Sistema analógico para generar señales en cuadratura.

Comprende por lo menos un oscilador sincronizado por inyección (O1) y un multiplicador analógico (Mx1) con una salida (Mx1s1) conectada a la entrada (O1e) del oscilador (O1) para suministrarle una señal de inyección (inj) resultante de la multiplicación de las señales presentes en las entradas del multiplicador analógico (Mx1e1 y Mx1e2),

una de las cuales (Mx1e1) está conectada a la primera o única salida (O1s1) del oscilador (O1). El oscilador sintonizado por inyección (O1) está diseñado para generar, una vez recibida dicha señal de inyección (inj), una señal de salida analógica (out) con un desplazamiento de fase relativo de sustancialmente 90º con respecto a la señal analógica recibida a través de la segunda entrada (Mx1e2) del multiplicador analógico (Mx1). Puede usarse como generador de señales de cuadratura simple o cuadratura de cuatro fases.

Sistema analógico para generar señales en cuadratura.

En general la presente invención se relaciona con un sistema analógico para generar señales en cuadratura mediante el uso de osciladores sincronizados por inyección ("injection locked oscillators", ILOs) y particularmente con un sistema que comprende un multiplicador analógico usado para inyectar uno o mas osciladores sincronizados por inyección, una de cuyas entradas está conectada con una de las salidas del ILO, la única si se trata de un oscilador del tipo de una sola salida, o una de ellas cuando se trate de un oscilador del tipo de salida diferencial.

Estado de la técnica

La disponibilidad de señales analógicas en cuadratura (I/Q) es esencial para el correcto funcionamiento de los sistemas electrónicos de radiocomunicaciones actuales. Estas señales se utilizan para recuperar la información contenida en la señal de radiofrecuencia captada por las antenas de diferentes sistemas, tales como teléfonos móviles, PDAs, ordenadores, receptores de TDT, conexiones Bluetooth o WiFi, etc.

En dichos sistemas, la información se codifica como símbolos que son construidos combinando adecuadamente dos señales en cuadratura.

La precisión entre las amplitudes relativas y fases relativas de las señales en cuadratura es un factor clave que condiciona la calidad de servicio de los sistemas de comunicaciones actuales. Cualquier error relacionando una de estas dos magnitudes supone un empeoramiento de la recepción.

La generación de señales en cuadratura se ha llevado a cabo de una manera indirecta, utilizando filtros de fase múltiple ("poly-phase filtres"). Tal es el caso, por ejemplo, de la propuesta descrita en M. Borremansel et al., "The Optimization of GHz Integrated CMOS Quadrature VCO's based on a poly-phase filter loaded differential oscillator", ISCAS 2000-1EEE International Symposium on Circuits and Systems, 28-31 de Mayo del 2000, Ginebra, Suiza, pp. II-729 a II-732.

Las señales obtenidas mediante dichos sistemas basados en filtros de fase múltiple tienen una diferencia de fase entre ellas bien definida y además presentan la misma amplitud para la frecuencia central de funcionamiento del filtro. Sin embargo, el consumo de dichos sistemas es muy elevado y también generan un considerable nivel de ruido en las señales de salida. Por otro lado, para frecuencias diferentes de la frecuencia central del filtro, tanto la diferencia de fases como la amplitud de las señales se deterioran, haciendo difícil la utilización de este método de generación en sistemas multi-banda, multi-estándar, tales como los terminales electrónicos portátiles actuales.

Recientemente se ha investigado un nuevo método alternativo para generar señales analógicas en cuadratura. El método se basa en la generación directa de las señales mediante la inyección de un par de osciladores con una señal diferencial de referencia. Ambos osciladores sincronizan sus frecuencias de manera que uno de ellos genera las señales con fases 0º y 180º, mientras que el otro genera las señales con fases 90º y 270º.

Dicho método alternativo se beneficia del hecho de que bajo ciertas condiciones los ILOs son subsistemas capaces de sincronizarse con una señal externa. En ausencia de señal inyectada los ILOs son osciladores ordinarios. Sus salidas pueden ser únicas o, más comúnmente, diferenciales, y su frecuencia puede ser fija o variable en un cierto rango de sintonización.

Cuando se inyecta una señal de referencia de frecuencia próxima al doble de la frecuencia propia de oscilación del ILO, debido a los comportamientos no lineales de los dispositivos activos utilizados para implementar el oscilador (transistores, varactores, etc.) se produce un cambio en la frecuencia de salida. Finalmente se alcanza una situación de equilibrio cuando la frecuencia de salida del oscilador es exactamente igual a la mitad de la frecuencia de la señal inyectada. Además de la sincronización de la frecuencia también se produce una sincronización de la fase, la cual depende del tipo de no linealidad dominante. En el caso de no linealidades reactivas (o sea, condensadores no lineales o inductores no lineales) el patrón de fase en equilibrio puede ser cualquiera de los dos que se muestran en la Fig. 1(A) y la Fig. 1(B). Es importante destacar que en ambos casos, (A) y (B), el patrón de fase permanece inalterado cuando la fase de la salida del oscilador, V_out se modifica en 180º (overline{mathit{V}}_out). La Fig. 2 ilustra este punto en el caso del patrón de fase (A) de la Fig. 1. De acuerdo con esto, dada una señal inyectada de referencia, V_inj, la fase de la salida del oscilador tiene una incertidumbre de 180º.

Algunos métodos de generación directa se describen en J. Cabanillas et al., "A 900 MHz low phase noise CMOS quadrature oscillator", IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2002; y también en B.R. Jackson et al., "A 3 GHz CMOS Quadrature Oscillator Using Active Superharmonic Coupling", Proceedings of the 37th European Microwave Conference, October 2007, Munich, Germany.

En EP 1469598 se describe otra propuesta basada en generación directa, basada en un sistema que consta de dos divisores de frecuencia, cada uno alimentado por sendas señales analógicas de frecuencia 2f y teniendo una diferencia de fase de 180º entre ellas. Cada uno de dichos divisores de frecuencia genera una señal analógica cuya fase esta desplazada 90º con respecto a la señal generada por el otro divisor de frecuencia.

Aunque estos métodos de generación directa basados en el acoplo de osciladores presentan algunas ventajas respecto a algunos anteriores, en términos de consumo, ruido y rango de frecuencia de funcionamiento tienen el inconveniente de que las fases relativas de las diferentes señales de salida no están bien definidas. Así, entre cualesquiera dos salidas de los dos osciladores, no hay manera de saber si la diferencia de fase es de 90º o de 270º, siendo esta la incertidumbre de fase de 180º mencionada anteriormente. Este hecho limita los tipos de modulaciones que pueden utilizarse para transmitir información utilizando ondas de radio.

El problema de la incertidumbre de fase se ha intentado solucionar con propuestas basadas en sistemas de acoplamiento de osciladores mediante elementos reactivos, pero la inclusión de tales elementos reactivos restringe el funcionamiento a un margen muy reducido de frecuencias, convirtiéndose así en sistemas de banda estrecha. Una de tales propuestas se describe en I.R. Chamas et al., "A Comprehensive Analysis of Quadrature Signal Synthesis in Cross-Coupled RF VCOs", IEEE Transactions on Circuits and Systems-I: Regular Papers, vol. 54, Nº 4, Abril 2007.

Explicación de la invención

Los inventores proporcionan un sistema alternativo al del estado de la técnica, para la generación de señales analógicas en cuadratura que es capaz de solventar los diferentes inconvenientes de las propuestas citadas previamente, de manera que además de ser un sistema de bajo consumo y de suministrar señales con un bajo nivel de ruido, es también capaz de trabajar en un amplio margen de frecuencias sin ningún tipo de incertidumbre en las fases de las señales de salida.

Así pues, la presente invención proporciona un sistema analógico para la generación de señales en cuadratura que permite solventar los inconvenientes de los sistemas conocidos mencionados anteriormente, mediante el uso del cual se obtienen señales analógicas en cuadratura carentes de las desventajas mencionadas previamente, y con diferencias de fase muy bien definidas.

Para tal propósito el sistema que proporciona la presente invención comprende, como algunas de las propuestas citadas con anterioridad, uno o más ILOs cuya función es la de generar y suministrar señales de salida analógicas de una determinada frecuencia, después de recibir, a través de una entrada, una señal inyectada cuya frecuencia es substancialmente el doble de dicha determinada frecuencia.

A diferencia de las propuestas mencionadas previamente el sistema proporcionado por la presente invención comprende al menos un multiplicador analógico con al menos:

- un primera entrada conectada a dicha primera salida de dicho oscilador sincronizado por inyección (ILO) para recibir dicha señal analógica de salida de dicho ILO;

- una segunda entrada cuya función es recibir una señal analógica cuya frecuencia es sustancialmente...

1. Sistema analógico para generar señales en cuadratura, del tipo que comprende al menos un oscilador sincronizado por inyección (O1), previsto para generar y suministrar, a través al menos una primera salida (O1s1), una señal de salida analógica (V_out) con una frecuencia determinada, tras recibir, a través de una entrada (O1e), una señal de inyección (V_inj) con una frecuencia sustancialmente igual al doble de dicha frecuencia determinada, estando dicho sistema caracterizado porque comprende al menos un multiplicador analógico (Mx1) con al menos:

- una primera entrada (Mx1e1) en conexión con dicha primera salida (O1s1) de dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) para recibir dicha señal de salida analógica (V_out) del oscilador (O1);

- una segunda entrada (Mx1e2) prevista para recibir una señal analógica con una frecuencia sustancialmente igual a dicha frecuencia determinada, y

- una salida (Mx1s1) conectada a dicha entrada (O1e) del oscilador sincronizado por inyección (O1),

estando dicho multiplicador analógico (Mx1) previsto para multiplicar las señales presentes en al menos dichas primera (Mx1e1) y segunda (Mx1e2) entradas, para generar dicha señal de inyección (V_inj) y suministrársela a dicho oscilador sincronizado por inyección (O1), y estando dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) configurado para generar dicha señal de salida analógica (V_out) con un desfase relativo, respecto a dicha señal analógica recibida por dicha segunda entrada (Mx1e2) del multiplicador analógico (Mx1), de sustancialmente 90º.

2. Sistema según la reivindicación 1, donde dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) está polarizado para obtener un patrón de fase, en equilibrio, que proporcione dicha señal de salida analógica (V_out) con un desfase, respecto a la señal analógica recibida por la segunda entrada (Mx1e2) del multiplicador analógico (Mx1), de sustancialmente +90º.

3. Sistema según la reivindicación 1, donde dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) está polarizado para obtener un patrón de fase, en equilibrio, que proporcione dicha señal de salida analógica (V_out) con un desfase, respecto a la señal analógica recibida por la segunda entrada (Mx1e2) del multiplicador analógico (Mx1), de sustancialmente -90º.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, donde dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) es de salida diferencial, comprendiendo una segunda salida (O1s2) para suministrar una señal de salida analógica (\overline{\mathit{V}}_out) igual a dicha señal de salida (V_out) suministrada por dicha primera salida (O1s1), pero desfasada 180º respecto a la misma.

5. Sistema según la reivindicación 4, que comprende un segundo oscilador sincronizado por inyección (O2) de salida diferencial y de características eléctricas análogas o sustancialmente iguales al primero (O1), y donde dicho multiplicador analógico (Mx1) es de cuatro cuadrantes y de salida y entrada diferenciales, comprendiendo una segunda salida (Mx1s2) conectada a la entrada (O2e) de dicho segundo oscilador sincronizado por inyección (O2) para suministrarle una señal de inyección (\overline{\mathit{V}}_inj) igual a la señal de inyección (V_inj) suministrada al primero (O1) pero desfasada 180º respecto a la misma, estando una primera salida (O2s1) del segundo oscilador sincronizado por inyección (O2) conectada a dicha segunda entrada (Mx1e2) del multiplicador analógico (Mx1), cuya tercera entrada (Mx1e3) está conectada a la segunda salida (O1s2) del primer oscilador sincronizado por inyección (O1) y cuya cuarta entrada (Mx1e4) está conectada a la segunda salida (O2s2) del segundo oscilador sincronizado por inyección (O2).

6. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde dicha señal analógica recibida en dicha segunda entrada (Mx1e2) del multiplicador analógico (Mx1) es una señal externa de referencia (Vref).

7. Sistema según la reivindicación 4 cuando depende de la 3, que comprende un segundo multiplicador analógico (Mx2) y un segundo oscilador sincronizado por inyección (O2), de salida diferencial, estando la salida (Mx2s1) del segundo multiplicador analógico (Mx2) conectada a la entrada (O2e) del segundo oscilador sincronizado por inyección (O2), cuya segunda salida (O2s2) está conectada a la segunda entrada (Mx1e2) del primer multiplicador analógico (Mx1), y comprendiendo el segundo multiplicador analógico (Mx2) una primera entrada (Mx2e1) conectada a una primera salida (O2s1) del segundo oscilador sincronizado por inyección (O2) y una segunda entrada (Mx2e2) conectada a la primera salida (O1s1) del primer oscilador sincronizado por inyección (O1), siendo ambos osciladores (O1, O2) y ambos multiplicadores (Mx1, Mx2), respectivamente, de características eléctricas análogas o sustancialmente iguales.

8. Sistema según la reivindicación 3, donde dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) es de salida única, constituyendo junto al primer multiplicador analógico (Mx1) una primera unidad de cuadratura simple (U1), y que comprende tres unidades de cuadratura simple adicionales (U2, U3, U4) análogas o substancialmente iguales a la primera (U1), formadas por unos respectivos multiplicadores analógicos (Mx2, Mx3, Mx4) conectados con unos respectivos osciladores sincronizados por inyección (O2, O3, O4) de igual forma que lo están los que constituyen la primera unidad (U1), estando todas las unidades de cuadratura simple (U1, U2, U3, U4) conectadas en serie entre sí formando un bucle cerrado, de manera que la salida única (O1s1) del primer oscilador (O1) está conectada a la segunda entrada (Mx2e2) del segundo multiplicador analógico (Mx2) y que la salida única (O4s1) del cuarto oscilador (O4) está conectada a la segunda entrada (Mx1e2) del primer multiplicador analógico (Mx1).

9. Sistema según la reivindicación 4 cuando depende de la 3, donde dicho oscilador sincronizado por inyección (O1) de salida diferencial constituyendo, junto al primer multiplicador analógico (Mx1), una primera unidad de cuadratura simple (V1), y comprendiendo tres unidades de cuadratura simple adicionales (V2, V3, V4) análogas o substancialmente iguales a la primera (V1), formadas por unos respectivos multiplicadores analógicos (Mx2, Mx3, Mx4) conectados con unos respectivos osciladores sincronizados por inyección de salida diferencial (O2, O3, O4) de igual forma que lo están los que constituyen la primera unidad (V1), estando todas las unidades de cuadratura simple (V1, V2, V3, V4) conectadas en serie entre sí formando un bucle cerrado, a través de sus respectivas segundas salidas, de manera que la segunda salida (O1s2) del primer oscilador (O1) está conectada a la segunda entrada (Mx2e2) del segundo multiplicador analógico (Mx2) y que la segunda salida (O4s2) del cuarto oscilador (O4) está conectada a la segunda entrada (Mx1e2) del primer multiplicador analógico (Mx1).

10. Sistema según la reivindicación 7, que comprende unos medios de compensación de carga para equilibrar las cargas soportadas por cada una de las salidas de los osciladores sincronizados por inyección (O1, O2).

11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada uno de dichos osciladores sincronizados por inyección (O1-O4) es un oscilador sintonizable controlado por tensión apto para generar dicha señal de salida analógica (V_out) con dicho desfase relativo dentro de todo su rango de frecuencias de sintonización, sin indeterminación de fase.

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde cada uno de dichos osciladores sincronizados por inyección (O1-O4) es un oscilador de frecuencia de resonancia fija.

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde cada uno de dichos multiplicadores analógicos (Mx1-Mx4) es un mezclador.

14. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 5, 7, 8 ó 9, donde dichos dos (O1, O2) o cuatro (O1, O2, O3, O4) osciladores forman parte de un mismo circuito integrado.

15. Sistema según la reivindicación 14, donde dicho (Mx1) o dichos multiplicadores analógicos (Mx1-Mx4) también forman parte de dicho circuito integrado.

16. Sistema según la reivindicación 15, donde todos sus elementos, conexiones y circuitería asociada están definidos en dicho circuito integrado.