CN100593900C - 直流偏差去除装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种直流偏差去除装置，按照信号的流向依次包括可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)和数字滤波器，还包括：第一直流估计模块，用于对模数转换器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；第二直流估计模块，用于对数字滤波器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负前馈加至数字滤波器输出端。本发明直流偏差去除装置避免了高通滤波器实现直流去除时引入线性相位失真导致的信号相位畸变，解决了去除直流偏差时损伤有用信号的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及无线通信接收领域，尤其涉及一种可用于零中频接收机的直流偏差去除装置和方法。
【背景技术】
射频接收机位于无线通信系统的最前端，其结构和性能直接影响着整个通信系统。优化设计结构和选择合适的制造工艺，以提高系统的性能价格比，是射频工程师追求的方向。由于零中频接收机在下变频过程中不需经过中频，又具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，在无线通信领域中受到广泛关注。
不过，由于不经过中频，因此零中频结构存在着直流偏差的问题，而且直流偏差往往比射频前端的噪声还要大，使信噪比变差，同时大的直流偏差可能使混频器后的各级放大器饱和，无法放大有用信号。
为了解决零中频的直流偏差问题，业界目前采用的办法是在模拟域或数字域采用高通滤波器来滤除直流分量，例如美国美信公司的TD-SCDMA射频接收芯片，MAX2392，即在模拟域中采用高通滤波器来滤除直流分量。
但是，上述方法的主要缺点是对信号的损伤较大，因为通过高通滤波器实现直流去除的时候，滤波器引入的线性相位失真(Group Delay)会导致信号相位的畸变，从而影响接收信号的误差矢量幅度(EVM)。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种可用于零中频接收机的直流偏差去除装置和方法，克服了现有技术的不足，降低了接收信号的误差矢量幅度，解决了去除直流偏差时损伤有用信号的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种直流偏差去除装置，按照信号的流向依次包括可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)和数字滤波器，还包括：第一直流估计模块，用于对模数转换器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；第二直流估计模块，用于对数字滤波器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负前馈加至数字滤波器输出端。
所述的直流偏差去除装置，进一步包括：置于所述的第二直流估计模块输出端和负前馈输入端之间的直流存储寄存器，用于存储直流估计模块输出的直流偏差值，并将其输入至前馈端。
所述的直流偏差去除装置，进一步包括：与所述的第二直流估计模块相连的时间控制模块，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；与所述的直流存储寄存器相连的更新控制模块，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器。
所述的模数转换器的动态范围应大于预估的直流偏差的范围。
此外，本发明还提供一种用于零中频接收机的直流偏差去除装置，包括分别用来处理同相和正交信号的两个并联的支路，每个支路按信号流向均包括：混频器(Mixer)、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器(LPF)、模数转换器(ADC)和数字滤波器；每个支路进一步包括：第一直流估计模块，用于对模数转换器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；第二直流估计模块，用于对数字滤波器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负前馈加至数字滤波器输出端。
所述的用于零中频接收机的直流偏差去除装置，每个支路进一步包括：置于所述的第二直流估计模块输出端和负前馈输入端之间的直流存储寄存器，用于存储直流估计模块输出的直流偏差值，并将其输入至前馈端。
所述的用于零中频接收机的直流偏差去除装置，进一步包括：控制所述的两个支路中的第二直流估计模块的时间控制模块，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；控制所述的两个支路中的直流存储寄存器的更新控制模块，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至直流存储寄存器。
所述的模数转换器的动态范围均应大于预估的直流偏差的范围。
再次，本发明还提供一种直流偏差去除方法，将信号经过下列步骤处理：
A.用可编程增益放大器(PGA)放大待处理的信号；
B.通过低通滤波器(LPF)对信号进行滤波；
C.用模数转换器(ADC)将模拟信号转为数字信号；
D.用第一直流估计模块对模数转换器输出的数字信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；
E.用数字滤波器对模数转换器输出的数字信号进行滤波；
F.用第二直流估计模块对数字滤波器输出的信号进行直流估计；
G.用直流存储寄存器存储直流估计模块输出的直流偏差值，并将其存储值通过负前馈加至数字滤波器输出端。
所述的直流偏差去除方法，在F步骤中采用时间控制模块控制第二直流估计模块，使直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；在G步骤中采用更新控制模块控制直流存储寄存器，在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器。
所述的模数转换器的动态范围应大于预估的直流偏差的范围。
最后，本发明还提供一种零中频接收机中去除直流偏差的方法，将分别经过混频器混频的同相信号和正交信号，再分别经过下列步骤处理：
A.用可编程增益放大器(PGA)放大信号；
B.通过低通滤波器(LPF)对信号进行滤波；
C.用模数转换器(ADC)将模拟信号转为数字信号；
D.用第一直流估计模块对模数转换器输出的数字信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；
E.用数字滤波器对模数转换器输出的数字信号进行滤波；
F.用第二直流估计模块对数字滤波器输出的信号进行直流估计；
G.用直流存储寄存器存储直流估计模块输出的直流偏差值，并将其存储值通过负前馈加至数字滤波器输出端。
所述的零中频接收机中去除直流偏差的方法，在F步骤中采用时间控制模块控制第二直流估计模块，使直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；在G步骤中采用更新控制模块控制直流存储寄存器，在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器。
所述的模数转换器的动态范围应大于预估的直流偏差的范围
本发明的直流偏差去除装置和方法，通过直流估计模块，采用在数字域求解、在模拟域执行的反馈环粗调，以及完全在数字域实现的前馈环细调，来去除直流偏差，避免了通过高通滤波器滤出直流偏差时，引起的有用信号的损失，保证接收信号的误差矢量幅度不被恶化。
【附图说明】
图1是本发明用于零中频接收机的直流偏差去除装置的系统框图；
图2是图1所述直流偏差去除装置的反馈环粗调部分的系统框图；
图3是图1所述直流偏差去除装置的前馈环细调部分的系统框图；
图4是本发明用于零中频接收机的直流偏差去除装置的信号处理时序示意图。
【具体实施方式】
请参阅图1，图1为本发明用于零中频接收机的直流偏差去除装置的系统框图。接收机最前端为天线1用于接收信号，与天线1相连的低噪声放大器2，用于放大信号。放大后的同相信号和正交信号分别经过混频器(Mixer)3a和3b混频后，再分别经过两个支路处理。
同相信号RX-I支路依次包括：可编程增益放大器(PGA)5a、低通滤波器(LPF)6a、模数转换器(ADC)7a、第一直流估计模块8、数字滤波器9、第二直流估计模块12和直流存储寄存器13。其中可编程增益放大器(PGA)5a、低通滤波器(LPF)6a、模数转换器(ADC)7a、第一直流估计模块8和加法器4a顺序连接，形成一个负反馈环，第一直流估计模块8对模数转换器7a输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈的加法器4a加至可编程增益放大器5a的输入端，在模拟域初步抵消直流偏差，但第一直流估计模块8只在开机时估计一次直流偏差，在通信阶段一直保持这个估计值作为负反馈值。数字滤波器9用于对经过负反馈环处理的同相信号进行数字滤波，其输出信号经过第二直流估计模块12进行直流估计后存储在直流存储寄存器13中，直流存储寄存器13通过加法器14a负前馈加至输出端，形成前馈环。另外还包括：时间控制模块10与第二直流估计模块12相连，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；更新控制模块11与直流存储寄存器13相连，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器13，并由直流存储寄存器13通过加法器14a负前馈加至输出端，进一步去除直流偏差，使输出同相信号RX-I-out更精确。
正交信号RX-Q支路依次包括：可编程增益放大器(PGA)5b、低通滤波器(LPF)6b、模数转换器(ADC)7b、第一直流估计模块8、数字滤波器9、第二直流估计模块12和直流存储寄存器13。其结构与同相信号RX-I支路在完全相同，因此也包括反馈环的加法器4b、前馈环的加法器14b、时间控制模块10和更新控制模块11，其输出为RX-Q-out。
其中模数转换器7a和7b的动态范围均应大于预估的直流偏差的范围，以保证直流分量不会受模数转换器引起的失真的影响。
另外，两个支路中的第一直流估计模块8、数字滤波器9、第二直流估计模块12和直流存储寄存器13，对两个支路中的两种信号均是分别独立处理的，在具体结构上均可以分成两个相同的模块，分别与各支路相连。由于，两种信号是同步的，所以时间控制模块10和更新控制模块11可以是共用的，同时控制两个支路的处理时间。
由于上述实施例中去除直流偏差的两个支路是互相独立的，所以在本发明的另一个实施例中，单独采用其中一个支路来完成本发明的目的，其结构和工作过程与上述同相信号RX-I支路的完全相同。
本发明中反馈环的反馈值一直保持一致，为直流偏差的粗调；而前馈环的反馈值是随时间变化的，为直流偏差的细调。下面对反馈环和前馈环分别阐述。
请参阅图2，图2是图1所述直流偏差去除装置的反馈环粗调部分的系统框图。天线1接收的信号，与天线1相连的低噪声放大器2用于放大信号。放大后的同相信号和正交信号分别经过混频器(Mixer)3a和3b混频后，再分别经过两个反馈环处理。
同相信号RX-I反馈环由可编程增益放大器(PGA)5a、低通滤波器(LPF)6a、模数转换器(ADC)7a、第一直流估计模块8和加法器4a顺序连接而成，而且为负反馈环；其中第一直流估计模块8对模数转换器7a输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈的加法器4a加至可编程增益放大器5a的输入端，在模拟域初步抵消直流偏差，而且第一直流估计模块8只在开机时估计一次直流偏差，在通信阶段一直保持这个估计值作为负反馈值。
正交信号RX-Q反馈环由可编程增益放大器(PGA)5b、低通滤波器(LPF)6b、模数转换器(ADC)7b、第一直流估计模块8和加法器4b顺序连接而成，也为负反馈环，其工作方式与同相信号RX-I反馈环相同。
请参阅图3，图3是图1所述直流偏差去除装置的前馈环细调部分的系统框图。其中，同相信号RX-I前馈环中，数字滤波器9用于对经过负反馈环处理的同相信号进行数字滤波，其输出信号经过第二直流估计模块12进行直流估计后存储在直流存储寄存器13中，直流存储寄存器13通过加法器14a负前馈加至输出端，形成前馈环。另外还包括：时间控制模块10与第二直流估计模块12相连，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；更新控制模块11与直流存储寄存器13相连，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器13，并由直流存储寄存器13通过加法器14a负前馈加至输出端，进一步去除直流偏差，使输出同相信号RX-I-out更精确。
正交信号RX-Q前馈环部分由数字滤波器9、第二直流估计模块12、直流存储寄存器13、加法器14a、时间控制模块10和更新控制模块11组成，其结构和工作方式与上述同相信号RX-I前馈环相同。
图4是本发明用于零中频接收机的直流偏差去除装置的信号处理时序示意图。其中，反馈环粗调的反馈值只在每次开机后初始化阶段估计一次，在通信阶段这个估计值持续起作用，作为负反馈的值，来去除直流偏差。而前馈环细调的前馈值是在整个通信过程中不断变化的，以帧为单位，直流估计模块对前一帧求出的直流值将会用于下一帧对直流的抵消，而下一帧求出的直流值将用于再下一帧直流偏移的抵消。
其输出信号经过第二直流估计模块12进行直流估计后存储在直流存储寄存器13中，直流存储寄存器13通过加法器14a负前馈加至输出端，形成前馈环。另外还包括：时间控制模块10与第二直流估计模块12相连，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；更新控制模块11与直流存储寄存器13相连，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器13，并由直流存储寄存器13通过加法器14a负前馈加至输出端，进一步去除直流偏差，使输出同相信号RX-I-out更精确。
此外，本发明零中频接收机中去除直流偏差的方法用于图1所示的本发明用于零中频接收机的直流偏差去除装置时，具体步骤如下：天线1接收的信号先经过低噪声放大器2放大；然后分为同相信号RX-I和正交信号RX-Q，分别经过混频器3a和3b混频。
混频后的同相信号RX-I要经过下列步骤处理：
A.用可编程增益放大器(PGA)5a放大信号；
B.通过低通滤波器(LPF)6a对信号进行滤波；
C.用模数转换器(ADC)7a将模拟信号转为数字信号；
D.用第一直流估计模块8对模数转换器输出的数字信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈的加法器4a加至可编程增益放大器5a输入端，而且这个步骤中只在开机初始化时估计一次直流值，在后面通信过程中都用这个值作为负反馈值，抵消直流偏差；
E.用数字滤波器9对经过反馈环粗调的信号进行滤波；
F.用第二直流估计模块12对数字滤波器9输出的信号进行直流估计，时间控制模块控制10控制直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内不断进行；更新控制模块11控制直流存储寄存器13，在下一帧开始时，将第二直流估计模块12得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器13，直流存储寄存器13在下一帧过程中保持这个值，并将其负前馈至输出端，用于抵消下一帧的直流；而下一帧求出的直流值将用于再下一帧直流偏移的抵消。
混频后的正交信号RX-Q也经过和上述同相信号相同的步骤处理，去除直流偏差。
以上介绍的仅仅是基于本发明的几个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的装置作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。
Claims (8)
1、一种直流偏差去除装置，按照信号的流向依次包括：可编程增益放大器、低通滤波器、模数转换器和数字滤波器，其特征在于进一步包括：第一直流估计模块，用于对模数转换器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；第二直流估计模块，用于对数字滤波器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负前馈加至数字滤波器输出端；
所述直流偏差去除装置进一步包括：置于所述的第二直流估计模块输出端和负前馈输入端之间的直流存储寄存器，用于存储所述第二直流估计模块输出的直流偏差值，并将其输入通过负前馈加至所述数字滤波器输出端。
2、如权利要求1所述的直流偏差去除装置，其特征在于进一步包括：与所述的第二直流估计模块相连的时间控制模块，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；与所述的直流存储寄存器相连的更新控制模块，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器，以抵消下一帧的直流偏差。
3、一种用于零中频接收机的直流偏差去除装置，包括分别用来处理同相和正交信号的两个并联的支路，每个支路按信号流向均包括：混频器、可编程增益放大器、低通滤波器、模数转换器和数字滤波器；其特征在于每个支路进一步包括：第一直流估计模块，用于对模数转换器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；第二直流估计模块，用于对数字滤波器输出的信号进行直流估计，并将其估计值通过负前馈加至数字滤波器输出端；
每个支路进一步包括：置于所述的第二直流估计模块输出端和负前馈输入端之间的直流存储寄存器，用于存储所述第二直流估计模块输出的直流偏差值，并将其输入通过负前馈加至所述数字滤波器输出端。
4、如权利要求3所述的用于零中频接收机的直流偏差去除装置，其特征在于进一步包括：控制所述的两个支路中的第二直流估计模块的时间控制模块，用于保证直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；控制所述的两个支路中的直流存储寄存器的更新控制模块，用于在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至直流存储寄存器，以抵消下一帧的直流偏差。
5、一种直流偏差去除方法，其特征在于将信号经过下列步骤处理：
A.用可编程增益放大器放大待处理的信号；
B.通过低通滤波器对信号进行滤波；
C.用模数转换器将模拟信号转为数字信号；
D.用第一直流估计模块对模数转换器输出的数字信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；
E.用数字滤波器对模数转换器输出的数字信号进行滤波；
F.用第二直流估计模块对数字滤波器输出的信号进行直流估计；
G.用直流存储寄存器存储直流估计模块输出的直流偏差值，并将其存储值通过负前馈加至数字滤波器输出端。
6、如权利要求5所述的直流偏差去除方法，其特征在于：在F步骤中采用时间控制模块控制第二直流估计模块，使直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；在G步骤中采用更新控制模块控制直流存储寄存器，在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器，以抵消下一帧的直流偏差。
7、一种零中频接收机中去除直流偏差的方法，其特征在于分别经过混频器混频的同相信号和正交信号，还需分别经过下列步骤处理：
A.用可编程增益放大器放大信号；
B.通过低通滤波器对信号进行滤波；
C.用模数转换器将模拟信号转为数字信号；
D.用第一直流估计模块对模数转换器输出的数字信号进行直流估计，并将其估计值通过负反馈加至可编程增益放大器输入端；
E.用数字滤波器对模数转换器输出的数字信号进行滤波；
F.用第二直流估计模块对数字滤波器输出的信号进行直流估计；
G.用直流存储寄存器存储直流估计模块输出的直流偏差值，并将其存储值通过负前馈加至数字滤波器输出端。
8、如权利要求7所述的零中频接收机中去除直流偏差的方法，其特征在于：在F步骤中采用时间控制模块控制第二直流估计模块，使直流估计的过程在时序上是在信号接收的正常时间内进行；在G步骤中采用更新控制模块控制直流存储寄存器，在下一帧开始时，将所述的第二直流估计模块得出的上一帧的平均直流偏差更新至所述的直流存储寄存器，以抵消下一帧的直流偏差。
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