一种直接变频发射机的正交失配校准方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种直接变频发射机的正交失配校准方法和装置。该正交失配校准装置包括第一电压比较器、第二电压比较器、第一开关电路、第二开关电路、数字状态机、低通滤波器、增益微调电路和相位微调电路；无源混频器的输出端和低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与第二电压比较器的第一输入端连接。本发明分别对直接变频发射机的同相/正交通道之间的增益误差和相位误差进行测量，通过逐次逼近，得到最优校准值，可提高直接变频发射机的正交失配的自我校准能力，降低校准系统的依赖性、复杂度和功耗。
【专利说明】一种直接变频发射机的正交失配校准方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及直接变频发射机的正交失配校准方法和装置。
【背景技术】
[0002]在无线通信发射机中，直接变频发射机因其电路结构简单，便于集成等优点，在射频集成电路领域得到广泛的应用。使用了占空比为25%本振的无源混频器的直接变频发射机凭借其高线性，低噪声，低功耗等特点逐渐成为主流技术。但是，直接变频发射架构存在的正交失配问题一直是其主要缺陷之一。由于失配引起的发射信号的镜像干扰使得发射信号质量变差。直接变频发射机必须进行正交失配校准。
[0003]在图1和图2所示的典型的直接变频发射机中，包含两个数模转换器101IU01Q，两个重构低通滤波器1021、102Q，占空比为25%本振的无源混频器107，一个频率综合器104，一个除二分频器105，一个25%占空比本振发生器106，一个可变增益功率放大器109与天线119。无源混频器107具有受控于25%占空比本振发生器106输出的正交本振信号的支路开关 114、115、116 和 117。同相(In-Phase,简称 I)/正交(Quadrate-Phase，简称Q)两路信号经由发射机的无源混频器107仅需进行一次上变频就变换到所需的射频频率。输入到无源混频器107中的信号包括低频的正交信号和高频的正交本振信号LOOl 10, L090111、L0180112和L0270113。因为器件工艺失配的存在引起以下正交失配误差:第一，基带同相/正交信号之间微小的增益失配误差和相位失配误差；第二，本振信号之间微小的相位失配误差。这些失配误差经由无源混频器107变换到发射机载波频率，使得发射机的输出频谱出现镜像分量(方程式1)，该镜像分量直接影响到发射机的最重要参数之一的误差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM),正交失配所贡献的EVM大小可见方程式2。
[0004]
【权利要求】
1.一种直接变频发射机的正交失配校准装置，所述直接变频发射机包括基带信号同相通道、基带信号正交通道、占空比为25%本振的无源混频器、频率综合器、除二分频器、25%占空比本振发生器、可变增益功率放大器和天线，所述基带信号同相通道包括第一数模转换器和第一重构低通滤波器，所述基带信号正交通道包括第二数模转换器和第二重构低通滤波器；其特征在于，所述正交失配校准装置包括第一电压比较器、第二电压比较器、第一开关电路、第二开关电路、数字状态机、低通滤波器、增益微调电路和相位微调电路；无源混频器的输出端和低通滤波器的输入端连接，低通滤波器的输出端与第二电压比较器的第一输入端连接； 所述第一开关电路，用于将第一模数转换器的输入端和第二模数转换器的输入端均接入一数字偏移信号，将第一重构低通滤波器的输出端和第二重构低通滤波器的输出端均与无源混频器断开，并将第一重构低通滤波器的输出端与第一电压比较器的第一输入端连接，将第二重构低通滤波器的输出端与第一电压比较器的第二输入端连接； 所述第二开关电路，用于将第一重构低通滤波器的输出端、第二重构低通滤波器的输出端和可变增益功率放大器的输入端均与无源混频器断开，将无源混频器的基带信号同相支路输入端接入一模拟偏移电压V1，将无源混频器的基带信号正交支路输入端接入一模拟偏移电压V2，将第二电压比较器的第二输入端接入一共模电压VMf，将无源混频器中的第二支路开关和第四支路开 关均与无源混频器的输入端断开，所述第二支路开关受控于25%占空比本振发生器输出的第二正交本振信号，所述第四支路开关受控于25%占空比本振发生器输出的第四正交本振信号，第二正交本振信号与第四正交本振信号的相位差为180°且占空比相同； 所述增益微调电路，用于根据数字状态机输出的增益校准信号调整第一模数转换器、第一重构低通滤波器、第二模数转换器、第二重构低通滤波器中的一种或多种的增益； 所述相位微调电路，用于根据数字状态机输出的相位校准信号调整无源混频器、除二分频器、25%占空比本振发生器中的一种或多种的相位； 所述数字状态机，用于根据控制指令进入增益误差校准模式和/或相位误差校准模式；当进入增益误差校准模式时，控制第一开关电路工作，根据第一电压比较器输出的第一比较信号向增益微调电路输出相应的增益校准信号，以使第一电压比较器输出的第一比较信号的极性反转；当进入相位误差校准模式时，控制第二开关电路工作，根据第二电压比较器输出的第二比较信号向相位微调电路输出相应的相位校准信号，以使第二电压比较器输出的第二比较信号的极性反转。
2.如权利要求1所述的直接变频发射机的正交失配校准装置，其特征在于，第一电压比较器与第二电压比较器的结构相同，将第一电压比较器与第二电压比较器的结构记为电压比较模块，所述电压比较模块包括双端输入单端输出的第一运算放大器、电容Cin、第一电子开关和第二电子开关，电容Cin的一端与第一运算放大器的同相输入端连接，电容Cin的一端还通过第二电子开关与第一运算放大器的输出端连接，电容Cin的另一端作为电压比较模块的第一输入端，电容Cin的另一端还通过第一电子开关与第一运算放大器的反相输入端连接，第一运算放大器的反相输入端作为电压比较模块的第二输入端，第一运算放大器的输出端作为电压比较模块的输出端；所述正交失配校准装置还包括第三电子开关，所述共模电压还通过第三电子开关与低通滤波器的输入端连接；其中，第一电子开关的使能端、第二电子开关的使能端和第三电子开关的使能端均与数字状态机的时钟信号输出端连接，第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关均为高电平导通； 所述数字状态机，还用于当进入增益误差校准模式时，向第一电压比较器输出第一时钟信号，当进入相位误差校准模式时，向第二电压比较器和第三电子开关输出第二时钟信号。
3.如权利要求1所述的直接变频发射机的正交失配校准装置，其特征在于，所述数字状态机包括用于在增益误差校准模式时工作的增益校准数字状态机和用于在相位误差校准模式时工作的相位校准数字状态机。
4.如权利要求1所述的直接变频发射机的正交失配校准装置，其特征在于，模拟偏移电压V1与模拟偏移电压V2之和等于2倍共模电压Vref。
5.如权利要求1所述的直接变频发射机的正交失配校准装置，其特征在于，所述增益微调电路包括滤波器增益微调电路，所述滤波器增益微调电路包括一第二运算放大器以及多个由一第四电子开关与一第一分流电阻串联构成的第一串联支路，多个第一串联支路并联连接，所述第一串联支路的一端与第二运算放大器的反相端连接，第一串联支路的另一端与第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正相端接地，第二运算放大器的反相端作为信号输入端，第四电子开关的使能端用于接收数字状态机输出的增益校准信号，第四电子开关为高电平导通；所述滤波器增益微调电路的数量为一个或二个；当滤波器增益微调电路的数量为一个时，滤波器增益微调电路连接在第一数模转换器的输出端与第一重构低通滤波器的输入端之间或者连接在第二数模转换器的输出端与第二重构低通滤波器的输入端之间；当滤波器增益微调电路的数量为二个时，其中一个滤波器增益微调电路连接在第一数模转换器的输出端与第一`重构低通滤波器的输入端之间，另一个滤波器增益微调电路连接在第二数模转换器的输出端与第二重构低通滤波器的输入端之间。
6.如权利要求1所述的直接变频发射机的正交失配校准装置，其特征在于，所述增益微调电路包括DAC增益微调电路，所述DAC增益微调电路包括多个由一第五电子开关与一第二分流电阻串联构成的第二串联支路，多个第二串联支路并联连接，第五电子开关的使能端用于接收数字状态机输出的增益校准信号，第五电子开关为高电平导通；所述DAC增益微调电路的数量为一个或二个；当DAC增益微调电路的数量为一个时，DAC增益微调电路的第二串联支路与第一数模转换器或第二数模转换器中的负载电阻并联；当DAC增益微调电路的数量为二个时，其中一个DAC增益微调电路的第二串联支路与第一数模转换器中的负载电阻并联，另一个DAC增益微调电路的第二串联支路与第二数模转换器中的负载电阻并联。
7.如权利要求1所述的直接变频发射机的正交失配校准装置，其特征在于，所述相位微调电路包括除二分频器相位微调电路，所述除二分频器相位微调电路包括用于控制除二分频器的I路采样放大器的电流源的第一开关单元、用于控制除二分频器的I路采样放大器的尾电流源的第一晶体管、用于控制除二分频器的I路锁存器的电流源的第二开关单元、用于控制除二分频器的I路锁存器的尾电流源的第二晶体管、用于控制除二分频器的Q路采样放大器的电流源的第三开关单元、用于控制除二分频器的Q路采样放大器的尾电流源的第三晶体管、用于控制除二分频器的Q路锁存器的电流源的第四开关单元以及用于控制除二分频器的Q路锁存器的尾电流源的第四晶体管；第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元和第四开关单元分别由多个第五晶体管连接构成，第一开关单元的所有第五晶体管的源极连接在一起并作为输出端，第一开关单元的所有第五晶体管的漏极连接在一起并作为输入端，第二开关单元的所有第五晶体管的源极连接在一起并作为输出端，第二开关单元的所有第五晶体管的漏极连接在一起并作为输入端，第三开关单元的所有第五晶体管的源极连接在一起并作为输出端，第三开关单元的所有第五晶体管的漏极连接在一起并作为输入端，第四开关单元的所有第五晶体管的源极连接在一起并作为输出端，第四开关单元的所有第五晶体管的漏极连接在一起并作为输入端；所述相位校准信号包括I路相位校准信号和Q路相位校准信号；第一开关单元的所有第五晶体管的栅极和第二开关单元的所有第五晶体管的栅极均与I路相位校准信号连接；第三开关单元的所有第五晶体管的栅极和第四开关单元的所有第五晶体管的栅极均与Q路相位校准信号连接；第一开关单元的输出端与I路采样放大器的输入端连接，第一晶体管的漏极与第一开关单元的输入端连接，第二开关单元的输出端与I路锁存器的输入端连接，第二晶体管的漏极与第二开关单元的输入端连接，第三开关单元的输出端与Q路采样放大器的输入端连接，第三晶体管的漏极与第三开关单元的输入端连接，第四开关单元的输出端与Q路锁存器的输入端连接，第四晶体管的漏极与第四开关单元的输入端连接；第一晶体管的源极、第二晶体管的源极、第三晶体管的源极和第四晶体管的源极均接地，第一晶体管的栅极、第二晶体管的栅极、第三晶体管的栅极和第四晶体管的栅极均与频率综合器的输出端连接。
8.一种直接变频发射机的正交失配校准方法，其特征在于，包括以下步骤: 数字状态机根据控制指令进入增益误差校准模式和/或相位误差校准模式，当进入增益误差校准模式时，执行步骤Al至步骤A3，当进入相位误差校准模式时，执行步骤BI至步骤B3 ； 步骤Al、数字状态机控制第一开关电路工作，将第一模数转换器的输入端和第二模数转换器的输入端均接入一数字偏移信号，将第一重构低通滤波器的输出端和第二重构低通滤波器的输出端均与无源混频器断开，并将第一重构低通滤波器的输出端与第一电压比较器的第一输入端连接，将第二重构低通滤波器的输出端与第一电压比较器的第二输入端连接; 步骤A2、数字状态机根据第一电压比较器输出的第一比较信号向增益微调电路输出相应的增益校准信号； 步骤A3、增益微调电路根据数字状态机输出的增益校准信号调整第一模数转换器、第一重构低通滤波器、第二模数转换器、第二重构低通滤波器中的一种或多种的增益，直到第一电压比较器输出的第一比较信号的极性反转，增益误差校准模式结束； 步骤B1、数字状态机控制第二开关电路工作，将第一重构低通滤波器的输出端、第二重构低通滤波器的输出端和可变增益功率放大器的输入端均与无源混频器断开，将无源混频器的基带信号同相支路输入端接入一模拟偏移电压V1，将无源混频器的基带信号正交支路输入端接入一模拟偏移电压V2,将第二电压比较器的第二输入端接入一共模电压,将无源混频器中的第二支路开关和第四支路开关均与无源混频器的输入端断开，所述第二支路开关受控于25%占空比本振发生器输出的第二正交本振信号，所述第四支路开关受控于25%占空比本振发生器输出的第四正交本振信号,第二正交本振信号与第四正交本振信号的相位差为180°且占空比相同；步骤B2、数字状态机根据第二电压比较器输出的第二比较信号向相位微调电路输出相应的相位校准信号； 步骤B3、相位微调电路根据数字状态机输出的相位校准信号调整无源混频器、除二分频器、25%占空比本振发生器中的一种或多种的相位，直到第二电压比较器输出的第二比较信号的极性反转，相位误差校准模式结束。
9.如权利要求8所述的直接变频发射机的正交失配校准方法，其特征在于，在步骤Al与步骤A2之间还有以下步骤:数字状态机向第一电压比较器输出第一时钟信号；在步骤BI与步骤B2之间还有以下步骤:数字状态机向第二电压比较器和第三电子开关输出第二时钟信号； 其中，第一电压比较器与第二电压比较器的结构相同，将第一电压比较器与第二电压比较器的结构记为电压比较模块，所述电压比较模块包括双端输入单端输出的第一运算放大器、电容Cin、第一电子开关和第二电子开关，电容Cin的一端与第一运算放大器的同相输入端连接，电容Cin的一端还通过第二电子开关与第一运算放大器的输出端连接，电容Cin的另一端作为电压比较模块的第一输入端，电容Cin的另一端还通过第一电子开关与第一运算放大器的反相输入端连接，第一运算放大器的反相输入端作为电压比较模块的第二输入端，第一运算放大器的输出端作为电压比较模块的输出端； 第三电子开关，连接在共模电压Vref与低通滤波器的输入端之间； 第一电子开关的使能端、第二电子开关的使能端和第三电子开关的使能端均与数字状态机的时钟信号输出端连接，第一电子开关、第二电子开关和第三电子开关均为高电平导通。`
【文档编号】H04B1/04GK103457616SQ201310396275
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】张伟锋, 石磊 申请人:广州润芯信息技术有限公司