CN103124183B - 低功率和噪声消除宽带接收器前端 - Google Patents

低功率和噪声消除宽带接收器前端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低功率和噪声消除宽带接收器前端。本发明的实施例提供一种用于无线通信的接收器。该接收器包括一组带通滤波器(BPF)、耦合到这些BPF的宽带放大器以及耦合到该宽带放大器的可调谐解调器。特定BPF配置成在特定频带对RF信号进行滤波。该宽带放大器配置成放大经滤波的RF信号。还可调谐解调器配置成解调经放大的RF信号。此外，本发明的实施例还提供了一种用于接收用于无线通信的RF信号的方法。

Description

低功率和噪声消除宽带接收器前端
相关申请
本申请要求2011年8月24日提交的美国临时申请No.61/527,004的权益，其发明人为Shih Hsiung Mo、Yan Cui、Chung-Hsing Chang以及An Hue Ta，发明名称为“Low-Powerand Noise-CancellingWideband Receiver Front-End”，代理人案号为AVC11-1002PSP。
技术领域
本公开大体上涉及无线通信系统的接收器前端。更具体而言，本公开涉及具有噪声消除能力的低功率宽带接收器前端。
背景技术
常规无线通信系统通常针对诸如GSM(全球移动通信系统)或宽带码分多址(W-CDMA)之类的特定标准设计，每个标准需要不同的载频。例如，GSM(全球移动系统)信号的载频从800MHz变化到1GHz，而W-CDMA信号的载频在2-3GHz之间变化。当前针对无线服务汇聚(其中用户可以从相同无线设备访问不同标准)的需求正驱动着能够在整个无线通信频谱(从300MHz到3.6GHz)中发射/接收无线信号的多标准和多带收发器的发展。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种用于无线通信的接收器。该接收器包括一组带通滤波器(BPF)、耦合到该BPF的宽带放大器以及耦合到该宽带放大器的可调谐解调器。特定BPF配置成在特定频带对RF信号进行滤波。宽带放大器配置成放大经滤波的RF信号。可调谐解调器配置成解调经放大的RF信号。
在本实施例的一个变型中，接收器包括位于BPF和宽带放大器之间的单刀多掷开关。该开关被配置成将BPF的输出切换到宽带放大器的输入。
在本实施例的一个变型中，宽带放大器和可调谐解调器位于相同的集成电路(IC)芯片上。
在本实施例的一个变型中，可调谐解调器是正交解调器。
在本实施例的一个变型中，RF信号的载频在300MHz至3.6GHz之间变化。
在本实施例的一个变型中，宽带放大器的输入电阻是50欧姆。
在本实施例的一个变型中，宽带放大器具有两个极点。
在本实施例的一个变型中，宽带放大器包括噪声消除级。
在另一实施例中，噪声消除级包括共射极放大器。
附图说明
图1给出说明常规无线前端的架构的视图(现有技术)。
图2给出说明根据本发明的一个实施例的无线前端的架构的视图。
图3A给出常规宽带放大器的示意图(现有技术)。
图3B给出说明针对常规宽带放大器的回程损耗的示例性频率响应的视图(现有技术)。
图3C给出根据本发明的一个实施例的宽带放大器的视图。
图3D给出说明根据本发明的一个实施例针对超宽带放大器的回程损耗的示例性频率响应的视图。
图4给出根据本发明的一个实施例的噪声消除宽带放大器的示意图。
具体实施方式
下面的描述用于使得本领域技术人员能够实现且使用本发明，且该描述是在特定应用及其需求的语境中提供。多公开实施例的各 种修改对于本领域技术人员将容易明白的，且在不偏离本发明的精神和范围的条件下，此处限定的一般原则可以应用于其他实施例和应用。因而，本发明不限于所示实施例，而是符合与此处公开的原则和特征具有一致性的最宽的范围。
概述
本发明的实施例提供针对不需要任意调谐的低功率、噪声消除接收器前端的解决方案。在一个实施例中，接收器芯片包括能够在宽频率范围放大RF(射频)信号的宽带低噪声放大器(LNA)。
宽带接收器前端
为了满足多标准和多带需求，或为了能够接收不同频带的RF信号，常规接收器依赖于使用多个解调器，每个解调器能够解调在特定频带的RF信号。图1给出说明常规无线接收器的架构的视图(现有技术)。接收器100包括：天线102；单掷多位置开关104；多个带通滤波器(BPF)，诸如BPF106；多个放大器，诸如LNA110；多个解调器，诸如解调器112；可调谐低通滤波器(LPF)114；模-数转换器(ADC)116；以及基带数字信号处理器(DSP)118。
在操作期间，取决于有效标准，且因而取决于期望RF信号的频带，单掷多位置开关104将接收的RF信号切换到其通带对应于期望RF信号的频带的相应BPF。所选择的BPF的输出被发送到相应窄带LNA以进行放大，且解调器(或混频器)随后将经放大的RF信号下变频成IF信号或基带信号。例如，如果接收器100被配置成在GSM模式工作，则开关104将接收的RF信号(可以包括约800MHz附近频带的GSM的信号以及在其他频率范围的RF信号)切换到具有对应于特定GSM带的通带的BPF106。BPF106的输出被发送到LNA110以进行放大，且随后解调器112向下变频经放大的信号。在一个实施例中，解调器112的本地振荡器(图1中未示出)被调谐到与用于GSM信号的RF载波相同的频率，因此，GSM信号被直接转换 成基带信号。可调谐LPF114然后在抑制和频的同时对滤波基带信号。在将模拟信号发送到基带数字信号处理器(DSP)118以进一步处理之前，ADC116将模拟信号转换到数字域。注意，如果解调器是正交解调器，则它们将产生同相(I)和正交(Q)信号，在被发送到DSP以进行单独的处理之前，这些信号中的每一个均分别被滤波且AD转换。为简单起见，图1中仅示出一个信道。
注意在图1中，LNA(诸如LNA110)、解调器(诸如解调器112)、可调谐LPF114和ADC116被集成到单个集成电路(IC)芯片108中。使用针对特定频带的专用LNA，可以针对每个频带优化接收器性能。然而，需要大量芯片区域来容纳多个LNA。另外，将需要大量输入线(两倍于LNA的数目)，这不仅增加了IC芯片的尺寸，而且还增加了支撑印刷电路板(PCB)的尺寸，且因而明显增加了器件的尺寸。例如，为了使得IC芯片108接收GSM信号(可以具有至少4个频带)、宽带码分多址(W-CDMA)信号(可以具有至少3个频带)和长期演进(LTE)信号(可以具有至少3个频带)，就需要10个LNA，这需要具有至少20个输入的接收器芯片。
为了减小接收器芯片的尺寸和支撑PCB的尺寸，希望使用单个LNA来提供在不同频带的RF信号的应用。图2给出说明根据本发明的一个实施例的无线前端的架构的视图。在图2中，接收器200包括天线202、开关芯片204、超宽带放大器214、可调谐解调器216、可调谐LPF218、ADC220和基带DSP222。
开关芯片204包括1×n开关206、多个BPF(诸如BPF210)以及n×1开关208。注意开关206和208与不同通带的BPF一起确保不同频带的RF信号经由单个输入馈入到宽带放大器214。因此，包括超宽带放大器214、可调谐解调器216、可调谐LPF218和ADC220的接收器IC芯片212的尺寸可以远小于图1中示出的接收器IC芯片108的尺寸。另外，因为仅需要一个放大器，接收器IC芯片212所消耗的总功率可以明显减小。在一个实施例中，可以使用标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造IC芯片212。
在操作期间，取决于当前哪个标准有效且因而取决于期望RF信号的频带，单刀多掷(SPMT)开关206将接收的RF信号切换到其通带对应于期望RF信号的频带的相应BPF。所有BPF的输出经由SPMT开关208耦合到超宽带放大器214。注意开关208的开关位置对应于开关206的开关位置，因而确保将正确的滤波器输出发送到超宽带放大器214进行放大。例如，如果接收器200配置成在GSM模式工作，则开关206和208确保接收的RF信号通过相应BPF滤波且经滤波的输出被发送到超宽带放大器214。解调器216随后将经放大的RF信号下变频成IF信号或基带信号。在一个实施例中，解调器216是正交解调器。在一个实施例中，解调器216的本地振荡器(图2中未示出)被调谐到与用于GSM信号的RF载波相同的频率，因此，GSM信号被直接转换成基带信号。可调谐LPF218抑制和频处的信号且向ADC116发送基带信号，在将模拟信号发送到基带DSP222以进行进一步处理之前，该ADC116将模拟信号转换到数字域。
为了实现多标准/多带应用，宽带放大器214需要具有足够宽的带宽以覆盖整个无线通信频谱(从300MHz直至3.6GHz)。这种宽带宽强加了很多设计挑战。例如，放大器的电阻需要在这种宽带上匹配天线的电阻(50欧姆)，且放大器的噪声系数(NF)也需要在整个带上足够低。
常规窄带放大器通常依赖于电感负反馈(inductive degeneration)来实现阻抗匹配和噪声减小。然而，电感负反馈解决方案不能用于宽带放大器。为了匹配天线的阻抗且减小宽频带上的噪声，常规宽带放大器可以设计为使得其输入阻挡是其跨导的倒数。图3A给出常规宽带放大器的示意图(现有技术)。在图3A中，放大器300包括晶体管302、电容器304、电感器306和电流源308。放大器300的输入阻抗是其跨导的倒数，即Rin＝1/gm。因此，可以通过设置gm＝1/50Ω＝20ms来实现宽带阻抗匹配。然而，由于寄生效应(诸如电感器306的寄生电容)，放大器300的带宽受到限制。例如，输入回程损耗(S11参数)曲线通常在共振频率(或极点位置)具有骤降。图3B给出说明针对常规宽带放大器的回程损耗的示例性频率响应的视图(现有技术)。
为了增加带宽，本发明的实施例实现两极点放大器。图3C给出根据本发明的一个实施例的超宽带放大器的示意图。类似于图3A中的放大器300，在图3C中，放大器320也包括晶体管322、DC阻断电容器324、接地扼流电感器326和电流源328。另外，放大器320包括一对并联电容器330和332以及串联电感器334。注意，这些添加的组件(在虚线框中示出)可以扩展放大器320的带宽，因为现在存在两个共振频率，每个频率对应于S11曲线中的骤降。图3D给出说明根据本发明的一个实施例针对超宽带放大器的回程损耗的示例性频率响应的视图。从图3D可以看出，两极点的存在(一个在f0且另一个在f1)明显增加了放大器320的带宽。在一个实施例中，在引入两个极点时，放大器320的带宽可以扩展约20％(对于S11<-10dB)。在另一实施例中，用于电容器324、330和332的电容分别是3.9pF、500fF和2.6pF；且电感器326和334的电感分别是7.8nH和5.2nH。这致使放大器320的中心频率是1GHz，具有10％的匹配。在一个实施例中，晶体管332可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
希望宽带放大器具有低NF。然而，放大器320具有固定信噪比(SNR)，因为其SNR正比于其跨导，由于阻抗匹配需求，该跨导具有约20ms的锁定值。为了进一步减小噪声，在一个实施例中，添加附加放大器级。在一个实施例中，添加共射极放大器级。
图4给出根据本发明的一个实施例的噪声消除宽带放大器的示意图。在图4中，噪声消除宽带放大器400包括第一放大器级402和第二放大器级404。第一放大器级402类似于图3C中示出的宽带放大器320，且在宽频率范围上提供到天线的50欧姆的阻抗匹配。第一放大器级402和第二放大器级404的输出反相。通过实现不同设计，其中Vout＝Vout+-Vout-，在噪声被消除的同时，信号保持差分。
图3C和图4中示出的电路仅用于说明目的且不应限制本公开的范围。一般地，本发明的实施例提供实现用于无线通信的低功率噪声消除接收器前端的解决方案。其他电路配置也是可行的。
本发明的实施例的上述描述仅用于说明和描述目的。其并非意图是排他性的或限制本公开。因此，很多修改和变型将对本领域技术人员而言是显而易见的。本发明的范围由所附权利要书求限定。

Claims (14)

1.一种用于无线通信的接收器，包括：
一组带通滤波器(BPF)，其中特定BPF被配置成在特定频带对RF信号进行滤波；
耦合到所有所述BPF的单个超宽带放大器，其中所述超宽带放大器配置成放大经滤波的RF信号，其中所述超宽带放大器包括宽带放大器和一对并联电容器以及串联电感器，所述一对并联电容器以及串联电感器耦合在所述宽带放大器的输入端处以扩展所述宽带放大器的带宽，其中所述超宽带放大器具有至少在300MHz至3.6GHz之间变化的带宽；以及
耦合到所述超宽带放大器的可调谐解调器，其中所述可调谐解调器被配置成解调经放大的RF信号。
2.根据权利要求1所述的接收器，还包括位于所述BPF和所述超宽带放大器之间的单刀多掷开关，其中所述开关配置成将BPF的输出切换到所述超宽带放大器的输入。
3.根据权利要求1所述的接收器，其中所述超宽带放大器和所述可调谐解调器位于相同的集成电路(IC)芯片上。
4.根据权利要求1所述的接收器，其中所述可调谐解调器是正交解调器。
5.根据权利要求1所述的接收器，其中所述超宽带放大器的输入电阻是50欧姆。
6.根据权利要求1所述的接收器，其中所述超宽带放大器具有两个极点。
7.根据权利要求1所述的接收器，其中所述超宽带放大器包括噪声消除级。
8.根据权利要求7所述的接收器，其中该噪声消除级包括共射极放大器。
9.一种用于接收用于无线通信的RF信号的方法，包括：
接收RF信号；
从一组带通滤波器(BPF)选择BPF以对在特定频带接收的RF信号进行滤波；
使用单个超宽带放大器放大所有经滤波的RF信号，而不考虑经滤波的RF信号的载频，其中所述超宽带放大器包括宽带放大器和一对并联电容器以及串联电感器，所述一对并联电容器以及串联电感器耦合在所述宽带放大器的输入端处以扩展所述宽带放大器的带宽，其中所述超宽带放大器具有至少在300MHz至3.6GHz之间变化的带宽；以及
解调经放大的RF信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述解调涉及正交解调。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述超宽带放大器的输入电阻是50欧姆。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述超宽带放大器具有两个极点。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述超宽带放大器包括噪声消除级。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述噪声消除级包括共射极放大器。
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