TWI463848B - 用於千兆位元(Gigabit)資料偵測之接收器及積體AM-FM/IQ解調器 - Google Patents
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Description
本發明大體而言係關於在無線電(wireless radio)鏈路上之資料傳輸,且更特定言之係關於在無線電鏈路上提供快速資料傳輸之偵測器及接收器。
藉由由安裝於陶瓷基板上之數個GaAs積體電路(IC)組成之收發器模組在60GHz之工業、科學、醫療(ISM)頻帶下使用ASK調變已達成千兆位元速率資料傳輸。此先前技術之實例可在由K.Ohata等人發表之出版物“Wireless 1.25 Gb/s Transceiver Module at 60-GHz Band”中發現。本發明之一目標為在較不昂貴之矽加工技術中提供單IC接收器或收發器,該技術支援包括ASK調變之多調變格式。
乘積偵測器在有關偵測ASK或AM訊號之文獻中眾所周知。先前技術中之此等偵測器之實例包括來自Krauss、Bostian及Raab之固態無線電工程(Solid-State Radio Engineering)及來自Hagen之射頻電子學(Radio-Frequency Electronics)的摘要。此揭示描述了經改良之乘積偵測器,其能夠以千兆位元資料速率運行且對毫伏特位準IF輸入訊號具有較佳之線性,其具有高輸入阻抗以免解諧(detune)其所連接至之IF輸入電路,且其易於被斷電以便在其他調變模式下使用接收器時不載入IF輸入電路或消耗功率。
此揭示內容係關於在毫米波範圍(>30GHz)使用載波頻率於無線電鏈路上提供千兆位元速率之資料傳輸的目標。更具體言之,其描述了波幅調變(ASK)或其他調幅(AM)之偵測電路,其可易於併入積體電路接收器系統中,使該接收器能夠支援複IQ調變方案及簡單、非相干開關訊號或多位準鍵控訊號。
此揭示亦描述數個新穎無線電架構,藉由添加頻率鑒別器網路,其具有處理波頻調變(FSK)或其他調頻(FM)以及AM及複IQ調變方案之能力。該等無線電架構藉由有效共用偵測器硬體組件支援此等多樣調變。首先描述了支援正交下降轉換(quadrature down-conversion)與ASK/AM兩者之架構,接著描述ASK/AM偵測器電路詳細內容,隨後描述AM-FM偵測器架構,且最後描述最常用AM-FM/IQ解調器系統概念及FSK/FM偵測器電路詳細內容。
在一態樣中,本發明主要涵蓋一接收器,其包含第一級下降轉換混合器、用作偵測器之混合器、在混合器RF輸入訊號路徑中之放大器、在混合器LO輸入訊號路徑中之放大器,其中在混合器RF輸入訊號路徑中之放大器向混合器RF輸入提供低增益、線性路徑,其中在混合器LO輸入訊號路徑中之放大器向混合器LO輸入提供高增益路徑,且兩放大器均具有匹配之延遲。
在另一態樣中,本發明主要涵蓋一積體無線電接收器裝置,其包含:第一級下降轉換混合器、可選IF放大器、IQ下降轉換器、在第一級下降轉換混合器或可選IF放大器之輸出端之AM偵測器及I/Q通道下降轉換之多工能力以及在基頻放大鏈路內之已偵測AM封裝。IF放大器可充當放大器與濾波器。在偵測之前訊號通常受頻帶限制,以獲得最佳效能,且此頻帶限制一般是發生於IF。
在第三態樣中,本發明主要涵蓋一接收器,其包含第一級下降轉換混合器、作為偵測器之雙平衡混合器、在混合器之RF輸入訊號路徑中之放大器、在混合器之LO輸入訊號路徑中之放大器,其中在混合器RF輸入訊號路徑中之放大器向混合器RF輸入提供低增益、線性路徑,其中在混合器LO輸入訊號路徑中之放大器向混合器LO輸入提供高增益路徑,且兩放大器均具有匹配之延遲。
在第四態樣中,本發明主要涵蓋一AM-FM偵測器,其包含一合併器,該合併器將AM乘積偵測器與延遲線FM偵測器合併,以便在延遲線FM偵測器中重新使用AM乘積偵測器硬體,其中僅使用額外鑒別器相移網路來實作FM偵測器。
在第五態樣中,本發明主要涵蓋一積體無線電接收器裝置,其包含第一級下降轉換混合器、可選IF放大器、IQ下降轉換器、在第一級下降轉換混合器或可選IF放大器之輸出端之AM偵測器及在第一級下降轉換混合器或可選IF放大器之輸出端之FM偵測器,其中該裝置支援一種以上類型之調變方案。
為了更佳理解本發明連同本發明之其他及另外特徵及優點,參考以下描述,結合對附圖之理解,且將在附加申請專利範圍中指出本發明之範疇。
第1圖展示以中頻併入正交下降轉換與一有效ASK/AM偵測器之新穎無線電架構。該ASK/AM偵測器輸出藉由I通道下降轉換輸出端多工,以使現有基頻低通濾波器及放大器能夠重新使用,以濾波及放大該被偵測之ASK/AM訊號。積體AM偵測器藉由提供偵測非相干開關鍵控訊號及其他波幅調變調變之能力增加60 GHz接收器之應用空間。該等非相干調變格式藉由消除對載波相位恢復或其他複基頻IQ訊號進行解調接收資料之處理的需要簡化無線電系統設計。ASK/AM格式適合於不受干擾或反射訊號影響之高定向無線資料鏈路。另一方面,複基頻IQ訊號處理提供抑制干擾及反射訊號之能力,在全向無線資料鏈路可能需要該能力。因此,能夠偵測兩調變模式之接收器具有廣闊的應用範圍。
第2圖及第3圖展示可用作第1圖中之ASK偵測器之乘積偵測器,如先前技術所描述。第2圖為展示施加至混合器(13)之兩輸入端之經調變的輸入訊號(12)之示意圖。在未指定混合器之實施細節的情況下,不可能知道此配置之傳輸功能,但若混合器對透過兩輸入端之訊號具有相等之轉換增益,則輸出訊號(14)為輸入訊號之平方,即所需絕對值函數之一近似值。
眾多實際混合器電路對透過兩輸入端之訊號不具有相等之轉換增益,而是要求相對大之振幅訊號透過一輸入端(第2-4圖之LO輸入端)且提供一具有相對高的轉換增益及一線性回應特性之訊號透過另一輸入端(第2-4圖之RF輸入端)。第3圖展示一更符合現實之乘積偵測器,其使用限制器或限幅放大器(limiting amplifier)(18)以向混合器之LO輸入端(17)提供一近似恆定之輸入訊號位準,若混合器之LO輸入端具有足夠大之訊號位準,此電路提供一更接近所需絕對值函數之近似值。
因為第3圖之電路不提供使混合器RF及LO輸入訊號(分別為16與17)時間對準之能力,所以其在高資料速率下工作不穩定。若混合器之兩輸入訊號未對準,則減少偵測器之輸出振幅,且加寬輸出脈衝,從而降低偵測器之有效頻寬。電路模擬指示希望以最高輸入調變頻率在圓之10-20度內使兩訊號對準,其對應於1 GHz調變頻率處之28-56 ps。提供輸入訊號之時間對準能力之經改良的乘積偵測器展示於第4圖及第5圖中。此經改良之乘積偵測器亦具有高輸入阻抗,以免解諧其所連接至之IF輸入電路,且其可能易於被斷電以便在其他調變模式下使用接收器時不載入IF輸入電路或消耗功率,所有特徵有利於實際實施第1圖中之架構。
參看第5圖,ASK/AM偵測器之具體實施例包括作為偵測器之雙平衡混合器(26)及在混合器的RF及LO輸入訊號路徑中之放大器,分別為標記之放大器1(27)及放大器2(28)。放大器2(28)向混合器之LO-輸入端提供相對高增益之路徑,而放大器1(27)向混合器之RF輸入端提供相對低增益、線性之路徑。兩放大器經設計以具有匹配之延遲。此藉由使用拓撲類似之放大器完成。電阻R12(68)降低增益且線性化放大器2(28),其包含Q8-11(37-40)及R10-14(66-70),而C5(可選)(84)有助於匹配放大器1(27)及2(28)之延遲及頻寬。亦即,包含負反饋電阻R12(68)由於其所產生之負反饋,可增加頻寬且減少放大器1(27)之延遲,且包含C5(84)可增加延遲且減少放大器1(27)之頻寬以匹配放大器2(28),補償R12(68)。在許多情況下,C5(84)可能係不必要的,且由於拓撲相似性可能足以匹配放大器延遲。
第4圖展示已實作於第5圖中之常用電路架構,且第4圖之放大器1(20)對應於第5圖之放大器1(27),等等。第5圖之詳細電路亦包括可選輸入緩衝放大器(29)以提高電路之輸入阻抗,以便其不載入或解諧第1圖之IF電路。
電路模擬藉由ASK解調器執行於整個接收器上,其部分方塊圖展示於第1圖中。實際模擬之詳細電路包括在展示於第1圖中之RF輸入端(1)之前具有20 dB增益之低雜訊放大器。對於在LNA輸入與IF放大器輸出之間的40 dB總增益而言,混合器(2)及IF放大器(4)每一者均具有10 dB之增益。針對-65 dBm至-35 dBm之LNA參考訊號位準模擬該電路,其導致ASK偵測器輸入端處之IF訊號在5-500 mV峰值之範圍內。RF輸入頻率為64 GHz且IF頻率為9.1 GHz。
第6圖所示之模擬結果針對具有0.9調變指數之RF輸入端之1 GHz正弦調幅。第6圖之下部跡線(87)為IF波形(振幅對比時間),中間跡線(88)為ASK偵測器輸出波形,且頂部跡線(89)為低通濾波及藉由基頻放大器放大之後之已偵測ASK輸出。可看出,第5圖之電路極接近輸入訊號之絕對值,當低通濾波時其重新產生AM或ASK訊號。1 GHz正弦調變約等於2Gb/s速率之開關(2位準ASK)鍵控。
第7圖所示之模擬結果針對以2G符號/s速率使用4位準ASK輸入具有積體乘積偵測器的整個接收器,該速率等於4 Gb/s之資料速率。下部跡線(90)為顯示四振幅位準之RF輸入波形(振幅對比時間),底部(91)之第二跡線為IF波形,底部(92)之第三跡線為ASK偵測器輸出波形,且頂部跡線(94)為藉由基頻放大器放大及低通濾波之後已解調之ASK輸出,其展示四個截然不同之解調位準。
存在對於AM/ASK偵測器而言存在著廣大的先前技術,如由以上大量參考所例示。多數獲得專利權之電路基於二極體,諸如McFadyen之美國專利案第3,691,465號、Eastland之美國專利案第4,000,472號、Hofmann之美國專利案第4,250,457號、Healey之美國專利案第4,320,346號、Sauer之美國專利案第4,359,693號、Kusakabe之美國專利案第4,492,926號。其他偵測器使用除了二極體之外之構件以達成校正,包括Limberg之美國專利案第3,673,505號、Kriedt之美國專利案第3965435號、Healey之美國專利案第4320346號。在乘積偵測器(亦即,混合器或基於乘法器之偵測器)當中,包括Palmer之美國專利案第3,705,355號、Ananias之美國專利案第3792364號、Tayloe之美國專利案第6230000號,未發現使用本發明之第4-5圖所示之匹配延遲電路的專利。
此揭示內容之概念可經擴展以便亦包括藉由添加鑒別器相移網路偵測FSK/FM訊號,如第8圖所示。FSK/FM偵測器(94)使用與早期之ASK/AM偵測器相同之元件建造。相移網路H(f)(98)經設計以在IF載波頻率上有90°相移。此電路在文獻中眾所周知且被冠以不同名稱:延遲線FM偵測器或正交FM解調器。
第9圖展示此延遲線FM偵測器可如何與AM乘積偵測器合併成可解調ASK/AM或FSK/FM訊號之無線電架構。參看第9圖,閉合開關Sw1(104)且打開開關Sw2(105)及Sw3(106)將該偵測器組態成如第3圖所示之AM乘積偵測器。閉合Sw2(105)及Sw3(106)且打開Sw1(104)將該偵測器組態成延遲線FM偵測器,如第8圖所示。
第10圖展示AM-FM偵測器架構之更詳細具體實施例,其包括第4圖及第5圖中所描述之經改良之AM乘積偵測器。在第10圖中,用於使第4圖(Amp1(20)及Amp2(21))之輸入訊號時間對準之兩放大器作為“線性放大器(linear amp)”(113)(對應於第4圖之Ampl(20))及“限幅放大器”(118)(對應於第4圖之Amp2(21))清晰顯示於此。同樣,其顯示9 GHz IF之鑒別器相移網路H(f)(117)之一可能實現。參看第10圖,閉合開關Sw1(114)且打開開關Sw2(115)及Sw3(116)將該偵測器組態成如第4圖所示之AM乘積偵測器。閉合Sw2(115)及Sw3(116)且打開Sw1(114)將該偵測器組態成延遲線FM偵測器,如第8圖所示。
第11圖為所描述之最常用接收器架構。其支援三種不同調變:複IQ調變方案、ASK/AM及FSK/FM。藉由閉合開關SwI(124)及SwQ(127)(且其他開關打開),該架構提供IQ解調。由於SwAM(125)閉合(且其他開關打開),提供AM解調。藉由閉合SwFM(126)(且其他開關打開),提供FM解調。藉由閉合SwAM(125)及SwFM(127)(且其他開關打開),提供AM及FM同時解調,其藉由兩者之一因素潛在增加非相干資料速率。儘管未明確顯示,但是應瞭解藉由在ASK/AM混合器訊號路徑中提供具有匹配延遲之放大器,第4圖之經改良之ASK/AM偵測器可用於第11圖中。為了同時進行AM及FM解調,AM偵測器應儘可能不受頻率影響以將FM洩漏限制於其偵測輸出位準內,且FM偵測器應儘可能不受振幅影響以將AM洩漏限制於其偵測輸出位準內。
第12圖展示FM偵測器之特定、電晶體級具體實施例,其實作為第11圖之接收器架構之一部份。此常用類型FM偵測器被冠以不同名稱:延遲線FM偵測器或正交FM解調器或FM限制器-鑒別器,且在文獻中眾所周知。經改良之電路使用三級限幅放大器(137),其每一級具有取決於振幅之增益。取決於振幅之增益為低振幅輸入訊號提供相對高之增益且為較高振幅輸入訊號提供較低增益。此取決於振幅之增益為較高振幅輸入訊號提供逐步變大之限幅特性,其使存在於輸出訊號中之不對稱第二級失真乘積最小化,而仍為較低振幅輸入訊號提供有效之限制。輸出訊號之任何不對稱或第二級失真導致在限制器輸出端之取決於振幅之DC偏移,其導致振幅調變訊號不良抑制及較低之訊雜比。因此,經改良之限幅放大器在存在AM之情況下保持高訊雜比,其在使用AM及FM同時調變之系統中極為重要,如第11圖所示。
第13圖揭示了限幅放大器之詳細內容。每一放大級具有兩對輸入電晶體、其一對電阻負反饋(Q1(139)、Q3(141)及R3(149)),且其另一對電阻非負反饋(Q2(140),Q4(142))。非負反饋對為較小輸入訊號提供高增益,直至輸入訊號振幅達到其中該對差動輸入電流飽和之點。在負反饋對飽和之前,負反饋對提供較低之增益而將接受較大之訊號。因此,放大器之總限幅特性逐漸變大,在輸出端提供較低之DC偏移及較少之第二級失真乘積。
第14圖展示用於第12圖之鑒別濾波器(discriminator filter)之特定電路具體實施例。其經設計以在8.9 GHz中心頻率處有90度相移且提供輸入頻率相對於此中心頻率之偏差成線性之相移,其範圍上至±2 GHz。此為第10圖所示之理論網路之實際差動、晶片上的具體實施例。
除非本文另有規定,否則將假定本文所提及與引用之所有專利、專利申請案、專利公開案及其他公開案如在本文所闡述的其全文以引用方式併入本文中。
儘管本文參考附圖描述了本發明之例示性具體實施例,但是應瞭解,本發明不限於該等特定具體實施例,且在不偏離本發明之範疇或精神之情況下,在此可由熟習此項技術者對本發明作出各種其他改變及修正。
1...RF輸入
2...混合器
4...IF放大器
12...經調變之輸入訊號
13...混合器
14...輸出訊號
16...LO輸入訊號
17...LO輸入訊號
18...限幅放大器
20...放大器1
26...雙平衡混合器
27...放大器1
28...放大器2
29...輸入緩衝放大器
37-40...電晶體Q8-Q11
66-70...電阻10-14
84...電容C5
87...下部跡線
88...中間跡線
89...頂部跡線
90...下部跡線
91...底部第二跡線
92...底部第三跡線
93...頂部跡線
94...FSK/FM偵測器
98...相移網路
104...開關Sw1
105...開關Sw2
106...開關Sw3
113...線性放大器
114...開關Sw1
115...開關Sw2
116...開關Sw3
117...鑒別器相移網路
118...限幅放大器
124...開關SwI
125...開關SwAM
126...開關SwFM
127...開關SwQ
137...三級限幅放大器
139...電晶體Q1
140...電晶體Q2
141...電晶體Q3
142...電晶體Q4
149...電阻R3
第1圖為本發明之目前較佳具體實施例之整個系統的方塊圖。
第2圖為可於先前技術中找到之一乘積偵測器。
第3圖為可於先前技術中找到之另一乘積偵測器。
第4圖為本發明之目前較佳具體實施例之一乘積偵測器具體實施例。
第5圖為本發明之目前較佳具體實施例之乘積偵測器的一電路具體實施例。
第6圖為本發明之具體實施例之接收器的模擬結果之一螢幕截圖。
第7圖為本發明之另一具體實施例之接收器的模擬結果之一螢幕截圖。
第8圖為本發明之另一目前較佳具體實施例之整個系統的方塊圖。
第9圖為本發明之另一目前較佳具體實施例之一乘積偵測器具體實施例。
第10圖為第9圖之乘積偵測器之一更詳細的具體實施例。
第11圖為本發明之另一目前較佳具體實施例之整個系統的方塊圖。
第12圖為第11圖之具體實施例之一電路具體實施例。
第13圖為第12圖之放大器之一更詳細示意圖
第14圖為第12圖之鑒別濾波器之一更詳細的電路具體實施例。
1...射頻輸入
2...第一混合器
3...第一本機振盪器
4...IF放大器
5...ASK偵測
6...多工器
7...第二本機振盪器
8...第二混合器
9...基頻濾波器及放大器
10...經解調之ASK輸出或I通道基頻輸出
11...Q通道基頻輸出
Claims (17)
- 一種接收器,其包含:一第一級下降轉換混合器;一用作偵測器之雙平衡混合器;一在該混合器之RF輸入訊號路徑中之放大器;一在該混合器之LO輸入訊號路徑中之放大器;其中在該混合器之RF輸入訊號路徑中之該放大器向該混合器的RF輸入端提供一低增益、線性路徑;其中在該混合器之LO輸入訊號路徑中之該放大器向該混合器的LO輸入端提供一高增益路徑;其中兩放大器均具有匹配之延遲。
- 一種接收器,其包含:一第一級下降轉換混合器;一用作偵測器之混合器;一在該混合器之RF輸入訊號路徑中之放大器;一在該混合器之LO輸入訊號路徑中之放大器;其中在該混合器之RF輸入訊號路徑中之該放大器向該混合器的RF輸入端提供一低增益、線性路徑;其中在該混合器之LO輸入訊號路徑中之該放大器向該混合器的LO輸入端提供一高增益路徑;其中兩放大器均具有匹配之延遲。
- 如申請專利範圍第2項所述之接收器,其中該混合器為一雙平衡混合器。
- 如申請專利範圍第2項所述之接收器,其中該混合器與該I通道混合器組合。
- 如申請專利範圍第2項所述之接收器,其中該混合器與 該Q通道混合器組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之接收器,其中該混合器與該I通道混合器組合。
- 如申請專利範圍第3項所述之接收器,其中該混合器與該Q通道混合器組合。
- 一種用於接收複IQ調變、ASK/AM調變及FSK/FM調變信號的積體無線電接收器裝置,該無線電接收器裝置包含:一第一級下降轉換混合器(122);一AM偵測器,該AM偵測器連接至該第一級下降轉換混合器之該輸出端處,自所接收之ASK/AM調變信號提供經解調ASK/AM輸出;以及一FM偵測器,該FM偵測器連接至該第一級下降轉換混合器之該輸出端處,自所接收之FSK/FM調變信號提供經解調FSK/FM輸出;其特徵在於:該裝置進一步包含一IQ下降轉換器,該IQ下降轉換器經連接至該第一級下降轉換混合器之該輸出端處,並自所接收之複IQ調變信號提供經解調I通道及Q通道輸出;該AM偵測器之該輸出可藉由該I通道或該Q通道輸出端而予以多工於一基頻放大器暨濾波器內。
- 如申請專利範圍第8項所述之接收器裝置,其中該FM偵測器之該輸出可藉由該I通道或該Q通道輸出端而予以多工於一基頻放大器暨濾波器內。
- 如申請專利範圍第9項所述之接收器裝置,其中該AM偵 測器提供AM解調及該FM偵測器提供FM解調至同步接收之ASK/AM及FSK/FM信號。
- 如申請專利範圍第8項所述之接收器裝置,其中該基頻放大器為一三級限幅放大器。
- 如申請專利範圍第11項所述之接收器裝置,其中該基頻放大器包含:一第一對輸入電晶體(Q1,Q3),該第一對輸入電晶體連接至對應的正極及負極差動輸入;一第二對輸入電晶體(Q2,Q4),該第二對輸入電晶體連接至該等對應的正極及負極差動輸入;其中該第一對輸入電晶體為電阻性地(R3)負反饋,以從該放大器的該等差動輸入向該放大器的差動輸出提供一低增益、線性路徑;以及該第二對輸入電晶體不是電阻性地負反饋,以從該放大器的該等差動輸入向該放大器的差動輸出提供一高增益路徑。
- 如申請專利範圍第8項所述之接收器裝置,其進一步包含:一具有90度相移之鑒別濾波器(129),該濾波器為一差動濾波器且位於該接收器之該IF頻率的中心處。
- 一種接收器,其包含: 一第一級下降轉換混合器(2);一偵測器,該偵測器包含:一第二混合器(24,26);一放大器(21,28),該放大器(21,28)在該第二混合器之LO輸入訊號路徑中,在該第二混合器之LO輸入訊號路徑中之該放大器向該混合器的LO輸入端提供一高增益路徑;其特徵在於:該偵測器進一步在該第二混合器之RF輸入訊號路徑中包含一放大器(20,27),在該第二混合器之RF輸入訊號路徑中之該放大器向該混合器的RF輸入端提供一低增益、線性路徑;以及該等放大器兩者均具有匹配之延遲。
- 如申請專利範圍第14項所述之接收器,其中該第二混合器(24,26)為一雙平衡混合器。
- 如申請專利範圍第14項或第15項所述之接收器,其中該第二混合器(24,26)與來自一I通道混合器的輸出組合。
- 如申請專利範圍第14項或第15項所述之接收器,其中該第二混合器(24,26)與來自一Q通道混合器的輸出組合。
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