专利名称：频率转换装置及其方法
技术领域：
本发明是相关于频率转换装置及其方法，尤指一种使用于直接转换收发器(direct conversion transceiver)中的混波器(mixer)与相关方法，可以降低本地振荡信号自混合(LO self-mixing)或本地振荡信号泄漏(LO leakage)所造成的问题。
背景技术：
在各类型的接收器中，常会使用混波器来将射频信号(RF signal)转换为中频信号(IF signal)或是基频信号(BB signal)，至于在各类型的发射器中，则会使用混波器来将中频信号或是基频信号转换为射频信号。一般而言，使用于接收器中，用来对信号进行降频工作的混波器可称为降频混波器(down mixer)，至于使用于发射器中，用来对信号进行升频工作的混波器则可称为升频混波器(up mixer)。而降频混波器与升频混波器具有相似的结构。
以接收器为例，现今有很多种常见的接收器架构，其中一种接收器架构可称为外差接收器(heterodyne receiver)或超外差接收器(super heterodynereceiver)，其会将所接收到的射频信号先转换到一个较高的中间频率(intermediate frequency)以产生一中频信号，对该中频信号滤波、放大之后，才会再将该中频信号转换至另一个较低的频率(例如第二中频或基频)，以供后端电路进行解调或数据重构的工作。对于外差接收器而言，常常必须要使用到一中频滤波器，而使用中频滤波器则会增加整体混波器的成本以及电路面积。
另一种常见的接收器架构则称为直接转换接收器(direct conversionreceiver，DCR)，其会直接将所接收到的射频信号降频至较低的频率，而不会产生中频信号。图1所示是已知技术中的一直接转换接收器中所使用到的双平衡混波器(double-balanced mixer)的示意图。本图中的双平衡混波器100也可称为吉伯特单元(Gilbert-Cell)，其包含有一电流源IBIAS、六个晶体管Q1～Q6、以及两个电阻R1与R2。晶体管对Q1与Q2是将一输入信号VRF转换成一差动电流信号IDIFF。差动电流信号IDIFF包含有一第一单端电流信号IDIFF+以及一第二单端电流信号IDIFF-。以电阻R1与R2作为负载(load)，四个晶体管Q3～Q6即可将差动电流信号IDIFF与一本地信号(LO signal)VLO混波以产生一输出信号VBB。
直接转换接收器的优点是在于其具有简单的电路架构，且由于直接转换接收器中不需要使用到中频滤波器，故其成本常常会低于必须使用中频滤波器的外插接收器的成本。
然而，使用标准的混波器(例如图1中所示的双平衡混波器100)的直接转换接收器却面临了一些问题，其中一个问题可称为本地振荡信号自混合(LO self-mixing)，之所以会有这一问题，主要是因为混波器中，本地振荡器(local oscillator，LO)所产生的本地信号(LO signal)的频率等于(或相近于)其所接收到的射频信号的频率，而导致电压形式的本地信号泄漏至混波器中用以接收射频信号的接收端口，之后，泄漏的本地信号会在混波的过程中，与原本的本地信号自我混合，而在混波器的输出端口产生出随机的直流偏移(DC offset)。此一随机的直流偏移会劣化基频信号的品质，而降低直接转换接收器的整体效能。
相似地，使用标准的混波器的直接转换发射器也面临了一些问题，其中一个问题可称为本地振荡信号泄漏(LO leakage)，之所以会有此一问题，主要是因为混波器中，本地振荡器所产生的本地信号的频率等于(或相近于)其所产生的射频信号的频率，而导致电压形式的本地信号泄漏至混波器中用以输出射频信号的输出端口，泄漏的本地信号会混和入输出的射频信号中，而劣化射频信号的品质。
图2为Rebeiz等人在美国第6,348,830号的专利中所揭露的次调和双平衡混波器(subharmonic double-balanced mixer)的示意图。图2所示的次调和双平衡混波器200包含有一电流源IBIAS、八个晶体管Q1～Q8、以及两个电阻R1与R2。四个晶体管Q1～Q4构成一本地振荡部分电路(LO section)210。接收了四个具有不同相位的本地信号(包含有VLO、VLO90°、VLO180°、VLO270°)以及电流源IBIAS所产生的一偏置电流后，本地振荡部分电路210会产生一差动电流信号IDIFF。差动电流信号IDIFF中包含有一第一单端电流信号IDIFF+以及一第二单端电流信号IDIFF-。四个晶体管Q5～Q8则构成一射频部分电路(RFsection)220。以电阻R1与R2作为负载，射频部分电路220即可将差动电流信号IDIFF与一射频信号VRF混波以产生一输出信号VBB。
次调和双平衡混波器(例如图2所示的例子)是前述本地振荡信号自混和现象的一种解决方案，这主要是因为，在次调和双平衡混波器中所使用的本地信号的频率会不同于其所接收到的射频信号的频率。即使本地信号与所接收到的射频信号混和了，由于这两者具有不同的频率，并不会因而导致直流偏移的问题。相似地，次调和双平衡混波器也是前述本地振荡信号泄漏现象的一种解决方案，其原因在于，在次调和双平衡混波器中所使用的本地信号的频率不同于其所产生出的射频信号的频率。即使本地信号与所产生的射频信号混和了，由于这两者具有不同的频率，所泄漏的本地信号并不会对最终输出的射频信号的品质造成太大的影响。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种使用于直接转换接收器或直接转换发射器中的混波器与相关方法，以降低本地振荡信号自混合或本地振荡信号泄漏所造成的问题。
本发明揭露了一种频率转换装置，用来将具有一输入频率的输入信号转换成具有一输出频率的输出信号，该频率转换装置包含有一第一乘法器，用来将具有一第一频率的第一本地信号乘上具有一第二频率的第二本地信号以产生具有一第三频率的差动电流信号，该差动电流信号包含一第一单端电流与一第二单端电流，其中该第三频率实质上等于该输入频率或该输出频率，该第一频率以及该第二频率则不同于该输入频率或该输出频率；以及一转导级(GM stage)，电连接于该第一乘法器，用来根据该差动电流信号将具有该输入频率的该输入信号转换为具有该输出频率的该输出信号。
本发明还揭露了一种频率转换方法，用来将具有一输入频率的输入信号转换成具有一输出频率的输出信号，该方法包含有将具有一第一频率的第一本地信号乘上具有一第二频率的第二本地信号以产生具有一第三频率的差动电流信号，其中该第三频率实质上等于该输入频率或该输出频率，该第一频率以及该第二频率则不同于该输入频率或该输出频率；以及根据该差动电流信号将具有该输入频率的该输入信号转换为具有该输出频率的该输出信号。
本发明的有益效果在于，可以降低本地振荡信号自混合或本地振荡信号泄漏所造成的问题。
图1是已知技术中一直接转换接收器中所使用到的双平衡混波器的示意图；图2是Rebeiz等人在美国第6,348,830号的专利中所揭露的次调和双平衡混波器的示意图；图3是本发明所提出的混波器的一实施例功能方块图；图4是图3中的转导级的一实施例电路图。
主要组件符号说明100双平衡混波器200次调和双平衡混波器210本地振荡部分电路220射频部分电路
300混波器310本地振荡器320、330 除法器340乘法器350转导级360负载电路具体实施方式
图3所示是本发明所提出的混波器的一实施例功能方块图。本实施例所示的混波器300可以设置于一直接转换接收器中，当然，本发明的混波器也可以设置于直接转换发射器中。
由于本实施例中的混波器300是使用于直接转换接收器中的降频混波器，其会将具有一输入频率fIN的输入信号VIN(其可为一射频信号)转换为具有一输出频率fOUT的输出信号VOUT(其可为一中频或基频信号)。混波器300包含有一本地振荡器(LO)310、一第一除法器320、一第二除法器330、一第一乘法器340、一转导级(GM stage)350、以及一负载(load)360。本地振荡器310是用来产生具有一基本频率fBASIC的初始本地信号LO0(在本实施例中，初始本地信号LO0为一电压信号)。第一除法器320是电连接于本地振荡器310，用来将具有基本频率fBASIC的初始本地信号LO0以一第一除数N1为参数作一除法运算，以产生具有一第一频率f1的第一本地信号LO1(在本实施例中，第一本地信号LO1为一电压信号)，其中，f1＝fBASIC/N1。第二除法器330是电连接于本地振荡器310，用来将具有基本频率fBASIC的初始本地信号LO0以一第二除数N2为参数作一除法运算，以产生具有一第二频率f2的第二本地信号LO2(在本实施例中，第二本地信号LO2为一电压信号)，其中，f2＝fBASIC/N2。而第一除数N1与第二除数N2都可以是整数。第一乘法器340是电连接于第一除法器320与第二除法器330，其是用来将第一本地信号LO1乘上第二本地信号LO2以产生具有一第三频率f3的差动电流信号IDIFF，其中f3等于[(N1+N2)/N1N2]×fBASIC或[(N1-N2)/N1N2]×fBASIC(假设N1＞N2)。而差动电流信号IDIFF中非期望(unwanted)的频率成分[(N1-N2)/N1N2]×fBASIC或[(N1+N2)/N1N2]×fBASIC则可以通过设置于第一乘法器340以及转导级350之间的滤波器(未绘示于图中)将其滤除。实际上，本实施例中的第一除法器320、第二除法器330、以及第一乘法器340的整体功能类似于图2中本地振荡部分电路210的功能。在图2中，本地振荡部分电路210是依据四个LO信号来产生差动电流信号IDIFF。在图3中，第一除法器320、第二除法器330、以及第一乘法器340则依据初始本地信号LO0来产生差动电流信号IDIFF。
因为本实施例中的混波器300是使用于直接转换接收器中的降频混波器，为了避免本地振荡信号自混合所造成的问题，初始本地信号LO0的基本频率fBASIC、第一本地信号LO1的第一频率f1、以及第二本地信号LO2的第二频率f2必须不同于输入信号VIN的输入频率fIN。差动电流信号IDIFF的第三频率f3则实质上相等于输入信号VIN的输入频率fIN。
至于转导级350的功用则类似于图2的双平衡混波器200中射频部分电路220的功能。在图2中，以两个电阻R1与R2作为负载，四个晶体管Q5～Q8形成两晶体管对，可将差动电流信号IDIFF与射频信号VRF混波以产生输出信号VBB。在图3中，配合负载360，转导级350可将差动电流信号IDIFF与输入信号VIN混波以产生输出信号VOUT。更明确地说，转导级350是依据具有第三频率f3的差动电流信号IDIFF，将具有输入频率fIN的输入信号VIN转换为具有输出频率fOUT的输出信号VOUT。由于差动电流信号IDIFF的第三频率f3实质上等于输入信号VIN的输入频率fIN，因此，输出信号VOUT的输出频率fOUT将会位于基频的位置，因此，后续的电路即可以对输出信号VOUT执行解调以及数据重构的工作。在一实施例中，输入信号VIN及输出信号VOUT为差动信号，分别由两电压组成，差动电流信号IDIFF则由两电流所组成。而已知技术的吉伯特单元混波器(Gilbert-Cell mixer)中的转导级可以是前述实施例的转导级350的一个例子，如图4所示。所述输入信号以及所述输出信号为差动信号，所述输入差动信号包含一第一输入端电压与一第二输入端电压，所述输出差动信号包含一第一输出端电压与一第二输出端电压，所述转导级包含有一第一晶体管对，电连接于所述第一乘法器，用来依据所述第一输入端电压以及所述差动电流信号中的所述第一单端电流，来产生所述输出信号中的第一输出端电压；以及一第二晶体管对，电连接于所述第一乘法器，用来依据所述第二输入端电压以及所述差动电流信号中的所述第二单端电流，来产生所述输出信号中的第二输出端电压。由于图4所示的转导级350的架构与功能是已知技术者所熟知的，故在此不多作赘述。
请注意，若以混波器300来作为直接转换发射器中的升频混波器，则输入信号VIN的输入频率fIN将会位于基频，输出信号VOUT的输出频率fOUT则会实质上等于差动电流信号IDIFF的第三频率f3。此外，为了避免本地振荡信号泄漏(LO leakage)所造成的问题，初始本地信号LO0的基本频率fBASIC、第一本地信号LO1的第一频率f1、以及第二本地信号LO2的第二频率f2必须不同于输出信号VOUT的输出频率fOUT。差动电流信号IDIFF的第三频率f3则实质上相等于输出信号VOUT的输出频率fOUT。
而要实现第一乘法器340的电路架构时(第一乘法器340是将两个电压信号(也即第一本地信号LO1以及第二本地信号LO2)相乘以产生一电流信号(也即差动电流信号IDIFF))，则可以参考以下两篇论文Low-VoltageBiCMOS Four-Quadrant Multiplier Using Triode-Region Transistors(IEEETransactions on Circuits and Systems-IFundamental Theory and Applications，vol.46，no.7，July 1999)，以及A Parallel Structure for CMOS Four-QuadrantAnalog Multipliers and Its Application to a 2-GHz RF Downconversion Mixer(IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol.33，no.6，June 1998)。
在已知技术的直接转换接收器(或直接转换发射器)所使用的混波器中，由于所使用的本地振荡信号(电压形式)的频率与其所接收到的输入信号的频率相同，因此常会面临本地振荡信号自混合或本地振荡信号泄漏所造成的问题。然而，在前述本发明的实施例中，初始本地信号LO0的基本频率fBASIC、第一本地信号LO1的第一频率f1、以及第二本地信号LO2的第二频率f2都不同于输入信号VIN的输入频率fIN(在混波器300是升频混波器时，则是f1、f2、fBASIC不同于fOUT)，因此，并不会面临本地振荡信号自混合或本地振荡信号泄漏所造成的问题。虽然前述的实施例中的差动电流信号IDIFF也会导致图4中的节点A与节点B产生电压振荡(振荡的频率相等于输入信号VIN的输入频率fIN)，然而由于这两个节点是转导级350的低阻抗点，受差动电流信号IDIFF所导致的电压振荡的幅度并不会太大，故这两个节点上电压微幅振荡所产生的本地振荡信号自混合或本地振荡信号泄漏问题大致上是可以忽略的。
举例来说，假设第一除数N1等于4、第二除数N2等于2、输入信号VIN是输入频率fIN介于1805MHz与1990MHz的射频信号，由于差动电流信号IDIFF的第三频率f3等于[(N1+N2)/N1N2]×fBASIC＝(3/4)×fBASIC，并实质上相同于输入信号VIN的输入频率fIN，故fBASIC的值必须等于(4/3)×fIN，而介于2406.6MHz与2653.3MHz之间。使用4来作为第一除数N1有一个额外的好处，就是很容易就可以一并产生出使用于同相信道(in-phase channel)与正交信道(quadrature channel)中的本地信号。
除了图3中所示使用除法器的架构之外，本发明也可以采用使用乘法器的架构，更明确地说，在使用乘法器的架构中，第一除法器320与第二除法器330分别会被一第二乘法器与一第三乘法器所取代。在符合频率要求的前提下(也即基本频率fBASIC、第一频率f1、以及第二频率f2不同于输入频率fIN或输出频率fOUT，且第三频率f3实质上等于输入频率fIN或输出频率fOUT)，第二乘法器以及第三乘法器将具有基本频率fBASIC的初始本地信号以一第二乘数以及一第三乘数分别为参数作一乘法运算，以分别产生具有第一频率的第一本地信号以及具有第二频率的第二本地信号。第二乘法器的第二乘数以及第三乘法器的第三乘数都可以是整数，举例来说，第二乘数与第三乘数可以分别等于4以及2。
请注意，在图3中，初始本地信号LO0、第一本地信号LO1、以及第二本地信号LO2可以是单端或是差动的信号，转导级350则可以具有单平衡(single balance)或双平衡(double balance)的架构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，都应属于本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种频率转换装置，用来将具有一输入频率的输入信号转换成具有一输出频率的输出信号，其特征在于，该频率转换装置包含有一第一乘法器，用来将具有一第一频率的第一本地信号乘上具有一第二频率的第二本地信号以产生具有一第三频率的差动电流信号，该差动电流信号包含一第一单端电流与一第二单端电流，所述第三频率实质上等于所述输入频率或所述输出频率，所述第一频率以及所述第二频率则不同于所述输入频率或所述输出频率；以及一转导级，电连接于所述第一乘法器，用来根据所述差动电流信号将具有所述输入频率的所述输入信号转换为具有所述输出频率的所述输出信号。
2.如权利要求1所述的频率转换装置，其特征在于另包含有一本地振荡器，用来产生具有一基本频率的初始本地信号；一第一除法器，电连接于所述本地振荡器与所述第一乘法器，用来将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第一除数为参数作一除法运算，以产生具有所述第一频率的第一本地信号；以及一第二除法器，电连接于所述本地振荡器与所述第一乘法器，用来将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第二除数为参数作一除法运算，以产生具有所述第二频率的第二本地信号。
3.如权利要求2所述的频率转换装置，其特征在于，所述第一除数以及所述第二除数为整数。
4.如权利要求2所述的频率转换装置，其特征在于，所述第一除数等于4，所述第二除数等于2。
5.如权利要求2所述的频率转换装置，其特征在于，所述初始本地信号、第一本地信号、以及第二本地信号为电压信号；所述基本频率、第一频率、以及第二频率为不同于所述输入频率或所述输出频率。
6.如权利要求1所述的频率转换装置，其特征在于另包含有一本地振荡器，用来产生具有一基本频率的初始本地信号；一第二乘法器，电连接于所述本地振荡器与所述第一乘法器，用来将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第二乘数为参数作一乘法运算，以产生具有所述第一频率的第一本地信号；以及一第三乘法器，电连接于所述本地振荡器与所述第一乘法器，用来将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第三乘数为参数作一乘法运算，以产生具有所述第二频率的第二本地信号。
7.如权利要求6所述的频率转换装置，其特征在于，所述第二乘数以及所述第三乘数为整数。
8.如权利要求6所述的频率转换装置，其特征在于，所述第二乘数等于4，所述第三乘数等于2。
9.如权利要求6所述的频率转换装置，其特征在于，所述初始本地信号、第一本地信号、以及第二本地信号为电压信号；所述基本频率、第一频率、以及第二频率为不同于所述输入频率或所述输出频率。
10.如权利要求1所述的频率转换装置，其特征在于另包含有一滤波器，电连接于所述第一乘法器与所述转导级之间，用来滤除所述差动电流信号中非期望的频率成分。
11.如权利要求1所述的频率转换装置，其特征在于，所述输入信号以及所述输出信号为差动信号，所述输入差动信号包含一第一输入端电压与一第二输入端电压，所述输出差动信号包含一第一输出端电压与一第二输出端电压，所述转导级包含有一第一晶体管对，电连接于所述第一乘法器，用来依据所述第一输入端电压以及所述差动电流信号中的所述第一单端电流，来产生所述输出信号中的第一输出端电压；以及一第二晶体管对，电连接于所述第一乘法器，用来依据所述第二输入端电压以及所述差动电流信号中的所述第二单端电流，来产生所述输出信号中的第二输出端电压。
12.一种频率转换方法，用来将具有一输入频率的输入信号转换成具有一输出频率的输出信号，其特征在于，该方法包含有将具有一第一频率的第一本地信号乘上具有一第二频率的第二本地信号以产生具有一第三频率的差动电流信号，其中所述第三频率实质上等于所述输入频率或所述输出频率，所述第一频率以及所述第二频率则不同于所述输入频率或所述输出频率；以及根据所述差动电流信号将具有所述输入频率的所述输入信号转换为具有所述输出频率的所述输出信号。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于另包含有产生具有一基本频率的初始本地信号；将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第一除数为参数作一除法运算，以产生具有所述第一频率的第一本地信号；以及将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第二除数为参数作一除法运算，以产生具有所述第二频率的第二本地信号。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一除数以及所述第二除数为整数。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一除数等于4，所述第二除数等于2。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述初始本地信号、第一本地信号、以及第二本地信号为电压信号；所述基本频率、第一频率、以及第二频率不同于所述输入频率或所述输出频率。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于另包含有产生具有一基本频率的初始本地信号；将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第二乘数为参数作一乘法运算，以产生具有所述第一频率的第一本地信号；以及将具有所述基本频率的所述初始本地信号以一第三乘数为参数作一乘法运算，以产生具有所述第二频率的第二本地信号。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二乘数以及所述第三乘数为整数。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第二乘数等于4，所述第三乘数等于2。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述初始本地信号、第一本地信号、以及第二本地信号为电压信号；所述基本频率、第一频率、以及第二频率不同于所述输入频率或所述输出频率。
21.如权利要求12所述的方法，其特征在于另包含有在接收该差动电流信号之前，滤除所述差动电流信号中非期望的频率成分。
全文摘要
一种频率转换装置及其方法，使用于直接转换收发器中，用来将具有一输入频率的输入信号转换成具有一输出频率的输出信号。该频率转换装置包含有一第一乘法器以及一转导级。该第一乘法器用来将具有一第一频率的第一本地信号乘上具有一第二频率的第二本地信号以产生具有一第三频率的差动电流信号，其中所述第三频率实质上等于所述输入频率或所述输出频率，所述第一频率以及所述第二频率则不同于所述输入频率或所述输出频率。所述转导级电连接于所述第一乘法器，用来根据所述差动电流信号将具有所述输入频率的所述输入信号转换为具有所述输出频率的所述输出信号。通过本发明，可以降低本地振荡信号自混合或本地振荡信号泄漏所造成的问题。
文档编号H04B1/26GK1801601SQ200610000460
公开日2006年7月12日 申请日期2006年1月5日 优先权日2005年1月6日
发明者屈庆勋, 邓光铠 申请人:联发科技股份有限公司