CN102035476B - 开关电容混频电路和具有开关电容混频电路的通信收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电容混频电路和具有开关电容混频电路的通信收发装置，所述开关电容混频电路包括开关混频电路，用于实现信号混频，输出具有多种开关状态的模拟信号；与所述开关混频电路连接的采样保持电路，用于对所述开关混频电路输出的模拟信号进行定时采样，并在一个采样脉冲内将所述采样值进行保持，拟合出与多种开关状态分别对应的时序波形。相较于现有技术，本发明的开关电容混频电路具有结构简单、所需时序控制较少等优点。

Description

开关电容混频电路和具有开关电容混频电路的通信收发装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种实现信号混频的开关电容混频电路和具有开关电容混频电路的通信收发装置。

背景技术

通信收发机通常包括混频器，混频器即是乘法器，其功能就是将两个随时间变化的信号相乘，其中一个信号从外部得到(射频信号)，另一个由本地产生(本振信号)。如此，利用混频器，可以在发射中将发射信号从基带上变频到射频带，或者在接收中将接收信号从射频带下变频到基带。可选地，在一些实现中，接收的RF信号可以被转换到中频带。如果本地产生的信号是一个固定值的话，混频器就实现了一个固定放大或缩小的功能。如果本地产生的是一个固定频率正弦波的话，那么混频器就实现了频率搬移功能。

开关电容混频电路(Switched capacitor circuit)是由受时钟信号控制的开关和电容器组成的电路。它是利用电荷的存储和转移来实现对信号的各种处理功能。在实际电路中，有时仅用开关和电容器构成的电路往往不满足要求，所以多与放大器或运算放大器、比较器等组合起来，以实现电信号的产生、变换与处理。

开关电容混频电路是介于模拟电路和数字电路之间的一种电路，同时具有模拟电路的无限精度电压值特性和数字电路的离散操作特性。开关电容混频电路相比于普通连续时间的混频器有着特别的优势：a，操作接近理想，类似于数字信号处理；b，与模拟数字转换器(ADC)完全兼容，因为绝大多数模拟数字转换器(ADC)都是采用开关电容实现；c，失真小，几乎完全线性，正弦波产生容易等。因此，开关电容混频电路得到了较快的发展和广泛的应用。

公告号为4716375的美国发明专利文献提供了开关电容混频电路，在所述专利文献中使用了一组电容来实现混频器中乘数的系数。图1为所述开关电容混频电路的结构示意图，如图1所示，所述开关电容混频电路共设计了八条开关电容支路，其中每一条开关电容支路都包括一个电容206(k)以及位于电容206(k)两端的两个开关205(k，1)、205(k，2)，从x(t)到y(t)的每一条支路都实现了一个固定系数的乘法，随着时间的变化，不停地选通一条支路就达到了将输入信号与一个时变信号相乘的功能。

图2为本地正弦波的产生过程。由于使用开关电容混频电路，因此正弦波也是由离散的多点组成。另，正弦波是周期信号，因此只需重复有限的几个点序列就可以拟合出一个正弦波，例如0，0.707，1，0.707，0，-0.707，-1，-0.707，0。在这里，虽只用到了0，1，-1，0.707，-0.707这五个值，因此要实现这个序列的话，图1中仅需五个支路即可。

公告号为4789837的美国发明专利文献提供了开关电容混频电路。如图3所示，本专利文献的基本思路跟上述4716375号案的美国发明专利文献基本一致，只是做了些简化处理：正弦波取点时选取一些特殊点，同时将一些特殊点进行合并操作，同样采用了例如0，0.707，1，0.707，0，-0.707，-1，-0.707，0序列，这个序列只用到五个值，并且1和-1，0.707和-0.707仅相差符号，实现时改变方向即可，因此最终实现时其实只有三个系数0，1，0.707。因此在图3所示的开关电容混频电路的电路结构中，设计了两条开关电容支路，每一条开关电容混频电路包括一个电容(C1或C2)和位于所述电容(C1或C2)相对两侧的两个开关。所述两条开关电容支路可以分别实现系数0.707和1，而通过改变开关的顺序使得信号反向即可实现系数-0.707和-1。另外系数0则可以通过改变开关顺序，不采集输入信号即可实现。

上述两个专利文献存在如下缺点：a、实现复杂，有较多的时序控制；b、灵活性差，必须事先定义好一个周期采取哪几个点，确定之后不可更改。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关电容混频电路，解决现有技术中实现复杂，灵活性较差，需要较多时序控制的问题。

本发明提供一种开关电容混频电路，包括：开关混频电路，用于实现信号混频，输出具有多种开关状态的模拟信号；与所述开关混频电路连接的采样保持电路，用于对所述开关混频电路输出的模拟信号进行定时采样，并在一个采样脉冲内将所述采样值进行保持，拟合出与多种开关状态分别对应的时序波形。

可选地，所述开关混频电路包括：第一、第二信号输入端口，用于分别接收第一、第二输入信号；第一组切换开关，响应于所述第一、第二输入信号，获得正向的第一、第二输出信号；第二组切换开关，响应于所述第一、第二输入信号，获得负向的第一、第二输出信号；截止切换开关，截止所述第一、第二输入信号；第一、第二信号输出端口，用于分别输出第一、第二输出信号。

可选地，所述第一组切换开关包括：连接在第一信号输入端口和第一信号输出端口之间的第一切换开关以及连接在第二信号输入端口和第二信号输出端口之间的第二切换开关；所述第二组切换开关包括：连接在第一信号输入端口和第二信号输出端口之间的第三切换开关以及连接在第二信号输入端口和第一信号输出端口之间的第四切换开关；所述截止切换开关包括：连接在第一信号输出端口和第二信号输出端口之间的第五切换开关；当第一、第二切换开关闭合，而第三、第四、第五切换开关断开时，第一、第二信号输出端口输出为正向的第一、第二输出信号；当第三、第四切换开关闭合，而第一、第二、第五切换开关断开时，第一、第二信号输出端口输出为负向的第一、第二输出信号；当第五切换开关闭合，而第一、第二、第三、第四切换开关断开时，第一、第二信号输出端口输出为零值的第一、第二输出信号。

可选地，所述采样保持电路包括：第三、第四信号输入端口，分别与所述开关混频电路中的第一、第二信号输出端口连接；运算放大器，包括第一、第二输入端和第一、第二输出端；第三、第四信号输出端口，分别与所述运算放大器的第一、第二输出端连接；第一采样电容，连接在所述第三信号输入端口和所述运算放大器的第一输入端之间；第二采样电容，连接在所述第四信号输入端口和所述运算放大器的第二输入端之间；第一保持电容，连接在所述运算放大器的第一输入端和所述运算放大器的第一输出端之间；第二保持电容，连接在所述运算放大器的第二输入端和所述运算放大器的第二输出端之间；第三组切换开关，包括连接在所述运算放大器的第一输入端和接地之间的第六切换开关和连接在所述运算放大器的第二输入端和接地之间的第七切换开关；第四组切换开关，包括连接在所述运算放大器的第一输入端和所述运算放大器的第一输出端之间的第八切换开关和连接在所述运算放大器的第二输入端和所述运算放大器的第二输出端之间的第九切换开关；当第六、第七、第八、第九切换开关全部闭合时，输入信号被采样至第一、第二采样电容上，同时第一、第二保持电容清除掉上一个时刻保持的电压值；当第五切换开关闭合，其他的切换开关全部断开时，将第一、第二采样电容上的信号传输到第一、第二保持电容上，由第一、第二保持电容保持所述信号的电压值输出不变。

可选地，在所述开关混频电路输出正向的第一、第二输出信号时，所述运算放大器输出第一系数的第一、第二混频输出信号；在所述开关混频电路输出负向的第一、第二输出信号时，所述运算放大器输出第二系数的第一、第二混频输出信号；在所述开关混频电路截止时，运算放大器输出第三系数的第一、第二混频输出信号。

可选地，所述第一系数为+1，所述第二系数为-1，所述第三系数为0。

本发明另提供了一种包括上述开关电容混频电路的通信收发装置。

相较于现有技术，本发明提供的开关电容混频电路包括开关混频电路和与所述开关混频电路连接的采样保持电路，其中的开关混频电路仅包括相互配合的几个切换开关，电路结构简单，便于实现信号混频；另外，通过所述开关混频电路中的若干个切换开关与所述采样保持电路中的切换开关的配合，利用在所述保持电路中的电容实现信号的采样和保持，获得三种乘法系数，从而拟合出信号的时序波形，具有实现简单，所需控制时序较少的优点。

附图说明

图1为公告号4716375的美国发明专利文献中开关电容混频电路的结构示意图；

图2为利用图1的开关电容混频电路产生本地正弦波的示意图；

图3为公告号4789837的美国发明专利文献中开关电容混频电路的结构示意图；

图4为本发明开关电容混频电路的结构示意图；

图5(a)为图4开关电容混频电路产生的序列的时序波形图；图5(b)为图4开关电容混频电路产生的序列的频谱图；

图6为本发明的开关电容混频电路应用于零中频通信收发装置的模块框图；

图7为应用于图6所示的零中频通信收发装置的各个信号的频域图。

具体实施方式

本发明的发明人发现：在现有的应用于通信收发机的开关电容混频电路，存在结构复杂、实现复杂，需要较多时序控制以及灵活性差等问题。

因此，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提出了一种结构简单且易于实现的开关电容混频电路，所述开关电容混频电路包括开关混频电路和与所述开关混频电路连接的采样保持电路，通过所述开关混频电路中的若干个切换开关与所述采样保持电路中的切换开关的配合，利用在所述保持电路中的电容实现信号的采样和保持，获得三种乘法系数，从而拟合出信号的时序波形，具有实现简单，所需控制时序较少的优点。

另外，本发明还提供了一种具有上述电路结构的开关电容混频电路的通信收发装置。

以下将通过具体实施例来对发明的开关电容混频电路进行详细说明。

请参阅图4，图4显示了本发明开关电容混频电路的结构示意图。如图4所示，所述开关电容混频电路包括开关混频电路SM(Switched Mixer，SM)和与开关混频电路SM连接的采样保持电路SH(SwitchHold，SH)。

开关混频电路SM包括：第一、第二信号输入端口IN1、IN2，具有第一切换开关S1和第二切换开关S2的第一组切换开关，具有第三切换开关S3和第四切换开关S4的第二组切换开关，作为截止切换开关的第五切换开关S5，以及第一、第二信号输出端口OUT1、OUT2。

第一、第二信号输入端口IN1、IN2用于接收第一、第二输入信号。在本实施例中，所述第一、第二输入信号为随时间连续的正弦波信号或余弦波信号。

第一切换开关S1连接在第一信号输入端口IN1和第一信号输出端口OUT1之间；第二切换开关S2连接在第二信号输入端口IN2和第二信号输出端口OUT2之间；第三切换开关S3连接在第一信号输入端口IN1和第二信号输出端口OUT2之间；第四切换开关S4连接在第二信号输入端口IN2和第一信号输出端口之间的；所述作为截止切换开关的第五切换开关S5连接在第一信号输出端口OUT1和第二信号输出端口OUT2之间。

第二信号输出端口OUT1、OUT2，根据所述第一、第二信号输入端口IN1、IN2接收第一、第二输入信号以及中间的各个切换开关的配合，输出第一、第二输出信号至后续的采样保持电路SH。

在本实施例中，利用上述开关混频电路SM中的各个切换开关的配合，可以实现多种开关状态的信号输出。具体地，(a)、第一、第二切换开关S1、S2闭合，第三、第四、第五切换开关S3、S4、S5断开，此时由第一、第二信号输入端口IN1、IN2输入的第一、第二输入信号经过闭合的第一、第二切换开关S1、S2后，第一、第二信号输出端口OUT1、OUT2输出正向的第一、第二输出信号并传送至采样保持电路SH；(b)、第三、第四切换开关S3、S4闭合，第一、第二、第五切换开关S1、S1、S5断开，此时由第一、第二信号输入端口IN1、IN2输入的第一、第二输入信号经过闭合的第三、第四切换开关S3、S4后，第一、第二信号输出端口OUT1、OUT2输出负向的第一、第二输出信号并传送至采样保持电路SH；(c)、第五切换开关S5闭合，第一、第二、第三、第四切换开关S1、S2、S3、S4断开，此时第一、第二信号输入端口IN1、IN2对应的第一、第二输入信号无法输入，如此第一、第二信号输出端口OUT1、OUT2无信号输出，或者可以说第一、第二信号输出端口OUT1、OUT2输出为零值的第一、第二输出信号。

由上述可知，本发明提供的开关电容混频电路中的开关混频电路，其中包括相互交叉配置的几个切换开关，电路结构简单，利用所述几个切换开关的不同配合，实现包括正向输出、负向输出和零值输出在内的三种类型的信号输出，实现信号混频，具有实现简单，所需控制时序较少的优点。

另外，请继续参阅图4，如图4所示，本发明提供的开关电容混频电路还包括与开关混频电路SM相连接的采样保持电路SH。

采样保持电路SH包括：与开关混频电路SM的第一、第二信号输出端口OUT1、OUT2连接的第三、第四信号输入端口IN3、IN4；运算放大器OA，包括第一、第二输入端和第一、第二输出端；与运算放大器OA的第一、第二输出端连接的第三、第四信号输出端口OUT3、OUT4；第一采样电容Cs1，连接在第三信号输入端口IN3和运算放大器OA的第一输入端I1之间；第二采样电容Cs2，连接在第四信号输入端口IN4和运算放大器OA的第二输入端I2之间；第一保持电容Ch1，连接在运算放大器OA的第一输入端I1和运算放大器OA的第一输出端O1之间；第二保持电容Ch2，连接在运算放大器OA的第二输入端I2和运算放大器OA的第二输出端O2之间；第三组切换开关，包括连接在运算放大器OA的第一输入端I1和接地之间的第六切换开关S6和连接在运算放大器OA的第二输入端I2和接地之间的第七切换开关S7；第四组切换开关，包括连接在运算放大器OA的第一输入端I1和运算放大器OA的第一输出端O1之间的第八切换开关S8和连接在运算放大器OA的第二输入端I2和运算放大器OA的第二输出端O2之间的第九切换开关S9。

采样保持电路是开关电容混频电路中最常用的一个电路模块，其作用是将连续的电压值转换成离散的电压值以便于后续数字处理。采样保持电路的工作一般分为两个状态，即采样状态和保持状态，这两个状态间隔重复，即每采样一次就紧接着保持一次。有关采样保持电路的工作原理已为本领域技术人员所熟知的现有技术，故不在赘述。

在本发明中，提供的开关电容混频电路包括开关混频电路SM和与开关混频电路SM连接的采样保持电路SH，通过一定的时序控制，控制电路中的多个切换开关的相互配合，即可实现信号混频的功能。在开关混频电路SM输出正向的第一、第二输出信号时，采样保持电路SH中的运算放大器OA输出第一系数(例如为：+1)的第一、第二混频输出信号；在开关混频电路SM输出负向的第一、第二输出信号时，采样保持电路SH中的运算放大器OA输出第二系数(例如为：-1)的第一、第二混频输出信号；在开关混频电路SM截止时，采样保持电路SH中的运算放大器OA输出第三系数(例如为：0)的第一、第二混频输出信号。

具体地，采样时刻：开关混频电路SM中的各个切换开关S1、S2、S3、S4、S5状态根据混频器的序列而定(具体可以参考前述各个切换开关的配合用于产生三种状态的输出信号，即正向，负向，无输出的零值)，采样保持电路SH中的切换开关S6、S7、S8、S9全部闭合，此时输入信号被采样至第一、第二采样电容Cs1、Cs2上，同时第一、第二保持电容Ch1、Ch2清除掉上一个时刻保持的电压值。保持时刻：第五切换开关S5闭合，其他的切换开关S1、S2、S3、S4、S6、S7、S8、S9全部断开，此时信号从第一、第二采样电容Cs1、Cs2上传输到第一、第二保持电容Ch1、Ch2上，由第一、第二保持电容Ch1、Ch2保持所述信号的电压值输出不变。在这里，所述保持的信号的电压值输出可以有三类，即本发明的开关电容混频电路可以实现三个乘法系数：+1，-1，0。

需说明的是，在本发明中，开关电容混频电路仅实现了三个乘法系数，要拟合出正弦波信号或余弦波信号的话，可以通过多个的+1，-1，0，的序列来近似。如图5(a)所示，给出了一个简单的序列：0、+1、0、+1、+1、0、+1、0、0、-1、0、-1、-1、0、-1、0、...，这个序列与其对应频率正弦波的时序波形比较类似。从与图5(a)的波形对应的图5(b)的频谱中可以看出，这个序列中除了含有想要的频率f的谐波分量之外，还多了频率3f、5f、7f的奇次谐波分量，这些额外引入的谐波分量需要通过后置的数字滤波器去除。

由上所述，本发明提供的开关电容混频电路包括开关混频电路和与所述开关混频电路连接的采样保持电路，其中的开关混频电路仅包括相互配合的几个切换开关，电路结构简单，便于实现信号混频；另外，通过所述开关混频电路中的若干个切换开关与所述采样保持电路中的切换开关的配合，利用在所述保持电路中的电容实现信号的采样和保持，获得三种乘法系数，从而拟合出信号的时序波形，具有实现简单，所需控制时序较少的优点。

另外，本发明还提供了一种包括有上述开关电容混频电路的通信收发装置。

请参阅图6，其显示了本发明的开关电容混频电路应用于零中频通信收发装置的模块框图，与常用的零中频方案的主要区别在于开关电容混频电路，其他功能模块基本相同。在所述零中频方案中一般采用正交两路混频将接收的射频信号进行下变频到基带，然后再由模数转换器(ADC)转换成数字信号，再经过数字低通滤波器后得到最终的基带数据。继续参阅图6，是将图5(a)中的正弦序列推后1/4个周期(即4个点)，即可得到对应的正交余弦序列。这一组正弦余弦序列分别为本地产生的本振信号C(t)的实部(I路)和虚部(Q路)。输入的模拟信号X(t)经过两路混频后得到Y(t)，Y(t)再经过ADC量化并经过数字滤波器滤波后得到基带信号Z(t)。包括输入信号X(t)、本振信号C(t)、混频信号Y(t)和基带信号Z(t)在内的所述各个信号的频域特性可详见图7所示，其中，图7(a)为经过模拟带通滤波器后的信号X(t)双边带频谱X(f)，图7(b)为本地产生的本振信号C(t)的双边带频谱C(f)，图7(c)为混频后的信号Y(t)的双边带频谱Y(f)，图7(d)为经过数字低通滤波后的基带信号Z(t)的双边带频谱Z(f)。如图7所示，利用数字低通滤波器可以将混频信号Y(f)额外的频率分量给滤除掉。

如上所述，在上述采用开关电容混频电路的通信收发装置中，具有如下优点：(a)实现非常简单，仅用正接、反接、短接这三种状态序列来逼近理想的单频信号，几乎没有任何额外面积功耗等代价；(b)通过修改序列，可以灵活地修改本地正弦波频率。(c)开关电容混频操作非常可靠；(d)与传统的方波混频相比性能更优越；(e)与模数转换器之间的接口更简单，易于实现。

上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种开关电容混频电路，其特征在于，开关电容混频电路包括：开关混频电路和与所述开关混频电路连接的采样保持电路；

所述开关混频电路，用于实现信号混频，输出具有多种开关状态的模拟信号；

所述开关混频电路包括：

第一、第二信号输入端口，用于分别接收第一、第二输入信号；

第一组切换开关，响应于所述第一、第二输入信号，获得正向的第一、第二输出信号；所述第一组切换开关包括：连接在第一信号输入端口和第一信号输出端口之间的第一切换开关以及连接在第二信号输入端口和第二信号输出端口之间的第二切换开关；

第二组切换开关，响应于所述第一、第二输入信号，获得负向的第一、第二输出信号；所述第二组切换开关包括：连接在第一信号输入端口和第二信号输出端口之间的第三切换开关以及连接在第二信号输入端口和第一信号输出端口之间的第四切换开关；

截止切换开关，截止所述第一、第二输入信号；所述截止切换开关包括：连接在第一信号输出端口和第二信号输出端口之间的第五切换开关；

第一、第二信号输出端口，用于分别输出第一、第二输出信号；

当第一第二切换开关闭合，而第三、第四、第五切换开关断开时，第一、第二信号输出端口输出为正向的第一、第二输出信号；当第三、第四切换开关闭合，而第一、第二、第五切换开关断开时，第一、第二信号输出端口输出为负向的第一、第二输出信号；当第五切换开关闭合，而第一、第二、第三、第四切换开关断开时，第一、第二信号输出端口输出为零值的第一、第二输出信号；

所述采样保持电路，用于对所述开关混频电路输出的模拟信号进行定时采样，并在一个采样脉冲内将所述采样值进行保持，拟合出与多种开关状态分别对应的时序波形；

所述采样保持电路包括：

第三、第四信号输入端口，分别与所述开关混频电路中的第一、第二信号输出端口连接；

运算放大器，包括第一、第二输入端和第一、第二输出端；

第三、第四信号输出端口，分别与所述运算放大器的第一、第二输出端连接；

第一采样电容，连接在所述第三信号输入端口和所述运算放大器的第一输入端之间；

第二采样电容，连接在所述第四信号输入端口和所述运算放大器的第二输入端之间；

第一保持电容，连接在所述运算放大器的第一输入端和所述运算放大器的第一输出端之间；

第二保持电容，连接在所述运算放大器的第二输入端和所述运算放大器的第二输出端之间；

第三组切换开关，包括连接在所述运算放大器的第一输入端和接地之间的第六切换开关和连接在所述运算放大器的第二输入端和接地之间的第七切换开关；

第四组切换开关，包括连接在所述运算放大器的第一输入端和所述运算放大器的第一输出端之间的第八切换开关和连接在所述运算放大器的第二输入端和所述运算放大器的第二输出端之间的第九切换开关；

当第六、第七、第八、第九切换开关全部闭合时，输入信号被采样至第一、第二采样电容上，同时第一、第二保持电容清除掉上一个时刻保持的电压值；当第五切换开关闭合，其他的切换开关全部断开时，将第一、第二采样电容上的信号传输到第一、第二保持电容上，由第一、第二保持电容保持所述信号的电压值输出不变。

2.根据权利要求1所述的开关电容混频电路，其特征在于，在所述开关混频电路输出正向的第一、第二输出信号时，所述运算放大器输出第一系数的第一、第二混频输出信号；在所述开关混频电路输出负向的第一、第二输出信号时，所述运算放大器输出第二系数的第一、第二混频输出信号；在所述开关混频电路截止时，运算放大器输出第三系数的第一、第二混频输出信号。

3.根据权利要求2所述的开关电容混频电路，其特征在于，所述第一系数为+1，所述第二系数为-1，所述第三系数为0。

4.一种通信收发装置，包括模拟带通滤波器、模数转换器、数字低通滤波器，其特征在于，所述通信收发装置还包括位于所述模拟带通滤波器与所述模数转换器之间、如权利要求1至3中任一项所述的开关电容混频电路，所述模拟带通滤波器依次与所述开关电容混频电路、所述模拟转换器、以及所述数字低通滤波器连接。

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