CN110661538B - 低功耗全自动调整宽带接收机射频前端 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，包括低噪声放大模块，用于将宽带单端射频信号放大并转换为差分电流信号；本地振荡器用于提供本振信号；正交混频器用于对差分电流信号与本振信号进行正交混频，以生成中频差分电流信号；跨阻放大器用于将中频差分电流信号转换为中频差分电压信号；IIP2校准模块用于降低射频前端IIP2影响；接收信号强度指示模块用于发送第一放大倍数控制信号和差分失配控制信号至低噪声放大模块以及发送第二放大倍数控制信号到跨阻放大器，以使中频差分电压信号满足幅度和失配度要求。本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端具有功耗低、噪声低和高集成度的优点，且能够全自动调整增益和变换带宽。

Description

低功耗全自动调整宽带接收机射频前端
技术领域
本发明涉及无线通信的宽带多模式、低功耗和高集成度技术领域，特别是涉及一种用于低功耗全自动调整宽带接收机射频前端。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展以及无线通信需求的不断提高，不仅仅在人与人之间，人与物之间以及物与物之间的无线通信也越来越重要。近几年以来，一些新无线通信协议越来越多，尤其是在物联网无线通信领域，如LoRa、NB-IoT和eMTC等。这些无线通信协议不仅能够满足新的应用场景需求，而且大大丰富了人们生活方式，如智能抄表、智能停车、智能门锁以及智能家居等。由于国内外频谱资源管理不同，一个无线通信协议在不同国家可能运行不同频段。因此，无线通信设备同时兼容全球频段越来越重要。另外，为了满足不同无线通信需求，同时支持不同无线通信协议的设备也越来越重要。因此，兼容多种模式、多种频段宽带的射频前端研究成为热点。
目前，针对物联网无线通信领域，尤其宽带射频前端方向投入大量人力和物力进行研究。同时集成电路技术领域发展也使得兼容多种模式的无线通信产品和设备成为可能，并进一步推动了无线通信设备小尺寸和高集成进程。随着研究深入，现有技术中满足全球频段通信以及不同无线通信协议的无线通信产品和设备越来越多。但是，这些大部分采用多个射频通道进行接收，大大增加了无线通信设备的体积，并且这些射频通道使用大量射频前端也相应地增加了射频前端成本。比如，针对具体无线通信应用为了避免其他频段干扰，一般每个射频前端采用相应的片外SAW filter抑制干扰信号，以及片外巴伦将射频天线接收到单端信号转化为差分信号便于后级信号传输。因此，如果无线通信设备兼容不同射频通道和模式需要使用大量声表面波滤波器(Surface Acoustic Wave，SAW滤波器)和平衡不平衡变换器(Balance-unbalance，巴伦)，这将会极大地增加无线通信设备体积和成本。
为了解决无线通信设备的成本和体积问题，用于物联网通信的低功耗、小体积和高集成度宽带射频前端研究尤其重要。同时，无线通信设备还需要根据接收不同射频信号能量强弱灵活地改变信号放大倍数以满足系统需求。近来，无线通信的宽带射频前端研究和报道也有很多，例如论文The BLIXER，a Wideband Balun-LNA-I/Q-Mixer Topology针对超宽带无线通信采用噪声消除射频前端接收信号。虽然该论文实现宽带射频信号接收并将单端信号转为差分输出，但是噪声系数较大以及不能灵活地调整射频信号放大倍数，限制其在无线通信应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，能够满足低功耗、低噪声和高集成度的要求，且能够根据系统需求实现增益全自动调整和不同带宽灵活变换。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，包括：低噪声放大模块，用于将宽带单端射频信号放大并转换为差分电流信号，同时支持信号放大倍数调整；本地振荡器，用于提供本振信号；正交混频器，与所述低噪声放大模块和所述本地振荡器相连，用于对所述差分电流信号和所述本振信号进行正交混频，以生成两路中频差分电流信号；跨阻放大器，与所述正交混频器相连，用于将所述中频差分电流信号转换为中频差分电压信号；IIP2校准模块，与所述正交混频器相连，用于调整所述正交混频器接收到的本振信号，以降低所述射频前端IIP2影响；接收信号强度指示模块，与所述跨阻放大器相连，包括模拟处理模块和数字处理模块；所述模拟处理模块用于比对所述中频差分电压信号以获取差分大小和失配度；所述数字处理模块用于根据所述差分失配度生成第一放大倍数控制信号和差分失配控制信号并发送至所述低噪声放大模块，以及生成第二放大倍数控制信号并发送至所述跨阻放大器，以使所述两路中频差分电压信号满足幅度和失配度要求。
于本发明一实施例中，所述噪声消除电流模式低噪声放大模块包括放大器、第一差分放大输出模块和第二差分放大输出模块；所述放大器的输入端与所述宽带射频信号相连，输出端与所述第一差分放大输出模块的输入端相连，所述第一差分放大输出模块的输出端与所述正交混频器相连，所述第二差分输出模块的输入端与所述宽带射频信号相连，输出端与所述正交混频器相连。
于本发明一实施例中，所述正交混频器采用NMOS和PMOS互补性无源开关结构，且输出带有对地电容。
于本发明一实施例中，所述跨阻放大器包括差分运算放大器、两个电容和两个电阻；所述电容两端分别与所述差分运算放大器的输入端和输出端相连；所述电阻的两端分别与所述差分运算放大器的输入端和输出端相连。
于本发明一实施例中，所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端支持零中频架构和低中频架构接收。
于本发明一实施例中，所述宽带单端射频信号的频率范围为400MHz～2.4GHz。
于本发明一实施例中，还包括SPI接口，用于调整所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的带宽。
于本发明一实施例中，所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端用于广覆盖物联网无线通信以及信号传输。
如上所述，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，具有以下有益效果：
(1)通过采用噪声消除电流结构和反馈电阻，不仅实现宽带范围内低噪声，而且在无片外射频匹配网路情况下与射频天线实现较好阻抗匹配，同时实现单端电压信号到差分电流信号输出，避免了片外巴伦使用，并且支持改变放大倍数；
(2)能够根据差分输出信号大小和失配情况利用模拟处理模块线性分析和比较判断，然后通过数字处理模块发送增益控制信号和差分失配控制信号以使中频差分电压信号满足幅度和失配度要求；
(3)能够利用噪声消除结构实现宽带射频信号接收以及满足低功耗、低噪声和高集成度的要求；
(4)能够根据系统需求实现全自动调整增益和不同带宽灵活地切换，并且支持无线通信系统接收机零中频架构和低中频架构；
(5)各模块之间信号放大和变频均为电流模式传输避免了传统电压模式传输阻抗匹配问题，且能够灵活地满足广覆盖无线通信，并实现信号传输能量大小全自动调整。
附图说明
图1显示为本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的原理示意图；
图2显示为本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的架构示意图；
图3(a)显示为本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的反射系数S11的示意图；
图3(b)显示为本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的噪声系数NF的示意图；
图4显示为本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的信号强度指示线性输出示意图；
图5显示为本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的增益全自动调整时域图。
元件标号说明
10 低噪声放大模块
101 放大器
102 第一差分放大输出模块
103 第二差分放大输出模块
20 正交混频器
30 跨阻放大器
301、304、305、308 电容
302、303、306、307 电阻
309、310 差分运算放大器
40 本地振荡器
50 IIP2校准模块
60 接收信号强度指示模块
601 模拟处理模块
602 数字处理模块
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端能够满足低功耗、低噪声和高集成度的要求能够根据系统需求实现全自动调整增益和不同带宽灵活地切换，并且支持无线通信系统接收机零中频架构和低中频架构，结构简单，灵活性好，实用性强。
如图1所示，于一实施例中，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端至少包括低噪声放大模块10、正交混频器20、跨阻放大器30、本地振荡器40、IIP2校准模块50和接收信号强度指示模块60。
所述低噪声放大模块10用于将接收到的宽带单端射频信号放大，并转换为差分电流信号，同时支持信号放大倍数调整。于本发明一实施例中，所述宽带单端射频信号的频率范围为400MHz～2.4GHz。
具体地，如图2所示，于一实施例中，所述低噪声放大模块10包括放大器101、第一差分放大输出模块102和第二差分放大输出模块103。所述放大器101用于对所述宽带射频信号进行放大，其输入端与所述宽带射频信号相连，输出端与所述第一差分放大输出模块101的输入端相连。所述第一差分放大输出模块102和所述第二差分放大输出模块103用于输出差分电流信号。具体，所述第一差分放大输出模块102的输出端与所述正交混频器20相连，所述第二差分放大输出模块103的输入端与所述宽带射频信号相连，输出端与所述正交混频器20相连。所述宽带射频信号经过所述放大器101和所述第一差分放大输出模块102之后得到的信号和所述宽带射频信号经过所述第二差分放大输出模块103之后得到的信号为放大倍数相同的差分信号。因此，所述放大器101利用自身的反馈电阻实现宽带射频信号阻抗匹配和信号放大，并且与所述第一差分放大输出模块102和所述第二差分放大输出模块103利用自身的反馈电阻实现噪声消除，并能够满足宽带单端射频信号单端输入到差分输出的转变，便于后级信号的传输。
所述本地振荡器40用于生成本振(Local Oscillator，LO)信号。
所述正交混频器20与所述低噪声放大模块10和所述本地振荡器40相连，用于对所述差分电流信号和所述本振信号进行正交混频，以生成中频差分电流信号。因此，通过所述正交混频器20和所述本地振荡器40，使得生成的差分电流信号转换为正交中频电流信号，即I路电流信号和Q路电流信号。
于本发明一实施例中，所述正交混频器20采用NMOS和PMOS互补性无源开关结构，且输出带有对地电容，从而利用无源器件将所述低噪声放大模块10输出差分电流信号与所述本地振荡器40产生本振信号高线性完成宽带射频信号变频，同时输出电容能够对宽带射频信号和本振信号以及其他高频干扰信号进行一定抑制。
所述跨阻放大器30与所述正交混频器20相连，用于将所述两路中频差分电流信号转换为两路中频差分电压信号。
如图2所示，于一实施例中，所述跨阻放大器30包括电容阵列301、304、305和308，电阻阵列302、303、306和307以及差分运算放大器309和310，每个跨阻放大器与一路中频差分电流信号相连，从而将对应的中频电流信号转换为中频电压信号，即转换为中频I路电压信号和中频Q路电压信号。于本发明一实施例中，所述跨阻放大器包括差分运算放大器、两个电容和两个电阻；所述电容的两端分别与所述差分运算放大器的输入端和输出端相连；所述电阻的两端分别与所述差分运算放大器的输入端和输出端相连。因此，所述跨阻放大器30利用电阻作为负载完成电流到电压转换，利用电阻阵列和电容阵列形成一阶滤波器对有用信号以外干扰信号进行抑制。
其中，基于无线通信的不同带宽要求，通过调整所述跨阻放大器30的电容阵列可以实现不同带宽的切换。
所述接收信号强度指示模块60与所述跨阻放大器30相连，用于根据所述两路中频差分电压信号发送第一放大倍数控制信号和差分失配控制信号至所述低噪声放大模块10以及发送第二放大倍数控制信号至所述跨阻放大器30，以使所述两路中频差分电压信号满足幅度和失配度要求。
于本发明一实施例中，所述接收信号强度指示模块60包括模拟处理模块601和数字处理模块602。所述模拟处理模块601用于比对所述两路中频差分电压信号以获取差分失配度。所述数字处理模块602与所述模拟处理模块601相连，用于根据所述差分失配度生成第一放大倍数控制信号和差分失配控制信号并发送至所述低噪声放大模块10，以及生成第二放大倍数控制信号并发送至所述跨阻放大器30。具体地，所述接收信号强度指示60通过控制回路调整所述低噪声放大模块10和所述跨阻放大器30的放大倍数从而实现不论接收到的宽度射频信号能量强弱都可以使输出信号保持在合适水平，并且也可以根据输出的两路中频差分电压信号通过控制信号降低所述低噪声放大模块10的差分输出失配度。具体地，所述模拟处理模块601利用限幅放大电路和比较器电路分别判断所述跨阻放大器30输出的两路中频差分电压信号的大小和失配情况；所述数字处理模块602生成第一放大倍数控制信号、第二放大倍数控制信号和差分失配控制信号并通过放大控制通路调整所述低噪声放大模块10的放大器101的反馈电阻和所述跨阻放大器30的电阻，以实现信号放大倍数的调整；并通过差分失配控制通路调整所述低噪声放大模块10的第一差分放大输出模块102和第二差分放大输出模块103，以有效地控制差分输出失配误差。
于本发明一实施例中，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端还包括IIP2(输入二阶截点)校准模块50，与所述正交混频器20相连，用于调整所述正交混频器20接收到的本振信号。具体地，所述IIP2校准模块50利用不同直流电压调整本振信号，从而减弱IIP2影响，有效地优化系统IIP2性能。
于本发明一实施例中，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端还包括SPI接口，用于调整所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的带宽。
于本发明一实施例中，所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端应用于物联网无线通信。
下面根据具体实施例进一步阐述本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的工作原理。在该实施例中，以最新3GPP release 14NBIOT协议为例。按照协议规定NBIOT下行全球所有频段，运行频率范围大约从700MHz～2.2GHz覆盖1.5GHz，有用信号带宽180KHz。因此，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端运行频率范围设计指标为400MHz～2.4GHz覆盖2GHz，有用信号带宽180KHz。通常，利用反射系数S11描述宽带接收机射频前端与天线阻抗匹配性能以及利用噪声系数NF衡量接收最小信号性能，因此反射系数S11和噪声系数NF是宽带接收机射频前端的两个重要指标。一般地，宽带接收机射频前端的反射系数S11在有用频段内小于-10dB表明阻抗匹配对系统影响较小，以及噪声系数NF越小系统性能越好。但是，现有技术中的宽带接收机射频前端在宽带范围内接收噪声系数比较差，尤其针对零中频宽带接收机架构以及结合NBIOT有用信号带宽较小的情况，变频后中频信号噪声受器件本身闪烁噪声1/f影响较大。由于低噪声放大模块10位于宽带接收机射频前端最前面，其噪声系数对整个系统至关重要。因此，低噪声放大模块10噪声消除效果好坏对于整个宽带接收机射频前端噪声系数NF起到决定性作用。为了兼顾物联网无线通信零中频和低中频架构，本发明采用噪声消除结构和低闪烁噪声1/f PMOS输入结构，尽可能地降低了电路引入噪声对系统带来影响。本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端基于GF最新FDSOI 22nm工艺利用Cadence软件进行仿真和验证，采用电源电压0.8V供电，反射系数S11和噪声系数NF如图3(a)和图3(b)所示。仿真结果显示本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端在100MHz～4GHz范围内反射系数S11均小于-10dB，变频后系统噪声系数NF在30KHz～4MHz，均小于2dB，可以满足NBIOT协议要求。与其他宽带接收机射频前端比较，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端不但实现了宽带范围较好阻抗匹配和较低噪声系数NF，而且完成宽带范围内单端信号到差分的转变，避免了片外巴伦和片内电感使用，极大地降低芯片面积。
为了表明接收信号强度指示模块60对跨阻放大器30输出的中频差分电压信号线性检测特性，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的输入信号与输出信号的线性关系如图4所示。从图4可知，接收信号强度指示模块60具有较宽检测范围和较小检测误差。同时，接收信号强度指示模块60利用数字处理模块602根据模拟处理模块601线性检测结果发出相应的控制信号，从而灵活地通过放大控制通路调整低噪声放大模块10的放大器101的反馈电阻和跨阻放大器30的电阻，从而实现低功耗全自动调整宽带接收机射频前端增益根据射频输入信号强弱的全自动调整，其瞬态仿真如图5所示。其中，图5上半部分显示射频单端输入信号，图5下半部分显示中频差分输出信号。输入信号功率分别为-100dBm和-88dBm，其中前10uS输入信号功率为-100dBm，10uS后输入信号功率变为-88dBm。从图5上半部分可以看出射频单端输入信号在10uS前后有个明显幅度变化，而接收信号强度指示模块60根据接收到信号强弱通过控制通路全自动调整放大倍数，如图5下半部分清晰表明幅度调整过程。当然，图5只是简单描述本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端全自动调整过程，实际电路能够更加高效准确地完成全自动调整目的。因此，根据物联网无线通信需求，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端不但具有低噪声、高集成度和全自动调整性能，并且所有其他控制信号均有SPI控制，进一步增加了灵活性。
综上所述，本发明的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端通过采用噪声消除电流结构和反馈电阻，不仅实现宽带范围内低噪声，而且在无片外射频匹配网路情况下与射频天线实现较好阻抗匹配，同时实现单端电压信号到差分电流信号输出，避免了片外巴伦使用，并且支持改变放大倍数；能够根据差分输出信号大小和失配情况利用模拟部分线性分析和比较判断，然后通过数字部分发送增益控制信号和差分失配控制信号以使中频差分电压信号满足幅度和失配度要求；能够利用噪声消除结构实现宽带射频信号接收以及满足低功耗、低噪声和高集成度的要求；能够根据系统需求实现全自动调整增益和不同带宽灵活地切换，并且支持无线通信系统接收机零中频架构和低中频架构；各模块之间信号放大和变频均为电流模式传输避免了传统电压模式传输阻抗匹配问题，且能够灵活地满足广覆盖无线通信，并实现信号传输能量大小全自动调整。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：包括
低噪声放大模块，用于将宽带单端射频信号放大并转换为差分电流信号，同时支持信号放大倍数调整；
本地振荡器，用于提供本振信号；
正交混频器，与所述低噪声放大模块和所述本地振荡器相连，用于对所述差分电流信号和所述本振信号进行正交混频，以生成两路中频差分电流信号；
跨阻放大器，与所述正交混频器相连，用于将所述中频差分电流信号转换为中频差分电压信号；
IIP2校准模块，与所述正交混频器相连，用于调整所述正交混频器接收到的本振信号，以降低所述射频前端IIP2（输入二阶截点）影响；
接收信号强度指示模块，与所述跨阻放大器相连，包括模拟处理模块和数字处理模块；所述模拟处理模块用于比对所述中频差分电压信号以获取差分大小和失配度；所述数字处理模块用于根据所述差分大小和失配度生成第一放大倍数控制信号和差分失配控制信号并发送至所述低噪声放大模块，以及生成第二放大倍数控制信号并发送至所述跨阻放大器，以使所述两路中频差分电压信号满足幅度和失配度要求。
2.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：所述低噪声放大模块包括放大器、第一差分放大输出模块和第二差分放大输出模块；所述放大器的输入端与所述宽带单端射频信号相连，输出端与所述第一差分放大输出模块的输入端相连，所述第一差分放大输出模块的输出端与所述正交混频器相连，所述第二差分放大输出模块的输入端与所述宽带单端射频信号相连，输出端与所述正交混频器相连。
3.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：所述正交混频器采用NMOS和PMOS互补性无源开关结构，且输出端连接有对地电容。
4.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：所述跨阻放大器包括差分运算放大器、两个电容和两个电阻；所述电容两端分别与所述差分运算放大器的输入端和输出端相连；所述电阻的两端分别与所述差分运算放大器的输入端和输出端相连。
5.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端支持零中频架构和低中频架构接收。
6.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：所述宽带单端射频信号的频率范围为400MHz~2.4GHz。
7.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：还包括SPI接口，用于调整所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端的带宽。
8.根据权利要求1所述的低功耗全自动调整宽带接收机射频前端，其特征在于：所述低功耗全自动调整宽带接收机射频前端用于广覆盖物联网无线通信以及信号传输。
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