JP2006025425A - Rf受信器ミスマッチ校正システム及び方法 - Google Patents

Rf受信器ミスマッチ校正システム及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 送信器又はデジタル基本帯域を必要とせずにRFトランシーバーの位相ミスマッチを校正する。
【解決手段】 通常モード及び校正モードで動作することのできるRF受信器を含むRFシステムのための校正システム。この校正システムは、RF受信器のIチャンネル出力及びQチャンネル出力の少なくとも一方に設けられた位相遅延ユニットを備えている。更に、システムは、RF受信器のIチャンネル出力とRF受信器のQチャンネル出力との間の位相差を検出するように構成された位相検出器も備えている。更に、システムは、位相検出器により与えられる位相差に基づいてRF受信器へデジタル校正制御信号を与えるように構成された校正制御ユニットも備えている。
【選択図】 図6

Description

本発明は、一般に、ワイヤレス通信の分野に係る。より詳細には、本発明は、RF受信器のミスマッチ校正に係る。
近年、ワイヤレスローカルエリアネットワーク(LAN)や、ホームワイヤレス制御システムや、ワイヤレスマルチメディアセンターのようなワイヤレス通信の需要が著しく増大した。この需要増大に伴い、より広い帯域巾、よりパワフルで且つより安価なチップへの関心が高まっている。例えば、IEEE802.11b規格により提示された最大11Mb/s帯域巾では、より広い帯域巾について増大する需要を満足できない。むしろ、802.11g又は11a規格により提示される54Mb/sレートの方が好ましい。この帯域巾において20MHz巾のチャンネルだけで送信するためには、簡単な2進位相シフトキーイング(BPSK)又は直角位相シフトキーイング(QPSK)以外の、より進歩した変調方法を採用しなければならない。IEEE802.11a/gワイドローカルエリアネットワーク(WLAN)システムでは、データがBPSK、QPSK、16QAM(直角振幅変調)又は64QAMで変調され、そして更に、直交周波数分割多重化(OFDM)信号の52個のサブキャリアへとマップされる。
広い帯域巾の利点を取り入れるために、精巧な変調方法を伴うOFDMベースのワイヤレスシステム及び他の無線システムは、実施の上で著しい難題を課する。これらの難題は、RFチップ内で帯域内位相ノイズが低く、直線性が高く且つ直角マッチングが正確であることを要求する。これらの中で、直角マッチングが最も複雑な問題である。というのは、デバイスのミスマッチから生じると共に、チップごとに変化するからである。又、ミスマッチに対する要求は、通常、非常に厳密である。例えば、デジタル変調信号のクオリティを指示する3dBの実施余裕をもつWLANシステムの54Mb/sモードに対して受信器エラーベクトル大きさ(EVM)仕様を満足するために、システムのシミュレーションでは、I/Qミスマッチを1°/0.2dB未満にする必要があることが示される。
ワイヤレスシステムに使用されるRF受信器は、RF信号の復調、信号のダウン変換、隣接干渉除去及び基本帯域信号の増幅を実行する。不変の送信器実施に比して、RF受信器の実現においては対処すべきパラメータが多数ある。これは、受信器設計の場合、ノイズ、直線性、干渉除去及び帯域選択等、多数の事項が存在するからである。ホモダイン(直接変換)受信器アーキテクチャーが長年にわたって使用されているが、ホモダイン受信器アーキテクチャーは、広く利用される最初のものである。ホモダイン受信器アーキテクチャーは、ミクサを使用して、高い周波数を中心とするフィルタ付きチャンネルを非常に低い中間周波数へと変換し、チャンネル選択フィルタの必要なクオリティを緩和させる。ミクサの局部発振器(LO)周波数は、入力RF周波数とは異なるので、受信プロセス中に生じる像の問題を取り扱わねばならない。二重IFアーキテクチャーのような像除去フィルタ及び他のトポロジーを利用して受信が改善される。しかしながら、同相及び直角位相(I/Q)岐路間にミスマッチがあると、RFチップ内でI/Q分離が行なわれる場合に受信器の性能を低下させる。二重IFアーキテクチャーは、ミスマッチを小さくする傾向のある低い周波数の経路でI/Q分離を行なうので、この問題を軽減する効果を有する。これは、高い周波数の経路で分離を行なう場合に比して、位相ミスマッチについて特に言えることである。
RF受信器のダウン変換ミクサが高周波数信号をゼロ中間周波数へ直接変換する場合には、RF受信器がホモダインワイヤレス受信器と称されるが、これは、「直接変換」又は「ゼロIF」受信器とも称される。これは、ヘテロダイン受信器アーキテクチャーにおける像の問題を回避するが、受信中にDCオフセット電圧を導入し、これは、LO信号間の自己混合や、受信器及び送信器の両方からのLO漏洩により発生される。更に、ホモダイン受信器アーキテクチャーにおけるI/Q分離はRF周波数で行なわれるので、大きな位相ミスマッチで悩まされる。
ヘテロダイン受信器アーキテクチャーにおける像除去フィルタの利用を支配する妥協は、RF設計者が像を抑制するための他の技術を求める動機となった。ハートレーアーキテクチャー及びウェーバーアーキテクチャーは、このような2つの例である。これらのアーキテクチャーは、直角岐路における信号を使用して像の除去を行なうので、ホモダイン及びヘテロダイン受信器アーキテクチャーに比してミスマッチがより生じ易い。又、デジタルドメインにおいてI/Q分離を実行するデジタルIF受信器は、RF受信器のミスマッチを除去するが、デジタル処理回路の複雑さを増大する。
図1から3は、上述した従来のケースを示している。図1は、直角信号の分離が高周波数ドメインで行なわれるRF受信器を示している。この変換方法は、1ステップ直接変換受信器や、ウェーバー又はハートレー形式のような像除去受信器により採用されている。図1に示すアーキテクチャーは、直角ミスマッチに最も敏感である。図1に示すように、入力RF信号fLO+fS(ここで、fSは、図示されないRF送信器によりキャリア周波数fLOで変調された入力信号である)は、受信アンテナ110により受信されて、低ノイズ増幅器(LNA)120へ供給される。LNA120の出力はI/Qミクサ125へ供給され、ここで、入力RF信号は、局部発振器127により出力される局部発振信号LOと混合されて、基本帯域I及びQ信号を形成し、これらは、フィルタ130によりフィルタリングされて、隣接干渉を除去する。従って、入力信号fSが得られて、可変利得増幅器VGA140へ与えられ、従って、VGA140の出力は、復調されたRF信号に対応する。この復調されたRF信号は、次いで、付加的な処理(例えば、デジタル信号処理)のためにデジタル基本帯域回路に供給される。
図2は、直角信号分離が、図1のRF受信器100に比して、比較的低い周波数で行なわれるRF受信器200を示している。図2のRF受信器200は、図1のRF受信器100に比して、直角ミスマッチの問題が少なく、従って、図2のRF受信器200は、二重IF直接変換受信器システム又はヘテロダイン受信器システムのいずれかにより使用される。図2に示すように、入力RF信号fLO1+fLO2+fS(ここで、fSは、図示されないRF送信器によりキャリア周波数fLO1及びfLO2で変調された入力信号である)が受信アンテナ210により受信されて、LNA220へ供給される。LNA220の出力は第1ミクサ225へ供給され、ここで、入力RF信号は、第1局部発振器227により出力される第1局部発振信号LO1と混合されて、中間周波数(IF)信号fLO2+fS(及びその側波帯像)を与える。この側波帯像は、オフチップフィルタ230でフィルタされ、次いで、中間周波数信号は、第2ミクサ(I/Qミクサ)240へ供給され、これにより、I/Q分離がIFにおいて行なわれる。第2のミクサ240は、IF信号を、第2の局部発振器242により出力される第2の局部発振信号LO2と混合し、基本帯域信号(及びその側波帯像)与える。フィルタ250は、隣接干渉をフィルタリングして、入力信号fSをVGA260に供給し、従って、VGA260の出力は、復調されたRF信号に対応する。次いで、この復調されたRF信号は、デジタル基本帯域ユニット(図示せず)へ供給され、受信信号の更なる処理(例えば、デジタル信号処理)が行なわれる。
図3は、直角信号分離がRF受信器の後に且つ量子化の後にデジタル基本帯域回路において行なわれるRF受信器300を示している。図3の解決策は、直角ミスマッチ(単に「ミスマッチ」とも称される)がない。RF受信器300と図2のRF受信器200との間の相違は、図3ではI/Q分離がVGA360の出力において行なわれる(デジタルI/Q分離)一方、図2ではI/Q分離が第2のミクサ240の出力において行なわれる(アナログI/Q分離)ことである。図3のRF受信器300では、第2のミクサ340がI/Qミクサではない。
従来のRFトランシーバーの校正を実行するために異なる校正方法が利用されている。ある校正方法は、既に校正された局部送信器を使用して、テストベクトルをRF受信器へ送信し、そしてRFトランシーバーのデジタル基本帯域回路におけるデジタル信号処理(DSP)マシンを介してミスマッチ補償ファクタを計算する。これは、「局部校正」と称され、通常、システムパワーアッププロセス中又はアイドル時間中に(例えば、データがRF送信器からRF受信器へ送信される時間と時間との間に)実行される。補償ファクタは、RFトランシーバーのRFチップ内でミスマッチ補償が検出された場合にRFトランシーバーに適用することもできるし、又はデジタルドメインにおいてアナログ/デジタル変換(ADC)の後に直接適用することもできる。
別の形式の校正方法では、リモート送信器が、RF受信器における受信器校正を助けるために送信シーケンスに特定の情報(例えば、所定のデータ)を追加する。この形式の校正はリアルタイムで行うことができ、従って、チャンネル効率を低下させる(校正を実行するのに余計なコードが費やされるので)。この校正方法は、通常、「リモート校正」と称される。
ミスマッチ検出及び校正位置については、従来の校正方法は、2つのサブ形式に分類することができる。第1のサブ形式では、ミスマッチ検出及び校正の両方がRFトランシーバーのデジタル基本帯域回路により行なわれる。図4に示すように、デジタル基本帯域回路410は、RFチップ(RFトランシーバー)420にパイロットシーケンスを送信し、従って、パイロットシーケンスは、送信器(デジタル基本帯域回路410に含まれた)により高周波数信号へと変調される。RFチップ420は、空気中を介してリモートRFトランシーバーとの間でRFアンテナ450を経て信号を送受信する。校正中に、RFチップ420は、デジタル基本帯域回路410の送信器出力をその受信器入力に結合する(図示されていないチップ上のRFスイッチにより)。このように、局部デジタル基本帯域回路は、RFチップ420から出力される復調信号を受信する(A/Dコンバータ440により)のと同時に、RFチップ420へ校正データを与える(局部ループにより)ことができる。デジタル基本帯域回路410により出力されるエラー信号は、局部ループにおいてA/Dコンバータ440のA/D出力(オリジナル校正信号のデジタル表示に対応する)から減算され、デジタル基本帯域回路410へ補正信号(RFチップ420を校正するのに使用される)を与える。
RFリンクの位相及び振幅ミスマッチを計算し、そしてRFリンクを校正するための「エラー」信号を発生するために、デジタル基本帯域回路410内にパワフルなDSPマシンが必要とされる。校正は、デジタルドメインにおいて制御することは容易であるが、多数の欠点を課する。1)DSPマシンは複雑である上に、希望の精度を得るために計算に長時間を要する。2)RF送信器なしには機能できない。3)送信器のミスマッチは完全に打ち消せないので、送信器により導入されるミスマッチを考慮しなければならない。4)ハードウェアのミスマッチはそのままにされ、二次相互変調のようなミスマッチにより導入される性能低下が依然存在する。5)RFチップ420の送信器と受信器との間の余計な接続が設計を複雑にする。
図5は、校正を実行するための第2のサブ形式を示し、このシステムは、デジタル基本帯域回路を使用して信号のミスマッチを検出するが、RFチップ(RFトランシーバー)520内の回路が校正を実行する(デジタル基本帯域回路510により与えられる情報に基づいて)。図4のシステムと同様に、D/Aコンバータ530及びA/Dコンバータ540を含む局部ループは、デジタル基本帯域回路510及びRFチップ520との間で校正データをやり取りするのに使用される。RFチップ520は、通常の動作中に、空気中を介してリモートRFトランシーバーとの間でRFアンテナ550を経て信号を送受信する。校正中には、RFチップ520は、それ自身によりオンチップRFスイッチ(図示せず)を経て送信された信号を受信する。図5のシステムは、デジタル基本帯域回路510からRFチップ520へ直接出力される校正コマンドを使用し、これは、図4のシステムにおいて校正が行われる仕方と相違することに注意されたい。
この第2のサブ形式の校正の欠点は、1)DSPマシンが複雑で且つ相当の計算パワーが必要とされ、2)RF送信器に依存し、3)送信器のミスマッチを完全に校正除去できないので送信器のミスマッチが導入され、そして4)RFチップ内の送信器と受信器との間に必要とされる余計な接続が設計を複雑にすることである。
ミスマッチ検出又は校正は、上述した第1及び第2の両方の校正サブ形式に対して基本帯域デジタル回路により行なわれるので、たとえミスマッチが特定のテストベクトルのもとで1つの単一周波数に対して校正除去されたとしても、それらの作用は他の周波数帯域又は異なる入力信号で依然示される。既存の校正方法を改善するために、異なる補償ファクタが種々の入力信号と共に各周波数帯域に適用されるが、これは、補償ルックアップテーブルを記憶するために、ランダムアクセスメモリ(RAM)又は電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリメモリ(EEPROM)のような余計なメモリを使用する。又、好ましくは、異なる条件のもとでミスマッチを計算しなければならないので、校正時間がそれに応じて長くなる。
上述した全ての校正方法の中で、位相ミスマッチ及び振幅ミスマッチは一緒に校正され、従って、それらの間を区別することが困難である。実際に、RF受信では、位相ミスマッチの方が振幅ミスマッチより重大である。位相ミスマッチは、局部発振(LO)信号及びダウン変換ミクサの貢献を受け、最小にすることが困難である。これは、小さなデバイスミスマッチが高い周波数において比較的大きな位相ずれに変換され、RFドメインで機能する回路が著しい寄生容量を許容できず、交差又は交互嵌合のようなレイアウト最適化方法の適用を制限する。モンテカルロシミュレーションは、LO信号が5GHzにおいて1.5度の位相ミスマッチを容易に受ける一方、ダウン変換ミクサが1度の貢献をすることを示している。従って、全部で少なくとも2.5度の位相ミスマッチが生じる。
本発明の1つの態様は、送信器又はデジタル基本帯域を必要とせずにRFトランシーバーの位相ミスマッチを校正することにある。
本発明の別の態様は、スライド混合技術を使用して、RF受信器のダウン変換ミクサの自己校正を実行することにある。
本発明の更に別の態様は、RF受信器チェーンのLO発生器、ミクサ及び/又は2で除算する回路の位相ミスマッチ校正を実行するための独立した校正ループを提供する。
本発明の更に別の形態は、低周波数のタイミングミスマッチに対し高周波数の位相ミスマッチにより高い校正精度を与えることにある。タイミングミスマッチ変換に使用される周波数が低いほど、得られる校正精度が高くなる(が、必要な校正時間は長くなる)。
本発明の更に別の態様は、利得ミスマッチ及び位相ミスマッチの両方が減少されるような局部発振器及び/又はダウン変換ミクサの位相ミスマッチ校正を提供する。
本発明の少なくとも1つの態様によれば、通常モード及び校正モードで動作することのできるRF受信器を含むRFシステムのための校正システムが提供される。RFシステムは、RF受信器のIチャンネル出力及びQチャンネル出力の少なくとも一方に設けられた位相遅延ユニットも備えている。更に、RFシステムは、RF受信器のIチャンネル出力とRF受信器のQチャンネル出力との間の位相差を検出するように構成された位相検出器も備えている。更に、RFシステムは、位相検出器により与えられる位相差に基づいてRF受信器へデジタル校正制御信号を与えるように構成された校正制御ユニットも備えている。
本発明の別の態様によれば、RF受信器を校正する方法であって、校正モード中に、校正入力信号としてRF受信器の入力へ第1の局部発信信号を供給するステップを備えた方法が提供される。又、この方法は、校正入力信号を、第1の局部発信信号と同じ周波数の第2の局部発信信号、及び第1及び第2の局部発信信号より低い周波数の第3の局部発信信号と混合するステップも備えている。更に、この方法は、RF受信器のI及びQチャンネル出力における信号の少なくとも1つを遅延させるステップを備えている。更に、この方法は、I及びQチャンネルにおける信号の遅延された少なくとも1つの間の位相差を検出するステップも備えている。又、この方法は、前記検出された位相差に基づいてRF受信器へ校正信号を供給するステップも備えている。
本発明の他の特徴及び効果は、以下の詳細な説明から当業者に明らかとなろう。しかしながら、この詳細な説明及び特定実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、本発明を単に例示するものに過ぎず、これに限定するものではないことを理解されたい。本発明の精神から逸脱せずに本発明の範囲内で多数の変更や修正がなされ、本発明は、このような全ての変更を包含する。
本発明の前記効果及び特徴は、以下の詳細な説明及び添付図面から容易に明らかとなろう。
図6は、本発明の第1の実施形態による受信器位相ミスマッチに対する校正システムを示す図である。この第1の実施形態において、RF受信器610におけるダウン変換ミクサは、校正モードにおいて、LO信号(fLO)と、別の低周波数信号(fLO2、図6には示さず)とを一緒に混合するように動作できる。校正中に、RF受信器610内部の周波数合成器からのLO信号は、RF受信器610へのテスト入力トーン(fLO)として使用される。ダウン変換ミクサ(RF受信器610の内部)は、校正モードにセットされ、従って、入力RF信号を、第1のLO信号(入力RF信号と同じ周波数を有する)、及び第2のLO信号として働く別の低周波数信号と混合し、従って、この混合は、「スライド混合」と称される。このように、ダウン変換ミクサは、第2のLOの周波数の等しい周波数を有する直角出力を発生する。
LO信号の位相ミスマッチ及びダウン変換ミクサそれ自体は、第1の実施形態によるシステム及び方法に一緒に追加され、従って、位相ミスマッチが出力直角信号に重畳される。低周波数のLO信号は位相ミスマッチが著しいものではないので、出力直角信号の位相ミスマッチは、主として、高周波数LO信号及びダウン変換ミクサから到来し、従って、この位相ミスマッチは、スライド混合技術により低周波数ドメインへと変換される。
好ましくは前もって校正された電圧制御遅延回路(VCDL)回路は、ある量の遅延を低周波数直角信号の1つに付加して、ミスマッチがない場合にI及びQ信号が等しい位相をもつようにする。VCDL回路は、図6には、1/4周期位相遅延回路620として示されている。この場合に、位相ミスマッチがないと仮定すれば、VCDLは、Qチャンネルより90度進んでいるIチャンネル信号を90度遅延し、従って、Qチャンネルは、その遅延された信号と同相になる。位相ミスマッチが存在するときには、位相検出器(PD)回路630は、遅延された直角信号間の位相差を高い精度で測定し、LO信号及びダウン変換ミクサにおける位相遅延を調整して、そのミスマッチを減少させる。例えば、0.18μmのCMOS技術が使用される場合には、PD回路630の精度は、10ピコ秒以下という精密さである。
図6に示す構造とは別に、RF受信器610のI経路出力に設けられた1/4周期位相遅延ユニットを有する図6に示されたシステムに代わって、RF受信器610のQ経路出力に3/4周期位相遅延ユニットが設けられてもよい。更に別の構造では、I及びQ経路に2つの個別の位相遅延線が設けられて、それらの間の差が予め決定されてもよい(例えば、I経路に半周期の位相遅延及びQ経路に1/4周期の位相遅延;I経路に3/4周期の位相遅延及びQ経路に半周期の位相遅延、等々)。本発明のこの実施形態は、QチャンネルがIチャンネルより1/4周期進む場合に限定されないことに注意されたい。これは、IチャンネルがQチャンネルより1/4周期進む場合にも使用できる。
又、図6には、校正制御ロジックユニット640も示され、これは、PD回路630の位相検出出力を受信し、そしてRF受信器610に校正制御を与える(校正ビットにより)。この校正制御ロジックユニット640は、ハードウェアコンポーネント(例えば、ロジックゲート)及び/又はマイクロプロセッサにより実施されるソフトウェアを含むことができる。
1MHzの低周波数信号が校正モードにおいて低周波数信号(fLO2)として使用され、そして校正VCDL回路620が1/4周期からずれること0.3ナノ秒のオフセット遅延(これは一般的なVCDL回路に比して小さくない)を有すると仮定すれば、校正タイミング制度は、0.31ナノ秒と推定され、これは、1MHz信号の場合に0.13度に等しい。従って、RF受信器610の校正位相ミスマッチは、理論的に0.13度と小さい。第1の実施形態による校正システム及び方法は、スライド混合技術を使用して、測定不能の高周波位相ミスマッチを測定可能な低速度タイミングミスマッチへと変換し、校正精度を高める。要求される位相ミスマッチが低い場合には、もっと低い周波数の第2LO信号(例えば、500KHz)を使用することができる。しかしながら、これは、位相ミスマッチを決定しそして補正するために校正モードにおいて付加的なタイミング動作を必要とする。
先に述べた従来の校正方法に比して、第1の実施形態による校正システム及び方法は、次の効果を有する。1)送信器及び基本帯域DSPを必要としないスタンドアローン校正回路である。2)校正回路により導入される受信回路への余計なミスマッチが小さい。3)受信器の最小位相ミスマットへと校正するための能力。4)小さなチップエリア。5)校正が高速で且つ安定性の問題がない。6)利得(振幅)ミスマッチ要求が厳密な場合には、スタンドアローン受信器チップとしても機能し且つ位相ミスマッチの問題を伴わずに非常に簡単なものとなる特別な回路をデジタル基本帯域回路に使用できる。
ワイヤレス受信器におけるミスマッチは、主として、非対称的レイアウトと、不完全なプロセスリソグラフィー及びドーピングにより導入されるデバイスミスマッチとから生じる。レイアウトの非対称性は、完全に良好な製造技術により回避できるが、デバイスのミスマッチは、完全に取り去ることができない。これは、交差、交互嵌合のようなレイアウト最適化技術、及び大きな活性エリアをもつデバイスの適用で回路の速度が制限され得るような高周波数ドメインにおいて特に言えることである。
差動回路間及びI/Q岐路間には、出力信号を完全に差動にもしないし完全に直角にもしないミスマッチが生じる。ミスマッチ状態の差動信号は、共通信号と、付加的なオフセットDC電圧を伴う完全な差の信号との和に分解することができる。受信器における共通信号のミスマッチは、フィルタ回路内の大きな共通モード除去比(CMRR)をもつ共通モードフィードバック回路と、信号受信能力を低下しない可変利得増幅器(VGA)とによって減衰される。又、オフセットDC電圧は、DCオフセット打消し回路により除去することができる。従って、回路差ミスマッチが受信器設計において重大な問題とならず、受信信号を崩壊することはない。しかしながら、回路直角ミスマッチは、BPSKより高い変調方法(例えば、8−ary PSK、16−ary PSK、64QAM)が採用された場合には、到来する信号を歪める。
図7A及び7Bは、各々、I岐路とQ岐路との間に位相ミスマッチ及び振幅ミスマッチがあるときの受信QPSK信号コンステレーションを示している。受信信号のEVMは、それに応じて低下される。
LNA出力信号がAcos(ωLOt+ωSt)であり、直角LO信号間の位相ミスマッチがφiq1であり、そしてダウン変換ミクサが利得ミスマッチaiq2及び位相ミスマッチφiq2を有すると仮定する。ダウン変換ミクサからの出力信号は、次のように表わされる。
Figure 2006025425

Figure 2006025425
ここで、ローパスフィルタ及び可変利得増幅器(VGA)を含む基本帯域回路が、利得ミスマッチαiq3及び位相ミスマッチφiq3をもつ利得Bを有し、そのローパスコーナーが送信RF周波数より著しく低いと仮定する。この場合に、RFチップからの出力直角信号は、次のように表わすことができる。
Figure 2006025425

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最初に述べたように、ワイヤレス受信器におけるミスマッチは、主として、非対称的なレイアウトと、不完全なプロセスリソグラフィー及びドーピングにより導入されるデバイスミスマッチとから生じる。第1の実施形態によれば、位相ミスマッチ及び利得ミスマッチは、一種の自己校正モードにおいて、RFトランシーバーチップ自体の中で補正される。LO信号及びダウン変換ミクサは、受信器チェーン内のほとんどの位相ミスマッチに貢献するので、LO発生器は、好ましくは、位相ミスマッチ校正を実行するための最良の候補となる。
図8は、LO発生器において位相補間を実行するためにLO信号の直角ミスマッチに同調する回路を示す。LO発生器800の校正は、各々、I及びQチャンネルに印加される電流バイアス信号CAL_I及びCAL_Qの制御のもとで、電流バイアスソース810、815、820、825により達成される。I信号入力は、差動対IP、IN(「P」は、正の信号ラインを表わし、「N」は、負の信号ラインを表わす)として示され、そしてQ信号入力は、差動対QP、QNとして示されている。LO信号は、Iチャンネル上の差動LO信号対としてはLOIP、LOINとして示され、そしてQチャンネル上の差動LO信号対としてはLOQP、LOQNとして示されている。Iチャンネル入力信号差動対IP、INは、第1対のトランジスタ830及び第2対のトランジスタ840のゲートに各々印加され、これにより、第1対のトランジスタによりLOIP、LOINが各々発生されると共に、第3対のトランジスタ850によりLOQP、LOQNが各々発生される。第3対のトランジスタ850及び第4対のトランジスタ860に対するQチャンネル入力信号差動対QP、QNについても、同様の構造が存在する。
図9は、LO信号発生器が2で除算する回路900に対応するように、直角LO信号発生器のI又はQ岐路におけるバイアス電流を増加又は減少することにより位相ミスマッチを別々に補正するのに使用される別の回路を示している。図9において、位相及び振幅同調は、バイアス電流、BIAS信号、並びに電流バイアス信号CAL_I及びCAL_Qにより制御される。ダウン変換ミクサにより発生される位相ミスマッチも、同様に除去することができる。
図10は、本発明の第2の実施形態によるダウン変換ミクサ1000を示し、このダウン変換ミクサ1000のバイアス電流を変化させることによりI及びQ岐路の位相遅延が同調される。これは、位相ミスマッチを変化させるだけでなく、I岐路とQ岐路との間の振幅ミスマッチも変化させる。ダウン変換ミクサの位相ミスマッチ及び利得ミスマッチは、ダウン変換ミクサ内の同じデバイスのミスマッチから生じるので、それらは互いに追跡する傾向がある。
RF受信器の利得ミスマッチは、本発明者により行なわれたシミュレーションに基づき0.1dBの精度まで得ることのできる図11の回路1100に示されたように、VGA内のフィードバック抵抗器をデジタルでトリミングすることにより補正できる。図11の回路1100は、図13、14及び15に示すように、基本帯域Iユニット又は基本帯域Qユニットにおいて実施されてもよく、これらユニットは、周波数フィルタ及びVGAも含む。回路1100は、OPアンプ1120、トリミング抵抗器1130、1140及び入力抵抗器1150、1160を備えている。
従来の校正方法の場合、受信器ミスマッチは、送信器及び受信器対間のコラボレーションを介して検出される。又、ミスマッチの検出は、従来の方法ではデジタル基本帯域回路において行なわれ、これは、実質的な計算パワーを必要とすると共に、送信器の基本帯域回路が校正中にテストパイロット信号を送出する必要がある。ここに述べる本発明の各実施形態では、位相ミスマッチが、高い精度でRFチップ自体(校正されるべきデバイス)の中で検出され、従って、校正に使用される全てのテスト信号は、RFチップ自体内の周波数合成器から発生される。これらの信号は、LO信号と、基準発生器からの低周波数信号であり、従って、低周波数信号は、例えば、1MHz信号でよい。例えば、50KHzから5MHzの値のような他の低周波数値が低周波数信号として使用されてもよい。
図12は、本発明の第3の実施形態による校正設定特徴を有するNMOSダウン変換ミクサ1200を示す。通常機能モード(例えば、非校正モード)では、イネーブル信号ENが高レベルであり、且つ入力SIP、SIN、SQP及びSQNが低レベルであり、従って、入力RF信号は、LOで変調されて、イネーブルトランジスタを経て抵抗器負荷へ送信される。校正モードでは、イネーブル信号ENが低レベルであり、従って、入力信号は、イネーブルトランジスタを通過できない。入力SIP、SIN、SQP及びSQNは、校正モードでは低周波数直角信号と共に注入される。校正モードでは、RF入力信号対RFP、RFNが、高周波数LO(LOIP、LOIN、LOQP、LOQN)と、低周波数LO(SQP、SQN、SIP、SIN)との両方により変調される。高周波数LO信号がsin(ωLOt)/cos(ωLOt)であり、且つ低周波数LO信号がsin(ωLt)/cos(ωLt)であると仮定すれば、校正中のこのミクサにおける等価LO信号は、次のように表わすことができる。
Q岐路のLO信号=sin(ωLOt+ωLt)
I岐路のLO信号=cos(ωLOt+ωLt)
入力RF信号は、等価LO信号sin(ωLOt+ωLt)/cos(ωLOt+ωLt)で変調され、これは、ダウン変換ミクサにおいてスライド混合と称される。第2の低周波数LO信号SQP、SQN、SIP、SINは、直角ミスマッチをほとんどもたず、且つこの低周波数混合からのミスマッチ貢献は、非常に僅かであるから、この第2の低周波数LOにより導入されるミスマッチは無視できる程度である。又、この第3の実施形態によるダウン変換ミクサアーキテクチャーは、PMOS、BiPolar及びBiCMOS技術のミクサにも使用できる。
校正中に、高周波LO信号sin(ωLOt)が、受信器入力信号としてLNA入力へ送信される。図12に示すような校正設定をもつダウン変換ミクサは、校正モードにある。従って、ミクサの出力信号は、(1/2)[sin(2ωLOt+ωLt)−sin(ωLt)]及び(1/2)[cos(2ωLOt+ωLt)+cos(ωLt)]となる。高周波数LO信号の位相ミスマッチφiq1及び高周波数混合により導入される位相ミスマッチφiq2を考慮し、そしてフィルタ及びVGAの小さな位相ミスマッチを除去すると、基本帯域回路からの出力信号は、(1/2)sin(−ωLt+φiq1+φiq2)及び(1/2)cos(ωLt)として表すことができる。ここで、回路利得及び小さな利得ミスマッチは、まだファクタ処理されていない。
スライド混合の使用により、高周波数位相ミスマッチは、余計な位相エラーが導入されることなく、低周波数位相ミスマッチへと変換される。例えば、1MHzの低周波数LO信号が使用され、そして高周波数LO信号及びダウン変換ミクサの全体的な位相ミスマッチが2度である場合には、出力信号が、2度の直角位相ミスマッチを伴う1MHz直角信号であり、これは、I出力信号とQ出力信号との間の5.56nsタイミングミスマッチと同等である(1/1x106*2/360)。より低い第2のLO信号が使用される場合には(例えば、1MHzより低い)、位相ミスマッチから出力タイミングミスマッチへの変換レートが更に大きくなる。
図12の回路の中央部に示された要素は、ダウン変換ミクサ1200の校正を行う。特に、バイアス電流ソース1220、1225、1230、1240は、校正制御ロジックユニット(例えば、図6を参照)の制御のもとで、バイアス電流信号CAL_I、CAL_Qを受信する。
図13は、本発明の第4実施形態による位相ミスマッチ校正回路を伴う受信器アーキテクチャーを示している。校正を行うときには(校正/通常動作信号「S」は、校正モードを指示する値にセットされる)、LNA1305への入力が、周波数合成器回路から発生された高周波数LO信号である。これは、スイッチ1302を校正モードにセットすることにより得られ、従って、通常の動作中には、RFアンテナ1304の出力がLNA1305に直接与えられ、そして校正モード中には、高周波数LO発生器1330からのLO信号出力がLNA1305に直接与えられる。ダウン変換ミクサ1350は、高周波数LO発生器1330からの高周波数LO信号出力を第1LOとし、そして基準発生器回路(図示せず)からの低周波数信号出力を第2LOとして、校正モードにセットされる。スライド混合の使用により、出力は、ダウン変換ミクサ1350及び高周波数LO信号の位相ミスマッチをもつ直角信号であり、その周波数は、基準発生器回路から出力される低周波数信号に等しい。別の構成では、LO発生器1330が、高周波数LO信号及び低周波数LO信号の両方をダウン変換ミクサ1350に与えることができ、従って、この場合には、個別の基準発生器回路は必要とされない。
例えば、これに限定されないが、高周波数LO信号は、ワイヤレスRF信号として通常使用される値、例えば、100MHzから15GHzまでの周波数値をもつことができる。例えば、2.4から2.5GHzの値、又は4.9から6.0GHzの値をワイヤレスLANシステムに対して使用することができる。
信号のミスマッチは、I及びQアナログ基本帯域回路1365、1370を通過した後に同じに保持される。というのは、低周波数基本帯域回路は、無視できる程度のミスマッチしか導入しないからである。I岐路の信号は、校正モードにあるときに、校正電圧制御遅延線(VCDL)1310により270度遅延され、従って、I信号とQ信号との間に位相ミスマッチがない場合にはQ岐路信号と同じ位相をもつことになる。校正モードにあるときには、位相検出回路(PD)1320は、I信号とQ信号との間の位相オフセット、実際には、それらの間の位相ミスマッチを感知し、そしてその位相ミスマッチ情報をミスマッチ制御回路1340へ通過させる。スイッチ1375及び1377は、校正/通常動作信号Sの制御のもとで、校正モードにあるときには、I基本帯域ユニット1365及びQ基本帯域ユニット1370の各出力をVCDL1310及びPD1320へ各々送信するか、又は通常動作モードにあるときには、基本帯域処理ユニット(例えば、デジタル信号プロセッサ、図示せず)へ送信する。
ミスマッチ制御回路1340は、高周波数LO発生器1330及びダウン変換ミクサ1350内部のミスマッチ校正設定を、それらのミスマッチを打ち消すように調整する。高周波数LO発生器1330とダウン変換ミクサ1350との間の打ち消し比は、1つの考えられる実施形態では、モンテカルロシミュレーションを使用してそれらからのミスマッチ貢献により決定されてもよい。校正ループ制御回路(ミスマッチ制御回路1340と共にカウンタ1360を含む)が、位相ミスマッチが最小の設定をサーチすると、校正プロセスが停止されると共に、VCDL1310のような周辺校正回路がディスエイブルされる。この最適な設定は、デジタルで記憶され、次の校正まで適用される。
高周波数LO発生器1330は、例えば、図8及び9に示す構造のいずれかに対応してもよく、そしてダウン変換ミクサ1350は、例えば、図10及び12に示す構造のいずれかに対応してもよい。
図14は、校正中の図13の受信器アーキテクチャーを示しており、基本帯域IユニットとVCDL1310との間に設けられたスイッチ1375が校正設定されている。第1の実施形態によるミスマッチ打消しは、ローカルで行われ、温度及び環境に不感なプロセス変数により導入される物理的ミスマッチを最小にする。従って、システムパワーアップ中に一度行うことができ、再度実行する必要はない。
通常の動作中に、LNA1305は、アンテナから入力信号を受信し、そしてそれを通常動作モードにセットされたダウン変換ミクサ1350へ送信する。LO発生器1330は、LO信号をダウン変換ミクサ1350へ供給し、そして基本帯域Iユニット1365及び基本帯域Qユニット1370の基本帯域回路は、ミクサ1350からのI/Q出力信号を増幅及びフィルタし、そしてそれらをデジタル基本帯域ユニット(図示せず)へ送信する。LO発生器1330及びダウン変換ミクサ1350は、校正モード中に校正されたためにミスマッチがなく、従って、通常動作中の信号フローが図15に示されている。通常動作モード中にLO発生器1330及びミクサ1350に固定電圧設定が与えられ、この固定電圧設定は、校正モード中に決定される。
本発明の少なくとも1つの実施形態の校正精度は、主として、PD1320及びVCDL1310により決定される。非常に高い位相検出精度を有するデジタル位相検出器を使用することができる。例えば、0.18μmで設計された位相検出器は、10psec未満のタイミングミスマッチを決定することができる。1MHzの低周波数信号が受信器の校正に採用された場合には、10psecタイミングミスマッチは、3.6mdegと等価であり、これは、RF受信器の1度の位相ミスマッチ要求に比して小さい。従って、本発明の少なくとも1つの実施形態の潜在的な校正精度は、無限小のLO信号及びダウン変換ミクサ校正精度を仮定すれば、VCDLの90度位相遅延の精度により決定される。
図16は、受信器ミスマッチ校正を行う前にVCDL校正を実行するための回路を示し、それ以前の図に示されたものと同じ位相検出器が使用される。校正後に、VCDL1310は、実質的にタイミングオフセットのない270度の位相遅延を有する。2つの低周波数直角信号がI及びQ信号(図16にSで示された)として送信され、その一方はVCDLにより遅延され、他方はPDへ直接供給される。カウンタ1360は、I及びQチャンネルの信号間の時間差をカウントするのに使用され、これら信号間のタイミングミスマッチを決定する。0.18μmCMOS技術が使用される場合には、3/4周期から外れるオフセット時間が100psec未満であり、これは、1MHzの低周波数校正信号が使用されるときには36mdegと等価である。従って、理論的な校正精度は、1MHzの低周波数校正トーンが採用された場合には0.1度未満であり、使用する校正トーンが低いほど、潜在的な校正精度が高い。
図17A及び17Bは、本発明の好ましい実施形態によるVCDL校正フロー方法及び受信器校正フロー方法を各々示す。これらのフローは、例えば、図6に示す校正制御ロジックユニットにより実施することができる。図17Aに示すVCDL校正フローでは、ステップ1710においてVCDL校正モードがセットされ、そしてステップ1720において低周波数テストトーンが送信される。ステップ1730において、VCDLの位相遅延が測定され、次いで、ステップ1740において、90度の位相遅延が得られたかどうか決定される。もしノーであれば、ステップ1750においてVCDL設定が更新され、プロセスはステップ1730へ復帰する。更新方法は、VCDLの遅延が所定の遅延より長いか短いかに基づいてVCDLの遅延を徹底的にサーチするかそれを増加又は減少することができる。もしイエスであれば、ステップ1755において、設定が記憶され、そしてVCDL校正がディスエイブルされる。
図17Bに示す受信器校正フローでは、ステップ1760において受信器が校正モードにセットされる。ステップ1770において、高周波数LO信号がLNAに送信され、そして低周波数テストトーンがミクサに送信される。ステップ1780では、IチャンネルとQチャンネルとの間の位相遅延が測定される。次いで、ステップ1785において、IチャンネルとQチャンネルとの間に90度の位相遅延が得られたかどうか決定される。もしノーであれば、ステップ1788においてLO及びミクサ校正設定が更新され、プロセスは、ステップ1780へ復帰する。更新方法は、Iチャンネル出力とQチャンネル出力との間の関係に基づいてミスマッチ設定を徹底的にサーチするか或いはそれを増加又は減少することができる。例えば、Iチャンネル出力とQチャンネル出力との間の測定された位相遅延が所定の90度位相遅延未満である場合には、LO発生器及びミクサにおけるミスマッチ設定が、直角信号間の位相ミスマッチを増加するように更新される。もしイエスであれば、ステップ1790において、設定が記憶されると共に、受信器の校正モードがディスエイブルされ、ここで、受信器は、その通常動作モードで動作することができる。
以上、本発明の実施形態を詳細に説明した。本発明は、ここに開示された正確な形態に限定されるものではなく、上記教示に鑑みその変更及び修正が考えられ、又は本発明の実施から得られることが意図される。前記実施形態は、本発明の原理及びその実際の応用を説明するために選択されたものであり、当業者であれば、本発明を種々の実施形態に利用できると共に、特定の用途に適するように種々の変更をなすことができよう。
従来のRF受信器における高周波数IQ分離を示す図である。 従来のRF受信器における低周波数IQ分離を示す図である。 従来のデジタル基本帯域受信器におけるIQ分離を示す図である。 受信器のミスマッチに対する第1の従来形式のデジタル基本帯域校正を示す図である。 受信器のミスマッチに対する第2の従来形式のデジタル基本帯域校正を示す図である。 本発明の第1の実施形態による校正システムを示す図である。 位相ミスマッチにより受信されたQPSKコンステレーションを示す図である。 振幅ミスマッチにより受信されたQPSKコンステレーションを示す図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態によるLO発生器における位相補間を示す図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態に基づきバイアス電流により2で除算する回路における位相及び振幅同調を示す図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態に基づきバイアス電流によりミスマッチ校正を実行するダウン変換ミクサを示す図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態による利得ミスマッチ校正回路を示す図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態による校正設定を伴うNMOSダウン変換ミクサを示す図である。 本発明の少なくとも1つの実施形態によりミスマッチ校正を実行するための受信器アーキテクチャーを示す図である。 校正モードで動作する図13の受信器アーキテクチャーを示す図である。 通常動作モードで動作する図13の受信器アーキテクチャーを示す図である。 図13の受信器アーキテクチャーのVCDL校正設定部分を示す図である。 VCDLミスマッチに対する校正フローを示す図である。 受信器ミスマッチに対する校正フローを示す図である。
符号の説明
610:RF受信器
620:1/4周期位相遅延回路
630:位相検出器(PD)回路
640:校正制御ロジックユニット
800:LO発生器
810、815、820、825:電流バイアスソース
830、840、850、860:トランジスタ
900:2で除算する回路
1000:ダウン変換ミクサ
1120:OPアンプ
1130、1140:トリミング抵抗器
1150、1160:入力抵抗器
1200:NMOSダウン変換ミクサ
1302:スイッチ
1304:RFアンテナ
1305:LNA
1310:電圧制御遅延線(VCDL)
1320:位相検出回路(PD)
1330:LO発生器
1340:ミスマッチ制御回路
1350:ダウン変換ミクサ
1360:カウンタ
1365、1370:アナログ基本帯域回路
1375、1377:スイッチ

Claims (15)

  1. 通常モード及び校正モードで動作することのできるRF受信器を含むRFシステムのための校正システムにおいて、
    前記RF受信器のIチャンネル出力及びQチャンネル出力の少なくとも一方に設けられた位相遅延ユニットと、
    前記RF受信器のIチャンネル出力と前記RF受信器のQチャンネル出力との間の位相差を検出するように構成された位相検出器と、
    前記位相検出器により与えられる位相差に基づいて前記RF受信器へ校正制御信号を与えるように構成された校正制御ユニットと、
    を備えた校正システム。
  2. 前記RF受信器は、
    前記校正モードにあるときに前記RF受信器の入力へ第1のLO信号を与えると共に、前記第1のLO信号より周波数が低い第2のLO信号を与えるように構成された周波数発生ユニットと、
    前記RF受信器への入力を入力ポートで受信すると共に、前記校正モードにあるときにその入力信号を前記第1及び第2のLO信号と混合し、その結果として混合出力信号を与えるように構成されたミクサと、
    を備えた請求項1に記載の校正システム。
  3. 前記通常モードにあるときにワイヤレス信号を受信するように構成されたRFアンテナと、
    前記通常モードにあるときには前記RFアンテナから出力されるワイヤレス信号を受信し、そして前記校正モードにあるときには前記周波数発生ユニットから出力される第1のLO信号を前記RF受信器への入力として受信するように構成され、更に、低ノイズ増幅の出力を前記RF受信器へ与えるように構成された低ノイズ増幅器と、
    を更に備えた請求項2に記載の校正システム。
  4. 前記位相遅延ユニットは、電圧制御遅延ユニットを備えた、請求項1に記載の校正システム。
  5. 前記位相遅延ユニットは、前記RF受信器のIチャンネル又はQチャンネル出力に設けられた1/4位相遅延ユニットを含む、請求項1に記載の校正システム。
  6. 前記位相遅延ユニットは、前記RF受信器のIチャンネル又はQチャンネル出力に設けられた3/4位相遅延ユニットを含む、請求項1に記載の校正システム。
  7. 前記校正制御ユニットは、前記位相検出器によりカウンタに与えられる位相検出出力に基づいて前記位相遅延ユニットへ時間遅延信号としてカウント値を与えるように構成されたカウンタを備えた、請求項1に記載の校正システム。
  8. 前記校正制御ユニットは、前記位相検出器により与えられる位相検出出力に基づいて、前記周波数発生ユニットへ第1校正信号をそして前記ミクサへ第2校正信号を与える、請求項2に記載の校正システム。
  9. 前記RF受信器の前端のIチャンネル出力と前記位相遅延ユニットとの間に設けられた基本帯域Iフィルタと、
    前記RF受信器の前端のQチャンネル出力と前記位相遅延ユニットとの間に設けられた基本帯域Qフィルタと、
    前記基本帯域Iフィルタ及び基本帯域Qフィルタの少なくとも一方に設けられた利得ミスマッチ制御ユニットと、
    を更に備えた請求項1に記載の校正システム。
  10. 前記利得ミスマッチ制御ユニットは、
    演算増幅器と、
    前記演算増幅器の入力ポートと出力ポートの間に設けられたフィードバック抵抗器と、
    を備えた請求項9に記載の校正システム。
  11. 前記校正信号はデジタル校正信号である、請求項1に記載の校正システム。
  12. RF受信器を校正する方法において、
    校正モード中に、校正入力信号として前記RF受信器の入力へ第1の局部発信信号を供給するステップと、
    前記校正入力信号を、前記第1の局部発信信号と同じ周波数の第2の局部発信信号、及び前記第1及び第2の局部発信信号より低い周波数の第3の局部発信信号と混合するステップと、
    前記RF受信器のI及びQチャンネル出力における信号の少なくとも1つを遅延させるステップと、
    前記I及びQチャンネルにおける信号の遅延された少なくとも1つの間の位相差を検出するステップと、
    前記検出された位相差に基づいて前記RF受信器へ校正信号を供給するステップと、
    を備えた方法。
  13. 前記遅延ステップは、前記第3の局部発信信号の周期の1/4だけ前記Iチャンネル出力を遅延することを含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記供給ステップは、デジタル校正ビットを前記校正信号として前記RF受信器へ供給することを含む、請求項12に記載の方法。
  15. 前記供給ステップは、前記RF受信器のミクサ及び局部発振器の少なくとも一方に前記デジタル構成ビットを供給することを含む、請求項12に記載の方法。
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