用于宽带正交信号生成的电路和系统的制作方法

相关申请

本申请要求2017年6月23日提交的美国实用新型专利申请第15/632,093号的优先权，其内容整体以引用方式并入本文中以用于所有目的。

本发明总体上涉及信号传输系统，并且更具体地涉及用于宽带正交信号生成的电路和系统。

背景技术：

诸如4glte宏基站所使用的发射机之类的发射机通常包括正交调制器和可变增益放大器。发射机通常使用两个具有相同频率但彼此异相90度的正弦波本地振荡器(lo)信号对正交基带信号进行上变频。发射机通过在余弦波载波上调制一个数据通道(带内或i数据)并在正弦波载波上调制另一个数据通道(正交或q数据)来实现此目的，两个载波都设置为相同的频率。然后将两个调制的载波信号加在一起以形成经由天线发射的复合信号。现代接收机能够分离这些正交载波上的信号，并将i数据与q数据分离。

这种类型的发射机被称为单边带发射机，因为通过以这种方式混合正交基带信号和正交lo信号来抑制图像边带。另外，通过使用这些数学技术而不是滤波，可以在同一带宽内传输两个数据通道，从而使频谱效率提高一倍。

由于调制过程中的缺陷，由发射机生成的复合信号通常包括期望的边带和不期望的图像边带。为了减少图像边带的影响(即，具有更高的图像抑制)，期望生成正交lo信号，以使它们具有良好的幅度平衡(即，它们具有近似相同的幅度)和良好的相位平衡(即，相分离约90度)。然而，这并不总是易事，特别是对于宽带系统而言，其中支持广泛的lo频率，例如4glte。

因此，通过生成具有良好幅度和相位平衡的各个lo信号来改善正交信号的产生将是有利的。

技术实现要素：

根据示例性实施例，一种用于生成正交本地振荡器(lo)信号的电路包括：频率合成器，生成第一lo信号；多相滤波器，耦接以接收第一lo信号并生成第一同相lo信号和第一正交lo信号；分频器，耦接以接收第一lo信号并生成第二同相lo信号和第二正交lo信号；以及lo信号选择器，用于基于输出同相lo信号或输出正交lo信号的期望的输出频率，选择第一同相lo信号或第二同相lo信号作为输出同相lo信号，以及选择第一正交lo信号或第二正交lo信号作为输出正交lo信号。

根据另一示例性实施例，一种生成正交本地振荡器(lo)信号的方法包括：生成第一lo信号；使用多相滤波器和第一lo信号，生成第一同相lo信号和第一正交信号lo信号；使用分频器和第一lo信号，生成第二同相lo信号和第二正交lo信号；并且基于输出同相lo信号或输出正交lo信号的期望的输出频率，选择第一同相lo信号或第二同相lo信号作为输出同相lo信号，以及选择第一正交lo信号或第二正交lo信号作为输出正交lo信号。

根据另一示例性实施例，一种正交调制器包括：正交本地振荡器(lo)发生器，用于生成同相lo信号和正交lo信号，该同相lo信号和正交lo信号具有期望频率；第一混频器，使用i_bb信号调制同相lo信号；第二混频器，使用第二数据信号调制正交lo信号；以及求和器，用于将调制后的同相载波信号和调制后的正交载波信号组合以形成复合信号。当期望频率高于频率阈值时，lo发生器使用多相滤波器生成同相lo信号和正交lo信号，并且当期望频率处于或低于频率阈值时，使用分频器生成同相lo信号和正交lo信号。当期望频率在发射机的操作频率范围内时，同相lo信号和正交lo信号具有大约相同的幅度和大约90度的相移。

附图说明

图1是根据一些实施例的正交调制发送和接收系统的简化图。

图2是根据一些实施例的正交lo发生器的简化图。

图3是根据一些实施例的分频器的简化图。

图4是根据一些实施例的多相滤波器的简化图。

图5是根据一些实施例的另一正交lo发生器的简化图。

具体实施方式

在下面的描述中，参考了附图，在附图中通过说明的方式示出了本发明的特定实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行改变。以下的具体实施方式不应被视为限制性的，并且本发明的范围仅由所附权利要求限定。

此外，除非另有说明，否则示出和描述的具体实施方式仅是示例，并且不应被解释为将本发明内容实现或划分为功能元件的唯一方式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，本发明的各种实施例可以通过许多其他划分方案来实践。另外，为了避免不必要的重复，除非另外特别说明或者如果一个或多个特征会使实施例不起作用，否则与一个实施例相关联示出和描述的一个或多个特征可以结合到其他实施例中。

在下面的描述中，可以以方框图的形式示出元件、电路和功能，以免在不必要的细节上模糊本发明。另外，方框定义和各个方框之间的电路划分是特定实现方式的示例。对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，可以通过许多其他划分方案来实践本发明。本领域普通技术人员将理解，可以使用多种不同技术和技艺中的任何一种来表示信息和信号。例如，在以上整个说明书中可能引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或它们的任何组合表示。为了清楚呈现和描述，一些附图可以将信号示出为单个信号。本领域普通技术人员将理解，信号可以表示信号总线，其中总线可以具有各种位宽，并且本发明可以在包括单个数据信号的任何数量的数据信号上实现。

结合本文公开的实施例描述的各种说明性电路可以用设计成执行本文所述功能的专用设备、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、分立硬件组件或其任何组合来实现或执行。

应理解，本文中使用诸如“第一”、“第二”等的名称对元件的任何引用均不限制那些元件的数量或顺序，除非明确说明了这种限制。更明确而言，这些指定在本文中可以用作区分两个或更多个元件或元件实例的便利方法。因此，对第一和第二元件的引用并不意味着可以仅使用两个元件，或者第一元件必须以某种方式在第二元件之前。另外，除非另有说明，否则一组元件可以包括一个或多个元件。

图1是根据一些实施例的正交调制发送和接收系统100的简化图。如图1中所示，正交调制发送和接收系统100包括经由传输介质120耦接到接收机130的发射机110。在一些实施例中，传输介质120可以是无线的和/或包括一个或多个导体和/或一个或多个波导。尽管未示出，但是在一些示例中，发射机110可以是较大的发送单元的一部分，并且接收机130可以是较大的接收机单元的一部分。

发射机110被设计成接收两个正交基带信号i_bb和q_bb，并生成复合信号以供发射。正交lo发生器111以期望的lo频率生成同相(i)和正交(q)lo信号。同相和正交lo信号通常是期望lo频率下的正弦波，并具有相同的幅度和90度的相位差。

数据信号i_bb和同相lo信号被传递到混频器112。混频器112将数据信号i_bb上变频为同相lo信号。然后将所得调制后的同相信号传递到求和器114。在一些示例中，混频器112可以是信号乘法器。

类似地，数据信号q_bb和正交lo信号被传递到混频器113。混频器113将数据信号q_bb上变频为正交lo信号。然后将所得调制后的正交信号传递到求和器114。在一些示例中，混频器113可以是信号乘法器。

求和器114将调制后的同相信号和调制后的正交信号相加，以形成经由天线发射的复合信号。由于正交lo信号的缺陷，复合信号通常包括期望的边带分量和不期望的图像分量。为了在接收机处可接受地恢复i_bb和q_bb数据信号，不期望的图像必须足够低以满足频谱掩模规范。

在接收机130处，将复合信号发送到相位检测器131以及混频器133和135。相位检测器131检查复合信号并生成相位参考，该相位参考可用于使由正交lo发生器111在发射机110中生成的同相和正交lo信号以及由正交lo发生器132在接收机130中生成的同相和正交lo信号的相位同步。这种同步解决了发射机110、传输介质120和/或接收机130引入的任何相移。在一些实施例中，相位检测器131还可以包括频率偏移，以解决由于发射机110和接收机130之间的相对运动引起的多普勒频移。

正交lo发生器132生成具有期望频率的同相(i)和正交(q)lo信号，并由相位检测器131提供同步的相移。同相和正交lo信号通常是期望频率的正弦波，并具有相同的幅度和90度的相位差。

由正交lo发生器132提供的同相lo信号被传递到混频器133，其中它与在接收机130接收的复合信号混合。混频器133通常将接收到的复合信号和同相lo信号相乘并生成i_bb的恢复版本和两倍于期望频率的信号。低通滤波器134去除了两倍于期望频率的信号，留下了同相数据信号的恢复版本i_bb’。

类似地，由正交lo发生器132提供的正交lo信号被传递到混频器135，其中它与在接收机130接收到的复合信号混合。混频器135通常将接收到的复合信号和正交lo信号相乘并生成q_bb的恢复版本和两倍于期望频率的信号。低通滤波器136去除了两倍于期望频率的信号，留下了正交数据信号的恢复版本q_bb’。

理想地，数据信号的恢复版本i_bb’与数据信号的原始版本i_bb相同，并且数据信号的恢复版本q_bb’与数据信号的原始版本q_bb相同。然而，实际上，发射机110的调制和接收机130的解调的缺陷导致数据信号的恢复版本和原始版本之间的差异。

减少由发射机调制生成的图像信号的一种方法是使正交lo发生器111和132生成具有良好幅度平衡和良好相位平衡的同相和正交信号。良好的幅度平衡对应于同相和正交lo信号的幅度保持相等或接近相等。在一些示例中，良好的幅度平衡对应于同相和正交lo信号的幅度彼此在0.3db之内。良好的相位平衡对应于将同相lo信号和正交lo信号之间的相移保持在90度或接近90度。在一些示例中，良好的相位平衡对应于同相lo信号和正交lo信号之间的相位彼此保持在83度和93度之内。当保持良好的幅度和相位平衡时，复合信号包括期望的较强的边带分量和较弱的图像边带分量，从而使图像抑制保持在尽可能高的水平。

因此，正交lo发生器111和132的设计和实现方式在正交发射和接收系统100在接收机130处成功恢复数据信号i_bb和q_bb的能力中起着重要作用。

图2是根据一些实施例的lo正交发生器200的简化图。在一些实施例中，lo正交发生器200可以用于图1中的正交lo发生器111和/或132。如图2中所示，lo正交发生器200包括频率合成器210和同相/正交信号发生器(iq发生器)220。频率合成器210以合适的频率生成本地振荡器(lo)信号。在一些示例中，合适的频率是同相和正交lo信号的期望lo频率的两倍。在一些示例中，频率合成器210可以包括锁相环(pll)或其他类似功能的电路以生成lo信号。lo信号被传递到iq发生器220以生成同相(i)和正交(q)lo信号。iq发生器220可以使用包括分频和多相滤波器在内的几种技术来由lo信号生成同相和正交lo信号。

图3是根据一些实施例的分频器300的简化图。在一些实施例中，分频器300可以用作iq发生器220的一部分。如图3中所示，分频器300接收具有两倍于期望lo频率的频率的输入信号，并且生成期望lo频率的同相(i)lo信号和正交(q)lo信号。

图4是根据一些实施例的多相滤波器400和450的简化图。在一些实施例中，多相滤波器400和/或450可以用作iq发生器220的一部分。如图4中所示，多相滤波器400接收期望lo频率的信号，并围绕多级rc滤波网络构建。n个级(分别经由代表性的级410、420和430所示)中的每一个都包括一组相似互连的四个相同值的电阻器(在级i中示出为ri)和四个电容器(在级i中示出为ci)，但该电阻器值和电容器值在不同级可能有所不同。级410是多相滤波器400的输入级。第一电阻器包括第一端子和第二端子，该第一端子连接到输入信号的第一侧(例如，从生成差分输出的频率合成器(诸如频率合成器210)的一侧)，该第二端子连接到级410的第一输出。第一电容器包括第一端子和第二端子，该第一端子连接到第一电阻器的第一端子，该第二端子连接到级410的第二输出。第二电阻器包括第一端子，该第一端子连接到第二电容器的第一端子。第二电阻器的第二端子连接到第一电容器的第二端子和级410的第二输出。第二电容器的第二端子连接到级410的第三输出。第三电阻器包括第一端子和第二端子，该第一端子连接到输入信号的第二侧，该第二端子连接到第二电容器的第二端子以及级410的第三输出。第三电容器包括第一端子和第二端子，该第一端子连接到第三电阻器的第一端子，该第二端子连接到级410的第四输出。第四电阻器包括第一端子，该第一端子连接到第四电容器的第一端子。第四电阻器的第二端子连接到第三电容器的第二端子和级410的第四输出。第四电容器的第二端子连接到第一电阻器的第二端子和级410的第一输出。

级420的电阻器和电容器之间的互连与级410的互连相似，除了第一电阻器和第一电容器的第一端子是连接到级410的第一输出的级420的第一输入，第二电阻器和第二电容器的第一端子是连接到级410的第二输出的级420的第二输入，第三电阻器和第三电容器的第一端子是连接到级410的第三输出的级420的第三输入，并且第四电阻和第四电容器的第一端子是连接到级410的第四输出的级420的第四输入之外。

多相滤波器400的后续级类似于级420连接，级的第一至第四输入分别与前一级的第一至第四输出连接。最后(第n)级430的第一和第三输出是同相lo信号的差分输出(i+和i-)，而级430的第二和第四输出是正交lo信号不同的输出(q+和q-)。

多相滤波器450类似地接收期望频率的信号，并且包括n个级(经由代表性级460、470和480示出)。多相滤波器450中电阻器和电容器的内部互连与多相滤波器400中电阻器和电容器的内部互连类似。多相滤波器450与多相滤波器400的不同之处在于，输入信号的第一侧连接到第一电阻器、第一电容器、第二电阻器和第二电容器的第一端子，并且输入信号的第二侧连接到第三电阻器、第三电容器、第四电阻器和第四电容器的第一端子。

实际上，分频器300、多相滤波器400和多相滤波器450中的任何一个都不具有足够的灵活性以在可能的宽lo频率范围内并在合理的功耗下支持正交发送和接收系统，例如正交发射和接收系统100。例如，设计为灵活地在0.5ghz至3ghz范围内的lo频率下操作的正交发送和接收系统可能无法仅使用分频器或多相滤波器在如此宽的lo频率范围内有效操作。在一些示例中，分频器300开始在1.15ghz以上，尤其是在2ghz以上呈现差的幅度和相位平衡。并且，尽管通过增加分频器300所使用的功率可以在幅度和相位平衡上进行一些改善，但是实际上频率范围仍然被限制为小于2ghz。

在一些示例中，多相滤波器400和450在高于1ghz的频率下呈现更好的幅度和相位平衡，但是在较低的频率下具有差的幅度和相位平衡。在一些示例中，多相滤波器400还在很宽的频率范围内提供良好的相位平衡，但是具有随着期望的lo频率与级410-430的rc极点频率的偏离而恶化的幅度平衡。在一些示例中，多相滤波器450还可以在很宽的频率范围内提供良好的幅度平衡，但是具有随着期望的lo频率与级460-480的rc极点频率的偏离而恶化的相位平衡。

因此，单独使用分频器或多相滤波器的宽频率范围正交发送和接收系统是不实际的。然而，同时使用分频器和多相滤波器的混合方法能够在整个lo频率范围(诸如0.5hz至3ghz之间的频率)上提供良好的幅度和良好的相位平衡。基于期望的lo频率来选择是使用分频器还是使用多相滤波器来生成同相和正交lo信号。在一些示例中，分频器用于较低的期望lo频率(例如，从0.5ghz直到并包括1.15ghz)，而多相滤波器用于较高的期望lo频率(例如，从1.15ghz直到并包括3ghz)。在一些示例中，混合方法可以具有额外的优点，即为具有良好幅度和相位平衡的同相和正交lo信号的生成提供仅模拟的解决方案。

图5是根据一些实施例的正交lo发生器500的简化图。在一些实施例中，正交lo发生器500可以用于图1中的正交lo发生器111和/或132。如图5中所示，正交lo发生器500包括频率合成器510。类似于频率合成器210，频率合成器510生成适当频率的差分本地振荡器(lo)信号，在图5中示出为差分信号。在一些示例中，基于用于对应发射机或接收机的期望的lo频率来选择频率，并且可以可替代地由操作员、处理器电路(未示出)和/或由频率合成器510的频率选择输入指示的某种其他合适的方法来选择频率。在一些示例中，当使用多相滤波器530生成同相和正交lo信号时，该频率是期望的lo频率，或者当使用分频器540生成同相和正交lo信号时，该频率是期望的lo频率的两倍。在一些示例中，频率合成器510可以包括锁相环(pll)或其他类似功能的电路以生成lo信号。然后将lo信号传递到低通滤波器520和分频器540。

低通滤波器520用于从lo信号中去除较高的谐波。在一些示例中，低通滤波器520的截止频率可以是lo信号的主频率的频率的大约1.5倍。在一些示例中，低通滤波器520可以是第一、第二或更高阶的滤波器。在一些示例中，低通滤波器520可以是无源或有源滤波器。在一些示例中，低通滤波器520可以是椭圆滤波器、巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、柯尔滤波器等。滤波后的lo信号被传递到多相滤波器530。

多相滤波器530接收滤波后的lo信号，并生成差分候选同相(i1)和正交(q1)lo信号。在一些示例中，多相滤波器530与多相滤波器400和/或多相滤波器450一致。然后将i1和q1候选同相和正交lo信号传递到lo信号选择器550。在一些示例中，i1和q1候选同相和正交lo信号适用于更高的频率，诸如1.15ghz或更高的频率。

分频器540接收lo信号并生成差分候选同相(i2)和正交(q2)lo信号。在一些示例中，分频器540与分频器300一致。然后将i2和q2候选同相和正交lo信号传递到lo信号选择器550。在一些示例中，i2和q2候选同相和正交lo信号适用于较低的频率，诸如1.15ghz或以下的频率。

lo信号选择器550用于在i1和q1以及i2和q2候选同相和正交lo信号之间进行选择，以将i和q同相和正交lo信号(例如，作为差分lo信号)提供给正交系统的其他部分。在一些示例中，lo信号选择器550使用还被提供给频率合成器510的频率选择输入来确定正交lo发生器500是在低频还是在高频下操作。在一些示例中，低频可以对应于处于或低于1.15ghz的频率，而高频可以对应于高于1.15ghz的频率。当lo信号选择器550确定正交lo发生器500在高频下操作时，选择i1和q1候选同相和正交lo信号作为分别作为i和q提供的同相和正交lo信号。当lo信号选择器550确定正交lo发生器500在低频下操作时，选择i2和q2候选同相和正交lo信号作为分别作为i和q提供的同相和正交lo信号。在一些示例中，lo信号选择器550可以包括一个或多个多路复用器，用于在候选同相lo信号和正交lo信号之间进行选择。

如上所述，并且在此进一步强调，图5仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在一些实施例中，lo信号选择器550可以包括频率检测器和比较器，其基于一个或多个候选同相和正交lo信号的观测频率确定来自多相滤波器530的同相和正交lo信号(i1和q1)或来自分频器540的同相和正交lo信号(i2和q2)。在一些示例中，使用频率检测器和比较器可以消除lo信号选择器550上的频率选择输入。

在一些实施例中，正交lo发生器500可以在降低功率模式下操作。在一些示例中，降低功率模式可以包括：当正交lo发生器500以低频生成同相和正交lo信号时，禁用低通滤波器520和/或多相滤波器530，并且/或者当正交lo发生器500以高频生成同相和正交lo信号时，禁用分频器540。

尽管已经示出和描述了示例性实施例，但是在前述公开内容中设想了各种各样的修改、改变和替换，并且在一些情况下，可以采用实施例的一些特征而无需相应地使用其他特征。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求书来限制，并且适当的是，以与本文公开的实施例的范围一致的方式广义地解释权利要求书。