频率转换滤波器设备和方法与流程

本发明涉及频率转换滤波器设备和方法，具体来说，涉及用于处理无线电接收器中的载波聚合的频率转换滤波器设备和方法。

背景技术：
射频接收器具有传统使用的滤波器，诸如表面声波(SAW)或体声波(BAW)滤波器。但是，为了降低这类无线电接收器中使用的滤波器的组件大小和功耗，以及使这类滤波器与诸如CMOS制造之类的集成加工技术更加兼容，已经发展了频率转换滤波器技术。图1示出频率转换滤波器的基本结构。包括开关元件101a至101d的无源混频器101用于对采取电容器103的形式的频率相关阻抗进行频率转换。混频器101的操作可被看作是使用本地振荡器(LO)信号来交替电容103的极性，以便控制开关元件101a至101d，LO信号具有频率fLO和周期TLO。在实践中，在无线电接收器中需要分别以同相(LOi)和正交相位(LOq)本地振荡器信号进行操作的两个频率转换滤波器。参照图2，第一频率转换滤波器包括无源混频器201，无源混频器201包括用于对采取电容器203的形式的频率相关阻抗进行频率转换的开关元件201a至201d。第二频率转换滤波器包括无源混频器205，无源混频器205包括用于对采取电容器207的形式的频率相关阻抗进行频率转换的开关元件205a至205d。LO信号具有25%占空比，使得频率转换滤波器201、205中每次只有一个是活动的。分别如图3a和图3b所示，频率转换滤波器(FTF)可简单地用作放大器301的负载(即，图3a中的放大器301的频率相关阻抗Zin)，或者用作具有基带输出Vout的组合的混频器和滤波器(图3b中所示的组合单元303)。频率转换滤波器技术已经被证明通过有效地提供RF电路的带通特性对于改进无线电接收器中的RF前端的选择性是成功的。无线电传输方案的近来发展建议使用多个同时载波，在3GPP长期演进(LTE)标准中称作载波聚合。将来，这些载波不一定必须在频率上是毗连的。对于空白和认知无线电应用作为一种可能情况还提出了在若干非毗连载波上的同时传输。本申请人所开发的用于在无线电接收器处理多个非毗连载波的一种方法是使用基于复合IF的接收器，其中单个RF前端用于接收多个预期载波(以及非预期信号)，并且其中预期信号通过复合IF混频或者零IF和复合IF技术的组合来获得。图4示出一种这样的复合配置的示例，由此RFLO频率被设置成在所关注的两个载波中间的频率，以及IFLO频率被设置成两个载波的中心频率之间的距离的一半。复合混频器401在这种布置中用于处理多个载波。图4所示的技术针对所关注载波与其中心频率相比彼此接近的情况。因此，图4的电路布置是处理具有非毗连频率的多个所接收载波的复杂且成本高的方法。

技术实现要素：
本发明的实施例的一个目的是提供用于处理载波聚合的简化的频率转换滤波器设备和方法。按照本发明的第一方面，提供一种配置成接收包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的射频信号的频率转换滤波器。所述频率转换滤波器包括：混频器，配置成将在第一输入上接收的射频信号与在第二输入上接收的本地振荡器信号进行混频；以及滤波器，包括频率相关负载阻抗，该滤波器具有在由混频器来频率转换时包含与第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围对应的第一和第二通带的带通特性，其中第一和第二通带以本地振荡器频率为中心。按照本发明的另一方面，提供一种配置成接收包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的射频信号的频率转换滤波器。所述频率转换滤波器包括：混频器，配置成将在第一输入上接收的射频信号与在第二输入上接收的本地振荡器信号进行混频；以及合成带通或低通滤波器，包括频率相关负载阻抗，合成带通或低通滤波器包括在由混频器来频率转换时包含用于抑制除所预期第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围之外的信号的一个或多个阻带的一个或多个阻带或通带特性。按照本发明的另一方面，提供一种从包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的所接收射频信号获得第一和第二信号的方法。该方法包括下列步骤：将所接收射频信号与本地振荡器信号进行混频，以便对包括频率相关负载阻抗的滤波器进行频率转换，该滤波器具有在通过混频步骤来频率转换时包含与第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围对应的第一和第二通带的带通特性，其中第一和第二通带以本地振荡器频率为中心。按照本发明的另一方面，提供一种从包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的所接收射频信号获得第一和第二信号的方法。该方法包括下列步骤：将所接收射频信号与本地振荡器信号进行混频，以便对包括频率相关负载阻抗的合成滤波器进行频率转换，该合成滤波器配置成包括在通过混频步骤来频率转换时包含用于抑制除所预期第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围之外的信号的一个或多个阻带的一个或多个带阻或带通特性。本文所述实施例具有为射频接收器的前端中的两个或更多非毗连载波或者非毗连频率范围提供选择性的优点。附图说明为了更好地理解本发明以及更清楚地示出它可如何实施，现在将仅作为示例参照以下附图，其中：图1示出按照现有技术的频率转换滤波器；图2示出在具有同相和正交相位本地振荡器信号的应用中、按照图1使用两个频率转换滤波器的应用；图3a示出频率转换滤波器如何能够作为负载连接到放大器电路；图3b示出组合频率转换滤波器和下变频单元；图4示出基于复合中频(IF)的接收器的架构；图5a示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器；图5b示出由无线电接收器所接收的载波信号的示例；图5c示出按照图5a的频率转换滤波器的频率响应特性的示例；图5d示出按照图5a的频率转换滤波器的频率响应特性的另一个示例；图6示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器的进一步细节；图7示出与本发明的实施例配合使用的具有频率相关阻抗的滤波器电路的示例；图8示出在频率转换之后的图7所示滤波器电路的传递函数；图9a至9f是基带滤波器电路的另一些示例；图10a至10f是基带滤波器响应的示例；图11示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器在用作放大器的负载时的示例；图12示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器在用作组合频率转换滤波器和下变频单元时的示例；图13示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器可如何与基于复合中频(IF)的接收器配合使用的示例；图14示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器可如何与基于复合中频(IF)的接收器配合使用的另一个示例；以及图15示出按照本发明的一个实施例的方法所执行的步骤。具体实施方式以下实施例将关于所接收信号中具有第一和第二聚合载波来描述。但是，要注意，本发明意在涵盖所接收信号中任何数量的多个载波。此外，本发明还可用于接收多个非毗连频率范围。图5a示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器500。频率转换滤波器500配置成接收包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的射频(RF)信号501。频率转换滤波器包括混频器503(例如无源混频器)，混频器503配置成将在第一输入上接收的RF信号501与在第二输入上接收的本地振荡器信号(LO_RF)505进行混频。滤波器507包括频率相关负载阻抗，由此滤波器507具有在使用混频器503来频率转换时包含与第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围对应的第一和第二通带的带通特性。第一和第二通带以本地振荡器频率为中心。按照一个实施例，滤波器507包括带通滤波器，它被转换为围绕混频器503的本地振荡器频率505对称地设置的两个带通响应。例如，如从RF侧看到的通带的绝对位置能够被配置为LO_RF+/-IF，其中LO_RF是驱动混频器503的本地振荡器信号，以及IF是在没有频率转换的情况下来看时的带通滤波器507的中心频率。因而，单个谐振在带通负载的情况下被频率转换为以本地振荡器频率为中心的两个谐振，从而作为单个谐振本身的谐振频率保持到本地振荡器的相同距离。如本申请中稍后将更详细描述的，滤波器507可备选地包括合成滤波器，它被转换为抑制不想要的信号而使至少第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围通过的带通和带阻滤波器的组合。上述实施例具有为处理载波聚合提供简化的频率转换滤波器设备的优点。上述布置的另一个优点在于，如果本地振荡器频率变化，则两个谐振将通过使它们到本地振荡器频率的距离保持固定来跟随本地振荡器频率。参照图5b，它示出具有预期要接收的第一和第二非毗连载波或者频率范围511和513以及非预期载波或者频率范围509的所接收RF信号的示例。为了抑制非预期载波信号，按照一个实施例，图5a的滤波器507配置成具有如图5c所示的、包含与预期要接收的第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围511和513对应的第一和第二通带的带通特性515。混频器的本地振荡器频率fLO_RF选择成例如使得第一和第二通带以本地振荡器频率fLO_RF为中心。按照如图5d所示的一个备选实施例，虽然带通特性515配置成关于本地振荡器频率fLO_RF对称，但是预期信号关于本地振荡器频率fLO_RF不对称。这具有在载波的一侧提供非预期信号的更好抑制而以在另一侧的信号的较低抑制为代价的优点。在这种实施例中，通带的带宽可配置成对应地更大，使得预期信号511、513仍然在相应通带的范围内。换言之，如果强的非预期信号的位置为已知，则该设备还可配置成使得通带更宽，以及本地振荡器信号fLO_RF偏移以使得优化强的非预期信号的抑制。虽然关于使用具有例如使特定第一和第二预期频率载波或频率范围通过的通带的滤波器描述了图5a至5d所示的实施例，但是会理解，具有合成响应(具有通带和阻带)的滤波器也可用于例如抑制除第一和第二预期载波或频率范围之外的非预期频率载波或频率范围。在这种实施例中，频率转换滤波器500配置成接收包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的射频(RF)信号501，并且包括配置成将在第一输入上接收的RF信号501与在第二输入上接收的本地振荡器(LO)信号505进行混频的混频器503。频率转换滤波器500还包括合成滤波器，该合成滤波器还具有在由混频器来频率转换时包含用于抑制除所预期第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围之外的信号的一个或多个阻带的阻带或带通特性。因而，还有可能使用其它滤波器拓扑，例如与带通滤波器组合的带阻滤波器，或者低通滤波器，其作用就像围绕LO频率的带通滤波器，在经过频率转换时阻塞所转换的带阻频率，与抑制所转换带通带宽外部的频率时的仅带通情况相反。图6示出使用分别以同相(LOi)和正交相位(LOq)本地振荡器信号进行操作的两个频率转换滤波器的一个实施例中的频率转换滤波器的实现的示例。第一频率转换滤波器包括混频器601(例如无源混频器)，混频器601包括用于对具有如上所述的带通(或合成)特性的频率相关阻抗603进行频率转换的开关元件601a至601d。第二频率转换滤波器包括混频器605(例如无源混频器)，混频器605包括用于对具有如上所述的带通(或合成)特性的频率相关阻抗607进行频率转换的开关元件605a至605d。LO信号具有25%占空比，使得频率转换滤波器601、605中每次只有一个是活动的。具有带通(或合成)特性的频率相关阻抗603、607其中之一或者其中每一个优选地是可控制的，使得在对带通特性进行频率转换时，能够控制第一和第二通带中的每个的定位和宽度。频率相关负载阻抗603和607其中之一或者其中每一个，即混频器负载阻抗，优选地实现为集成组件、例如无源组件，但是备选实现也意在被本发明涵盖。例如，回转器、负阻抗转换器、频率相关负电阻器或梯形结构也是可能的，或者所述阻抗的任何两个或更多可用于实现频率相关负载阻抗。此外，按照一个实施例，频率相关负载阻抗603和/或607本身也可实现为使用不同本地振荡器频率的另一个频率转换滤波器。按照这种实施例，第一频率相关负载阻抗包括第二频率转换滤波器，第二频率转换滤波器使用第二本地振荡器频率。能够对一个或多个其它级延续这种布置，例如由此第二频率转换滤波器包括第二频率相关负载阻抗，其中第二频率相关负载阻抗包括第三频率转换滤波器，第三频率转换滤波器使用第三本地振荡器频率，等等。如上所述，这些负载阻抗中的任一个又可由例如并联连接以形成更复杂的阻抗-频率特性的一个或多个阻抗组成，由此提供合成响应。图7示出具有可实现为图6的频率相关阻抗603、607的频率相关阻抗Zbp(f)的带通滤波器的示例。带通滤波器包括与第一电阻元件803串联连接的电容元件801，这些与电感元件805并联连接，电感元件805与第二电阻元件807串联连接。要注意，第一电阻元件803可对电容器801和电感器805中的分开的电阻和/或损耗来建模。此外，将会理解，图7所示的组件值只是示例，以及假定混频器电路的开关是理想的，并且本地振荡器时钟频率为1GHz。要注意，许多其它滤波器架构可用于提供预期滤波器特性。另外，如上所述，诸如电感器之类的组件能够是“实际的”电感器或者所模拟的电感器(例如使用回转器和电容器)。如上所述，待频率转换的滤波器优选地是可调谐带通滤波器，使得预期载波或频率范围出现在通带之内。因而，能够调谐第一和第二通带的中心频率以及第一和第二通带的带宽。例如，通过改变图7所示组件中的一个或多个组件的值，例如改变电感元件805的值，能够调谐滤波器特性。可在设置或制造期间调谐滤波器特性，以便处理特定的一组预期聚合载波或频率范围。此外，要注意，可在使用期间动态调谐滤波器特性。在这种动态调谐实施例中，载波聚合可在例如LTE之类的系统中执行，在这些系统中，没有例如象存在固定蜂窝频带那样的载波的固定配置。图8示出采用如图7的示例中所示的负载阻抗的频率转换滤波器的传递函数。还可使用合成滤波器的不同实现。此外，要注意，包括带阻段的实施例也可按照提供预期特性的类似方式、包括以动态方式来调谐。图9a至9f示出可使用的基带滤波器的其它示例，而图10a至10f示出基带滤波器响应的示例。图9a是低通滤波器的示例，图9b是带通滤波器的示例，图9c是双带通滤波器的示例，图9d是合成低通和带阻滤波器的示例，图9e是合成低通和带通滤波器的示例，以及图9f是合成带通滤波器的示例(与图9b的带通滤波器相似，但是由此斜坡分离得更多)。图10a示出低通滤波器的基带滤波器响应，图10b示出带通滤波器的基带滤波器响应，图10c示出双带通滤波器的基带滤波器响应，图10d示出合成低通和带阻滤波器的基带滤波器响应，图10e示出合成低通和带通滤波器的基带滤波器响应，以及图10f示出合成高通和低通滤波器的基带滤波器响应。在包括带阻段的合成实施例中，这种带阻段还能够包括与以零频率为中心的带阻滤波器对应的电感器或所模拟电感器，以便阻塞围绕混频器LO频率的频率。还要注意，所转换带阻频率能够以一个或多个接收器混频器LO谐波为中心。参照图11，以上实施例中所述的频率转换滤波器可用作放大器的负载1101。例如，这可假定LNA输出本质上具有电流源的性质(如图3a所示)。负载(即，FTF)的特性则在LNA和FTF的组合电压增益中反映。备选地，参照图12，以上实施例中所述的频率转换滤波器可用作组合频率转换滤波器和下变频单元1201。例如，实施例可用于如图3b所示的布置中，其中FTF(无源混频器和滤波器)兼任RF信号的下变频混频器。从滤波器分接下变频信号。这能够从图6看到，当FTF仅用作负载时提供一个端口(Zin)。但是，当用作组合FTF和下变频混频器时，RF信号被输入到同一端口，而基带分量从Vouti、Voutq端口可获得。因此，将会理解，上述实施例将公共RF前端用于两个或更多非毗连载波或者非毗连频率范围的接收，并且使用有效提供具有与预期载波的位置和宽度对应的响应的接收器的双通带响应的频率转换滤波器。这通过对可控带通滤波器进行频率转换来获得。因此，本发明的实施例为RF前端中的两个非毗连载波或频率范围提供选择性。因此，以上实施例为包含预期信号的至少两个非毗连载波或者两个非毗连频率范围的接收提供单个RF前端接收器。RF前端对RF信号进行下变频，使得两个载波或频率范围出现在同一IF频率周围。单个RF前端可与以上在图4中所述的复合IF架构配合使用，但是要注意，所述实施例还可与其它架构配合使用。例如，上述实施例可用作如图4所示的复合IF架构中的低噪声放大器LNA403的负载(例如使用图3a所示的配置)，或者用作LNA403的输出处的组合混频器和滤波器(即，在如图3b所示的组合单元中)。这类布置的示例分别在图13和图14中示出。图15示出按照本发明的一个实施例的频率转换滤波器所执行的步骤。在步骤1501，接收包括第一和第二非毗连载波或者非毗连频率范围的射频信号。在步骤1503，将所接收射频信号与本地振荡器信号进行混频。在步骤1505，提供频率转换滤波器，用于对包括频率相关负载阻抗的滤波器进行频率转换，该滤波器具有在经过频率转换时包含以本地振荡器频率为中心的第一和第二通带的带通特性。要注意，类似方法也可与合成滤波器配合使用。上述实施例具有为处理载波聚合提供简化的频率转换滤波器方法的优点。上述方法的另一个优点在于，如果本地振荡器频率变化，则两个谐振将通过使它们到本地振荡器频率的距离保持固定来跟随本地振荡器频率。本发明的实施例使得能够在基带从单个复阻抗来提供双重响应。在基带从单个复阻抗同时提供双重响应。这使得能够同时接收第一和第二载波。应该注意，上述实施例说明而不是限制本发明，而且本领域的技术人员将能够设计许多备选实施例而不背离所附权利要求的范围。词语“包含”并不排除除了权利要求中所列那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一”或“一个”并不排除多个，以及单个处理器或另一单元可完成权利要求中所述的若干单元的功能。权利要求中的任何参考标号不应当被解释为限制其范围。