CN104779964B

CN104779964B - Rf接收机及rf接收方法

Info

Publication number: CN104779964B
Application number: CN201410784871.7A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·鲁滕; 吕西安·约翰内斯·布伦默斯; 扬·范信德瑞
Original assignee: NXP BV
Current assignee: NXP BV
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: EP2894823A1; US9431962B2; CN104779964A; US20150200628A1; EP2894823B1

Abstract

一种RF接收机系统和方法是用IF正交混合，其中具有在数字域的进一步混合和通道滤波，以隔离所需要的频率。系数估计单元用于从过滤的同相和正交所需要的信号和从过滤的同相和正交镜像信号产生相位校正系数和振幅校正系数。

Description

RF接收机及RF接收方法

技术领域

本申请涉及对数字IQ校准的系数估计。

背景技术

接收机系统经常使用所谓的IQ系统接收较高频率的RF信号，在IQ系统中RF信号与正弦波和余弦波混合(所谓正交混合)，产生I(同相)和Q(正交相位)信号。

当在数字处理时，这种所谓的中频(IF)信号通过放大器，滤波器和ADC(模数转换器)进行进一步处理。

图1示出了这种接收机系统可能的实施方式。

接收机具有模拟前端10和数字校正部分12。在模拟部分中，使用混频器12将输入RF信号与中频载波混合产生I和Q分量。这些通过滤波器16过滤，然后被放大和通过模数转换器18转化为数字信号。模数转换器的输出可以包含超过一个的所需通道。这些通道通常位于由转换器转换的信号频带中的不同的频率。进一步的数字处理包括选择所需的通道和抑制不需要的通道。

混频器，IF滤波器，放大器和转换器都是模拟元件，它们可以产生在I和Q路径之间的振幅和相位误差。

对于I分支的振幅传递函数应该与对于Q分支的振幅传递函数相同，以及两个分支之间的相位应该是90度用于最佳镜像抑制(IR)。如果不是这样，它会导致限制的IR性能，特别是会产生所需信号与所谓的镜像频带混合的结果。

已经提出通过应用如图1所示的数字校正算法的方法来改善IR。这些方法集中在校准与频率无关的误差，其中振幅误差和相位误差被假设是与频率无关的。

图1所示的补偿系统12在I路径中提供可变增益以提供相对增益调整，同时将Q路径的可变部分的增加提供给I路径以提供相位调整。

只包含相位失配的模数转换器的输出可以用信号的采样版本表示：

其中A等于调制的阻断信号，w是混合频率，t是时间和是相位失配。阻断信号是位于所需信号空间的负频率空间的信号。当IQ失配出现时，这会引起在所需频带的信号内容。公式可以表示如下：

和被假设为常数或变化非常慢，因为它们代表接收机的相位失配。几乎等于cos(wt)，因为φ被假设为是小的。在任何情况下，偏离将被振幅校正所补偿。

是误差并且它可以用系数值减去Q路径的按比例的部分(A*sin(wt))来校正。

因此，振幅是通过控制可变放大器20的系数Amp coef来校正的，以及相位是通过控制可变放大器22的系数相位coef(phase coef)来校正的。加法器23增加(如果放大是负的时或减去)放大的Q通道进入I通道。由系数估计单元24获得系数。当系数被设置到正确的值时，所产生的信号I’和Q’具有改善的IR性能。这些信号被系数估计单元使用，从而实现反馈控制环。

图2示出了可能的系数估计单元24的实施。

通过对I’和Q’样本之间的相关求积分来确定相位系数(乘法器26用于执行相关，放大器28，积分器30)。

通过对I’和Q’的绝对样本值之间的差求积分来确定振幅差(幅值单元31，加法器32，放大器34，积分器36)。

相位系数和振幅差的输出通过下面的公式近似。对于这些计算，在公式中应用对称的相位和振幅差，以简化公式。

使中频模数转换器输出如下：

公式1

其中Δ等于I和Q分支之间的振幅差，是相位差。A是调制的阻断信号，w是调制频率。

阻断信号位于频率w，和在频率-w具有不需要的镜像。

对于图2的系数估计单元，通过减去用于振幅估计的I和Q分支的绝对值来获得系数，和I和Q分支相乘来获得相位信息。积分器36和30抑制任何高频内容。

对于振幅估计，减小的绝对值(D)等于：

正弦或余弦函数的绝对值的平均值等于2/π。用于振幅估计的平均值Davg可以被表示为：

Davg＝|A|*Δ*2/π

这是用于确定Amp coef的振幅失配的方法。

对于相位估计，I和Q相乘导致信号P：

这可以表示如下：

补偿方法通常补偿小的振幅和相位偏移。同样地，假设≈1和可以简化结果。为了计算平均相位检测值(Pavg)，sin(2wt)接近0。Pavg可以通过以下公式估计：

这是用于确定相位失配的方法，用于确定相位coef的值。Pavg的增益不怎么依赖于振幅失配Δ，但是这种失配Δ被假定为远小于1，因此不会对相位指示器的强度影响很大。

在估计路径中的增益决定在校准系统中的系数跟踪的速度和准确度。只要系数和信号频率的函数相同，对于整个信号频带，IR性能是相等的。

当在不同的信号频率处最佳的振幅和相位系数是不同时，镜像抑制(IR)对一个频率是好的和对剩余的信号频带是差的。这对于宽带系统是一个问题，在宽带系统中多个频率位置被信号内容所占用。系数可能对于一个频率被优化，而对另一个频率是感兴趣的。

图3示出了一个例子，其中在模数转换器的输出处的信号频带中出现与频率相关的误差。频率轴是按比例的从而+0.5等于Fs/2和-0.5等于-Fs/2，其中Fs等于转换器的采样率。在标准化的频率0.1和0.3出现强阻断，导致在频率-0.1和-0.3的镜像。通过图2的算法得出的系数对于频率-0.1是最佳的。

例如，应用图1的宽带优化。相位和振幅公式表示阻断信号A影响指示信号的增益。系数估计单元的输出主要由信号频带中最强的信号所决定。对于这个例子，最强的信号位于0.1和它的镜像在-0.1。系数对于+/-0.1是最佳的，这表示在这个例子中系数对于+/-0.3不是理想的。

曲线示出了未补偿的频谱。区域40示出了补偿功能如何改变频谱。如图所示，位于-0.3和-0.1处的峰值被减小。在-0.1处的减小更大因为系数是最佳的。

如果在频率-0.3处的小信号是需要的(未在图中示出)，则系数不是最佳的。这导致差的IR，在这个例子中为43dB。

如果只需要频谱的一小部分用于进一步处理(例如-0.3附近的频谱)，在ADC之后可以是数字混频器和(抽样)滤波器。混频器混合所需要的频带到零-IF以及抽样滤波器隔离所需要的信号和去除剩余部分。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据一个实施例，提供一种RF接收机，包括：

正交混频器，正交混频器接收RF输入信号和输出同相和正交通道；

用于同相和正交通道的模数转换器；

振幅补偿器，基于振幅校正系数校准一个或两个通道的振幅以校正振幅失配；

相位补偿器，基于相位校正系数校准两个通道的相对相位以校正相位失配；

第一混频器，通过与第一频率混合从振幅校准的和相位校准的通道产生同相和正交所需要的信号，以及在第一混频器的输出处的第一数字通道滤波器产生过滤的同相所需要的信号和过滤的正交所需要的信号；

第二混频器，通过与第二频率混合从振幅校准的和相位校准的通道产生同相和正交镜像信号，以及在第二混频器的输出处的第二数字通道滤波器产生过滤的同相镜像信号和过滤的正交镜像信号；

系数估计单元，用于从过滤的同相和正交所需要的信号和从过滤的同相和正交镜像信号产生相位校正系数和振幅校正系数。

这种接收机使用数字通道过滤的输出以优化在模拟正交混合中的缺陷的数字校正。第一和第二混合频率用于将所想要的通道移动到基带和将所需要的通道的镜像移动到基带。这样，低通滤波器足以从不想要的通道隔离想要的通道。

在一个实施例中，系数估计单元包括：

第三混频器，用于将过滤的同相和正交所需要的信号与第三频率混合以产生偏移的同相和正交所需要的信号；

第四混频器，用于将过滤的同相和正交镜像信号与第四频率混合以产生偏移的同相和正交镜像信号，第四频率是第一频率的负值；和

加法器，用于结合偏移的同相和正交信号以产生结合的同相信号和结合的正交信号。

相加的信号在零频率相对的两边具有清洁的所需要的和镜像IQ信号。第四频率可以是模数转换器采样频率除以4。这提供了特别简单的混合功能的实现，以重建可以被用于获得所需要的校正系数的信号。

系数估计单元还可以包括振幅系数电路，用于获得结合的同相信号和结合的正交信号之间的振幅差。该振幅系数电路可以例如包括积分器，用于对结合的同相信号的样本和结合的正交信号的样本之间的差求积分。

系数估计单元还可以包括相位系数电路，用于获得结合的同相信号和结合的正交信号之间的相位差。这种相位系数电路可以包括积分器，用于对结合的同相信号的样本和结合的正交信号的样本之间的相关求积分。

在一种布置中，振幅补偿器可以包括与一个通道串联的可变增益放大器，可变增益放大器由振幅校正系数控制。这将放大引入到I和Q通道中的一个。相位补偿器可以包含可变增益放大器和加法器，用于将一个通道的放大的(或减少的)分量添加到另一个通道，相位补偿器的可变增益放大器由相位校正系数控制。

第一和第二数字通道滤波器具有输出，所述输出至少通过因子2重复取样。

实施例还提供RF接收方法，包括：

正交混合RF输入信号以产生同相和正交通道；

将同相和正交通道转换为数字的；

基于振幅校正系数校准一个或两个通道的振幅以校正振幅失配；

基于相位校正系数校准两个通道的相对相位以校正相位失配；

通过与第一频率混合将振幅和相位校准的通道混合和通道过滤，以产生同相和正交所需要的信号；

通过与第二频率混合将振幅和相位校准的通道混合和通道过滤，以产生同相和正交镜像信号；和

从过滤的同相和正交所需要的信号和从过滤的同相和正交镜像信号产生相位校正系数和振幅校正系数。

附图说明

根据以下附图详细描述本发明实施例，其中：

图1示出了已知的RF接收机；

图2示出了在这个电路中使用的系数估计单元的一个例子；

图3示出了在补偿前和补充后用于抑制的方法的信号频谱；

图4示出了RF接收机的实施例；

图5更具体地示出了系数估计单元；和

图6示出了补偿前和补偿后的信号频谱。

具体实施方式

实施例涉及使用IF正交混合的RF接收系统，其中在数字域具有进一步的混合和通道过滤，以隔离所需要的频率。系数估计单元用于从过滤的同相和正交所需信号和从过滤的同相和正交镜像信号产生相位校正系数和振幅校正系数。

图4示出了根据一个实施例的对图1的数字校正部分的修改以形成数字部分42。数字混频器50进一步处理I’通道和数字混频器51进一步处理Q’通道。混频器52将I’和Q’信号与所需频率混合，混频器50将I’和Q’信号与那些频率的负值混合。这样，获得所需要的IQ信号和镜像IQ信号。

模数转换器可以通过示例的方式接收多通道，所需要的通道可能位于标准化的频率-0.3处。位于例如标准化频率0.1处的信号内容可能是另一个通道，这可能是接收机在这个时刻所不想要的。

为了移动所需要的通道到基带，执行+0.3的频率移动。为了移动所镜像通道到基带，执行-0.3的频率移动。

抽样滤波器52隔离所需要的信号，抽样滤波器隔离镜像信号。所接收的需要的信号和镜像信号的输出用于系数优化。

提供修改的镜像抑制系数估计单元，如图4中的单元60所示。

由于输入的数量翻倍，图2的系数估计单元不能使用。提取相位和振幅信息更难。

为了解决这个问题，系统被设计为使图4的数字(抽样)滤波器52，53的输出通过至少因子2来重复取样。

图5示出了系数估计单元60的一个实施例。

所需要的IQ信号和镜像IQ信号输入到系数估计单元60。所需要的和镜像信号都包含隔离的0Hz附近的信号。

为了重建原始信号，这两个信号应该混合回到它们的原始频率位置(在频率w和-w)，但那需要更多的移频器。另外，对于这个动作样本频率可能太低，因为数字滤波器可能包括抽样。

以下公式示出了如果两个信号频率移动到任何任意的频率r和-r分别用于镜像和所需要的信号将会发生什么。

首先，如图1所示，所需要的信号是通过移频器14和滤波抽样(滤波器16)与模拟域中的剩余的频谱隔离的。从公式1得到的约-w的中频模数转换器输出被频移w到0Hz。

Desired_BB＝IF_ADC*(cos(wt)+j*sin(wt))

重写Desired_BB和通过滤波器16过滤来消除高频部分导致：

当没有出现IQ误差时信号等于0。如果Δ和/或不是零，在Desired_{BB_LPF}信号中接收部分阻断信号‘A’。当在频带中出现所需要的信号时，这个信号Desired_{BB_LPF}可以直接被用于进一步处理。注意公式中没有出现实际的所需要的信号以简化公式。在频率-w处增加所需要的信号，将得出对于IQ算法相同的结果。

镜像信号通过相应的移频器14和滤波抽样也与剩余的频谱隔离。从公式1得到的约w的中频模数转换器输出被频率移动-w到0Hz。

Image_BB＝IF_ADc*(cos(-wt)+j*sin(-wt))

重写Desired_BB和通过滤波器16过滤来消除高频部分导致：

当没有出现IQ误差时信号等于阻断信号‘A’。

通过应用图1的技术获得IQ误差，所需要的信号和镜像信号将需要分别被混合回到它们的原始位置-w和w。以下公式示出了如果两个信号频率混合到任何任意的频率r和-r将会发生什么。

对于所需要的信号，这导致：

重写公式导致：

对于镜像信号，这导致：

重写公式导致：

现在所需要的信号被混合到频率-r，和镜像信号到+r，它们可以加在一起以获得包括所需要的信号和镜像信号的信号(Totalup)。

这种与频率-r和r向上混合及求和是如图5所示的IQ系数估计的一部分。幅度和相位估计部分于是与图2中的估计相似。

对于振幅估计，从I分支减去Q分支的绝对值。为了简化公式，作以下近似：

Cos(wt)≈2/π

Sin(wt)≈2/π

这些对小的IQ误差是有效的并且在对许多信号周期取平均之后。新的所获得的D_{AVG_NEW}等于：

只要相位失配小于4，此处就是这种情况，这是用于振幅失配Δ的适当测量。

对于相位指示器，Total_UP信号的I分支和Q分支相乘。这与上述近似相结合导致：

只要相位失配小于sqrt(2)，此处就是这种情况，这是用于振幅失配Δ的适当测量。这表示对于重建信号的精确频率位置与算法不相关。

因此，精确频率位置是不重要的，由于这个原因在图5中引入Fs/4频率混频器(Fs是抽样滤波器输出采样率)。所需要的IQ信号与-Fs/4混频器62混合，并且镜像IQ信号与Fs/4混频器64混合。

Fs/4混频器的复杂度非常低，因为它通过1，j，-1，-j重复混合。为了使能这种Fs/4混频，在通道过滤后的所需要的信号和镜像信号必须通过两个因子中的至少一个重复取样。原因是在频域中需要充分的“自由空间”用于放置在-Fs/4处的所需要的信号和在+Fs/4处的镜像。

在这种频率混合之后，所需要信号的正频带和镜像信号的负频带是干净的，即，具有零值。

这两个信号通过加法器65相加。相加之后，获得重建的IQ信号，包括所需要的信号和它的镜像。与图2相同，那些信号是用于基本IQ系数估计单元24的输入。由于这个原因，在图2中所用的相同的附图标记表示估计单元24的相同的元件。

图2的系数估计单元集中于频带中的最强的信号，在所给的例子中，清洁频率在-0.1附近。所想要的信号可能是-0.3，这意味着IQ校正不是最优的。通过隔离所需要的频带和镜像频带，以及由图5的布置实现重建新的信号Total_UP，原始的系数估计单元可被用于校正IQ误差。

当所提出的算法被调谐到频率-0.3(所想要的)和0.3(镜像)，这导致图6的补偿频谱。

和图3一样，曲线示出了未补偿的频谱，和区域70示出了通过补偿峰值是怎样被抑制的。

对于这个频带的IQ现在是60dB和被系统的固有噪声电平限制。在-0.1处的IR更差，但这不是所想要的频带。

所披露实施例的其他变化可以通过本领域技术人员在实施所提出的发明、研究附图、披露和附加的权利要求后理解和影响。在权利要求中，术语”包括”不排除其他的元件或者步骤，以及不定冠词“一种”不排除那些元件的复数。单个处理器或其它单元可能实现在权利要求中所记载的多个技术特征的功能。事实上，在彼此不同的从属权利要求中记载的一些手段并不表示这些手段的结合不能被用于优化。在权利要求中的附图标记将不被理解为对范围的限制。

Claims

1.一种RF接收机，其特征在于，包括：

正交混频器(14)，用于接收RF输入信号和输出同相和正交通道；

用于同相和正交通道的模数转换器(18)；

振幅补偿器(20)，用于基于振幅校正系数校准一个或两个通道的振幅以校正振幅失配；

相位补偿器(22)，用于基于相位校正系数校准两个通道之间的相对相位以校正相位失配；

第一混频器(50)，用于通过与第一频率混合从振幅校准的和相位校准的通道产生同相和正交所需要的信号，以及在第一混频器的输出处的第一数字通道滤波器(52)产生过滤的同相所需要的信号和过滤的正交所需要的信号；

第二混频器(51)，用于通过与第二频率混合从振幅校准的和相位校准的通道产生同相和正交镜像信号，以及在第二混频器的输出处的第二数字通道滤波器(53)产生过滤的同相镜像信号和过滤的正交镜像信号；

系数估计单元(60)，用于从过滤的同相和正交所需要的信号和从过滤的同相和正交镜像信号产生相位校正系数和振幅校正系数；

其中，系数估计单元(60)包括：

第三混频器(62)，用于将过滤的同相和正交所需要的信号与第三频率混合以产生偏移的同相和正交所需要的信号；

第四混频器(64)，用于将过滤的同相和正交镜像信号与第四频率混合以产生偏移的同相和正交镜像信号，第四频率是第一频率的负值；和

加法器(65)，用于结合偏移的同相和正交信号以产生结合的同相信号和结合的正交信号；

振幅系数电路(31,32,34,36)，用于获得结合的同相信号和结合的正交信号之间的振幅差；

相位系数电路(26,28,30)，用于获得结合的同相信号和结合的正交信号之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，第四频率等于模数转换器采样频率除以4。

3.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，振幅系数电路包括积分器(36)，所述积分器(36)用于对结合的同相信号的样本和结合的正交信号的样本之间的差求积分。

4.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，相位系数电路包括积分器(30)，所述积分器(30)用于对结合的同相信号的样本和结合的正交信号的样本之间的相关求积分。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的接收机，其特征在于，振幅补偿器包括与一个通道串联的可变增益放大器(20)，可变增益放大器(20)由振幅校正系数控制。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的接收机，其特征在于，相位补偿器包括可变增益放大器(22)和加法器(23)，用于将一个通道的放大的分量添加到另一个通道，相位补偿器的可变增益放大器由相位校正系数控制。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的接收机，其特征在于，第一和第二数字通道滤波器(52，53)具有输出，所述输出至少通过因子2重复取样。

8.一种RF接收方法，其特征在于，包括：

正交混合RF输入信号以产生同相和正交通道；

将同相和正交通道转换为数字的；

基于相位校正系数校准两个通道之间的相对相位以校正相位失配；

从过滤的同相和正交所需要的信号和从过滤的同相和正交镜像信号产生相位校正系数和振幅校正系数；

其中，产生相位校正系数和振幅校正系数包括：

将过滤的同相和正交所需要的信号与第三频率混合以产生偏移的同相和正交所需要的信号；

将过滤的同相和正交镜像信号与第四频率混合以产生偏移的同相和正交镜像信号，第四频率是第一频率的负值；

结合偏移的同相和正交信号以产生结合的同相信号和结合的正交信号；

产生振幅校正系数包括通过对结合的同相信号的样本和结合的正交信号的样本之间的差求积分以获得结合的同相信号和结合的正交信号之间的振幅差；和

产生相位校正系数包括通过对结合的相位信号的样本和结合的正交信号的样本之间的相关求积分来获得结合的同相信号和结合的正交信号之间的相位差。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，第四频率等于模数转换器采样频率除以4。