CN201557106U - 具有高镜像抑制比的dab接收机射频前端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，属于接收机RF前端结构。该前端包括低噪声放大器、正交信号发生器、六个混频器、加法器、两个减法器及两个低通滤波器，低噪声放大器接入射频信号RF_IN后经正交信号发生器产生I和Q两路正交信号，I信号输入第一和第二混频器，Q信号输入第三和第四混频器，第一和第三混频器的输出端均连接加法器后再依次通过第一低通滤波器和第五混频器后连接第二减法器的输入端，第二和第四混频器的输出端均连接第一减法器后再依次通过第二低通滤波器和第六混频器后连接第二减法器的输入端，第二减法器输出中频信号IF_OUT。本实用新型大大降低了第一级高频本振的相位和增益失配敏感度。

Description

具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端

技术领域

本实用新型涉及一种接收机，尤其涉及一种具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，属于通信领域中的无线接收机RF前端结构。

背景技术

数字声广播(DAB)是第三代广播系统，比调幅(AM)和调频(FM)广播具有更出色的性能。它不仅能够提供达到CD音质的声音，还能提供数据和图像业务，因此受到广泛的关注。当前市场中有很多满足不同应用(车载、家庭、便携)的DAB接收机产品，由于成本大大超出普通消费者的承受范围，并且功耗和尺寸有待提高，这些都严重限制了DAB数字广播的发展，因此低成本且能够批量生产的接收机专用芯片的开发至关重要。无线接收RF前端IC则是其中的重点与难点。

射频前端IC设计的首要任务是选择一种合适的接收机射频前端架构，合适的系统架构对前端设计的成败尤为关键。

适合DAB接收机的结构主要有以下几种：

  超外差结构：具有高灵敏度，高选择性和高镜像抑制性能，但由于它的低集成度，高功耗以及需要外接片外镜像抑制滤波器和中频滤波器，而使得超外差结构并不适应当前的接收机射频前端。

低中频结构：具有低功耗，高集成度和适应多通信标准的优点，但它由于是采用正交通道，因此镜像抑制性能取决于正交通道的匹配性，尤其第一级正交本振信号和正交射频输入信号处在高频，所以第一级的相位和增益失配对镜像抑制性能影响尤为严重。

Weaver镜像抑制接收机结构：同低中频结构一样，其对正交通道的匹配性要求很高，尤其是高频的第一级本振，其相位和增益失配更是严重影响了接收机的镜像抑制性能。

实用新型内容

本实用新型针对背景技术中DAB接收机RF前端结构存在的缺陷，而提出一种镜像抑制性能高的基于传统Weaver镜像抑制结构的DAB接收机射频前端。

本实用新型的具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，包括低噪声放大器、正交信号发生器、第一混频器、第二混频器、第三混频器、第四混频器、第五混频器、第六混频器、加法器、第一减法器、第二减法器、第一低通滤波器和第二低通滤波器，其中：低噪声放大器接入射频输入信号RF_IN，低噪声放大器的输出端连接正交信号发生器的输入端，正交信号发生器的一个输出端分别连接第一混频器和第二混频器的输入端，正交信号发生器的另一个输出端分别连接第三混频器和第四混频器的输入端，第一混频器和第三混频器的输出端均连接加法器的输入端，第二混频器和第四混频器的输出端均连接第一减法器的输入端，加法器的输出端依次串接第一低通滤波器、第五混频器后连接第二减法器的输入端，第一减法器的输出端依次串接第二低通滤波器、第六混频器后连接第二减法器的输入端，第二减法器输出中频信号IF_OUT。

与传统的Weaver无线接收机前端相比，本实用新型第一级采用双正交下变频结构代替单正交下变频结构，该结构对于高频的第一级正交本振信号和正交射频输入信号相位和增益的失配不敏感，从而大大提高了无线接收机的镜像抑制性能。

下面从理论上说明本实用新型对镜像抑制性能的改善：

I.相位失配情况下的镜像抑制性能

传统Weaver接收机结构的镜像抑制比(IRR_conventional)为：

$\mathrm{IR}{R}_{\mathrm{conventional}}=10\log \frac{{\cos }^2(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{2}+\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{2})}{{\sin }^2(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{2}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{2})}=10\log \frac{1+\cos (\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2)}{1-\cos (\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(1\right)$

这里，Δθ₁和Δθ₂分别为传统Weaver接收机结构中本振信号LO1和LO2的相位误差；

本实用新型结构的镜像抑制比(IRR_proposed)为：

${\mathrm{IRR}}_{\mathrm{proposed}}=10\log \left(\frac{{\cos }^2\left(\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_1+{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)+\cos 2^{}\left(\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_1-{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)+2\cos \left(\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_1+{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)*\cos \left(\frac{{\mathrm{\Δ\θ}}_1-{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)*\cos {\mathrm{\θ}}_0}{s{\mathrm{in}}^2\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)+s{\mathrm{in}}^2\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)-2\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)*\sin \left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\Δ\θ}}_2}{2}\right)*\cos {\mathrm{\θ}}_0}\right)$

$=10\log \frac{1+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1)}{1-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1)}$

$=10\log \frac{1+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0)}{1-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0)}---\left(2\right)$

这里，Δθ₀、Δθ₁和Δθ₂分别为本实用新型结构中RF信号、本振信号LO1和LO2的相位误差；

对IRR_conventional和IRR_proposed这两个表达式中的正弦项和余弦项进行幂级数展开，由于相位误差比较小，忽略二次以上各项：

令Δθ₀＝x₀，Δθ₁＝x₁，Δθ₂＝x₂，即得：

${\mathrm{IRR}}_{\mathrm{conventional}}=10\log \frac{1+\cos (\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2)}{1-\cos (\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2)}=10\log \frac{1+{\cos x}_1\cos x_2-{\sin x}_1\sin x_2}{1-\cos x_1\cos x_2-\sin x_1\sin x_2}$

$=\frac{2-\frac{{x_1}^2}{2}-\frac{{x_2}^2}{2}+\frac{{x_1}^2{x_2}^2}{4}{-x}_1{x}_2}{\frac{{x_1}^2}{2}+\frac{{x_2}^2}{2}-\frac{{x_1}^2{x_2}^2}{4}-x_1{x}_2}---\left(3\right)$

${\mathrm{IRR}}_{\mathrm{proposed}}=10\log \frac{1+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0)}{1-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_0)}=10\log \frac{1+{\cos x}_0\cos x_2+\cos x_1(\cos x_2+\cos x_0)}{1-\cos x_0\cos x_2-\cos x_1({\cos x}_2-{\cos x}_0)}$

$=10\log \frac{4-{x_0}^2-{x_1}^2-{x_2}^2+\frac{{x_0}^2{x_1}^2}{4}+\frac{{x_1}^2{x_2}^2}{4}+\frac{{x_2}^2{x_0}^2}{4}}{{x_2}^2+\frac{{x_0}^2{x_1}^2}{4}-\frac{{x_1}^2{x_2}^2}{4}-\frac{{x_2}^2{x_0}^2}{4}}---\left(4\right)$

当Δθ₀、Δθ₂保持不变，考虑IRR_conventional和IRR_proposed对Δθ₁的敏感程度：(3)式的分子分母各含有Δθ₁的一次项，而(4)式的分子分母中Δθ₁均是二次项，并且由于Δθ₁是一个无穷小量，因此(4)式相对于(3)式来说对Δθ₁不敏感；

同理，由于Δθ₀和Δθ₁是对称关系，因此(4)式相对于(3)式来说对Δθ₀不敏感；

因此，本实用新型结构对第一级正交本振信号LO1和正交射频信号的相位误差不敏感，因此镜像抑制比主要由低频LO2的相位误差决定，所以本实用新型结构减少了镜像抑制比对第一级本振相位失配的敏感度，大大提高了镜像抑制性能。

II.增益失配情况下的镜像抑制性能

传统Weaver接收机结构和本实用新型结构对增益失配的镜像抑制比(IRR′)分别为：

$\mathrm{IR}{R}_{\mathrm{conventional}}^{\′}=20\log \left(\frac{2+\mathrm{\ΔA}}{\mathrm{\ΔA}}\right)---\left(5\right)$

$\mathrm{IR}{R}_{\mathrm{proposed}}^{\′}=20\log \left(\frac{4+\mathrm{\Δ}{A}_1}{\mathrm{\Δ}{A}_1}\right)---\left(6\right)$

其中：ΔA和ΔA₁分别为传统Weaver接收机结构和本实用新型结构中的增益失配；

从(5)式和(6)式可以看出，与传统Weaver接收机结构相比，本实用新型结构在相同增益失配的情况下镜像抑制比提高了约6dB。

综上所述，本实用新型结构能够减小镜像抑制对于高频的第一级正交本振信号和正交射频输入信号的相位和增益失配敏感度，大大提高了接收机的镜像抑制性能。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的实现原理图。

图1和图2中：1为低噪声放大器；2、21、22、23均为正交信号放大器；31、32、33、34、71、72分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六混频器；4为加法器；51、52分别为第一、第二减法器；61、62分别为第一、第二低通滤波器；81、82均为差分转单端信号电路；91、92均为单端转差分信号电路。

图3是低噪声放大器的电路原理图。

图4是单端转差分信号电路原理图。

图5是两阶RC多相滤波器电路原理图。

图6是吉尔伯特(Gilbert)混频器电路原理图。

图7是差分转单端信号电路原理图。

图8是低通滤波器电路原理图。

图9是减法器电路原理图。

具体实施方式

本实用新型是一种适用于DAB接收机的射频前端结构，它的核心二次变频结构是在传统Weaver镜像抑制接收机的基础上做了改进——将第一级的单正交下变频结构用双正交下变频结构代替，其结构如图1所示，包括低噪声放大器1、正交信号发生器2、第一混频器31、第二混频器32、第三混频器33、第四混频器34、第五混频器71、第六混频器72、加法器4、第一减法器51、第二减法器52、第一低通滤波器61和第二低通滤波器62，其中：低噪声放大器1接入射频输入信号RF_IN，低噪声放大器1的输出端连接正交信号发生器2的输入端，正交信号发生器2的I信号(同相信号)输出端分别连接第一混频器31和第二混频器32的输入端，正交信号发生器2的Q信号(90度正交信号)输出端分别连接第三混频器33和第四混频器34的输入端，第一混频器31和第三混频器33的输出端均连接加法器4的输入端，第二混频器32和第四混频器34的输出端均连接第一减法器51的输入端，加法器4的输出端依次串接第一低通滤波器61、第五混频器71后连接第二减法器52的输入端，第一减法器51的输出端依次串接第二低通滤波器62、第六混频器72后连接第二减法器52的输入端，第二减法器52输出中频信号IF_OUT。

本实用新型的工作过程如下：天线接收的微弱信号通过射频滤波器BPF后得到射频输入信号RF_IN，再经低噪声放大器1后通过正交信号发生器2产生两路正交信号，即同相信号I和90度正交信号Q，同相信号I通过第一和第二混频器31、32分别与本振信号LO1I(同相)和LO1Q(正交)混频，90度正交信号Q通过第三和第四混频器33、34分别与本振信号LO1Q(正交)和LO1I(同相)混频，混频后第一至第四混频器31～34分别输出I-I、I-Q、Q-Q、Q-I四路信号，其中：I-I和Q-Q信号通过加法器4相加再通过第一低通滤波器61后在第五混频器71中与本振信号LO2I(同相)混频，I-Q和Q-I信号通过第一减法器51相减再通过第二低通滤波器62后在第六混频器72中与本振信号LO2Q(正交)混频，第五和第六混频器71、72的输出信号通过第二减法器52后得到所需要的中频信号IF_OUT，此时镜像信号被抵消，中频信号IF_OUT通过A/D转换和数字信号处理DSP后传输给外部设备。

如图2所示是本实用新型的实现原理图，它是采用标准CMOS工艺实现的。本实现中，由于信号采用差分结构，所以需要单端转差分和差分转单端电路。该实现原理图主要由以下模块构成：低噪声放大器1；正交信号发生器21、22、23；混频器31～34、71、72；低通滤波器61、62；差分转单端信号电路81、82；单端转差分信号电路91、92；减法器。下面分别说明以上模块的实现：

1)低噪声放大器

低噪声放大器设计采用常用的源端电感反馈LNA结构，它能够在保证输入阻抗匹配的条件下，通过优化达到最佳的噪声系数，其电路结构如图3所示。

2)单端转差分信号电路

射频输入信号RF_IN和本振信号LO均需要转换成差分信号，这里单端转差分信号电路采用常用的级联共源/共栅结构，其电路结构如图4所示。

3)正交信号发生器

因为需要产生正交的射频RF输入信号和四路本振LO信号，需要三个正交信号发生器，这里我们采用两阶RC多相滤波器结构，其电路结构如图5所示。

4)混频器

本实施例中，所有混频器均采用吉尔伯特(Gilbert)双平衡混频器，其电路结构如图6所示。

5)差分转单端信号电路

本实施例中，混频器后的差分转单端信号电路结构如图7所示。

6)低通滤波器

低通滤波器均采用七阶切比雪夫(Chebyshev)滤波器，其电路结构如图8所示。

7)减法器

减法器采用如图9所示的运算放大器A构成的减法器，图中电阻R3＝R4＝R5＝R6，并满足vo＝v2-v1。

Claims (5)

1.一种具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，其特征在于：包括低噪声放大器(1)、正交信号发生器(2)、第一混频器(31)、第二混频器(32)、第三混频器(33)、第四混频器(34)、第五混频器(71)、第六混频器(72)、加法器(4)、第一减法器(51)、第二减法器(52)、第一低通滤波器(61)和第二低通滤波器(62)，其中：低噪声放大器(1)接入射频输入信号RF_IN，低噪声放大器(1)的输出端连接正交信号发生器(2)的输入端，正交信号发生器(2)的一个输出端分别连接第一混频器(31)和第二混频器(32)的输入端，正交信号发生器(2)的另一个输出端分别连接第三混频器(33)和第四混频器(34)的输入端，第一混频器(31)和第三混频器(33)的输出端均连接加法器(4)的输入端，第二混频器(32)和第四混频器(34)的输出端均连接第一减法器(51)的输入端，加法器(4)的输出端依次串接第一低通滤波器(61)、第五混频器(71)后连接第二减法器(52)的输入端，第一减法器(51)的输出端依次串接第二低通滤波器(62)、第六混频器(72)后连接第二减法器(52)的输入端，第二减法器(52)输出中频信号IF_OUT。

2.根据权利要求1所述的具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，其特征在于：所述正交信号发生器(2)分别连接第一混频器(31)和第二混频器(32)输入端的输出端为同相信号输出端；所述正交信号发生器(2)分别连接第三混频器(33)和第四混频器(34)输入端的输出端为90度正交信号输出端。

3.根据权利要求1所述的具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，其特征在于：所述低噪声放大器(1)采用源端电感反馈的LNA结构。

4.根据权利要求1所述的具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，其特征在于：所述第一至第六混频器(31、32、33、34、71、72)均采用吉尔伯特双平衡混频器。

5.根据权利要求1所述的具有高镜像抑制比的DAB接收机射频前端，其特征在于：所述第一和第二低通滤波器(61、62)均采用七阶切比雪夫滤波器。

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