CN114374398A - 宽带低噪高线性宽范围解调系统 - Google Patents

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CN114374398A CN202111656081.7A CN202111656081A CN114374398A CN 114374398 A CN114374398 A CN 114374398A CN 202111656081 A CN202111656081 A CN 202111656081A CN 114374398 A CN114374398 A CN 114374398A
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Abstract

本发明公开了一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，涉及宽带解调技术领域。本发明包括接收单元、发射单元，接收单元包括低噪声放大模块，低噪声放大模块连接有电压电流转换模块，电压电流转换模块连接有两个下变频模块，下变频模块连接有跨阻放大模块，跨阻放大模块连接有第一低通滤波模块，第一低通滤波模块连接有可变增益放大模块，可变增益放大模块连接有模数转换模块，两个模数转换模块连接有第一集成单元，发射单元包括电阻。本发明通过跨阻放大模块之后紧跟低通滤波器，以进一步抑制带外阻塞，减轻模数转换器压力，滤波器带宽可精确校准，通过在可变增益放大模块输入侧注入可控电流。

Description

宽带低噪高线性宽范围解调系统
技术领域
本发明属于宽带解调技术领域，特别是涉及一种宽带低噪高线性宽范围解调系统。
背景技术
接收机的主要功能是从空中存在的众多电磁波中，选出自己需要的频率成分，抑制或滤除不需要的信号或噪声与干扰信号，然后经过放大、解调得到原始的有用信息，理想的接收机抑制所有不需要的噪声，包括其他信号，并对需要的信号不增加任何噪声或干扰，不管信号的形式或格式如何，它都可以变换，以适合信号处理器检波电路所要求的特性，然后再送到智能用户接口，而发射机主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波，广泛应用于电视，广播，雷达等各种民用、军用设备，主要可分为调频发射机，调幅发射机，光发射机等多种类型。
对于接收机，从系统指标角度考虑，为达到接收的整体噪声系数较优，要求低噪放大的高增益足够高，而要实现宽范围高调节精度AGC，又要求低噪放大增益范围足够宽、足够细；对于发射机，由于射频放大模块工作在大信号大功率状态，它通常是系统中非线性的主导，对于宽带系统，线性度进一步恶化，将引入诸如带内不平坦、宽带匹配等新的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，解决了现有的接收机，从系统指标角度考虑，为达到接收的整体噪声系数较优，要求低噪放大的高增益足够高，而要实现宽范围高调节精度AGC，又要求低噪放大增益范围足够宽、足够细；对于发射机，由于射频放大模块工作在大信号大功率状态，它通常是系统中非线性的主导，对于宽带系统，线性度进一步恶化，将引入诸如带内不平坦、宽带匹配等新的问题技术问题。
为达上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，包括接收单元、发射单元，接收单元包括低噪声放大模块(LNA)，低噪声放大模块(LNA)连接有电压电流转换模块(Gm)，电压电流转换模块(Gm)连接有两个下变频模块(Mixer)，下变频模块(Mixer)连接有跨阻放大模块(TIA)，跨阻放大模块(TIA)连接有第一低通滤波模块(LPF)，第一低通滤波模块(LPF)连接有可变增益放大模块(VGA)，可变增益放大模块(VGA)连接有模数转换模块(ADC)，两个模数转换模块(ADC)连接有第一集成单元，接收单元综合考虑噪声和线性度的影响，同时注意宽频率覆盖范围、宽频匹配和宽增益范围的需求，发射单元包括电阻，电阻连接有两个上变频模块(up conversion)，上变频模块(up conversion)连接有第二低通滤波模块(LPF)，第二低通滤波模块(LPF)连接有数模转换器(DAC)，两个数模转换器(DAC)连接有第二集成单元，发射单元考虑宽带及线性要求采用Power Mixer架构。
可选的，第一集成单元包括第一基带滤波器、降采样滤波器、正交误差校正模块、直流偏移补偿模块、RSSI模块、Fast AGC模块、第一高速接口模块。
可选的，低噪声放大模块(LNA)选择源极输入结构，便于实现单网络宽带匹配，采用电感谐振寄生电容的方式，用单一低噪声放大器覆盖目标频率范围(650MHz-6000MHz)，来实现最大24dB增益，并承担增益粗调任务，后级再级联一级电压电流转换模块(Gm)，混紧接着是下变频模块(Mixer)和跨阻放大模块(TIA)，电压电流转换模块(Gm)、下变频模块(Mixer)及跨阻放大模块(TIA)实现24dB增益，并兼具一阶滤波功能。
可选的，借助DNW工艺，在下变频模块(Mixer)栅极及衬底加入可控偏压，改善IP2，提高线性度。
可选的，在跨阻放大模块(TIA)输入侧注入可控电流，以部分消除直流失调，跨阻放大器之后紧跟第一低通滤波模块(LPF)，以进一步抑制带外阻塞，减轻模数转换模块(ADC)压力，滤波器带宽可精确校准，第一低通滤波模块(LPF)之后再级联两级可变增益放大模块(VGA)，共实现33dB增益，并且类似于跨阻放大模块(TIA)。
可选的，跨阻放大模块(TIA)输出端添加峰值检测(Peak Detect)，当接收通路进来大数据块(block)，峰值检测(Peak Detect)可快速给出超阈值指示，从而可快速降低低噪放增益档，接收通路增益支持管脚直控，前述指示位也可通过管脚输出，经MCU配合，可绕过SPI快速更改增益，以满足50us内快速AGC要求。
可选的，在可变增益放大模块(VGA)输入侧注入可控电流，进一步消除直流失调，可变增益放大器之后是CT_SDM模数转换模块(ADC)，采样率达5GHz，有效位达14bit。
可选的，第二集成单元包括第二基带滤波器、插值模块、QEC模块、LOL模块、DDS模块、第二高速接口模块。
可选的，数字基带信号经高速接口进到片上，经基带滤波和插值，进入数模转换器(DAC)，数模转换器(DAC)具有2GHz采样、14bit、带MSB校准及DEM。
可选的，模拟信号经第二低通滤波模块(LPF)适当滤除镜像信号，在第二低通滤波模块(LPF)输入端注入可控电流的方式校准载波泄露，之后信号进入射频预放大，为便于增益控制，射频预放采用单元电路架构。
本发明的实施例具有以下有益效果：
本发明的一个实施例通过跨阻放大模块(TIA)之后紧跟低通滤波器(LPF)，以进一步抑制带外阻塞，减轻模数转换器(ADC)压力，滤波器带宽可精确校准，通过在可变增益放大模块(VGA)输入侧注入可控电流，进一步消除直流失调，通过在第二低通滤波模块(LPF)输入端注入可控电流的方式校准载波泄露，通过射频预放大增益控制，便于发射单元提高线性度及载波泄露最优化。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例的宽带低噪高线性宽范围射频接收框图；
图2为本发明一实施例的各模块增益档示意图；
图3为本发明一实施例的宽带低噪高线性宽范围发射框图；
图4为本发明一实施例的性能参数示意图；
图5为本发明一实施例的EVM计算结果示意图；
图6为本发明一实施例的实测0.584％EVM示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
为了保持本发明实施例的以下说明清楚且简明，本发明省略了已知功能和已知部件的详细说明。
请参阅图1-6所示，在本实施例中提供了一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，包括：接收单元、发射单元，接收单元包括低噪声放大模块(LNA)，低噪声放大模块(LNA)连接有电压电流转换模块(Gm)，电压电流转换模块(Gm)连接有两个下变频模块(Mixer)，下变频模块(Mixer)在接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低，那么此种混频方式叫做下变频，下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号，下变频模块(Mixer)连接有跨阻放大模块(TIA)，跨阻放大模块(TIA)连接有第一低通滤波模块(LPF)，第一低通滤波模块(LPF)连接有可变增益放大模块(VGA)，可变增益放大模块(VGA)连接有模数转换模块(ADC)，两个模数转换模块(ADC)连接有第一集成单元，接收单元综合考虑噪声和线性度的影响，同时注意宽频率覆盖范围、宽频匹配和宽增益范围的需求，接收单元拟实现一款接收机：本振频率支持650MHz-6000MHz，最大带宽200MHz，最小带宽真要支持20KHz，增益步进为1dB、范围为80dB，噪声系数不大于5dB，带RSSI、支持50us内快速AGC，支持带宽校准(BW Calibration)、直流失调校准(DCOC)和正交失调校准(QEC)，发射单元包括电阻，电阻为50欧姆，电阻连接有两个上变频模块(up conversion)，上变频模块(up conversion)将具有一定频率的输入信号，改换成具有更高频率的输出信号(通常不改变信号的信息内容和调制方式)的过程，在超外差式接收机中，如果经过混频后得到的中频信号比原始信号高，那么此种混频方式叫做上变频，由于变频获得的中频频率较高，所以对接收机中中频放大、滤波、解调都提出了更高要求，上变频可获得极高的抗镜像干扰能力，且可获得整个频段内非常平坦的频率响应，上变频模块(up conversion)连接有第二低通滤波模块(LPF)，第二低通滤波模块(LPF)连接有数模转换器(DAC)，两个数模转换器(DAC)连接有第二集成单元，发射单元考虑宽带及线性要求采用Power Mixer架构，发射单元拟实现一款发射机：本振频率支持650MHz-6000MHz，最大带宽200MHz(最小带宽真要支持20KHz)，增益范围为60dB(其中0--20dB范围内增益步进0.5dB，-20--60dB范围内增益步进1dB)，支持带宽校准(BW Calibration)、增益平坦度补偿、载波泄露校准(LOL)和正交失调校准(QEC)，最终EVM不高于-42dBc。
本实施例一个方面的应用为：接收单元的低噪声放大模块(LNA)单网络宽带匹配，用单一低噪声放大器覆盖目标频率范围来实现最大24dB增益的同时承担增益粗调任务，后级再级联一级电压电流转换模块(Gm)，混紧接着是下变频模块(Mixer)和跨阻放大模块(TIA)，电压电流转换模块(Gm)、下变频模块(Mixer)及跨阻放大模块(TIA)实现24dB增益，并兼具一阶滤波功能，在下变频模块(Mixer)栅极及衬底加入可控偏压，在跨阻放大模块(TIA)输入侧注入可控电流，以部分消除直流失调，跨阻放大模块(TIA)之后紧跟第一低通滤波模块(LPF)，以进一步抑制带外阻塞，减轻模数转换模块(ADC)的压力，第一低通滤波模块(LPF)之后再级联两级可变增益放大模块(VGA)，共实现33dB增益，在可变增益放大模块(VGA)输入侧注入可控电流，低噪声放大模块(LNA)、电压电流转换模块(Gm)、下变频模块(Mixer)、跨阻放大模块(TIA)及可变增益放大模块(VGA)Stage1增益步进较大，实现增益粗调，可变增益放大模块(VGA)Stage2实现增益细调，最终组合出1dB步进、最大81dB增益；发射单元的数字基带信号经高速接口进到片上，经基带滤波和插值，进入数模转换器，模拟信号经低通滤波(滤波器支持带宽校准)适当滤除镜像信号，通过在低通滤波器输入端注入可控电流的方式校准载波泄露，之后信号进入射频预放大，单元电路的版图走线、发射整体的布局均需仔细考虑，借助版图提取后仿真，多次迭代。需要注意的是，本申请中所涉及的用电设备均可通过蓄电池供电或外接电源。
通过跨阻放大模块(TIA)之后紧跟低通滤波器(LPF)，以进一步抑制带外阻塞，减轻模数转换器(ADC)压力，滤波器带宽可精确校准，通过在可变增益放大模块(VGA)输入侧注入可控电流，进一步消除直流失调，通过在第二低通滤波模块(LPF)输入端注入可控电流的方式校准载波泄露，通过射频预放大增益控制，便于发射单元提高线性度及载波泄露最优化。
如图1所示，本实施例的第一集成单元包括第一基带滤波器、降采样滤波器、正交误差校正模块、直流偏移补偿模块、RSSI模块、Fast AGC模块、第一高速接口模块，RSSI(全称为Received Signal Strength Indication)模块主要用来检测接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分，用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度，通过接收到的信号强弱测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术，如：无线传感的ZigBee网络CC2431芯片的定位引擎就采用的这种技术、算法，接收机测量电路所得到的接收机输入的平均信号强度指示，这一测量值一般不包括天线增益或传输系统的损耗；正交误差校正模块包括：一个放大器，被配置为接收输入信号并且提供一个经放大的输出信号，以及一个反馈通路，其中反馈通路包括用于输出直流偏移补偿信号的补偿电路，其中该补偿电路包括至少一个电压控制振荡器(VCO)，被配置为随着时间的推移，基于经放大的输出信号提供一个第一VCO输出信号，并且基于一个参考信号提供一个第二VCO输出信号，及一个计数器，被配置为基于第一VCO输出信号产生第一脉冲计数，并且基于第二VCO输出信号产生第二脉冲计数，并且基于第一脉冲计数和第二脉冲计数的比较提供直流偏移补偿信号；自动高速增益控制(Fast AGC)模块可以使放大电路的增益自动地随信号强度而调整控制，实现这种功能的电路简称AGC环，AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分，增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变，控制电压形成电路的基本部件是AGC检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。
如图1所示，本实施例的低噪声放大模块(LNA)选择源极输入结构，便于实现单网络宽带匹配，采用电感谐振寄生电容的方式，用单一低噪声放大器覆盖目标频率范围(650MHz-6000MHz)，来实现最大24dB增益，并承担增益粗调任务，后级再级联一级电压电流转换模块(Gm)，混紧接着是下变频模块(Mixer)和跨阻放大模块(TIA)，电压电流转换模块(Gm)、下变频模块(Mixer)及跨阻放大模块(TIA)实现24dB增益，并兼具一阶滤波功能，低噪声放大模块(LNA)主要运用到低噪声放大器，低噪声放大器为噪声系数很低的放大器，一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路，在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比，电压电流转换模块(Gm)主要运用到电压电流转换器，电压/电流转换即V/I转换，是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源，其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化，一般来说，电压电流转换电路是通过负反馈的形式来实现的，可以是电流串联负反馈，也可以是电流并联负反馈。
如图1所示，本实施例的借助DNW工艺，在下变频模块(Mixer)栅极及衬底加入可控偏压，改善IP2，提高线性度。
如图1所示，本实施例的在跨阻放大模块(TIA)输入侧注入可控电流，以部分消除直流失调，跨阻放大器之后紧跟第一低通滤波模块(LPF)，以进一步抑制带外阻塞，减轻模数转换模块(ADC)压力，滤波器带宽可精确校准，第一低通滤波模块(LPF)之后再级联两级可变增益放大模块(VGA)，共实现33dB增益，并且类似于跨阻放大模块(TIA)，跨阻放大模块(TIA)主要运用到跨阻放大器，跨阻放大器是光学传感器(如光电二极管)的前端放大器，用于将传感器的输出电流转换为电压，跨阻放大器的概念很简单，即运算放大器(op amp)两端的反馈电阻(RF)使用欧姆定律VOUT＝I×RF将电流(I)转换为电压(VOUT)。
如图1所示，本实施例的跨阻放大模块(TIA)输出端添加峰值检测(Peak Detect)，当接收通路进来大数据块(block)，峰值检测(Peak Detect)可快速给出超阈值指示，从而可快速降低低噪放增益档，避免后级饱和，接收通路增益支持管脚直控，前述指示位也可通过管脚输出，经MCU配合，可绕过SPI快速更改增益，以满足50us内快速AGC要求。
如图1所示，本实施例的在可变增益放大模块(VGA)输入侧注入可控电流，进一步消除直流失调，可变增益放大模块(VGA)主要运用到可变增益放大器，可变增益放大器可根据幅度调制、电平压缩和合成器的控制电压来调节音频增益，可变增益放大器之后是CT_SDM模数转换模块(ADC)，采样率达5GHz，有效位达14bit，模数转换模块(ADC)主要运用到A/D转换器，模拟信号只有通过A/D转化为数字信号后才能用软件进行处理，这一切都是通过A/D转换器来实现的，与模数转换相对应的是数模转换，数模转换是模数转换的逆过程。
如图3所示，本实施例的第二集成单元包括第二基带滤波器、插值模块、QEC模块、载波泄露校准(LOL)模块、DDS模块、第二高速接口模块。数字基带信号经高速接口进到片上，经基带滤波和插值，进入数模转换器(DAC)，数模转换器(DAC)具有2GHz采样、14bit、带MSB校准及DEM。模拟信号经第二低通滤波模块(LPF)适当滤除镜像信号，在第二低通滤波模块(LPF)输入端注入可控电流的方式校准载波泄露，之后信号进入射频预放大，为便于增益控制，射频预放采用单元电路架构，第一低通滤波模块(LPF)、第二低通滤波模块(LPF)而对超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱，而低频信号能正常通过，但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序(目的)而改变，它有的时候也被叫做高频去除过滤(high-cut filter)或者最高去除过滤(treble-cut filter)；第一高速接口模块、第二高速接口模块均使用高速串行接口(HSSI)，全称High-Speed Serial Interface(HSSI)，HSSI是一种串行接口标准，它的最高数据传输率为52Mbps，最远的传输距离为15米(50英尺)，它类似于通常连接计算机和调制解调器的RS-232和V.35接口，但是传输速度更高；插值模块是利用已知邻近像素点的灰度值(或RGB图像中的三色值)来产生未知像素点的灰度值，以便由原始图像再生出具有更高分辨率的图像；DDS模块主要运用到DDS信号发生器，DDS信号发生器采用直接数字频率合成技术，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节，采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。
上述实施例可以相互结合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上描述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述内容对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述内容所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，包括：接收单元、发射单元，接收单元包括低噪声放大模块，低噪声放大模块连接有电压电流转换模块，电压电流转换模块连接有两个下变频模块，下变频模块连接有跨阻放大模块，跨阻放大模块连接有第一低通滤波模块，第一低通滤波模块连接有可变增益放大模块，可变增益放大模块连接有模数转换模块，两个模数转换模块连接有第一集成单元，发射单元包括电阻，电阻连接有两个上变频模块，上变频模块连接有第二低通滤波模块，第二低通滤波模块连接有数模转换器，两个数模转换器连接有第二集成单元。
2.如权利要求1所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，第一集成单元包括第一基带滤波器、降采样滤波器、正交误差校正模块、直流偏移补偿模块、RSSI模块、Fast AGC模块、第一高速接口模块。
3.如权利要求1所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，低噪声放大模块选择源极输入结构，采用电感谐振寄生电容的方式，用单一低噪声放大器覆盖目标频率范围，承担增益粗调任务。
4.如权利要求1所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，借助DNW工艺，在下变频模块栅极及衬底加入可控偏压。
5.如权利要求1所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，在跨阻放大模块输入侧注入可控电流，以部分消除直流失调。
6.如权利要求5所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，跨阻放大模块输出端添加峰值检测，当接收通路进来大数据块，峰值检测可快速给出超阈值指示，从而可快速降低低噪放增益档。
7.如权利要求6所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，在可变增益放大模块输入侧注入可控电流，进一步消除直流失调。
8.如权利要求1所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，第二集成单元包括第二基带滤波器、插值模块、QEC模块、LOL模块、DDS模块、第二高速接口模块。
9.如权利要求8所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，数字基带信号经高速接口进到片上，经基带滤波和插值，进入数模转换器。
10.如权利要求9所述的一种宽带低噪高线性宽范围解调系统，其特征在于，模拟信号经第二低通滤波模块适当滤除镜像信号，在第二低通滤波模块输入端注入可控电流的方式校准载波泄露。
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