CN101197581B - 无线接收系统中消除直流失调的方法及装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种无线接收系统中消除直流失调的方法及装置和系统，主要包括：首先，将需要消除直流失调的单端或差分信号引入高通滤波器；之后，当需要消除直流失调的信号为单端时，所述高通滤波器依次利用一组由高到低各不相同的拐角频率对所述的信号进行滤波处理；当需要消除直流失调的信号为差分时，所述高通滤波器依次利用一组由高到低各不相同的拐角频率对所述的信号进行滤波处理；且当高通滤波器由次最小拐角频率切换到最小拐角频率时，利用该切换过程的控制信号的互补信号控制晶体管对高通滤波器的输出进行调整，最后获得直流分量消除后的信号。由于本发明针对待处理的差分信号采用了相应的消除直流冲击失调的措施，因此，本发明可以有效的消除差分信号中的直流冲击失调。

Description

无线接收系统中消除直流失调的方法及装置和系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种在无线接收系统中消除直流失调的实现方案。

背景技术

随着集成电路工艺技术的快速发展，给无线收发机系统高度集成提供了可能。而且直接转换结构的无线收发机(或者称为零中频无线收发机)已经成为目前收发机系统集成电路设计的主流和必然选择。但是，零中频无线收发机的设计中遇到的最主要的问题就是直流失调的问题。

所述的直流失调是指因为受到噪声的影响，自混频现象或者由于接收机本身的不匹配而引入了直流分量，所述直流分量的引入将使得接收的信号与预期接收到的信号间有较大的误差，从而影响到整个无线接收系统的性能。

为此需要采用相应的方法将接收信号中引入的直流分量消除掉，即消除直流失调，以保证接收信号的可靠性。

目前，消除直流失调的方法主要有交流耦合、数字校准和反馈校准三种。其中，数字校准方法需要比较高性能的模拟电路配合和复杂的数字信号处理算法，因此，实现较为困难，且成本较高。而现有的交流耦合和反馈校准方法为了尽可能不影响信号的频谱，所以采用了较低的拐角频率对接收的频率信号进行滤波处理；由于采用了较低的拐角频率使得信号响应时间较长，因此，其无法满足一些高性能通信系统标准的要求，进而影响通信系统的性能。

发明内容

本发明提供了一种无线接收系统中消除直流失调的方法及装置及系统，以保证可以快速消除接收信号中的直流分量，提高通信系统的通信性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明提供了一种无线接收系统中消除直流失调的方法，包括：

A、将需要消除直流失调的信号引入高通滤波器；

B、所述高通滤波器依次利用一组由高到低各不相同的拐角频率对所述的信号进行滤波处理；

C、若带有直流失调的信号为差分信号，则当高通滤波器由高拐角频率切换到低拐角频率时，利用该切换过程的控制信号的互补信号控制晶体管对高通滤波器的输出进行调整，获得直流分量消除后的信号。

可选地，在执行所述的步骤C之前还包括：判断需要消除直流失调的信号是否为差分信号，若确定所述信号为差分信号，则执行所述步骤C；而且，所述的步骤C中由高拐角频率切换到低拐角频率具体为：由次最小拐角频率切换到最小拐角频率。

可选地，所述的步骤B包括：建立一组拐角频率中各拐角频率对应的切换时间点；

当符合相应的切换时间点值时，则将高通滤波器的拐角滤波切换为该时间点对应的拐角频率值；

所述高通滤波器利用该拐角频率对所述信号进行滤波处理。

本发明还提供了一种无线接收系统中消除直流失调的装置，包括：

拐角频率调整模块：根据设定的一组大小各不相同的拐角频率依次调整确定高通滤波器的当前拐角频率值；

高通滤波器：其输入端引入待处理的信号，并利用拐角频率调整模块确定的当前拐角频率对所述信号进行直流失调消除处理；

直流冲击失调处理模块，包括晶体管，用于在高通滤波器由高拐角频率切换到低拐角频率时，利用该切换过程的控制信号的互补信号控制晶体管对高通滤波器的输出进行调整，获得直流分量消除后的信号。

可选地，所述的拐角频率调整模块采用数字控制处理电路，所述的数字控制处理电路用于根据保存的时间点与拐角频率的对应关系，将高通滤波器的拐角频率在相应的时间点上切换到对应的拐角频率上。

可选地，所述的由高拐角频率切换到低拐角频率具体为：由次最小拐角频率切换到最小拐角频率。

可选地，所述的晶体管在导通时的阻抗大于高通滤波器电路中电阻值的两倍。

本发明还提供了一种基于无线接收系统中消除直流失调的装置的消除直流失调的系统，包括：

一组消除直流失调的装置，每个消除直流失调的装置连接于接收系统模块的输出端，且所述的消除直流失调的装置的输出端与下一级接收系统模块相连；所述的接收系统模块为输出信号中含有待消除的直流分量的系统模块。

可选地，所述的一组消除直流失调的装置包含的各个消除直流失调的装置分别设置有对应的一组大小各不相同的拐角频率值。

可选地，所述的一组消除直流失调的装置包含的各个消除直流失调的装置分别设置有各拐角频率对应的切换时间点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明由于采用了首先以较高的拐角频率对接收的频率信号进行滤波处理，然后再依次以设定的中等拐角频率及较低的拐角频率对信号进行滤波处理，从而使得消除直流失调所消耗的时间大大缩短，有效避免了现有技术中消除直流失调时间较长的问题，很好地满足了高性能通信系统相应标准的要求，有效提高通信系统的通信性能。而且，由于本发明针对待处理的差分信号采用了相应的消除直流冲击失调的措施，从而使得本发明可以对差分电路输出的差分信号进行有效的消除直流失调的处理，进而令本发明的应用更为广泛。

附图说明

图1为本发明所述的方法的流程图；

图2为单端电路情况下高通滤波器的原理图；

图3为差分电路情况下高通滤波器的原理图；

图4为本发明所述装置的实施结构示意图；

图5为多模块级连时的消除直流失调的装置结构示意图；

图6为采用现有技术和本发明进行消除单端电路直流失调的效果示意图；

图7为本发明提出的差分电路情况下利用高通滤波器消除直流失调的原理示意图；

图8为采用单端电路方法消除差分电路直流失调和本发明进行消除差分电路直流失调的效果示意图。

具体实施方式

本发明中使用交流耦合技术消除直流失调。交流耦合实际上就是高通滤波。为了缩短响应时间，本发明主要采用具有多个拐角频率的高通滤波器进行直流失调的消除处理。具体为通过轮流切换高通滤波器的拐角频率的大小，以实现快速的消除直流失调。高通滤波器的拐角频率取决于组成高通滤波器的电阻R和电容C的值的大小，本发明中拐角频率的切换可以通过使用开关晶体管切换选择不同的电阻R或电容C的值来得以实现。

本发明所述的方法的具体实现方式如图1所示，具体包括：

步骤11：设置对频率信号进行直流失调消除处理的高通滤波器的若干个大小各不相同的拐角频率；

所述的拐角频率的具体值需要根据频率信号的频率特征确定；例如，可以设置为所述高通滤波器的拐角频率从大到小依次为：ω1、ω2、ω3；

步骤12：将需要进行直流失调消除处理的信号引入高通滤波器，以便于采用交流耦合的方式进行去除直流分量的处理；

步骤13：高通滤波器采用步骤11中确定的最高的拐角频率对引入的待处理的信号进行滤波处理；

以上例，在该步骤中首先采用ω1作为高通滤波器的拐角频率对引入的信号进行滤波处理，以快速去掉信号中的直流分量；

采用较高的拐角频率可以在较短的时间内将信号中的直流分量去除掉；

但是如果一直采用较高的拐角频率进行滤波处理，则会对有用信号的功率损失较大，为此，本发明中还执行步骤14；

步骤14：如果消除直流失调的信号通路是单端电路，则执行步骤15；如果消除直流失调的信号通路是差分电路，则执行步骤16。

步骤15：高通滤波器依次采用较低的拐角滤波对所述的待处理的信号进行滤波处理，直至对有用信号的损失降至到最低，同时，还将所述信号中的直流分量去除；

具体为依次由高到低切换高通滤波器所采用的拐角频率值，并基于切换后的拐角频率值对所述信号进行滤波处理；

仍以上例，在该步骤中则依次采用ω2、ω3作为高通滤波器的拐角频率对引入的信号进行滤波处理。

步骤16：高通滤波器依次采用较低的拐角滤波对所述的待处理的信号进行滤波处理，以便将所述信号中的直流分量去除的同时，对有用信号的损失降至到最低。当进行最后一个拐角频率切换时，也即从次最小高通滤波器拐角频率切换到最小高通滤波器拐角频率时，需要引入电路消除由于差分电路所引入的直流冲击失调，以保证高通滤波器的快速响应。

具体为依次由高到低切换高通滤波器所采用的拐角频率值，并基于切换后的拐角频率值对所述信号进行滤波处理；

仍以上例，设ω2和ω3分别为次最小高通滤波器拐角频率和最小高通滤波器拐角频率，在该步骤中则依次采用ω2、ω3作为高通滤波器的拐角频率对引入的信号进行滤波处理。当从ω2切换到ω3时，需要引入电路消除由于差分电路所引入的直流冲击失调。

本发明通过依次由大到小切换高通滤波器的拐角频率，使得利用大的拐角频率可以很快实现直流失调的消除，同时，在后续的过程中还需要依次采用较小的拐角频率进行滤波处理以降低对有用信号频谱的影响。

下面将再结合附图对本发明所述的装置进行说明。

为对本发明所述装置有清楚的了解，首先对本发明所述装置的基本实现原理进行说明：

如图2所示，一个简单的电阻、电容RC组成的高通滤波器的输入为Eu(t)，输出为Vout；

设电容C上的初始电压值为v0，其中Eu(t)满足如下表达式：

Eu(t)＝0；t<O；

Eu(t)＝E；t≥0；

可得， $\mathrm{Vout}=E{e}^{-\frac{1}{\mathrm{RC}}t}-\mathrm{vO}{e}^{-\frac{1}{\mathrm{RC}}t};$

其中，E为直流失调电压，在具体应用中是随时间变化的量，但相对于通信系统中包发送所持续的时间而言，该值近于常数；vO为高通滤波器拐角频率切换时电容C两端的电压值；

如图2所示，多个拐角频率由高到低的切换，可以在很短的时间内使得vO的值越来越大，从而消除信号中的直流分量E。

利用所述图2进行消除信号中的直流分量的具体过程如下：

以三个时间段来定性分析，三个时间点分别为t3>t2>t1；如图2所示，设在t1时刻，电容上的电压vO(t)等于0，高通滤波器的带宽切换为最大值(即采用最大的拐角频率值)，则在t1～t2的时刻，电容上的电压vO将以较快的速度充电；在t2时刻，电容上的电压VO达到VO(t2)，且大于VO(t1)，此时，再将高通滤波器的带宽切换为中等值(即采用中等大小的拐角频率值)，在t2～t3的时刻，电容上的电压vO将以中等速度充电；依此类推，直到电容上的电压vO达到E，也即消除了直流失调。

另一个问题，如果直接从高拐角频率切换到小拐角频率，纯粹从直流失调消除方面来讲，是可以的，但是，为了提高数据速率，通常在直流失调消除时间内，还要做AGC(自动增益控制)调整，同时由于高拐角频率，对小于该拐角频率的信号就造成衰减，而AGC调整是根据信号的RMS(均方根)值来计算的，因而直接由高拐角频率到低拐角频率切换将对AGC调整的精度有影响，所以，在具体实现过程中通常需要采用多个拐角频率间的切换完成直流分量的去除。这也是较佳的选择。

另外，对于差分电路情况，如图3所示。Vi+，Vi-为存在直流失调电压的差分输入信号；Vo+，Vo-为高通滤波器的输出；电阻R和电容C组成高通滤波器；电阻R和电容C的值决定高通滤波器的拐角频率；Vbias为高通滤波器输出的偏置电压。如果采用消除单端电路直流失调电压的方法，依次从大到小的顺序切换高通滤波器的拐角频率，获得的消除直流失调后的信号如图8中最上面部分的曲线(图8中最下面部分的曲线为高通滤波器的输入，其存在一定的直流失调电压)。这是高通滤波器进行次最小高通滤波器拐角频率(如ω2)和最小高通滤波器拐角频率(ω3)之间的交替切换的结果。图8中，0～200us为高通滤波器从ω2到ω3的切换，切换时间点为Ous；200～500us为高通滤波器从ω3到ω2的切换，切换时间点为200us；500～700us为高通滤波器从ω2到ω3的切换，切换时间点为500us；700～800us为高通滤波器从ω3到ω2的切换，切换时间点为700us。从图8中上面部分的曲线可以看出，从ω2到ω3的切换时，由于差分电路自身的特点和本质，导致一个较大的直流冲击失调，也即在接近切换点处(0us,500us等)有一个小的直流缓变的过程。而在单端电路中，这个直流冲击失调将不存在或者非常小。如果该差分高通滤波器后面连接有放大电路，将导致更大的直流冲击，影响电路的性能。图8中，0～200us时高通滤波器的输出信号大于200～500us时高通滤波器的输出信号，这是因为0～200us时的高通滤波器的拐角频率较低，对通过的信号衰减较小所导致的。依次类推,500～700us时高通滤波器的输出信号和700～800us时高通滤波器的输出信号的大小不同也是这个原因。

为此，本发明还需要提供相应的可以实现快速消除差分高通滤波器电路在拐角频率切换时存在较大直流冲击失调的问题。

通过上述针对本发明所述装置的实现原理的分析可知，本发明所述的装置的实施例的结构如图4所示，主要包括：

(1)拐角频率调整模块：根据设定的时间条件及各拐角频率值的大小在各拐角频率间依次由大到小进行切换操作，即控制高通滤波器的拐角频率；

所述的拐角频率调整模块可以由纯软件实现，当相应的处理软件判断符合时间条件，则将高通滤波器的拐角频率切换到该时间条件对应的拐角频率值，以便于高通滤波器基于不同的拐角频率对待处理的信号进行滤波处理，最终实现清除待处理信号中的直流分量；

所述的拐角频率调整模块还可以采用数字控制处理电路实现。

(2)高通滤波器：输入端引入待处理的信号，其中包括差分信号，并根据拐角频率调整模块设置的拐角频率对所述信号进行滤波处理，输出为已经消除直流分量的信号；

(3)直流冲击失调处理模块，包括晶体管，用于在高通滤波器由次最小拐角频率切换到最小拐角频率时，利用该切换过程的控制信号的互补信号控制晶体管对高通滤波器的输出进行调整，获得直流分量消除后的信号。

另外，在通信系统中，由于信号的动态范围很大，相应的增益范围也很大，因此，各级联的各自独立的模块产生的直流失调电压如果不能及时消除，将可能使得后面级联的电路发生饱和或者失真现象。因此，基于上述装置本发明还提供了相应的系统，具体包括一组消除直流失调的装置，每个消除直流失调的装置连接于接收系统模块的输出端，且所述的消除直流失调的装置的输出端与下一级接收系统模块相连；所述的接收系统模块为输出信号中含有待消除的直流分量的系统模块。

也就是说，本发明所述的装置在具体应用过程中，还可以分别与接收系统的各个输出信号中包含有待消除的直流分量的独立模块连接，具体的连接结构如图5所示，其中，B1和B2为存在直流失调输出的电路模块；H1和H2则是直流失调消除电路，即本发明提供的所述装置。采用图5所示的连接方式，可以方便地消除B1和B2模块的直流失调，从而降低对电路模块B1和B2失调电压设计的要求。

同时，由于每个电路模块B1和B2的增益不同，表现为输入到H1和H2中信号的幅度和直流失调量不同，而信号幅度也会影响直流失调消除的时间，所以如果令H1和H2在不同的时间进行不同拐角频率的切换，则可以很好地消除直流失调电压，为此，可以为H1和H2设置一个总的数字控制处理电路，以便在适当的时间点分别控制不同直流失调消除电路(即H1、H2)的拐角频率的切换。例如，如果失调消除电路之前的电路模块有增益，那么，希望该失调消除电路用最高拐角频率所持续的时间稍长，等等。具体的数字控制处理电路的处理方式可以根据系统的具体情况分别进行组合设置。

前面分别对本发明所述的装置及其方法进行了相应的说明，下面再结合附图对本发明在具体应用过程中的实际效果进行说明。

如图6为依据图2中单端电路情况下，利用本发明进行直流失调消除的效果，图中最上方的波形为高通滤波器的输入，带有很大的直流失调分量；

图6中，中间的曲线波形为直接设定为低拐角频率时的高通通滤波器的输出，可以看出，采用设定的低拐角频率时，消除该直流失调需要很长的时间；

图6中，最下面的曲线波形是先设定为高的拐角频率，然后设定为中等拐角频率，最后再设定为低拐角频率情况下的高通滤波器的输出，可以看出，采用本发明清除直流失调所消耗的时间很短。

因此，对于单端电路的情况，本发明的有效效果显而易见。

本发明中为去除直流冲击失调采用的实现方案如图7所示，即在图3相比，增加了一个nmos晶体管N1。晶体管N1的源端和漏端分别连接到高通滤波器的差分输出端，栅端连接控制电压Vctrl，Vctrl是Vctrl的逻辑补信号，也即，信号Vctrl和信号Vctrl为互补信号。其中，所述的Vctrl信号为控制高通滤波器从次最小高通滤波器拐角频率(如ω2)到最小高通滤波器拐角频率(ω3)切换的控制信号。在本发明中，进行上述切换时，具体为Vctrl从逻辑高电平变换为逻辑低电平，则通过增加晶体管N1和配置如上所述的控制信号Vctrl，就可以消除差分情况下高通滤波器拐角频率切换所引起的直流冲击失调。而且，晶体管N1在工作(导通)时的阻抗需要大于2倍的R。实现结果如图8中间部分的曲线。图8中，0～200us为高通滤波器从ω2到ω3的切换，切换时间点为0us；200～500us为高通滤波器从ω3到ω2的切换，切换时间点为200us；500～700us为高通滤波器从ω2到ω3的切换，切换时间点为500us；700～800us为高通滤波器从ω3到ω2的切换，切换时间点为700us。从图8中间部分的曲线可以看出，从ω2到ω3的切换时，在接近切换点处(0us，500us等)没有出现直流缓变过程。差分直流冲击失调被完全消除或者被非常大的减小。如果该差分高通滤波器后面连接有放大电路，将不会影响电路的性能。因此，对于差分电路的情况，本发明的有效效果显而易见。

另外，需要说明的是，本发明提供的上述差分高通滤波器电路中插入一个nmos晶体管并配合合适的时序开关来消除差分通路所引起的直流冲击失调的方法也可以运用到每一次从较高的高通滤波器拐角频率切换到较低的高通滤波器拐角频率时使用，以有效消除输入信号中的直流冲击失调。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种无线接收系统中消除直流失调的方法，其特征在于，包括：

A、将需要消除直流失调的信号引入高通滤波器；

B、所述高通滤波器依次利用一组由高到低各不相同的拐角频率对所述的信号进行滤波处理；其包括：

建立一组拐角频率中各拐角频率对应的切换时间点；

当符合相应的切换时间点值时，则将高通滤波器的拐角滤波切换为该时间点对应的拐角频率值；

所述高通滤波器利用该拐角频率对所述信号进行滤波处理；

C、若带有直流失调的信号为差分信号，则当高通滤波器由高拐角频率切换到低拐角频率时，由高拐角频率切换到低拐角频率具体为：由次最小拐角频率切换到最小拐角频率；

利用该切换过程的控制信号的互补信号控制晶体管对高通滤波器的输出进行调整，获得直流分量消除后的信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行所述的步骤C之前还包括：判断需要消除直流失调的信号是否为差分信号，若确定所述信号为差分信号，则执行所述步骤C。

3.一种无线接收系统中消除直流失调的装置，其特征在于，包括：

拐角频率调整模块：根据设定的一组大小各不相同的拐角频率依次调整确定高通滤波器的当前拐角频率值；所述的拐角频率调整模块采用数字控制处理电路，所述的数字控制处理电路用于根据保存的时间点与拐角频率的对应关系，将高通滤波器的拐角频率在相应的时间点上切换到对应的拐角频率上；

高通滤波器：其输入端引入待处理的信号，并利用拐角频率调整模块确 定的当前拐角频率对所述信号进行直流失调消除处理；

直流冲击失调处理模块，包括晶体管，用于在高通滤波器由高拐角频率切换到低拐角频率时，由次最小拐角频率切换到最小拐角频率，利用该切换过程的控制信号的互补信号控制晶体管对高通滤波器的输出进行调整，获得直流分量消除后的信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的晶体管在导通时的阻抗大于高通滤波器电路中电阻值的两倍。 

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