抑制比。為驅動片外中頻濾波器，在加法器之后，還增加一級中頻緩沖器。經過混頻器及鏡像抑制電路產生的中頻信號送出片外，進行中頻濾波，中頻濾波器使用高選擇性的片外濾波器，有效抑制帶外信號。為使在接收不同能量的射頻信號情況下，中頻輸出信號恒定，射頻接收機中均帶有可變增益放大器，本發明為減小體積，接收芯片也集成了數字控制的可變增益放大器。如圖2所示，經過中頻濾波器選擇后的中頻信號再送至芯片內的可變增益放大器，通過數字控制可改變放大器增益，從而使得最終中頻輸出信號穩定。
以上所述是接收芯片的信號鏈路工作原理，為產生混頻器所需本振信號，以及對不同頻道的選擇，本接收芯片還集成了壓控振蕩器(VCO)和鎖相環。本發明采用兩個壓控振蕩器VCO實現多協議全波段的本振信號覆蓋，兩個壓控振蕩器VCO通過開關選擇。為提高壓控振蕩器VCO的集成度，本發明采用除2除4電路生成混頻器實際需要的本振信號，即壓控振蕩器VCO振蕩信號的頻率是混頻器實際需要的本振信號的2倍或4倍。壓控振蕩器VCO、除2除4電路以及鎖相環工作原理如下壓控振蕩器VCO產生的振蕩信號通過一緩沖器送至除2除4電路和前置分頻器(Prescaler)，除2除4電路生成本振信號，除2除4通過數字控制字進行選擇；前置分頻器對壓控振蕩器VCO產生的振蕩信號進行32/33雙模分頻，再將分頻后信號送至可編程計數器(ProgramCounter)和吞咽計數器(Swallow Counter)，從而形成Integer-N型分頻器。分頻器產生的低頻信號與一基準信號進行相位比較，即兩路信號同時送至鑒相器PFD，鑒相器把兩信號的相位差轉換成控制信號，再由電荷泵(CP)和片外環路濾波器(LPF)生成電壓信號，因此，鑒相器PFD、電荷泵CP以及片外環路濾波器LPF電路負責把分頻后的信號和參考信號之間的誤差轉換成電壓，該電壓再對壓控振蕩器VCO進行控制，從而形成閉環系統，產生穩定的振蕩信號。通過對分頻器進行不同分頻比的配置，可產生不同頻率的振蕩信號，從而可接收不同頻道的射頻信號。鑒相器PFD輸入的基準信號由非常穩定的晶振提供，如圖2所示，本發明集成了晶振驅動電路(Oscillator Driver)和參考分頻器(Reference Divider)，在同一晶振頻率下，通過對參考分頻器的配置，可產生不同的參考頻率。同時，本發明為檢測鎖相環環路是否鎖定，芯片還集成了鎖定檢測電路(LOCK DETECK)，通過對鑒相器PFD、電荷泵CP電路信息的檢測，可以判斷鎖相環是否鎖定在所需頻率上。
除上述的信號鏈路模塊、壓控振蕩器以及鎖相環，本發明還集成了帶隙基準電流源(Bandgap)，為芯片內各模塊提供穩定的電流偏置。同時，還集成SPI串行通信電路，實現芯片與片外系統之間的數據通信。
發射芯片Tx CHIP實現了與接收芯片Rx CHIP相反的功能，即把來自電纜的中頻信號上變頻至射頻信號，其工作原理如下發射芯片首先采用可變增益放大器對輸入的中頻信號進行增益放大，然后，送至片外進行中頻濾波，選擇后的中頻信號再輸入至片內，進行再次放大后輸入至上變頻器(Up-Converter)的中頻輸入端，上變頻器產生高中頻信號輸出，高中頻信號也就是我們所需要發射的射頻信號，上變頻后的射頻信號經過緩沖器輸入至功放驅動電路(Pre-PA)進行功率預放大，然后輸出片外，完成發射工作。
發射芯片同樣集成了本振信號產生電路，用于生成上變頻器所需的本振信號，其電路組成與接收芯片的本振信號產生電路基本相同。其中，壓控振蕩器VCO、鎖相環以及SPI、Bandgap電路工作原理和電路組成和工作原理與接收芯片中的相應電路相同，在此不再累述。所不同的是，發射芯片與接收芯片的壓控振蕩器VCO和鎖相環的電路工作頻點不同，這一點主要取決于無線通信協議標準。為減小體積，降低成本，本發明的接收芯片和發射芯片共用同一個晶振。
實施例二如圖4所示為本發明的單芯片結構原理圖，圖中虛線框中的電路部分為芯片內部結構，該RF收發芯片集成了兩部分電路接收部分Rx和發射部分Tx。其中，接收部分Rx的電路組成和工作原理與雙芯片結構中的接收芯片相同，發射部分Tx的電路組成和工作原理與雙芯片結構中的發射芯片相同，因此，在此不再累述。
上述集成電路具有以下技術特征1.多協議無線通信收發電路實現芯片全集成。
2.本產品采用對VCO振蕩頻率進行除2除4配置實現上、下變頻器寬帶所需的本振信號。
3.芯片接收部分輸出中頻和芯片發射部分的輸入中頻相同，選擇在40～100MHz范圍之間，適合在普通的室內電纜上進行傳輸。
4.芯片接收部分采用兩個低噪聲放大器LNA實現多協議射頻信號的低噪聲放大。
5.芯片接收部分采用I/Q混頻器、多相濾波器以及加法器實現接收鏡像抑制。
6.芯片接收和發射部分均采用數控可變增益放大器實現輸出信號電平穩定。
7.芯片接收及發射部分均采用兩個壓控振蕩器VCO實現寬頻帶覆蓋。
8.芯片接收及發射部分均采用電荷泵式Integer-N頻率綜合器進行頻率選擇。
9.芯片接收及發射部分均采用差分信號輸入輸出。
10.芯片接收及發射部分均通過參考分頻器對晶振頻率進行分頻獲得參考頻率，從而使本產品可選擇不同的晶振。
11.芯片采用帶隙基準源(Bandgap)提供芯片偏置。
12.芯片采用串行通信協議SPI實現芯片內外通信。
如上所述，為本發明的最佳實施方式。盡管所述實例已經表示和描述了本發明，但并不表示對本發明自身的限制，本領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的前提下，可在其形式上和細節上作出各種變化，所附的權利要求書覆蓋了本發明精神和范圍內的所有這些改變和修改。
權利要求
1.一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，其特征在于，包括射頻放大電路，用于接收RF信號，將RF信號放大后輸出至射頻緩沖器；下變頻混頻器，其射頻輸入端接收上述射頻緩沖器輸出的RF信號，將RF信號下變頻成中頻信號輸出；本振信號產生電路，用于生成本振信號并輸出至下變頻混頻器的本振輸入端；射頻鏡像信號抑制電路，包括多相濾波器、加法器和緩沖器，其多相濾波器接收由下變頻混頻器輸出的中頻信號，經加法器去除其中的干擾信號，再輸出至緩沖器；可變增益放大器，接收由上述射頻鏡像信號抑制電路的緩沖器輸出的中頻信號，對其進行增益放大后輸出。
2.根據權利要求1所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，其特征在于，所述射頻放大電路包括兩個低噪聲放大器，其輸入端分別與芯片外的RF濾波器連接。
3.根據權利要求1所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，其特征在于，所述下變頻混頻器包括I混頻器和Q混頻器，其射頻輸入端與射頻緩沖器連接，中頻輸出端經中頻緩沖器與射頻鏡像信號抑制電路的多相濾波器連接。
4.根據權利要求1所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，其特征在于，所述本振信號產生電路包括壓控振蕩器和除2除4電路，壓控振蕩器的輸出信號經除2除4電路生產下變頻混頻器所需的正交本振信號，其0°本振信號與第一混頻器的本振輸入端連接，90°本振信號與第二混頻器的本振輸入端連接。
5.根據權利要求4所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，其特征在于，所述壓控振蕩器的輸出端還與鎖相環電路連接。
6.根據權利要求1所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的接收芯片，其特征在于，所述射頻鏡像信號抑制電路輸出的中頻信號輸出至芯片外，經中頻濾波器后，再輸入芯片內，與可變增益放大器的輸入端連接。
7.一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的發射芯片，其特征在于，包括可變增益放大器，用于接收中頻信號，將中頻信號增益放大后輸出至緩沖器；上變頻器，其中頻輸入端接收上述緩沖器輸出的中頻信號，將中頻信號上變頻成RF信號輸出；本振信號產生電路，用于生成本振信號并輸出至上變頻器的本振輸入端；功放驅動電路，接收由上變頻器輸出的RF信號，對其進行功率預放大后輸出。
8.根據權利要求7所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的發射芯片，其特征在于，所述可變增益放大器的緩沖器輸出的中頻信號輸出至芯片外，經中頻濾波器后，再輸入芯片內，經二次放大器與上變頻器的中頻輸入端連接。
9.根據權利要求7所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的發射芯片，其特征在于，所述本振信號產生電路包括壓控振蕩器和除2除4電路，壓控振蕩器的輸出信號經除2除4電路生產上變頻器所需的本振信號，與上變頻器的本振輸入端連接。
10.根據權利要求9所述實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路的發射芯片，其特征在于，所述壓控振蕩器的輸出端還與鎖相環電路連接。
11.一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路，其特征在于，包括權利要求1所述接收芯片和權利要求7所述發射芯片的組成電路。
全文摘要
本發明公開了一種實現RF信號和中頻有線信號之間的雙向轉換集成電路，將天線接收到的RF信號首先通過片外低噪聲放大器進行低噪聲放大，然后經過射頻濾波器輸入到接收芯片中，接收芯片把射頻信號下變頻到中頻信號輸出，然后通過匹配濾波器送至普通的室內電纜。其發射芯片是把來自室內電纜的中頻信號上變頻到射頻信號，再通過天線發射出去。本發明所述集成電路既可以采用雙芯片結構設計，也可以采用單芯片結構設計，將上述接收芯片和發射芯片集成在同一芯片內。本發明支持多種通信協議，采用集成電路設計，具有體積小、功耗低，信號傳輸一致性、可靠性高等優點，適用于解決通信技術領域的無線信號室內覆蓋問題。
文檔編號H04B7/15GK1901401SQ20061003639
公開日2007年1月24日 申請日期2006年7月7日 優先權日2006年7月7日
發明者曹志明, 葉松, 唐守龍, 俞陽, 羅燁, 周慶, 李俊, 葉艷, 陳弈星, 吳鈴鈴, 黃思遠, 崔毓嘉 申請人:廣東鼎威經濟發展有限公司