TWI422148B - 複數濾波器及校正方法 - Google Patents

Description

複數濾波器及校正方法

本發明係指一種複數濾波器及校正方法，尤指一種可透過少量且能簡易整合的補償電阻實現相位及振幅校正的複數濾波器及校正方法。

在現今無線通訊系統的接收器中，能達到高度積體化及多模式的接收器架構有兩大主流，一種為低中頻(Low IF)接收器，另一種為直接轉換(Direct Conversion)，或稱為零中頻(Zero IF)接收器。前者可避免直流偏移及低頻雜訊的問題，但會受到鏡像訊號(Image Signal)的干擾。後者則相反，較無鏡像訊號干擾的問題，但會遭受到直流偏移及低頻雜訊的問題。

時至今日，低中頻的架構在無線通訊的傳輸和接收端上已獲得廣泛的應用，因此，如何解決低中頻接收器中鏡像干擾的問題也就成為產業界和學術界重要探討的議題。現階段最為普遍的做法是在低中頻或超低中頻接收器的架構中將無線射頻訊號自天線接收下來之後，利用一組混波裝置對此射頻訊號做降頻並輸出一對正交訊號，再利用一複數濾波器(Complex Filter)來處理該對正交訊號。 請參考第1圖，第1圖為習知一低中頻接收裝置10之示意圖。低中頻接收裝置10用來處理一射頻訊號RF，其包含有一低雜訊放大器(Low Noise Amplifier，LNA)100、一本地振盪器102、一相移器(Phase Shifter)104、混頻器106、108、一複數帶通濾波器110、一類比至數位轉換器(Analog-to-digital Converter)112及一數位訊號處理器114。低中頻接收裝置10之運作原理係業界所熟知，以下僅簡述之。低雜訊放大器100用來將訊號振幅適度放大。本地振盪器102用來產生一本地振盪訊號予混頻器106，而相移器104則將本地振盪器102所產生之本地振盪訊號的相位平移-90°後輸出至混頻器108。因此，藉由相位差90°之振盪訊號，混頻器106、108可將射頻訊號RF降頻至特定頻率，並輸出一同相位(In-Phase)訊號I及一正交相位(Quadrature-Phase)訊號Q。訊號I、Q互為正交，並夾雜鏡像訊號，而複數帶通濾波器110則用來消除訊號I、Q中的鏡像訊號，最後再透過類比至數位轉換器112轉換為數位訊號的型態，傳至下一級數位訊號處理器114作處理。

在低中頻接收裝置10這類類比、數位分工的架構中，一個重要的精神就是整個通道選取以及鏡像消除的功能是由複數帶通濾波器110完成，也就是說，關於訊號處理的過程和運作方式是使用複數(Complex)運算的架構，以期能對訊號相位的部分作精確的控制。一般而言，複數帶通濾波器110的實現方式有許多種，其中之一為跳位(Leapfrog)式架構。舉例來說，第2圖為一一階跳位式複數帶通濾波器20之示意圖。一階複數帶通濾波器20主要由兩低通濾波 器(亦為積分器)200、202所組成，而低通濾波器200與202間則以電阻及反相器所組成之一連結單元連結。跳位式複數帶通濾波器不限於第2圖所示之例，可拓展至多階、差分式等，主要概念係將低通濾波器的頻率響應特性平移至所需的中心頻率處，以達到複數帶通濾波功能。

此外，由於低中頻接收裝置10係將類比及數位分工，若類比部分(即類比至數位轉換器112之前)發生相位或增益不匹配的問題，則難以透過數位部分完全消除。因此，習知技術已提出許多技術，著眼於正交訊號I、Q的相位和振幅的校正，以達到消除鏡像的目的。然而，這類校正機制大都仍建立在繁雜的運算，無法以少量且能與接收器簡易整合的元件所實現。同時，為了處理鏡像消除的問題而添加的繁雜運算和過多之外加元件反而容易衍生出如能源消耗等的問題。

因此，本發明之主要目的即在於提供複數濾波器及校正方法。

本發明揭露一種複數濾波器，用於處理一同相位訊號及一正交相位訊號，該複數濾波器包含有一第一低通濾波器，用來接收該同相位訊號，並輸出一濾波結果；一第二低通濾波器，用來接收該正交相位訊號，並輸出另一濾波結果；一連結單元，耦接於該第一低 通濾波器與該第二低通濾波器之間；一第一補償電阻，其一端耦接於該第一低通濾波器之一第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端，另一端耦接於該第二低通濾波器接收該正交相位訊號之一端；以及一第二補償電阻，其一端耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端，另一端耦接於該第一輸入電阻接收該同相位訊號之一端。

本發明另揭露一種校正方法，用於一接收器中消除一同相位訊號及一正交相位訊號之不匹配，該接收器包含一複數濾波器用來濾除該同相位訊號及該正交相位訊號之鏡像訊號，該校正方法包含有形成一第一補償電阻，該第一補償電阻之一端耦接於該複數濾波器之一第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端，另一端耦接於該複數濾波器之一第二輸入電阻接收該正交相位訊號之一端；形成一第二補償電阻，該第二補償電阻之一端耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端，另一端耦接於該第一輸入電阻接收該同相位訊號之一端；以及根據該同相位訊號與該正交相位訊號之振幅不匹配的程度，決定該第二輸入電阻與該第一輸入電阻之比。

本發明係透過少量且能與接收器簡易整合的元件，改善同相位訊號I及正交相位訊號Q不匹配的問題。以下透過一連串的分析，說明本發明之概念。

首先，以第1圖為例，當同相位訊號I及正交相位訊號Q匹配時，表示混頻器106、108運作所依據的振盪訊號係相同振幅且相位差90°，則相關訊號可以第3A圖表示。在第3A圖中，為簡化說明，有限頻寬之射頻訊號RF可表示為X _sig cos(ω _LO +ω _IF )t+X _imag cos(ω _LO -ω _IF )t，其中，X _sig 為欲接收之訊號成分，X _imag 為鏡像訊號成分。本地振盪訊號及其-90°相位平移訊號分別為A _LO cos(ω _LO t)及A _LO sin(ω _LO t)，表示振幅及相位匹配。此外，為清楚說明，混頻器106、108之混頻結果另經過低通濾波之處理，以濾除高頻成分。因此，經過混頻器106、108及低通濾波處理後，同相位訊號I及正交相位訊號Q中分別包含鏡像訊號之實部成分及虛部成分。

接著，鏡像訊號之實部成分及虛部成分通過如第3B圖所示之一階複數帶通濾波器後，可得：，以及

若接收器的類比部分發生相位或增益不匹配，其等效上可以例 如為弦波訊號的振盪訊號之不匹配表示，因此，可將增益不匹配以振盪訊號間之振幅比例ε _ratio 表示，並將相位不匹配以振盪訊號間之相位差θ _ε 表示，即如第4圖所示。由第4圖可知，當振盪訊號之振幅與相位不匹配時，同相位訊號I及正交相位訊號Q中鏡像訊號之實部成分仍為，而虛部成分會變成

為了消除振盪訊號之振幅與相位不匹配所造成的影響，本發明之一實施例係於第3B圖所示之一階複數帶通濾波器中，增加電阻R _θ1、R _θ2，如第5圖所示，R _θ1、R _θ2兩者電阻值的決定方式如下。

當振盪訊號之振幅與相位不匹配時，鏡像訊號之實部成分及虛部成分通過第5圖之一階複數帶通濾波器後，可得：，以及

觀察可知，若令且R _θ1>>R _i2，則之式可簡化為： 再令，可得：

同理，針對，若令且R _θ1>>R _i2，則可簡化為： 再令，可得：

由上述可知，當增加電阻R _θ1、R _θ2後，透過調整複數帶通濾波器 之兩輸入電阻的比值，可消除同相位訊號I及正交相位訊號Q之振幅不匹配，而透過調整輸入電阻R _i1與電阻R _θ2之比，則可消除同相位訊號I及正交相位訊號Q之相位不匹配。換言之，訊號I、Q的振幅及相位不匹配可被獨立地消除。如此一來，可大幅降低複雜度，更重要的是，本發明只需在原有複數帶通濾波器中，增加交錯於輸入電阻的補償電阻，再分別針對振幅(增益)及相位，調整輸入電阻及補償電阻之值，即可補償振幅及相位的不匹配。

在第1圖中，低中頻接收裝置10係將類比及數位分工，若類比部分發生不匹配的問題，則難以透過數位部分完全消除。在此情形下，本發明係於原有架構中，在跳位式架構之複數帶通濾波器110加入與輸入電阻交錯之補償電阻，再分別針對振幅及相位，調整輸入電阻及補償電阻之值，即可獨立地補償振幅及相位的不匹配，進而達到消除鏡像的目的。由此可知，本發明係以少量且能與接收器簡易整合的補償電阻所實現，既不需繁雜運算，也不會增加過多的能源消耗，可大幅改善習知技術的缺點。

簡單來說，本發明係於複數帶通濾波器中，增加與輸入電阻交錯的補償電阻，再分別針對振幅及相位，調整輸入電阻及補償電阻之值，即可補償振幅及相位的不匹配。需注意的是，前述說明及實施例係以一階跳位式複數帶通濾波器為例，實際上，相同概念亦可應用於其它階數之跳位式複數帶通濾波器，如三階、五階等，或是 不同型式之跳位式複數帶通濾波器，如差分跳位式複數帶通濾波器。簡單來說，複數帶通濾波器可視為一第一低通濾波器、一第二低通濾波器及介於第一低通濾波器與第二低通濾波器間的連接單元所組成。本發明之概念不在於改變複數帶通濾波器原有架構，而是透過少量且能簡易整合的補償電阻實現相位及振幅校正。因此，本領域具通常知識者當可根據前述概念，輕易應用於其它複數帶通濾波器中。

舉例來說，請參考第6圖，第6圖為本發明實施例一三階跳位式複數帶通濾波器60之示意圖。如第6圖所示，複數帶通濾波器60之輸入電阻R _i1、R _i2的兩端耦接有交錯之補償電阻R _θ1、R _θ2。若以複數帶通濾波器60實現於第1圖之複數帶通濾波器110，則可分別針對振幅及相位，調整輸入電阻R _i1、R _i2及補償電阻R _θ1、R _θ2之值，以補償振幅及相位的不匹配，進而達到消除鏡像訊號的目的。例如，第7A及7B圖分別為複數帶通濾波器60所輸出之實部及虛部訊號的頻率響應示意圖，其中，點線表示未補償振幅及相位時的頻率響應，虛線表示僅補償振幅時的頻率響應，以及實線表示補償振幅及相位後的頻率響應。由第7A及7B圖可知，當振幅及相位未完全校正前，在負頻帶會有通帶產生，此通帶所通過的訊號經過類比至數位轉換器後會調入(Fold in)正頻帶，因而影響低中頻接收器的數位部分的運作。相較之下，經過調整輸入電阻R _i1、R _i2及補償電阻R _θ1、R _θ2之值後，振幅及相位的不匹配可被補償，以提升可靠度。

在第6圖中，為了避免調整輸入電阻R _i1、R _i2時影響後端積分器(低通濾波器)的運作，可如第8圖之一複數帶通濾波器80所示，其加入了緩衝器800、802，並以電阻R_fix與可變電阻R_p1之並聯實現輸入電阻R _i1，以及以電阻R_fix與可變電阻R_p2之並聯實現輸入電阻R _i2。

另外，在調整輸入電阻R _i1、R _i2及補償電阻R _θ1、R _θ2之值以補償振幅及相位的不匹配時，較佳地可使用單一鏡像弦波進行校正，並先校正增益，再校正相位；亦即，先調整輸入電阻R _i1、R _i2之比使複數濾波器鏡像輸出功率最小，再調整可使複數濾波器鏡像輸出功率最小的輸入電阻R _i1與電阻R _θ2之比或輸入電阻R _i2與電阻R _θ1之比。

因此，針對跳位式複數帶通濾波器的增益及相位校正，可歸納為一校正程序90，如第9圖所示。校正程序90包含以下步驟：

步驟900：開始。

步驟902：形成一第一補償電阻，該第一補償電阻之一端耦接於複數濾波器之一第一輸入電阻未接收同相位訊號I之一端，另一端耦接於複數濾波器之一第二輸入電阻接收正交相位訊號Q之一端。

步驟904：形成一第二補償電阻，該第二補償電阻之一端耦接於該第二輸入電阻未接收正交相位訊號Q之一端， 另一端耦接於該第一輸入電阻接收同相位訊號I之一端。

步驟906：根據同相位訊號I與正交相位訊號Q之振幅不匹配的程度，決定該第二輸入電阻與該第一輸入電阻之比。

步驟908：根據同相位訊號I與正交相位訊號Q之相位不匹配的程度，決定該第一輸入電阻與該第二補償電阻之比值。

步驟910：結束。

校正程序90之詳細說明可參考前述，在此不贅述。

綜上所述，本發明係於複數帶通濾波器中，增加與輸入電阻交錯的補償電阻，再分別針對振幅及相位，調整輸入電阻及補償電阻之值，即可補償增益及相位的不匹配。因此，本發明不需改變複數帶通濾波器原有架構，而僅透過少量且能簡易整合的補償電阻實現相位及振幅校正，既不需繁雜運算，也不會增加過多的能源消耗，可大幅改善增益及相位校正的效率。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10‧‧‧低中頻接收裝置

RF‧‧‧射頻訊號

100‧‧‧低雜訊放大器

102‧‧‧本地振盪器

104‧‧‧相移器

106、108‧‧‧混頻器

110‧‧‧複數帶通濾波器

112‧‧‧類比至數位轉換器

114‧‧‧數位訊號處理器

I‧‧‧同相位訊號

Q‧‧‧正交相位訊號

200、202‧‧‧低通濾波器

20‧‧‧一階複數帶通濾波器

90‧‧‧校正程序

900、902、904、906、908、910‧‧‧步驟

第1圖為習知一低中頻接收裝置之示意圖。

第2圖為一一階跳位式複數帶通濾波器之示意圖。

第3A圖為第1圖之低中頻接收裝置未有不匹配時之訊號示意圖。

第3B圖為一一階跳位式複數帶通濾波器之示意圖。

第4圖為第1圖之低中頻接收裝置有不匹配時之訊號示意圖。

第5圖為本發明實施例一一階跳位式複數帶通濾波器之示意圖。

第6圖為本發明實施例一三階跳位式複數帶通濾波器之示意圖。

第7A及7B圖為第6圖之複數帶通濾波器所輸出之實部及虛部訊號的頻率響應示意圖。

第8圖為本發明實施例一三階跳位式複數帶通濾波器之示意圖。

第9圖為本發明實施例一校正程序之示意圖。

90‧‧‧校正程序

900、902、904、906、908、910‧‧‧步驟

Claims (16)

1. 一種複數濾波器，用於處理一同相位訊號及一正交相位訊號，該複數濾波器包含有：一第一低通濾波器，用來接收該同相位訊號，並輸出一濾波結果；一第二低通濾波器，用來接收該正交相位訊號，並輸出另一濾波結果；一連結單元，耦接於該第一低通濾波器與該第二低通濾波器之間；一第一補償電阻，其一端耦接於該第一低通濾波器之一第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端，另一端耦接於該第二低通濾波器之一第二輸入電阻接收該正交相位訊號之一端；以及一第二補償電阻，其一端耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端，另一端耦接於該第一輸入電阻接收該同相位訊號之一端。
2. 如請求項1所述之複數濾波器，其中於該同相位訊號與該正交相位訊號之相位不匹配時，該第一輸入電阻與該第二補償電阻之比值係相關於該同相位訊號與該正交相位訊號之相位不匹配的程度。
3. 如請求項1所述之複數濾波器，其中於該同相位訊號與該正交相位訊號之振幅不匹配時，該第一補償電阻之電阻值遠大於該第二輸入電阻之電阻值，且該第二輸入電阻與該第一輸入電阻之比係相關於該同相位訊號與該正交相位訊號之振幅不匹配的程度。
4. 如請求項1所述之複數濾波器，其中該第一輸入電阻包含有並聯之一定值電阻及一可變電阻。
5. 如請求項1所述之複數濾波器，其中該第二輸入電阻包含有並聯之一定值電阻及一可變電阻。
6. 如請求項1所述之複數濾波器，其另包含一緩衝單元，耦接於該第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端。
7. 如請求項1所述之複數濾波器，其另包含一緩衝單元，耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端。
8. 如請求項1所述之複數濾波器，其中該複數濾波器係一跳位式複數帶通濾波器。
9. 一種校正方法，用於一接收器中消除一同相位訊號及一正交相位訊號之不匹配，該接收器包含一複數濾波器用來濾除該同相 位訊號及該正交相位訊號之鏡像訊號，其中該複數濾波器包含一第一低通濾波器、一第二低通濾波器以及一連結單元，該連結單元耦接於該第一低通濾波器與該第二低通濾波器之間，該校正方法包含有：形成一第一補償電阻，該第一補償電阻之一端耦接於該第一低通濾波器之一第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端，另一端耦接於該第二低通濾波器之一第二輸入電阻接收該正交相位訊號之一端；形成一第二補償電阻，該第二補償電阻之一端耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端，另一端耦接於該第一輸入電阻接收該同相位訊號之一端；以及根據該同相位訊號與該正交相位訊號之振幅不匹配的程度，決定該第二輸入電阻與該第一輸入電阻之比。
10. 如請求項9所述之校正方法，其另包含根據該同相位訊號與該正交相位訊號之相位不匹配的程度，決定該第一輸入電阻與該第二補償電阻之比值或該第二輸入電阻與該第一補償電阻之比值。
11. 如請求項9所述之校正方法，其另包含將該第一補償電阻之電阻值設定為遠大於該第二輸入電阻之電阻值。
12. 如請求項9所述之校正方法，其另包含形成一緩衝單元，耦接 於該第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端。
13. 如請求項9所述之校正方法，其另包含形成一緩衝單元，耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端。
14. 如請求項9所述之校正方法，其中該複數濾波器係一跳位式複數帶通濾波器。
15. 如請求項1所述之複數濾波器，進一步包含：一第一緩衝單元，耦接於該第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端；以及一第二緩衝單元，耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端。
16. 如請求項9所述之校正方法，進一步包含：形成一第一緩衝單元，耦接於該第一輸入電阻未接收該同相位訊號之一端；以及形成一第二緩衝單元，耦接於該第二輸入電阻未接收該正交相位訊號之一端。