CN100367665C - 锁相环路形式的正交信号相位校准器 - Google Patents

Abstract

本发明是属于模拟信号处理技术领域，涉及锁相环路形式的正交信号相位校准器。包括正交相位检测器，电荷泵，环路滤波器，缓冲器，低通滤波器和两个可控的延迟单元。正交相位检测器的两个输出端连接到电荷泵输入端，电荷泵的输出端连接到环路滤波器的第一输入端，环路滤波器的第二输入端连接到正交相位检测器的第三输出端，环路滤波器的输出端连接到缓冲器的输入端，缓冲器的输出端连接到低通滤波器的输入端，低通滤波器的第一输出端连接到同相位(I)支路的可控延迟单元的控制输入端，低通滤波器的第二输出端连接到正交相位(Q)支路的可控延迟单元的控制输入端。本发明可消除I、Q两路信号的相位误差，降低误码率BER，提高通信的质量。

Description

锁相环路形式的正交信号相位校准器

技术领域

本发明属于模拟信号处理、通信技术领域，特别涉及适合于无线信号收发机的正交信号相位校准器设计。

背景技术

在采用频率或相位调制技术的通信系统中，收发机，包括直接变换收发机，必须要采用正交变换的结构。正交就是相位差为90度的意思。在电路制备的过程中不可避免的会产生正交两路的元件大小不一致的情况，输入给正交两路混频器的本振信号也可能存在一定的相位偏差，这些都是导致两路信号相位关系偏离正交的原因。在直接变换收发机中，正交电路部分承担的增益很大，两路输出信号的相位偏差有可能会比较大。

如图1所示的直接下变换系统，电路链上产生的相位误差，导致最后输出的I、Q信号偏离90度的相位差，从而造成信号星座图的恶化，误码率BER上升。

假设接收QPSK调制信号x_m(t)＝acosω_Ct+bsinω_Ct，a(b)＝±1，I、Q两路本振信号为

$x_{\mathrm{LO}.I}\left(t\right)=2\cos ({\mathrm{\ω}}_{C}t+\frac{\mathrm{\θ}}{2}),$ $x_{\mathrm{LO},Q}\left(t\right)=2\sin ({\mathrm{\ω}}_{C}t-\frac{\mathrm{\θ}}{2})$

θ代表两路本振信号的相位误差。变频滤波后的输出信号如下

$x_{\mathrm{BB},I}\left(t\right)=a\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}-b\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2},$ $x_{\mathrm{BB},Q}\left(t\right)=-a\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}+b\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}$

图2表示了I、Q两路输出信号相位偏离90度对信号星座图的影响。其中空心圆代表理想的信号星座图，黑点代表I、Q两路信号相位非正交时的信号星座图。

为了降低误码率，提高通信质量，要求能够尽量消除I、Q两路信号的相位偏移，相位校准的范围要大，同时要求引入的噪声对系统影响小，代价也尽量的小。

为了考虑正交信号相位校准电路能够和其他电路一起集成，特别是与CMOS工艺兼容，也要求电路能够采用CMOS工艺制备。

传统的正交相位校准电路在数字域实现相位的补偿。实现的方法多种多样，一般可以分为窄带校正方法和宽带校正方法。这些方法仅仅是对已经偏离正交的相位关系进行补偿，实现起来比较复杂，代价较大，并且工作的频带只有二、三百兆赫兹，这些都导致相位校正的范围不会很大。在接收机中，这就要求输入给数字电路的两路信号的相位偏离正交的程度不能太大，否则数字电路就无法完成相位的校准。而在发射机当中，数字电路输出的正交两路信号分别经过模拟电路的处理，然后汇合成单路信号后就被放大发射出去。在模拟处理过程中两路信号产生的相位偏差，不再有数字电路进行校正。

从上面的分析可以看出，正交信号相位校准电路的设计方面存在以下一些问题：

第一、数字电路实现具有算法复杂、校准范围小等缺点：

第二、数字电路无法完成发射机当中的正交相位校准工作；

第三、模拟电路实现具有结构简单、校准范围大等优点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，采用模拟电路的方式，设计一种锁相环路形式的正交信号相位校准器，满足大校准范围、低代价和低噪声的要求，从源头上解决正交相位偏移的问题；同时可以使用标准的CMOS工艺制备。

本发明提出的一种锁相环路形式的正交信号相位校准器，其特征在于，包括一个正交相位检测器，一个电荷泵，一个环路滤波器，一个缓冲器，一个低通滤波器和两个可控的延迟单元；其连接关系为：该正交相位检测器输入端接外部电路输出的准正交信号I和Q，该正交相位检测器的第一、第二输出端连接到电荷泵输入端，该电荷泵的输出端连接到环路滤波器的第一输入端，该环路滤波器的第二输入端连接到正交相位检测器的第三输出端，该环路滤波器的输出端连接到缓冲器的输入端，该缓冲器的输出端连接到低通滤波器的输入端，该低通滤波器的第一输出端连接到同相位(I)支路的可控延迟单元的控制输入端，该低通滤波器的第二输出端连接到正交相位(Q)支路的可控延迟单元的控制输入端；外部正交(或准正交)信号SI_in、Q_in分别输入给所述I、Q两路的可控延迟单元，该I、Q两路的可控延迟单元输出相位关系经过调整了的准正交(或正交)信号SI_out、SQ_out，分别输入给外部的I、Q两部分电路，从而形成反馈环路。

本发明提出的另一种锁相环路形式的正交信号相位校准器，包括上述第一种正交信号相位校准器的全部结构，其特征在于，还包括一个采样保持电路和一个电源开关电路，该采样保持电路的输入端与所述低通滤波器的输出端相连接，其输出端分别与所述I、Q两路的可控延迟单元的控制输入端相连接，其控制端与外部输入信号SHc连接，该采样保持电路和I、Q两路可控延迟单元的电源输入端与外部电源输入直接相连；该电源开关电路的输入端与外部电源输入端相连，其输出端与除采样保持电路和可控延迟单元以外的其他电路模块的电源输入端相连，其开关控制输入端与外部输入信号SHc相连。相位校准环路工作的情况下，采样保持电路处于采样状态，电源开关电路处于开状态；相位校准完成以后，采样保持电路切换到保持状态，电源开关电路关闭，从而降低系统功耗和噪声。

本发明填补了模拟正交信号相位校准电路的研究空白。本发明用模拟电路的相位校准电路，可以实现很大范围的相位校准，电路结构简单，以较小的代价具有更宽的工作频带。在接收机当中，模拟的正交相位校准电路可以配合甚至取代数字校准电路；而在发射机当中，正交相位的校准只能依靠模拟电路完成。

本发明的正交信号相位校准器的设计方案与传统的设计方案相比具有以下优点：

1)采用模拟电路实现，相位校准范围大；

2)电路结构简单，低噪声、低代价；

3)可以满足收发机，特别是发射机系统的需求。

附图说明

图1为正交下变换接收机输出信号相位偏移的示意图。

图2为正交信号相位偏移对QPSK信号星座图影响的示意图。

图3为本发明提出的第一种正交信号相位校准器的结构图。

图4为本发明提出的第二种正交信号相位校准器的结构图。

图5为本发明的正交信号相位检测器实施例的逻辑电路图。

图6为本发明的电荷泵电路实施例的结构图。

图7为本发明的环路滤波器实施例的电路图。

图8为本发明的缓冲器实施例的结构图。

图9为本发明的采样保持电路实施例的电路图。

图10为本发明的可控延迟单元实施例的电路图。

具体实施方式

本发明提出的正交信号相位校准器结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的正交信号相位校准器的第一种结构如图3虚线框中所示，包括一个正交相位检测器，一个电荷泵，一个环路滤波器，一个缓冲器，一个低通滤波器和两个可控的延迟单元(即同相位(I)支路的可控延迟单元和正交相位(Q)支路的可控延迟单元)。外部输入信号是外部电路输出的准正交信号I和Q，正交(或准正交)信号SI_in、SQ_in和电源电压Vdd，输出信号是相位关系经过调整了的准正交信号SI_out、SQ_out。连接关系为：该正交相位检测器输入端接外部电路输出的准正交信号I和Q，该正交相位检测器的第一、第二输出端连接到电荷泵输入端，该电荷泵的输出端连接到环路滤波器的第一输入端，该环路滤波器的第二输入端连接到正交相位检测器的第三输出端，该环路滤波器的输出端连接到缓冲器的输入端，该缓冲器的输出端连接到低通滤波器的输入端，该低通滤波器的第一输出端连接到同相位(I)支路的可控延迟单元的控制输入端，该低通滤波器的第二输出端连接到正交相位(Q)支路的可控延迟单元的控制输入端；外部正交(或准正交)信号SI_in、SQ_in分别输入给所述I、Q两路的可控延迟单元，该I、Q两路的可控延迟单元输出相位关系经过调整了的准正交(或正交)信号SI_out、SQ_out，分别输入给外部的I、Q两部分电路，从而形成负反馈环路，校准I、Q相位达到正交。

本发明提出的正交信号相位校准器的第二种结构如图4虚线框中所示，包括一个正交相位检测器，一个电荷泵，一个环路滤波器，一个缓冲器，一个低通滤波器，一个采样保持电路，一个电源开关电路和两个可控的延迟单元(即I、Q两路可控的延迟单元)。外部输入信号是外部电路输出的准正交信号I和Q，采样保持控制信号SHc，正交(或准正交)信号SI_in、SQ_in和电源电压Vdd，输出信号是相位关系经过调整了的准正交(或正交)信号SI_out、SQ_out。连接关系为：该正交相位检测器输入端接外部电路输出的准正交信号I和Q，该正交相位检测器的第一、第二输出端连接到电荷泵输入端，该电荷泵的输出端连接到环路滤波器的第一输入端，该环路滤波器的第二输入端连接到正交相位检测器的第三输出端，该环路滤波器的输出端连接到缓冲器的输入端，该缓冲器的输出端连接到低通滤波器的输入端，该低通滤波器的输出端连接到采样保持电路的输入端，该采样保持电路的输出端分别与所述I、Q两路的可控延迟单元的控制输入端相连接，其控制端与外部输入信号SHc连接，该I、Q两路的可控延迟单元输出相位关系经过调整了的准正交(或正交)信号SI_out、SQ_ouc，分别输入给外部的I、Q两部分电路，从而形成负反馈环路，校准I、Q相位达到正交。另外，该采样保持电路和I、Q两路可控延迟单元的电源输入端与外部电源输入直接相连；该电源开关电路的输入端与外部电源输入端相连，其输出端与除采样保持电路和可控延迟单元以外的其他电路模块的电源输入端相连，其开关控制输入端与外部输入信号SHc相连。

本发明的正交相位检测器的一种电路实施例如图5所示，包括正相放大器A1、A2，反相放大器A3、A4，缓冲放大器B1～B3，与门AND1～AND5、与非门NAND和反相器I1～I5。这些放大器和逻辑门电路还可以有很多实现方式，就不一一列举电路。本实施例的连接关系详细说明如下：正相放大器A2和反相放大器A4的输入端与外部信号I相连，正相放大器A1和反相放大器A3的输入端与外部信号Q相连，A1、A2的输出端与与门AND1的两个输入端相连，A3、A2的输出端与与门AND2的两个输入端相连，与门AND1的输出端分别与与门AND3和与非门NAND的一个输入端相连，与门AND2的输出端分别与与门AND4和与非门NAND的另一个输入端相连，与门AND3、AND4的输出端分别与缓冲放大器B1、B2的输入端相连，缓冲放大器B1、B2的输出端输出信号为DN和UP；A4的输出端与反相器I1，以及依次与反相器链I2～I5的输入端相连，I1和I5的输出端分别与与门AND5的两个输入端相连，AND5的输出端与缓冲放大器B3的输入端相连，B3输出信号为CK。

本发明的电荷泵的实现方法很多，本实施例给出电路结构如图6所示，包括两个可控电流源(为常规产品具体电路不再详述)。其连接关系为：充电电流源控制端连接到UP上，正端接电源，放电电流源控制端连接到DN上，负端接地，充电电流源的负端和放电电流源的正端相连，并且输出信号CPout。

本发明的环路滤波器包括传统的低通滤波器和一个开关SW。图7中给出了二阶无源低通滤波器实施例的电路图，由电容C1、C2和电阻R组成。开关可以采用单个晶体管或者传输门来实现。其连接关系为：电容C1、C2的一端和开关SW的输入端与电荷泵的输出CPout连接，电容C1的另一端连到地，电容C2的另一端连接到电阻R的一端，电阻R的另一端连到地，开关SW的控制端连接到正交相位检测器的输出端CK，SW输出信号为LFout。

本发明的缓冲器电路实施例包括一个差分放大器AMP，一个传输门和一个反相器(它们均为常规产品，其具体电路不再详述)如图8所示，其连接关系为：差分放大器AMP的正相输入端连接到环路滤波器的输出端LFout，反相输入端连接到它的输出端，该输出端连接到传输门和反相器的输入端，传输门输出I路信号为VCI，反相器输出Q路信号为VCQ。

由于低通滤波器的实现方法很多，这里不再例举电路进行描述。它的输入端是VCI、VCQ，输出端为VCIL、VCQL。

第二种结构中的采样保持电路实施例见图9所示，包括开关SW1、SW2和电容CC1、CC2。开关可以用单个晶体管或者传输门实现。该电路的连接关系为：开关SW1、SW2的控制端连接到外部输入信号SHc上，SW1的输入端连接到低通滤波器的输出VCIL信号端上，输出端连接到电容CC1的一端，并且输出信号Vci，电容CC1的另一端接地；类似的，SW2的输入端连接到低通滤波器的输出VCQL信号端上，输出端连接到电容CC2的一端，并且输出信号Vcq，电容CC2的另一端接地。

本发明的可控延迟单元实现电路也很多，这里给出一种简单的RC结构作为实施例，可变电阻Rc可以采用晶体管沟道电阻实现。本实施例结构如图10所示。其连接关系为：电容C的一端连接到外部输入信号SI_in(SQ_in)，并且连接到输出信号SI_out(SQ_out)，电容C的另一端连接到可变电阻Rc的一端，可变电阻的另一端接地；在本发明提出的第一种结构中，可变电阻的控制端VcI(VcQ)连接到低通滤波器的输出端VCIL(VCQL)；在本发明提出的第二种结构中，可变电阻的控制端VcI(VcQ)连接到采样保持电路的输出端Vci(Vcq)。

电源开关电路的常规实现方法很多，最简单的可以采用单个晶体管的方式，具体电路不再详细描述。

本发明工作原理：如图3或4，由于某种原因，I、Q外部电路的输出信号I和Q的相位关系偏离了正交，正交相位检测器检测出这个相位偏差，以脉冲宽度的形式表示在充电信号UP或者放电信号DN上；然后电荷泵和环路滤波器把脉冲信号转换成电压值，环路滤波器还对该电压信号中的高频噪声进行过滤；缓冲器起到隔离的作用，并且把这个电压信号转换成对称的两个电压信号，分别控制正交两路；低通滤波器进一步滤除控制电压中的高频噪声，降低环路引入的噪声；两路的电压控制信号控制延迟单元的延迟，改变输入给I、Q外部电路的信号SI_out、SQ_out的相位关系，形成负反馈的锁相环路，最终可以达到相位校准的目的。为了降低功耗和系统噪声，可以如图4所示，在环路滤波器之后加入一个采样保持电路，并且在除了采样保持电路和可控延迟电路之外的其他电路的电源和外部电源输入端之间加一个电源开关电路。这样，相位校准环路工作的情况下，采样保持电路处于采样状态，电源开关电路处于开状态；当相位校准完成以后，采样保持电路切换到保持状态，电源开关电路关闭，从而降低系统功耗和噪声。

Claims (2)

1.一种锁相环路形式的正交信号相位校准器，其特征在于，包括一个正交相位检测器，一个电荷泵，一个环路滤波器，一个缓冲器，一个低通滤波器和两个可控的延迟单元；其连接关系为：该正交相位检测器输入端接外部电路输出的准正交信号I和Q，该正交相位检测器的第一、第二输出端连接到电荷泵输入端，该电荷泵的输出端连接到环路滤波器的第一输入端，该环路滤波器的第二输入端连接到正交相位检测器的第三输出端，该环路滤波器的输出端连接到缓冲器的输入端，该缓冲器的输出端连接到低通滤波器的输入端，该低通滤波器的第一输出端连接到同相位I支路的可控延迟单元的控制输入端，该低通滤波器的第二输出端连接到正交相位Q支路的可控延迟单元的控制输入端；外部正交或准正交信号SI_in、SQ_in分别输入给所述I、Q两路的可控延迟单元，该I、Q两路的可控延迟单元输出相位关系经过调整了的准正交或正交信号SI_out、SQ_out，分别输入给外部的I、Q两部分电路，从而形成反馈环路。

2.如权利要求1所述的锁相环路形式的正交信号相位校准器，其特征在于，还包括一个采样保持电路和一个电源开关电路，该采样保持电路的输入端与所述低通滤波器的输出端相连接，其输出端分别与所述I、Q两路的可控延迟单元的控制输入端相连接，其控制端与外部输入信号SHc连接，该采样保持电路和I、Q两路可控延迟单元的电源输入端与外部电源输入直接相连；该电源开关电路的输入端与外部电源输入端相连，其输出端与所述的正交相位检测器、电荷泵、环路滤波器、缓冲器、低通滤波器和电源开关电路的电源输入端相连，其开关控制输入端与外部输入信号SHc相连。

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