CN1320775C - 正交信号通路上消除信号幅度失配电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，涉及正交信号通路上消除信号幅度失配电路，包括：分别连接在正交信号通路的I路和Q路信号输出端的两个功率检测器，用于分别检测I、Q两路的输出功率；一个同时与该两个功率检测器的输出端相连的减法器，用于计算I路和Q路的功率之差；一个与该减法器的输出端相连的VGA控制信号产生器，用于产生I路和Q路VGA的增益控制信号，以此调整VGA的增益，使I、Q两路输出信号功率相等。本发明能够较好的解决接收机中正交信号的幅度失配问题。且具有提高工艺容差，降低通讯误码率的优点。

Description

正交信号通路上消除信号幅度失配电路

技术领域

本发明属于模拟信号处理和通信技术领域，特别涉及消除IQ两路信号幅度失配的电路设计。

背景技术

如果要解调频率调制和相位调制的信号，通常要使用正交解调的方式，以解出信号所含的频率和相位信息。调制信号被本地正交振荡信号下变频至基带，分成I、Q两路(分别代表信号的实部和虚部)处理，变成数字信号。本地振荡信号正交输出的不匹配，I、Q两路在制造过程中产生的器件失配，这两种情况都会导致I、Q两链路信号的幅度失配，影响模数转换的准确。图1所给出的是一个常见的零中频正交解调接收机。接收到的射频调制信号被低噪声放大器(LNA)放大，分成IQ两路被混频器(Mixer)下变频至基带信号，再分别经过滤波器(LPF)、可变增益放大器(VGA)、低通滤波器(LPF)进行处理，最后送入数模转换器。其中本地振荡器(LO)输出正交信号，频率与射频信号的中心频率相等。以此为例，可说明I、Q两路信号幅度失配的问题，图中，如果本地振荡器(LO)输出的正交信号幅度不匹配，或者由于工艺的偏差，使得正交两链路(图1中的I路，Q路)上器件失配，这些就会造成基带信号的幅度失配。

现在的CMOS工艺中，如果严格的考虑电路版图的对称，依然只能将幅度失配控制在0.5dB范围内。无论产生的原因怎样，如果输入到模数转换器的两路正交信号幅度不匹配，会大大提高接收机的误码率和误包率。

目前解决幅度失配的方案，主要是通过版图匹配来尽量减小。但由于工艺偏差总是存在，不能根本解决幅度失配的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种正交信号通路上消除信号幅度失配电路，能够较好的解决接收机中正交信号的幅度失配问题。且具有提高工艺容差，降低通讯误码率的优点。

本发明的技术方案包括：分别连接在正交信号通路的I路和Q路信号输出端的两个功率检测器，用于分别检测I、Q两路的输出功率；一个同时与该两个功率检测器的输出端相连的减法器，用于计算I路和Q路的功率之差；一个与该减法器的输出端相连的VGA控制信号产生器，用于产生I路和Q路VGA的增益控制信号，以此调整VGA的增益，使I、Q两路输出信号功率相等。

本发明的特点及技术效果：

本发明用电路方式测量并消除IQ两路信号的幅度失配，比之传统的完全靠版图匹配实现匹配，更能有效的消除失配，更具有可靠性。幅度失配由传统的0.5dB提高到0.1dB。可以广泛应用于正交解调链路。

附图说明

图1为常见的零中频接收机结构图。

图2为本发明的消除信号幅度失配的电路总体结构示意图。

图3为本发明消除正交信号幅度失配电路的实施例结构示意图。

图4为本发明的VGA控制信号产生器(VcGen)的一个电路实施例结构示意图。

图5为应用本发明实现自动增益控制的零中频接收机结构图。

具体实施方式

本发明提出的正交信号通路上消除信号幅度失配的电路结合附图及实施例详细说明如下：

本发明首先利用功率检测模块检测两路基带可变增益放大器(VGA)的输出功率，计算差值，从而得到幅度失配的一个度量，接着利用这个度量调整两路VGA的增益使之达到输出功率相等。下面结合附图进一步详细说明。

本发明消除信号幅度失配的电路总体结构如图2所示。I、Q两路的VGA输出分别送入功率检测器(power detector，PD)，两PD检测出的功率值经过减法器(Minus)得到差值送入VGA控制信号产生器(VcGen)，该VcGen根据这个差值产生及调整两路的VGA增益控制信号Vc(图中的Vci和Vcq)。使电路平衡，I、Q两路的VGA输出相等。

本发明的工作原理：假定I、Q两路信号幅度相等(即功率相等)，VcGen此时是零输入，其直流输出电压作为VGA的增益控制信号。若假定I、Q两路信号幅度不相等，则用I、Q两路信号功率的差值(正比于幅度的差值)调整VcGen的直流输出，达到使I、Q两路信号幅度相等的VGA的输出功率的要求。

下面详细说明各个部分的电路实施例结构及其原理。

图3是消除正交信号幅度失配电路的实施例结构示意图。I路VGA输出分为两路，一路经过平方器(图中标为^2)；另一路先经过90°相移器，再进入平方器。两个平方器输出的信号作为输入经过加法器(图中标为+)，加法器输出即为I路信号功率(|I(t)|2)。同样的，Q路信号经过相同的器件输出为Q路信号功率((|Q(t)|2)。I路信号功率(|I(t)|2)和Q路信号功率((|Q(t)|2)作为输入进入减法器(Minus)，输出为两功率之差(正比于幅度之差)，最后这个差值作为输入进入VGA控制信号发生器(VcGen)。

图2中的每个功率检测器(PD)的实施例包括两个平方器、一个90°相移器和一个加法器，其中第一个平方器的输入端直接与I或Q路信号输出端相连，第二个平方器的输入端通过一个90°相移器再与I或Q路信号输出端相连，该两个平方器的输出端均与一个加法器相连。本实施例的90°相移电路和平方器均为常规技术，在普通的模拟电路书中皆可查到，本实施例的减法器(Minus)其实就是加法器的一种，也可以查到。

这部分电路的原理阐述如下：

考虑I、Q两路信号幅度失配，可以将I、Q两路的VGA输出信号分别表示为：

I(t)＝Re{A_m·e^j(ωt+θ)}               (1)

Q(t)＝Re{(A_m+ΔA_m)·e^jπ/2·e^j(ωt+θ)}(2)ΔA_m表示幅度失配的程度。

图3中，I，Q两路信号都要经过90°相移，再与原信号平方求和，这就是图2中的功率检测部分(PD)。可以得到：

I路：

Re{A_m·e^j(ωt+θ)}²+Re{A_m·e^jπ/2e^J(ωt+θ)}²

                 ＝A_m ²               (3)

Q路：

Re{(A_m+ΔA_m)·e^jπ/2·e^j(ωt+θ)}²+Re{(A_m+Δ_m)·e^jπ·e^j(ωt+θ)}²

          ＝(A_m+ΔA_m)²                   (4)

通过减法电路将两个结果相减，(4)-(3)：

(A_m+ΔA_m)²-A_m ²＝2A_mΔA_m+ΔA_m ²

                 ≈2A_m·ΔA_m                                (5)

一般的，A_m＞＞ΔA_m。

这样，VcGen的输入是一个被放大了2A_m倍的幅度误差ΔA_m。VcGen由此输出分别控制I路和Q路VGA的增益控制信号Vci和Vcq。达到平衡时，应该满足ΔA_m＝0。

图4为本发明的VGA控制信号产生器(VcGen)的一个实施例电路结构示意图。VcGen包括两个加法器(本实施例可采用一个加法器和一个减法器，图中表明其输入极性)，四个压控电流源(本实施例可采用两个PMOS管和两个NMOS管实现)以及低通滤波器(本实施例可采用电容实现)。其连接关系为：

图2中减法器的输出端与图4中的两个加法器的第一输入端相连(两个加法器的第一输入极性相反)，VcGen的输出端Vci和Vcq与两个加法器的第二输入端相连，两个加法器的输出端分别与两组压控电流源的控制端(即图中MOS管的栅极)相连。每组压控电流源由并联两个压控电流源组成，(本实施例是一个PMOS管和一个NMOS管组成一组压控电流源，其中两管的漏端相连并作为输出端，两管的栅极同时与加法器的输出端相连，PMOS管的源端接电源，NMOS管的源端接地)。每组压控电流源的输出与低通滤波器(图中以电容实现)的输入相连，两个低通滤波器的输出作为VcGen的输出Vci和Vcq。这两个输出电压端外接到I、Q两路上VGA的增益控制端。

上述的加法器、压控电流源、低通滤波器，均为常规标准的模拟电路形式，皆可从书中查到。

这部分电路原理阐述如下：跟踪ΔA_m的变化，达到平衡条件ΔA_m＝0，VcGen模块必须实现这样的功能。如图4所示。假定VGA输出信号对增益控制信号Vc的函数是单调增函数。如果ΔA_m＞0，那么Vci上升，I路VGA输出信号加强；Vcq下降，Q路VGA输出信号减弱，直至ΔA_m＝0。反之亦然。

本发明的一个应用的实例说明如下：

图5为应用本发明实现自动增益控制的零中频接收机结构图。接收到的射频调制信号经过低噪声放大器(LNA)放大，分成IQ两路被混频器(Mixer)下变频至基带信号，相乘的信号为本地振荡器(LO)输出的正交信号，其频率与射频信号的中心频率相等。之后分别经过滤波器(LPF)，被可变增益放大器(VGA)放大。I、Q两路VGA的输出会被调整至完全相等。它们首先经过功率检测器(PD)计算出功率，再相减得到功率差值，VcGen模块根据找个差值调整VGA的输出，使之相等。最后IQ两路信号经过低通滤波器(LPF)，送入数模转换器。

由上所述，这样一个电路拓扑结构能够消除正交信号幅度失配，对于接收机的性能提高极有帮助。

Claims (3)

1、一种正交信号通路上消除信号幅度失配电路，其特征在于，包括：分别连接在正交信号通路的I路和Q路信号输出端的两个功率检测器，用于分别检测I、Q两路的输出功率；一个同时与该两个功率检测器的输出端相连的减法器，用于计算I路和Q路的功率之差；一个与该减法器的输出端相连的VGA控制信号产生器，用于产生I路和Q路VGA的增益控制信号，以此调整VGA的增益，使I、Q两路输出信号功率相等；所述的VGA控制信号产生器包括两个加法器、四个压控电流源以及低通滤波器；其连接关系为：两个加法器的第一输入端与减法器的输出端相连，该两个加法器的第一输入极性相反，VGA控制信号产生器的两个输出端分别与两个加法器的第二输入端相连，两个加法器的输出端分别与两组压控电流源的控制端相连；每组压控电流源由并联两个压控电流源组成，每组压控电流源的输出与低通滤波器的输入相连，两个低通滤波器的输出端外接到I、Q两路上VGA的增益控制端。

2、如权利要求1所述的正交信号通路上消除信号幅度失配电路，其特征在于，所述的功率检测器包括两个平方器、一个90°相移器和一个加法器，其中第一个平方器的输入端直接与I或Q路信号输出端相连，第二个平方器的输入端通过一个90°相移器再与I或Q路信号输出端相连，该两个平方器的输出端均与一个加法器相连。

3、如权利要求1所述的正交信号通路上消除信号幅度失配电路，其特征在于，所述的一组压控电流源由一个PMOS管和一个NMOS管组成，其中该两MOS管的漏端相连并作为输出端，两MOS管的栅极同时与加法器的输出端相连，PMOS管的源端接电源，NMOS管的源端接地。

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