JP2006523044A - アナログのフロントエンドを直接RFサンプリングによりデジタル化する混合された技術のMEMS/SiGeBiCMOS - Google Patents

アナログのフロントエンドを直接RFサンプリングによりデジタル化する混合された技術のMEMS/SiGeBiCMOS Download PDF

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Abstract

単一の基板上で混合技術を使用するデジタル化アナログフロントエンド(DAFE)50を説明する。SiGe BiCMOS技術は半導体コンポーネントで実現され、これは低雑音増幅器64と、アナログデジタル変換器68を含んでいる。マイクロ電子機械システム(MEMS)スイッチはエイリアス防止フィルタ66と事前選択妨害防止フィルタ62を含む幾つかのフィルタの濾波特性を変更することに使用される。

Description

本発明は、大きな干渉および妨害信号が存在する場合の無線受信機のアナログフロントエンドにおける、アナログデジタル変換器(ADC)の保護と、電力消費の減少と、高信号品質の維持に関する。特に、本発明は全地球測位システム(GPS)受信機のように、低分解能ADCによって妨害環境における広域または拡散スペクトル信号を受信するために、マイクロ電気機械システム(MEMS)技術を使用する単一チップ受信機に関する。
本発明は全ての通信システムに応用可能である。使用および有効性を示すために拡散スペクトルシステムを使用する。拡散スペクトル通信システムは高速度の疑似ランダム2進シーケンスで変調されている搬送波上でデジタル的に情報を送信する。結果的な信号のスペクトルは大きい帯域幅を占有し、雑音のように見える。信号は意図的または意図的ではない妨害を受ける。妨害は無線スペクトルに近いまたはそれに一致する大きな無線周波数信号の送信により生じる。所望の信号の帯域外に位置する妨害信号は通常、プリセレクタフィルタを使用して除去される。したがって、送信された信号の正確な受信に対してより大きな障害を与えるものは帯域内信号である。
これらの干渉の抑制はRFノッチフィルタの使用により達成することができる。MEMS技術により実現されるとき、これは干渉抑制にとって廉価で、低い電力解決策で、低歪みである。ノッチフィルタは特に連続波(CW)または狭い帯域の干渉物を抑制するのに有効である。これらの干渉物の除去後、受信機は小さい損失で除去された帯域幅に比例して、干渉が存在しないかのように拡散スペクトル信号を処理できる。干渉のない拡散スペクトル信号では、受信された信号は非常に低い分解能のADCで処理することができる。例えば1ビットのADCは付加的な白色ガウス雑音(AWGN)に対して、ベースバンドIおよびQサンプリングで1.059dBまたは中間周波数(IF)サンプリングで1.96dBの劣化を有する。2ビットADCはベースバンドIおよびQサンプリングで0.55dBまたはIFサンプリングで0.96dBの劣化を有する。それ故、低いADCの複雑性と低い電力消費を有する良好な性能を維持するため、受信信号からジャマーを除去する方法を使用すべきである。
妨害環境におけるシステム設計およびシステム性能の別の効果は電力消費および信号歪みである。妨害環境では、妨害信号がアンテナ近くで除去されないとき、非常に高い電力消費を犠牲にして高い線形性でアナログフロントエンドのコンポーネント設計しなければならない。また、大きい信号の存在はシステムの位相雑音要求をより大きくする。高い線形性と位相雑音要求の両者を減少するため、これらのコンポーネントより前のジャマーを除去する必要がある。
アナログ除去方法は狭帯域と広帯域の両者の妨害信号を受動コンポーネントを使用して除去することができる。しかしながら、妨害信号が通過帯域内のどこにでも位置することがあるので、除去回路を操縦し、信号路に挿入し、信号路から除去する幾つかの方法を使用しなければならない。通常、現在の受信機で実行される濾波技術はフィルタ特性を変更するため半導体切換え、例えば半導体トランジスタを使用する。フィルタ特性は異なるコンポーネント(例えばキャパシタのバンク)または異なるフィルタを全体的に切換えることにより変更することができる。半導体の限定された絶縁特性のために、半導体切換えにより、選択されていないフィルタおよび/またはコンポーネントからの寄生容量が、選択されたフィルタの性能に影響を与えることにより、これは濾波された信号に歪みを生じさせる。
前述の説明から、多数の応用で使用するため受信機のフロントエンドを保護するための低電力、低歪み機構が技術的に必要とされていることが明白である。
前述の説明を考慮して、本発明は受信機の集積回路デジタル化アナログフロントエンドに関し、これは基板、基板上の低雑音増幅器(LNA)、基板上のアナログデジタル変換器(ADC)、基板上の複数のマイクロ電気機械システム(MEMS)スイッチ、基板上の少なくとも1つのエイリアス防止フィルタ、基板上の少なくとも1つの妨害防止フィルタとを含み、少なくとも1つの妨害防止フィルタと少なくとも1つのエイリアス防止フィルタのフィルタ特性は複数のMEMSスイッチのうち少なくとも1つを使用して変更される。
前述の目的と関連する目的を実現するため、本発明は以後で十分に説明し、特に特許請求の範囲で指摘されている特徴を具備する。以下の説明および添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明する。しかしながら、これらの実施形態は本発明の原理を使用することのできる幾つかの種々の方法のうち2、3のものを示しているにすぎない。本発明の他の目的、特徴、新規な特徴は添付図面を伴って考察するとき、本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。
添付図面を参照して本発明の詳細な説明を以下説明し、同一の参照符号は全体を通して同一のエレメントを指している。
図1を参照すると、本発明の1実施形態にしたがったデジタル化アナログフロントエンド(DAFE)50が示されている。複合無線信号を受信するアンテナまたはアンテナアレイ57がDAFE50の入力ポート58に接続されている。DAFE50に入るとき、複合信号は所望の周波数帯域の事前選択を行い、狭帯域のジャマーを除去するためにプリセレクタおよび妨害防止フィルタ(PS/AJ)62に入る。PS/AJフィルタ62の出力は電気的に低雑音増幅器(LNA)64の入力に接続されている。PS/AJフィルタ62の事前選択部分は帯域外の妨害、コサイトまたは周囲信号によるLNA64の飽和を減少するため粗い濾波を行う。
LNAの出力はエイリアス防止整合フィルタ66の入力に電気的に接続される。エイリアス防止整合フィルタ66の出力は例えばダイレクトサンプリング/アンダーサンプリングADCのようなアナログデジタル変換器(ADC)68の入力に電気的に接続される。エイリアス防止整合フィルタ66はカットオフ周波数を有し、このカットオフ周波数は、ADC入力からの不所望の信号をこれらが回路に悪影響しない点まで減衰させる。サポーティング位相ロックループ(PLL)70と温度補償された水晶発振器(TCXO)72はADC68に対するタイミング信号を提供する。ADC68はDAFE50の出力74を提供し、DAFE50は例えばGPS受信機のような受信機75に接続することができる。
ダイレクト/アンダーサンプリングADC68の構成は全体的なDAFE50の複雑性を減少できる。帯域通過サンプリングの実行により、受信機設計は1段以上のミキサを除去することにより簡単にされ、したがって回路の寸法と電力要求を減少させる。さらに信号品質は、直角位相復調に固有の振幅および位相オフセットを防止することにより、直接的な同位相および直角位相投射を通して向上する。
DAFE50は単一の基板92上でマイクロ電気機械システム(MEMS)技術と、例えばBiCMOS技術とを含んだ混合技術を使用することが好ましい。特に、PS/AJフィルタ62とエイリアス防止整合フィルタ66はMEMS技術を使用して構成する一方、LNA64、ADC68、PLL70は例えばSiGe BiCMOS技術を使用して構成することができる。混合技術方法の利点はDAFE50の寸法と電力消費の減少を含んでいる。寸法の減少は単一チップへ多数の異なる機能を統合した結果である。電力の節約は電力効率の良いSiGe BiCMOSプロセスの使用と、アンダーサンプリングADCおよびMEMS技術の使用とから生じる。
アンダーサンプリングADC68の使用はミキサおよびPLLを含む少なくとも1つのダウンコンバート段の除去を可能にする。本発明者はダウンコンバート段の除去によりさらに40%の電力節約を推測する。さらに電力の節約はMEMS技術を使用する受動的な高いQのフィルタリングエレメントの使用により実現することができる。特にMEMS技術は小さく、低電力で、低歪みの妨害耐性フィルタの生成を可能にする。
PS/AJフィルタ62の構造は狭帯域妨害の除去を実現するために選択された方法に依存する。PS/AJフィルタの例示的な設計は信号の妨害されていない部分だけを通過させるサブバンド帯域通過方法と、ジャマーを除去するノッチフィルタ方法とを含んでいる。PS/AJフィルタの寸法と複雑性に応じて、切換え可能なフィルタバンクを使用し、DAFE50が幾つかの異なる周波数帯域を検出できるようにしてもよい。未使用のフィルタの存在から誘発される寄生容量の影響を減少するために、高絶縁MEMSスイッチを使用して、回路から未使用のフィルタを切り離す。さらにサブバンド方法はこの機能がサブバンド構造の自然な副産物であるので付加的なエイリアス防止フィルタの必要性をなくす利点をさらに有する。
図2Aを参照すると、PS/AJフィルタのサブバンド帯域通過構成を使用する実施形態が示されている。PS/AJフィルタ62’はフィルタ62’の濾波特性を選択するためのMEMSスイッチ80a−80dを組込んでいる。MEMSスイッチは半導体スイッチ(例えば半導体トランジスタ、ピンダイオード)よりも優れた幾つかの利点を提供する。特に、MEMSスイッチは非常に低い挿入損失(例えば45GHzで0.2dBよりも小さい)と、開いているときに、高い絶縁(例えば30dBよりも大きい)を有する。さらにスイッチは半導体トランジスタやピンダイオードと比較して、高い周波数応答と広い帯域幅を有する。これらの利点は同調可能なフィルタ設計で使用するとき向上した性能および制御をもたらす。MEMSスイッチに関する付加的な詳細は米国特許第6,046,659号に見られ、この開示はその全体がここで参考により組込まれている。
PS/AJフィルタ62’で使用されるMEMSスイッチは二極単投(DPST)スイッチである(例えば共に開閉する2つの絶縁スイッチ接点)。しかしながら、MEMSスイッチの他の構造を使用してもよく、DPSTスイッチの使用は単なる例示であることを認識すべきである。さらに、図2Aは4つのMEMSスイッチと4つのサブバンドフィルタバンクを使用するサブバンド帯域通過構成を示している。しかしながら、より多くのまたはより少ないMEMSスイッチおよび/またはサブバンドフィルタバンクを利用するサブバンド帯域通過フィルタの構成を使用してもよいことを認識すべきであり、このような構成は本発明の範囲であることが意図されている。
各MEMSスイッチを“開く”および“閉じる”ように命令する制御ラインは図面では示されていないことに注意する。しかしながら、これらの制御ラインは当業者に明白である。各MEMSスイッチの開閉動作はMEMSスイッチの1以上の端子へバイアス電圧を供給することにより実現される。例えば、単極MEMSスイッチは4つの端子、即ち絶縁スイッチの接点用の2つの端子と、“制御”接続用、例えばスイッチの開閉を命令するための2つの端子を有していてもよい。電圧がMEMSスイッチの制御端子に与えられるとき、静電力は接極子を基板方向に引っ張る。スイッチが通常開いた(N.O.)構造であるならば、絶縁スイッチ接点は電圧の印加時に閉じる。反対に、スイッチが通常閉じた(N.C.)スイッチであるならば、絶縁スイッチ接点は電圧の印加時に開く。多極MEMSスイッチはそれぞれ各付加的な極用に付加的な端子対を有する結果となる。
第1のMEMSスイッチ80aの第1の極80a1の第1の端子は入力ノード100に接続されている。第1のMEMSスイッチ80aの第1の極80a1の第2の端子は第1のサブバンドフィルタバンク102aの入力端子に接続されている。第1のサブバンドフィルタバンク102aの出力端子は第1のMEMSスイッチ80aの第2の極80a2の第1の端子に接続されている。第1のMEMSスイッチ80aの第2の極80a2の第2の端子は加算接合104に接続されている。
第2のMEMSスイッチ80bの第1の極80b1の第1の端子は入力ノード100に接続されている。第2のMEMSスイッチ80bの第1の極80b1の第2の端子は第2のサブバンドフィルタバンク102bの入力端子に接続されている。第2のサブバンドフィルタバンク102bの出力端子は第2のMEMSスイッチ80bの第2の極80b2の第1の端子に接続されている。第2のMEMSスイッチ80bの第2の極80b2の第2の端子は加算接合104に接続されている。
第3のMEMSスイッチ80cの第1の極80c1の第1の端子は入力ノード100に接続されている。第3のMEMSスイッチ80cの第1の極80c1の第2の端子は第3のサブバンドフィルタバンク102cの入力端子に接続されている。第3のサブバンドフィルタバンク102cの出力端子は第3のMEMSスイッチ80cの第2の極80c2の第1の端子に接続されている。第3のMEMSスイッチ80cの第2の極80c2の第2の端子は加算接合104に接続されている。
第4のMEMSスイッチ80dの第1の極80d1の第1の端子は入力ノード100に接続されている。第4のMEMSスイッチ80dの第1の極80d1の第2の端子は第4のサブバンドフィルタバンク102dの入力端子に接続されている。第4のサブバンドフィルタバンク102dの出力端子は第4のMEMSスイッチ80dの第2の極80d2の第1の端子に接続されている。第4のMEMSスイッチ80dの第2の極80d2の第2の端子は加算接合104に接続されている。加算接合104の出力106はフィルタ62’の出力である。
サブバンド帯域通過設計62’は各サブバンドフィルタ102a−102dを介して信号スペクトルを多数のサブバンドに分割する。図2Aに示されているように、各フィルタバンク102a−102dは複合信号から特定周波数を濾波するために異なる伝達関数を含んでいる。各サブバンドは最小の除去可能な妨害帯域幅を実現するために必要なとき、さらに分割することができる。固定周波数サブバンドフィルタ102a−102dの出力は例えばデジタル的に制御されるアナログ電力検出回路(図示せず)の使用によりジャマーの存在が検査される。ジャマー信号の検出は当業者によりよく知られており、ここでは説明しない。ジャマーが特定の周波数帯域に存在しないならば、固定周波数サブバンドフィルタの出力は他のサブバンドフィルタと合計される。しかしながらジャマーが検出されたならば、特定のサブバンドフィルタ102a−102dのそれぞれのMEMSスイッチは開かれ、これによりジャマーがスペクトルから除去される。前述したように、MEMSスイッチは半導体スイッチよりも優れた幾つかの利点を提供し、これは低い挿入損失とスイッチが開いているときの高い絶縁を含んでいる。さらに、混合技術の構成、例えば同一基板上のMEMSスイッチとSiGe BiCMOSは伝統的な構成よりも低消費電力のコンパクトなパッケージを提供する。
例えば、ジャマー信号が第4のサブバンドフィルタ102dの出力で検出され、ジャマー信号が残りのサブバンドフィルタ102a−102cの出力では検出されないならば、最初の3つのMEMSスイッチ80a−80cは閉じられ、“クリーン信号”の通過を可能にし、第4のMEMSスイッチ80dは開かれ、これによりジャマー信号が遮断される。同様に、ジャマー信号が第1のサブバンドフィルタ102aの出力で検出され、ジャマー信号が残りのサブバンドフィルタ102b−102dの出力では検出されないならば、第1のMEMSスイッチ80aは開かれ、これによりジャマー信号が遮断され、残りのMEMSスイッチ80b−80dは閉じられ、クリーン信号の通過を可能にする。
多数のサブバンドフィルタ出力の重ね合わせを使用するときの固有の問題は位相エラーの誘発である。図2Bを参照すると、サブバンドフィルタの位相オフセットからの損失を示すグラフ107が示されている。特にグラフ107は各フィルタにより誘発される位相エラーが小さい範囲内でランダムに分布しているならば、構成損失が小さいことを示している。例えば±50度108に対するエラー分布は1dBの性能損失しか生じない。
図3を参照すると、ノッチフィルタ設計を使用するPS/AJフィルタ62”の代わりの実施形態が示されている。ノッチフィルタ方法は2度の自由度、即ち中心周波数の可変性と阻止帯帯域幅を有する高いQのMEMSフィルタの設計および製造を必要とする。GPSの場合、中心周波数は20MHzのGPS帯域幅にわたって操縦可能でなければならない。理想的には、ノッチ幅は使用されている信号にしたがって、0Hzからクリア捕捉(C/A)または精度(P)のコード信号幅の10%即ち200kHz乃至2MHzまで調節可能でなければならない。
PS/AJフィルタ62”は4つのフィルタセクション、即ち事前選択フィルタ110とその後の3つのフィルタセクション112、114、116を含んでおり、これらは全て操縦可能であり帯域幅が調節可能である。さらに多くのまたはさらに少ない操縦可能フィルタを使用することができる。PS/AJフィルタ62”は2つの通常開いている(N.O.)接点と1つの通常閉じている(N.C.)接点を有する3極MEMSスイッチを組込んでいる。3極のMEMSスイッチの使用は単なる例示であり、MEMSスイッチの他の構成を使用してもよいことを認識すべきである。
図3のPS/AJフィルタ62”を参照すると、エイリアス防止/事前選択フィルタ110は入力ノード120に接続する第1の端子と、ノード121に接続する第2の端子を有する。第1のMEMSスイッチ80a’の第1のN.O.極80a1’の第1の端子はノード121に接続されている。第1のMEMSスイッチ80a’の第1の極80a1’の第2の端子は第1のフィルタバンク122aの入力端子に接続されている。第1のフィルタバンク122aの出力端子は第1のMEMSスイッチ80a’の第2のN.O.極80a2’の第1の端子に接続されている。第1のMEMSスイッチ80a’の第2の極80a2’の第2の端子はノード124に接続されている。第1のMEMSスイッチ80a’の第3のN.C.極80a3’の第1の端子はノード121に接続されている。第1のMEMスイッチ80a’の第3の極80a3’の第2の端子はノード124に接続されている。
第2のMEMSスイッチ80b’の第1のN.O.極80b1’の第1の端子はノード124に接続されている。第2のMEMSスイッチ80b’の第1の極80b1’の第2の端子は第2のフィルタバンク122bの入力端子に接続されている。第2のフィルタバンク122bの出力端子は第2のMEMSスイッチ80b’の第2のN.O.極80b2’の第1の端子に接続されている。第2のMEMSスイッチ80b’の第2の極80b2’の第2の端子はノード126に接続されている。第2のMEMSスイッチ80b’の第3のN.C.極80b3’の第1の端子はノード124に接続されている。第2のMEMSスイッチ80b’の第3の極80b3’の第2の端子はノード126に接続されている。
第3のMEMSスイッチ80c’の第1のN.O.極80c1’の第1の端子はノード126に接続されている。第3のMEMSスイッチ80c’の第1の極80c1’の第2の端子は第3のフィルタバンク122cの入力端子に接続されている。第3のフィルタバンク122cの出力端子は第3のMEMSスイッチ80c’の第2のN.O.極80c2’の第1の端子に接続されている。第3のMEMSスイッチ80c’の第2の極80c2’の第2の端子はノード128に接続されている。第3のMEMSスイッチ80c’の第3のN.C.極80c3’の第1の端子はノード126に接続されている。第3のMEMSスイッチ80c’の第3の極80c3’の第2の端子はノード128に接続されている。
PS/AJフィルタ62”は可変中心周波数および阻止帯域幅の操作によりジャマー信号を除去することができる。各フィルタバンク122a−122cは複合信号から特定のジャマー周波数を濾波するために異なる伝達関数を含んでいる。さらに、フィルタセグメントはバイパスMEMSスイッチ80a3’−80c3’を閉じ、選択MEMSスイッチ80a1’−80c1’、80a2’−80c2’を開くことによりフィルタから除去することができる。例えば、単一のジャマーが存在するならば、フィルタ122a−122cのうちの1つは適切な方法により同調され、ジャマーの位置に存在するノッチを有するか、所望の信号を包囲する通過帯域を生成する。このフィルタの同調はMEMSスイッチまたは他の方法を使用して実現され、これはここでは説明しないが、文献で知られている。制御信号は第1のMEMSスイッチ80a’に送信され、第3のN.C.極80a3’を開かせ、第1のN.O.極80a1’と第2のN.O.極80a2’を閉じさせ、これにより信号およびジャマーを第1のフィルタ122aに入らせる。第1のフィルタ122aは幾らかまたは全てのジャマーを除去し、信号と何らかの残留ジャマーだけをノード124に入らせる。他に妨害信号が存在せず、第1のジャマーが十分に除去されたならば、第2のフィルタ122bと第3のフィルタ122cは必要とされず、第2のMEMSスイッチ80b’と第3のMEMSスイッチ80c’には制御信号は送信されず、第2のMEMSスイッチ80b’の第3のN.C.極80b3’と第3のMEMSスイッチ80c’の第3のN.C.極80c3’は閉じたままであり、第2のMEMSスイッチ80b’の第1および第2のN.O.極80b1’、80b2’と第3のMEMSスイッチ80c’の第1および第2のN.O.極80c1’、80c2’は開いたままである。ノード124の信号はノード128を通過する。(図3の例示的な回路でさらに2までの)他のジャマーが存在し、除去しなければならないか、第1のジャマーの付加的な減衰が望まれるならば、またはその両者の場合、第2および第3のフィルタ122b、122cはジャマーを除去するように同調され、制御信号が第2のMEMSスイッチ80b’と第3のMEMSスイッチ80c’へ送信される。最後に、妨害信号が存在しないならば、所望の信号のみの通過を可能にするためエイリアス防止フィルタ110が信号路に置かれる。
本発明の特定の実施形態を詳細に説明したが、本発明は範囲において対応して限定されないが、特許請求の範囲の精神および用語に入る全ての変更、変形、均等物を含むことが理解されよう。例えば、MEMSフィルタの構成をPS/AJフィルタ62を参照してここで説明した。しかしながら、同一の原理はエイリアス防止フィルタ66にも適用されることが認識されよう。
本発明の1実施形態にしたがったデジタル化アナログフロントエンド(DAFE)のブロック図。 本発明の1実施形態にしたがったサブバンド帯域通過方法を使用して構成される妨害防止フィルタの図。 −ΦとΦ度との間で均一に分布したエラーを有する多数のサブバンドフィルタの出力をエラーと合計することにより受ける損失を示す図。 本発明の別の実施形態にしたがったノッチフィルタ方法を使用して構成される妨害防止フィルタの図。

Claims (9)

  1. 受信機の集積回路デジタル化アナログフロントエンド(DAFE)(50)において、
    基板(92)と、
    基板上の低雑音増幅器(LNA)(64)と、
    基板上のアナログデジタル変換器(ADC)(68)と、
    基板上の複数のマイクロ電気機械システム(MEMS)スイッチと、
    基板上の少なくとも1つのエイリアス防止フィルタ(66)と、
    基板上の少なくとも1つの妨害防止フィルタ(62)とを具備し、
    少なくとも1つの妨害防止フィルタと少なくとも1つのエイリアス防止フィルタとのフィルタ特性は、複数のMEMSスイッチのうち少なくとも1つを使用して変更されるDAFE。
  2. ADCはダイレクトサンプリング/アンダーサンプリングADCである請求項1記載のDAFE。
  3. 妨害防止フィルタとエイリアス防止フィルタ(66)はフィルタの切換え可能なバンクを含み、各バンクは少なくとも1つのMEMSスイッチを使用して選択される請求項1または2記載のDAFE。
  4. 妨害防止フィルタはノッチフィルタである請求項1、2または3のいずれか1項記載のDAFE。
  5. ノッチフィルタは操縦可能な中心周波数を有する請求項4記載のDAFE。
  6. ノッチ帯域幅は0Hzと2MHzとの間で調節可能である請求項5記載のDAFE。
  7. 妨害防止フィルタはサブ帯域通過フィルタである請求項1乃至6のいずれか1項記載のDAFE。
  8. さらに、基板上の位相ロックループ(PLL)(70)と、
    基板上の水晶発振器(72)とを具備している請求項1乃至7のいずれか1項記載のDAFE。
  9. 水晶発振器は温度補償される請求項8記載のDAFE。
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