CN103312647B - 用于精细rf收发器直流偏移校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于精细RF收发器直流偏移校准的算法。本发明涉及用于补偿包括多个级的信号路径中的直流偏移的方法，其中对于每个级，通过借助于补偿模数转换器将精细直流补偿信号引入到所述级的信号路径中来执行精细直流补偿，其中所述精细直流补偿信号通过下述来确定：将所述级的总增益设置为等于在前级的第一总增益和所述级的第一增益的乘积的值；将所述级的总增益设置为等于在前级的第二总增益和所述级的第二增益的乘积的值；以及确定第一线性关系和第二线性关系的交叉点，其中所述交叉点的直流补偿信号是所述精细直流补偿信号。

Description

用于精细RF收发器直流偏移校准的方法

技术领域

本发明涉及用于补偿RF收发器中的直流(DC)偏移的方法和设备。本发明具体地涉及用于执行精细直流偏移补偿的方法。

背景技术

对于许多不同RF应用来说，集成的直接转换RF收发器架构在最近十年中变得流行。它们需要最小集合的构建块，参见图1。每个RX或TX信号路径需要仅仅一个具有关联的本地振荡器的混频器，这也简化了合成器。不再需要IF滤波器。

但是这种架构也具有缺点。直流偏移通过各个收发器/接收器部件(例如放大器、混频器、滤波器等等)引入。它可以使信号失真，并且直接限制可用动态范围。强的偏移能够使信号路径饱和，并且还破坏数字信号处理。通过添加与出现的直流偏移相反的直流电压来补偿该直流偏移变得常见。在过去已经开发出几种不同解决方案。

一种典型方法是提供附加硬件块，正如在US 6,756,924B2或US 7,271,649B2或Tanaka,T.Yamawaki,K.Takikawa,N.Hayashi,I.Ohno,T.Wakuta,S.Takahashi,M.Kasahara,and B.Henshaw,“GSM/DCS1800Dual Band Direct-Conversion TransceiverIC With a DC Offset Calibration System,”in 01ESSCIRC Session 3.3,2001中所公开的。这些块典型地专用于各个构建块。直流偏移被测量和补偿。该方法需要附加元件，不仅用于补偿(例如DAC)，而且用于测量直流偏移和用于确定补偿所需的值。这些块在永久地运行。它们增加系统复杂性并且消耗附加功率和空间。

其他方法确定直流偏移和所得到的永久地在数字域中的直流补偿值，正如在Marko Mailand and Hans-Joachim Jentschel,“Compensation of DC-Offsets and RF-Self-Mixing Products in Six-Port-Based Analog Direct Receivers,”in 14th ISTMobile&Wireless Communication Summit,Dresden,June 2005；或Russell Hoppenstein,“DC Offset Auto-Calibration of TRF371x,”Texas Instruments,2010；或I.-H.Sohn,E.-R.Jeong,and Y.H.Lee,“Data-Aided Approach to I/Q Mismatch and DC OffsetCompensation in Communication Receivers,”IEEE COMMUNICATIONS LETTERS,vol.6,no.12,December 2002中所公开的。补偿值由DAC在模拟部分中引入。但是该构思准备仅仅一个补偿值集合。如果系统增益是固定的，则这工作良好。但是具有可变增益的系统也可变地产生直流偏移。因此，每个新增益配置需要测量新直流偏移值并且设置新补偿值。这增加了要被完成以改变增益的步骤，因为附加校准步骤也必须对于每个新增益设置而被执行。设置增益变得更加复杂和耗时。

图1示出现有技术的直接转换接收器，其包括在射频(RF)输入11和基带(BB)输出之间的多个部件，例如低噪声放大器12、混频器13、滤波器14、VGA 15、ADC 16、数字直流偏移补偿17。直接转换RF收发器(例如用于WLAN)的确使用多于一个点以通过附加DAC 18、19输入直流补偿电压。这些直流补偿电压(校准参数)典型地例如由信号处理器根据不同测量和数字域中的计算来确定。向各个收发器/接收器部件添加捷径(short cut)和旁路开关以测量在每个单独级处分别出现的直流偏移是常见的。因此，在测量直流偏移时一些部件在调试/测试条件(旁路或捷径模式)下而不是在实际操作条件下操作。这引入附加误差(例如由于不同偏置或温度条件)，并且增加系统复杂性。

总体上意图找到覆盖完整增益控制范围的校准参数集合。但是这在当前实施中不是常见的，因为所确定的校准参数的精度不够。因此，完整增益控制范围被分成几个不同子范围。每个不同子范围具有校准参数集合中的自己的集合。将增益从一个子范围改变到另一子范围也需要改变校准参数，这仍然是复杂且耗时的。

图1中给出的具有直流偏移源和补偿DAC(数模转换器)的收发器(Rx路径)可以被简化(参见图2)为在RF输入21和BB输出210之间的可变增益级(对应于混频器13的23、对应于滤波器14的24、对应于VGA 15的25)的集合，其中直流偏移211、212、213和补偿DAC 28和29被连接到每个单独级的输入。图3中给出该简化模型的数学表示，其包括在RF输入31和BB输出35之间的多个增益级321,…,32k,…,32n、直流偏移330,331,…,33k,…33n、以及补偿DAC 320,321,…,32k,…,32n。

补偿DAC被连接到信号路径(图1)。每个DAC添加与在该点处的直流偏移相反的直流电压，使得总直流变得接近于零。该剩余的电压(非零直流电压)变得被后面的增益级放大。因为该增益是可变的，所以在所述信号路径的输出处所得到的直流偏移直接地取决于下面的总增益和直流偏移残余(residual)：

mean(BB_out(A_tot，k))＝A_tok，k*(DC_off，k+DC_comp，k)。

针对增益级k(k>0)的总增益由下式给出：

因此，良好校准算法应当找到满足下述关系的值DC_comp,k：

0≈DC_off，k+DC_comp，k。

因此，校准例程的基本部分是根据不同测得的平均(BB_out)值来准确地确定DC_off,k，使得：

DC_comp，k＝-DC_off，k。

在整个本文档中，将使用下面的符号：

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有改进的效率的、用于补偿射频收发器架构中的直流偏移的方法。本发明的目的具体地是提供用于具有可变增益的RF收发器的改进的直流偏移校准方法，所述RF收发器向多个点提供用于直流偏移补偿的补偿DAC(数模转换器)。

该目的通过根据独立权利要求的方法来实现。从属权利要求涉及本发明的另外的方面。

本发明涉及用于补偿包括多个级的信号路径中的直流偏移的方法，每个级k具有单独的增益A_k和总增益A_tot,k，所述总增益A_tot,k是所有在前级的增益和所述级的增益的乘积：A_tot,k＝A_k*A_tot,k-1。

对于每个级，通过借助于电耦合到所述级的补偿模数转换器将原始直流补偿信号DC_comp,k引入到所述级的信号路径中来执行精细直流校准。

该过程是基于找到交叉点，所述交叉点是找到的表示最佳补偿值的交叉点。为了获得一个直流补偿信号，需要至少两条线(例如四个点)。一条线表示用于在补偿DAC后面的级的专用增益的不同补偿DAC值的集合。对于至少两个增益配置的测量值是强制的。更多增益是可能的。对于一个增益配置的更多测量点可以帮助增加精度并且消除补偿DAC的非线性。

精细直流补偿信号通过下述来确定：

将所述级的总增益设置为等于在前级的第一总增益和所述级的第一增益的乘积的值，

对于所述级，设置至少两个不同直流补偿信号，并且对于所述两个不同直流补偿信号中的每个，测量在所述信号路径的输出处的直流残余信号，以便确定直流补偿信号和在所述信号路径的输出处的直流偏移残余之间的第一线性关系，

将所述级的总增益设置为等于在前级的第二总增益和所述级的第二增益的乘积的值，

设置至少两个不同直流补偿信号，并且对于所述两个不同直流补偿信号中的每个，测量在所述信号路径的输出处的直流残余信号，以便确定直流补偿值和增益之间的第二线性关系，以及

确定所述第一线性关系和所述第二线性关系的交叉点，其中所述交叉点的直流补偿信号是所述精细直流补偿信号。

该精细直流补偿可以逐级执行，从最接近所述信号路径的输入(即最接近RF输入)的级(k＝n)开始。

该精细直流补偿可以逐级执行，从最接近所述信号路径的输出的级开始。这里，需要几次迭代。

精细直流校准的一个方面涉及在前级的总增益的设置。在前级的第一和/或第二总增益优选地被设置为在前级的平均总增益。因此，在前增益级的总增益是恒定的并且近似地处于所使用的控制范围的中间。

精细直流校准的一个方面涉及所述级的增益的设置。所述级的第一增益优选地被设置为所述级的最小增益。所述级的第二增益优选地被设置为所述级的最大增益。

通过精细直流补偿获得的校准系数保持直流偏移残余的增益相关性为小的。

本发明的一个方面涉及在精细直流校准之前执行原始直流校准。原始直流校准增加校准过程的稳定性，使得整个校准过程对于巨大的直流偏移起作用。原始直流校准可以是硬件支持的，并且包括在背景技术部分中提到的任何方法。原始直流校准方法具有与精细直流校准方法相比更宽的误差容限范围。通常，原始直流校准方法也收敛得更快。

对于每个级，原始直流校准可以通过借助于电耦合到所述级的补偿数模转换器将原始直流补偿信号DC_comp,k引入到所述级的信号路径中来执行。

原始直流补偿是逐级执行的，从最接近所述信号路径的输出的级开始。针对所述级的所述原始直流补偿信号是通过执行下述步骤来确定的：

(a)设置所述级的总增益，

(b)测量在所述信号路径的输出处的直流偏移残余，

(c)将原始直流补偿信号设置为作为直流偏移残余除以所述级的总增益的负数的值。

原始直流校准的一个方面涉及通过包括下述步骤的一个校准循环来增强该方法：

(d)设置所述级的总增益，

(e)测量在所述信号路径的输出处的直流偏移残余，

(f)将原始直流补偿信号设置为作为在先前设置的原始直流补偿信号和直流偏移残余除以所述级的总增益之间的差的值。

原始直流校准的一个方面涉及在m次校准迭代中迭代地确定原始直流补偿信号。增益级k的直流补偿参数DC_comp,k可以通过下述公式根据已知的总增益A_tot,k和测得的直流偏移残余DC_res来计算：

其中DC_comp，k，m＝0。

原始直流校准的一个方面涉及每个增益级的总增益A_tot,k的选择。该总增益A_tot,k优选地被选择为近似地处于其最小值和最大值之间的中间：

通过原始直流校准获得的所计算出的校准系数好得足以在执行精细直流校准时防止系统饱和。

因此，本发明提供用于确定校准参数DC_comp,k的集合的方法，其具有覆盖从A_tot,n,min到A_tot,n,max的完整增益控制范围的优点，使得改变增益不需要任何附加校准任务或校准参数改变。

本发明的另一优点是，在校准期间收发器接近规则操作模式来操作。因此，避免了由于不同设备状态(例如不同偏置和温度条件)而造成的不想要的测量误差。可能需要仅仅环回功能。不需要功率降低或馈送操作。

本发明的又一优点是仅仅需要在当前RF收发器中常见的直流偏移补偿元件(例如DAC)。

附图说明

在下文通过示例性实施例并参考附图来更详细地描述根据本发明的方法和设备，在附图中：

图1示出现有技术的直接转换接收器架构，

图2示出简化的接收器模型，

图3示出数学接收器模型，

图4示出原始直流偏移校准算法的流程图，

图5示出直流偏移补偿参数和直流偏移残余之间的函数关系的图，以及

图6示出用于与增益无关的偏移校准的算法的流程图。

具体实施方式

图5示出针对精细直流校准过程的一个具体实施例的精细直流补偿信号和直流残余的函数关系的图，其中对于信道I和Q中的每个，通过确定针对I 51i和Q 52q的第一线性关系和针对I 52i和Q 52q的第二线性关系并且使它们相交以便找到针对I 53i和Q 53q的最优直流补偿信号来获得校准结果。

图6示出精细直流校准算法的一个实施例的流程图。在步骤61中，级索引k被设置为n+1，其中n是级的数目。对于单个级的循环包括步骤62到612，其中在所有级都已经被计算的情况下在步骤613中离开所述循环。在下面的步骤62中，级索引k被递减1。因此，涉及单个增益级的下面的步骤从级k＝n开始，所述级是最接近RF输入的级。在步骤63中设置在前级的总增益A_tot,k-1和级k的第一增益A_k,1。第一增益A_k,1被设置为A_k的最小值。在具有循环索引i并且包括步骤64和65的第一内循环中，为增益A_k,1确定第一线性关系。需要至少两个点，但是可以计算高达x个点(步骤66)。在步骤64中，设置直流补偿信号DC_comp,k,I。在步骤65中，在信号路径的输出处测量直流偏移残余DC_RES,1,I。在第一内循环中，将第一直流补偿信号设置为其最大值并且将第二直流补偿信号设置为其最小值。另外的直流补偿信号可以被设置在其间的某处。在步骤67中，设置在前级的总增益A_tot,k-1和级k的第二增益A_k,m。将第二增益A_k,m设置为其最大值。在具有循环索引i并且包括步骤68和69的第二内循环中，为增益A_k,m确定第二线性关系。需要至少两个点，但是可以计算高达x个点(步骤66)。在步骤64中，设置直流补偿信号DC_comp,k,i。在步骤65中，在信号路径的输出处测量直流偏移残余DC_RES,1,i。在第一内循环中，将第一直流补偿信号设置为其最大值并且将第二直流补偿信号设置为其最小值。另外的直流补偿信号可以被设置在其间的某处。在步骤611中，计算用于级k的直流补偿信号DC_comp,k。在步骤612中，设置直流补偿信号DC_comp,k。

图4示出在执行精细直流补偿之前执行的原始直流补偿算法的一个实施例的流程图。在步骤41中，通过将级索引和校准迭代索引设置为零来初始化该算法。包括步骤42至49的外循环是指针对所有级的原始直流偏移补偿信号的计算。在步骤42中，级索引k被递增1。在步骤49中，在已经计算了所有级的情况下离开外循环。包括步骤43至48的内循环是指针对单个级k的原始直流补偿信号的计算。在步骤43中，校准索引m被递增1。在步骤44中，设置级k的增益。在步骤45中，测量所得到的直流偏移残余DC_RES,m。在步骤46中，计算直流补偿信号DC_comp,k,m。在步骤47中，设置直流补偿信号DC_comp,k,m。根据步骤48，执行内循环三次。

尽管已经在附图和前述描述中详细地示出和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的而不是限制性的。将会理解，本领域普通技术人员可以在下面的权利要求的范围和精神内做出改变和修改。

Claims (13)

1.用于补偿包括多个级的信号路径中的直流偏移的方法，其中对于每个级，通过借助于补偿数模转换器将精细直流补偿信号引入到所述级的信号路径中来执行精细直流补偿，其中所述精细直流补偿信号通过下述来确定：

将所述级的总增益设置为等于在前级的第一总增益和所述级的第一增益的乘积的值，

对于所述级，设置至少两个不同直流补偿信号，以及

对于所述两个不同直流补偿信号中的每个，测量在所述信号路径的输出处的直流残余信号，以便确定直流补偿信号和在所述信号路径的输出处的直流偏移残余之间的第一线性关系，

将所述级的总增益设置为等于在前级的第二总增益和所述级的第二增益的乘积的值，

设置至少两个不同直流补偿信号，以及

对于所述两个不同直流补偿信号中的每个，测量在所述信号路径的输出处的直流残余信号，以便确定直流补偿信号和在所述信号路径的输出处的直流偏移残余之间的第二线性关系，以及

确定所述第一线性关系和所述第二线性关系的交叉点，其中所述交叉点的直流补偿信号是所述精细直流补偿信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述精细直流补偿是逐级执行的，从最接近所述信号路径的输入的级开始。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述精细直流补偿是逐级执行的，从最接近所述信号路径的输出的级开始。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在前级的第一总增益是在前级的平均总增益。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在前级的第二总增益是在前级的平均总增益。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述级的第一增益是所述级的最小增益。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述级的第二增益是所述级的最大增益。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述不同直流补偿信号中的一个是最小直流补偿信号，和/或所述不同补偿信号中的一个是最大直流补偿信号。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，在所述精细直流补偿之前执行原始直流补偿。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，对于每个级，所述原始直流补偿是通过借助于电耦合到所述级的补偿数模转换器将原始直流补偿信号引入到所述级的信号路径中来执行的；

其中所述原始直流补偿是逐级执行的，从最接近所述信号路径的输出的级开始；

其中针对所述级的所述原始直流补偿信号是通过执行下述步骤来确定的：

(a)设置所述级的总增益，

(b)测量在所述信号路径的输出处的直流偏移残余，

(c)将原始直流补偿信号设置为作为直流偏移残余除以所述级的总增益的负数的值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，针对所述级的所述原始直流补偿信号是通过进一步执行下面的步骤来确定的：

(d)设置所述级的总增益，

(e)测量在所述信号路径的输出处的直流偏移残余，

(f)将原始直流补偿信号设置为作为在先前设置的原始直流补偿信号和直流偏移残余除以所述级的总增益之间的差的值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，针对所述级的所述原始直流补偿信号是通过重复步骤(d)到(f)m次来确定的。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的方法，其中，所述级的总增益被设置为作为所述级的最大总增益和所述级的最小总增益的算术平均的值。