CN1183864A - 零差接收机的平衡压扩增量装置 - Google Patents

Abstract

揭示了一种平衡增量调制模数转换电路。第一主积分器产生第一输出信号,当产生第一控制信号时该信号上升,当产生第二控制信号时该信号下降。第二主积分器产生第二输出信号,当产生第一控制信号时该信号下降,当产生第二控制信号时该信号上升。然后基于第一和第二输出信号之间的差值产生第一和第二控制信号。

Description

零差接收机的平衡压扩增量变换

发明领域：

本发明涉及零差接收机的增量变换，而且更特别地涉及平衡增量调制模数转换电路。

发明背景：

本发明针对数字化模拟语音或无线电信号的新技术，这种新技术不是基于噪声成形而是基于压扩(在一点压缩信号量并在另一点通过扩展来恢复)、例如压扩增量调制。最熟知的压扩增量调制原理称为连续可变斜率增量(Comtinuously Variable-Slope Delta)即CVSD调制，并已用于这样的应用中—低比特率增量调制是最后的编码格式，需要以这种编码格式传输或存储语音。

美国专利No.5,241,702揭示了一种零差接收机，其中来自零中频下变频器的直流偏置通过使用增量调制变换中所固有的差分来去除。固有的差分然后可以通过在数字域数值地重建变换结果来去除。此外，实现宽动态范围的可能性通过使用具有可变阶梯大小的压扩增量调制变换来揭示。

可变阶梯大小可以通过改变电流源或电荷泵释放的电流大小来实现，该电流源或电荷泵被增量调制器用于增加或降低电容器上的电压来跟随该电流源。在这里结合作为参考的美国专利申请08/120,426进一步揭示了被增量调制变换的信号可以有利地用于与这个主积分电容器串联，该电容器的另一端连接到电荷泵以及比较器输入。

这个装置的优点在于比较器输入和电荷泵输出都工作在几乎恒定的电压上，这就简化了它们的设计并改善了其性能。

但是，当试图使电荷泵的电流大小在宽范围上变化时可能会出现实际的限制。最高电流电平受到所使用的泵浦三极管大小的限制，而最低门限受到大三极管的漏电流的限制。此外，上拉和下拉电荷泵设备的电流电平之间的不匹配会引起信号转换中的误差，表现为重建信号上升或下降的斜率。减轻斜率问题的一个方法在美国专利申请No.08/401,127中描述，该申请题为“Slope，Drift and Offset Compensation In zero-IFReceivers”，于1995年3月9日提交，估计了斜率并在重建过程中增加了一个校正项以便补偿它。校正项可能需要响应电荷泵电流大小的编程而动态改变。在另一种方法中，数字阶梯大小值可以存储而且对应于电荷泵上拉和下拉电流电平而分别适配，以便保证数字重建信号精确地对应于主积分电容器所进行的电荷的模拟积分。但是，在这种方法中，可能必须对应于不同的电荷泵电流电平而具有多个适配值，这是一个复杂因素。这些现有技术中的缺点可以通过使用根据本发明的改进的平衡增量调制变换来减轻。

揭示的内容：

本发明的一个目的是通过揭示一种包括两个双极性电荷泵的平衡增量调制器克服上述缺点，这两个电荷泵在相反方向上使能以便在不同方向上对两个类似的电容器充电或放电。根据本发明，当一个电容器上的电压被拉高时另一个电容器上的电压被拉低，反之亦然。电容器上的电压差由一个比较器来检测，以确定需要哪个方向的充电/放电，以此保持两个电容器上的电压尽可能地接近。由于启动电荷泵而引起的电压差的改变总是带来一侧的上拉电流以及另一侧的下拉电流，本发明对上拉和下拉装置之间的不匹配不敏感。

这种不敏感通过使用分立的共模传感器而进一步地增强了，该传感器检测两个电容器的平均电压，并控制每个电荷泵上的漏电流调整源使得共模电压被保持接近中点。这样，电荷泵可以编程到的最低可用电流大小不受漏电流限制，而是受至少少一个数量级的漏电流差值限制。这样，可以提供具有改进动态范围的增量调制变换。

根据本发明的一个实施例，揭示了一种平均增量调制模数转换电路。第一积分器装置产生第一输出信号，当第一控制信号产生时上升，当第二控制信号产生时下降。第二主积分装置产生第二输出信号，当第一控制信号产生时下降，当第二控制信号产生时上升。差分装置响应第一和第二输出信号之间的差值并产生第一和第二控制信号。

根据本发明的另一实施例，揭示了一种改进的零差无线接收机，正交下变频装置使用天线接收无线电信号并以相应反转的I和Q分量产生信号的同相和正交分量。第一平衡增量调制器变换装置具有I分量和反转I分量的输入，以规则时钟速率产生第一上/下命令序列。第二平衡增量调制器变换装置具有Q分量和反转Q分量的输入，以规则时钟速率产生第二上/下命令序列。压扩装置响应第一和第二上及下命令序列以产生控制第一和第二增量调制器的阶梯大小值。第一重建器装置响应第一上/下序列，从I累加器中增加或减去阶梯大小。第二重建器装置响应第二上/下序列，从Q累加器中增加或减去阶梯大小。

附图的简要描述：

本发明现在参考发明的优选实施例做更详细的描述，通过举例的方式给出，并在所附的图中进行说明，其中：

图1说明现有技术的增量调制输入电路；

图2说明根据本发明一个实施例的带共模调整的平衡压扩增量调制器；

图3说明一个有源麦克风与所发明的平衡转换器的连接；

图4说明在图3中提供电源噪声抑制的另一种电路；以及

图5说明根据本发明一个实施例的零差接收机。

优选实施例的详细描述：

图1说明现有技术的增量调制器输入电路装置，如美国专利申请No.08/120,426中所揭示的，在这里结合作为参考。具有瞬时电压输出Vs信号电压源11连接到主积分器12的一端，该积分器具有与电压源11相反的电压量Vc。电压Vs减去Vc的差值出现在电容器12的另一端并连接到比较器13的一个输入和电荷泵电路15的输出。另一个比较器输入连接到一个固定参考电压，它可以很方便地是电源电平和Vcc/2电压之间的中值。如果比较器13检测到电压Vs减去Vc的差大于参考Vcc/2，比较器输出高电平或二进制“1”。但是如果比较器13检测到差值电压小于参考Vcc/2，比较器输出低电平或二进制“0”。这个输出值以规则间隔抽样进入以规则时钟脉冲触发的D触发器14。如果触发器14的抽样输出是高，那么电荷泵15通过放出下拉电流减去Vs减Vc的电压差。但是，如果触发器14的抽样输出是低，那么电荷泵15通过放出上拉电流减去电压差。这样，Vs减去Vc的电压差被保持为尽可能地接近参考电压Vcc/2，此时比较器13输入和电荷泵15输出最优选地工作。

当输入电压Vs不变时，希望触发器14的输出在序列101010101中的高和低电平或1和0之间变化，这称为空闲模式。空闲模式使电荷泵交替地将电容器12上的电荷Vc升高和降低，以便Vs减去Vc的电压差在参考电压Vcc/2附近徘徊。但是，这只在上拉和下拉电流精确相等时才会出现，如果下拉期间拉出电容器的电荷精确地等于上拉期间加上的电荷就会更精确。但是，精确的相等在实际中是不能得到的。因此，空闲模式101010101伴随Vs减去Vc的电压差在一个方向上缓慢的漂移，使得迟早会需要附加一个1或0来纠正该漂移。因此可能出现101010110101011010或1010100101010010101001这样的空闲模式。当这些序列加到上/下计数器或数字积分器以通过美国专利No.5,241,702中描述的数字重建来重建信号电压时，通过加上或减去一个小的阶梯值该重建值将不会在恒定电压附近振荡，但是每次遇到两个连续比特时会前进两个阶梯，这样引起该值向一个方向漂移，这是不希望出现的。

本发明通过图2所示的改进的平衡电路来减轻这个问题。两个类似于图1揭示的电路分别通过主积分器电容21和22以及电荷泵23和24来构成。电荷泵23和24通过驱动电路31在相反方向驱动，使电荷泵23上拉而电荷泵24下拉，反之亦然。上拉和下拉电流的不等需要同等地加到两侧，因为两个电路几乎可以完全一样地构造在同一集成电路衬底上。因此，在10101010空闲模式期间电容21上的电压漂移趋势将匹配为电容22上相等的电压漂移趋势，这样差分对29检测的差值将不会觉察到漂移。来自差分对29的放大并校正了漂移的电压加到标准比较器电路的输入，例如图1的模块3中所示的那个比较器，其输出被例如触发器4的触发器提供时钟，以便确定电荷泵23和24是否将反转它们的电流方向。

尽管两个电容器21和22具有相等的漂移方向趋势，但是不能允许它们的电压不确定地向同一方向漂移。因此，除了使用差分放大器29检测差值电压，也检测共模电压并提供给共模反馈电路30，根据所需的漂移方向调整电流源25和27或26和28以便在合理范围内维持共模电压。此外，输入信号源20不必具有平衡输出。单端信号源可以连接到平衡增量调制器的一侧，其另一侧连接到地或参考电位。

但是，当用于与平衡信号源连接以实现共模噪声抵消时所发明的平衡变化器提供了最佳性能，该噪声可能出现在集成电路芯片内部或从外部连接上拾取。图3表示可以如何使用现有的2端有源麦克风传感器产生变换器的平衡信号源。压电器件31典型地连接到具有漏极负载电阻35的结型FET晶体管放大器33。通过在设备的地线A加上相等的电阻34，在A和B端得到平衡反相输出信号，它们可以通过主积分器电容C11、C12连接到图2中所发明的平衡增量调制电路。

图4中说明的另一种装置可用于实现Vcc线上改进的电源噪声抵消，通过选择电阻器R1、R2和R3使点A和B上出现的电源噪声相等并同相来实现。然后这个共模信号被平衡变换器电路抑制。R1、R2和R3的实际值可以由本领域的一般技术人员通过使用模拟电路模拟程序并设置R3的第一近似值等于1/Gm-Gm是FET的跨导—来确定，将R2设置为等于R1-1/Gm从而提供平衡信号输出。

对本领域一般技术人员很显然的是本发明可以合并以产生改进的压扩增量调制器以及这样的装置对于零差接收机中I和Q数字化的优点。本发明可以很好地与美国专利No.5,241,702中揭示的技术以及美国专利申请No.07/967,027中描述的多模信号处理技术结合，它们在这里结合作为参考以提供图5中所示的模拟或数字调制无线信号的接收机。

图5表示接收信号的天线41以及排除强带外信号并防止这样的信号使低噪声放大器42饱和的滤波器42。来自低噪声放大器43的放大信号驱动两个连接到正交本振46的正交混频器44和45，正交本振受频率合成器的控制，中心频率在所需的信号频率上。振荡器信号到天线41的不需要的耦合代表了对所需信号的相干干扰而且是正交混频器44和45的输出表现出DC偏移的主要原因，它可比所需信号大几个数量级。这些偏移在模数转换处理过程中通过应用美国专利No.5,241,702所揭示的技术用差分去掉，后面跟随模块50、51或52中的数字域重建。所发明的平衡增量调制是一种在AD转换过程中完成差分的改进方法，而且由都可以根据图2设计的模块47和48执行。美国专利No.5,241,702揭示了公用阶梯大小压扩电路49，同时控制I转换器47和Q转换器48的阶梯大小。然后在各个增量PCM转换器50和51中应用所确定的阶梯大小，转换器用在这里结合作为参考的美国专利申请No.08/120,426中所揭示的原理重建I、Q信号的二进制表示。数字化的二进制I、Q信号可以进行处理以便按照美国专利申请No.07/967,027中揭示的技术根据AMPS格式提取模拟频率调制或根据美国数字蜂窝标准IS54提取数字调制。此外，多模信号处理可以根据GSM数字蜂窝标准提取信号。这只需要为平衡低通滤波器53和54提供合适的带宽并恰当地选择抽样率。转换器50和51输出处的I和Q的恰当抽样率是：例如对于AMPS为80KHz，IS54为194.4KHz，而GSM为270.833KHz。

本发明包括独立控制其它类似的共模调整电流源25和27或26和28的另一个选项，以便分别补偿电荷泵13和14上拉/下拉电流失配造成的差值以及它们的漏电流造成的差值，它们限制了最低可用的电流大小。例如，这可以在驱动电路31不启动任何电荷泵的期间执行，已知此时漏电流占主导地位。所说明的来自比较器的可选反馈线路可以被共模调整电路30用于不等地调整电流源26和28或25和27，使得由于漏电流失配造成的共模和差模漂移可以被补偿。但是，即使没有这种细调，本发明也对上述电路漂移和动态范围限制提供了至少一个数量级的降低。

当本发明的特定实施例被描述和说明时，应该理解的是本发明不限于此，因为本领域的技术人员可以对其进行修改。本申请考虑落入下面所揭示和权利要求的发明精神和范围之内的任何以及所有的修改。

Claims (17)

1.一种平衡增量调制模数转换电路包括：

第一主积分器装置，产生第一输出信号，当第一控制信号产生时该信号上升，当第二控制信号产生时该信号下降；

第二主积分器装置，产生第二输出信号，当第一控制信号产生时该信号下降，当第二控制信号产生时该信号上升；以及

响应所述第一和第二输出信号之间差值并产生所述第一或第二控制信号的差分装置。

2.根据权利要求1的平衡增量调制模数转换电路，还包括：

共模控制装置，在所需范围内维持所述第一和第二输出信号的均值。

3.根据权利要求1的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述第一和第二主积分器每个都包括一个连接于所述控制信号所控制的电流源的电容器。

4.根据权利要求3的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述的至少一个电容的没有连接到所述电流源的另一端连接到一个输入，以便信号进行模数转换。

5.根据权利要求3的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述电容器没有连接到所述电流源的端连接到具有反转和非反转输出的平衡信号源。

6.根据权利要求1的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述第一和第二主积分器输出信号中的一个或两个也根据输入信号进行模数转换。

7.根据权利要求2的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述共模控制装置包括辅助电流源，分别连接到所述第一和第二主积分器并在电流大小和方向上受控以便稳定共模漂移。

8.根据权利要求7的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述辅助电流源也受控以防止由于漏电流不相等而造成的所述第一和第二输出电压之间差值的偏移。

9.根据权利要求8的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，当所述第一或第二控制信号没有加到所述积分器上时，调整所述差值漂移控制。

10.根据权利要求9的平衡增量调制模数转换电路，其特征在于，所述差值漂移控制独立工作在所述第一或第二控制信号上。

11.一种平衡增量调制模数转换电路包括：

第一主积分器装置，产生第一输出信号，当第一控制信号产生时该信号上升，当第二控制信号产生时该信号下降；

第二主积分器装置，产生第二输出信号，当第一控制信号产生时该信号下降，当第二控制信号产生时该信号上升；以及

在所需范围内维持所述第一和第二输出信号均值的共模控制装置。

12.根据权利要求11的平衡增量调制器电路，还包括，

响应所述第一和第二输出信号之间差值而产生所述第一或第二控制信号的差分装置。

13.一种改进的零差无线电接收机装置，包括：

正交下变频装置，使得用天线接收无线电信号并产生所述信号的同相I和正交Q分量以及相位反转的I、Q分量；

第一平衡增量调制器转换装置，具有I分量和反转I分量的输入，以规则时钟速率产生第一上/下命令序列；

第二平衡增量调制器转换装置，具有Q分量和反转Q分量的输入，以规则时钟速率产生第二上/下命令序列；

压扩装置，响应所述第一和第二上/下命令序列而产生控制所述第一和第二增量调制器的阶梯大小值；

第一重建装置，响应所述第一上/下命令序列，从I/Q累加器中增加或减少所述的阶梯大小；以及

第二重建装置，响应所述第二上/下命令序列，从Q累加器中增加或减少所述的阶梯大小。

14.一种改进的零差无线电接收机装置，包括：

正交下变频装置，使用天线接收无线电信号并产生所述信号的同相和正交分量；

第一平衡增量调制器转换装置，具有所述I分量的输入，以规则时钟速率产生第一上/下命令序列；

第二平衡增量调制器转换装置，具有所述Q分量的输入，以规则时钟速率产生第二上/下命令序列。

15.根据权利要求14的一种改进的零差接收机，其特征在于，所述平衡增量调制器使用可变阶梯大小。

16.根据权利要求13的一种改进的零差接收机，其特征在于，所述平衡增量调制器包括共模控制装置。

17.根据权利要求14的一种改进的零差接收机，其特征在于，所述平衡增量调制器包括共模控制装置。

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