專利名稱：集成無線電電路中的信號相位控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信號處理，特別涉及用于為集成無線電接收器或收發(fā)器提 供信號相位控制的設(shè)備與方法。
背景技術(shù)：
將在示出了對于信號相位控制、特別是接收器中的載波相位恢復(fù)的需
求的上下文中介紹示例性無線電發(fā)送系統(tǒng)。典型的無線電發(fā)送系統(tǒng)10的框
圖在圖1中示出。
參照圖1， 二進制數(shù)據(jù)流(數(shù)據(jù))由使用例如二相相移鍵控或四相相
移鍵控(QPSK)等調(diào)制的調(diào)制器12調(diào)制為同相和正交(IQ)基帶信號向 量(分別為I與Q )。基帶IQ信號控制兩個正交的無線電頻率載波分量(一 個余弦載波與一個正弦載波)的符號與幅值。在無線電發(fā)送器15中，IQ 基帶信號在混頻器14與16中與正弦以及余弦本地振蕩器信號混頻或相乘， 以便將基帶調(diào)制轉(zhuǎn)換為適合在無線電信道上傳播的頻率"fTX"。本地振蕩 器LO提供受到移相器或正交分頻器(quadrature divider) 18調(diào)節(jié)以提供 正弦以及余弦本地振蕩器信號的基本信號。
信號由求和器20求和并由放大器22放大，以便在使用天線26的無線 電信道24上發(fā)送。
在無線電信道中，信號經(jīng)過衰減、移相和時間離散。信道時間離散的 效果一一盡管在實際系統(tǒng)中是重要的一一在這里假設(shè)為足夠小到可以忽 略。如果無線電信道中存在發(fā)送器與接收器或移動反射器之間顯著的相對 運動，信道相移可作為時間t的函數(shù)波動。
在接收器系統(tǒng)25中，來自天線28的接收信號由放大器30進行放大， 使用混頻器32與34以及移相器/正交分頻器36進行分割以及與本地振蕩
器LO的本地振蕩器信號混頻，以便將信號轉(zhuǎn)換回到基帶，提供作為所發(fā) 送信號向量的縮放和相位旋轉(zhuǎn)復(fù)本的基帶I與Q信號。在實際的無線電系 統(tǒng)中，接收器中的本地振蕩器LO的頻率一一用"fk"表示一一不會與發(fā) 送器中的本地振蕩器LO的頻率"fTX" —樣。這種頻率誤差將時變的相位 誤差加到所接收的信號上，導(dǎo)致所接收的1/Q信號繞著復(fù)平面以與發(fā)送及 接收本地振蕩器間的頻率差成比例的速率的典型旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)使用相干基帶調(diào)制時，這種相位旋轉(zhuǎn)對于接收器存在問題。根據(jù)定 義，相干基帶調(diào)制要求信道的相位誤差在解調(diào)所接收I與Q信號以得到所 發(fā)送二進制信息的推定之前移除。
對信道相位誤差敏感的通用調(diào)制的具體實例為二相相移鍵控 (BPSK)。在此系統(tǒng)中，二進制信息可被編碼為對于發(fā)送數(shù)據(jù)位值1的
調(diào)制值"+r和對于發(fā)送數(shù)據(jù)位值o的調(diào)制值"-r 。由于信道中的相位
旋轉(zhuǎn)，所接收的信號可旋轉(zhuǎn)任意量，故"+l"值在從-180到+180度的任意
旋轉(zhuǎn)角上顯示出，防礙了所接收信息的正確解碼，除非相位旋轉(zhuǎn)得到校正。 另外，由于頻率誤差，所接收信號的相位隨時間變化。
一種規(guī)避無線電系統(tǒng)中的相位誤差的通用方法是使用非相干基帶調(diào)制 系統(tǒng)。在這種類型的調(diào)制中，栽波相位不需要在接收器中恢復(fù)。通it^w當(dāng)
前接收碼元(symbol)的相位中減去先前接收碼元的相位，典型的DBPSK (或差分二相相移鍵控)非相干接收器中的相位誤差被移除。在信道相位
對于兩個緊密間隔的信道碼元相同或大致相同的假設(shè)下，相位差減盡 (subtractout)，如果兩個連續(xù)碼元之間的角度是0或180度，可作出決定。
這種檢測方法與差分?jǐn)?shù)據(jù)編碼結(jié)合提供了能夠在不需要明確的載波恢 復(fù)的情況下發(fā)送信息的無線電系統(tǒng)。DBPSK與差分四相相移鍵控 (DQPSK)——其將數(shù)據(jù)位對編碼為0、 90、 -90或180度的差分相位旋 轉(zhuǎn)一一是非相干調(diào)制系統(tǒng)的實例。
BPSK與QPSK的相干檢測可能是有利的，因為相干檢測典型地移除 解碼器中的3dB的噪音代價(noise penalty)。這種噪音代價由于兩個連
續(xù)碼元之間的相位減數(shù)乘以1.414或3dB的信道相位噪音RMS值而產(chǎn)生。 除了敏感性提高以外，相干檢測可使接收器數(shù)據(jù)解調(diào)器非常簡單，因為對 所接收碼元進行解碼全部所需要的是在無線電接收器的I或I與Q輸出上 與零相比的閾值(有時稱為數(shù)據(jù)限幅器(dataslicer))。
這種特征使得具有IQ信道輸出的無線電直接連接到高速時鐘與數(shù)據(jù) 恢復(fù)(CDR)裝置，該裝置通常用在高速1/0串行器/解串器(SerDes)系 統(tǒng)中，以便提供用于片間通信的多Gb數(shù)據(jù)信號。與具有載波相位恢復(fù)的 60GHz無線電結(jié)合，這些高速CDRs/SerDes提供了實現(xiàn)高效率多Gb 60GHz無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)的可能。
圖2示出了用于在包含"Costas"環(huán)50的模擬解調(diào)系統(tǒng)70中尋找BPSK 信號的相位的公知方法。Costas環(huán)50基于乘積檢測器，其對電壓控制振蕩 器(VCO)的頻率進行積分，以便將解調(diào)輸出鎖定到所發(fā)送信道相位。接 收器向時鐘-數(shù)據(jù)-恢復(fù)(CDR)電路52輸出I與Q，并使用解碼器54對 所恢復(fù)的數(shù)據(jù)進行解碼，使用低通濾波器56，來自接收器25的I與Q輸 出在Costas環(huán)50中凈皮混頻器(mixer) 58混頻。Costas環(huán)50包含環(huán)路積 分器，環(huán)路積分器包含放大器60與電容器62，以^便產(chǎn)生用于電壓控制振 蕩器的、濾波后的控制電壓。
Costas環(huán)50用于集成無線電IC結(jié)構(gòu)具有幾個缺點1)其需要4莫擬 VCO，除了向所接收的信號加入了不想要的相位噪音外，這可能消耗大量 電力和晶片(die)區(qū)域，2)其具有偽鎖定(false-lock)的可能，3 ) Costas 環(huán)系統(tǒng)的鎖定時間可能對于基于物理層(PHY)協(xié)議(其典型地用在高速 無線數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)中)的高速分時多路復(fù)用器(TDM)來說過大，4)盡 管Costas環(huán)50可被配置為鎖定到QPSK信號，復(fù)雜性的增加是顯著的。
參照圖3，用于數(shù)字接收器系統(tǒng)中實現(xiàn)相干檢測的第二種通用方法是 采用模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器72來將所接收的模擬信號(典型地為基帶 I與Q信號)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并使用數(shù)字信號處理器74來運行數(shù)字信號處 理算法，以〗更獲得信道相位并在進行位判定之前將^w所接收的數(shù)據(jù)碼元 中減去。
這種方法可解決模擬Costas環(huán)的所有四個缺點模擬VCO用在數(shù)字 域中進行的數(shù)字計算代替，可使用數(shù)字算法檢測和校正偽鎖定，由于沒有 涉及模擬固定瞬態(tài)(analog settling transients)，鎖定時間可以非常快， 也可在模擬系統(tǒng)復(fù)雜性的很小的增加的情況下，使用現(xiàn)有技術(shù)中公知的適 當(dāng)數(shù)字算法解決QPSK或其他更為復(fù)雜的調(diào)制格式的解調(diào)。
然而，對于極高數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)來說，A/D與數(shù)字基帶處理的引入帶來 了其自身的缺點。主要缺點是需要高速A/D轉(zhuǎn)換器以及對于高數(shù)據(jù)速率(幾 Gb/s)的對應(yīng)快速數(shù)字信號處理邏輯。例如，lGsym/sec數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)對 于BPSK產(chǎn)生lGb/s,對于QPSK產(chǎn)生2Gb/s，需要兩個2Gsample/sec A/D 轉(zhuǎn)換器。
與基于在可比較的數(shù)據(jù)速率下運行的1/0核的CDR數(shù)據(jù)限幅器相比， 這些高速率轉(zhuǎn)換器以及相關(guān)聯(lián)的數(shù)字信號處理邏輯可顯著增大解調(diào)系統(tǒng)的 復(fù)雜性和功率。

發(fā)明內(nèi)容
在無線電裝置中控制信號相位的設(shè)備與方法包括相位旋轉(zhuǎn)器，其被配 置為控制本地振蕩器的相位。相位誤差確定模塊被配置為基于所接收的同 相(I)以及正交(Q) (IQ)信號值來確定相位誤差信息。相位校正模塊 被配置為從所接收的IQ信號值中得出校正信號，并將校正信號應(yīng)用到本 地振蕩器路徑中的相位旋轉(zhuǎn)器。
用于控制無線電裝置中的相位的方法包括使用數(shù)字控制的模擬相位旋 轉(zhuǎn)器來控制無線電裝置中的本地振蕩器的相位，以及通過自動電路或外部 接口中的一個或一個以上來使得調(diào)節(jié)相位旋轉(zhuǎn)器的相位成為可能。相位誤 差信息基于所接收的同相與正交相位(IQ )信號值來確定。從所接收的IQ 信號值中得出的相位校正信號被應(yīng)用到無線電裝置的本地振蕩器路徑中的 相位旋轉(zhuǎn)器裝置。


現(xiàn)在將參照附圖僅僅通過舉例的方式介紹本發(fā)明，在附圖中 圖1為才艮據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的數(shù)字無線電發(fā)送系統(tǒng)； 圖2為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)使用Costas環(huán)的^f莫擬相位相千接收器系統(tǒng)； 圖3為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)使用模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號處理(DSP) 的相干解調(diào)系統(tǒng)；
圖4為一原理圖，其示出了才艮據(jù)本發(fā)明一示例性實施例用于集成無線 電H器的示例性信號相位控制電路；
圖5為一原理圖，其示出了可用于本發(fā)明的示例性實施例的數(shù)字控制 模擬相位旋轉(zhuǎn)器；
圖6為一原理圖，其示出了自動相位恢復(fù)系統(tǒng)的實施例，該系統(tǒng)具有 根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的用于具有集成(片上)數(shù)字鎖相環(huán)的接收器 的正交相位IF旋轉(zhuǎn)器系統(tǒng)；
圖7為一原理圖，其示出了自動相位恢復(fù)系統(tǒng)的示例性實施例，該系 統(tǒng)具有根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例用于具有外部(片夕卜)數(shù)字鎖相環(huán)的接 收器的單相位IF旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)；
圖8為一原理圖，其示出了數(shù)字載波恢復(fù)環(huán)的示例性實施例，其具有 根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的IQ八分相位選擇器(IQ octant phase selector)。
具體實施例方式
介紹了在接收器(例如集成無線電接收器)中提供信號相位控制的方 法和設(shè)備。當(dāng)前實施例使用了數(shù)字控制模擬相位旋轉(zhuǎn)器，其用于調(diào)節(jié)無線 電中的本地振蕩器的相位。這種相位控制方法與基于例如僅需要四個1位 模擬/數(shù)字(A/D)判定的八分檢測的數(shù)字相位檢測方法結(jié)合，以便使得用 于二相相移鍵控(BPSK)或四相相移鍵控(QPSK)調(diào)制的相干解調(diào)的高
速數(shù)字接收器中迅速的載波相位恢復(fù)成為可能。
相干相位恢復(fù)又使得將寬帶集成(例如60GHz) M器直接接口到幾 Gb/s模擬串行器/解串器(SERDES)以便在不需要高速、高精度D/A與
A/D的情況下實現(xiàn)高速無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)成為可能。所提供的相位控制能力也 使得用于相控陣列無線電系統(tǒng)中發(fā)送和接收相位的調(diào)節(jié)成為可能。相位控 制方法適合于集成在具有低的數(shù)字/模擬晶片面積和功率需求的無線電集 成電路(IC)上。
本發(fā)明的實施例可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例或既包括石更 件又包括軟件元素的實施例的形式。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明在硬件中實 現(xiàn)，其包括但不限于集成電路、印刷布線板、布線電路等。電路可包括軟 件，軟件又可包括固件、駐留軟件、微代碼等。
另外，本發(fā)明可采用計算機程序產(chǎn)品的形式，該產(chǎn)品可從計算機可用 或計算機可讀的介質(zhì)訪問，該介質(zhì)提供由計算機或任何指令執(zhí)行系統(tǒng)使用 或與^M目聯(lián)系的程序代碼。出于此說明書的目的，計算機可用或計算機可 讀的介質(zhì)可以為可包括、存儲、傳送、傳播或發(fā)送由該指令執(zhí)行系統(tǒng)、設(shè) 備或裝置執(zhí)行或與^M目聯(lián)系的程序的任何設(shè)備。介質(zhì)可以是電子的、磁的、 光的、電磁的、紅外的或半導(dǎo)體系統(tǒng)(或設(shè)備或裝置)或傳播介質(zhì)。計算 機可讀介質(zhì)的實例包括半導(dǎo)體或固態(tài)存儲器、磁帶、可移除計算機盤、隨 機訪問存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、硬磁盤和光盤。光盤的 當(dāng)前實例包括壓縮盤-只讀存儲器(CD-ROM)、壓縮盤讀寫(Cd-R/W) 與DVD。
適用于存儲和/或執(zhí)行程序代碼的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可包括至少一個通過 系統(tǒng)總線間接或直接耦合到存儲器單元的處理器。存儲器單元可包括在程 序代碼的實際執(zhí)行期間使用的本地存儲器、海量存儲器、提供至少某些程 序代碼的臨時存儲以減小在執(zhí)行過程中從海量存儲器中檢索代碼的次數(shù)的 緩存。輸入/輸出或I/0裝置(包括但不限于鍵盤、顯示器、定點裝置等) 可直接或通過中間的I/O控制器耦合到系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)適配器也可耦合到系統(tǒng)，以便使得數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠通過中間的 專用或公用網(wǎng)絡(luò)耦合到其他數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)或遠程印刷機或存儲裝置。調(diào)制 解調(diào)器、電纜調(diào)制解調(diào)器、以太網(wǎng)卡僅僅是幾種當(dāng)前可用類型的網(wǎng)絡(luò)適配 器。
這里介紹的電路可以為集成電路芯片設(shè)計的一部分。芯片設(shè)計可以用 圖形計算機編程語言創(chuàng)建，并存儲在計算機存儲介質(zhì)中(例如盤、帶、物 理硬盤驅(qū)動器或虛擬硬盤驅(qū)動器，例如在存儲訪問網(wǎng)絡(luò)中)。如果設(shè)計者 不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，設(shè)計者直接或間接地將結(jié)果得到 的設(shè)計通過物理手段傳送(例如通過提供存有該設(shè)計的存儲介質(zhì)的拷貝) 或電子傳送(例如通過互聯(lián)網(wǎng))到這樣的實體。所存儲的設(shè)計于是被轉(zhuǎn)換
為用于制造光刻掩模的適當(dāng)?shù)母袷?例如GDSII)，其典型地包括將要在 晶圓上形成的所討論芯片設(shè)計的幾個拷貝。光刻掩才莫用于限定晶圓(和/ 或其上的層)將,皮蝕刻或以其他方式處理的區(qū)域。
這里介紹的設(shè)備/方法可用在集成電路芯片中。所得到的集成電路芯片 可由制造商以未加工的晶圓的形式(也就是說，作為具有多個未封裝芯片 的晶圓)、作為棵露晶片或以封裝后的形式分發(fā)。在后一種情況下，芯片 安裝在一個芯片封裝(例如塑料載體，引線被固定到母板或其他的較高層 次的載體上)中，或者安裝在多芯片封裝(例如具有表面互連或埋藏的互 連的陶瓷載體)中。在任何情況下，于是，芯片與其他芯片、分立的電路 元件和/或其他的信號處理裝置集成在一起，作為(a)中間產(chǎn)品，例如母 板，或者(b)終端產(chǎn)品。終端產(chǎn)品可以為包含集成電路芯片的任何產(chǎn)品， 范圍從玩具和其他低端應(yīng)用到具有顯示器、鍵盤或其他輸入裝置以及中央 處理器的高級計算機產(chǎn)品。
本發(fā)明將以使用至少一個混頻器單元一一其具有對混頻器單元進行饋 送的至少一個本地振蕩器信號一一的集成無線電IC的形式作示例性的介 紹。數(shù)字控制^t擬相位旋轉(zhuǎn)器用于控制輸入到無線電混頻器單元的信號的 相位。然而，本發(fā)明要寬廣得多，并且適用于任何收發(fā)器環(huán)境。
現(xiàn)在參照附圖(其中，同樣的標(biāo)號表示同樣或類似的元件)，首先參 照圖4，無線電收發(fā)器100是基于超外差結(jié)構(gòu)的，其使用優(yōu)選位于中頻(IF) 的第一變頻混頻器102/103。本地振蕩器(LO) 104具有通常連接到第二 變頻正交混頻器116a與116b以及118a與118b的LO端口而不是通過正 交產(chǎn)生器108發(fā)送到模擬相位旋轉(zhuǎn)器106的輸入的信號，其可使用現(xiàn)有技
術(shù)公知的方法實現(xiàn)為正交分割器(divider)或卯度移相器。模擬相位旋轉(zhuǎn) 器106需要正交(IQ)輸入，其通常在正交下變頻結(jié)構(gòu)中直接可用。
相位旋轉(zhuǎn)器106結(jié)合IQ LO信號，以產(chǎn)生具有數(shù)字可選相位的LO信 號，使得接收和/或發(fā)送信號的360度相位控制成為可能。數(shù)字可選相位可 從片上或片外芯片選擇或提供(對于相應(yīng)的片外控制信號，由被稱為Tx 相位和/或Rx相位的總線141)。如對于接收部分所示，Rx相位可從片外 輸入，或使用片上數(shù)字載波恢復(fù)環(huán)140確定。
對于發(fā)送部分，發(fā)送數(shù)據(jù)(Tx數(shù)據(jù))從分別對應(yīng)于I與Q的串行器/ 解串器(SerDes) 132和134的發(fā)送或串行器部分輸入。來自旋轉(zhuǎn)器106 (或107,在單獨的相位旋轉(zhuǎn)器用于發(fā)送和接收的情況下)的輸出被提供 給正交相位發(fā)生器121，并分別使用混頻器116a以及118a與I以及Q信 號混頻，以l更提供正交上變頻與下變頻。在發(fā)送側(cè)，混頻的I與Q信號由 求和器123求和，由放大器114a放大，并被輸出到第二階段混頻器102, 第二階段混頻器102將該信號轉(zhuǎn)換為希望的載波頻率。來自混頻器102的 信號被功率放大器136放大，以便使用天線138來發(fā)送該信號。
單相位旋轉(zhuǎn)器106可在分時多路復(fù)用設(shè)計(其中，或者僅發(fā)送器或者 僅接收器是有效的)中一起控制接收器與發(fā)送器相位，或者，可在發(fā)送與 接收路徑上使用單獨的相位旋轉(zhuǎn)器(例如，旋轉(zhuǎn)器107可用于發(fā)送路徑， 106可用于接收路徑)。或者，外部獨立控制可用在總線141上。在不需 要發(fā)送器的相位控制而僅需要接收器中的相位控制以實現(xiàn)載波恢復(fù)環(huán)的系 統(tǒng)中，僅僅在接收路徑中需要相位旋轉(zhuǎn)器106。
在接收側(cè)，信號由天線139接收，使用低噪音》文大器110放大，并輸 入到第一變頻混頻器103。在混頻之后，信號通過調(diào)諧IF放大器114b放 大，并,皮分割到用于正交下變頻的混頻器116b與118b(分別對于I與Q )。 I與Q信號受到濾波器120的濾波，并通過基帶可變增益放大器(VGA) 122進行放大。基帶放大器122的輸出直接發(fā)送到CDR/SerDes 132和134， 其根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點產(chǎn)生接收數(shù)據(jù)(Rx數(shù)據(jù))。
基帶放大器122的輸出在數(shù)字栽波恢復(fù)環(huán)140中使用。環(huán)140包含模
塊124，其求和并取I與Q信號之間的差，并將該和與差輸入到模擬到數(shù) 字轉(zhuǎn)換器126，模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器126將模擬和、差、I與Q信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號，這些信號在優(yōu)選實施例中為基于和、差、I與Q信號的符號的 一位數(shù)字信號。來自比較的四個輸出位被發(fā)送到數(shù)字鎖相環(huán)128，以Y更提 供用于載波恢復(fù)的相位調(diào)節(jié)。數(shù)字載波恢復(fù)環(huán)140的進一步的介紹將在下 面提供。
參照圖5，數(shù)字控制才莫擬相位旋轉(zhuǎn)器106被示為用于接收器或^器。 模擬相位旋轉(zhuǎn)器106接收差分I與Q輸入，其中，I與Q信號表示在優(yōu)選 實施例中為正弦、但也可被實現(xiàn)為正弦近似值(例如低通濾波或受到其他 方式轉(zhuǎn)換速率限制的方波)的信號，其在相位上分隔卯度。每個差分輸入 被連接到兩個差分對，其輸出被加在一起。差分對的尾電流210a、 210b、 210c、 210d的數(shù)字調(diào)節(jié)使得I與Q輸入能夠獨立地在幅值和符號上得到調(diào) 節(jié)，從-I到+I，從-Q到+Q。這使得對于旋轉(zhuǎn)器106的輸出(相位212)的 四象限(360度)相位覆蓋成為可能。數(shù)字輸入相位值(數(shù)字相位控制向 量211)被解碼為必要的差分對尾電流權(quán)重(weights),以便提供從0到 360度的相位控制。相位旋轉(zhuǎn)器的分辨率可以為例如繞著完整的360度旋 轉(zhuǎn)的64步進，提供了大約每步進6度的相位分辨率。這種分辨率對于BPSK 和QPSK相干相位恢復(fù)都AA夠的。
集成60GHz寬帶收發(fā)器的優(yōu)選實施例中的對于相位旋轉(zhuǎn)器106的相位 控制更新速率可在大約500Ms/sec到800Ms/sec之間。這種更新速率足夠 保證相位旋轉(zhuǎn)器106在60GHz T,+/-100ppm的偏差，而不需要相位旋 轉(zhuǎn)器106的任何相繼步進更新超過一個步進。60GHz的100ppm偏差對應(yīng) 于6MHz相位旋轉(zhuǎn)。
在具有大約9GHz的正交IF相位旋轉(zhuǎn)器的超外差無線電結(jié)構(gòu)的一個實 施例中(圖6所示)，因為100ppm頻率誤差，9GHz IF信號將在頻率上 有6MHz偏離(off)，并應(yīng)通過調(diào)節(jié)相位旋轉(zhuǎn)器相位來補償。在一個實例 中，由于相位旋轉(zhuǎn)器的一個步進近似移動1/64周期，500MHz的更新速率 使得相位旋轉(zhuǎn)器以500MHz/64或7.8MHz的最大值移動，而不需要旋轉(zhuǎn)器
的雙步進。如果使用雙步進，旋轉(zhuǎn)器可實現(xiàn)的最大周期頻率在IF下為 15.6MHz。這兩個頻率覆蓋最大為+Z-100ppm的總系統(tǒng)頻率誤差。
在另一實施例中(圖7所示)，示出了在18GHz下具有單IF相位旋 轉(zhuǎn)器的超外差無線電結(jié)構(gòu)。在優(yōu)選實施例中，相位旋轉(zhuǎn)器步進被減小為每 單位循環(huán)32個，以便在18GHz下實現(xiàn)大約每步進12度相位移動，以及在 正交分割到9GHz的IF頻率后實現(xiàn)每步進6度相位移動。于是，頻率覆蓋 分別為單與X5C旋轉(zhuǎn)器步進的6.8MHz和15.6MHz，其與使用以64步進在 9GHz的IF頻率下實施的相位旋轉(zhuǎn)器所獲得的相同。在18GHz下實現(xiàn)的 單IF相位旋轉(zhuǎn)器減小了相位控制的復(fù)雜性(僅需要32步進vs,64步進)， 并消除了對在IF頻率下的模擬正交產(chǎn)生的需要，因為正交IF信號可直接 從18GHz輸出信號的分割正交產(chǎn)生。然而，18GHz相位旋轉(zhuǎn)器需要能在 18GHz下運行的更高性能差分對以及正交產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)，以便向相位旋轉(zhuǎn)器的 輸入提供正交信號。
單IF相位旋轉(zhuǎn)器可交替在9GHz IF頻率下使用，結(jié)合正交產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò) (圖6)使用以便產(chǎn)生對于正交下變頻器的所需要的1/Q信號。
對于圖6所示的正交旋轉(zhuǎn)器系統(tǒng)，相位旋轉(zhuǎn)器中的差分對被設(shè)計為在 IF頻率下運行，或?qū)τ趫D7所示的單旋轉(zhuǎn)器系統(tǒng)，在IF的頻率的兩倍下 運行。這對應(yīng)于優(yōu)選的60GHz無線電結(jié)構(gòu)中的9GHz和18GHz。這兩個 頻率可通過用于實現(xiàn)集成60GHz無線電設(shè)計的優(yōu)選實施例的高性能SiGe 晶體管實現(xiàn)。本發(fā)明不限于所介紹的運行頻率和速率或構(gòu)造材料，其他的 頻率與材料也是可以考慮的。
參照圖6，示例性地示出了使用相位旋轉(zhuǎn)器106以實現(xiàn)載波恢復(fù)的接 收器系統(tǒng)200的一個實施例。兩個模擬相位旋轉(zhuǎn)器106接收由分割器240 分割的信號，并用于產(chǎn)生同相與正交(I與Q)LO信號，使得對于發(fā)送(未 示出)和接收路徑的數(shù)字360度相位控制成為可能。
可從內(nèi)部基準(zhǔn)時鐘頻率232或外部數(shù)字時鐘230得到時鐘的數(shù)字PLL 228由基帶IQ信號得出相位誤差，并將數(shù)字相位控制信息輸出到相位旋轉(zhuǎn) 器106，以便對I與Q信號的相位進行調(diào)節(jié)，從而最小化恢復(fù)相位誤差。PLL 232也用于創(chuàng)建高頻譜純度本地振蕩器信號，其被鎖定到基準(zhǔn)時鐘輸 入234。
參照圖7，在另一實施例中，系統(tǒng)201包含單相位旋轉(zhuǎn)器106，其插入 為IQ下變頻器提供正交LO信號的分割器240之前。通過控制牟地振蕩 器的相位，本發(fā)明也可應(yīng)用于直接變頻無線電結(jié)構(gòu)，然而，超外差結(jié)構(gòu)對 于60GHz集成^器是優(yōu)選的，因為可以使IF頻率足夠低(例如在一個 實施例中為9GHz)，以便實現(xiàn)實際的低功率模擬相位旋轉(zhuǎn)器。
IQ八分驅(qū)動相位恢復(fù)才莫塊243 (類似于或等價于PLL 128)可與IF 相位旋轉(zhuǎn)器電路結(jié)合，以便使得自動調(diào)節(jié)相位旋轉(zhuǎn)器106的相位的數(shù)字 PLL的實現(xiàn)成為可能，從而跟蹤出使用BPSK或QPSK調(diào)制的無線電接收 器系統(tǒng)的頻率與相位誤差。模塊243將參照圖8詳細(xì)介紹。作為才莫塊243 以及由例如專用集成電路芯片247執(zhí)行的其他片外運行的運行結(jié)果，I、 Q、 I+Q、 I-Q信號的符號受到處理，以便判斷相位與頻率調(diào)節(jié)。增量或減量信 號被提供給集成在收發(fā)器IC上的相位求和器244，以便對相位旋轉(zhuǎn)器106 進行調(diào)節(jié)?；贗、 Q、 I+Q、 I-Q參數(shù)的符號，A/D轉(zhuǎn)換器245創(chuàng)建到相 位檢測器/相位鎖定算法242 (圖8)的數(shù)字輸入。
參照圖8，圖4所示的數(shù)字載波恢復(fù)環(huán)140的詳細(xì)部件被示例性地示 出。環(huán)140 (圖4)包含IQ八分驅(qū)動相位恢復(fù)才莫塊243 (圖4中也稱為數(shù) 字PLL128)，其可用于IF相位旋轉(zhuǎn)器系統(tǒng)(圖4、 6和/或7)，以便使 得相位控制環(huán)的實現(xiàn)成為可能，該相位控制環(huán)自動調(diào)節(jié)相位旋轉(zhuǎn)器的相位， 以便跟蹤出使用例如BPSK或QPSK調(diào)制的無線電接收器系統(tǒng)中的頻率和 相位誤差。
模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器245包含作為輸入來自基帶VGA 122 (圖 4)的I與Q，使用求和器260，將零加到I,并將零加到Q,加得I+Q， 減得I-Q,(這里示為使用變換器261來與求和器結(jié)合對Q的符號進行變 換)。使用A/D轉(zhuǎn)換器262 (其在優(yōu)選實施例中包含高靈敏度二進制檢測 鎖存器)，對于求和器260的輸出確定符號，例如對于正的結(jié)果輸出數(shù)字 "1"，對于負(fù)的結(jié)果輸出數(shù)字"0"。這些符號4皮輸入到數(shù)字相位檢測器
242 ，其使用邏輯和/或狀態(tài)機來確定相位旋轉(zhuǎn)器的相位校正設(shè)置。
相位檢測器/模塊242具有作為輸入的四個1位符號(其來自基帶I、 Q、 I+Q、 I-Q模擬信號)，在優(yōu)選實施例中，這些符號使用任何適當(dāng)?shù)南?位檢測算法或能夠得出適當(dāng)?shù)南辔怀?滯后信號的方法進行處理，以便驅(qū) 動數(shù)字二階積分器環(huán)272，從而對于恒定頻率偏差實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)相位誤差。 因此，在不需要模擬Costas環(huán)/VCO或高速率/高精度A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的情 況下提供相干解調(diào)。這使得寬帶無線電(例如60GHz)直楱接口到高速(幾 Gb )才莫擬SERDES I/O核(圖4、 6、 7中的132與134)。
如上所述，1/Q相位檢測器模塊242從所接收的I/Q信號(sgn (I)， sgn (Q) ， sgn (I+Q) ， sgn (I-Q))接收四個l位信號。算法/模塊242 輸出用于保持與BPSK或QPSK接收信號的相位相干的相位校正值。優(yōu)選 實施例中的相位檢測器模塊可被配置為用于使用模塊選擇控制254的 BPSK或QPSK運行。在優(yōu)選實施例中，如果在IF頻率下實現(xiàn)，相位旋轉(zhuǎn) 器106將對于360度旋轉(zhuǎn)具有64步進，或者，如果在2XIF頻率下實現(xiàn)， 將對于360度旋轉(zhuǎn)具有32步進。旋轉(zhuǎn)器的相位設(shè)置可通過經(jīng)過外部接口到 圖7所示的無線電IC 201的增量/減量線246得到控制，或者，如果數(shù)字 邏輯集成在片上的話，通過來自IQ相位恢復(fù)模塊243的分別對于32步進 或64步進相位旋轉(zhuǎn)器的二補碼編碼(twos-complement coded) 5或6位控 制向量264得到控制。
數(shù)字PLL使用相位檢測模塊242實現(xiàn)，相位檢測模塊242處理可從1 位判定1>0、 Q>0、 (I+Q)>0、 (I-Q)X)獲得的符號信息。相位檢測器產(chǎn)生相 位超前或相位滯后信號，該信號被發(fā)送到數(shù)字比例積分(PI)路徑環(huán)路積 分器272。這種類型的環(huán)路積分器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。它是二階積分 器，其使得在沒有穩(wěn)態(tài)相位誤差的情況下多M宗固定頻率偏差成為可能。頻 率狀態(tài)變量鎖定到發(fā)送器與接收器之間的頻率差，相位狀態(tài)變量鎖定到相 位差。在優(yōu)選實施例中，P-I積分器與相位鎖定算法(243)以旋轉(zhuǎn)器步進 速率更新，該速率在優(yōu)選實施例中介于500Ms/s與800Ms/s之間。
本發(fā)明在不需要發(fā)送器的IQ采樣的D/A或接收器的IQ采樣的A/D
的情況下使得無線電收發(fā)器的發(fā)送與接收路徑的數(shù)字相位控制成為可能， 其可用于相控陣列天線系統(tǒng)應(yīng)用之中。
除其他的以外，本發(fā)明提供的功能包括
1) 對于可用于寬帶(60GHz)無線電系統(tǒng)的多GbBPSK/QPSK調(diào)制 的迅速、充分積分載波相位恢復(fù)。
2) 直接將寬帶IQ解調(diào)器接口到高速時鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)裝置， 而不需要高速高精度A/D與D/A轉(zhuǎn)換器。
3) 用于相控陣列的載波相位控制，而不需要RF/IF基帶數(shù)據(jù)路徑移 相器，也不需要數(shù)字A/D與D/A。
權(quán)利要求
1.一種在無線電裝置中控制信號相位的設(shè)備，其包含相位旋轉(zhuǎn)器，其被配置為對本地振蕩器的相位進行控制；相位誤差確定模塊，其被配置為基于所接收的同相(I)與正交(Q)(IQ)信號值來確定相位誤差信息；以及相位校正模塊，其被配置為從所接收的IQ信號值中得出校正信號，并將所述校正信號應(yīng)用到所述本地振蕩器的路徑中的相位旋轉(zhuǎn)器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其還包含低頻振蕩器，其接收無線電頻率信號并輸出中頻(IF)信號； 正交產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)，其被配置為輸出同相(I)和正交(Q)相位；且 其中，所勤目位旋轉(zhuǎn)器接收來自所述正交產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)的輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其還包含調(diào)節(jié)機構(gòu)，以便通過自動電 路4吏得對相位旋轉(zhuǎn)器的相位調(diào)節(jié)成為可能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其還包含調(diào)節(jié)機構(gòu)，以便通過外部接口使得對相位旋轉(zhuǎn)器的相位調(diào)節(jié)成為可能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器包含能夠在360度的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)本地振蕩器相位的數(shù)字控制模擬相位旋轉(zhuǎn)器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器控制多變頻無線電 結(jié)構(gòu)中的中頻(IF)本地振蕩器信號的相位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器包含在所述IF頻率的 倍數(shù)下使用的單相位旋轉(zhuǎn)器，且相位旋轉(zhuǎn)器的輸出除以所述倍數(shù)，以便產(chǎn) 生用于正交下變頻器的本地振蕩驅(qū)動。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器包括在所述IF頻率下 使用的第一與第二相位旋轉(zhuǎn)器，其中，第一相位旋轉(zhuǎn)器用于驅(qū)動同相下變 頻，第二旋轉(zhuǎn)器用于驅(qū)動正交相位下變頻。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器在所述IF頻率下使用， 相位旋轉(zhuǎn)器的輸出通過正交產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò),皮發(fā)送，以便產(chǎn)生用于正交下變頻器 的本地振蕩器信號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，所述設(shè)備包含在集成電路芯 片上。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器裝置連接到接收器下 變頻器，相位旋轉(zhuǎn)器受到片上處理邏輯的自動控制，以^"更實現(xiàn)載波恢復(fù)功能。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器通過接口總線受到片 外處理邏輯的控制，以便控制相位。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中，芯片包含接收器部分與發(fā)送器部 分，相位旋轉(zhuǎn)器受到片外處理邏輯的控制，以便獨立控制接收器信號相位 和發(fā)送器信號相位。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，相位校正信號從輸出自正交 下變頻器的(I+Q)與(I-Q)信號的符號、I的符號、Q的符號得出。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，該設(shè)備在集成電路芯片上， 相位校正信號凈a送到片上處理邏輯，以便在片上自動建立相位校正值。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，該設(shè)備在集成電路芯片上， 相位校正信號被引入片外總線，其可由外部控制器裝置提供時鐘并讀取， 以便建立通過外部接口被傳送回到芯片上的相位校正信號。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的設(shè)備，其中，相位旋轉(zhuǎn)器包括被配置為控 制直接變頻無線電結(jié)構(gòu)中的零差頻率的模擬相位旋轉(zhuǎn)器。
18. —種用于控制無線電裝置中的相位的方法，其包含 使用數(shù)字控制模擬相位旋轉(zhuǎn)器控制無線電裝置中的本地振蕩器的相位；通過一個或一個以上的自動電路或外部接口使得相位旋轉(zhuǎn)器的相位調(diào) 節(jié)成為可能；基于所接收的同相和正交相位(IQ)信號值確定相位誤差信息；以及 將從所接收的IQ信號值得到的相位校正信號應(yīng)用到無線電裝置的本 地振蕩器路徑中的相位旋轉(zhuǎn)器裝置。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，使得調(diào)節(jié)成為可能包括在360度 的范圍上調(diào)節(jié)本地振蕩器相位。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，應(yīng)用包括通過片上處理邏輯自動 控制相位旋轉(zhuǎn)器，以便在接收器下變頻器中實現(xiàn)載波恢復(fù)功能。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述應(yīng)用包括經(jīng)過接口總線通過 片外處理邏輯控制相位旋轉(zhuǎn)器，以便控制接收器信號相位和/或發(fā)送器信號 相位，其中，接收器與發(fā)送相位可獨立地受到控制。
22. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述確定包括從輸出自正交下變 頻器的(I+Q)與(I-Q)信號的符號、I的符號、所接收的Q的符號得出 接收器相位校正信號。
全文摘要
一種控制無線電裝置中的信號相位的設(shè)備和方法，其包含被配置為控制本地振蕩器的相位的相位旋轉(zhuǎn)器。相位誤差確定模塊被配置為基于所接收的同相(I)和正交(Q)(IQ)信號值來確定相位誤差信息。相位校正模塊被配置為從所接收的IQ信號值得出校正信號，并將校正信號應(yīng)用到本地振蕩器的路徑中的相位旋轉(zhuǎn)器。
文檔編號H04L27/227GK101361336SQ200780001755
公開日2009年2月4日 申請日期2007年1月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月11日
發(fā)明者B·弗洛伊德, S·K·雷諾茲, S·V·雷洛夫, T·J·比克馬 申請人:國際商業(yè)機器公司