CN101170537B - 补偿射频正交收发器中出现的失配的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种使用直接转换方案在射频(RF)正交收发器中补偿失配的方法和设备。该方法包括：在接收模块中将用于基带正交信号的放大增益设置为大于用于基带同相信号的放大增益；在发送模块只接收基带同相信号；和基于从正交输出端口输出的信号补偿相位失配。该设备包括相位失配补偿器，在接收模块中将用于基带正交信号的放大增益设置为大于用于基带同相信号的放大增益，只将基带同相信号输入到发送模块，并基于从正交输出端口输出的信号补偿相位失配。

Description

补偿射频正交收发器中出现的失配的方法和设备

本申请要求于2006年10月27日提交到韩国知识产权局的第10-2006-0105040号韩国专利申请的优先权，该申请公开于此以资参考。 

技术领域

与本发明一致的方法和设备涉及一种射频(RF)正交收发器，更具体地，涉及一种基于直接转换方案的补偿RF正交收发器中出现的失配的方法和设备。 

背景技术

在使用调制或者解调相位或频率的方法的数字通信中，不使用中间频带的直接转换方法使用具有90度的相位差的同相载波信号和正交相位载波信号。然而，当两种信号之间的相位差不是精确的90度时，或者当在两个信号的路径获得的全部增益之间产生失配时，可能出现信号失真。因此，进行了对于有效地并精确地补偿相位失配和增益失配的方法的研究。 

图1A和图1B是示出现有技术的射频(RF)正交收发器的结构的示意图。图1A示出了由Athena Semiconductors公司制造的现有技术的射频集成电路(RFIC)，其中在发送模块和接收模块之间建立了反馈环，因此在发送模块发送的信号由接收模块直接接收之后，通过使用预定算法补偿相位失配和增益失配。然而，图1A的RFIC必须包括特殊的包络检测器以实现这种失配补偿，并且接收模块必须使用经由包络检测器接收的信号来执行复杂的数字信号处理操作。 

图1B示出了由Atheros Communications公司制造的现有技术的RFIC。该RFIC采用2级转换方案，从而在RF频带中不使用具有90度的相位差的信号，而在低于RF频带的频带(例如，载波的1/4频带)产生正交信号。因此，2-级转换方案比采用直接转换方案时产生较少的相位误差和较少的增益误差。然而，图1B的补偿方法也不能完全防止相位失配和增益失配的产生。此外，中间频率的使用引起像频问题。而且，2级转换方案比其他方案需要 更多的混频器和更多的LO2产生电路。因此，采用2级转换方案的RFIC消耗很多能源并具有很大的尺寸。 

发明内容

本发明的示例性实施例克服了上述的缺点和上面没有描述的其他缺点。同样地，本发明无需克服上述缺点，而且本发明的示例性实施例可以不克服上述的任何问题。 

本发明的示例性实施例提供了补偿相位失配和增益失配的设备和方法，通过所述设备和方法，使用一般的直接转换方案的射频(RF)正交收发器不包括附加的电路而且不需要执行复杂的数字信号处理操作。 

根据本发明的一方面，提供了在射频正交收发器中执行的信号处理方法，该方法包括：在接收模块中将用于基带正交信号的放大增益设置为大于用于基带同相信号的放大增益；在发送模块中只接收基带同相信号；和基于从正交输出端口输出的信号补偿相位失配。 

信号处理方法还可以包括：将用于接收模块和发送模块中的一个的基带信号的放大增益控制信号设置为相同，并且将用于另一模块的基带信号的放大增益控制信号设置为第一值；将相同的信号输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口并测量从接收模块输出的基带信号的幅度；将用于另一模块的基带信号的放大增益控制信号设置为第二值，将相同的信号重新输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口，并测量从接收模块输出的基带信号的幅度；基于对第一值和第二值测量的幅度计算一个模块的同相路径和正交路径之间的增益失配；和基于计算的结果补偿一个模块的增益失配。 

信号处理方法还可以包括：将相同的信号输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口，比较从接收模块输出的基带信号的幅度，并根据比较的结果补偿另一模块的增益失配。 

可以由包括两个交叉耦合锁存器的分频器产生发送模块和接收模块中使用的载波信号。对相位失配进行补偿可以包括：通过独立地控制分频器的锁存器的主电流来控制两个载波信号之间的相位差。 

根据本发明的另一方面，提供了射频正交收发器，所述射频正交收发器包括：相位失配补偿器，在接收模块中将用于基带正交信号的放大增益设置为大于用于基带同相信号的放大增益，只将基带同相信号输入到发送模块，并基于从正交输出端口输出的信号补偿相位失配。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和其他方面将会变得更加清楚，其中： 

图1A和图1B是示出现有技术的射频(RF)正交收发器的结构的示意图； 

图2是根据本发明的示例性实施例补偿在RF正交收发器中出现的失配的方法的流程图； 

图3是根据本发明的示例性实施例的RF正交收发器的框图； 

图4是根据本发明的示例性实施例的RF正交收发器的结构的示意图； 

图5是根据本发明的示例性实施例在图4的RF正交收发器中执行的相位失配补偿方法的流程图； 

图6A和图6B是示出图5的相位失配补偿方法和现有技术的相位失配补偿方法之间的效率比较的曲线图； 

图7是根据本发明的示例性实施例在图4的RF正交收发器中执行的增益失配补偿方法的流程图； 

图8A至图8C是示出根据本发明的示例性实施例用于估计增益失配值的算法的曲线图； 

图9A至图9C是根据本发明的示例性实施例用于补偿相位失配的设备的示意图；和 

图10A和图10B是根据本发明的示例性实施例用于解释补偿相位失配的方法的电路图和波形图。 

具体实施方式

现在将参照示出示例性实施例的附图来更完整地说明本发明的示例性实施例。 

图2是根据本发明的示例性实施例，补偿在RF正交收发器中出现的失配的方法的流程图。参照图2，在操作210，执行相位失配补偿。在操作210期间，使用了人工产生的增益失配。将在后面参照图5更详细地描述该人工产生的增益失配。 

在操作210中补偿相位失配之后，在操作220中补偿发送(或接收)模块的增益失配，而在操作230中补偿接收(或发送)模块的增益失配。换句话说，先补偿发送和接收模块的增益失配中的哪一个不重要。此外，在完成发送和接收模块之一的增益失配补偿之后，执行另一个模块的增益失配的补偿。这将在后面参照图7更详细地描述。 

图3是根据本发明的示例性实施例的RF正交收发器的框图。如图3所示，根据本发明的示例性实施例的RF正交收发器包括接收模块310、发送模块320、相位失配补偿器330、本地振荡器340和增益失配补偿器350。 

接收模块310将RF信号转换为基带信号，而发送模块320将基带信号转换为RF信号。接收模块310和发送模块320可以根据增益控制信号独立控制基带同相信号和基带正交信号的放大增益。 

本地振荡器340产生RF载波信号。更具体地，本地振荡器340产生具有可预定的频率的RF信号，并使用分频器(未示出)调节RF信号的频率从而产生RF载波信号。这将在后面参照图9A到图9C更详细地描述。 

相位失配补偿器330通过控制本地振荡器340执行相位失配补偿。增益失配补偿器350通过控制接收模块310和发送模块320执行增益失配补偿。为了检查失配，相位失配补偿器330和增益失配补偿器350建立允许接收模块310直接接收由发送模块320发送的信号的反馈路径。为了获得该反馈路径，将发送模块320的RF输出端口和接收模块310的RF输入端口短路。这将在后面更详细地描述。 

图4是根据本发明的示例性实施例的RF正交收发器的结构的示意图。参照图4，示出了根据本发明的示例性实施例包括接收模块410和发送模块420的RF正交收发器。虽然未示出相位失配补偿器和增益失配补偿器，根据下面的描述本领域普通的技术人员之一将理解可以以多种形式实现图4的RF正交收发器。 

首先，在发送模块420的操作中，基带信号I_tx和Q_tx通过低通滤波器(LPF)以从基带信号I_tx和Q_tx移除其他频带中的噪声。通过放大器放大已经移除了噪声的基带信号I_tx和Q_tx，并通过混频器使用载波信号LO_I和LO_Q分别进行调制，从而转换为RF信号。接收模块410执行与发送模块420中执行的处理相反的处理。换句话说，在接收模块410中，通过混频器对接收的RF信号进行解调从而转换为基带信号，而基带信号通过LPF，然后由可变增益 放大器(VGA)进行放大。 

在图4中示出的RF正交收发器中，可以在发送模块420和接收模块410的每个中独立地控制分别用于基带同相信号和基带正交信号的路径上的可变增益放大器的放大增益，通过使用放大增益补偿相位失配和增益失配。这将在后面更详细地描述。 

图5是根据本发明的示例性实施例在图4的RF正交收发器中执行的相位失配补偿方法的流程图。参照图4和图5，在操作510中，对用于接收模块410的可变放大器的控制信号进行设置使其不同，并对用于基带正交信号Q_rx的放大增益G_{rx_q}进行设置，使其远大于用于基带同相信号I_rx的放大增益G_{rx_i}。 

在操作520中，用于将发送模块420的RF输出端口和接收模块410的RF输入模块短路的开关SW是闭合的，从而从发送模块420输出的RF信号被输入到接收模块410，而发送模块420只接收基带同相信号I_rx。换句话说，发送模块420不接收基带正交信号Q_rx。 

在操作530中，接收模块410从在操作520接收的基带同相信号I_rx估计基带正交信号Q_rx。在操作540中，基于基带正交信号Q_rx的估计的幅度补偿相位失配。在这个示例性实施例中，在接收模块410中估计的基带正交信号Q_rx是仅由于相位失配产生的噪声的放大，这样即使是非常小的相位失配也可以很容易被检测到并进行补偿，并且可以增加相位失配补偿的分辨率。现在将参照下面的等式更详细地描述。 

首先，当用于同相信号的载波信号LO_I是sinωt，建立下面的等式： 

$I_{\mathrm{rx}}=a\·I_{\mathrm{tx}}\·{\sin }^2\mathrm{\ωt}=a\·I_{\mathrm{tx}}\·\frac{1-\cos 2\mathrm{\ωt}}{2}$

其中，a代表常数。然而，通过接收模块410的对应的LPF从载波信号LO_I移除RF分量，从而建立了等式I_rx＝bI_tx(其中b代表常数)。 

由于载波信号LO_I以sinωt给出，因此理想地用于正交信号的载波信号LO_Q以cosωt给出。然而，当载波信号LO_Q以cos(ωt+θ)给出时，建立下面的等式： 

Q_rx＝c·I_tx·sinωt·cos(ωt+θ) 

＝d·I_tx·[sin(2ωt+θ)+sinθ] 

其中，c和d代表常数。然而，通过接收模块410的对应的LPF从载波信号LO_Q移除RF分量，从而建立了等式Q_rx＝θ·sinθ(其中e代表常数)。换句话说，基带正交信号Q_rx对应于由于相位失配θ产生的噪声。由于在操作510中将控制信号G_{rx_q}设置为大于G_{rx_i}，因此即使相位失配θ非常小，因为相位失配θ经过放大，所以很容易地检测到相位失配并进行补偿。在图6A和图6B中示出了效果。 

图6A和图6B是示出图5的相位失配补偿方法和现有技术的相位失配补偿方法之间的效率比较的曲线图。 

图6A和图6B的曲线图示出了如在图5的示例性实施例中，当发送模块只接收基带同相信号时在接收模块中估计的基带信号的幅度。图6A对应于现有技术中G_{rx_q}被设置为与G_{rx_i}相等的情况，而图6B对应于根据本发明的示例性实施例G_{rx_q}被设置为大于G_{rx_i}的情况。换句话说，图6A和图6B示出的正交信号对应于由于相位失配产生的噪声。 

如图6A所示，当G_{rx_q}被设置为等于G_{rx_i}时，正交信号的幅度的变化很微小，从而很难检测和补偿相位失配。然而，在图6B中，由于G_{rx_q}被设置为大于G_{rx_i}，因此正交信号的幅度的变化更加明显，从而即使是非常小的相位失配也可以很容易地被检测和补偿，结果使得相位失配补偿的分辨率增加。 

图7是根据本发明的示例性实施例在图4的RF正交收发器中执行的增益失配补偿方法的流程图。可以在图5中示出的相位失配的补偿完成之后执行根据本发明的示例性实施例的增益失配的补偿。换句话说，已经补偿过相位失配并输入到发送模块420的基带同相信号I_tx不影响从接收模块410输出的正交信号Q_rx。同样地，从接收模块410输出的正交信号Q_rx不影响已经补偿过相位失配并输入到发送模块420的基带同相信号I_tx。 

当用于一个模块的放大增益固定的控制信号被固定为相同的值(可以预定)，并且改变用于另一模块的放大增益的控制信号时，图4的RF正交收发器的增益失配补偿器(未示出)计算增益失配，该计算利用这样的事实：虽然同相信号路径的增益和正交信号路径的增益可能相差控制信号特定的数值，(也就是说，可能出现增益失配)，但是根据控制信号的改变的同相信号路径和正交信号路径的增益的变化率是相同的。 

在操作700中，用于发送模块420的基带同相信号I_tx的放大增益G_{tx_i}的控制信号被设置成与用于发送模块420的基带正交信号Q_tx的放大增益G_{tx_q} 的控制信号相同。 

在操作705中，用于接收模块410的基带同相信号I_rx的放大增益G_{rx_i}的控制信号和用于接收模块410的基带正交信号Q_rx的放大增益G_{rx_i}的控制信号每个都被设置为第一值。 

在操作710中，将相同的基带信号I_tx和Q_tx输入到发送模块420的两个输入端口，并且测量从接收模块410输出的用于输入基带信号的基带同相信号I_rx和基带正交信号Q_rx。 

在操作715中，用于接收模块410的基带同相信号I_rx的放大增益G_{rx_i}的控制信号和用于接收模块410的基带正交信号Q_rx的放大增益G_{rx_q}的控制信号每个都被设置成第二值。 

在操作720中，将与操作710中使用的输入信号相同的基带信号输入到发送模块420的两个输入端口，并且进一步测量从接收模块410输出的用于输入基带信号的基带同相信号I_rx和基带正交信号Q_rx。 

在操作725中，使用从接收模块410输出的基带同相信号和基带正交信号的测量值计算在发送模块420中产生的基带同相信号和基带正交信号之间的增益失配。在操作730中，基于在操作725中执行计算的结果补偿增益失配。现在将更详细地描述增益失配的计算。 

从接收模块410输出的基带同相信号和基带正交信号可以表达如下： 

I_rx＝I_tx·G_{tx_i}·G_{rx_i}

Q_rx＝Q_tx·G_{tx_q}·G_{rx_q}

当控制信号的第一值是a时，可以使用下面的等式计算在操作710中测量的信号的幅度： 

I_rx(a)＝I_tx·G_{tx_i}·G_{rx_i}(a) 

Q_rx(a)＝Q_tx·G_{tx_q}·G_{rx_q}(a) 

当控制信号的第二值是b，可以使用下面的等式计算在操作720中测量的信号的幅度： 

I_rx(b)＝I_tx·G_{tx_i}·G_{rx_i}(b) 

Q_rx(b)＝Q_tx·G_{tx_q}·G_{rx_q}(b) 

从前面的等式减去后面的等式得到下面的等式： 

I_rx(a)-I_rx(b)＝I_tx·G_{tx_i}·[G_{rx_i}(a)-G_{rx_i}(b)] 

Q_rx(a)-Q_rx(b)＝Q_tx·G_{tx_q}·[G_{rx_q}(a)-G_{rx_q}(b)] 

如上所述，由于基带信号I_tx和Q_tx是相等的，并且对于控制信号的变化同相信号路径和正交信号路径的增益的变化率相同，一旦测量了I_rx(a)、I_rx(b)、Q_rx(a)、和Q_rx(b)，就可以得到下面的等式： 

G_{tx_i}＝kG_{tx_q}

其中，k代表常数。由于在操作700用于发送模块420的基带同相信号I_tx的放大增益G_{tx_i}的控制信号已经被设置成与用于发模块420的基带正交信号Q_tx的放大增益G_{tx_q}的控制信号相同，因此如果k不为1，则产生增益失配。 

因此，在操作730，通过基于值k适当地调节发送模块420的可变放大器的增益控制信号来对在发送模块420中产生的失配进行补偿。 

在操作730完成之后，已经补偿了发送模块420的相位失配和增益失配，因此可以在操作731、735和740仅补偿接收模块410的增益失配。换句话说，调整的发送模块420的放大器的增益控制信号被相等地设置以及用于接收模块410的放大器的任意的增益控制信号被相等地设置之后，在操作731，将相同的基带信号输入到发送模块420的两个输入端口。在这个示例性实施例中，在操作731中输入与操作710和720中输入的信号相同的基带信号。然而，只要将相同的基带信号输入到发送模块420的两个输入端口就可以在操作731中输入任意的信号。 

当已经将基带信号输入到发送模块420时，对从接收模块410输出的基带同相信号和基带正交信号的幅度进行比较。在操作735中，根据比较的结果充分控制用于接收模块410的放大器的增益控制信号。 

在本发明的示例性实施例中，首先补偿发送模块420的增益失配，然后补偿接收模块410的增益失配。然而，补偿的顺序可以交换。也就是说，可以首先补偿接收模块410的增益失配，然后补偿发送模块420的增益失配。 

图8A至图8C是示出根据本发明的示例性实施例用于估计增益失配的数值的算法的曲线图。图8A示出同相信号路径的增益和正交信号路径的增益与应用于可变增益放大器的增益控制信号的改变的对比。换句话说，如图8A中所示，两个路径的增益可以相差增益控制信号的特定值，但是增益的变化率(也就是说，代表增益变化的直线的斜率)是相同的。 

图8B和图8C是分别示出根据增益控制信号的变化，从接收模块410输出的基带信号I_rx和Q_rx的幅度的曲线图。如图8A和图8B所示，两个曲线图具有不同的斜率。然而，可以利用示出增益变化的曲线图的斜率相同的特性来获得增益失配的值。 

换句话说，为了从下面的等式获得增益失配的值： 

I_rx(a)-I_rx(b)＝I_tx·G_{tx_i}·[G_{rx_i}(a)-G_{rx_i}(b)] 

Q_rx(a)-Q_rx(b)＝Q_tx·G_{tx_q}·[G_{rx_q}(a)-G_{rx_q}(b)] 

可以使用下面的等式： 

[G_{rx_i}(a)-G_{rx_i}(b)]＝[G_{rx_q}(a)-G_{rx_q}(b)] 

图9A至图9C是根据本发明的示例性实施例用于补偿相位失配的设备的示意图。如图9A中所示，振荡器VCO产生RF信号，分频器900产生具有与RF信号的分数频率相应的频率的载波信号。例如，分频器900可以产生具有频率与RF信号的1/2频率相应的频率的载波信号。图9B示出分频器900，其包括交叉耦合锁存器910、920. 

图9C是在图9B中示出的锁存器之一的电路图。如图9C所示，根据本发明的示例性实施例的相位失配补偿器通过使用偏压独立地调节两个锁存器的主电流来控制从分频器900输出的两个载波信号的相位差。 

图10和图10B是根据本发明的示例性实施例用于解释补偿相位失配的方法的电路图和波形图。如图10A中所示，从两个交叉耦合锁存器1010、1020输出的I信号和Q信号与具有相应于例如为1/2时钟频率的频率的载波信号相应。如上所述，根据本发明的示例性实施例的相位失配补偿器通过独立地调节两个锁存器的主电流来控制两个载波信号之间的相位差。因此，如图10B中所示，可以通过独立地控制I和Q信号的相位来补偿相位失配。 

根据本发明的示例性实施例在使用直接转换方案的RF正交收发器中，不借助特定的外部电路或者复杂的算法精确地补偿其中产生的相位失配和增益失配。因此，根据本发明的想实施例的RF正交收发器提供了改进的性能。 

通过将输入到发送模块的输入端口的基带信号和/或从接收模块的输出端口输出的基带信号转换为数字信号，可以在数字信号处理(DSP)模块或者微型计算机中实现本发明的示例性实施例。因此，可以将本发明的示例性实施例编写为可以在DSP模块或者微型计算机中执行的程序。 

因此，可以在使用计算机可读记录介质执行程序的计算机中实现本发明的示例性实施例。计算机可读记录介质的例子包括磁存储介质(例如，ROM、软盘、硬盘等)、光记录介质(例如，CD-ROMs、或DVDs)和例如载波的存储介质(例如，通过因特网传输)。 

尽管参照其示例性实施例具体地显示和描述了本发明的构思，本领域的普通技术人员将理解不脱离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上对其进行各种改变。 

Claims (8)

1.一种在包括接收模块和发送模块的射频正交收发器中执行的信号处理方法，所述信号处理方法包括：

在接收模块中将用于基带正交信号的放大增益设置为大于用于基带同相信号的放大增益；

在发送模块的输出端口和接收模块的输入端口短接时只将基带同相信号应用于发送模块；

响应于应用的基带同相信号，基于从接收模块的正交输出端口输出的信号检测用于调制和解调的载波信号之间的相位失配；和

对检测到的相位失配执行补偿。

2.如权利要求1所述的信号处理方法，还包括：

将用于第一模块的多个基带信号的放大增益设置为相同，其中所述第一模块是接收模块和发送模块中的一个；

将用于第二模块的多个基带信号的放大增益设置为第一值，其中所述第二模块是接收模块和发送模块中的另一个；

将相同的信号输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口；

测量从接收模块输出的基带信号的幅度；

将用于第二模块的多个基带信号的放大增益设置为第二值；

将相同的信号重新输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口；

测量从接收模块输出的基带信号的幅度；

基于对第一值和第二值测量的幅度计算在第一模块的同相路径和正交路径之间的增益失配；和

基于计算增益失配的结果补偿第一模块的增益失配。

3.如权利要求2所述的信号处理方法，还包括：

将相同的信号输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口；

对从接收模块输出的基带信号的幅度进行比较；和

根据比较幅度的结果补偿第二模块的增益失配。

4.如权利要求1所述的信号处理方法，其中：

由包括两个交叉耦合锁存器的分频器产生在发送模块中使用的载波信号和在接收模块中使用的载波信号；和

补偿相位失配包括：通过独立控制分频器的两个交叉耦合锁存器的主电流来控制在发送模块中使用的载波信号和在接收模块中使用的载波信号之间的相位差。

5.一种射频正交收发器，包括：

相位失配补偿器，在接收模块中将用于基带正交信号的放大增益设置为大于用于基带同相信号的放大增益，在发送模块的输出端口和接收模块的输入端口短接时只将基带同相信号应用于发送模块；响应于应用的基带同相信号，基于从接收模块的正交输出端口输出的信号检测用于调制和解调的载波信号之间的相位失配；对检测到的相位失配执行补偿。

6.如权利要求5所述的射频正交收发器，还包括：

增益失配补偿器，将用于第一模块的多个基带信号的放大增益设置为相同，并将用于第二模块的多个基带信号的放大增益设置为第一值，其中，所述第一模块是接收模块和发送模块中的一个，第二模块是接收模块和发送模块中的另一个；

将相同的信号输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口；

测量从接收模块输出的基带信号的幅度；

将用于第二模块的多个基带信号的放大增益设置为第二值；

将相同的信号重新输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口；

测量从接收模块输出的基带信号的幅度；

基于对第一值和第二值测量的幅度计算在第一模块的同相路径和正交路径之间的增益失配；和

基于计算增益失配的结果补偿第一模块的增益失配。

7.如权利要求6所述的射频正交收发器，其中，在补偿第一模块的增益失配之后，增益失配补偿器将相同的信号输入到发送模块的同相输入端口和正交输入端口，比较从接收模块输出的基带信号的幅度，并根据比较的结果补偿第二模块的增益失配。

8.如权利要求5所述射频正交收发器，还包括：

分频器，通过使用两个交叉耦合锁存器对信号进行分频以产生在发送模块中使用的载波信号和在接收模块中使用的载波信号，

其中，相位失配补偿器通过独立地控制分频器的两个交叉耦合锁存器的主电流来控制在发送模块中使用的载波信号和在接收模块中使用的载波信号之间的相位差。

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