混频器设备和对DC偏移进行补偿的方法

摘要

一种混频器设备，配备了具有输入单元和开关单元的混频器电路、以及DC偏移补偿器，其中输入单元对输入的信号进行放大，开关单元对放大的输入信号和开关信号进行混频、并输出相乘后的信号，DC偏移补偿器检测输入信号的输入电平、并基于该检测信号输出补偿信号，将该补偿信号提供到混频器电路，以对包含在相乘后的信号中的DC偏移进行补偿。将DC偏移补偿器输出的补偿信号加到输入单元的输出信号上，以便对DC偏移进行补偿。包含在补偿信号中的低频噪声变换至与开关信号频率接近的频率，并且不涵盖混频器输出的期望波段。

权利要求

1.一种混频器设备，包括：

混频器电路，其具有用于对输入信号进行放大的输入单元，以及将所述放大的输入信号和开关信号进行混频并输出相乘后的信号的开关单元；以及DC偏移补偿器，其检测所述输入信号的输入电平，并基于检测信号输出补偿信号，所述补偿信号被提供到所述混频器电路，以对包含在所述相乘后的信号中的DC偏移进行补偿，其中，将所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号加到所述输入单元的输出信号上，以对所述DC偏移进行补偿。

2.如权利要求1所述的混频器设备，其中，将RF信号作为所述输入信号输入，将本地信号作为所述开关信号提供到所述开关单元，并将IF信号作为所述相乘后的信号从所述开关单元输出。

3.如权利要求2所述的混频器设备，其中，所述DC偏移补偿器包括：检测器，其检测RF信号并输出所述检测信号；以及

控制器，其接收所述检测信号并产生所述补偿信号，

其中，所述控制器是可调的，使得通过所述补偿信号将包含在所述IF信号中的所述DC偏移最小化。

4.如权利要求1所述的混频器设备，其中，所述混频器电路包括吉尔伯特单元。

5.如权利要求1所述的混频器设备，其中，所述输入单元包括所述输入信号被输入到其中的双极晶体管，以便组成双极放大器，其中从所述双极晶体管的集电极端子输出所述放大的输入信号。

6.如权利要求5所述的混频器设备，其中，所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号被输入到所述双极放大器的集电极端子。

7.如权利要求1所述的混频器设备，其中，所述输入单元包括所述输入信号被输入到其中的MOSFET，以便组成MOSFET放大器，其中从所述MOSFET的漏极端子输出所述放大的输入信号。

8.如权利要求7所述的混频器设备，其中，所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号被输入到所述MOSFET放大器的漏极端子。

9.一种混频器设备，包括：

混频器电路，其具有用于对输入信号进行放大的输入单元，以及将放大的所述输入信号和开关信号进行混频并输出相乘后的信号的开关单元；以及DC偏移补偿器，其检测所述输入信号的输入电平，并基于检测信号输出补偿信号，所述补偿信号被提供到所述混频器电路，以对包含在所述相乘后的信号中的DC偏移进行补偿，其中，将所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号加到所述输入单元上，以对所述DC偏移进行补偿，所述输入单元包括所述输入信号被输入到其中的双极晶体管，以便组成双极放大器，其中从所述双极晶体管的集电极端子输出所述放大的输入信号，所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号被输入到所述双极放大器的发射极端子。

10.一种混频器设备，包括：

混频器电路，其具有用于对输入信号进行放大的输入单元，以及将放大的所述输入信号和开关信号进行混频并输出相乘后的信号的开关单元；以及DC偏移补偿器，其检测所述输入信号的输入电平，并基于检测信号输出补偿信号，所述补偿信号被提供到所述混频器电路，以对包含在所述相乘后的信号中的DC偏移进行补偿，其中，将所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号加到所述输入单元上，以对所述DC偏移进行补偿，所述输入单元包括所述输入信号被输入到其中的双极晶体管，以便组成双极放大器，其中从所述双极晶体管的集电极端子输出所述放大的输入信号，所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号被输入到所述双极放大器的基极端子。

11.一种混频器设备，包括：

混频器电路，其具有用于对输入信号进行放大的输入单元，以及将放大的所述输入信号和开关信号进行混频并输出相乘后的信号的开关单元；以及DC偏移补偿器，其检测所述输入信号的输入电平，并基于检测信号输出补偿信号，所述补偿信号被提供到所述混频器电路，以对包含在所述相乘后的信号中的DC偏移进行补偿，其中，将所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号加到所述输入单元上，以对所述DC偏移进行补偿，所述输入单元包括所述输入信号被输入到其中的MOSFET，以便组成MOSFET放大器，其中从所述MOSFET的漏极端子输出所述放大的输入信号，所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号被输入到所述MOSFET放大器的源极端子。

12.一种混频器设备，包括：

混频器电路，其具有用于对输入信号进行放大的输入单元，以及将放大的所述输入信号和开关信号进行混频并输出相乘后的信号的开关单元；以及DC偏移补偿器，其检测所述输入信号的输入电平，并基于检测信号输出补偿信号，所述补偿信号被提供到所述混频器电路，以对包含在所述相乘后的信号中的DC偏移进行补偿，其中，将所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号加到所述输入单元上，以对所述DC偏移进行补偿，所述输入单元包括所述输入信号被输入到其中的MOSFET，以便组成MOSFET放大器，其中从所述MOSFET的漏极端子输出所述放大的输入信号，所述DC偏移补偿器输出的所述补偿信号被输入到所述MOSFET放大器的栅极端子。

13.一种用于对DC偏移进行补偿的方法，该DC偏移包含在一相乘后的信号中，所述相乘后的信号是通过由输入单元对输入信号进行放大以及由开关单元对该放大的输入信号和开关信号进行混频而获得的，所述方法包括：检测所述输入信号的电平；

基于电平检测信号，产生用于对所述包含于所述相乘后的信号中的DC偏移进行补偿的补偿信号；

将所述补偿信号提供到所述输入单元，所述补偿信号被加到所述放大的输入信号上；以及由所述开关单元对所述放大的输入信号被所述补偿信号补偿后的信号和所述开关信号进行混频，以输出所述相乘后的信号。

14.如权利要求13所述的用于对DC偏移进行补偿的方法，其中，将RF信号作为所述输入信号输入，将本地信号作为所述开关信号提供到开关单元，并将IF信号作为所述相乘后的信号从所述开关单元输出。

15.如权利要求13所述的用于对DC偏移进行补偿的方法，其中，由检测器检测所述输入信号的电平，以输出该电平检测信号，

将所述电平检测信号输入到控制器，以产生对包含在所述相乘后的信号中的所述DC偏移进行补偿的所述补偿信号，以及所述控制器能够被调整，使得通过调整信号将包含在所述相乘后的信号中的所述DC偏移最小化。

说明书

技术领域

本发明涉及混频器设备中的DC(直流)偏移补偿，该混频器设备对输入信号和开关信号进行混频，并输出相乘后的信号。本发明尤其涉及具有适于对使用直接变换无线接收机的情况下、输入干扰波段信号时所产生的DC偏移进行补偿的功能的混频器设备，以及用于对DC偏移进行补偿的方法。

背景技术

近年来，相对于无线接收机的小型化和降价，已经提出了使用直接变换系统的技术。在这样的系统中，输入RF(无线频率)信号被直接变换成低频基带信号，因此与需要高频率IF(中频)信号的超外差系统相比，该系统具有不需要中频滤波器的优点。直接变换系统也指零IF系统，因为该IF信号的中心频率是DC。
通过使用混频器电路将输入RF信号的频率与具有相同频率的本地信号进行混频(合成)，来进行频率变换。然而，在直接变换系统中，当输入信号电平很大时，在混频器电路中存在二阶(second order)非线性失真的情况下，输出基带信号中出现DC偏移。将参照图7和图8详细说明这种情况。
图7示出了输入RF信号的频谱，数字101表示具有与本地信号频率fLO相同的中心频率的弱电平期望波段信号，数字102表示在高频fINT出现的高电平干扰波段信号。伴随着这种高电平干扰波段信号的RF信号输入到混频器电路的结果是，出现在混频器输出中的输出信号的频谱变成如图8中所示的频谱。数字103和104分别表示在对RF输入的期望波段信号101和干扰波段信号102进行频率变换之后，出现在混频器输出中的分量。数字105表示当在混频器电路中存在二阶非线性失真时，由高电平干扰波段信号所产生的DC偏移。
因此，在直接变换系统中，存在的问题就是，由于在混频器输出的期望波段信号103的频率范围内产生DC偏移105，而导致接收机灵敏度降低。如果混频器电路由差分电路组成，且差分平衡是完全对称的，那么将不存在二阶非线性失真。然而，由于制造的不规则性导致构成差分电路的元件不可能制造的完全对称，所以不可能消除二阶非线性失真。因此，已经提出了对由二阶非线性失真所产生的DC偏移进行补偿的技术。
下面参照图9说明美国专利No.6535725中公开的一种方法，该方法用于检测包含在输入RF信号中的干扰波段信号，并且对在混频器输出中产生的DC偏移进行补偿。
在图9中，数字106表示混频器电路，其由开关单元107和RF输入单元108组成。开关单元107由双极晶体管Q1、Q2、Q3和Q4组成。RF输入单元108由双极晶体管Q5和Q6以及电阻器R组成。RF输入单元108对从RF输入端子109和110输入的RF信号进行放大。在开关单元107中对放大的RF信号和从本地输入端子111和112输入的本地信号进行混频，从而将放大的RF信号变换成IF信号，并且从输出端子113和114输出该变换的IF信号。
如果组成开关单元107的全部晶体管Q1、Q2、Q3和Q4具有完全相同的特征，差分电路的平衡将完全对称。然而，由于制造的不规则性导致双极晶体管Q1、Q2、Q3和Q4各自具有不同于理想特性的特性，所以当输入RF信号变换成IF信号时，产生了二阶非线性失真。因此，如图8中所示，在混频器输出中产生了DC偏移。众所周知，由于DC偏移与输入信号强度的平方成比例，因此包含在输入信号中的干扰波段信号的电平越高，输出DC偏移将变得越大。
另一方面，图9中所示的电路配备有DC偏移补偿器115。DC偏移补偿器115由检测器116、控制器117以及校正发生器118组成。检测器116对输入RF信号进行检测，并输出检测信号。控制器117响应检测信号，而产生控制信号。校正发生器118响应来自于控制器117的控制信号，而产生补偿信号，使得混频器输出端子113和114的DC偏移减少。通过DC偏移补偿器115的上述操作，由校正发生器118输出到混频器电路106的补偿信号响应于输入RF信号的强度而改变，且抵消了混频器输出的DC偏移。此外，在混频器电路106中，由于制造的不规则性导致各个元件的二阶非线性失真特性不同，因此在DC偏移补偿器115中还提供了用户接口119的功能，以便调整由控制器117产生的控制信号。
然而，在增加补偿信号以便对包含在混频器输出信号中的DC偏移进行补偿的方法中，在DC偏移补偿器内产生的低频噪声叠加在所使用的补偿信号上。因此，虽然对包含在混频器输出信号中的DC偏移进行了补偿，但是在期望波段信号的频率范围内新增加了噪声信号。为了说明这种情况，在图10中示出了DC偏移补偿之后混频器输出的频谱。如图8所示，数字103和104分别表示在混频器电路中进行频率变换之后出现在混频器输出中的期望波段信号和干扰波段信号。数字120表示包含在由DC偏移补偿器产生的补偿信号中的低频噪声，其涵盖了期望波段。因此，即使对DC偏移进行了补偿，输入高电平干扰波段信号时产生的接收灵敏度的降低并没有得到改善。

发明内容

因此，考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种能够对DC偏移进行补偿、使得包含在DC偏移补偿信号中的低频噪声不涵盖混频器输出的期望频段的混频器设备，以及一种解决了上述常规技术中问题的DC偏移补偿方法。
根据本发明的混频器设备配备了具有输入单元和开关单元的混频器电路、以及DC偏移补偿器，其中输入单元对输入信号进行放大，开关单元将放大的输入信号和开关信号进行混频、并输出相乘后的信号，DC偏移补偿器检测输入信号的输入电平、并基于该检测信号输出补偿信号，将该补偿信号提供到混频器电路，以便对包含在相乘后的信号中的DC偏移进行补偿。为了实现上述目的，将DC偏移补偿器输出的补偿信号加到输入单元的输出信号上，以便对DC偏移进行补偿。
根据本发明的方法用于对包含在通过由输入单元对输入信号进行放大、并由开关单元对放大的输入信号和开关信号进行混频而获得的相乘后的信号中的DC偏移进行补偿。为了达到上述目的，该方法包括：检测输入信号的电平；基于电平检测信号产生用于对DC偏移进行补偿的补偿信号；将该补偿信号提供到输入单元，该补偿信号被加到放大的输入信号上；并且由开关单元对输入单元的输出和开关信号进行混频，以便输出相乘后的信号。
利用上述结构，包含在DC偏移补偿信号中的低频噪声在混频器输出中变换至与开关信号频率接近的频率，因此可以对DC偏移进行补偿，使得低频噪声不涵盖混频器输出的期望波段。

附图说明

图1是根据本发明实施例的混频器设备的结构示意图；
图2是相同混频器设备的内部电路结构图；
图3是示出了包含在相同混频器设备中的检测器的示例结构的电路图；
图4是示出了相同检测器的输出电压相对于RF输入电平变化的曲线图；
图5是示出了包含在相同混频器设备中的控制器的示例结构的电路图；
图6是相同混频器设备中的混频器输出的信号频谱图；
图7是根据常规技术的混频器输入的信号频谱图；
图8是当没有进行DC偏移补偿时根据常规技术的混频器输出的信号频谱图；
图9是根据常规技术的混频器设备的内部电路结构图；以及
图10是根据常规技术的混频器输出的信号频谱图。

具体实施方式

在本发明的混频器设备中，可以采用如下结构，其中，将RF信号作为输入信号输入，将本地信号作为开关信号提供到开关单元，并且将IF信号作为从开关单元输出的相乘后的信号输出。
DC偏移补偿器可以包括检测器，其检测RF信号并输出检测信号；以及控制器，其接收检测信号并产生补偿信号，其中该控制器是可调的，使得通过补偿信号将包含在IF信号中的DC偏移最小化。
混频器电路可以由吉尔伯特(Gilbert)单元组成。
输入单元可以包括输入信号被输入到其中的双极晶体管，以便组成双极放大器，其中从双极晶体管的集电极端子输出放大的输入信号。在这种情况下，可以将DC偏移补偿器输出的补偿信号输入到双极放大器的集电极端子。可选地，可以将DC偏移补偿器输出的补偿信号输入到双极放大器的发射极端子。可选地，可以将DC偏移补偿器输出的补偿信号输入到双极放大器的基极端子。
输入单元可以包括输入信号被输入到其中的MOSFET，以便组成MOSFET放大器，其中从MOSFET的漏极端子输出放大的输入信号。在这种情况下，可以将DC偏移补偿器输出的补偿信号输入到MOSFET放大器的漏极端子。可选地，可以将DC偏移补偿器输出的补偿信号输入到MOSFET放大器的源极端子。可选地，可以将DC偏移补偿器输出的补偿信号输入到MOSFET放大器的栅极端子。
在本发明的方法中，可以将RF信号作为输入信号输入，将本地信号作为开关信号提供到开关单元，并且将IF信号作为相乘后的信号从开关单元输出。
也可以由检测器检测输入信号的电平，以输出电平检测信号，将电平检测信号输入到控制器，以产生对包含在相乘后的信号中的DC偏移进行补偿的补偿信号，控制器是可调的，使得通过调整信号，将包含在相乘后的信号中的DC偏移最小化。
下文中，将参照附图通过说明性实施例描述本发明。
图1是根据本发明实施例的混频器设备的结构示意图。在图1中，数字1表示混频器电路，由RF输入单元2和开关单元3组成。RF输入单元2对输入RF信号进行放大，通过在开关单元3中对放大的RF信号和本地信号进行混频，将放大的RF信号变换成IF信号，并且将这个变换的IF信号输出到混频器电路1的后级电路。
数字4表示DC偏移补偿器，其包括检测器5和控制器6。检测器5检测输入RF信号的输入电平，并输出检测信号。控制器6接收该检测信号，调整该信号的电平，以产生补偿信号。将补偿信号引入RF输入单元2中，并且将补偿信号叠加在RF信号上得到的信号输入到开关单元3。由于混频器电路1的二阶非线性失真，包含在RF信号中的高电平干扰波段信号使得在混频器输出信号中产生DC偏移，但是输入到RF输入单元2的补偿信号在开关单元3中操作，以使得混频器输出中的DC偏移减小。
现在参照图2中所示的混频器设备的内部电路结构图详细说明上述内容。在图2中，数字10和11表示RF输入端子，数字12和13表示本地输入端子，数字14和15表示输出端子。RF输入单元2包括晶体管16和17以及电阻器R，且RF输入端子10和11连接至晶体管16和17的基极。开关单元3包括晶体管18、19、20和21，且与RF输入单元2共同组成了吉尔伯特单元。
对输入到RF输入端子10和11的RF信号进行频率变换，并将其输出到输出端子14和15。当这样操作时，由于组成开关单元3的晶体管18至21制造的不规则性而导致的不匹配，出现了二阶非线性失真并且在输出信号中产生了DC偏移。这与图9中示出的常规示例的情况完全一样。
在本实施例中，将控制器6输出的补偿信号提供到组成RF输入单元2的晶体管16和17的集电极端子。通过将补偿信号输入到开关单元3，开关单元3的工作电流改变了。当补偿信号是Icomp+和Icomp-，且A、B、C和D分别是晶体管18至21的偏移系数时，由方程(1)给出在流到输出端子14和15的差分输出电流中、由补偿信号引起的波动电流ΔIout。
ΔIout＝(A·(Icomp-)+C·(Icomp+))-(B·(Icomp-)+D·(Icomp+))
                                                       ...(1)
当这些偏移系数A、B、C和D一样时，电流ΔIout为零。然而，当混频器电路1具有二阶非线性失真时，由于该失真的起因是组成开关单元3的晶体管18至21的不匹配，所以偏移系数A、B、C和D具有不同的值。因此，通过适当地产生信号值Icomp+、Icomp-，可以用与电流量ΔIout对应的量值对混频输出进行补偿。
由于制造的不规则性导致混频器电路1的二阶非线性失真的特征相对于各个元件都不同，所以为了调整由控制器6产生的补偿信号，在DC偏移补偿器4中提供了控制端子22。即，通过从控制端子22输入控制信号，能够适当地调整补偿信号。
图3中示出了检测器5的具体示例结构。在图3中，数字23和24表示RF输入线路，其连接至晶体管25和26的基极。数字27表示检测器输出电流。
在图4中，横轴表示RF输入电平，纵轴表示检测器输出电流27的电平。当RF输入信号为零时，检测器输出电流27由I0表示。由于二阶非线性，当RF输入电平升高时，在晶体管25和26的集电极电流中产生升高的DC电流，且通过将这些电流加在一起而获得的检测器输出电流27升高，如图4所示。Idet是检测器输出电流27升高的部分。
图5示出了控制器6的具体示例结构。数字30表示输入端子。晶体管31和32组成差分电路。由施加在晶体管31和32的基极之间的控制电压V1控制流经晶体管31和32的电流的比例。将差分电路的输出作为补偿电流Iout1和Iout2，经由P沟道FET33、34、35和36，从输出端子37和38输出。
从输入端子30输入检测器5中产生的检测电流Iin，驱动流经组成差分电路的晶体管31和32的电流。由控制电压V1控制流到晶体管31和32的集电极电流的比例，且分别由组成电流镜的P沟道FET33和35以及P沟道FET34和36对晶体管31和32的集电极电流进行折叠，并将其从输出端子37和38输出。
分别从输出端子37和38输出的补偿电流Iout1和Iout2与从输入端子30输入的检测电流Iin的电平成比例。当控制电压V1为正时，晶体管31的集电极电流大于晶体管32的集电极电流，且输出补偿电流Iout1变得大于Iout2。即，在补偿电流差值(Iout1-Iout2)中产生正向偏移。相反，当控制电压V1为负时，在补偿电流差值(Iout1-Iout2)中产生负向偏移。这样，可以用控制电压V1来控制偏移量。
通常，从DC偏移补偿器4输出的补偿信号中包含低频噪声，且其频谱，如图10中的噪声信号120，具有涵盖混频器输出的期望波段的频率分量。另一方面，在图2的混频器设备中，由于在开关单元3中对补偿信号和本地信号进行混频，所以包含在补偿信号中的低频噪声变换至与本地信号频率接近的频率。
图6示出了在混频器电路1的输出端子14和15上出现的输出信号频谱。数字41和42分别表示包含在输入RF信号中的期望波段信号和干扰波段信号的频率变换之后的频谱。数字43表示包含在补偿信号中的低频噪声的频率变换之后的频谱。这样，即使在补偿信号中包含低频噪声，由于该低频噪声变换至与本地信号频率接近的频率，所以该低频噪声将不涵盖期望波段。
使用本实施例，由于低频噪声没有进入混频器输出中，噪声信号没有叠加在期望波段信号上，所以能够对由高电平干扰波段信号导致的DC偏移进行补偿，并且接收机灵敏度的降低得到极大改善。
在本实施例中，由DC偏移补偿器4输出的补偿信号输入到组成RF输入单元2的晶体管16和17的集电极端子，但是将该补偿信号输入到发射极端子或者基极端子，可以获得同样的效果。而且，虽然举例说明了构成混频器电路1的晶体管是双极晶体管的情况，但是混频器电路1也可以由MOSFET构成。
此外，在本实施例中，虽然通过示例给出了在直接变换系统中用于频率变换的混频器设备，但是本发明同样也可用于其它具有使输入信号和开关信号相乘的功能的混频器设备。
本发明可以在不背离于其精神和实质特征的情况下以其它形式体现。本申请中公开的实施例在各方面都将被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求指出，而不是由前面的描述指出，并且该权力要求旨在包含与权利要求等价的含义和范围内的所有变更。