CN101527577B - 一种无线发射机及无线发射机中本振泄露消除的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线发射机及无线发射机中本振泄露消除的方法，所述无线发射机包括I路可变增益放大器、Q路可变增益放大器、上混频器、量化模块、控制逻辑模块和补偿器，本发明将电路中固有的直流失调和其他失配都等效为共模电平的失调，然后通过对I路和Q路的差分信号的共模电平进行补偿，进而实现了对电路中固有的直流失调和其他失配所引起的本振泄露的抑制。

Description

一种无线发射机及无线发射机中本振泄露消除的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种无线发射机及无线发射机中本振泄露消除的方法。

背景技术

在现在通信系统的无线收发机设计中，为了降低成本和减小器件的形状因子，通常的实施方法是提高芯片的集成度和减少片外元件的个数。用零中频的方案来设计通信系统的无线收发机，可以在提高芯片集成度的同时降低片外元件的个数。

现有技术中，零中频无线发射机的结构框图如图1所示，主要由基带模拟信号处理电路，混频器，正交本振信号产生电路和预放大器所组成。其中，基带模拟信号处理电路的主要功能是对基带送出的模拟基带信号进行信号滤波处理，并根据发射功率的需求调整输入到混频器的基带信号的大小；混频器的功能是把基带信号的频谱搬移到所需要的射频频率点上；所需要的射频频率点是由正交本振信号产生电路输出的信号所决定，正交本振信号产生电路输出的本振频率是受基带控制的。预放大器的功能是将已搬移到需要的射频频率点的信号进行放大，驱动功率放大器，最后由天线把信号发射出去。其具体的工作过程是：基带输入正交的两路基带信号BB_I和BB_Q，分别经过相同的基带模拟信号处理电路产生I路信号输入到混频器I中，产生Q路信号输入到混频器Q中；正交本振信号产生电路也分别输出正交本振信号I和Q到混频器I和混频器Q中；混频器I和混频器Q将混频以后的信号相加产生差分射频信号rf+和rf-；信号rf+和rf-在经过预放大器后就产生射频输出信号Vout，可以直接通过天线发射出去或者根据需要再驱动功率放大器，然后再用天线发射出去。

但是，在现有技术的零中频无线发射机中，存在一个严重的问题，就是存在固有的本振泄漏，零中频无线发射机的本振泄漏如图2所示，主要是由电路固有的直流失调特性所引起。而根据无线通信协议(如IEEE802.11 WLAN的协议)，大的本振泄漏将对整个通信系统性能影响很大，例如产生高的误码率，通信中断和通信干扰等。虽然可通过采用两级上变频的方式实现零中频无线发射机以避免了本振泄漏的问题。但是，却存在高成本和大形状因子的缺陷。

发明内容

本发明提供一种无线发射机及无线发射机中本振泄露消除的方法，通过对无线发射机的I路和Q路的差分信号的共模电平进行补偿，从而消除由固有直流失调和其他失配所引起的本振泄露。

本发明所述技术方案包括：

一种无线发射机，包括I路可变增益放大器、Q路可变增益放大器、上混频器、量化模块、控制逻辑模块和补偿器，其中，

I路可变增益放大器，用于接收I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-，将其按照预设的增益值进行放大或缩小处理后，输入上混频器；

Q路可变增益放大器，用于接收Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-，将其按照预设的增益值进行放大或缩小处理后，输入上混频器；

上混频器，用于对I路可变增益放大器及Q路可变增益放大器输出的基带差分信号进行混频处理，输出差分射频信号rf+和rf-；

量化模块，用于对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化，输出用于表征本振泄露信号强度的值到控制逻辑模块；

控制逻辑模块，用于根据本振泄露信号强度值产生相应的补偿值，发送给补偿器；

补偿器，用于根据接收到的补偿值对I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-的共模电平进行补偿，以及对Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-的共模电平进行补偿。

在本振泄露校准模式下，BB_I+，BB_I-和BB_Q+，BB_Q-两对基带差分信号的交流电压为零，只存在直流偏置电压，差分射频信号rf+和rf-即为本振泄露。

所述量化模块在对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化之前，首先对量化模块内部的直流失调进行自校准。

所述控制逻辑模块进一步用于根据根据量化模块的输出调整量化模块的增益值；

所述量化模块进一步用于按照调整后的增益值对输入的差分射频信号rf+和rf-进行放大或缩小处理。

一种无线发射机中本振泄露消除的方法，所述无线发射机包括I路可变增益放大器、Q路可变增益放大器、上混频器、量化模块、控制逻辑模块和补偿器，包括步骤：

A、I路可变增益放大器接收I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-，Q路可变增益放大器接收Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-，按照预设的增益值对接收到的信号进行放大或缩小处理后，输入上混频器；

B、上混频器对I路可变增益放大器及Q路可变增益放大器输出的基带差分信号进行混频处理，输出差分射频信号rf+和rf-；

C、量化模块对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化，输出用于表征本振泄露信号强度的值到控制逻辑模块；

D、控制逻辑模块根据本振泄露信号强度值产生相应的补偿值，发送给补偿器；

E、补偿器根据接收到的补偿值对I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-的共模电平进行补偿，以及对Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-的共模电平进行补偿。

在本振泄露校准模式下，BB_I+，BB_I-和BB_Q+，BB_Q-两对基带差分信号的交流电压为零，只存在直流偏置电压，差分射频信号rf+和rf-即为本振泄露。

所述步骤C中，量化模块在对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化之前，首先对模块内部的直流失调进行自校准。

所述控制逻辑模块根据量化模块的输出调整量化模块的增益值，所述量化模块按照调整后的增益值对输入的差分射频信号rf+和rf-进行放大或缩小处理。

本发明有益效果如下：

本发明所述无线发射机将电路中固有的直流失调和其他失配都等效为共模电平的失调，然后通过对I路和Q路的差分信号的共模电平进行补偿，实现了对电路中固有的直流失调和其他失配所引起的本振泄露的抑制。

附图说明

图1为现有技术中零中频无线发射机的结构框图；

图2为现有技术中零中频无线发射机的本振泄漏示意图；

图3为本发明所述无线发射机的结构框图；

图4为本发明所述无线发射机中本振泄露消除方法的原理流程图；

图5为正常情况下本发明所述无线发射机中本振泄露消除的具体实现流程图；

图6为本发明中I路补偿器粗调节的流程图；

图7为本发明中Q路补偿器粗调节的流程图；

图8为正常情况本振泄露消除过程中不考虑增益调节的前提下补偿值和泄露值之间的关系示意图；

图9为正常情况本振泄露调节过程示意图。

具体实施方式

本发明通过对无线发射机的I路和Q路的差分信号的共模电平进行补偿，进而实现对电路中固有的直流失调和其他失配所引起的本振泄露的抑制。其基本原理是电路中固有的直流失调和其他失配都可以等效为共模电平的失调，所以通过对共模电平进行补偿，可以最终实现对本振泄漏的抑制。

请参阅图3，该图为本发明所述无线发射机的结构框图，其主要包括可变增益放大器、上混频器、量化模块、控制逻辑模块和补偿器。图中的BB_I+和BB_I-为I路的发射机基带差分输入信号，BB_I+和BB_I-为Q路的发射机基带差分输入信号，经过可变增益放大器对基带输入信号的放大或缩小调整，输入到上混频器；经过上混频器的转化，输出差分射频信号rf+和rf-。量化模块对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化，输出n(这里以8为例)比特表征该差分射频信号强度的数字信号到控制逻辑模块。控制逻辑模块通过对该数字信号的判断，产生相应的补偿值，通过四个补偿器形成模拟量进行补偿。这里的补偿器可以是数字编程的可变电流源，也可以是数字编程控制的可变电阻。在发射机本振泄漏校准模式下，主要校准的是(BB_I+，BB_I-)和(BB_Q+，BB_Q-)两对差分信号的直流失调电压，以及电路固有的失调导致的本振泄漏，但是都可以等效为(BB_I+，BB_I-)和(BB_Q+，BB_Q-)两对差分信号的直流失调电压，或者全部等效为电路固有的失调电压。所以为了消除直流失调引起的本振泄漏，本发明所述无线发射机在校准模式下，使得(BB_I+，BB_I-)和(BB_Q+，BB_Q-)两对差分信号的交流电压信号为0，而只是存在直流偏置电压。这样，差分射频信号rf+和rf-就表示为本振泄露，量化模块检测和量化的信号就反映了本振泄漏信号的大小，再通过控制逻辑模块的计算，分别输出补偿控制值到四个补偿器(补偿器I+，补偿器I-，补偿器Q+和补偿器Q-)，进而消除本振泄漏。

在发射机本振泄漏校准状态下，量化模块的输出表示的也即本振泄漏信号强度的值，用L表示，在本发明所述校准过程中，每一个校准步骤结束后，都会记录在该校准步骤情况下L的最小值，成为最小泄漏值L。以上说明，在校准过程中，L值是在不断更新的。

量化模块的功能不仅包括模块内部的直流失调自校准功能和对输入信号量化的功能，而且包括对输入信号放大或缩小的增益调节功能，具体操作包括图5中的量化模块增益调节1，量化模块增益调节2和量化模块增益调节3。

请参阅图4，该图为本发明所述无线发射机中本振泄露消除方法的原理流程图，在本振泄露校准模式下，BB_I+，BB_I-和BB_Q+，BB_Q-两对基带差分信号的交流电压为零，只存在直流偏置电压。其主要实现过程为：

步骤10、I路可变增益放大器接收I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-，Q路可变增益放大器接收Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-，I路可变增益放大器及Q路可变增益放大器按照预设的增益值对接收到的信号进行放大或缩小处理后，将其输入上混频器；

本步骤中，所述I路可变增益放大器的增益值为预设的固定值，所述Q路可变增益放大器的增益值为预设的固定值。

步骤11、上混频器对I路可变增益放大器及Q路可变增益放大器输出的基带差分信号进行混频处理，输出差分射频信号rf+和rf-到量化模块。

步骤12、量化模块对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化，输出用于表征本振泄露信号强度的值到控制逻辑模块；

本步骤中，量化模块在对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化之前，首先对模块内部的直流失调进行自校准。

步骤13、控制逻辑模块根据本振泄露信号强度值产生相应的补偿值，发送给补偿器；

本发明中所述补偿器共有四个，分别为补偿器I+、补偿器I-、补偿器Q+和补偿器Q-。

步骤14、补偿器根据接收到的补偿值对I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-的共模电平进行补偿，以及对Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-的共模电平进行补偿。

本发明上述方法中，所述控制逻辑模块根据量化模块的输出调整量化模块的增益值，所述量化模块按照调整后的增益值对输入的差分射频信号rf+和rf-进行放大或缩小处理。

下面分别对正常情况下及几种特殊情况下无线发射机中本振泄露消除的具体实现过程予以进一步详细的说明。

请参阅图5，该图为正常情况下本发明所述无线发射机中本振泄露消除的具体实现流程图，为了保证消除的效果，需要有以下前提：本振输出已稳定、在启动的过程中及消除的过程中要使系统保持在发射状态、基带交流输入为零、可变增益放大器的增益固定。为了防止泄露的本振被发射出去，在消除过程中将关闭如图1所示的预放大器，使得射频输出Vout为0。其主要实现过程为：

步骤20、在实际的工作电路中，由于工艺偏差，失配等因素使得电路总是存在直流失调，所以量化模块在正式工作之前，需要对自身进行直流失调的校准。

步骤21、控制逻辑模块根据量化模块的输出判断量化模块当前设定的增益是否合适，若不合适会对量化模块进行增益调节1，增益是否合适的标准就是看量化模块量化输出是否处于可量化的范围之内。如果把增益放到最大仍然检测不到足够大的本振泄露，消除过程将停止。

步骤22、控制逻辑模块对I路补偿器进行第一次粗调节，接着对Q路补偿器进行第一次粗调节；

I路补偿器粗调节和Q路补偿器粗调节的工作过程分别如图6和图7所示。其中，补偿器I+，补偿器I-，补偿器Q+和补偿器Q-四路信号的粗调节都可以通称为粗调节。具体过程如下：在对任何一路进行粗调的过程中，补偿值C从零开始，以m(这里以16为例)的步进增加直到补偿值达到最大位置，最后记录下该整个过程中得到的最小的泄露值L以及对应的补偿值C。

步骤23、在第一次粗调节完成后，控制逻辑模块对量化模块进行增益调节2，本次增益调节的过程和增益调节1基本相同，只是当增益调到最大时不再进行进一步的判断，直接进行下一步。

步骤24、控制逻辑模块对I路补偿器进行第二次粗调节，接着对Q路补偿器进行第二次粗调节，本次粗调节的过程和第一次粗调节的过程相同，不再赘述。

步骤25、控制逻辑模块对I路补偿器进行细调节，接着对Q路补偿器进行细调节；

I路补偿器细调节和Q路补偿器细调节在补偿原理上是相同的，具体在本发明中，I路补偿器一次细调节，I路补偿器二次细调节，Q路补偿器一次细调节和Q路补偿器二次细调节的补偿原理和机制也是相同的。下面就单独某一次的I路或Q路细调节的工作原理和过程描述如下：调用该过程之前记录下来的最小泄露值L及对应的补偿值C，然后以该补偿值C作为基准分别加16、减16，得到两个泄露值。这两个泄露值与之前记录下来的最小泄露值比较，取最小的一个泄露值作为新的L，对应的补偿值作为新的基准C，在此基准上再加8、减8，得到两个泄露值。这两个泄露值与之前记录下来的最小泄露值比较，取最小的一个对应的补偿值作为基准。接下来是加4、减4；加2、减2；加1、减1。这时，细调节结束，把最后确定的补偿值保存，以便后面过程的调用。在整个细调的过程中，每得出一个新的L都要进行增益判断，如果L小于门限值2，则要中断调节，对增益进行调节，等增益合适后，再继续下一步细调。所述门限值2是预先设定的本振泄露消除过程停止的判断门限。

在整个细调节的过程中，要对增益进行再次的判断，当前量化模块的输出不足以准确表示泄露值的大小，也即输入到量化模块的信号不在量化模块的量化范围之内时，立即中断细调节，进行增益调节3，也即放大或缩小输入到量化模块的信号，使得量化模块处于正常的量化范围之内。

请参阅图8及图9，其中图8为正常情况本振泄露消除过程中不考虑增益调节的前提下补偿值和泄露值之间的关系示意图，图中B表示基准点，横轴表示补偿值，从左到右递增；纵轴表示对应的泄漏值，从下到上递增。图9为正常情况本振泄露调节过程示意图，该图中水平方向表示补偿值，从左到右递增，图中标识的1，2，3，4，5，6，7，8等表示搜索的顺序，从1开始逐次增大。

下面对几种特殊情况下的本振泄露消除流程予以说明，这些特殊情况下的本振泄露消除过程是在图5所示流程的基础上，根据不同的特殊情况，对图5所示流程进行了部分调整。

一、I路的失调值非常小，本振泄露主要是由Q路引起的情况：

在I路的失调值非常小，本振泄露主要是由Q路引起的情况下，在进行补偿器I+粗调节和I-粗调节过程中，泄露出的(rf+，rf-)信号强度没有明显的变化，以至于在进行I路补偿对象选择时，无法做出判断。此时，把调节的对象暂时定为补偿器I-，同时把一个标志信号puzzle_mod_I置为高。等补偿器Q+粗调节和Q-粗调节过程结束后，重新进行补偿器I+粗调节和I-粗调节过程。此时由于已经把Q路的失调补偿掉一部分，可能能够判断出正确的I路调节对象。如果此时的确判断出了I路的调节对象，则puzzle_mod_I置为低，否则，如果I路的失调实在是太小了，puzzle_mod_I保持不变，I路调节对象保持为补偿器I-。接下来依次进行量化模块增益调节2、Q路补偿器第二次粗调、I路补偿器第二次粗调、增益调节3，Q路补偿器第一次细调，增益调节3，I路补偿器第一次细调。在I路补偿器第一次细调的过程中，如果得到了更小的泄露值，说明此时的I路细调对象是对的，可以保持当前的调节对象，puzzle_mod_I置为低。如果在I路补偿器第一次细调的过程中，没有得到更小的泄露值，说明此时的I路补偿器细调对象可能是错的，需要把调节对象改为补偿器I+。接下来依次进行增益调节3，Q路补偿器第二次细调，增益调节3，I路补偿器第二次细调直到流程结束。

二、本振泄露主要是由I路引起，Q路的失调值非常小的情况：

在本振泄露主要是由I路引起，Q路的失调值非常小的情况下，在进行补偿器Q+粗调节和Q-粗调节过程中，泄露出的(rf+，rf-)信号强度没有明显的变化，以至于在进行Q路补偿对象选择时，无法做出判断。此时，把调节的对象暂时定为补偿器Q-，同时把一个标志信号puzzle_mod_Q置为高。然后按照图5中正常状态下的基本流程继续进行，直到Q路补偿器第一次细调结束。在Q路补偿器第一次细调的过程中，如果得到了更小的泄露值，说明此时的Q路补偿器细调对象是对的，可以保持当前的调节对象，puzzle_mod_Q置为低。如果在Q路补偿器第一次细调的过程中，没有得到更小的泄露值，说明此时的Q路细调对象可能是错的，需要把调节对象改为补偿器Q+。接下来依次进行增益调节3，Q路补偿器第二次细调，增益调节3，I路补偿器第二次细调直到流程结束。

三、I路和Q路的失调值非常小的情况：

在I路和Q路的失调值非常小的情况下，在I路补偿器一次粗调节和Q路补偿器一次粗调节过程结束之后，没有找到可以比粗调节前更小的最小泄漏值L，同时使得I、Q路的调节对象都无法确定。这时，把I、Q调节的对象暂时定为补偿器I-和补偿器Q-，同时把标志信号puzzle_mod_I、puzzle_mod_Q都置为高。接下来，跳过I路补偿器二次粗调节和Q路补偿器二次粗调节，直接进行增益调节3、I路补偿器一次细调节、Q路补偿器一次细调节。在I路补偿器一次细调节和Q路补偿器一次细调节过程中，如果其中任何一路得到了更小的泄露值L，说明此时该路的细调对象是对的，可以保持当前的调节对象，并把相应的puzzle_mod_I(Q)置为低。如果没有得到更小的泄露值L，说明此时该路细调对象可能是错的，需要把调节对象改为补偿器I-或补偿器Q-。接下来依次进行增益调节3，Q路补偿器第二次细调，增益调节3，I路补偿器第二次细调直到流程结束。

四、I路和Q路的失调值非常大的情况：

在I路和Q路的失调值非常大的情况下，当I路补偿器一次粗调节和Q路补偿器一次粗调节过程中，不足以使泄露出的(rf+，rf-)信号有足够的变化，量化模块输出的值始终为可量化的最大值，使得I路补偿器、Q路补偿器的调节对象无法确定，此时需要对I路补偿器、Q路补偿器两路同时进行粗调。调节的顺序是补偿器I+粗调节，补偿器Q+粗调节；补偿器I-粗调节，补偿器Q+粗调节；补偿器I+粗调节，补偿器Q-粗调节；补偿器I-粗调节，补偿器Q-粗调节。在上述的粗调过程中，只要得到使量化模块输出的值小于可量化的最大值，就可以停止该过程，同时保持I路和Q路补偿器的调节对象和补偿值。然后按照图5从开始执行自动调节的整个过程。即，与正常状态下的基本流程相比，在该模式情况下，通过一系列的粗调节为整个后面的调节提供了一个合理的初始状态。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种无线发射机，其特征在于，包括I路可变增益放大器、Q路可变增益放大器、上混频器、量化模块、控制逻辑模块和补偿器，其中，

I路可变增益放大器，用于接收I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-，将其按照预设的增益值进行放大或缩小处理后，输入上混频器；

Q路可变增益放大器，用于接收Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-，将其按照预设的增益值进行放大或缩小处理后，输入上混频器；

上混频器，用于对I路可变增益放大器及Q路可变增益放大器输出的基带差分信号进行混频处理，输出差分射频信号rf+和rf-；

量化模块，用于对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化，输出用于表征本振泄露信号强度值到控制逻辑模块；

控制逻辑模块，用于根据本振泄露信号强度值产生相应的补偿值，发送给补偿器；

补偿器，用于根据接收到的补偿值对I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-的共模电平进行补偿，以及对Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-的共模电平进行补偿。

2.如权利要求1所述的无线发射机，其特征在于，在本振泄露校准模式下，BB_I+，BB_I-和BB_Q+，BB_Q-两对基带差分信号的交流电压为零，只存在直流偏置电压，差分射频信号rf+和rf-即为本振泄露。

3.如权利要求2所述的无线发射机，其特征在于，所述量化模块在对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化之前，首先对量化模块内部的直流失调进行自校准。

4.如权利要求2所述的无线发射机，其特征在于，所述控制逻辑模块进一步用于根据根据量化模块的输出调整量化模块的增益值；

所述量化模块进一步用于按照调整后的增益值对输入的差分射频信号rf+和rf-进行放大或缩小处理。

5.一种无线发射机中本振泄露消除的方法，所述无线发射机包括I路可变增益放大器、Q路可变增益放大器、上混频器、量化模块、控制逻辑模块和补偿器，其特征在于，包括步骤：

A、I路可变增益放大器接收I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-，Q路可变增益放大器接收Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-，按照预设的增益值对接收到的信号进行放大或缩小处理后，输入上混频器；

B、上混频器对I路可变增益放大器及Q路可变增益放大器输出的基带差分信号进行混频处理，输出差分射频信号rf+和rf-；

C、量化模块对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化，输出用于表征本振泄露信号强度值到控制逻辑模块；

D、控制逻辑模块根据本振泄露信号强度值产生相应的补偿值，发送给补偿器；

E、补偿器根据接收到的补偿值对I路的基带差分输入信号BB_I+和BB_I-的共模电平进行补偿，以及对Q路的基带差分输入信号BB_Q+和BB_Q-的共模电平进行补偿。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在本振泄露校准模式下，BB_I+，BB_I-和BB_Q+，BB_Q-两对基带差分信号的交流电压为零，只存在直流偏置电压，差分射频信号rf+和rf-即为本振泄露。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，量化模块在对差分射频信号rf+和rf-进行检测和量化之前，首先对模块内部的直流失调进行自校准。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制逻辑模块根据量化模块的输出调整量化模块的增益值，所述量化模块按照调整后的增益值对输入的差分射频信号rf+和rf-进行放大或缩小处理。

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