CN117388813B - 一种提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及芯片技术领域，尤其涉及一种提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法及系统，包括分别采集收发芯片的输出中频信号和输入基带信号，计算两信号之间的相关峰值；设置吸收负载的控制位的状态，利用逐次逼近法对控制位进行粗调，找到相关峰值的最佳匹配值和对应最佳控制位；利用线性逼近法对最佳控制位进行微调。本发明解决现有全双工雷达电路中由于天线与负载的偏差、变压器的非理想性等因素会使得收发隔离度低，造成变压器副边信号不为零，进而影响接收端性能的问题。
Description
技术领域
本发明涉及芯片技术领域，尤其涉及一种提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法及系统。
背景技术
如图2为全双工雷达、通讯芯片中射频前端典型双工结构；其中，发射信号通过功放沿路径1，2传输；理想状态下，发射功率一般从天线发射出去，另一半由50Ω负载吸收，在变压器的负端形成信号路径4，由于信号路径1和信号路径2在变压器负端形成幅度相等，方向相反的信号，正常情况下信号路径4的信号为0；但在实际芯片和应用中，由于天线阻抗与50Ω负载的偏差，变压器的非理想性等因素会使得收发隔离度降低，信号路径4的功率比较大，往往只比发射信号功率小20~30dB，这样会对接收电路的线性度和信号处理带来很大的难度。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明解决现有全双工雷达电路中由于天线与50Ω负载的偏差、变压器的非理想性等因素会使得收发隔离度低，造成变压器副边信号不为零，进而影响接收端性能的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法及系统包括以下步骤：
步骤一、分别采集经AD转换后的下变频器的中频信号和输入端的基带信号，计算两信号之间的相关峰值；
作为本发明的一种优选实施方式，相关峰值采用互相关算法，计算公式为：
其中，为基带信号和/>为中频信号，/>为时间积分量。
互相关函数用于衡量两个信号之间相似性的方法，通过将一个信号与另一个信号进行卷积运算，峰值表示两个信号之间的最大相似度。
步骤二、设置吸收负载的控制位的状态，利用逐次逼近法对控制位进行粗调，找到相关峰值的最佳匹配值和对应最佳控制位；
作为本发明的一种优选实施方式，利用逐次逼近法对相关峰值进行粗调包括：
芯片上电时，吸收负载的控制位的初始状态取控制位的中间值，并以初始状态控制位的相关峰值为初始基准值；
以初始状态为起点，同时向左向右或先后向左向右或先后向右向左进行对半查找第一状态的控制位；
向右查找时：
当右第一状态的相关峰值大于初始基准值时，初始基准值不变，并以右第一状态为起点向左再对半查找右第二状态；
当右第一状态的相关峰值小于初始基准值时，将右第一状态的相关峰值设置为初始基准值，并以右第一状态为起点向右再对半查找右第二状态；
不断循环进行对半查找，找到向右查找时的第一最小相关峰值；
向左查找时：
当左第一状态状态的相关峰值大于初始基准值，初始基准值不变，并以左第一状态为起点向右再对半查找左第二状态；
当左第一状态的相关峰值小于初始基准值时，将左第一状态的相关峰值设置为初始基准值，并以左第一状态为起点向左再对半查找左第二状态；
不断循环进行对半查找，找到向左查找时的第二最小相关峰值；
取第一最小相关峰值和第二最小相关峰值中最小值对应的控制位状态为最佳控制位。
由于全双工雷达电路的隔离度的变化为非线性的，通常为若干段抛物线趋势线，所以利用双向和对半查找相关峰的最小值，不断循环进行对半查找，使查找的次数不断减少，查找效率明显提升；进而调节吸收负载阻抗，得到最佳隔离度；此时变压器的副边干扰值最小，全双工雷达电路的接收端性能最佳。
步骤三、利用线性逼近法对最佳控制位进行微调。
作为本发明的一种优选实施方式，具体包括：
芯片工作时，以最佳控制位的相关峰值为基准值，计算最佳控制位与相邻两个状态之间的相关峰值的大小；如果大于基准值，则最佳控制位不变；否则，最佳控制位减1或加1；更新最佳控制位，并按检测周期更新最佳控制位。
将最佳控制位向相邻两个状态中相关峰值较小的控制位移动，按照设定检测周期，不断微调，使控制位始终处于最小相关峰值的最佳控制位。
作为本发明的一种优选实施方式，控制位的状态为2N-1，N为位数。
自定义设置控制位的状态，可以针对不同应用场景，提高检测精度。
作为本发明的一种优选实施方式，吸收负载采用RLC谐振电路，调节R、L、C的控制位来改变RLC谐振电路的特征阻抗；其中，R为电阻，L为电感、C为电容。
利用RCL谐振电路，对R、L、C的值进行调整，控制实现简单。
作为本发明的一种优选实施方式，存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法。
本发明的有益效果：
1、通过相关峰值的计算，找到最小相关峰值，进而粗调和微调吸收负载阻抗，使雷达接收端干扰值最小，提高接收端性能；
2、采用逐次逼近法对相关峰值进行粗调，可以快速查找到最佳控制位；当快速查找到最佳控制位时，再利用线性逼近法对最佳控制位进行微调，使雷达接收端性能稳定在最佳状态。
附图说明
图1是本发明的全双工收发芯片收发隔离度校准逻辑框图；
图2是典型的全双工收发前端结构图；
图3是本发明粗调微调模块逻辑示意图；
图4是控制位的状态为15时采用逐次逼近法粗调示意图；
图5是本发明软件模拟仿真示意图；
图6是现有发射端、接收端和收发隔离度的损耗图；
图7是采用控制位粗调的发射端、接收端和收发隔离度的损耗图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，全双工收发芯片收发隔离度校准逻辑框图，在噪放的输出端输入下变频器得到模拟信号，将模拟信号输入ADC模块后输出数字信号，将数字信号输入控制位粗调微调模块后得到输出数字信号，并输入DAC模块后得到新的模拟信号，新的模拟信号输入吸收负载从而调节信号路径2的强度，从而有效控制信号路径4的强度。
发射端的基带信号经上变频和功放放大后，经变压器通过天线发射出去，由于变压器的非理想性，使其隔离度恶化，在接收端出现较大功率的发射信号，对接收电路及信号处理带来干扰；在接收通道下变频后的中频信号中会出现与发射信号相关的干扰信号，干扰信号可能是较大的直流信号、固定频率的干扰信号或者是与发射信号样式相同的信号，以及高次谐波。
如图3，一种提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法包括以下步骤：
步骤一、分别采集经AD转换后的下变频器的中频信号和输入端的基带信号，计算两信号之间的相关峰值；
相关峰值是采用互相关（Cross-Correlation）算法；在信号处理领域中，互相关是用来表示两个信号之间相似性的一个度量，通常通过与已知信号比较用于寻找未知信号中的特性；它是两个信号之间相对于时间的一个函数，有时也称为滑动点积，反映两个函数在不同的相对位置上互相匹配的程度，互相关计算公式：
其中，为基带信号和/>为中频信号，/>为时间积分量。
将接收通道的中频信号与发射端的基带信号进行互相关运算，发射端的基带信号作为其中一个信号，相关峰值反映发射通道、泄露通道和接收通道中信号的强度。
步骤二、设置吸收负载的控制位的状态，利用逐次逼近法对控制位进行粗调，找到相关峰值的最佳匹配值和对应最佳控制位；
改变吸收负载的阻抗可直接影响收发通道隔离度，进而体现在相关峰值上，在芯片启动时，通过逐次逼近法可快速搜索到相关峰的最小值。
由于中频信号和基带信号存在波动，所以计算出的相关峰值的趋势可能是非线性的，所以需要通过逐次逼近法进行查找。
吸收负载的控制位可以根据需要进行自定义设置，设位数为N，则控制位的状态为2N-1，本实施例中假设吸收负载的控制位为N=3共7个状态；
芯片上电后，吸收负载的控制位初始状态为7个状态的中间值，即初始状态4；计算此时的相关峰值，并作为初始基准值。
以初始状态4为基准，向右对半查找，也可以先向左对半查找，再向右对边查找；也可以同时向左向右：
取右第一状态为6时，对半查找的右第一状态也可以为5；计算右第一状态为6的相关峰值，将右第一状态为6的相关峰值与初始状态为4的初始基准值比较：
如果右第一状态为6的相关峰值大于初始基准值，则初始基准值保持不变，并以右第一状态为6为起点，向左查找右第二状态5，并计算右第二状态5的相关峰值，并将右第二状态5的相关峰值与初始基准值比较，如果小于初始基准值，则将初始基准值替换为右第二状态5的相关峰值，否则初始基准值不变。
如果右第一状态为6的相关峰值小于初始基准值，则将右第一状态为6的相关峰值作为初始基准值，向右查找右第二状态7，由于6和7之间无法再对半查找，所以右第二状态就是7；如果右第二状态为7的相关峰值小于初始基准值，将初始基准值替换为右第二状态为7的相关峰值；
即选择右第二状态7或右第二状态5的相关峰值作为第一最小相关峰值。
以初始状态4为基准，向左对半查找：
取左第一状态为2时，对半查找的左第一状态也可以为3，计算左第一状态为2的相关峰值，将左第一状态为2的相关峰值与初始状态为4的初始基准值比较：
如果左第一状态为2的相关峰值大于初始基准值，则初始基准值保持不变，并以左第一状态为2为起点，向右查找左第二状态3，并计算左第二状态3的相关峰值，并将左第二状态3的相关峰值与初始基准值比较，如果小于初始基准值，则将初始基准值替换为左第二状态3的相关峰值，否则初始基准值不变。
如果左第一状态为2的相关峰值小于初始基准值，则将左第一状态为2的相关峰值作为初始基准值，向左查找左第二状态1，由于1和2之间无法再对半查找，所以左第二状态就是1；如果左第二状态为1的相关峰值小于初始基准值，将初始基准值替换左第二状态为1的相关峰值；
即选择左第二状态1或左第二状态3的相关峰值作为第二最小相关峰值。
然后比较第一最小相关峰值和第二最小相关峰值，取最小值作为最佳匹配值，并得到对应的控制位的最佳状态；通过调节吸收负载阻抗，使得相关峰值达到最小值即为最佳匹配值，得到最佳隔离度；至此，完成芯片启动时的初步校准。
图4以控制位的状态为15时，比较直观显示逐次逼近法的查找过程，初始状态为控制位1-15的中间值8，向右和向左同时进行下一状态的相关峰值查找，不断进行对半查找，分别找到右第三状态和左第四状态时为最小相关峰值，取这两个值中的较小值为最佳状态，即不断向相关峰值小的方向进行逼近查找；当控制位的状态达到千位时，该查找方法优势更加明显，在此不再枚举；需要注意的是采用本发明构思的其他状态也应在本发明保护范围内。
吸收负载采用RLC谐振电路实现，电阻R可采用电阻阵列实现可变电阻，电容C可采用电容阵列或压控电容来实现可变电容器，电感L可采用有源电感实现可变电感；通过调节R、L、C的控制位来改变RLC谐振电路的特征阻抗，来达到调节吸收负载的阻抗。
步骤三、利用线性逼近法对最佳控制位进行微调。
初步校准后，芯片正常工作；此时由于温度，电压等变化，会使吸收负载阻抗存在波动，因此采用线性逼近法进行微调；当前时刻以最佳匹配值为基准，比较最佳匹配值控制位与相邻两个控制位的相关峰值的大小；如果相邻两个控制位小于最佳匹配值控制位则控制位的最佳状态进行加1或减1，否则不变；例如左邻控制位的相关峰值小于控制位的最佳状态，则最佳匹配值控制位减1，反之右邻时加1；后续时刻不断循环，使吸收负载的控制位保持最佳状态；例如初步校准完成时最佳状态为3，下一时刻将状态2和状态4的相关峰值比较，如果状态3>状态2>状态4，则最佳状态修改为4，依次类推，按照检测周期不断循环进行微调，检测周期可以自定义设置。
如图5，在UMC 55nm CMOS工艺下，采用cadence的ams、spectrerf和emx等EDA软件对粗调过程及所使用器件进行仿真；变压器采用顶层金属设计输入带中心抽头的平面螺旋变压器，并使用emx软件对其进行电磁仿真，生成模型；再通过ams进行数模混合仿真取得吸收负载的最优值配置参数；再通过spectrerf根据图5结构进行S参数仿真，得到校准前和较准后的S12、S13和S32参数；
其中，PORT1接到功率放大器的输入口，PORT2接到理想的balun的输出端，理想balun可将变压器次级的信号无损的转换为单端信号；PORT3连接天线的输入口。
如图6、7所示分别是采用未采用和采用本发明粗调方法时发射端、接收端和收发隔离度的损耗对比图；图中，S12代表收发隔离度损耗，S13代表发射端的损耗，S32表示接收端的损耗；图6中M11、M12、M13分别是S32、S13、S12频率在9.41GHZ时对应的信噪比，分别为-3.44339dB、-4.3004dB、-37.3747dB；图7中M9、M10、M8分别是S32、S13、S12频率在9.41GHZ时对应的信噪比，分别为-3.49908dB、-3.24513dB、-64.4662dB；从两图对比可以看出，经过校准收发隔离度提高了约27dB。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、分别采集收发芯片的输出中频信号和输入基带信号，计算两信号之间的相关峰值；
步骤二、设置吸收负载的控制位的状态，利用逐次逼近法对控制位进行粗调，找到相关峰值的最佳匹配值和对应最佳控制位；
步骤三、利用线性逼近法对最佳控制位进行微调；
相关峰值采用互相关算法，公式为：
；
其中，为基带信号和/>为中频信号，/>为时间积分量；
利用逐次逼近法对控制位进行粗调包括：
芯片上电时，吸收负载的控制位的初始状态取控制位的中间值，并以初始状态控制位的相关峰值为初始基准值；
以初始状态为起点，同时向左向右或先后向左向右或先后向右向左进行对半查找第一状态的控制位；
向右查找时：
当右第一状态的相关峰值大于初始基准值时，初始基准值不变，并以右第一状态为起点向左再对半查找右第二状态；
当右第一状态的相关峰值小于初始基准值时，将右第一状态的相关峰值设置为初始基准值，并以右第一状态为起点向右再对半查找右第二状态；
不断循环进行对半查找，找到向右查找时的第一最小相关峰值；
向左查找时：
当左第一状态的相关峰值大于初始基准值，初始基准值不变，并以左第一状态为起点向右再对半查找左第二状态；
当左第一状态的相关峰值小于初始基准值时，将左第一状态的相关峰值设置为初始基准值，并以左第一状态为起点向左再对半查找左第二状态；
不断循环进行对半查找，找到向左查找时的第二最小相关峰值；
取第一最小相关峰值和第二最小相关峰值中最小值对应的控制位状态为最佳控制位。
2.根据权利要求1所述的提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法，其特征在于，芯片工作时，以最佳控制位的相关峰值为基准值，计算最佳控制位与相邻两个状态之间的相关峰值的大小；如果大于基准值，则最佳控制位不变；否则，最佳控制位减1或加1，更新最佳控制位，并按检测周期更新最佳控制位。
3.根据权利要求1所述的提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法，其特征在于，控制位的状态为2N-1，N为位数。
4.根据权利要求1所述的提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法，其特征在于，吸收负载采用RLC谐振电路，调节R、L、C的控制位来改变RLC谐振电路的特征阻抗；其中，R为电阻，L为电感、C为电容。
5.提高全双工收发芯片收发隔离度校准系统，其特征在于，包括：存储器，用于存储可由处理器执行的指令；处理器，用于执行指令以实现如权利要求1-4任一项所述的提高全双工收发芯片收发隔离度校准方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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