直流偏差去除裝置和方法

2023-06-13 01:36:06 2

專利名稱：直流偏差去除裝置和方法
技術領域：
本發明涉及無線通信接收領域，尤其涉及一種可用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置和方法。
背景技術：
射頻接收機位於無線通信系統的最前端，其結構和性能直接影響著整個通信系統。優化設計結構和選擇合適的製造工藝，以提高系統的性能價格比，是射頻工程師追求的方向。由於零中頻接收機在下變頻過程中不需經過中頻，又具有體積小、成本低和易於單片集成的特點，已成為射頻接收機中極具競爭力的一種結構，在無線通信領域中受到廣泛關注。
不過，由於不經過中頻，因此零中頻結構存在著直流偏差的問題，而且直流偏差往往比射頻前端的噪聲還要大，使信噪比變差，同時大的直流偏差可能使混頻器後的各級放大器飽和，無法放大有用信號。
為了解決零中頻的直流偏差問題，業界目前採用的辦法是在模擬域或數字域採用高通濾波器來濾除直流分量，例如美國美信公司的TD-SCDMA射頻接收晶片，MAX2392，即在模擬域中採用高通濾波器來濾除直流分量。
但是，上述方法的主要缺點是對信號的損傷較大，因為通過高通濾波器實現直流去除的時候，濾波器引入的線性相位失真(Group Delay)會導致信號相位的畸變，從而影響接收信號的誤差矢量幅度(EVM)。

發明內容本發明的目的在於提供一種可用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置和方法，克服了現有技術的不足，降低了接收信號的誤差矢量幅度，解決了去除直流偏差時損傷有用信號的問題。
本發明是通過以下技術方案實現的一種直流偏差去除裝置，按照信號的流向依次包括可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)、模數轉換器(ADC)和數字濾波器，還包括第一直流估計模塊，用於對模數轉換器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；第二直流估計模塊，用於對數字濾波器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
所述的直流偏差去除裝置，進一步包括置於所述的第二直流估計模塊輸出端和負前饋輸入端之間的直流存儲寄存器，用於存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其輸入至前饋端。
所述的直流偏差去除裝置，進一步包括與所述的第二直流估計模塊相連的時間控制模塊，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；與所述的直流存儲寄存器相連的更新控制模塊，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器。
所述的模數轉換器的動態範圍應大於預估的直流偏差的範圍。
此外，本發明還提供一種用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置，包括分別用來處理同相和正交信號的兩個並聯的支路，每個支路按信號流向均包括混頻器(Mixer)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)、模數轉換器(ADC)和數字濾波器；每個支路進一步包括第一直流估計模塊，用於對模數轉換器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；第二直流估計模塊，用於對數字濾波器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
所述的用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置，每個支路進一步包括置於所述的第二直流估計模塊輸出端和負前饋輸入端之間的直流存儲寄存器，用於存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其輸入至前饋端。
所述的用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置，進一步包括控制所述的兩個支路中的第二直流估計模塊的時間控制模塊，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；控制所述的兩個支路中的直流存儲寄存器的更新控制模塊，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至直流存儲寄存器。
所述的模數轉換器的動態範圍均應大於預估的直流偏差的範圍。
再次，本發明還提供一種直流偏差去除方法，將信號經過下列步驟處理A.用可編程增益放大器(PGA)放大待處理的信號；B.通過低通濾波器(LPF)對信號進行濾波；C.用模數轉換器(ADC)將模擬信號轉為數位訊號；D.用第一直流估計模塊對模數轉換器輸出的數位訊號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；E.用數字濾波器對模數轉換器輸出的數位訊號進行濾波；F.用第二直流估計模塊對數字濾波器輸出的信號進行直流估計；G.用直流存儲寄存器存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其存儲值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
所述的直流偏差去除方法，在F步驟中採用時間控制模塊控制第二直流估計模塊，使直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；在G步驟中採用更新控制模塊控制直流存儲寄存器，在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器。
所述的模數轉換器的動態範圍應大於預估的直流偏差的範圍。
最後，本發明還提供一種零中頻接收機中去除直流偏差的方法，將分別經過混頻器混頻的同相信號和正交信號，再分別經過下列步驟處理A.用可編程增益放大器(PGA)放大信號；B.通過低通濾波器(LPF)對信號進行濾波；C.用模數轉換器(ADC)將模擬信號轉為數位訊號；D.用第一直流估計模塊對模數轉換器輸出的數位訊號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；E.用數字濾波器對模數轉換器輸出的數位訊號進行濾波；F.用第二直流估計模塊對數字濾波器輸出的信號進行直流估計；G.用直流存儲寄存器存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其存儲值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
所述的零中頻接收機中去除直流偏差的方法，在F步驟中採用時間控制模塊控制第二直流估計模塊，使直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；在G步驟中採用更新控制模塊控制直流存儲寄存器，在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器。
所述的模數轉換器的動態範圍應大於預估的直流偏差的範圍本發明的直流偏差去除裝置和方法，通過直流估計模塊，採用在數字域求解、在模擬域執行的反饋環粗調，以及完全在數字域實現的前饋環細調，來去除直流偏差，避免了通過高通濾波器濾出直流偏差時。引起的有用信號的損失，保證接收信號的誤差矢量幅度不被惡化。

圖1是本發明用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置的系統框圖；圖2是圖1所述直流偏差去除裝置的反饋環粗調部分的系統框圖；圖3是圖1所述直流偏差去除裝置的前饋環細調部分的系統框圖；圖4是本發明用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置的信號處理時序示意圖。
具體實施方式請參閱圖1，圖1為本發明用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置的系統框圖。接收機最前端為天線1用於接收信號，與天線1相連的低噪聲放大器2，用於放大信號。放大後的同相信號和正交信號分別經過混頻器(Mixer)3a和3b混頻後，再分別經過兩個支路處理。
同相信號RX-I支路依次包括可編程增益放大器(PGA)5a、低通濾波器(LPF)6a、模數轉換器(ADC)7a、第一直流估計模塊8、數字濾波器9、第二直流估計模塊12和直流存儲寄存器13。其中可編程增益放大器(PGA)5a、低通濾波器(LPF)6a、模數轉換器(ADC)7a、第一直流估計模塊8和加法器4a順序連接，形成一個負反饋環，第一直流估計模塊8對模數轉換器7a輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋的加法器4a加至可編程增益放大器5a的輸入端，在模擬域初步抵消直流偏差，但第一直流估計模塊8隻在開機時估計一次直流偏差，在通信階段一直保持這個估計值作為負反饋值。數字濾波器9用於對經過負反饋環處理的同相信號進行數字濾波，其輸出信號經過第二直流估計模塊12進行直流估計後存儲在直流存儲寄存器13中，直流存儲寄存器13通過加法器14a負前饋加至輸出端，形成前饋環。另外還包括時間控制模塊10與第二直流估計模塊12相連，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；更新控制模塊11與直流存儲寄存器13相連，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器13，並由直流存儲寄存器13通過加法器14a負前饋加至輸出端，進一步去除直流偏差，使輸出同相信號RX-I-out更精確。
正交信號RX-Q支路依次包括可編程增益放大器(PGA)5b、低通濾波器(LPF)6b、模數轉換器(ADC)7b、第一直流估計模塊8、數字濾波器9、第二直流估計模塊12和直流存儲寄存器13。其結構與同相信號RX-I支路在完全相同，因此也包括反饋環的加法器4b、前饋環的加法器14b、時間控制模塊10和更新控制模塊11，其輸出為RX-Q-out。
其中模數轉換器7a和7b的動態範圍均應大於預估的直流偏差的範圍，以保證直流分量不會受模數轉換器引起的失真的影響。
另外，兩個支路中的第一直流估計模塊8、數字濾波器9、第二直流估計模塊12和直流存儲寄存器13，對兩個支路中的兩種信號均是分別獨立處理的，在具體結構上均可以分成兩個相同的模塊，分別與各支路相連。由於，兩種信號是同步的，所以時間控制模塊10和更新控制模塊11可以是共用的，同時控制兩個支路的處理時間。
由於上述實施例中去除直流偏差的兩個支路是互相獨立的，所以在本發明的另一個實施例中，單獨採用其中一個支路來完成本發明的目的，其結構和工作過程與上述同相信號RX-I支路的完全相同。
本發明中反饋環的反饋值一直保持一致，為直流偏差的粗調；而前饋環的反饋值是隨時間變化的，為直流偏差的細調。下面對反饋環和前饋環分別闡述。
請參閱圖2，圖2是圖1所述直流偏差去除裝置的反饋環粗調部分的系統框圖。天線1接收的信號，與天線1相連的低噪聲放大器2用於放大信號。放大後的同相信號和正交信號分別經過混頻器(Mixer)3a和3b混頻後，再分別經過兩個反饋環處理。
同相信號RX-I反饋環由可編程增益放大器(PGA)5a、低通濾波器(LPF)6a、模數轉換器(ADC)7a、第一直流估計模塊8和加法器4a順序連接而成，而且為負反饋環；其中第一直流估計模塊8對模數轉換器7a輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋的加法器4a加至可編程增益放大器5a的輸入端，在模擬域初步抵消直流偏差，而且第一直流估計模塊8隻在開機時估計一次直流偏差，在通信階段一直保持這個估計值作為負反饋值。
正交信號RX-Q反饋環由可編程增益放大器(PGA)5b、低通濾波器(LPF)6b、模數轉換器(ADC)7b、第一直流估計模塊8和加法器4b順序連接而成，也為負反饋環，其工作方式與同相信號RX-I反饋環相同。
請參閱圖3，圖3是圖1所述直流偏差去除裝置的前饋環細調部分的系統框圖。其中，同相信號RX-I前饋環中，數字濾波器9用於對經過負反饋環處理的同相信號進行數字濾波，其輸出信號經過第二直流估計模塊12進行直流估計後存儲在直流存儲寄存器13中，直流存儲寄存器13通過加法器14a負前饋加至輸出端，形成前饋環。另外還包括時間控制模塊10與第二直流估計模塊12相連，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；更新控制模塊11與直流存儲寄存器13相連，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器13，並由直流存儲寄存器13通過加法器14a負前饋加至輸出端，進一步去除直流偏差，使輸出同相信號RX-I-out更精確。
正交信號RX-Q前饋環部分由數字濾波器9、第二直流估計模塊12、直流存儲寄存器13、加法器14a、時間控制模塊10和更新控制模塊11組成，其結構和工作方式與上述同相信號RX-I前饋環相同。
圖4是本發明用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置的信號處理時序示意圖。其中，反饋環粗調的反饋值只在每次開機後初始化階段估計一次，在通信階段這個估計值持續起作用，作為負反饋的值，來去除直流偏差。而前饋環細調的前饋值是在整個通信過程中不斷變化的，以幀為單位，直流估計模塊對前一幀求出的直流值將會用於下一幀對直流的抵消，而下一幀求出的直流值將用於再下一幀直流偏移的抵消。
其輸出信號經過第二直流估計模塊12進行直流估計後存儲在直流存儲寄存器13中，直流存儲寄存器13通過加法器14a負前饋加至輸出端，形成前饋環。另外還包括時間控制模塊10與第二直流估計模塊12相連，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；更新控制模塊11與直流存儲寄存器13相連，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器13，並由直流存儲寄存器13通過加法器14a負前饋加至輸出端，進一步去除直流偏差，使輸出同相信號RX-I-out更精確。
此外，本發明零中頻接收機中去除直流偏差的方法用於圖1所示的本發明用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置時，具體步驟如下天線1接收的信號先經過低噪聲放大器2放大；然後分為同相信號RX-I和正交信號RX-Q，分別經過混頻器3a和3b混頻。
混頻後的同相信號RX-I要經過下列步驟處理
A.用可編程增益放大器(PGA)5a放大信號；B.通過低通濾波器(LPF)6a對信號進行濾波；C.用模數轉換器(ADC)7a將模擬信號轉為數位訊號；D.用第一直流估計模塊8對模數轉換器輸出的數位訊號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋的加法器4a加至可編程增益放大器5a輸入端，而且這個步驟中只在開機初始化時估計一次直流值，在後面通信過程中都用這個值作為負反饋值，抵消直流偏差；E.用數字濾波器9對經過反饋環粗調的信號進行濾波；F.用第二直流估計模塊12對數字濾波器9輸出的信號進行直流估計，時間控制模塊控制10控制直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內不斷進行；更新控制模塊11控制直流存儲寄存器13，在下一幀開始時，將第二直流估計模塊12得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器13，直流存儲寄存器13在下一幀過程中保持這個值，並將其負前饋至輸出端，用於抵消下一幀的直流；而下一幀求出的直流值將用於再下一幀直流偏移的抵消。
混頻後的正交信號RX-Q也經過和上述同相信號相同的步驟處理，去除直流偏差。
以上介紹的僅僅是基於本發明的幾個較佳實施例，並不能以此來限定本發明的範圍。任何對本發明的裝置作本技術領域內熟知的部件的替換、組合、分立，以及對本發明實施步驟作本技術領域內熟知的等同改變或替換均不超出本發明的揭露以及保護範圍。
權利要求
1.一種直流偏差去除裝置，按照信號的流向依次包括可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)、模數轉換器(ADC)和數字濾波器，其特徵在於進一步包括第一直流估計模塊，用於對模數轉換器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；第二直流估計模塊，用於對數字濾波器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
2.如權利要求1所述的直流偏差去除裝置，其特徵在於進一步包括置於所述的第二直流估計模塊輸出端和負前饋輸入端之間的直流存儲寄存器，用於存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其輸入至前饋端。
3.如權利要求2所述的直流偏差去除裝置，其特徵在於進一步包括與所述的第二直流估計模塊相連的時間控制模塊，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；與所述的直流存儲寄存器相連的更新控制模塊，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器，以抵消下一幀的直流偏差。
4.一種用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置，包括分別用來處理同相和正交信號的兩個並聯的支路，每個支路按信號流向均包括混頻器(Mixer)、可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)、模數轉換器(ADC)和數字濾波器；其特徵在於每個支路進一步包括第一直流估計模塊，用於對模數轉換器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；第二直流估計模塊，用於對數字濾波器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
5.如權利要求4所述的用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置，其特徵在於每個支路進一步包括置於所述的第二直流估計模塊輸出端和負前饋輸入端之間的直流存儲寄存器，用於存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其輸入至前饋端。
6.如權利要求5所述的用於零中頻接收機的直流偏差去除裝置，其特徵在於進一步包括控制所述的兩個支路中的第二直流估計模塊的時間控制模塊，用於保證直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；控制所述的兩個支路中的直流存儲寄存器的更新控制模塊，用於在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至直流存儲寄存器，以抵消下一幀的直流偏差。
7.一種直流偏差去除方法，其特徵在於將信號經過下列步驟處理A.用可編程增益放大器(PGA)放大待處理的信號；B.通過低通濾波器(LPF)對信號進行濾波；C.用模數轉換器(ADC)將模擬信號轉為數位訊號；D.用第一直流估計模塊對模數轉換器輸出的數位訊號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；E.用數字濾波器對模數轉換器輸出的數位訊號進行濾波；F.用第二直流估計模塊對數字濾波器輸出的信號進行直流估計；G.用直流存儲寄存器存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其存儲值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
8.如權利要求7所述的直流偏差去除方法，其特徵在於在F步驟中採用時間控制模塊控制第二直流估計模塊，使直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；在G步驟中採用更新控制模塊控制直流存儲寄存器，在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器，以抵消下一幀的直流偏差。
9.一種零中頻接收機中去除直流偏差的方法，其特徵在於分別經過混頻器混頻的同相信號和正交信號，還需分別經過下列步驟處理A.用可編程增益放大器(PGA)放大信號；B.通過低通濾波器(LPF)對信號進行濾波；C.用模數轉換器(ADC)將模擬信號轉為數位訊號；D.用第一直流估計模塊對模數轉換器輸出的數位訊號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；E.用數字濾波器對模數轉換器輸出的數位訊號進行濾波；F.用第二直流估計模塊對數字濾波器輸出的信號進行直流估計；G.用直流存儲寄存器存儲直流估計模塊輸出的直流偏差值，並將其存儲值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。
10.如權利要求9所述的零中頻接收機中去除直流偏差的方法，其特徵在於在F步驟中採用時間控制模塊控制第二直流估計模塊，使直流估計的過程在時序上是在信號接收的正常時間內進行；在G步驟中採用更新控制模塊控制直流存儲寄存器，在下一幀開始時，將所述的第二直流估計模塊得出的上一幀的平均直流偏差更新至所述的直流存儲寄存器，以抵消下一幀的直流偏差。
全文摘要
一種直流偏差去除裝置，按照信號的流向依次包括可編程增益放大器(PGA)、低通濾波器(LPF)、模數轉換器(ADC)和數字濾波器，還包括第一直流估計模塊，用於對模數轉換器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負反饋加至可編程增益放大器輸入端；第二直流估計模塊，用於對數字濾波器輸出的信號進行直流估計，並將其估計值通過負前饋加至數字濾波器輸出端。本發明直流偏差去除裝置避免了高通濾波器實現直流去除時引入線性相位失真導致的信號相位畸變，解決了去除直流偏差時損傷有用信號的問題。
文檔編號H04L25/06GK101068104SQ20071003835
公開日2007年11月7日 申請日期2007年3月23日 優先權日2007年3月23日
發明者王險峰, 李振彪, 祁豔陽 申請人:鼎芯通訊(上海)有限公司