JP2007325321A - チューナブル位相シフタおよびそれに対するアプリケーション - Google Patents

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Abstract

【課題】ダイレクトダウンコンバージョン受信機におけるローカル発振器漏れ影響を軽減するための改良された装置を提供すること。
【解決手段】本発明は、位相シフトフィルタおよび位相補償を行うダイレクトダウンコンバージョン受信機を提供する。DCオフセット検出器は、受信されたベースバンド信号のDCオフセットを検出し、フィードバック信号を提供する。チューナブルフィルタは、フィードバック信号に応答してローカル発振器信号を位相シフトする。位相シフトされたローカル発振器信号は、受信されたRF信号を直接的にダウンコンバートするために使用され、それによって、結果のベースバンド信号におけるDCオフセットは低減される。
【選択図】図3

Description

(背景)
(発明の分野)
本発明の分野は、エレクトロニクスである。より詳細には、本発明はワイヤレス通信デバイスにおけるダイレクトコンバージョン(direct conversion)受信機に関する。
(関連技術の説明)
大抵のワイヤレス通信デバイスは、ベースバンドとワイヤレス周波数(RF)ステージとの間に中間周波数(IF)ステージを有するトランシーバ(送信機および受信機)を使用する。IFステージを使うトランシーバは、スーパーヘテロダイントランシーバと呼ばれる。より安価で、より信頼ができ、より長い耐久性がありより小さいワイヤレス通信デバイスに対する人をひきつける商業的動きが、IFステージを除去するために、この産業において多くの試みをを引き起こしている。これは、コンポーネントの数、費用やサイズの節約を生む。
RF信号が、RF信号からのベースバンド信号にダイレクトコンバージョンされるので、IFステージを使わないトランシーバは、ダイレクトダウンコンバージョントランシーバと呼ばれる。それらはまた、ゼロIFトランシーバ(zero IF transceiver)としても知られている。
スーパーヘテロダイン受信機は中間周波数ステージを有するので、スーパーヘテロダイン受信機は、概して、ダイレクトダウンコンバージョン受信機と比較してより多くのコンポーネントを有する。現在、スーパーヘテロダイン受信機の使用および製造は、よく理解されているので、多くのワイヤレスハンドセット(handset)は、スーパーヘテロダイントランシーバを用いている。多くのハンドセットがスーパーヘテロダイン設計を使用するが、このような使用は、中間周波数ステージを必要とするハードウェアが理由で、ハンドセットのサイズを小さくすることおよび製造費用を低くすることの関心に対して常時緊張させている。
ワイヤレスハンドセットにおけるダイレクトコンバージョン技術の使用は、中間周波数の必要を取り除き、これにより、製造費用およびサイズ制限を引き下げる。しかしながら、複数の問題が、ワイヤレスハンドセットにおけるダイレクトコンバージョン技術の広範の使用を妨げてきた。例えば、従来技術のダイレクトダウンコンバージョン受信機5を示す図1を考慮する。受信機5は、送信されたワイヤレス周波数(RF)信号11を受信するためのアンテナ10を含む。RF信号11は、デュプレクサ(duplexer)12を通って、低ノイズ増幅器14と繋がる。増幅されたRF信号は、その後RFポート22を通ってミキサ15に接続される。この増幅されたRF信号は、通常、バンドパス信号gbp(t)であり、これらは、
bp(t)=g(t)coswt+g(t)sinw
として表わされ得る。ここで、g(t)およびg(t)は、それぞれ、ベースバンド信号の同相(I)およびの直交(Q)コンポーネントである。従って、このバンドパス信号をそのベースバンドコンポーネントに変換するために、電圧制御型発振器16は、LOポート24を通ってミキサ15と繋がる、RF周波数wの正弦波(sinusoid)を生成する。ベースバンドローパスフィルタ18は、ベースバンドコンポーネントを取り戻し、その後これらのコンポーネントは、A/Dおよびデジタル信号プロセッサ(DSP)ベースバンドプロセッサ20によって処理される。
ミキサがポート22および24の両方で同じ周波数wの正弦波を受けることに留意されたい。従って、スーパーヘテロダイン受信機のIFステージにおけるミキサとは異なり、厳しいカップリングサイド影響がミキサ15において発生し得る。これらの影響は、ミキサがベースバンド信号の所望でない高調波を生み出すことの非線形の影響を含む。さらに、DCオフセットは、ミキサ15のRFポート22にVCOの正弦波出力の漏れによって、復調されるベースバンド信号内に現われ得る。このタイプの漏れは、特に問題がある。なぜなら、VCO出力は、一般的に、低ノイズ増幅器15の出力よりパワーにおいて、より高い大きいデシベル値であるからである。さらに、このタイプの漏れは、ワイヤレスハンドセットにおいて使用されるPCSバンドなどのより高い周波数で悪化される。
LO漏れが与えられると、VCO16からLOポート24に入力する周波数wでの正弦波出力はまた、RFポート22と結合する。したがって、同じ信号は、RFポート22とLOポート24の両方に存在し、ミキサ15によって二乗される。入力正弦波の位相に関係なく、その二乗することは、入力周波数を二倍した正弦波およびDCオフセット項を生成する。したがって、LO漏れは、DCオフセットを必然的に生成する。複数の技術が、LO漏れおよび復調されたベースバンド信号におけて、この結果として生じる歪みおよびDCオフセットの問題を解決するために開発された。例えば、米国特許番号第4,811,425号および5,001,773号は、ミキサ15のRFポート22に入るLOコンポーネントを直接的にキャンセルするスキームを開示する。RFポート22に入るLOコンポーネントは必ずVCO16によって生成されるLO信号より小さい振幅であるので、キャンセルされる信号は、漏れるLOコンポーネントをキャンセルするために適切に大きくかつ位相シフトされなければならない。これらの直接キャンセルスキームは、高価なハードウェアの必要性および漏れコンポーネントをキャンセルすることでの効率の悪さに苦慮する。
したがって、ダイレクトダウンコンバージョン受信機におけるローカル発振器漏れ影響を軽減するための改良された装置および技術が当該技術において必要である。
(要旨)
復調されたベースバンド信号においてDCオフセットを低減するダイレクトダウンコンバージョン受信機を提供することが所望される。したがって、検出されたDCオフセットに応答して、受信機の特性を適応するように調整するためのメソドロジー(methodology)を提供することが、本発明の目的である。
本発明の一つの局面によると、チューナブル(tunable)で、低損失な、位相シフトフィルタが提供される。フィルタは、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタまたはオールパスフィルタとして構成され得る。フィルタは、可変誘電率の強誘電性コンポーネントを含む。
本発明の別の局面において、ダイレクトダウンコンバージョン受信機は、受信されるベースバンド信号内のDCオフセットを検出しかつ検出されたDCオフセットに負帰還信号を生成するためのDCオフセット検出器を有する。チューナブルフィルタは負帰還に従って、受信機のローカル発振器の位相を調整するミキサは、ベースバンド信号を生成するために位相シフトされたローカル発振器信号と受信されたRF信号とのミックスイングを行う。DCオフセット検出器、チューナブルフィルタ、およびミキサによって形成される負帰還によって、ベースバンド信号におけるDCオフセットの量は、低減される。
本発明の別の局面によると、ある方法が、ダイレクトダウンコンバージョン受信機内のDCオフセットを低減するために提供される。この方法において、受信されるRF信号は、直接的にダウンコンバートされるベースバンド信号を生成するために位相シフトされたローカル発振器の信号とミックスされる。ベースバンド信号の中のDCオフセットが検出され、位相シフトされたローカル発振器信号の位相シフトがDCオフセットを低減するために調整される。
さらなる本発明の局面および特徴は、添付の図面と共に以下の説明で示される。
異なった図における同じ参照符号の使用は、類似または同一の項目を表わす。
(詳細な説明)
ここで、図2を参照すると、位相補償形ダイレクトダウンコンバージョン受信機30が、示される。図1に関して説明されたように、ダウンコンバージョン受信機30は、アンテナ10、デュプレクサ12、低ノイズ増幅器14、ミキサ15、VCO16、ベースバンドローパスフィルタ18、および、A/D&DSPベースバンドプロセッサ20を含み得る。さらに、ベースバンドプロセッサ20は、DCオフセット検出器32を含む。DCオフセット検出器32は、ベースバンドプロセッサ20と一体化して示されるが、ベースバンドプロセッサ20とは区別可能であり得る。DCオフセット検出器32は、複数の方法においてハードウェアまたはソフトウェア、または、二つの組み合わせで、インプリメントされ得ることが理解される。
インプリメンテーションに関係なく、DCオフセット検出器32は、ベースバンドプロセッサ20によって取り戻された、復調ベースバンド信号に存在しているDCオフセットの量(amount)の測定を提供するために機能する。例えば、DCオフセット検出器32は、ベースバンドプロセッサ20内のアナログデジタル変換器(A/D)によって生成される波形を平均化またはローパスフィルタリングし得る。したがって、DCオフセット検出器32は、A/D変換器の波形の移動平均を行い続けるためにプログラムされたマイクロプロセッサまたは状態機械においてインプリメントされ得る。DCオフセットがない場合、この波形の平均化は、およそ0であるべきであり、すなわち、時間にわたって、正のサンプル値は、A/D変換器から出力されるデジタル化された波形の負のサンプル値をキャンセルする傾向になる。DCオフセットは信号をハイ(high)またはロウ(low)にバイアスする傾向がある。フィードバックネットワーク38は、DCオフセット検出器32からのデジタルDCオフセット測定値を受ける。この値に基づいて、フィードバックネットワーク38は、チューナブルフィルタ36に適用されるVf−eの値をインクリメント的に(incrementlly)調整する。フィードバックネットワーク38は、DCオフセット測定値の値の記憶を保持する。DCオフセット検出器32からのフィードバックネットワーク38によって受け取られるDCオフセットの次の測定値が前述の値より大きい場合、フィードバックネットワーク38は方向を反転し、Vf−eの最初の値の反対側の値にVf−eの値を設定する。しかしながら、DCオフセット検出器32からフィードバックネットワーク38によって受信されるDCオフセットの次の測定値が前の値よりも小さい場合、フィードバックネットワーク38は、Vf−eでの変化の方向を維持し、再びVf−eをインクリメントする。
代替的に、所定のDCオフセットを検出するようなRF入力なしに、最初に動作するようなシステムを設計し得る。このDCオフセットは、減算され得る。このことは、DCオフセットの時間変化がDCオフセット検出器およびフィードバックネットワークのサンプリング期間と比較して全く小さい場合に、作動する。代替的に、DCオフセット検出器32は、ワイヤレスハンドセットなどの従来の受信機において既に提供されている信号品質
メトリック(signal quality metrics)によって簡単に提供される。例えば、全てのノイズおよび干渉信号に対する復調ベースバンド信号の強さの比であるSINADが使用され得る。所定の閾値以下に下げられたSINADの場合に、DCオフセットは、存在すると仮定され得る。
DCオフセットがどのようにDCオフセット検出器32によって検出されるかとは関係なく、DCオフセット検出器32は、DCオフセットの量に比例するフィードバック信号を生成する。このフィードバック信号は、アナログまたはデジタルのどちらかでも良い。例えば、DCオフセット検出器32がベースバンドプロセッサ20のA/D変換器によって生成されたデジタル化された波形の移動平均を実行するマイクロプロセッサである場合、DCオフセット検出器は、この移動平均を適切なデジタル化された値にスケーリングするのみである。適切な値にスケールングする量は、フィードバックネットワーク38を介してフィードバック信号と結合するチューナブルフィルタ36の特性を考慮して決定される。チューナブルフィルタ36は、VCO16によって生成されるローカル発振信号の位相を調整するオールパス、ローパス、または、ハイパスフィルタであり得る。チューナブルフィルタ36は、負のフィードバックネットワーク38を介して結合されるフィードバック信号に応答して位相を調整する。上述のように、チューナブルフィルタ36は、まさにローパスフィルタであり得、そのコーナー周波数は、ローカル発振器信号の周波数に関して十分に高い値であるべきである。VCO16によって生成されるローカル発振器信号は、通常、狭帯域正弦波なので、ローカル発振器の信号が、ミキサのRFポート22に入力する増幅された受信のRF信号をダウンコンバートするためのミキサ15の機能に対して十分な振幅でチューナブルフィルタ36を通過する限り、チューナブルフィルタ36のタイプがオールパス、ハイパス、または、ローパスのいずれかであるかは、重要でない。
本発明の鍵となる利点は、チューナブルフィルタ36によって生成される信号の振幅が、重要でないということである。言い換えると、上述の従来技術のDCオフセット削減スキーム(scheme)とは異なり、ダイレクトダウンコンバージョン受信機30は、DCオフセット検出器32からのフィードバックに関するローカル発振器信号の位相の制御のみ必要である。対照的に、上述の従来技術のスキームは、RFポート22に入力するLO漏れを直接キャンセルすることに役に立っていたので、これらのスキームは、LO漏れキャンセル信号の位相および振幅の両方を調整しなければならなかった。これらの信号の特性の両方を適合させることの難しさは、このスキームのDCオフセットキャンセル効率を悪くする。
負帰還ネットワーク38により生成されるDCオフセッフィードバック信号の存在に対応するチューナブルフィルタ36は、VCO16によって生成されるローカル発振器信号の位相を調整する。チューナブルフィルタ36の複数の異なるタイプがローカル発振器信号の位相を適切に調整することをインプリメントされ得ることが、理解される。しかしながら、重要なことには、チューナブルフィルタ36が、ミキサ15のLOポート24の近くにある。フィルタ36は、LOポート24の近くにあるべきであり、これにより、ポート22に漏れ得る伝送線の多くは存在しない。なお、VCO16が通常、ローカル発振器信号をミキサ15のみに提供するだけではなく、受信機30に渡って複数の位置に信号を結合する。例えば、ワイヤレスハンドセットにおいて、VCO16は、ミキサ15およびワイヤレスハンドセットのマザーボード上の数個のトレースとリードに分配されたローカル発振器信号から数インチ離れ得る。この方法では、ローカル発振器信号は、他のリード線がローカル発振器信号を伝搬する他のリードと同様に、VCO16からのリードの長さでこの数インチまたはこれより大きい長さからミキサ15に放射し得る。このことは、ローカル発振器信号が素早く、ミキサ15のRFポート22に結合するか、または放射するために十分な機会を与える。このような素早い結合および放射は、現在のデジタルハンドセットにおいて利用される比較的高い周波数(1〜2GHz)によって容易に行われる。
しかしながら、反対に、チューナブルフィルタ36は、好ましくは、ミキサ15のRFポート22にチューナブルフィルタによって生成される位相調整されたローカル発振器信号の任意の素早い結合を最小にするためにミキサ15とできるだけ近づける。このことは、チューナブルフィルタ36によって生成された位相シフトされたローカル発振器信号は、キャンセルすることができないので重要であり、それ自体で混合されるミキサ15のRFポート22に素早く結合されるべきである。上述のように、正弦波(この場合は位相シフトされたローカル発振器信号)の二乗された結果は、DCオフセット項を生成する。チューナブルフィルタ36をミキサ15のLOポート24と近接して配置することは、ミキサ15において位相シフトされた出力信号の二乗の値を最小化する。その結果、ベースバンドプロセッサ20によって生成された復調されるベースバンド信号の中の望まれないDCオフセットを防ぐことになる。
チューナブルフィルタ36からの位相シフトされたローカル発振器信号は、増幅され受信のRF信号、および、素早い結合またはRFポート22へのローカル発振器信号の放射から生じるLO漏れ信号とミックスされまたは乗算される。乗算のため、チューナブルフィルタ36の位相シフトされた出力は、位相シフトされたローカル発振器信号の振幅に関係なくLO漏れ信号をキャンセルし得る。当業者に理解されるように、複数のタイプのチューナブルフィルタのアーキテクチャは、本発明においてインプリメントされ得る。
図3は、チューナブルフィルタ36の1実施形態としてローカル発振器信号を位相シフトする、2.0GHzに同調されたハイパスチューナブルフィルタ40を示す。当該技術において通常であるように、チューナブルフィルタ40の入力42および出力44は、抵抗器46および48の記号で表わされる50Ωのインピーダンスに整合している。もちろん、このことが、LO入力ポート24およびVCO16が50Ωのインピーダンスと整合するように調整されると仮定することが理解される。含まれる実際のインピーダンスとは関係なく、コンポーネントは、最大効率のために出力および入力インピーダンスと整合するために調整されるべきである。任意のインピーダンスエレメントが、使用され得る。インピーダンスエレメントは、例えば、キャパシタ、インダクタ、抵抗器、伝送線などのインピーダンスを有する任意のエレメントとして本明細書で定義される。
インダクタ50は、4.0nHのインダクタンスを有し得る。チューナブルなエレメントは、キャパシタ52および54である。この実施形態において、キャパシタ52および54は等しく、1〜4pFのキャパシタンスの範囲にわたり変更され得る。結果的に対称になるので、ポート42および44は等しく、かつ入力または出力ポートのいずれかとして示され得る。
多くの異なるチューナブルエレメントは、バラクターダイオード、MEMキャパシタ、または可動平行板などのキャパシタ52および54を形成するために使用され得る。あるいは、強誘電性(f−e)材料は、ギャップ(gap)、オーバーレイ(overlay)、またはインターデジタル(interdigital)などの種々のトポロジー(topology)のキャパシタ52を形成するために使用され得る。1〜2GHzの範囲におけるf−eキャパシタの使用の本質の利点は、例えばバラクターダイオードなどの他のチューナブルコンポーネントより低い損失を提供し得ることである。このような用途に用いられる任意の位相シフト回路網は好ましく最も可能なRF低損失を提供すべきである。システム性能は、ローカル発振器(LO)の駆動レベルが低減される場合、低下される。さらに、複数のミキサは、ミキサが能動的か受動的かどうかによって、ミキサの利得および損失の要求を満たすLO駆動最小レベルを必要とする。LO経路において付加された損失がLO駆動レベル増加を必要とし、したがって、RF経路に漏れる高レベル信号に供給すると同様に、バッテリーに電流の引きこみを増加させる。
適切なf−eキャパシタの設計のさらなる詳細は、同時係属中の、米国出願番号09/904,631; 09/912,753; 09/927,732; 09/927,136;および10/044,522で見つけられ得、これらの出願のコンテンツは、本明細書で参照として援用される。
キャパシタ52および54がどのような形状なのかに関係なく、フィルタ40の位相応答の結果は、図4に示される。この位相変化は、ポート42に入力する2.0GHzの入力正弦波とポート44に出力する位相シフトされた正弦波との間に存在する。キャパシタ52および54が1.0pFのキャパシタンスを有する場合、フィルタ40を介する位相遅延は125度である。4.0pFのキャパシタンスに対するチューニングキャパシタ52および54は、およそ53度の位相遅延を調整する。LOポート24およびVCO16に対するポート42および44の関係は、図2に示され得る。チューナブルフィルタ36からの必要な位相変化の範囲が所与の受信機におけるDCオフセットの存在の個別的な分析に依存することが理解される。さらなる位相変化が必要とされなければならない場合、フィルタ40は、さらなるキャパシタおよびインダクタを含んでも良い。あるいは、抵抗器−キャパシタトポロジーが使用され得る。つまり、抵抗器およびキャパシタから作られるローパスフィルタが使用され得る。
図2を参照して、制御信号ジェネレータ(図示せず)は、一つ以上の強誘電性コンポーネントをチューニングするために制御信号を生成する。
電気的長さ(electrical length)がフィードバック信号に応じて調整されるチューナブルな伝送線などの分布アーキテクチャがまたフィルタ36を形成するために使用され得る。例えば、マイクロストリップ線を負荷された強誘電性(f−e)が使用され得る。このようなデバイスおよび方法は、米国特許出願番号09/927,136で開示される。この特許出願は、本明細書で参照として援用される。
フィードバックネットワーク38は、負帰還信号をチューナブルフィルタ36に提供する機能として働く。図2に示される実施形態において、フィードバックネットワーク38は、制御信号ジェネレータとしての役目を行う。特定のフィードバックネットワークのインプリメンテーションに関係なく、当業者は、基本的な原理が負帰還ループの結果としての安定性を制御することを理解する。任意のネガティブフィードバックループにおいて、出力は、入力をキャンセルするために使用される。この場合、出力は、DC検出器32によって検出されるDCオフセットである入力をキャンセルするために使用されるチューナブルフィルタ36からの位相変化の結果である。安定させるために、伝達関数は、s平面(s−plane)の右半分に任意の根を有してはいけない。伝達関数は、ゼロ初期状態下での出力および入力のラプラス変換の比である。
ここで、フィードバックネットワークがどのようにインプリメントされるかの特定の例が与えられる。図5は、フィードバックネットワーク65の概要図を示す。フィードバックネットワーク65は、出力73がスケーリングシステム69に結合される反転演算増幅器67を含む。この演算増幅器67はDCオフセット検出器32からの入力71を受けてこの演算増幅器67は、この入力を反転させ、スケーリングシステム69に対してこの入力を増幅または減衰させ得る。
演算増幅器67の出力73において、この信号は、正または負であり得る。好ましくは、チューナブルフィルタ36は、非負信号を受ける。したがって、スケーリングシステム69は、可能性のある出力信号73の最大絶対値と等しいかまたは電圧をより大きい出力73に加えることによって出力73をシフトする。スケーリングシステム69はまた、出力73に電圧を加えた後、出力73を増幅し得る。したがって、例えば、出力73が−0
.8Vから+0.8Vに変動し得、スケーリングシステム69は、出力73を0.0v〜+1.6Vにシフトし得、その後、出力73を0.0V〜3.3Vでスケーリングする。
スケーリングシステム69は、チューナブルフィルタ36をチューニングするためにチューナブルフィルタ36と結合される。有利にも、チューナブルフィルタ36は、DCオフセット信号に応答して、LO信号の位相を変化させ、その結果ベースバンド信号のDCオフセットを最小化する。
あるいは、フィードバックネットワークは、状態機械としてインプリメントされ得る。この場合、DCオフセット信号は好適には、デジタル信号である。簡単化の目的のために、状態機械の機能は、本明細書には記述されない。
本発明は、特定の実施形態の参照で記述されたが、この説明は、本発明の応用の例であるだけであり、限定するようにはとられない。結果として、開示された実施形態の特徴の種々の適合および組み合わせは添付の請求項に包含され本発明の範囲内である。
図1は、従来技術のダイレクトダウンコンバージョン受信機のブロック図である。 図2は、本発明の一実施形態によるDCオフセット低減を提供するように構成されたダイレクトダウンコンバージョン受信機のブロック図である。 図3は、図2のダイレクトダウンコンバージョン受信機において適切に使用するためのチューナブルハイパスフィルタを示す。 図4は、図3のチューナブルフィルタに対する位相遅れの変化を示す。 図5は、フィードバックネットワークの概要図を示す。

Claims (1)

  1. 本願明細書に記載のベースバンド信号DCオフセットを補正するシステム。
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