CN101061643A

CN101061643A - 直接采样混频器中的图像抑制滤波

Info

Publication number: CN101061643A
Application number: CNA2005800156038A
Authority: CN
Inventors: 胡拉姆·穆罕默德; 罗伯特·B·斯塔谢夫斯基; 迪尔克·莱波尔德
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2025-04-18
Also published as: US20050233725A1; WO2005104380A2; CN101061643B; WO2005104380A3

Abstract

本发明揭示在IF或RF系统的多接头直接采样混频器(MTDSM)中进行图像抑制滤波的方法、电路和系统。所揭示的是在信号处理系统的同相与正交分支之间使用旋转电容器。使用I与Q通道的分支之间的信息交换来构建一复合滤波器。在电路的I与Q通道之间开关电容器C_R的旋转使得在四个路径I+、I－、Q+、Q－之间共享电荷，从而形成直接采样和复合滤波配置(10)。可看到所示的滤波器(10)的优选实施例具有四个子电路(12、14、16、18)，其可理解为单极IIR滤波器。还揭示使用级联多级复合滤波器提供较高阶的复合滤波器的实施例。

Description

直接采样混频器中的图像抑制滤波

技术领域

本发明涉及信号处理电路和方法。更特定来说，本发明涉及用于直接采样混频器中的图像抑制过滤的方法和电路。

背景技术

集成的无线电发射器和接收器已逐渐变得流行。提供集成在单个芯片上的中频(IF)和射频(RF)设备的努力面临许多挑战。特定的一个问题是需要通过在为便携式无线应用设计的收发器设备中提供带通滤波来消除或抑制图像信号。这些应用要求低功耗、较小的硅面积、较少的外部组件和高度集成的单个芯片。

正交信令(quadrature signaling)方案是已知的。正交信令并入了使用载波频率源和(通常为九十度)移相器根据同相信号分量(I)和正交(Q)信号分量来处理输入的技术。另一现有技术方法使用2x振荡器和提供90度间隔时钟的二分频器。正交信号分量的精确匹配是难以实现的，尤其在较高的频率下。已使用各种RC网络来提供高频滤波。单级和多级RC网络可用于某些情形中，但通常易受RC失配的影响，受限于窄带应用，且逐渐难以在较高频率的应用中实施。

有时尝试使用开关电容器滤波器来克服RC滤波器实施方案中固有的某些困难。开关电容器可提供实施RC设计的替代方法。众所周知，在两个接触点之间的电耦合和切换的电容器可类似于耦合在两点之间的电阻器。此项技术中已知的开关电容器滤波器实施方案代替了用在RC网络中电阻器的电容器。在典型的RC网络中，运算放大器通常用于提供所需的增益。开关电容器实施方案很大程度上消除了失配的RC组件的问题，因为滤波器传递函数取决于两个电容器的比率，而不是电容器和电阻器的绝对值。因此，制造公差的变化和外部影响(例如温度)引起的问题较少。然而，此项技术中已知的开关电容器滤波器在功耗和面积要求方面是相对低效的。较大的面积要求通常还导致增加的成本。

增强频率选择性和减少噪声的方法是电流模式正交采样混频器。取代了从IF或RF电压输入信号直接获取正交样本，作为电压信号的代替，与所述信号成比例的电流由跨导元件产生。然后使用开关电容器网络将所述电流集成到采样电容器中。这种类型的开关电容器网络遇到和其他开关电容器网络相同的功耗和成本问题，很大一部分是因为其依靠运算放大器的使用。

此项技术中已知的一种更高级的滤波器解决方案包括使用与直接采样和混频组合的级联无源IIR滤波器级。此技术提供与级联RC滤波器相同的功能性，但通过避免与组件失配相关的问题而提供在控制滤波特性方面的改进。避免使用运算放大器还降低了功耗。

由于实施滤波和图像抑制中的这些和其他挑战，因此此项技术中将有用的且需要的是提供适合IF和RF应用的改进的方法和电路。复合滤波和图像抑制方法和设备将有利于与高频信号一起使用并抗噪声降级，同时保持低功耗、减小的面积和降低的成本。

发明内容

在执行本发明的原理时，根据本发明的优选实施例，提供方法和电路以用于在多分支直接采样混频器(multi-tap direct sampling mixer，MTDSM)中进行复合滤波。由本发明的方法和电路实现的复合滤波器提供超过现有技术的技术优点。

根据本发明的一个方面，在一直接采样混频器中进行复合滤波的方法包括实施带通滤波器特性藉以大体上抑制RF图像的步骤。根据所述步骤，使用本地振荡器时钟的多个相位对RF输入进行采样，所述本地振荡器相位中的每一者产生一离散时间信号流。在多个路径中处理所述离散时间信号的多个相位，所述路径在其本身之间共享所述离散时间样本。

根据本发明的另一方面，描述优选的方法，其包括使用本地振荡器时钟的I和Q相位对RF输入进行采样的步骤，所述相位中的每一者产生一电荷包流。其他步骤包括在独立的信号处理路径中处理I和Q电荷包，和在信号处理路径之间共享所述I和Q电荷包，藉以实现带通滤波器特性且大体上抑制RF图像。

根据本发明的又一方面，一用于对高频输入信号进行复合滤波的系统的优选实施例的一实例包括四个用于对输入信号的I+、I-、Q+和Q-相位进行采样的单极IIR滤波器。所述IIR滤波器经互连以用于旋转经滤波的信号，使得所述互连的单极IIR滤波器组合提供一复合滤波器系统。

根据本发明的另一方面，一优选实施例提供一种用于在一直接采样混频器中进行图像抑制滤波的电路。所述电路包括耦合到输入节点的IIR滤波器，所述IIR滤波器具有一用于缓冲输入电流的缓冲电容器，以及在一配置中耦合到所述缓冲电容器的旋转电容器，所述旋转电容器用于旋转地读取相位信号分量并用于将经混频滤波的相位信号分量输出提供到四个并行输出节点。

描述了本发明的额外的优选实施例，其中级联配置用于提供具有多于一个复合滤波级的高阶滤波器。

描述了本发明的其他优选实施例，其中一个或一个以上跨导、放大器或缓冲器元件耦合在一高阶复合滤波器的级联级之间。

根据本发明的额外的优选实施例，预期根据本发明的复合滤波器将用作Σ-Δ模拟到数字转换器中的环路滤波器。

本发明提供包括(但不限于)对下游电路(例如IF放大器)动态范围要求的减少以及设备功率要求、芯片面积和成本减少等技术优点。一旦结合附图仔细考虑本发明的代表性实施例的详细描述，所属领域的技术人员将清楚了解本发明的这些和其他特征、优点和益处。

附图说明

图1是说明本发明的实践实例的示意性方框图；

图2(现有技术)是说明可在本发明的优选实施例的实践中使用的实数滤波器的实例的示意图；

图3是示范本发明的实践的电路的实例的示意性方框图；

图4是展示本发明的实践的架构的实例的概念图的示意性方框图；将被转变成离散时间高通或带通滤波器的高通多相滤波器；

图5A到图5D是说明根据本发明的优选实施例的直接采样混频器方法和高通滤波器电路及其操作的一系列示意图；和

图6是根据本发明的优选实施例的实例的直接采样混频器方法和电路的传递函数的图解表示。

具体实施方式

一般来说，本发明的优选实施例提供了在IF或RF系统的直接采样混频器中的带通和图像抑制滤波。这是通过在系统的分别由I+、I-、Q+、Q-表示的同相I和正交Q分支中使用旋转电容器来实现的。I和Q通道的分支中的信息的交换实现复合滤波器的实施。应了解，可在不使用运算放大器的情况下实施本发明的优选实施例。

首先参看图1，在方框图中描述本发明的方法，其中可看到，电路的I与Q通道之间的开关电容器C_R的旋转引起四个路径I+、I-、Q+、Q-中的电荷的共享，导致直接采样和复合滤波配置10。可看到所示的滤波器10的优选实施例具有四个子电路12、14、16、18，其可理解为单极IIR滤波器。可通过滤波器10的一个这种子电路12的运作的概述来增强对本发明的理解。

最初只关注子电路12，一信号在节点20处输出，且子电路12起到如下作用：使历史电容器C_H1 22连同电容器组A1 26的旋转电容器C_R1 24一起充电，优选持续32个RF波形周期。同时，允许使存储在电容器组B1 28中的电荷放电到缓冲电容器C_B1 30。在下一32个RF波形周期期间，允许电容器组A1 26放电到缓冲电容器C_B1 30，同时，在前一32个周期的循环中放电的电容器组B1 28连同历史电容器C_H1 22一起收集新的电荷。此序列的重复提供一阶IIR滤波器，其具有由旋转电容器C_R1 24C_R1和历史电容器C_H1 22之和的比率所确定的一极。第二一阶IIR滤波器是通过旋转电容器C_R1 24与历史电容器C_H1 22的电荷共享交互而建立的。应了解，在所有图式和描述中，参考C_R、C_H和C_B分别用于指代旋转电容器、历史电容器和缓冲电容器。在指代相关元件时出于清楚起见而添加数字指定，例如C_R1、C_H1等等。

在允许旋转电容器C_R1 24与历史电容器C_H1 22共享电荷时，获得前一级的滤波。无源电荷共享允许先前保持在缓冲电容器C_B1 30上的电荷与旋转电容器C_R1 24上的新电荷以根据其比率C_R1/(C_R1+C_B1)的比例而共享。因为从不允许缓冲电容器C_B1 30放电，所以其保持先前样本的存储表示，并执行第二级的IIR滤波。可通过选择旋转电容器C_R124与C_R1和缓冲电容器C_B1 30之和的比率来选择此第二级滤波器的极。

具有多个单极IIR滤波器级的级联滤波器是基于以下原理：维持信息的单向流动且不允许从后级向前级进行反馈。这可通过在下一采样循环中用历史电容器C_H对旋转电容器C_R重新充电之前使旋转电容器C_R放电来完成。旋转电容器C_R用作将电荷从前级输出转移到后级输出的电荷转移机构，且在其再次被允许从前级的输出传递电荷之前被重置。这种原理可经扩充以提供额外的IIR滤波级。在参考的相关专利申请案中提供级联的细节的进一步描述。

现参看图1的复合滤波器10，可了解，所展示和描述的优选实施例含有四个双极IIR滤波器12、14、16、18。所述滤波器中的两者12、14连接到一RF系统(未图示)的I+和I-节点20、32，且两个滤波器16、18连接到Q+和Q-节点34、36。滤波器子电路12、14、16、18还相互连接以通过在其电容器之间旋转以共享电路10的I与Q分支中的信息来提供复合滤波。优选地，使用此项技术中已知的适当跨导元件38将一输入电压(例如RF信号V_RF)转换为对应电流i_RF。已发现，对C_H的旋转和积分形成损耗式复合积分器10，其中通过由表达式C_R/(C_H+C_R)[表达式1]描述的因子将反馈提供到每一相对的I与Q通道，此提供其一极位于C_H/(C_H+C_R)+j[C_R/(C_H+C_R)][表达式2]的单极复合IIR滤波器，其中j表示负1的平方根。由于此操作的缘故，损耗式积分器10的通带移动到正频率，而负频率落在滤波器10的阻带中。应注意，通过在相反的方向上简单旋转I与Q分支之间的C_R，在不脱离本发明的概念的情况下，相同的方法可用于提供正频率在阻带中且负频率在通带中的滤波器。优选地，这种滤波在RF系统中与降频变换过程一起执行，从而消除了随后的图像抑制操作的需要。

图2(现有技术)展示在所参考的相关专利申请案的实例中的I/Q顶级MTDSM结构11。旋转电容器C_R的使用改善了真实滤波器的无源实施，但缺乏在复域中执行带通滤波的能力。

图3展示本发明的I/Q顶级MTDSM结构10，其经配置以用于通过允许在路径I+、I-、Q+、Q-上共享电荷样本来执行复合滤波。举例来说，Q-旋转电容器C_R可连接到I+历史电容器C_H。此配置提供有效改变采样频率的能力。历史电容器与旋转电容器之间的互连受开关矩阵{(a，b，c，d)x(1，2，3，4)}控制。进一步参看表1可看到复合滤波器的操作。如图2所示，当开关a1、b2、c3和d4接通且其他开关断开时，保持实值滤波的基线。如果C_H与C_R之间的配对偏斜，例如对于开关矩阵配置a2、b3、c4和d1，MTDSM仍执行实值滤波，但经解调信号的相位偏移π/2。然而在实际的无线通信应用中，绝对相位是不可测量的，因此所讨论的两个实例静态配置将不可区别。因为接收器与发射器的空间分离，所以仅可测量相对的相位改变。在表1中概述开关矩阵的所有四种配置。

表1

a1	b2	c3	d4
a1	b2	c3	d4	a2	b3	c4	dl
a3	b4	c1	d2	a2	b3	c4	dl
a3	b4	c1	d2	a4	b1	c2	d3

通过以表1的行所示的序列旋转整个矩阵来实现复合滤波。举例来说，以第一任意瞬时时刻开始，开关a1、b2、c3和d4处在“接通(on)”状态，在下一刻，开关a2、b3、c4和d1“接通”，依此类推。通过旋转行，使用由旋转速度(即，每旋转步骤的RF或LO循环的反转)确定的中心频率来界定带通传递函数。正与负频率偏移之间的选择可通过选择旋转的方向来完成。应了解，开关矩阵不需要与旋转电容器C_R和历史电容器C_H阵列结构(例如图3)实体分离。可将开关与旋转电容器C_R耦合的开关合并。在以上实例中，实值过滤的基线也可为高通的而不是带通的。

图4是可用于理解本发明的高通多相滤波器的实施方案的实例。图4的实施方案展示使用无源电阻器R和电容器C构造的多相滤波器。或者，开关电容器可代替电阻器R并在时间上旋转。代替R₁到R₄，开关电容器C_R可循环旋转，C_R1、C_R2、C_R3、C_R4、C_R1...等等，同时分配输入电荷。这样，旋转电容器C_R的每一者可连接到任意的历史电容器C_H，以及与每一正交相I+、Q+、I-、Q-关联的缓冲电容器C_B(例如C₁、C₂、C₃、C₄)。例如，如果四个正交相的作用中的旋转电容器在每个LO循环中移动一个历史电容器C_H，那么所接收的频率将视旋转方向向上或向下移动四分之一。对于精确的频率偏移，也可使用颤动选择。当然，为保存正交信令，将需要一前一后地切换作用中的旋转电容器。

图5A到图5D描述切换序列的进展以说明优选的直接采样混频器10电路的实例和主要用高通滤波体现本发明的方法。由I+、Q+、I-和Q-指示的四个输入节点接受用于采样的输入信号。四个缓冲电容器C_B1、C_B2、C_B3、C_B4分别耦合到输入节点I+、Q+、I-、Q-。缓冲电容器C_B1、C_B2、C_B3、C_B4在一配置中又耦合到旋转电容器C_R1、C_R2、C_R3、C_R4，所述配置使用如表1中表示的开关矩阵{(a，b，c，d)x(1，2，3，4)}使所述电容器可根据输入信号的相位而单独切换为“接通”和“断开”，所述开关矩阵通常使用MOS晶体管来实施。

因此，结合表1参看图5A到图5D可看到，提供开关电容器C_Rn之间的旋转，从而实施复合滤波器10。电容器C_R与C_H的比率的选择决定了滤波器10的滤波特性。结果输出到并行输出节点，以用于进一步处理或额外的级联滤波级。

应了解，复合滤波器传递函数取决于视C_R与C_H的比率。在图6中展示根据本发明而实施的实例电路的传递函数的图解描述。所属领域的技术人员应了解，传递函数可由旋转速度来控制。

以与此项技术中通常级联的滤波器相同的方式可在级联配置中将所展示和描述的复合滤波配置重复两个或两个以上的级，以提供增强的滤波能力。每一级联级如所述而起作用，从而提供两个或两个以上复合滤波器级10。原则上，可级联无限数目的根据本发明的级10，尽管在实践中将使用较少的级。所属领域的技术人员还应了解，在某些应用中可能需要在根据本发明而实施的复合滤波器的级联级之间并入额外的电子电路元件，例如跨导、放大或缓冲元件，以提供渐高阶的复合滤波器。

因此，本发明提供在直接采样混频器中的图像抑制滤波。本发明可容易应用于具有合意的功率与成本节约且避免依赖个别电路组件的匹配的信号处理应用。虽然已参考IF或RF环境中的特定说明性实施例描述了本发明，但不希望以限制意义来理解所描述的方法和设备。

Claims

1.一种用于在一直接采样混频器中进行复合图像抑制滤波的方法，其包含以下步骤：

使用一本地振荡器时钟的多个相位对一RF输入进行采样，所述本地振荡器相位中的每一者产生一离散时间信号流；

在多个路径中处理所述离散时间信号的所述多个相位，所述路径在其本身之间共享所述离散时间样本，藉此在所述处理步骤期间获得一带通滤波器特性，且藉此大体上抑制一RF图像。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述本地振荡器时钟的所述多个相位包含相隔约90度的两个相位I和Q。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述本地振荡器时钟的所述多个相位由相隔约90度的四个相位I+、I-、Q+、Q-组成。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述离散时间信号流包含电荷包。

5.根据权利要求1所述的方法，其中共享离散时间样本的所述步骤进一步包含共享电荷包。

6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含将一RF输入电压转换为电流的步骤。

7.一种用于在一直接采样混频器中进行复合滤波的方法，其包含：

使用一本地振荡器时钟的I与Q相位对一RF输入进行采样，所述相位中的每一者产生一电荷包流，

在独立的信号处理路径中处理所述I与Q电荷包，

在所述信号处理路径之间共享所述I与Q电荷包，藉此在所述处理步骤期间获得一带通滤波器特性，且藉此大体上抑制一RF图像。

8.一种用于对一高频输入信号进行滤波的复合滤波器系统，所述复合滤波器包含：

一第一IIR滤波器，其用于对所述输入信号的一I+相位进行采样；

一第二IIR滤波器，其用于对所述输入信号的一I-相位进行采样；

一第三IIR滤波器，其用于对所述输入信号的一Q+相位进行采样；

一第四IIR滤波器，其用于对所述输入信号的一Q-相位进行采样；

其中所述IIR滤波器相互连接以用于旋转经滤波信号，使得所述相互连接的IIR滤波器组合提供一复合滤波器。

9.根据权利要求8所述的用于对一高频输入信号进行滤波的复合滤波器系统，其中每一IIR滤波器进一步包含一适于采样、存储和转移来自所述输入信号的电荷的历史电容器、旋转电容器和缓冲电容器；且

其中每一IIR滤波器具有一由其旋转电容器与其历史电容器的比率确定的极，且适于提供对一输入信号的滤波。

10.一种用于对一高频输入信号进行滤波的复合滤波器系统，其包含：

耦合在一级联配置中的用于提供高阶滤波的两个或两个以上根据权利要求8所述的复合滤波器级。

11.根据权利要求10所述的复合滤波器系统，其进一步包含一个或一个以上耦合在相邻级之间的跨导元件。

12.根据权利要求10所述的复合滤波器系统，其进一步包含一个或一个以上耦合在相邻级之间的放大器元件。

13.根据权利要求10所述的复合滤波器系统，其进一步包含一个或一个以上耦合在相邻级之间的缓冲器元件。

14.根据权利要求9所述的复合滤波器系统，其中所述系统具有一由下式描述的极：

C_H/(C_H+C_R)+j[C_R/(C_H+C_R)]，[表达式2]，其中；

C_R＝旋转电容器；

C_H＝历史电容器。

15.根据权利要求8所述的复合滤波器系统，其中所述复合滤波器包含一处在一∑-Δ模拟到数字转换器中的环路滤波器。

16.一种用于在一直接采样混频器中进行图像抑制滤波的电路，其包含：

一输入节点，

四个并行输出节点，其用于产生一输出信号的四个相位；

一耦合到所述输入节点的IIR滤波器进一步包含：

一缓冲电容器，其用于缓冲输入电流；

旋转电容器，其在一配置中耦合到所述缓冲电容器用于旋转地读取所述相位信号分量并用于将经混频滤波的相位信号分量输出提供到所述输出节点。

17.根据权利要求16所述的电路，其中所述直接采样混频器包含一∑-Δ模拟到数字转换器。

18.一种用于在一直接采样混频器中进行图像抑制滤波的电路，其包含耦合在一级联配置中的两个或两个以上根据权利要求16所述的电路级。

19.根据权利要求18所述的用于在一直接采样混频器中进行图像抑制滤波的电路，其进一步包含一个或一个以上耦合在相邻级之间的跨导元件。

20.根据权利要求18所述的用于在一直接采样混频器中进行图像抑制滤波的电路，其进一步包含一个或一个以上耦合在相邻级之间的放大器元件。

21.根据权利要求18所述的用于在一直接采样混频器中进行图像抑制滤波的电路，其进一步包含一个或一个以上耦合在相邻级之间的缓冲器元件。