CN104320204A - 一种本振iq信号相位幅度校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种本振IQ信号相位幅度校准装置，属于射频集成电路技术领域。通过在本振输出端口加入幅度校准模块和相位校准模块来实现IQ两路信号的相位校准与幅度校准。本方法适用于各种无线收发信机、电子干扰机及现代微波测量仪器中矢量网络分析仪、微波扫频信号源等设备(器件)，尤其适用于卫星导航射频前端中本振信号的相位校准与幅度校准，可以方便地通过数字信号控制模拟电路中的参数，以数字与模拟相结合的方式实现校正校准工作。本发明中校准电路的性能优，校正范围宽，校正能力强，控制方便易行，工作方式灵活多样，具有良好的应用前景。

Description

一种本振IQ信号相位幅度校准装置
技术领域
本发明涉及一种相位幅度校准装置，特别涉及适用于射频前端的本振信号相位幅度校准的集成电路领域。
背景技术
近年来，由于直接下变频接收机可以实现单片集成，因此受到越来越多的关注，此外也由于正交变频技术可以有效地避免无线接收机中的镜像抑制问题以及无线发射机中的镜像带杂散问题，使得正交变频技术在各种无线收发机中得到越来越广泛的应用。正交变频技术采用射频信号与互为正交的IQ两路本振信号进行正交混频来实现变频操作。
本振源在现代电子设备中用途十分广泛，它是现代雷达发射机和接收机的核心部件，也是通信系统、导航系统收发信机的核心部件和许多有源电子设备的核心。而本振信号的相位误差和幅度失配直接影响接收机镜像抑制能力和解调性能，因此如何在正交变频之前获得性能匹配(包括相位匹配与幅度匹配)的正交本振信号，是无线收发机设计中亟待解决的一个重要问题。
传统本振信号的解决方法，大多着重于通过对本振源的改进来保证本振信号的正交匹配的性能，而产生本振信号后直接与射频信号混频实现变频。然而对本振源产生本振信号后的再调节或校准等相关方面的研究甚少。因此本发明中所述的作为获得匹配(包括相位匹配与幅度匹配)正交本振信号的装置，有很重要的价值以及应用前景。
发明内容
本发明提供一种本振IQ信号相位幅度校准装置，如图1所示，在本振源输出端口之后加入相位校准电路和幅度校准电路，本振源产生的本振信号先经过相位校准电路进行相位调整完成匹配校准后，再经过幅度校准电路对本振信号的IQ两路的幅度进行校准。
通过在本振输出端口之后加入相位校准电路与幅度校准电路，对本振IQ两路正交信号进行相位校准与幅度校准，从而获得性能匹配的(包括相位校准与幅度校准)正交本振信号。相位校准电路与幅度校准电路作为对本振信号的校准单元，能有效地保证IQ两路信号相位的正交性与信号幅度的一致性。本发明的上述目的通过以下技术方式来实现。
在本振源101输出端口之后串接入相位校准电路102和幅度校准电路103，本振源101产生的本振信号先经过相位校准电路102进行相位调整，再经过幅度校准电路103对IQ两路信号的幅度进行匹配校准；另外，本振源101产生的本振信号也可以先经过幅度校准电路103对IQ两路信号的幅度进行校准后，再经过相位校准电路102进行相位调整。
相位校准电路102由第一至第四相位校准支路组成；幅度校准电路103由第一至第二幅度校准支路组成；第一相位校准支路对本振信号中的Ip信号进行相位校准处理后输出至第一幅度校准支路，第一幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的Ip信号；第二相位校准支路对本振信号中的In信号进行相位校准处理后输出至第一幅度校准支路，第一幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的In信号；第三相位校准支路对本振信号中的Qp信号进行相位校准处理后输出至第二幅度校准支路，第二幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的Qp信号；第四相位校准支路对本振信号中的Qn信号进行相位校准处理后输出至第二幅度校准支路，第二幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的Qn信号。
第一相位校准支路包括多组并联的可编程PMOS缓冲器单元和多组并联的可编程NMOS缓冲器单元；可编程PMOS缓冲器单元由PMOS开关管和PMOS缓冲器组成，Ip信号接PMOS缓冲器的栅极，PMOS缓冲器的漏极接PMOS开关管的源极，PMOS缓冲器的源极接第一幅度校准支路；PMOS开关管的漏极接电源，PMOS开关管的栅极接控制信号；可编程NMOS缓冲器单元由NMOS开关管和NMOS缓冲器组成，Ip信号接NMOS缓冲器的栅极，NMOS缓冲器的源极接NMOS开关管的漏极，NMOS缓冲器的漏极接第一幅度校准支路；NMOS开关管的源极接地，NMOS开关管的栅极接控制信号。第一相位校准支路与第二至第四相位校准支路结构完全相同。
第一幅度校准支路包括多组并联的可编程NMOS镜像电流驱动器单元、镜像电流基准电路单元和差分放大器单元；第一相位校准支路的输出信号接差分放大器单元正端NMOS管的栅极，差分放大器单元正端NMOS管的漏极接校准后I路输出的一支信号，第二相位校准支路的输出信号接差分放大器单元负端NMOS管的栅极，差分放大器单元负端NMOS管的漏极接校准后I路输出的另一支信号，差分放大器单元正端NMOS管的源极接差分放大器单元负端NMOS管的源极；可编程NMOS镜像电流驱动器单元由NMOS开关管和NMOS镜像电流驱动器组成，NMOS开关管的漏极接差分放大器单元正端NMOS管的源极，NMOS开关管的栅极接控制信号，NMOS开关管的源极接NMOS镜像电流驱动器的漏极，NMOS镜像电流驱动器的源极接地，NMOS镜像电流驱动器的栅极接镜像电流基准电路参考NMOS管的栅极。第一幅度校准支路与第二幅度校准支路结构完全相同。
如图4所示，可编程PMOS缓冲器延迟阵列401由PMOS开关阵列和PMOS缓冲器阵列构成，可编程NMOS缓冲器延迟阵列402由NMOS开关阵列和NMOS缓冲器阵列构成。同一级的PMOS开关管PMSi和同一级的PMOS缓冲器PMi构成可编程的PMOS缓冲器单元，同一级的NMOS开关管NMSi和同一级的NMOS缓冲器NMi构成可编程的NMOS缓冲器单元；PMi和NMi相串联，进而构成一级由PMOS缓冲器和NMOS缓冲器构成的延迟单元。DNi和Di为延迟缓冲器开关的控制信号；当DNi为高电平时，Di为低电平；当DNi为低电平时，Di为高电平；i为大于1的自然数；延迟时间的大小与接入电路的延迟单元数量以及面积成比例关系，每一级延迟单元的面积不同，由本级引起的信号的延迟时间不同；IQ两路信号经过缓冲器后的延迟时间不同，其对应的相位也会不同；本发明通过调整控制信号DNi和Di的组合情况，进而控制延迟单元接入电路的情况，从而使输入信号的延迟时间得到调整，IQ两路信号之间的相位也发生相应的调整，保证IQ两路信号的相位满足正交匹配。
相位校准电路102输出的IQ两路信号输入幅度校准电路103，幅度校准电路103对IQ两路信号进行幅度校准。如图5所示，幅度校准电路由差分对管NM15和NM16、电流基准NMOS管NM17、电流镜开关管NMSi、电流镜输出驱动NMOS管NMRi等构成；i为大于1的自然数；控制信号Di控制电流镜开关管NMSi的打开和关闭；NMSi打开时，NMRi接入电流镜网络，使流入差分对管NM15和NM16的电流变大；进而使差分对管NM15和NM16的放大倍数改变，从而可以改变该路信号的幅度；幅度校准电路103由两路结构相同的幅度校准电路构成，分别控制I路信号和Q路信号。本发明通过调整可编程电流输出阵列501中控制信号Di的组合，进而控制差分对放大器的工作电流大小，从而调整输出IQ两路信号的增益，保证IQ两路信号的幅度匹配。
本发明中的相位校准电路102的电路中有6bit控制位，单路相位校准电路示意框图如图2所示。上位机通过通用串行总线SPI控制该控制位的值。在本发明的设计实例中，6个bit控制位分别是0.05°、0.1°、0.2°、0.4°、0.8°、1.6°的相位调节位；通过6个bit控制位的组合，单路相位校准电路的相位调节范围覆盖了0～3.15°，进而I路信号和Q路信号之间的相位调整范围为-3.15°～3.15°。幅度校准电路103主要采用控制差分对管放大器的工作电流大小来实现增益的调整，保证I路信号和Q路信号之间幅度的匹配。幅度校准电路103通过通用串行总线SPI的控制来调控内部的7bit控制位。单路幅度校准电路示意框图如图3所示。这7个bit控制位调节的增益分别为0dB、0.05dB、0.1dB、0.2dB、0.4dB、0.8dB、1.6dB；通过7个bit控制位的组合，单路幅度校准电路的增益调节范围是0dB～3.15dB，进而在I路信号和Q路信号之间的幅度调整范围为-3.15dB～3.15dB。
本发明所提供的一种本振IQ信号相位幅度校准装置，其优点在于：发明中对本振源的输出本振信号在相位与幅度两项指标上进行校准，保证最终输出的本振信号是满足要求的正交匹配的IQ信号，减少本振源IQ信号的正交不平衡对变频的直接影响，进而有效地避免无线接收机中的镜像抑制问题、解调性能问题以及无线发射机中的镜像带杂散问题。本发明适用于各种无线接发机、电子干扰机及现代微波测量仪器中矢量网络分析仪、微波扫频信号源等设备中本振信号的相位校准与幅度校准，性能优，校正范围宽，校正能力强，应用领域广阔，控制方便易行，工作方式灵活多样。
附图说明
图1本振IQ信号相位幅度校准装置的整体方案示意图；
图2第一相位校准支路功能示意框图；
图3第一幅度校准支路功能示意框图；
图4第一相位校准支路示意图；
图5第一幅度校准支路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术路线更加清楚明白，下面通过具体实施例并结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。
相位校准电路102连接本振源101的输出端，调整I路信号、Q路信号的相位，使输出的本振信号的相位正交匹配。相位校准电路102的输出端连接幅度校准电路103的输入端。
幅度校准电路103的输入端连接相位校准电路102的输出端，使两路本振信号通过幅度校准电路103获得幅度的平衡。幅度校准电路103的输出端连接到外部设备或直接输出。
当本振源101产生本振信号后，将产生的IQ两路信号送入相位校准电路102的输入端，在初始状态下，相位校准电路102与幅度校准电路103不对相位与幅度作调整。外接频谱检测设备检测输出的IQ两路信号，当两路信号的相位不满足正交的匹配条件时，通过通用串行总线SPI对相位调整电路102的寄存器写入合适的配置字对其进行配置，进而控制并联入校准电路的特定宽长比的PMOS与NMOS组合的延迟单元的数量，进而控制两路信号的延迟时间，从而实现相位的调整。如图4所示。
增加并联的MOS管个数能增加整个电路的等效跨导Gm，而等效电阻相位校准电路102的后级负载电路为幅度校准电路103，为电容型负载，可等效为电容C，又τ＝RC，因此有即增加并联的PMOS与NMOS组合的延迟单元的组数会导致信号在经过该相位校准电路后的相位的改变。根据实际的后级电路即可计算其等效电容C的大小，进而可确定相位改变量分别为0.05°、0.1°、0.2°、0.4°、0.8°、1.6°时所须选用的对应的延迟单元中MOS管的宽长比。实现电路示意框图如图2所示，具体实现电路结构如图4所示。
经过相位校准后的本振IQ信号，进入幅度校准电路103的输入端口，外接频谱检测设备检测信号的幅度特性。当同相信号I与正交信号Q的两路信号幅度不匹配时，通过通用串行总线SPI对幅度校准电路103的寄存器写入合适的控制字对其进行配置，控制接入电路中可编程的NMOS电流驱动单元的数量，进而控制差分放大器工作电流大小，实现放大增益的调整，即可实现幅度校准电路103对输入本振信号的幅度调整。
当MOS管的栅源电压VGS一定时，漏极电流ID正比于MOS管的宽长比(即几何栅宽Wd与理想栅长Ld的比值)，即如图5所示，当开关管NMSi打开时，NMOS驱动管NMRi接入电路单元，镜像电流IDNMi为流过NMRi的电流，IDNMi与电流源电流IDC的比值关系为对应的镜像电流IDNMi流入放大电路。此外，差动放大电路的P点处流过的总工作电流为ISS，当输入差动电压(Vip-Vin)为0时，对于该平方率器件，跨导令R1＝R2＝RD，则有增益当放大单元的MOS管NM15和NM16的宽长比确定后，增益|Av|决定于负载电流ISS。根据放大电路的放大倍数分别为0dB、0.05dB、0.1dB、0.2dB、0.4dB、0.8dB、1.6dB时所对应的不同的负载电流ISS的值，可以计算出某一特定放大倍数下须选用的NMOS镜像电流驱动阵列中某一级MOS管的宽长比。通过调整NMOS镜像电流驱动阵列中NMOS驱动管的接入情况，就可以实现IQ两路信号幅度的调整。具体实现电路如图5所示。
以上所述，仅为本发明的一种具体的实施方式。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种本振IQ信号相位幅度校准装置，其特征在于：在本振源(101)输出端口之后依次串接相位校准电路(102)和幅度校准电路(103)；所述的相位校准电路(102)由第一至第四相位校准支路组成；所述的幅度校准电路(103)由第一至第二幅度校准支路组成；第一相位校准支路对本振信号中的Ip信号进行相位校准处理后输出至第一幅度校准支路，第一幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的Ip信号；第二相位校准支路对本振信号中的In信号进行相位校准处理后输出至第一幅度校准支路，第一幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的In信号；第三相位校准支路对本振信号中的Qp信号进行相位校准处理后输出至第二幅度校准支路，第二幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的Qp信号；第四相位校准支路对本振信号中的Qn信号进行相位校准处理后输出至第二幅度校准支路，第二幅度校准支路对输入的信号进行幅度校准后对外输出校准后的Qn信号。
2.根据权利要求1所述的一种本振IQ信号相位幅度校准装置，其特征在于：所述的第一相位校准支路包括多组并联的可编程PMOS缓冲器单元和多组并联的可编程NMOS缓冲器单元；可编程PMOS缓冲器单元由PMOS开关管和PMOS缓冲器组成，Ip信号接PMOS缓冲器的栅极，PMOS缓冲器的漏极接PMOS开关管的源极，PMOS缓冲器的源极接第一幅度校准支路；PMOS开关管的漏极接电源，PMOS开关管的栅极接控制信号；可编程NMOS缓冲器单元由NMOS开关管和NMOS缓冲器组成，Ip信号接NMOS缓冲器的栅极，NMOS缓冲器的源极接NMOS开关管的漏极，NMOS缓冲器的漏极接第一幅度校准支路；NMOS开关管的源极接地，NMOS开关管的栅极接控制信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种本振IQ信号相位幅度校准装置，其特征在于：所述的第一相位校准支路与第二至第四相位校准支路结构完全相同。
4.根据权利要求1所述的一种本振IQ信号相位幅度校准装置，其特征在于：所述的第一幅度校准支路包括多组并联的可编程NMOS镜像电流驱动器单元、镜像电流基准电路单元和差分放大器单元；第一相位校准支路的输出信号接差分放大器单元正端NMOS管的栅极，差分放大器单元正端NMOS管的漏极接校准后I路输出的一支信号，第二相位校准支路的输出信号接差分放大器单元负端NMOS管的栅极，差分放大器单元负端NMOS管的漏极接校准后I路输出的另一支信号，差分放大器单元正端NMOS管的源极接差分放大器单元负端NMOS管的源极；可编程NMOS镜像电流驱动器单元由NMOS开关管和NMOS镜像电流驱动器组成，NMOS开关管的漏极接差分放大器单元正端NMOS管的源极，NMOS开关管的栅极接控制信号，NMOS开关管的源极接NMOS镜像电流驱动器的漏极，NMOS镜像电流驱动器的源极接地，NMOS镜像电流驱动器的栅极接镜像电流基准电路参考NMOS管的栅极。
5.根据权利要求1或4所述的一种本振IQ信号相位幅度校准装置，其特征在于：所述的第一幅度校准支路与第二幅度校准支路结构完全相同。
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