CN103546187B - 一种基于同相i和正交q支路电流复用的射频收发机 - Google Patents

Abstract

一种基于同相I和正交Q支路电流复用的射频收发机，在射频收发机的接收链路及发射链路中，均设有I和Q两条支路，在接收链路中的I和Q两条支路上，均设有下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器；在发射链路中的I和Q两条支路上，均设有低通滤波器和上变频混频器。其特征在于：在发射和接收链路中，将各自的I和Q两条支路上相同功能的电路在电源与地之间层叠来复用偏置电流，以大幅降低系统的功耗，I和Q两条支路上的所有电路均采用全差分电路结构。

Description

一种基于同相I和正交Q支路电流复用的射频收发机

技术领域

本发明涉及低功耗射频无线通信系统，尤其涉及一种基于同相和正交(I和Q)支路电流复用的射频收发机，可以应用于无线局域网（WLAN）、无线传感网（WSN）、全球定位系统（GPS）、射频识别系统（RFID）、蓝牙系统（Bluetooth）、移动数字电视（CMMB，TMMB）等射频收发芯片中。

背景技术

近年来，低功耗成为无线通信系统发展的重要趋势之一，而低功耗射频收发机的设计是实现低功耗无线通信系统的关键所在。从国内外对低功耗射频收发机的研究发展状况来看，实现低功耗射频收发机需要在收发机的系统架构和电路模块这两个层次上进行研究与创新。因此，设计一种低功耗的射频收发机架构具有较为广泛的应用前景和应用价值。

电流复用是低功耗射频收发机设计过程中常用的一种技术手段，最主要原因是业界对于电流复用技术已有广泛的研究与报道，各研究机构的流片结果也证明了电流复用技术在降低电路功耗方面的有效性与可行性。但是在传统的低功耗射频收发架构中，电流复用技术往往被运用于不同功能的模块之间。例如低噪声放大器、混频器和压控振荡器复用偏置电流的LMV架构，低噪声放大器与混频器复用偏置电流的Blixer架构等等。这些传统的低功耗射频收发机架构具有以下缺点：

第一是电路复杂，设计难度大。传统的低功耗射频收发机主要是在不同功能的模块之间实现电流复用，不同功能模块的电路结构差异会很大，所需要的偏置电流也不同。因此，在不同功能模块之间实现偏置电流的复用往往需要设计额外的偏置电路，这就增加了电路的复杂性。此外，在不同功能模块之间运用电流复用技术时往往需要对原有的模块电路进行较大的改动，甚至重新设计，这增大了电路的设计难度。

第二是模块之间隔离度差，信号干扰问题严重。由于不同功能的模块复用了同一偏置电流，模块之间存在信号的馈通问题。尤其是压控振荡器、功率放大器等工作在大信号状态下的模块，其偏置电流中除了直流分量外，还存在大量的信号分量。这样的偏置电流势必会干扰其他模块的正常工作。

第三是需要片外元件，不利于单片集成。为了降低各模块间的相互干扰，在模块之间需要并联交流旁路电容对偏置电流进行滤波。对于低频交流信号，所需要的电容会很大，不利于片上集成。而对于高频信号，由于电容具有自谐振频率的特点，一般需要多个不同参数的电容来对不同频段的信号进行滤波，同样不利于单片集成。而一旦采用片外元件势必会带来芯片引脚增多，应用成本上升等问题。

发明内容

本发明的目的是为克服传统的采用电流复用技术的低功耗射频收发机的不足，提出了一种基于同相和正交(I和Q)支路电流复用的射频收发机，可以大幅降低射频收发机的功耗，同时具有电路结构简单、模块之间隔离度好、适合单片集成等优点。

本发明采取的技术方案如下：一种基于同相I和正交Q支路电流复用的射频收发机，在射频收发机的接收链路及发射链路中，均设有I和Q两条支路，在接收链路中的I和Q两条支路上，均设有下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器；在发射链路中的I和Q两条支路上，均设有低通滤波器和上变频混频器；在接收链路中，低噪声放大器对从天线接收到的射频信号进行放大，I和Q两条支路的下变频混频器将低噪声放大器输出的射频信号下变频到中频频段，带通滤波器对下变频混频器输出的中频信号进行信道滤波，最后可编程增益放大器对带通滤波器输出的I、Q中频信号进一步放大以满足基带要求；在发射链路中，I和Q两条支路的低通滤波器对基带输出的信号进行滤波，滤除高频信号，上变频混频将低通滤波器输出的基带信号直接上变频到射频频段，最后功率放大器对上变频混频器输出的I、Q射频信号进行功率放大并通过天线发射出去；

其特征在于：在发射和接收链路中，将I和Q两条支路上相同功能的电路模块在电源与地之间层叠来复用偏置电流，以大幅降低系统的功耗，I和Q两条支路上的所有电路模块均采用全差分电路结构，其中：

在接收链路中，将I支路中的下变频混频器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的下变频混频器的电源端接在一起，Q支路中的下变频混频器的接地端和系统的地接在一起，I支路中的带通滤波器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的带通滤波器的电源端接在一起，Q支路中的带通滤波器的接地端和系统的地接在一起，I支路中的可编程增益放大器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的可编程增益放大器的电源端接在一起，Q支路中的可编程增益放大器的接地端和系统的地接在一起；在发射链路中，将I支路中的低通滤波器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的低通滤波器的电源端接在一起，Q支路中的低通滤波器的接地端和系统的地接在一起，I支路中的上变频混频器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的上变频混频器的电源端接在一起，Q支路中的上变频混频器的接地端和系统的地接在一起。

本发明的优点及显著效果：

（1）结构简单，降低了设计难度。本发明中提出的低功耗射频收发机架构是在I支路和Q支路上相同功能的模块之间进行电流复用。将I支路上电路模块的电源端和系统的电源端连接，地端和Q支路上与其功能相同的电路模块的电源端直接连接。Q支路上的电路模块的地端和系统的地连接。两个功能相同的电路模块所需要的偏置电流完全相等，不需要设计额外的偏置电路，简化了射频收发机的电路结构，也降低了设计难度。

（2）模块之间隔离度好，适合单片集成。若在各复用模块（下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器、低通滤波器和上变频混频器）内部采用全差分电路结构，这样在I支路上模块的接地端也就是Q支路上模块的电源端会形成“交流地”。虽然没有通过物理方式将电路中的“交流地”连接到系统的地端，但是由于各电路模块采用的是全差分结构，流过该点的交流电流相互抵消为“0”，因此可以认为该点对于交流信号就是一个理想的地。“交流地”的存在使得电路中一般不需要在该节点设计额外的电容来实现接地功能，这样的射频收发机架构更加适合单片集成，同时各模块内部全差分的电路结构可以在最大程度上缓解模块之间的共模干扰，这也保证各模块电路的性能和系统的可靠性。

（3）更低的功耗。与传统的低功耗射频收发机仅在少部分模块之间采用电流复用技术相比，本发明可以在I支路和Q支路上的下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器、低通滤波器和上变频混频器模块之间实现偏置电流的复用，大幅降低了射频收发机的系统功耗。

附图说明

图1是射频收发机中各个电路模块之间的信号连接示意图；

图2是本发明射频收发机架构中同相（I）和正交（Q）支路上各模块电流复用的连接示意图。

具体实施方式

如图1，在射频收发机的接收链路及发射链路中，均设有I和Q两条支路，在接收链路中的I和Q两条支路上，均设有下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器；在发射链路中的I和Q两条支路上，均设有低通滤波器和上变频混频器。

在接收链路中，低噪声放大器对从天线接收到的射频信号进行放大，下变频混频器将低噪声放大器输出的射频信号下变频到中频频段；带通滤波器对下变频混频器输出的中频信号进行信道滤波；最后可编程增益放大器对带通滤波器输出的中频信号进一步放大以满足基带要求。在发射链路中，低通滤波器对基带输出的信号进行滤波，滤除高频信号；上变频混频将低通滤波器输出的基带信号直接上变频到射频频段，最后功率放大器对上变频混频器输出的射频信号进行功率放大并通过天线发射出去。

图2给出了I和Q两条支路上各个模块的电源端和接地端的连接方式。在传统的射频收发机架构中，I和Q支路中各个模块的电源端和系统的电源接在一起，各个模块的接地端和系统的地接在一起。在本发明中：I支路中的下变频混频器的电源端和系统的电源接在一起，接地端与Q支路中的下变频混频器的电源端接在一起，Q支路中的下变频混频器的接地端和系统的地接在一起；I支路中的带通滤波器的电源端和系统的电源接在一起，接地端与Q支路中的带通滤波器的电源端接在一起，Q支路中的带通滤波器的接地端和系统的地接在一起；I支路中的可编程增益放大器的电源端和系统的电源接在一起，接地端与Q支路中的可编程增益放大器的电源端接在一起，Q支路中的可编程增益放大器的接地端和系统的地接在一起；I支路中的低通滤波器的电源端和系统的电源接在一起，接地端与Q支路中的低通滤波器的电源端接在一起，Q支路中的低通滤波器的接地端和系统的地接在一起；I支路中的上变频混频器的电源端和系统的电源接在一起，接地端与Q支路中的上变频混频器的电源端接在一起，Q支路中的上变频混频器的接地端和系统的地接在一起。只要各个模块采用的是全差分的电路结构，这种连接方式就会在I支路中各个模块的接地端也就是Q支路中各个模块的电源端形成“交流地”。由于“交流地”对于交流信号可以看成是一个理想的地，因此从电路功能上看，本发明中电源端和接地端的连接方式和传统的连接方式都能使电路正常工作。本发明中I和Q两条支路上相同功能的电路模块在系统的电源和地之间层叠来复用偏置电流，从而达到了大幅降低系统功耗的目的。

Claims (1)

1.一种基于同相I和正交Q支路电流复用的射频收发机，在射频收发机的接收链路及发射链路中，均设有I和Q两条支路，在接收链路中的I和Q两条支路上，均设有下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器；在发射链路中的I和Q两条支路上，均设有低通滤波器和上变频混频器；在接收链路中，低噪声放大器对从天线接收到的射频信号进行放大，I和Q两条支路的下变频混频器将低噪声放大器输出的射频信号下变频到中频频段，带通滤波器对下变频混频器输出的中频信号进行信道滤波，最后可编程增益放大器对带通滤波器输出的I、Q中频信号进一步放大以满足基带要求；在发射链路中，I和Q两条支路的低通滤波器对基带输出的信号进行滤波，滤除高频信号，上变频混频将低通滤波器输出的基带信号直接上变频到射频频段，最后功率放大器对上变频混频器输出的I、Q射频信号进行功率放大并通过天线发射出去；

其特征在于：在发射和接收链路中，将I和Q两条支路上相同功能的电路模块在电源与地之间层叠来复用偏置电流，以大幅降低系统的功耗，I和Q两条支路上的下变频混频器、带通滤波器、可编程增益放大器、上变频混频器和低通滤波器电路模块采用全差分电路结构，其中：

在接收链路中，将I支路中的下变频混频器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的下变频混频器的电源端接在一起，Q支路中的下变频混频器的接地端和系统的地接在一起，I支路中的带通滤波器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的带通滤波器的电源端接在一起，Q支路中的带通滤波器的接地端和系统的地接在一起，I支路中的可编程增益放大器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的可编程增益放大器的电源端接在一起，Q支路中的可编程增益放大器的接地端和系统的地接在一起；在发射链路中，将I支路中的低通滤波器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的低通滤波器的电源端接在一起，Q支路中的低通滤波器的接地端和系统的地接在一起，I支路中的上变频混频器的电源端和系统的电源接在一起、接地端与Q支路中的上变频混频器的电源端接在一起，Q支路中的上变频混频器的接地端和系统的地接在一起。