接收机、收发机以及接收方法

专利名称：接收机、收发机以及接收方法
技术领域：
本发明涉及接收机与收发机中的滤波，尤其涉及射频RF接收机与 收发机中的滤波。
背景技术：
通信系统中的接收机在保持其自身性能的同时必须容许高阻塞信 号。阻塞信号可能源自附近的外部发射机和千扰。当涉及到收发机时， 阻塞信号的成因可能是同 一 收发机的发射机发射与接收机接收在同一 时间进行。发射机的高输出功率可能会给接收非常低电平的信号的接收 机带来问题。
为了避免这些阻塞效应，在收发机中采用双工滤波器以使发射机与 接收机支路彼此隔离。更进一步地，接收才几的前端包括各种各样的滤波 器以滤除带外阻塞和干扰。
这些滤波器的使用给收发机和接收机的设计者带来了许多困难。双 工滤波器复杂、昂贵并增加了生产成本。
截至目前，接收机前端滤波器已经通过SAW (表面声波)或BAW (体声波)滤波器或其他谐振器实现。这些组件不但昂贵，难以通过标 准的CMOS或BiCMOS处理集成，而且还要求大的PWB(印刷配线一反) 面积。这些滤波器也降低了模块化的可能性且增加了 RFIC(射频集成 电路)中的1/0(输入/输出)的数量从而增加了它们的复杂度。而且，当 考虑接收机的总噪声指数和它可以达到的灵敏度时，接收机前端的插入 损耗很显著。
特别地，在蜂窝通信系统中，终端设备必须支持若干种不同频带。 这种终端设备可以被称为多频带收发机。普遍地，多频带收发机需要使 用特定频带的滤波器。由于需要开关以通过正确的滤波器将信号耦接至天线以及接收机，特定频带滤波器的设计也很复杂。

发明内容
本发明的 一个目的是提供一种用于在接收机和收发机中滤波的改 进方案。根据本发明的一个方面，提供一种收发机中的接收方法，该方
法包括利用天线接收信号，对该天线接收到的该信号执行移相，该移
相将位于移相器一端的高阻抗转换为移相器另 一端的低阻抗，反之亦 然，在放大器中放大经过移相的信号，在阻抗电路中，在与收发机的本 地振荡器频率相关的频率上形成阻抗，以及在该放大器的输入端，将该 阻抗切换到射频频率。
根据本发明的另 一 个方面，提供 一种通信系统中收发机的接收方
法，该方法包括利用天线接收信号，在;^大器中;^文大经过移相的该信 号，在阻抗电路中，在与收发机本地振荡器频率相关的频率上形成阻抗， 以及在该放大器的输入端，将该阻抗切换到射频频率。
根据本发明的另一个方面，提供一种接收机包括用于接收射频信 号的天线装置，本地振荡器，用于放大所接收到的信号的放大装置，连 接于天线装置和放大器之间的移相装置，该移相装置将位于移相器一端 的高阻抗转换为移相器另一端的低阻抗，反之亦然，用于在与本地振荡 器频率相关的频率上形成阻抗的阻抗电路装置，以及用于在该放大装置 的输入端将该阻抗电路装置的阻抗切换到射频频率的切换装置。
根据本发明的另一个方面，提供一种收发机包括用于接收和发射 射频信号的天线装置，至少一个本地振荡器，与该天线装置相连接的发 射机和接收机，该接收机包括用于放大所接收到的信号的放大装置，连 接于天线装置和放大器之间的移相装置，该移相装置将位于移相器一端 的高阻抗转换为移相器另一端的低阻抗，反之亦然，用于在与本地振荡 器频率相关的频率上形成阻抗的阻抗电路装置，以及用于在该放大装置 输入端将该阻抗电路装置的阻抗切换到射频频率的切换装置。
根据本发明的另一个方面，提供一种接收机包括用于接收射频信 号的天线，本地振荡器，用于放大所接收到的信号的放大器，连接于该天线和该放大器之间的移相器，该移相器将位于移相器一端的高阻抗转 换为位于移相器另一端的低阻抗，反之亦然，以及滤波器，该滤波器的 频率响应由与本地振荡器频率相关的频率所确定，该滤波器包括将频率 响应转换到射频的切换布置。
根据本发明的又一方面，提供一种集成电路包括接收射频信号的
信号的时钟输入，用于放大所接收到的信号的放大器，用于在该时钟输 入处的信号的频率上形成阻抗的阻抗电路，以及用于在该放大器输入端 将该阻抗电路的阻抗切换到射频频率的切换布置。
本发明的实施例提供了诸多优点。所提出的滤波布置可以在接收机
或收发机的RFIC上实现。无需昂贵庞大的外部滤波器。这样一来，与 现有技术方案相比，滤波器的尺寸和成本都能实现显著降低。此外，滤 波器的频率响应也优于现有的技术方案。例如，接收机的宽带低噪声放 大器输入能够高选择性地实现。插入损耗与采用外部滤波器相比也有显
著降低。
所提出的滤波布置的设计简单，且能够在最小限度的改变下配置成 适用于不同的频带。使用时，频带的改变可以通过软件实现。


下文中，将参照实施例和附图对本发明进行进一步详述。附图中 图1示出其中可采用本发明实施例的一个通信系统的示例； 图2A至2C示出能够可以采用本发明实施例的收发机前端的多个 示例；
图3示出带通滤波器的一个示例； 图4A至4C示出滤波器的多个示例； 图5示出带通滤波器的另一个示例； 图6示出低噪声放大器的一个示例；以及 图7示出集成电路的示例。
具体实施例方式
参照图1 ,考察其中可以采用本发明实施例的 一个通信系统的示例。
图1示出了与终端设备102， 104, 106及108相连的基站100。终端设 备102和108也可以与另 一个基站110相连接。基站100和终端设备102, 104， 106及108都包括射频RF收发机。本发明的实施例在基站和终端 设备中皆可适用。
采用本发明实施例的通信系统可以适用不同的多址接入方法。例 如，该系统可以使用CDMA(码分多址)、WCDMA (宽带码分多址) 或TDMA(时分多址)。所使用的接入方法与本发明的实施例无关。系 统内不同的连接方式可能会互相干扰。
而且，每个收发机的发射机和接收机可能是相互之间的阻塞信号的 成因。本发明的实施例不局限于通信系统的收发机或接收机，它可以应 用于任何收发机和接收机，特别是任何射频收发机和射频接收机。
图2A和2B示出了可应用本发明实施例的收发机的前端的示例。 该收发机包括连接到发射机202和接收机204的天线200。发射机202 的前端包括功率放大器206以及位于天线与放大器之间的外部滤波器 208。该滤波器可以是SAW或BAW滤波器，其阻断由接收机204接收 到的信号以防止该信号到达发射机202的功率放大器206。也可以使用 其它的滤波器布置。功率放大器可以采用本领域技术人员所熟知的方式 来实现。
在图2A的示例中，接收机204的前端包括连接于天线的移相器 210,依次串联于其后的内部带通滤波器212和低噪声放大器214。在图 2B的示例中，带通滤波器212与低噪声放大器214并联。下文中，将 给出使用串联连接方式的实施例。当然，本领域技术人员可以知晓，各 个方案也可以采用并联连接。低噪声放大器可以采用本领域技术人员所 熟知的方式来实现。
接收机204还包括本地振荡器216和控制接收机操作的控制单元 218。该控制单元可以采用处理器和相关软件来实现或采用分立逻辑电 路来实现。该本地振荡器为接收机的多个单元(例如滤波器212)生成时钟信号220。
内部带通滤波器212在低噪声放大器214的输入端生成阻抗。在接 收机使用的频带上，带通滤波器212产生一个通带响应，该通带响应具 有非常好的频率特性。在接收机所希望的频带之外，放大器输入端的阻 抗非常低。选择移相器以使得它在天线一侧将这一阻抗转换为一个非常 高的值。因此，在所希望的频带以外，功率不能进入接收机而是被反射 回天线。移相器可以通过例如V4变换器来实现。例如，其可以是所接 收到的信号的波长的1/4的同轴线。移相器也可以采用5/4X变换器、RC 或RLC器件或其他被本领域技术人员所熟知的具有合适移相性能的移 相器来实现。
在接收机使用的频带上，该带通滤波器212生成一个具有窄通带和 非常陡的波形的频率响应。
图3示出带通滤波器212的一个示例。该滤波器包括一个电阻为R
的电阻器300以及四个并联的电容302、 304、 306和308。上述电容的
电容量分别为Cl、 C2、 C3、 C4。每个电容被分别设置在开关310、 312、
314和316之后。控制这些开关以交替切换四个并联电容，使得每个电
容占用时间周期的25%。电容开关310、 312、 314和316的切换频率与
本地振荡器的频率相关。如果输入射频频率与电容开关310、 312、 314
和316的切换频率不同，电容便利用频率差进行充电并产生一个具有如
下角频率的带通滤波器响应 l
这里C=C1+C2+C3+C4。
带通滤波器210在图4A、 4B和4C中被进一步示出，这些图给出 了除了别的之外，滤波器210的简化示意图。图4A、 4B及4C的实施 例中采用MOSFET (金属氧化物半导体场效应管)作为开关。
在图4A示出的本发明的一个实施例中，该滤波器包括MOSFET开 关400，该开关利用信号404和406在开与关的状态之间切换。信号404 与406的频率与LO (本地振荡器)信号相关。该滤波器进一步包括与 开关400相连的电容C 402。随着MOSFET 400在开和关状态之间切换，电容也在作为MOSFET的输入的RF-P端口和RF-M端口间被切换。参 见图2B，端口 RF-P和RF-M是低噪声放大器的输入信号。该放大器具 有差分输入。电阻R是移相器的输出电阻。需要注意的是，电阻R可 以是形如(Z=a+bj)欧姆的普通阻抗。因此，它无须是纯电阻。这里为 简单起见采用R来描述。
在本发明的一个实施例中，信号404与406的频率并不与本地振荡 器的频率完全相同但是由本地振荡器的频率派生而来。
如果端口 RF-P和RF-M的输入射频信号的频率与信号404、 406的 频率不同，那么电容C402便会利用频率为射频频率与信号404、 406 频率之差的信号进行充电。驱动阻抗为电阻器R300的阻抗R。于是， 结果变成在频率凡。+尸wc处阻抗滤波，这里K。是本振信号的频率， 是电阻器R300和电容C402的角频率(即1/2兀RC)。
这表明，滤波器210是一个通带角频率(也叫-3dB频率或半功率频 率)分另'J为Fi0 + 禾口尸w — 的带通滤;;皮器。
由于衰减作为对应于低频的RC常量的函数增加，该滤波器210的 波形非常陡峭。我们研究一个示例。如果LO频率是2GHz， RC时间常 数等于2MHz，那么频率为2.002GHz的信号衰减3dB。如果标准RC-3dB 点在该频率，则在大约20.002GHz (即偏离一个数量级)的频率处将达 到20dB衰减。采用阻抗转移滤波器210后，将在2.020GHz (即偏离 RC频率2MHz —个数量级)处达到20dB衰减。于是，低频率(由RC 常数定义)被搬移到射频频率。这是在现有技术解决方案上的一个重要 改进。
因此，在本发明的一个实施例中，滤波器包括用于在派生自本地振 荡器频率的一个频率上形成阻抗的装置以及用于将阻抗切换到该频率 的开关。
需要注意的是，采用本发明所描述的方法，可以将其他阻抗转换到 更高频的滤波。在图4A所示的实施例中，电容402^R用作滤波器210 中的阻抗。然而，任意的阻抗Z可以用来取代该电容。图4A中的电容 402可以被例如LC谐振器替代或者电容与放大器的组合替代。在偏离本振频率仅900kHz必须具有高阻塞容许能力的CDMA2000手机中，LC 谐振器产生的阻抗尤为值得关注。图4B和4C示范了 LC谐振器的情形。
在图4B给出的示例中，电感L 408被加入与电容C 402串联(与 图4A相比较)，且滤波器的中心频率(或者参考频率)由K。-Ac或 Fio + Flc給出，这里Fw是提供给滤波器210的本地振荡器频率404、 406， ^c是由^c-l/sWZ^给出的LC谐振频率。^c可以低到例如900 kHz。在这种情况下，作为结果的滤波器的中心频率可以是凡。-900^fe 或凡。+ 90(^他(举例来说，这在CDMA2000中是重要的)。
此外，根据图4C给出的一个实施例，电感L 410被加入与具有由 & =1/2^^给出的LC谐振频率尸^的电容C 402并联(与图4A相比 较)。注意到，对于中心频率为K。 +凡c与F^-7^的谐振曲线，通带的
角频率(-3dB频率)取决于电感L410 (除了是电阻器R300和电容器 C402的函数之外)。因此，如果电感L410和电容器C402并联i文置，
那么在谐振频率Fw + Ac与凡。-周围就会有窄的通带，这里 F/r =1/2WZ^
电感408或410可以由例如带有运算^:大器(其才莫拟电感)的电容 而产生，或者采用通过生成随二阶滤波器响应幅度递降的阻抗的方式而 提供的二阶(或者更高 阶)滤波器而产生，从而得到低面积、高性能的
滤波器系统。
上述滤波器210的结构有许多变化形式。这里注意到，根据本发明， 典型地在图4A、 4B和4C的示例中所采用的NMOS开关，可以采用其 它形式。而且，滤波器210也不必非连接在低噪声放大器输入端不可。 同样的效果，即带通阻抗也可以通过将滤波器210连接到接收机的其他 部分来实现。例如，该滤波器可以连接到放大器的输出端。另外，该滤 波器也可连接到低噪声放大器的偏置端口。另外，很容易理解，本发明 所描述的技术可以提供宽范围的LC谐振频率，以及从阻抗到射频滤波 的转换。更进一步地，上述附图中呈现的示例使用差分(即，有正和负) 信号，但本发明的方法也可以应用在仅有一条信号线路的单端系统中。
信号404与406的频率与LO (本地振荡器)信号相关。该频率可以由本地振荡器信号的频率派生而来，也可以被锁定在本地振荡器的信 号频率上。该信号可以由本地振荡器生成，也可以由一个独立的振荡器生成。
参照图2C中的示例，收发机中的接收机204和发射机202可以包 括独立的本地振荡器216和222。信号404和406既可以由发射机的振 荡器生成，也可以由接收机的振荡器生成，还可以由独立的振荡器224 生成。用来生成信号的振荡器可以被锁定至本地振荡器。
图5示出了带通滤波器210的一个更完整的示例。在图5的示例中， 该滤波器包括各自独立的I-分支500和Q-分支502。和图4A中一样由 信号RF-P和RF-M作为输入。在这个实施例中，有四个由本地振荡信 号派生出的信号。在滤波器的I-分支500上，有K。-"404A和 Fw —im406A。在滤波器的Q-分支502上，有^。-。M04B和^。-，406B。 凡。—"和凡。-e尸的相位差为90度，类似地，凡。-iM和尸i。-,的相位差亦 为90度。—"和FLo-^的相位差为iso度，&。 —^和Fl。 —eM的相位差 亦为180度。
图6示出了低噪声放大器214的简化示例。该示例是一个典型的差 分双极LNA。需要注意的是，为方便起见，偏置连接被省略了。
图6中的放大器包括并采用了一个差分晶体管对600。该放大器包 括分别与晶体管603、 605的基极相连接的输入端口 ^>w-p602和
—m604，以及输出端口 ^^"r —m606和^^"r —p608。图6中，电感 丄①1610为LNA输出的电容性部分(即，经放大后的射频信号606与 608 )提供补偿。该电容性部分包括电容Ccm612。于是，电容量经电感
接近于0，且与由电阻614决定的所述经放大的射频信号22的电阻分量 相比可以忽略不计。发射极电感616净皮用来改善放大器的输入匹配。 图5中滤波器210的端口 RF-P和RF-M可以分别与输入端口 —〃602和W々w —m604相连接。当RF信号接近由本地振荡器频率派 生的频率时，滤波器210被供以高阻抗。于是，它允许信号进入放大器。 当RF信号偏离由本地振荡器频率派生的频率(例如在抑制频带上)时，滤波器210将放大器输入短路到接地电势。
通过控制由本地振荡器派生的频率，可以调整滤波器210通带的中
心频率。于是，可以在不同的频带下使用同一个滤波器，从而避免了在 接收机中使用具有若干个开关的固定频率的特定频带滤波器。参照图
2A和2B，接收机的控制单元218控制滤波器210、本地振荡器以及由 本地振荡器派生出的频率。
在一个实施例中，本发明的诸多方面被应用在收发机或接收机用的 集成电路中。该集成电路可以是实现收发机或接收机的射频单元的收发 机或接收机的RFIC (射频集成电路)。参照图7，该集成电路(IC) 700 可以包括从天线(未示出)接收射频信号的输入端口 702以及输出端口 704。该IC可以包括至少一个用于接收时钟信号的时钟输入706、 708。 时钟信号可以由收发机或接收机的本地振荡器来提供。生成时钟输入的 振荡器同样可以被集成在同一集成电路700中。时钟信号可以具有与本 地振荡器频率相关的频率。
在一个实施例中，该IC包括两个时钟输入706、 708, —个用于本 地振荡器信号，另一个用于具有由本地振荡器所提供的信号的频率相关 的频率的信号。该IC可以包括用于放大所接收到的信号的放大器214, 用于在时钟输入信号频率上形成阻抗的阻抗电3各710，以及用于在》文大 器输入端将阻抗电路的阻抗切换到射频的切换布置712。该集成电路可 以进一步包括连接在输入端口和放大器之间的移相器210,该移相器将 位于其一端的高阻抗转化为位于其另一端的低阻抗，反之亦然。
本发明具有很多变化形式。例如，在发射与接收不同时进行的系统 (例如GSM系统)中，移相器可以由位于天线与发射机和接收机之间 的传统开关代替。
在 一 个实施例中，本发明被应用在支持若干频带的多频带收发机 中。该收发机可以包括不止一个本地振荡器以及不止一个低噪声放大 器。当收发机在给定频带上进行发射和接收时，给定频带的本地振荡器 和低噪声放大器被使用和切换到滤波器210。切换可以在收发机的控制 单元218的控制下执行。虽然参考根据附图的示例已经描述了本发明，但很清楚，本发明并
不局限于上述情形，可以在本发明所附权利要求的范围内对其进行各种 方式的变形。
权利要求
1. 一种收发机的接收方法，该方法包括利用天线接收信号，对利用所述天线接收的信号执行移相，所述移相将位于移相器一端的高阻抗转化为位于移相器另一端的低阻抗，反之亦然；在放大器中对经过移相的信号进行放大；在阻抗电路中，在与所述收发机的本地振荡器频率相关的频率上形成阻抗；以及在放大器的输入端，将上述阻抗切换到射频频率。
2. 如权利要求1所述的方法，进一步包括利用具有与所述收发 机的本地振荡器频率相关的频率的信号来控制切换。
3. 如权利要求1所述的方法，进一步包括利用A/4波导来实现 移相装置。
4. 如权利要求l所述的方法，进一步包括利用RC或RLC元件 来实现移相装置。
5. 如权利要求1所述的方法，进一步包括通过调整与收发机的 本地振荡器频率相关的频率来控制滤波器通带的中心频率。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述与本地振荡器频率相关的 频率是由本地振荡器的频率派生而来的。
7. 如权利要求1所述的方法，其中所述与本地振荡器频率相关的 频率被锁定到本地振荡器的频率。
8. —种通信系统中收发机的接收方法，该方法包括利用天线接收信号，在放大器中放大经过移相的所述信号； 在阻抗电路中，在与所述收发机的本地振荡器频率相关的频率上形 成阻抗；以及在放大器的输入端，将上述阻抗切换到射频频率。
9. 一种接收机，包括用于接收射频信号的天线装置；本地振荡器；用于放大所接收的信号的放大装置；连接在天线装置和放大器之间的移相装置，所述移相装置将位于其 一端的高阻抗转换为位于其另一端的低阻抗，反之亦然；用于在与本地振荡器频率相关的频率上形成阻抗的阻抗电路装置；以及用于在所述放大装置的输入端将所述阻抗电路装置的阻抗切换到 射频频率的切换装置。
10. 如权利要求9所述的接收机，其中切换装置由具有与所述接收 机的本地振荡器频率相关的频率的信号来控制。
11. 如权利要求9所述的接收机，其中当射频信号的频率相对于由 接收机的本地振荡器频率派生而来的频率偏移超过预定通带宽度时，所 述阻抗电路装置和切换装置将放大装置的输入端短路。
12. 如权利要求9所述的接收机，其中当射频信号的频率相对于由 接收机的本地振荡器频率派生而来的频率偏移少于预定通带宽度时，所 述阻抗电路装置和切换装置在所述放大装置的输入端产生一个高阻抗。
13. 如权利要求9所述的接收机，其中所述阻抗电路装置和切换装 置连接于所述移相装置和所述放大装置之间。
14. 如权利要求9所述的接收机，其中所述与本地振荡器相关的频 率是由本地振荡器频率派生而来的。
15. 如权利要求9所述的接收机，其中所述与本地振荡器相关的频 率被锁定到本地振荡器的频率。
16. 如权利要求9所述的接收机，进一步包括用于生成与所述本地 振荡器频率相关的频率的生成装置。
17. —种收发机，包括用于接收和发射射频信号的天线装置，至少一个本地振荡器，与所 述天线装置相连接的发射机与接收机，该接收机包括 用于放大接收到的信号的放大装置；连接于所述天线装置和放大装置之间的移相装置，该移相装置将位于移相器一端的高阻抗转化为位于移相器另一端的低阻抗，反之亦然；用于在与本地振荡器频率相关的频率上形成阻抗的阻抗电路装置； 以及用于在所述放大装置的输入端将所述阻抗电路的阻抗切换到射频 频率的切换装置。
18. 如权利要求17所述的收发机，其中，所述与本地振荡器频率 相关的频率是由本地振荡器频率派生而来的。
19. 如权利要求17所述的收发机，其中，所述与本地振荡器相关 的频率被锁定到本地振荡器的频率。
20. 如权利要求17所述的收发机，进一步包括用于生成所述与本 地振荡器频率相关的频率的生成装置。
21. —种接收才几，包括 用于接收射频信号的天线； 本地振荡器；用于放大所接收到的信号的放大器；连接于所述天线和所述放大器之间的移相器，该移相器将位于移相 器一端的高阻抗转化为位于移相器另一端的低阻抗，反之亦然；以及滤波器，该滤波器的频率响应由与本地振荡器频率相关的频率所确 定，该滤波器包括将频率响应切换到射频的切换布置。
22. —种集成电路，包括接收射频信号的输入端口 ，至少一个用于接收时钟信号的时钟输 入，所述时钟信号具有与本地振荡器频率相关的频率； 用于放大所接收到的信号的放大器；用于在所述时钟输入的信号频率上生成阻抗的阻抗电路；以及 用于在所述放大器的输入端将所述阻抗电路的阻抗切换到射频的 切换布置。
23. 如权利要求22所述的集成电路，进一步包括 连接于所述输入端口和放大器之间的移相器，该移相器将位于移相器一端的高阻抗转化为位于移相器另 一端的低阻抗，反之亦然。
全文摘要
本发明提供一种接收方法、收发机以及接收机。该接收机包括用于接收射频信号的天线(200)，本地振荡器(216)，用于放大所接收到的信号的放大器(214)，以及连接于该天线(200)和该放大器(214)之间的移相器(210)，该移相器将位于移相器一端的高阻抗转化为位于移相器另一端的低阻抗，反之亦然。该接收机进一步包括滤波器(212)，该滤波器的频率响应由与本地振荡器频率相关的频率所决定，该滤波器包含将频率响应转换到射频的切换布置。
文档编号H04B1/40GK101432978SQ200780015584
公开日2009年5月13日 申请日期2007年3月14日 优先权日2006年3月17日
发明者S·维尔奥南 申请人:诺基亚公司