CN103580609B

CN103580609B - 二阶互调调制失真的校正装置、系统与校正方法

Info

Publication number: CN103580609B
Application number: CN201210277753.8A
Authority: CN
Inventors: 傅源豫
Original assignee: MStar Semiconductor Inc Taiwan
Current assignee: MStar Semiconductor Inc Taiwan
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2032-08-07
Also published as: CN103580609A

Abstract

本发明的提供一种二阶互调调制失真校正装置、具有二阶互调调制失真校正功能的射频收发系统与二阶互调调制失真校正方法。所揭示的二阶互调调制失真校正装置用于一射频收发器，包含一用以提供一射频发射信号的发送器以及一接收器(此接收器同时亦为被校正的对象)。该校正装置包含一校正器。该校正器利用该发送器原有的一逻辑电路产生频率互异的二调制信号以及二发射路径升频并合并该二调制信号为一射频发射信号，并将之导引至该接收器，据以调整一接收器的二阶非线性的行为，以及检测射频接收器因为二阶非线性所产生的二阶互调成分信号强度。在校正结束后，校正器提供一控制信号使得接收器产生的二阶互调成分信号强度达到最小。

Description

二阶互调调制失真的校正装置、系统与校正方法

技术领域

本发明大致相关于无线通信，尤其是针对无线通信中互调调制失真(intermodulation distortion，IMD)的校正方法与装置。

背景技术

在无线通信系统中，特别是射频前端电路，往往有着非线性的非理想性。当无线通信系统的输入端接收到外界的干扰，特别是同时间存在两种不同频率或以上的干扰信号。此二干扰信号受到系统本身非线性的作用后，产生了互调成分，如果此互调成分的频率和目标信号相近，将会干扰目标信号，造成解调制(demodulate)困难，同时降低了系统的灵敏度(Sensitivity)。举例来说，如果输入信号的频率为(f_RF+f₁)、(f_RF+f₂)、(f_RF+f₃)，其中f_RF为射频载波频率，二阶(second order)互调成分的频率为两两目标频率的和或差，所以可能是(f₁+f₂)、(f₁-f₂)、(f₁+f₃)、(f₁-f₃)等等，三阶互调成分的频率为三个目标频率的组合，所以可能是(f₁+f₂+f₃)、(f₁+f₂-f₃)等等。

一般而言，对于使用一中频(intermediate frequency)的超外差式(superheterodyne)架构的通信系统来说，三阶互调成分的影响比较明显。使用超外差式架构的接收器先把射频信号降频成中频信号，然后才降到基频信号。只要中频的频率位置被恰当的选择，搭配滤波器的使用，二阶互调成分通常不会造成伤害。

另一方面，对于没有使用中频信号的零中频(homodyne)(亦称为直接转换式(direct conversion))架构或是选择频率极低的低中频(Low IF)架构，此类架构受到二阶互调成分的影响比较大。在零中频架构，接收器把射频信号直接降频成基频信号；而发送器把基频信号直接升频成射频信号。零中频架构省去了中频以及相关的电路，在电路成本上比较有竞争力，因而广泛地被一些侧重成本考量的3C通信产品所采用。然而，因为调制过程中只有经历一次升降频，二阶互调成分较容易出现在目标信号频率附近。因此，就有需要对于二阶互调调制失真的进行校正，使所产生的二阶互调成分尽量减少，提高无线通信系统的信号敏感度。

图1显示了一种具有二阶互调调制失真校正功能的直接转换式接收器10。接收器10可以一集成电路实现。低噪声放大器(low noise amplifier，LNA)14放大天线12中所接收到的射频信号。本地振荡器20提供相位差90度的本地震荡信号，分别给予混频器16与18，对射频信号进行降频，以产生基频信号。接收器处理核心(receiver core)22则处理基频信号，譬如说解调制(demodulate)，以得到其中所带的资讯。

校正器26于接收器10制作完成封装后，进行最终测试(final test)时，执行二阶互调调制失真校正。测试机台提供两个不同频率(f_RF+f_t1)、(f_RF+f_t2)的已知射频测试信号至低噪声放大器14的RF输入端。混频器16与18会产生可预期的目标信号(其频率为f_t1与f_t2)以及可能的二阶互调成分(其频率为f_t1-f_t2与f_t1+f_t2)，如同图1所示。校正器26依据二阶互调成分的信号强度调整混频器16与18，以最小化二阶互调成分的信号强度。

二阶互调成分的主要产生原因之一是两个理想上完全匹配的差动信号接收路径，因为集成电路制程的变异或是电路布局(layout)上无法避免的差异等，所导致的不匹配(mismatching)。图2显示一个可配合二阶互调调制失真校正的混频器30。混频器30从两个差动输入端RF+与RF-接收射频信号，从另两个差动输入端LO+与LO-接收本地震荡信号，然后从两个差动输出端输出信号V_OUT。电阻R_P与R_N作为混频器30的输出负载。一校正器可以检测输出信号V_OUT中二阶互调成分的信号强度，来调整校正电阻R_CALI，微调改变电阻R_P与R_N所在的二差动信号路径的匹配。

然而，以上所述在最终测试所采用的校正方法，需要耗费相当的时间来达成所希望的校正结果，连带的产生相当可观的测试成本。对于产品竞争力有负面的影响。

发明内容

本发明的实施例提供一种二阶互调调制失真校正装置，用于一射频收发器。该射频收发器包含一发送器以及一接收器。该校正装置包含一校正器。该校正器利用该发送器原有的一逻辑电路产生频率互异的二调制信号以及二发射路径升频并合并该二调制信号为一射频发射信号，并将之导引至该接收器，据以调整接收器的二阶非线性的行为，以及检测射频接收器因为二阶非线性所产生的二阶互调成分信号强度。在校正结束后，校正器提供一控制信号使得接收器产生的二阶互调成分信号强度达到最小。

本发明的实施例提供一种具有二阶互调调制失真(second orderintermodulation distortion)校正功能的射频收发系统，包含一发送器、一接收器以及一校正器。该发送器包含一逻辑电路以及二发送路径。该逻辑电路用以提供二调制信号，当操作于一校正模式时，该二调制信号系频率互异；该二发送路径用以升频并合并该二调制信号为一射频发射信号。该接收器包含一接收路径以及一基频信号处理器。该接收路径，用以降频一射频接收信号为一基频接收信号，当操作于该校正模式时，以该射频发射信号作为该射频接收信号；该基频信号处理器，用以处理该基频接收信号。该校正器，用以于该校正模式时调整该接收路径以最小化该基频接收信号的一二阶互调成分信号强度。

本发明的实施例提供一种二阶互调调制失真(second order intermodulationdistortion)校正装置，用于一射频收发器。该射频收发器包含一发送器以及一接收器。该发送器包含一逻辑电路以及二发送路径。该逻辑电路用以提供二调制信号；该二发送路径用以升频并合并该二调制信号为一射频发射信号。该接收器包含一接收路径以及一基频信号处理器。该接收路径，用以降频一射频接收信号为一基频接收信号；该基频信号处理器，用以处理该基频接收信号。该校正装置包含一校正器，当操作于一校正模式时，该校正器控制该逻辑电路提供频率互异的该二调制信号，以该射频发射信号作为该射频接收信号被提供至该接收路径，并调整该接收路径以最小化该基频接收信号的一二阶互调成分信号强度。

本发明的实施例提供一种二阶互调调制失真(second order intermodulationdistortion)校正方法，用于一射频收发器。该射频收发器包含一发送器以及一接收器。该发送器包含一逻辑电路以及二发送路径。该校正方法包含利用该逻辑电路产生频率互异的二调制信号，利用该二发射路径升频并合并该二调制信号为一射频发射信号，导引该射频发射信号至该接收器，作为一射频接收信号，降频该射频接收信号以产生一基频接收信号，以及检测该基频接收信号的一二阶互调成分信号强度，据以调整该接收器。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1显示了一种可以校正的直接转换式接收器；

图2显示一个可以校正的混频器；

图3显示依据本发明的实施例的一校正系统；

图4A显示依据本发明的一实施例的校正方法；以及

图4B显示执行图4A的校正方法时，所采用的一些信号与相关元件。

主要元件符号说明

10 接收器

12 天线

14 低噪声放大器

16、18 混频器

20 本地振荡器

22 接收器处理核心

26 校正器

30 混频器

60 校正系统

62 收发器

64 校正器

72 发送器

74 频率合成器

76 接收器

78 数字逻辑电路

80 数字模拟转换器

82 低通滤波器

84 混频器

86 混频器

88 加法器

90 天线

94 低噪声放大器

96、98 混频器

100 功率放大器

102 数字信号处理电路

104 模拟信号处理电路

105 高通滤波器

106 耦合开关

108 模拟数字转换器

200 校正方法

207、208、210、212、214、216、步骤

218、220、222、224、226、228、230、

232

LO+、LO- 差动输入端

LO_I、LO_Q 本地震荡信号

R_CALI 校正电阻

RF+、RF- 差动输入端

R_P、R_N 电阻

S_INF 讯息

V_OUT 输出信号

具体实施方式

图3显示根据本发明一实施例的一校正系统60，其采用零中频架构。校正系统60包含直接转换式收发器62以及校正器64。直接转换式收发器62以及校正器64可以以一集成电路实现。直接转换式收发器62包含有发送器72以及接收器76。校正系统60可以在数个模式中切换，譬如说，校正系统60可以操作在一发送模式、一接收模式、或是一校正模式。

为了效率和成本考量，收发器62仅有一个频率合成器74，其提供同相/正交(in-phase/quadrature)的本地震荡信号LO_I与LO_Q，让发送器72与接收器76中的混频器所共享，分别提供升频与降频的功能。于另一实施例中，发送器72与接收器76分别具有一频率合成器。

当校正系统60操作于一发送模式时，讯息S_INFO以数字位元信号的形式，送至数字逻辑电路78。数字逻辑电路78可能具有复数功能，譬如多增加一些数字位元来提供通信信号的除错运算。当操作在一发送模式时，数字逻辑电路78至少具有依据所接收到的数字位元信号，来产生相互正交的调制信号(quadrature modulation signals)A(n)cos(θ(n))与A(n)cos(θ(n)+π/2)的功能。其中，A(n)与θ(n)是依据发送器72所要执行的调制形式(举例来说：移相键控(PSK)、移频键控(FSK)、移幅键控(ASK)等)来决定。两个信号相互正交指的是两个信号有π/2弧度(即90度相位)的差异。这两个调制信号享有一样的基频频率。两个调制信号其中之一送到一同相发送路径(in-phase transmit path)，而另一调制信号送到一正交发送路径(quadrature-phase transmit path)。从图3中可以看出，数字逻辑电路78确保送到两个路径上的数字信号有π/2弧度(或是90度相位)的差异。在每个发送路径上，数字模拟转换器(digital-to-analog convertor，DAC)80把数字逻辑电路78所送来，以数字位元形式表示的调制信号，转换成以模拟形式表示。DAC 80所产生的模拟调制信号，经过低通滤波器LPF 82滤波后，就准备用来和频率合成器74所提供的本地震荡信号(LO_I或LO_Q)，分别透过混频器(mixer)84以及混频器86混成，升频到射频，成为射频发射信号。加法器88合并混频器(mixer)84与86输出的射频发射信号，并提供给功率放大器100来增加其中的信号强度后，透过天线90发射。

当校正系统60操作于一接收模式时，低噪声放大器94可以放大天线90中所接收到的射频信号。本地震荡信号LO_I与LO_Q，分别送至予混频器96与98，对射频信号进行降频，产生基频信号。混频器96与98分别隶属于同相接收路径(in-phase receive path)与正交接收路径(quadrature-phase receive path)。基频信号处理器具有模拟信号处理电路104与数字信号处理电路102。针对每一个接收路径，模拟信号处理电路104具有一低通滤波器(Low-pass filter)105以及一模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)108，用以去除混频器96或98所输出的基频接收信号中的高频成分，并将其转换成以数字位元形式表示。数字信号处理电路102的其中一个功能，是依据接收器76所要执行的解调制形式(demodulation)，从数字位元形式的基频接收信号中得到其所携带的资讯。

耦合开关106耦接于加法器88的输出与低噪声放大器94的输出之间。当操作于接收模式或发送模式时，耦合开关106为断路状态，使得运作中的两端其中之一的射频信号无法到达另一端。换言之，接收模式或发送模式时，发送器72中的发送路径上的信号与接收路径上的信号并不会互相互通而干扰。但是，当操作于一校正模式时，耦合开关106为通路状态，可以导引加法器88的输出至接收器76的接收路径。在一实施例中，耦合开关106可以具有一电感、一电容以及一开关。该开关藉由控制该电感是否并联于该电容，控制耦合开关106对射频信号所呈现的一等效阻抗。另一实施例耦合开关106亦可为单由晶体管所组成的开关，藉由电压的控制来改变开关的等效阻抗。

校正器64控制了耦合开关106、混频器96与98、以及数字逻辑电路78。当通路的耦合开关106将射频测试信号分别导引至混频器96以及混频器98后，与操作于接收模式时相同，混频器96以及混频器98对射频测试信号提供了降频的功能。校正器64分别检测混频器96以及混频器98的输出的二阶互调成分的信号强度，据以调整混频器96以及混频器98的可调整参数，使二阶互调成分的信号强度最小化。

图4A显示依据本发明的一实施例的校正方法200，可用于校正系统60。图4B显示执行图4A的校正方法时，所采用的信号与相关元件。当然，接收器76其他的混频器也可以用一样的方法，在混频器96校正完毕的后依序校正。如果校正所耗费的时间想要更为缩短的话，校正器64可以同时校正混频器96与其他的混频器。

当操作于一校正模式时，混频器96的二阶互调调制失真校正从图4A的步骤207开始。校正器64在步骤208先开启耦合开关106，使其呈短路状态，所以加法器88的输出耦接到混频器96的一输入。在校正模式时，功率放大器100与低噪声放大器94可以选择性地关闭，用以节省功耗，且可以并避免从天线90来的信号干扰校正程序。在步骤210中，校正器64使数字逻辑电路78对两个发送路径分别提供两个不同频率的测试信号。譬如说测试信号的频率分别是f_t1与f_t2。两个发送路径中的数字模拟转换器80、低通滤波器82、混频器84、混频器86以及加法器88，如同它们在发送模式时所动作的，对二测试信号提供了数字至模拟的形式转换(步骤212)、低通滤波(步骤214)、升频(步骤216)、以及合并(步骤218)的功能。如同图4B所示，此时加法器88所产生的射频测试信号中就具有了四个测试成分，频率分别为f_t1+f_LO,flo-ft1与f_t2+f_LO,flo-ft2，f_LO为本地震荡信号LO_I与LO_Q的振荡频率。在另一实施例中，亦可透过滤波器等额外硬件架构滤除部分测试成分。短路的耦合开关106将射频测试信号导引至混频器96(步骤220)。此时，与接收模式时相同，混频器96对射频测试信号提供了降频的功能(步骤222)。在降频的同时，因为混频器96中可能的非线性特性，所以混频器96所输出的测试结果信号中，除了具有降频结果的二目标信号(其频率分别是f_t1与f_t2)之外，也同时具有二阶互调成分(其频率分别是(f_t1+f_t2)、(f_t1-f_t2))，如同图4B所示。校正器64检测混频器96的输出(步骤224)，据以调整混频器96(步骤226)。在一实施例中，混频器96具有以图2中的混频器架构，而校正器64检测二阶互调成分的信号强度，来调整混频器96中的校正电阻R_CALI的电阻值，或其他可调整的元件参数，例如混频器内的开关用晶体管的偏压点。当二阶互调成分的信号强度达到最小后，校正器64使混频器96中可调整的元件参数固定不再改变(步骤230)。譬如说，混频器96的校正结果可以纪录于类似栓锁器(latch)或熔线(trimfuse)所构成的纪录器中，而纪录器控制了混频器96中的元件参数。如此，步骤232完成了混频器96的二阶互调调制失真校正。之后，在接收模式时，混频器96就以此固定的元件参数来执行降频的功能，且混频器96所导致的二阶互调调制失真可以最小化。

在图3与图4B中，耦合开关106耦接于发送器72的加法器88与接收器的混频器96之间。但本发明并不限于此。在其他一实施例中，耦合开关106耦接于加法器88的输出与低噪声放大器94的输入之间；在另一实施例中，耦合开关106耦接于功率放大器100的输出与低噪声放大器94的输入之间。

有别于在最终测试阶段执行的先前技术，图4A与图4B中的校正方法可以随设计者喜好，选择在各样的产品阶段执行。在一实施例中，混频器96的二阶互调调制失真校正在集成电路的最终测试(final test)执行，而使用收发器62来传输信号的使用者并不会经历混频器96的校正动作。在另一实施例中，具有校正器64的一集成电路在最终测试(finaltest)时，并不会校正混频器96，但是收发器62每次使用者使用时的正常开机程序中，会执行一次混频器96的二阶互调调制失真校正，但本发明不限于开机时机作校正，而其他一实施例中，校正的时机可以为每次收信号前都做一次校正。因为所有的信号都在集成电路内部产生，所以依据本发明所实施的一校正方法，几乎不需要任何的外部装置，校正所需要的经历时间也可以相当地缩短。

从图4A、图4B以及相关的说明也可以得知，本发明的一实施例中的校正系统60广泛的采用接收模式与发送模式中原本就需要使用而存在的装置，所以，从电路制造成本角度来看，校正系统60几乎无须多花费电路成本。更进一步来说，校正器64、耦合开关106以及纪录器可被视为一校正装置，校正系统60则可被视为包含该校正装置以及收发器62。收发器62仅仅需要具有可调整信号频率的数字逻辑电路18，当其操作于发送模式时，提供通信系统所需的调制信号；当其操作于校正模式时，提供不同频率的两个测试信号。这样的数字逻辑电路18可以简单地修改一传统数字逻辑电路来达成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种具有二阶互调调制失真校正功能的射频收发系统，该射频收发系统包含有：

一发送器，包含有：

一逻辑电路，用以提供二调制信号，当操作于一校正模式时，该二调制信号系频率互异；以及

二发送路径，用以升频并合并该二调制信号为一射频发射信号；以及

一接收器，包含有：

一接收路径，用以降频一射频接收信号为一基频接收信号，当操作于该校正模式时，以该射频发射信号作为该射频接收信号；以及

一基频信号处理器，用以处理该基频接收信号；

一校正器，用以于该校正模式时调整该接收路径以最小化该基频接收信号的一二阶互调成分信号强度；以及

一耦合开关，其一端耦接于该发送器的加法器与功率放大器之间，另一端耦接于该接收器的低噪声放大器与混频器之间；在射频收发系统操作于校正模式时，该耦合开关为通路状态，以使该射频发射信号作为该射频接收信号而被提供至该接收器；

其中，该校正器控制该耦合开关在校正模式时使该耦合开关为通路状态。

2.如权利要求1所述的射频收发系统，其特征在于，当操作于一发送模式时，该耦合开关被控制而提供一断路，使该射频发射信号被隔绝于该接收器。

3.如权利要求1所述的射频收发系统，其特征在于，该校正器藉由控制该耦合开关对该射频信号的一等效阻抗而使该耦合开关提供通路或断路。

4.如权利要求1所述的射频收发系统，其持征在于，当操作于该校正模式时，该校正器调整该接收器的该混频器的一元件参数以最小化该基频接收信号的该二阶互调成分信号强度。

5.如权利要求4所述的射频收发系统，其特征在于，还包含一纪录器，用以记录被调整后的该元件参数；其中，当操作于一接收模式时，该混频器采用该被调整后的该元件参数。

6.一种二阶互调调制失真校正装置，用于一射频收发器，该射频收发器包含：

一发送器，包含有：

一逻辑电路，用以提供二调制信号；以及

一接收器，包含有：

一接收路径，用以降频一射频接收信号为一基频接收信号；以及

一基频信号处理器，用以处理该基频接收信号；

该校正装置包含：

一校正器，当操作于一校正模式时，该校正器控制该逻辑电路以提供频率互异的该二调制信号，以该射频发射信号作为该射频接收信号被提供至该接收路径，并调整该接收路径以最小化该基频接收信号的一二阶互调成分信号强度；以及

7.如权利要求6所述的校正装置，其特征在于，当操作于一发送模式时，该耦合开关被控制而提供一断路，使该射频发射信号被隔绝于该接收器。

8.如权利要求6所述的校正装置，其特征在于，该校正器藉由控制该耦合开关对该射频信号的一等效阻抗而使该耦合开关提供通路或断路。

9.如权利要求6所述的校正装置，其特征在于，当操作于该校正模式时，该校正器调整该接收器的该混频器的一元件参数以最小化该基频接收信号的该二阶互调成分信号强度。

10.如权利要求9所述的校正装置，其特征在于，还包含一纪录器，用以记录被调整后的该元件参数；其中，当操作于一接收模式时，该混频器采用该被调整后的该元件参数。

11.一种二阶互调调制失真校正方法，用于一射频收发器，该射频收发器包含一发送器以及一接收器，该发送器包含一逻辑电路以及二发送路径，

该校正方法包含有：

利用该逻辑电路产生频率互异的二调制信号；

利用该二发送路径升频并合并该二调制信号为一射频发射信号；

通过一耦合开关自该发送器的加法器与功率放大器之间导引该射频发射信号至该接收器的低噪声放大器与混频器之间，作为一射频接收信号；

降频该射频接收信号以产生一基频接收信号；以及

检测该基频接收信号的一二阶互调成分信号强度，据以调整该接收器。

12.如权利要求11所述的校正方法，其特征在于，该调整步骤依据该基频信号的该二阶互调成分信号强度调整该接收器的该混频器的一元件参数。

13.如权利要求12所述的校正方法其特征在于，还包含：

记录该元件参数，于该接收器透过一天线接收该射频接收信号时，使该混频器采用该元件参数。

14.如权利要求11所述的校正方法，其特征在于，当该射频发射信号用以作为该射频接收信号时，该耦合开关被控制而提供一通路；当该射频发射信号用以透过一天线发射时，该耦合开关被控制而提供一断路，使该射频发射信号被隔绝于该接收器。