專利名稱：鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于模擬信號(hào)處理、通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及適合于無線信號(hào)收發(fā)機(jī)的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
在采用頻率或相位調(diào)制技術(shù)的通信系統(tǒng)中，收發(fā)機(jī)，包括直接變換收發(fā)機(jī)，必須要采用正交變換的結(jié)構(gòu)。正交就是相位差為90度的意思。在電路制備的過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生正交兩路的元件大小不一致的情況，輸入給正交兩路混頻器的本振信號(hào)也可能存在一定的相位偏差，這些都是導(dǎo)致兩路信號(hào)相位關(guān)系偏離正交的原因。在直接變換收發(fā)機(jī)中，正交電路部分承擔(dān)的增益很大，兩路輸出信號(hào)的相位偏差有可能會(huì)比較大。
如圖1所示的直接下變換系統(tǒng)，電路鏈上產(chǎn)生的相位誤差，導(dǎo)致最后輸出的I、Q信號(hào)偏離90度的相位差，從而造成信號(hào)星座圖的惡化，誤碼率BER上升。
假設(shè)接收QPSK調(diào)制信號(hào)xm(t)＝acosωCt+bsinωCt，a(b)＝±1，I、Q兩路本振信號(hào)為xLO,I(t)=2cos(ωCt+θ2),]]>xLO,Q(t)=2sin(ωCt-θ2)]]>θ代表兩路本振信號(hào)的相位誤差。變頻濾波后的輸出信號(hào)如下xBB,I(t)=acosθ2-bsinθ2,]]>xBB,Q(t)=-asinθ2+bcosθ2]]>圖2表示了I、Q兩路輸出信號(hào)相位偏離90度對(duì)信號(hào)星座圖的影響。其中空心圓代表理想的信號(hào)星座圖，黑點(diǎn)代表I、Q兩路信號(hào)相位非正交時(shí)的信號(hào)星座圖。
為了降低誤碼率，提高通信質(zhì)量，要求能夠盡量消除I、Q兩路信號(hào)的相位偏移，相位校準(zhǔn)的范圍要大，同時(shí)要求引入的噪聲對(duì)系統(tǒng)影響小，代價(jià)也盡量的小。
為了考慮正交信號(hào)相位校準(zhǔn)電路能夠和其他電路一起集成，特別是與CMOS工藝兼容，也要求電路能夠采用CMOS工藝制備。
傳統(tǒng)的正交相位校準(zhǔn)電路在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)相位的補(bǔ)償。實(shí)現(xiàn)的方法多種多樣，一般可以分為窄帶校正方法和寬帶校正方法。這些方法僅僅是對(duì)已經(jīng)偏離正交的相位關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，代價(jià)較大，并且工作的頻帶只有二、三百兆赫茲，這些都導(dǎo)致相位校正的范圍不會(huì)很大。在接收機(jī)中，這就要求輸入給數(shù)字電路的兩路信號(hào)的相位偏離正交的程度不能太大，否則數(shù)字電路就無法完成相位的校準(zhǔn)。而在發(fā)射機(jī)當(dāng)中，數(shù)字電路輸出的正交兩路信號(hào)分別經(jīng)過模擬電路的處理，然后匯合成單路信號(hào)后就被放大發(fā)射出去。在模擬處理過程中兩路信號(hào)產(chǎn)生的相位偏差，不再有數(shù)字電路進(jìn)行校正。
從上面的分析可以看出，正交信號(hào)相位校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)方面存在以下一些問題第一、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)具有算法復(fù)雜、校準(zhǔn)范圍小等缺點(diǎn)；第二、數(shù)字電路無法完成發(fā)射機(jī)當(dāng)中的正交相位校準(zhǔn)工作；第三、模擬電路實(shí)現(xiàn)具有結(jié)構(gòu)簡單、校準(zhǔn)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，采用模擬電路的方式，設(shè)計(jì)一種鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器，滿足大校準(zhǔn)范圍、低代價(jià)和低噪聲的要求，從源頭上解決正交相位偏移的問題；同時(shí)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝制備。
本發(fā)明提出的一種鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器，其特征在于，包括一個(gè)正交相位檢測(cè)器，一個(gè)電荷泵，一個(gè)環(huán)路濾波器，一個(gè)緩沖器，一個(gè)低通濾波器和兩個(gè)可控的延遲單元；其連接關(guān)系為該正交相位檢測(cè)器輸入端接外部電路輸出的準(zhǔn)正交信號(hào)I和Q，該正交相位檢測(cè)器的第一、第二輸出端連接到電荷泵輸入端，該電荷泵的輸出端連接到環(huán)路濾波器的第一輸入端，該環(huán)路濾波器的第二輸入端連接到正交相位檢測(cè)器的第三輸出端，該環(huán)路濾波器的輸出端連接到緩沖器的輸入端，該緩沖器的輸出端連接到低通濾波器的輸入端，該低通濾波器的第一輸出端連接到同相位(I)支路的可控延遲單元的控制輸入端，該低通濾波器的第二輸出端連接到正交相位(Q)支路的可控延遲單元的控制輸入端；外部正交(或準(zhǔn)正交)信號(hào)SIin、SQin分別輸入給所述I、Q兩路的可控延遲單元，該I、Q兩路的可控延遲單元輸出相位關(guān)系經(jīng)過調(diào)整了的準(zhǔn)正交(或正交)信號(hào)SIout、SQout，分別輸入給外部的I、Q兩部分電路，從而形成反饋環(huán)路。
本發(fā)明提出的另一種鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器，包括上述第一種正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的全部結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括一個(gè)采樣保持電路和一個(gè)電源開關(guān)電路，該采樣保持電路的輸入端與所述低通濾波器的輸出端相連接，其輸出端分別與所述I、Q兩路的可控延遲單元的控制輸入端相連接，其控制端與外部輸入信號(hào)SHc連接，該采樣保持電路和I、Q兩路可控延遲單元的電源輸入端與外部電源輸入直接相連；該電源開關(guān)電路的輸入端與外部電源輸入端相連，其輸出端與除采樣保持電路和可控延遲單元以外的其他電路模塊的電源輸入端相連，其開關(guān)控制輸入端與外部輸入信號(hào)SHc相連。相位校準(zhǔn)環(huán)路工作的情況下，采樣保持電路處于采樣狀態(tài)，電源開關(guān)電路處于開狀態(tài)；相位校準(zhǔn)完成以后，采樣保持電路切換到保持狀態(tài)，電源開關(guān)電路關(guān)閉，從而降低系統(tǒng)功耗和噪聲。
本發(fā)明填補(bǔ)了模擬正交信號(hào)相位校準(zhǔn)電路的研究空白。本發(fā)明用模擬電路的相位校準(zhǔn)電路，可以實(shí)現(xiàn)很大范圍的相位校準(zhǔn)，電路結(jié)構(gòu)簡單，以較小的代價(jià)具有更寬的工作頻帶。在接收機(jī)當(dāng)中，模擬的正交相位校準(zhǔn)電路可以配合甚至取代數(shù)字校準(zhǔn)電路；而在發(fā)射機(jī)當(dāng)中，正交相位的校準(zhǔn)只能依靠模擬電路完成。
本發(fā)明的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，相位校準(zhǔn)范圍大；2)電路結(jié)構(gòu)簡單，低噪聲、低代價(jià)；3)可以滿足收發(fā)機(jī)，特別是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的需求。


圖1為正交下變換接收機(jī)輸出信號(hào)相位偏移的示意圖。
圖2為正交信號(hào)相位偏移對(duì)QPSK信號(hào)星座圖影響的示意圖。
圖3為本發(fā)明提出的第一種正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明提出的第二種正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的結(jié)構(gòu)圖。
圖5為本發(fā)明的正交信號(hào)相位檢測(cè)器實(shí)施例的邏輯電路圖。
圖6為本發(fā)明的電荷泵電路實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖7為本發(fā)明的環(huán)路濾波器實(shí)施例的電路圖。
圖8為本發(fā)明的緩沖器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。
圖9為本發(fā)明的采樣保持電路實(shí)施例的電路圖。
圖10為本發(fā)明的可控延遲單元實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下本發(fā)明提出的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的第一種結(jié)構(gòu)如圖3虛線框中所示，包括一個(gè)正交相位檢測(cè)器，一個(gè)電荷泵，一個(gè)環(huán)路濾波器，一個(gè)緩沖器，一個(gè)低通濾波器和兩個(gè)可控的延遲單元(即同相位(I)支路的可控延遲單元和正交相位(Q)支路的可控延遲單元)。外部輸入信號(hào)是外部電路輸出的準(zhǔn)正交信號(hào)I和Q，正交(或準(zhǔn)正交)信號(hào)SIin、SQin和電源電壓Vdd，輸出信號(hào)是相位關(guān)系經(jīng)過調(diào)整了的準(zhǔn)正交信號(hào)SIout、SQout。連接關(guān)系為該正交相位檢測(cè)器輸入端接外部電路輸出的準(zhǔn)正交信號(hào)I和Q，該正交相位檢測(cè)器的第一、第二輸出端連接到電荷泵輸入端，該電荷泵的輸出端連接到環(huán)路濾波器的第一輸入端，該環(huán)路濾波器的第二輸入端連接到正交相位檢測(cè)器的第三輸出端，該環(huán)路濾波器的輸出端連接到緩沖器的輸入端，該緩沖器的輸出端連接到低通濾波器的輸入端，該低通濾波器的第一輸出端連接到同相位(I)支路的可控延遲單元的控制輸入端，該低通濾波器的第二輸出端連接到正交相位(Q)支路的可控延遲單元的控制輸入端；外部正交(或準(zhǔn)正交)信號(hào)SIin、SQin分別輸入給所述I、Q兩路的可控延遲單元，該I、Q兩路的可控延遲單元輸出相位關(guān)系經(jīng)過調(diào)整了的準(zhǔn)正交(或正交)信號(hào)SIout、SQout，分別輸入給外部的I、Q兩部分電路，從而形成負(fù)反饋環(huán)路，校準(zhǔn)I、Q相位達(dá)到正交。
本發(fā)明提出的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器的第二種結(jié)構(gòu)如圖4虛線框中所示，包括一個(gè)正交相位檢測(cè)器，一個(gè)電荷泵，一個(gè)環(huán)路濾波器，一個(gè)緩沖器，一個(gè)低通濾波器，一個(gè)采樣保持電路，一個(gè)電源開關(guān)電路和兩個(gè)可控的延遲單元(即I、Q兩路可控的延遲單元)。外部輸入信號(hào)是外部電路輸出的準(zhǔn)正交信號(hào)I和Q，采樣保持控制信號(hào)SHc，正交(或準(zhǔn)正交)信號(hào)SIin、SQin和電源電壓Vdd，輸出信號(hào)是相位關(guān)系經(jīng)過調(diào)整了的準(zhǔn)正交(或正交)信號(hào)SIout、SQout。連接關(guān)系為該正交相位檢測(cè)器輸入端接外部電路輸出的準(zhǔn)正交信號(hào)I和Q，該正交相位檢測(cè)器的第一、第二輸出端連接到電荷泵輸入端，該電荷泵的輸出端連接到環(huán)路濾波器的第一輸入端，該環(huán)路濾波器的第二輸入端連接到正交相位檢測(cè)器的第三輸出端，該環(huán)路濾波器的輸出端連接到緩沖器的輸入端，該緩沖器的輸出端連接到低通濾波器的輸入端，該低通濾波器的輸出端連接到采樣保持電路的輸入端，該采樣保持電路的輸出端分別與所述I、Q兩路的可控延遲單元的控制輸入端相連接，其控制端與外部輸入信號(hào)SHc連接，該I、Q兩路的可控延遲單元輸出相位關(guān)系經(jīng)過調(diào)整了的準(zhǔn)正交(或正交)信號(hào)SIout、SQout，分別輸入給外部的I、Q兩部分電路，從而形成負(fù)反饋環(huán)路，校準(zhǔn)I、Q相位達(dá)到正交。另外，該采樣保持電路和I、Q兩路可控延遲單元的電源輸入端與外部電源輸入直接相連；該電源開關(guān)電路的輸入端與外部電源輸入端相連，其輸出端與除采樣保持電路和可控延遲單元以外的其他電路模塊的電源輸入端相連，其開關(guān)控制輸入端與外部輸入信號(hào)SHc相連。
本發(fā)明的正交相位檢測(cè)器的一種電路實(shí)施例如圖5所示，包括正相放大器A1、A2，反相放大器A3、A4，緩沖放大器B1～B3，與門AND1～AND5、與非門NAND和反相器I1～I(xiàn)5。這些放大器和邏輯門電路還可以有很多實(shí)現(xiàn)方式，就不一一列舉電路。本實(shí)施例的連接關(guān)系詳細(xì)說明如下正相放大器A2和反相放大器A4的輸入端與外部信號(hào)I相連，正相放大器A1和反相放大器A3的輸入端與外部信號(hào)Q相連，A1、A2的輸出端與與門AND1的兩個(gè)輸入端相連，A3、A2的輸出端與與門AND2的兩個(gè)輸入端相連，與門AND1的輸出端分別與與門AND3和與非門NAND的一個(gè)輸入端相連，與門AND2的輸出端分別與與門AND4和與非門NAND的另一個(gè)輸入端相連，與門AND3、AND4的輸出端分別與緩沖放大器B1、B2的輸入端相連，緩沖放大器B1、B2的輸出端輸出信號(hào)為DN和UP；A4的輸出端與反相器I1，以及依次與反相器鏈I2～I(xiàn)5的輸入端相連，I1和I5的輸出端分別與與門AND5的兩個(gè)輸入端相連，AND5的輸出端與緩沖放大器B3的輸入端相連，B3輸出信號(hào)為CK。
本發(fā)明的電荷泵的實(shí)現(xiàn)方法很多，本實(shí)施例給出電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括兩個(gè)可控電流源(為常規(guī)產(chǎn)品具體電路不再詳述)。其連接關(guān)系為充電電流源控制端連接到UP上，正端接電源，放電電流源控制端連接到DN上，負(fù)端接地，充電電流源的負(fù)端和放電電流源的正端相連，并且輸出信號(hào)CPout。
本發(fā)明的環(huán)路濾波器包括傳統(tǒng)的低通濾波器和一個(gè)開關(guān)SW。圖7中給出了二階無源低通濾波器實(shí)施例的電路圖，由電容C1、C2和電阻R組成。開關(guān)可以采用單個(gè)晶體管或者傳輸門來實(shí)現(xiàn)。其連接關(guān)系為電容C1、C2的一端和開關(guān)SW的輸入端與電荷泵的輸出CPout連接，電容C1的另一端連到地，電容C2的另一端連接到電阻R的一端，電阻R的另一端連到地，開關(guān)SW的控制端連接到正交相位檢測(cè)器的輸出端CK，SW輸出信號(hào)為LFout。
本發(fā)明的緩沖器電路實(shí)施例包括一個(gè)差分放大器AMP，一個(gè)傳輸門和一個(gè)反相器(它們均為常規(guī)產(chǎn)品，其具體電路不再詳述)如圖8所示，其連接關(guān)系為差分放大器AMP的正相輸入端連接到環(huán)路濾波器的輸出端LFout，反相輸入端連接到它的輸出端，該輸出端連接到傳輸門和反相器的輸入端，傳輸門輸出I路信號(hào)為VCI，反相器輸出Q路信號(hào)為VCQ。
由于低通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法很多，這里不再例舉電路進(jìn)行描述。它的輸入端是VCI、VCQ，輸出端為VCIL、VCQL。
第二種結(jié)構(gòu)中的采樣保持電路實(shí)施例見圖9所示，包括開關(guān)SW1、SW2和電容CC1、CC2。開關(guān)可以用單個(gè)晶體管或者傳輸門實(shí)現(xiàn)。該電路的連接關(guān)系為開關(guān)SW1、SW2的控制端連接到外部輸入信號(hào)SHc上，SW1的輸入端連接到低通濾波器的輸出VCIL信號(hào)端上，輸出端連接到電容CC1的一端，并且輸出信號(hào)Vci，電容CC1的另一端接地；類似的，SW2的輸入端連接到低通濾波器的輸出VCQL信號(hào)端上，輸出端連接到電容CC2的一端，并且輸出信號(hào)Vcq，電容CC2的另一端接地。
本發(fā)明的可控延遲單元實(shí)現(xiàn)電路也很多，這里給出一種簡單的RC結(jié)構(gòu)作為實(shí)施例，可變電阻Rc可以采用晶體管溝道電阻實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖10所示。其連接關(guān)系為電容C的一端連接到外部輸入信號(hào)SIin(SQin)，并且連接到輸出信號(hào)SIout(SQout)，電容C的另一端連接到可變電阻Rc的一端，可變電阻的另一端接地；在本發(fā)明提出的第一種結(jié)構(gòu)中，可變電阻的控制端VcI(VcQ)連接到低通濾波器的輸出端VCIL(VCQL)；在本發(fā)明提出的第二種結(jié)構(gòu)中，可變電阻的控制端VcI(VcQ)連接到采樣保持電路的輸出端Vci(Vcq)。
電源開關(guān)電路的常規(guī)實(shí)現(xiàn)方法很多，最簡單的可以采用單個(gè)晶體管的方式，具體電路不再詳細(xì)描述。
本發(fā)明工作原理如圖3或4，由于某種原因，I、Q外部電路的輸出信號(hào)I和Q的相位關(guān)系偏離了正交，正交相位檢測(cè)器檢測(cè)出這個(gè)相位偏差，以脈沖寬度的形式表示在充電信號(hào)UP或者放電信號(hào)DN上；然后電荷泵和環(huán)路濾波器把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓值，環(huán)路濾波器還對(duì)該電壓信號(hào)中的高頻噪聲進(jìn)行過濾；緩沖器起到隔離的作用，并且把這個(gè)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)稱的兩個(gè)電壓信號(hào)，分別控制正交兩路；低通濾波器進(jìn)一步濾除控制電壓中的高頻噪聲，降低環(huán)路引入的噪聲；兩路的電壓控制信號(hào)控制延遲單元的延遲，改變輸入給I、Q外部電路的信號(hào)SIout、SQout的相位關(guān)系，形成負(fù)反饋的鎖相環(huán)路，最終可以達(dá)到相位校準(zhǔn)的目的。為了降低功耗和系統(tǒng)噪聲，可以如圖4所示，在環(huán)路濾波器之后加入一個(gè)采樣保持電路，并且在除了采樣保持電路和可控延遲電路之外的其他電路的電源和外部電源輸入端之間加一個(gè)電源開關(guān)電路。這樣，相位校準(zhǔn)環(huán)路工作的情況下，采樣保持電路處于采樣狀態(tài)，電源開關(guān)電路處于開狀態(tài)；當(dāng)相位校準(zhǔn)完成以后，采樣保持電路切換到保持狀態(tài)，電源開關(guān)電路關(guān)閉，從而降低系統(tǒng)功耗和噪聲。
權(quán)利要求
1.一種鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器，其特征在于，包括一個(gè)正交相位檢測(cè)器，一個(gè)電荷泵，一個(gè)環(huán)路濾波器，一個(gè)緩沖器，一個(gè)低通濾波器和兩個(gè)可控的延遲單元；其連接關(guān)系為該正交相位檢測(cè)器輸入端接外部電路輸出的準(zhǔn)正交信號(hào)I和Q，該正交相位檢測(cè)器的第一、第二輸出端連接到電荷泵輸入端，該電荷泵的輸出端連接到環(huán)路濾波器的第一輸入端，該環(huán)路濾波器的第二輸入端連接到正交相位檢測(cè)器的第三輸出端，該環(huán)路濾波器的輸出端連接到緩沖器的輸入端，該緩沖器的輸出端連接到低通濾波器的輸入端，該低通濾波器的第一輸出端連接到同相位(I)支路的可控延遲單元的控制輸入端，該低通濾波器的第二輸出端連接到正交相位(Q)支路的可控延遲單元的控制輸入端；外部正交或準(zhǔn)正交信號(hào)SIin、SQin分別輸入給所述I、Q兩路的可控延遲單元，該I、Q兩路的可控延遲單元輸出相位關(guān)系經(jīng)過調(diào)整了的準(zhǔn)正交(或正交)信號(hào)SIout、SQout，分別輸入給外部的I、Q兩部分電路，從而形成反饋環(huán)路。
2.如權(quán)利1要求所述的鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器，其特征在于，還包括一個(gè)采樣保持電路和一個(gè)電源開關(guān)電路，該采樣保持電路的輸入端與所述低通濾波器的輸出端相連接，其輸出端分別與所述I、Q兩路的可控延遲單元的控制輸入端相連接，其控制端與外部輸入信號(hào)SHc連接，該采樣保持電路和I、Q兩路可控延遲單元的電源輸入端與外部電源輸入直接相連；該電源開關(guān)電路的輸入端與外部電源輸入端相連，其輸出端與除采樣保持電路和可控延遲單元以外的其他電路模塊的電源輸入端相連，其開關(guān)控制輸入端與外部輸入信號(hào)SHc相連。
全文摘要
本發(fā)明是屬于模擬信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及鎖相環(huán)路形式的正交信號(hào)相位校準(zhǔn)器。包括正交相位檢測(cè)器，電荷泵，環(huán)路濾波器，緩沖器，低通濾波器和兩個(gè)可控的延遲單元。正交相位檢測(cè)器的兩個(gè)輸出端連接到電荷泵輸入端，電荷泵的輸出端連接到環(huán)路濾波器的第一輸入端，環(huán)路濾波器的第二輸入端連接到正交相位檢測(cè)器的第三輸出端，環(huán)路濾波器的輸出端連接到緩沖器的輸入端，緩沖器的輸出端連接到低通濾波器的輸入端，低通濾波器的第一輸出端連接到同相位(I)支路的可控延遲單元的控制輸入端，低通濾波器的第二輸出端連接到正交相位(Q)支路的可控延遲單元的控制輸入端。本發(fā)明可消除I、Q兩路信號(hào)的相位誤差，降低誤碼率BER，提高通信的質(zhì)量。
文檔編號(hào)H04L27/00GK1614878SQ20041009712
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者劉瑞峰, 李永明, 陳弘毅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)