在这里一并作为参考的、于1996.10.11申请，2003年4月8日授权，发明名 称为“用于数字或模拟调制的双模式无线电话装置”的美国专利No.6,546,044 描述了在便携式蜂窝电话中利用的各种电路结构，在所述便携式蜂窝电话中 ，通过首先调制发射中间频率压控振荡器(TXIF-VCO)产生具有希望发射 频率的希望发射信号。所披露的TXIF-VCO最好是如正交VCO(QVCO)的 已知类型，这种正交VCO产生彼此相位相差90°的两个正交输出信号(余弦和 正弦)。所述正交输出信号被一个诸如在1996.6.25授权的US专利No5530722描 述的经过改善的正交调制器的正交调制器接收，上述经过改善的正交调制器 在这里一并作为参考。
来自所述正交调制器的经过调制的TXIF-VCO信号与来自发射最终频率 压控振荡器(TX-VCO)的信号在相位振荡器中进行相位比较。在比较之前 ，通过与来自一个频率合成器的信号的外差将TX-VCO信号混频以使其等于T XIF-QVCO信号的频率，后者信号通常可用来自所述接收器的信号，在所述 接收器中，所述频率合成器被用做所述接收器的本机振荡器(RXLO)。当 输入给它的信号相位不等时，所述相位比较器输出一个误差信号。所述误差信 号经过一个环路或低通滤波器用于将所述TX-VCO信号控制或调谐成所希望 的发射频率，该频率等于所述RXLO和TXIF信号频率的和或差。所述环路滤波 器的控制环路带宽宽得足以通过从所述正交调制器施加所述TXIF-VCO信号 的相位调制，并将相同的相位调制施加到所述TX-VCO上，由此获得经过调制 的最终频率发射信号。
上述现有技术系统被集成为RF(无线频率)集成电路并在符合GSM( 用于移动通信的全球系统)标准的蜂窝电话以及符合PCS1900标准的蜂窝电 话中使用。
如果TXIF-VCO信号是如在GSM/PCS1900电路中审慎安排的晶基振荡器 频率的小的数倍，所述TXIF-QVCO频率只需利用那个小倍数进行分频，以便 将所述TXIF-QVCO信号的频率减少到所述晶基振荡器的频率以用于相位比较 。已经知道一个由锁相环电路(PLL)控制的振荡器的相位噪声取决于分频 比，并且当所述分频比很大时变得非常糟。在前述的应用中，小的分频比导 致可接收的低相位噪声，允许TXIF-QVCO具有多谐振荡器的特性，并可以很 容易地集成到一个硅集成电路中。适当类型的多谐振荡器例如是分别在双极 或场效应晶体管基础上的发射极耦合或源极耦合、电流控制的多谐振荡器。 这种多谐振荡器的一个例子是在这里一并作为参考的1997年8月5日授权的美 国专利No.5654677中描述的多谐振荡器。
在其他的应用中，可能不能设计出导致TXIF-QVCO频率是所述晶基振 荡器频率小倍数的内部频率方案。当例如希望利用比所述接收机信道更细的 步长来选择发射机信道时可能会出现这种情况，如在1996.11.8日申请，1999年 9月28日授权的美国专利No.5960364、发明名称为“在正向和反向链接基础上 使用不同信道间隔的卫星/蜂窝电话”所描述的。这个专利和在1996.7.9日被 授权的专利US-5535432在这里也作为参考。这在TXIF-QVCO锁相环电路中导 致较高的分频比，从而导致较高的相位噪声。
本发明就是要克服上述缺点，即缓和较高TXIF-QVCO相位噪声的有害 影响。
发明概述
可以利用多种方式中的任何一种方式制造能够利用一个控制信号对其频 率进行控制的振荡器。在蜂窝技术中，为了减少尺寸和成本，最佳的方式是 将其集成到硅集成电路中。在使用高-Q谐振器规定所述振荡器工作频率减少 振荡器相位噪声的同时，由于所述高-Q谐振器与有损耗硅基底的间隔仅仅几 个微米并且与所述有损耗硅基底的接近减小了所述Q，因此在集成电路中制 作它们非常困难。另一方面，具有能够在集成电路中制作的低-Q谐振器的集 成电路振荡器或诸如多谐振荡器的不需要谐振电路的振荡器呈现出在某些系 统应用中不希望的高相位噪声。
根据本发明的一方面，提供了一种用于减少被发射的无线电信号中相位 噪声的电路，包括：
第一锁相环电路，包括用于产生第一期望频率的第一输出信号的第一受 控振荡器，和用于产生第一误差信号以控制所述第一受控振荡器的第一相位 比较器，所述第一误差信号代表所述第一输出信号和一个基准信号之间的相 位差；
第二锁相环电路，包括用于以与所述第一期望频率相关的一个期望发射 频率产生第二输出信号的第二受控振荡器，和用于产生代表所述第二输出信 号和所述第一输出信号之间相位差的第二误差信号的第二相位比较器；
调制器，用于用待发射信息调制第一输出信号；
以及
加法器，用于组合所述第一误差信号和第二误差信号以控制所述第二受 控振荡器，借此减少在以期望的发射频率作为一个无线电信号发射的所述第 二输出信号中的由所述第一受控振荡器产生的内部相位噪声。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于减少被发射无线电信号中相位 噪声的电路，包括：
第一锁相环电路，包括用于以第一期望频率产生第一输出信号的第一受 控振荡器，和第一和第二相位比较器，其中的每一个相位比较器都用于产生 代表所述第一输出信号和一个基准信号之间相位差的第一误差信号，来自所 述第二相位比较器的相位误差信号控制所述第一受控振荡器；
第二锁相环电路，包括用于以与所述第一期望频率相关的一个期望发射 频率产生第二输出信号的第二受控振荡器，和用于产生代表所述第二输出信 号和所述第一输出信号之间相位差的第二误差信号的第三相位比较器；
调制器，用于用待发射信息调制第一输出信号；
以及
加法器，用于组合来自所述第一相位比较器的所述第一误差信号和 所述第二误差信号以控制所述第二受控振荡器借此减少以所述期望的发 射频率作为一个无线电信号发射的所述第二输出信号中由所述第一受控 振荡器产生的内部相位噪声。
根据本发明的另一方面，提供了一种减少被发射无线电信号中相位噪声 的方法，包括下述步骤：
控制第一受控振荡器产生以第一期望频率的第一输出信号；
产生第一误差信号以控制所述第一受控振荡器，所述第一误差信号代 表所述第一输出信号与第一期望频率的相位偏差；
用待发射信息调制第一输出信号；
控制第二受控振荡器以产生处于与所述第一期望频率相关的期望发射频 率的第二输出信号；
产生代表所述第二输出信号与所述第一输出信号之间相位差的第二误差 信号；以及
组合所述第一误差信号和第二误差信号以控制所述第二受控振荡器，借 此减少在所述第二输出信号中由所述第一受控振荡器产生的内部相位噪声。
根据本发明的一般实施，提供了一种电路，包括一个用于将来自第一可 控振荡器的第一可控振荡器信号的相位与从诸如晶体振荡器的低噪声基准振 荡器得到的基准振荡器频率信号的相位进行比较的第一比较器。在进行所述 比较之前，借助于一个适当的分频电路将两个振荡器信号减少到一个公共比 较频率。当所述振荡器信号不具有相同的相位时，所述第一频率比较器输出 一个误差信号。包括一个积分电路的第一环路滤波器对来自所述第一相位比 较器的误差信号进行滤波以产生将被提供给所述第一受控振荡器的控制信号 ，从而使它的频率被控制到所希望的值，其相位误差的平均值为零。
然后在第二相位比较器中将所述第一受控振荡器信号和来自第二受控振 荡器的信号进行比较。在所述比较之前，通过分频或外差将两个信号减小到 共同的比较频率。当所述振荡器信号相位不同时，所述第二相位比较器输出 一个误差信号。来自第一相位比较器的通常为零平均值的相位误差信号然后 在一个加法器中被加到来自所述第二相位比较器的所述相位误差上(所述相 位误差信号失相180°)，以去除来自第一受控振荡器的相位噪声。借此，产 生一个用于不受第一受控振荡器相位噪声影响的第二受控振荡器的控制信号 。然后所述无噪声控制信号在第二环路滤波器中被滤波并用于控制第二受控 振荡器以产生具有经过改善相位噪声特性的希望频率的信号。
在本发明的最佳实施例中，所述第一相位比较器包括两个具有分别来自 所述第一受控振荡器和所述基准振荡器的相同输入信号的相同的相位比较器 。相同的相位比较器中的一个连接到所述第一环路滤波器以提供用于所述第 一受控振荡器的控制信号，而另一个相同的相位比较器被连接到所述第二相 位比较器的输出以用于产生所述相位误差电流信号的加Y求和(Y-added addit ion)。所述最佳实施例考虑到了相位比较器通常具有电流源输出，因此仅仅 分解所述第一相位比较器输出将导致电流分解。所述无噪声控制信号然后在 所述第二环路滤波器中被滤波并用于控制所述第二受控振荡器。在该最佳实 施例中，通过使用所述相同第一相位比较器，所述第一和第二环路滤波器彼 此去耦合。
本发明的一个目的是减小无线电系统中的相位噪声。
本发明的另一个目的是在实现减小相位噪声的同时将多个振荡器集成 到多个硅芯片中。
本发明的再一个目的是减少集成振荡器的尺寸、成本和功耗。
本发明的其他方面、目的和优点可以通过对本发明的说明书、附图和 权利要求书的研究获得。
附图简述
图1的框图示出了本发明用于通过噪声前馈减小振荡器噪声的一般结 构；和
图2的框图示出了本发明用于通过噪声前馈减小振荡器噪声的最佳实施 例。
最佳实施例的详细描述
图1的框图示出了以标号10指出的本发明电路的一般结构。通过使用下 面将要详细描述的噪声前馈回路，发明电路10实现了振荡器相位噪声的减 小。另外，发明电路10可以被集成到硅芯片中，由此减小了整个电路的尺寸 以及制造成本。发明电路10包括第一锁相环电路12、正交调制器14和第二 锁相环电路16。所述第一锁相环电路12包括第一压控振荡器(VCO)18， 用于产生其频率依赖于所述压控输入信号22的输出信号20。虽然这种频率 控制振荡器通常已知是VCO类型的，但是这个术语也可以被认为是包括受 控电流振荡器，这是另一种一般实施，在这种实施中，输出信号的频率取 决于控制电流而不是控制电压。
来自VCO18的输出信号20被缓存在缓存放大器24中，缓存放大器24包 括90°相移网络或Hilbert网络，用于产生彼此具有90°相移的余弦(cos)和正 弦(sin)波输出。也已经知道用于直接输出余弦和正弦波形的正交VCO(QV CO)，这种QVCO也可以被使用(见图2)。在这种实施中，缓存放大器24 包括在所述QVCO中。在1996年6月25日授权的美国专利No5530722中描述 了正交调制器和对它的改进，该专利文献在这里也作为参考。
缓存放大器24还提供一个回到第一锁相环电路12的缓冲的VCO信号26。 来自缓存放大器24的缓存VCO信号26是一个第三分离的缓存的输出信号并 可以是具有将被提供给正交调制器14的同频率但异相并具有余弦和正弦波 形的余弦或正弦波形。缓存的VCO信号26被除N电路28接收，该电路28将缓 存VCO信号26除以N。基准除M电路30对已知频率Fref的基准信号进行分频 以便获得Fref/M。当分频器28和30的输出具有不相同的频率和相位时，相位 比较器32比较分频器28和30的输出并产生误差信号34。误差信号34被提供 给环路滤波器36，环路滤波器36对误差信号34进行滤波，并产生控制信号2  2给VCO18，以使VCO输出信号20中的误差减少到零频率和相位误差。在该 点处，即在零误差处，VCO18被锁定到频率(N/M)Fref。由此，根据已知 的数字频率合成技术通过适当地选择M和N可以获得实际限制范围内的任意 所需VCO18的频率。
正交调制器14对平均频率等于VCO18的频率的信号进行相位和/或幅值 调制。在诸如符合GSM(用于移动通信的全球系统)标准的蜂窝电话的某 些应用中，只使用相位调制。希望这种相位调制能够被传输给从位于诸如 欧洲935-960MHz内的分配的蜂窝电话频带中或美国1900MHz PCS频谱中多 个信道中的一个选择的输出发射机频率。
正交调制器14包括一对平衡混频器36、38和加法器40。混频器36、38 数学地执行I和Q信号与由缓冲放大器24产生的正弦和余弦波形的乘法。所 述I和Q信号最好由一个数字信号处理器(未示出)产生并载有经过调制的 信息，当调制到无线电载波上时，将导致所述无线电载波幅值和相位的调制 。混频器36将所述I信号(I和I)与余弦波形相乘。类似的，在混频器38处 所述Q信号(Q和Q)与正弦波形相乘。利用加法器40将混频器36和38的输 出相加以产生一个幅值/相位调制的信号42，该信号42基本上是一个具有幅 值和相位的矢量。利用正交调制和提供适当产生的I和Q信号以表示特殊类 型调制的矢量分量的特征，可以产生各种形式的调制，例如二进制移相键 控、正交幅值调制、单侧频带语音等。所述I和Q信号基本上确定了将被执 行的调制类型。
通过对通常被用做接收机中本机振荡器的频率合成器44编程方便地选 择所希望的蜂窝信道，以产生将被提供给下变频器48的混频信号46。第二VC  O50产生另一个输入信号52提供给下变频器48。VCO50直接以所述发射频率 工作，并且最好是一个低噪声VCO。在下变频器48中从所述混频信号46中 减去发射频率信号52，以产生差频率信号54，该信号54应位于发射偏移频 率上。所述发射偏移是由接收机频率合成器44形成的一个偏移，用于产生 所述发射频率并等于所述发射机中间频率加上或减掉双工间距。所述双工 间距基本上是上行线路和下行线路频带之间使能一个单元电话或其他设备 同时发射或接收信号的一个固定间隙。例如，在800MHz频带中，所述双工 间距是45MHz；在2千兆赫兹PCS频带中，所述双工间距是恒定的80MHz。
第一锁相环12的VCO18最好工作在所述发射偏移频率上。来自正交调 制器14的输出信号42由此是一个经过调制的发射偏移频率信号。来自下行 变频器48的差频率信号54和经过调制的发射偏移信号42被输入给一个相位 比较器或检测器56，所述相位比较器或检测器56将所述差频率信号54与来 自所述正交调制器14的所述相位经过调制的信号42(两个信号都具有所述 发射偏移频率)进行比较。如果来自VCO50的信号52的相位不等于经过调 制的信号42的相位，则产生一个误差信号58(以虚线形式表示)并提供给 环路滤波器60，环路滤波器60接下来产生一个控制信号62用于控制VCO50 减少所述误差，由此强迫VCO50跟随由所述正交调制器14施加的相位调制 。当需要时，来自VCO50的相位经过调制的信号64被发射功率放大器66放 大并由天线68辐射。
现有技术系统另人讨厌的缺点是与所希望的相位调制比较可能产生足 够幅值的振荡器相位噪声，会增加数据传输中的误差。当将VCO18作为给 所有元件(14、18、24、28、30、32、36、48和56)的集成电路芯片的一部 分制造尝试减少尺寸和成本时相位噪声特别另人讨厌。因此，本发明加入 了一个附加的元件或连接以便减少来自VCO18的相位噪声影响。
由VCO18产生的、被减小到N分之一的相位噪声，相对于采用的无噪声 基准信号Fref从相位比较器32被引出，所述N是分频器28的分频比。因此， 来自相位比较器32的误差信号34通过例如系数N在定标器70中被定标以便获 得以适当值表示的VCO18相位噪声的信号72。VCO18的相位噪声还与希望 的调制一起出现在来自正交调制器14的输出信号42上并传输给相位比较器5 6的输出信号58。由此，本发明试图提供一个加法器74，用于从定标器70接 收定标的相位噪声信号72和从相位比较器56接收相位误差信号58，并将来 自定标器70的定标相位噪声信号72叠加到来自相位比较器56的相位误差信 号58上，以消除由VCO18产生的相位噪声。在加法器74执行一个简单加法 操作的同时，由于定标相位噪声信号72与相位误差信号58相位差180°，从而 导致所述相位误差信号的减去或删除。由此，加法器74的加法减少了由VC O18产生并经过环路滤波器60传输给VCO50然后传输给功率放大器66的输出 和天线68的相位误差量。所述元件14、18、24、28、30、32、36、48、56、 70和74最好是作为集成电路芯片的部分。环路滤波器60可以是或者可以不 是所述集成电路芯片的部分。
使用图1所示的本发明电路，VCO18可以具有很小的尺寸和很低的成 本，不会招致通常与小尺寸、低成本VCO相关的相位噪声风险。
图2示出了以标号100表示的本发明电路一个最佳实施例，该电路包括 以和图1相同标号表示的相同的元件和利用(’)表示的经过修改的元件。 在第一锁相环电路12’中提供了正交VCO(QVCO)102以替换图1的VCO18 和缓冲放大器24。QVCO102从环路滤波器36中接收控制信号22并产生驱动 正交调制器14所需的余弦和正弦波形。另外，相同的相位比较器104和106 代替了图1中的单一的相位比较器32。具有与图1所示相位比较器32相同的 输入信号，即经过除N电路的QVCO信号26和来自晶基振荡器108的基准频 率信号Fref。如果QVCO信号26的相位和Fref信号不同，相位比较器104产生 一个误差信号110。误差信号110被提供给环路滤波器36，环路滤波器接着 产生将被提供给QVCO102的控制信号22以减少由QVCO102输出的频率和相 位误差。类似的，相位比较器106输出代表QVCO信号26和基准信号Fref之间相 位差的误差信号72。两个相位比较器104和106最好都由公知的电荷泵形式， 所述电荷泵在例如这里也被作为参考的美国专利No5095288中进行了详细的 描述。在所述’288专利中披露的频率合成器可以被用做图1的频率合成器4 4或可以作为图2所示下变频器48’的一部分。下变频器48’也可包含数字 分频器或者外差下变频器，但是，这种选择对本发明来讲是不重要的。
虽然具有正比于比较器输入信号之间相位误差的电流源输出信号的相 位比较器都适用于本发明，但是，最好在第二锁相环电路16’中的相位比 较器56使用电荷泵类型的相位比较器。例如，Gilbert Cell型的相位比较器可 以和电流反射镜一起使用以便将其输出转换成双向电流源。所述Gibert Cell 型相位比较器最好是一个用于(输入信号)工作频率高于约20MHz频率的 数字相位比较器和一个电荷泵。
具有电流源输出的相位比较器的使用允许相位比较器56和106的输出被 并联连接到节点112上以实现它们输出电流信号的加法。两个一样的相位比 较器104和106的理由是它们避免了将相位比较器106和56的输出连接到一 起的需要，而将它们的输出连接到一起将导致在用于控制QVCO102的第一 锁相环电路(28、36、102、104)和用于控制VCO50的第二锁相环电路(48’ 、50、56、60)之间的不希望的相互作用。另外，相同或类似于相位比较 器104的单独的相位比较器106提供了一个与存在于相位比较器104输出的相 位误差电流信号相同的完全一样但隔离的输出。与来自相位比较器56的相 位噪声电流比较，相位比较器106最好直接提供以系数‘N’按比例增加的 一个相位噪声电流，由此补偿分频电路28中的N分频。这个定标可以通过适 当地选择电荷泵或Gilbert Cell型相位比较器的工作电流来实现，所述工作电 流可以被设置为足够的精度而不必进行进一步的调节，同时仍然可以实现 有用数量的相位噪声补偿。但是，如果除N电路28是一个工作于不同值的可 变分频器，那么，当可能需要工作于诸如800MHz和1900MHz的其他蜂窝频 带的发射机时，用于适当噪声补偿的定标量可能必须被调节。在这里作为 参考的’288专利披露了当需要时如何组构具有可编程电流级的电荷泵相位 比较器，所述比较器适合于产生可变的定标。
上面已经描述了当在例如蜂窝电话发射机中被用于以发射中间频率执 行调制时，诸如图2所示两个一样的电荷泵相位比较器106和图1所示定标器 70以及加法器74的少量附加电路的添加，可以补偿来自QVCO102或VCO18 的相位噪声。这使得便于将所述QVCO102集成到一个集成电路芯片中以便 和现有技术相比较减少了尺寸、成本和功耗，同时仍旧能够满足对发射信 号所希望的相位噪声补偿。在图2中，最佳形式将是把多个元件(14、22、28 、48’、56、102、104和106)共同结合到一个集成电路芯片中。环路滤波 器60可以在或可以不在所述集成电路芯片上形成。
在特别参考附图描述了本发明的同时，应当理解，可以在不脱离本发 明精神和范围的前提下作出各种修改。