ПРЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ С ГЕТЕРОДИННЫМИ СИГНАЛАМИ ПЕРЕМЕННОЙ АМПЛИТУДЫ
DIRECT CONVERSION WITH HETERODYNE SIGNALS OF VARIABLE AMPLITUDE

Область техники
Настоящее изобретение относится к электронным схемам, более конкретно к способам выполнения прямого преобразования с использованием гетеродинных сигналов переменной амплитуды.
Предшествующий уровень техники
В системах беспроводной связи данные обычно обрабатываются (например, кодируются и модулируются) в цифровом виде и затем подвергаются преобразованию с повышением частоты из базовой полосы (полосы модулирующих частот) на радиочастоту для получения радиочастотного (РЧ) модулированного сигнала, более подходящего для передачи по беспроводному каналу связи. Преобразование с повышением частоты может выполняться с использованием различных структур передатчика. В супергетеродинном передатчике преобразование с повышением частоты выполняется по меньшей мере в двух каскадах - обычно из базовой полосы на промежуточную частоту (ПЧ) в первом каскаде и затем с ПЧ на РЧ во втором каскаде. В передатчике прямого преобразования преобразование с повышением частоты выполняется в одном каскаде - из базовой полосы непосредственно на РЧ. Каждый каскад требует использования гетеродинного сигнала для выполнения преобразования с повышением частоты с входной частоты (являющейся либо частотой базовой полосы, либо ПЧ) на выходную частоту (являющуюся либо ПЧ, либо РЧ).
Важным фактором, учитываемым при проектировании передатчика, является величина утечки гетеродинного сигнала в модулированном РЧ сигнале. Идеальный каскад преобразования с повышением частоты должен принимать входной сигнал и гетеродинный сигнал и генерировать выходной сигнал, который просто представляет собой входной сигнал, перенесенный по частоте посредством гетеродинного сигнала. Однако ввиду несовершенства схемных компонентов и/или ввиду топологии схемы часть гетеродинного сигнала неизбежно проникает в выходной сигнал. Эта утечка гетеродинного сигнала действует как шум в выходном сигнале и может дополнительно вызвать другие нарушения.
Утечка гетеродинного сигнала является более проблематичной в передатчике с прямым преобразованием частоты, так как частота гетеродинного сигнала настроена на выходную частоту полезного РЧ сигнала. В таком передатчике гетеродинный сигнал может проникать в выходной сигнал за счет резистивной связи (например, по кремниевой подложке) и/или за счет магнитной связи (например, через индуктивности, используемые в схеме гетеродина и в тракте передатчика). В противоположность этому в супергетеродинном передатчике гетеродинные сигналы для каскадов, которые не настроены на частоту полезного РЧ сигнала, ответвление сигнала гетеродина и распределение усиления в тракте сигнала передатчика обычно таковы, что утечка гетеродинного сигнала не является настолько серьезной.
Утечка гетеродинного сигнала является также более проблематичной для передатчика, который должен обеспечивать широкий диапазон регулировки выходной мощности. Одним таким применением, которое требует такого широкого диапазона регулировки мощности, является система связи множественного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР). В обратной линии связи в системе МДКР сигнал с каждого терминала расширяется по спектру во всей (например, 1,2288 МГЦ) полосе системы. Таким образом, передаваемый сигнал от каждого терминала действует как взаимная помеха для сигналов от других терминалов в системе. Для минимизации взаимных помех и увеличения пропускной способности системы передаваемая мощность каждого терминала настраивается так, чтобы поддерживалось требуемое качество принимаемого сигнала при минимизации взаимных помех другим терминалам. В прямой линии связи передаваемая мощность сигнала, направляемая к каждому терминалу, также настраивается таким образом, чтобы большее количество терминалов могло быть обслужено при заданной фиксированной общей передаваемой мощности. Для некоторых систем МДКР может потребоваться, чтобы терминал обеспечивал возможность регулировки своей выходной мощности в динамическом диапазоне 85 дБ и более.
Когда выходной сигал находится на высоком уровне мощности, величина утечки гетеродинного сигнала обычно мала, даже для передатчика с прямым преобразованием частоты. Однако когда уровень выходного сигнала снижается, то утечка гетеродинного сигнала становится более существенной. В действительности, качество выходного сигнала ухудшается, по мере того как величина утечки гетеродинного сигнала приближается к уровню полезного сигнала. Чтобы передатчик с прямым преобразованием частоты обеспечивал широкий динамический диапазон выходной мощности, утечка гетеродинного сигнала должна надлежащим образом учитываться для обеспечения того, чтобы ухудшение за счет утечки гетеродинного сигнала оставалось допустимым даже при минимальном уровне выходной мощности.
Поэтому в технике существует потребность в способах, которые позволили бы снизить воздействие утечки гетеродинного сигала на выходной сигнал при выполнении прямого преобразования частоты.
Сущность изобретения
Предлагаются способы для снижения утечки гетеродинного сигнала путем управления амплитудой гетеродинного сигнала на основе уровня выходного сигнала после процесса преобразования частоты. Гетеродинный сигнал может быть установлен более высоким для более высокого уровня выходного сигнала, который допускает более высокие величины утечки гетеродинного сигнала. Гетеродинный сигнал может быть пропорционально снижен для более низких уровней выходного сигнала, которые более восприимчивы к искажениям, обусловленным утечкой гетеродинного сигнала. Большой гетеродинный сигнал желателен для зашумленного и линейного режима при высоких уровнях выходного сигнала. Это требование снижается на низких уровнях выходного сигнала. Передаточная функция между уровнем гетеродинного сигнала и уровнем выходного сигнала может быть определена таким образом, чтобы обеспечить достижение заданного подавления несущей (или сигнала гетеродина) или других связанных с этим технических характеристик и критериев эффективности.
В одном варианте осуществления предусматривается интегральная схема, содержащая гетеродин и усилитель с переменным усилением. Гетеродин получает сигнал управляемого напряжением генератора (УНГ) (или сигнал, полученный из сигнала УНГ) и генерирует гетеродинный сигнал, имеющий переменную амплитуду и частоту, которая связана с частотой сигнала УНГ. Усилитель с переменным усилением получает управляющий сигнал и настраивает амплитуду гетеродинного сигнала на основе управляющего сигнала. Гетеродинный сигнал с переменной амплитудой используется для преобразования с повышением частоты (например, прямого преобразования) входного сигнала (например, в базовой полосе) для получения выходного сигнала (например, на РЧ). Может выполняться квадратурное генерирование и преобразование с повышением частоты, в этом случае входной сигнал состоит из синфазного (I) и квадратурного (Q) сигналов, а гетеродинный сигнал состоит из синфазного (I) и квадратурного (Q) гетеродинных сигналов.
Выходной сигнал может быть получен из преобразованного с повышением частоты сигнала, который генерируется путем частотного преобразования. Например, выходной сигнал может быть сформирован путем усиления преобразованного с повышением частоты сигнала с переменным усилением и поэтому будет иметь переменный уровень сигнала. Амплитуда гетеродинного сигнала может быть сделана зависимой от уровня выходного сигнала. Амплитуда гетеродинного сигнала и уровень выходного сигнала могут быть связаны конкретной передаточной функцией. Эта передаточная функция может быть определена таким образом, что амплитуда гетеродинного сигнала примерно постоянна для уровня выходного сигнала выше конкретного порога и пропорциональна уровню выходного сигнала (на основе конкретной крутизны характеристики усиления) ниже этого порога. Порог и/или крутизна характеристики усиления могут выбираться или программироваться.
Ниже описаны различные аспекты и варианты осуществления изобретения.
Краткое описание чертежей
Признаки, сущность и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем подробном описании со ссылками на чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы на всех чертежах и на которых показано следующее:
фиг. 1 - блок-схема приемопередающего блока,
фиг. 2 - графическое представление процесса прямого преобразования с повышением частоты,
фиг. 3 - блок-схема прямого повышающего преобразователя,
фиг. 4 - блок-схема гетеродина с переменной амплитудой,
фиг. 5 - пример передаточной функции для амплитуды гетеродинного сигнала в зависимости от уровня выходного сигнала,
фиг. 6 и 7 - соответственно блок-схема и принципиальная схема квадратурного гетеродина с переменной амплитудой,
фиг. 8 - блок-схема блока управления амплитудой.
Детальное описание
На фиг. 1 представлена блок-схема варианта осуществления приемопередающего блока 120, который может быть использован для беспроводной связи. Приемопередающий блок 120 включает в себя передатчик и приемник и может использоваться в качестве терминала (например, сотового телефона или телефонной трубки) или в качестве базовой станции в системе МДКР.
В передающем тракте цифровой процессор 110 сигналов обеспечивает цифровые данные как синфазный (I) и квадратурный (Q) поток данных. I и Q потоки данных преобразуются в I и Q аналоговые сигналы с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 122, отфильтровываются фильтрами 124 для удаления зеркальных сигналов, обусловленных цифроаналоговым преобразованием, и усиливаются усилителями 126.
Прямой повышающий преобразователь 130 получает усиленные I и Q сигналы с усилителей 126 и I и Q гетеродинные сигналы с гетеродина 144 передатчика. Прямой повышающий преобразователь 130 затем выполняет прямое преобразование с повышением частоты усиленных I и Q сигналов из базовой полосы непосредственно на РЧ с использованием I и Q гетеродинных сигналов. Преобразованный с повышением частоты сигнал затем усиливается усилителем с переменным усилением (УПУ) 132, фильтруется фильтром 134 и дополнительно усиливается усилителем мощности (УМ) 136 для генерации РЧ модулированного сигнала. РЧ модулированный сигнал затем направляется через дуплексор 138 и передается посредством антенны 170.
В приемном тракте сигнал принимается антенной 170, направляется через дуплексор 138, усиливается в малошумящем усилителе (МШУ) 162, фильтруется фильтром 164 и буферизуется буфером 166. Прямой понижающий преобразователь 170 принимает буферизованный сигнал с буфера 166 и I и Q гетеродинные сигналы с гетеродина 154 приемника. Понижающий преобразователь 170 затем выполняет преобразование с понижением частоты буферизованного сигнала с РЧ непосредственно в базовую полосу с использованием I и Q гетеродинных сигналов. I и Q сигналы базовой полосы затем усиливаются УПУ 172, фильтруются фильтрами 174 и преобразуются в цифровую форму аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) 176 для получения выборок цифрового сигнала. Выборки затем подаются на цифровой процессор 110 сигналов для последующей обработки.
УНГ
УНГ 142 и 152 обеспечивают сигналы УНГ, используемые для генерации гетеродинных сигналов, которые затем используются для преобразования с повышением частоты и для преобразования с понижением частоты соответственно. Сигнал УНГ является периодическим сигналом с конкретной основной частотой (f) и может быть любой формы (например, синусоидальным, прямоугольным, пилообразным и т.д.). Поскольку в системе МДКР для прямой линии связи (или нисходящей линии связи) и обратной линии связи (или восходящей линии связи) используются разные частоты, то сигналы УНГ с УНГ 142 и 152 могут иметь ту же самую частоту или различные частоты в зависимости от конструкции гетеродинов 144 и 154. Схема 140 фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) получает информацию с цифрового процессора 110 сигналов и обеспечивает управляющие сигналы для настройки частоты и/или фазы УНГ 142 и 152. УНГ 142 и 152 могут также быть реализованы на основе генератора иного типа.
Гетеродин 144 передатчика получает сигнал УНГ с УНГ 142 и генерирует I и Q гетеродинные сигналы для прямого повышающего преобразователя 130. Аналогично гетеродин 154 приемника получает сигнал УНГ с УНГ 152 и генерирует I и Q гетеродинные сигналы для прямого понижающего преобразователя 170. Блоки 146 и 156 управления амплитудой получают управляющие сигналы с процессора 110 и генерируют сигналы управления амплитудой, используемые для настройки амплитуды гетеродинных сигналов с гетеродинов 144 и 154 соответственно.
На фиг.1 представлена конкретная схема приемопередающего блока. В типовом приемопередатчике формирование сигналов в передающем и приемном трактах может выполняться в одном или нескольких каскадах усилителя, фильтра и т.д., которые могут быть выполнены иначе, чем показано на фиг.1, как известно в технике. Другие схемные блоки, не показанные на фиг. 1, также могут использоваться для формирования сигналов в передающем и приемном трактах.
Кроме того, на фиг.1 показано, что прямое преобразование выполняется как в передающем, так и в приемном трактах. В других схемах прямое преобразование может выполняться только в передающем тракте или только в приемном тракте. Как изложено в настоящем описании, термин «прямое преобразование» может относиться к прямому преобразованию с повышением частоты, к прямому преобразованию с понижением частоты или к прямому преобразованию как с повышением частоты, так и с понижением частоты, в зависимости от контекста, в котором используется данный термин.
Прямое преобразование также может использоваться для различных схем модуляции, включая двоичную фазовую манипуляцию (BPSK), квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK), фазовую манипуляцию (PSK), квадратурную амплитудную модуляцию (QAM) и т.д., как хорошо известно в технике. Для наглядности прямое преобразование с повышением частоты описано ниже на примере QPSK, где I и Q сигналы базовой полосы преобразуются с повышением частоты с использованием I и Q гетеродинных сигналов. В последующем описании термин «гетеродинный сигнал» может относиться к I и Q гетеродинным сигналам или только к I или Q гетеродинному сигналу, в зависимости от контекста, в котором используется данный термин.
LO
На фиг. 2 представлена иллюстрация процесса прямого преобразования с повышением частоты. I и Q сигналы 210 базовой полосы центрированы относительно постоянной составляющей (DC) (т.е. на частоте 0 Гц), а I и Q гетеродинные сигналы 212 являются периодическими сигналами с основной частотой f. Для идеального прямого повышающего преобразователя преобразованный с повышением частоты сигнал 214 является просто суммой I и Q сигналов базовой полосы, преобразованных по частоте I и Q гетеродинными сигналами соответственно, и не включает в себя никаких частей гетеродинных сигналов. Однако ввиду несовершенства схемных компонентов и/или ввиду топологии схем преобразованный с повышением частоты сигнал 216 с реального прямого повышающего преобразователя включает в себя часть гетеродинных сигналов вследствие утечки гетеродинного сигнала. Сигнал 218 утечки гетеродина находится в полосе частот преобразованного с повышением частоты сигнала и может существенно ухудшить качество преобразованного с повышением частоты сигнала, если он достаточно велик по сравнению с уровнем полезного сигнала.
Используемые в описании термины «амплитуда», «уровень сигнала», «уровень мощности» относятся к величине полезного сигнала. Хотя термин «амплитуда» может быть более употребимым для некоторых типов сигнала (например, периодического, гетеродинного, сигнала УНГ), а термин «уровень» может чаще использоваться для некоторых других типов сигнала (например, модулированного сигнала), все эти термины могут быть использованы для любого данного сигнала.
На фиг. 3 показана блок-схема варианта осуществления прямого понижающего преобразователя 130а, который может быть использован в качестве прямого повышающего преобразователя 130 на фиг. 1. В этом варианте прямой повышающий преобразователь 130а включает в себя пару смесителей 312а и 312b, связанных сумматором 314. I и Q сигналы базовой полосы для усилителей 126 на фиг. 1 подаются на смесители 312а и 312b соответственно, которые также получают I и Q гетеродинные сигналы соответственно с гетеродина 144 передатчика. Каждый смеситель 312 преобразует с повышением частоты свой сигнал базовой полосы с помощью своего гетеродинного сигнала для генерации преобразованной с повышением частоты составляющей. Сумматор 314 суммирует затем I и Q составляющие со смесителей 312а и 312b соответственно для генерации преобразованного с повышением частоты сигнала. Преобразованный с повышением частоты сигнал с прямого повышающего преобразователя 130а усиливается УПУ 132 для получения выходного сигнала (или РЧ выходного сигнала), имеющего переменный уровень сигнала.
На фиг.3 также показаны пути утечки гетеродинного сигнала для передатчика с прямым преобразованием частоты. Если передатчик с прямым преобразованием частоты реализован на РЧ интегральной схеме (РЧИС), то основными механизмами утечки гетеродинного сигнала являются следующие: (1) проводимость гетеродинных сигналов через резистивную кремниевую подложку, (2) магнитная связь между индуктивностями, используемыми для схемы гетеродина, и индуктивностями, используемыми для других схем в тракте передаваемого сигнала после повышающего преобразователя частоты, (3) смешения по постоянному току в схемах базовой полосы и (4) емкостная связь между сигнальными дорожками.
Проводимость через резистивную подложку реализуется следующим образом. В РЧИС индуктивность часто реализуется как спиральная металлическая дорожка на кремниевой подложке. Металлическая дорожка образует верхнюю обкладку конденсатора, а резистивная кремниевая подложка образует нижнюю обкладку конденсатора. Высокочастотный гетеродинный сигнал в индуктивности за счет емкостной связи ответвляется в подложку. Подложка обеспечивает резистивный проводящий путь для ответвления гетеродинного сигала к другим схемам, которые связаны или соединены с подложкой.
Магнитная связь реализуется следующим образом. Высокочастотный ток гетеродинного сигнала, протекающий по спиральной индуктивности, генерирует магнитное поле, которое ответвляется к другим индуктивностям или сигнальным дорожкам для других схем. Ответвленное магнитное поле наводит копию гетеродинного сигнала на других индуктивностях и/или дорожках. Величина магнитной связи может быть уменьшена за счет тщательного проектирования топологии индуктивностей и последующих других принципов проектирования, которые хорошо известны в технике.
Как отмечено выше, утечка гетеродинного сигнала более проблематична для передатчика с прямым преобразованием частоты, чем для супергетеродинного передатчика. Связь по гетеродинному сигналу более отрицательно воздействует на РЧ, чем на ПЧ, так как емкостная связь с проводящей подложкой увеличивается с увеличением частоты. Поскольку гетеродинный сигнал, используемый в передатчике с прямым преобразованием частоты, настроен на РЧ, в то время как гетеродинные сигналы, используемые в супергетеродинном передатчике, в типовом случае настроены на ПЧ (или некоторую другую частоту), то более высокую утечку гетеродинного сигнала следует ожидать для передатчиков с прямым преобразованием частоты. Более того, общее усиление для тракта передаваемого сигнала в супергетеродинном передатчике может быть распределено между ПЧ и РЧ каскадами, так что чувствительность и утечка гетеродинного сигнала не являются очень критичными. Это распределение усиления не возможно для передатчика с прямым преобразованием частоты, поскольку в нем нет каскада ПЧ. По этим причинам утечки гетеродинного сигнала требуется более тщательно учитывать для передатчика с прямым преобразованием частоты для достижения требуемых рабочих характеристик.
Как указано выше, качество РЧ модулированного сигнала ухудшается, если нежелательная утечка гетеродинного сигнала приближается к уровню полезного выходного сигнала. В качестве конкретного примера, терминал МДКР должен поддерживать отношение сигнал-шум порядка 6 дБ или лучше при минимальном определенном уровне выходной мощности. Приемлемый запас при проектировании для подавления несущей (или гетеродинного сигнала) может составлять 10 дБ относительно несущей (т.е. утечка гетеродинного сигнала должна быть на 10 дБ ниже уровня гетеродинного сигнала) при минимальном определенном уровне выходной мощности. Это должно обеспечить, что требуемые отношения сигнал-шум могут быть достигнуты для рабочей точки в наихудшем случае, в предположении отсутствия других факторов, отрицательно воздействующих на отношение сигнал-шум.
Предусмотрены методы уменьшения утечки гетеродинного сигнала путем управления амплитудой гетеродинного сигнала на основе уровня выходного сигнала. Например, гетеродинный сигнал может быть установлен на нормальный или номинальный уровень для более высоких уровней выходного сигнала и может быть установлен на сниженные уровни для более низких уровней выходного сигнала. Соотношение между уровнем гетеродинного сигнала может быть определено конкретной передаточной функцией, как описано ниже.
На фиг. 4 показана простая блок-схема варианта осуществления гетеродина 144а с переменной амплитудой, который может использоваться в качестве гетеродина 144 передатчика и гетеродина 154 приемника на фиг. 1.
В этом варианте осуществления гетеродин 144а с переменной амплитудой включает в себя усилитель 330 с переменным усилением и гетеродинный генератор 340. Усилитель 330 получает сигнал УНГ от УНГ 142 и сигнал управления амплитудой и обеспечивает сигнал «переключения», имеющий амплитуду, определяемую управляющим сигналом, и частоту, определяемую частотой сигнала УНГ. Сигнал переключения может, таким образом, рассматриваться как копия сигнала УНГ. Гетеродинный генератор 340 получает сигнал переключения (и, вероятно, сигнал УНГ) и генерирует I и Q гетеродинные сигналы, имеющие переменную амплитуду. Амплитуда гетеродинного сигнала зависит от амплитуды сигнала переключения, которая, в свою очередь, зависит от управляющего сигнала. I и Q гетеродинные сигналы переменной амплитуды подаются на прямой повышающий преобразователь 130а.
Фиг. 4 показывает символическое представление гетеродина с переменной амплитудой, который может быть реализован различными путями. В зависимости от конкретной схемы сигнальный поток может отличаться от показанного на фиг. 4. Например, усилитель 330 переменного усиления может быть помещен после гетеродинного генератора 340 и может использоваться для регулировки амплитуды I и Q гетеродинных сигналов. В качестве другого примера, усилитель 330 с переменным усилением может быть интегрирован с гетеродинным генератором 340. В принципе, I и Q гетеродинные сигналы зависят от частоты сигнала УНГ, а амплитуда I и Q гетеродинных сигналов зависит от сигнала управления амплитудой.
Как указано выше, утечка гетеродинного сигнала не является очень критичной при высоких уровнях выходных сигналов, но становится проблематичной при низких уровнях выходных сигналов. Поэтому уровень гетеродинного сигнала может регулироваться на основе уровня выходного сигнала.
На фиг. 5 показан пример передаточной функции 510 амплитуды или уровня гетеродинного сигнала в зависимости от уровня выходного сигнала. Вертикальная ось представляет амплитуду гетеродинного сигнала, приведенную в дБ (т.е. амплитуда гетеродинного сигнала приведена относительно номинальной амплитуды гетеродинного сигнала). Горизонтальная ось представляет уровень выходного сигнала, приведенный в дБ мВт.
В одном варианте осуществления и как показано передаточной функцией 510 на фиг. 5, гетеродинный сигнал поддерживается на номинальной амплитуде до тех пор, пока уровень выходного сигнала не достигнет конкретного порогового уровня. Когда уровень выходного сигнала падает ниже этого порогового уровня, уровень гетеродинного сигнала настраивается соответствующим образом путем регулировки усиления усилителя с переменным усилением перед гетеродинным генератором. Крутизна характеристики усиления ниже порогового уровня показывает скорость, с которой уровень гетеродинного сигнала ослабляется по сравнению с уровнем выходного сигнала. Пороговый уровень и/или крутизна характеристики усиления могут быть выбираемыми или программируемыми параметрами для приемопередатчика и могут определяться на основе величины ослабления в утечке гетеродинного сигнала, требуемой для удовлетворения технических требований по подавлению несущей и/или других связанных с этим технических характеристик.
Передаточная функция для уровня гетеродинного сигнала в зависимости от уровня выходного сигнала, показанная на фиг. 5, представляет одну приведенную для примера функцию. Соотношение между уровнем гетеродинного сигнала и уровнем выходного сигнала может быть также определено на основе многих других функций, и все это также входит в объем изобретения.
Для приемопередатчика, показанного на фиг. 1 и 4, уровень выходного сигнала определяется усилением УПУ 132 и непосредственно связан с ним. Сигнал регулировки усиления для УПУ 132 определяет это усиление и, следовательно, может быть использован для оценки уровня выходного сигнала. Затем может быть определена передаточная функция для уровня гетеродинного сигнала в зависимости от управления усилением для УПУ 132. Поскольку уровень гетеродинного сигнала изменяется на основе уровня выходного сигнала, который, в свою очередь, зависит от усиления УПУ, сигнал управления амплитудой для гетеродинного генератора может быть получен на основе сигнала регулировки усиления для УПУ.
Если к смесителю (например, к смесителю 312а или 312b на фиг. 4) приложен гетеродинный сигнал с высокой амплитудой, то смеситель ведет себя подобно переключателю, и сигнальный уровень преобразованного с повышением частоты сигнала зависит главным образом от уровня сигнала базовой полосы (а не от уровня гетеродинного сигнала). Однако если к смесителю приложен гетеродинный сигнал низкой амплитуды, то смеситель ведет себя подобно перемножителю, и уровень преобразованного с повышением частоты сигнала зависит как от уровня сигнала базовой полосы, так и от уровня гетеродинного сигнала. Таким образом, регулировка амплитуды для гетеродинного сигнала может влиять на уровень выходного сигнала (особенно при амплитудах от средних до низких гетеродинного сигнала) и может быть учтена или встроена в схему регулировки усиления для выходного сигнала.
Амплитуда гетеродинного сигнала также может влиять на другие характеристики смесителя. Например, линейность смесителя и величина шума, генерируемого смесителем, могут зависеть от амплитуды гетеродинного сигнала. По ряду причин лучшие характеристики могут быть достигнуты с использованием гетеродинного сигнала более высокой амплитуды для более высоких уровней выходного сигнала, когда допустимы более высокие величины утечки гетеродинного сигнала.
Пороговый уровень и/или крутизна характеристики усиления, которые должны быть использованы для гетеродина с переменной амплитудой, могут быть определены разными способами. В одном варианте осуществления утечка гетеродинного сигнала может быть определена для различных уровней выходного сигнала для набора приемопередающих блоков на основе эмпирических измерений, компьютерного моделирования и т.д. Эта информация может быть использована для параметризации проектирования приемопередатчика. Затем пороговый уровень и/или крутизна характеристики усиления могут быть выбраны таким образом, чтобы требование подавления несущей удовлетворялось для приемопередатчика с наихудшими ожидаемыми характеристиками. В другом варианте осуществления утечка гетеродинного сигнала может быть измерена (например, в процессе нормальной работы) приемопередающим блоком, и затем пороговый уровень и/или крутизна характеристики усиления могут быть выбраны таким образом, чтобы требование подавления несущей удовлетворялось для данного приемопередающего блока. Еще в одном варианте осуществления пороговый уровень и/или крутизна характеристики усиления могут быть настроены на основе одного или нескольких параметров или критериев, которые могут быть количественно определены приемопередающим блоком. Такие параметры могут включать в себя линейность, выходной шум, усиление преобразования и т.д.
На фиг. 6 показана блок-схема квадратурного гетеродина 144b с переменной амплитудой, который является вариантом гетеродина 144а. В данном варианте квадратурный гетеродин 144b с переменной амплитудой содержит усилитель 630 с переменным усилением и гетеродинный генератор 640. Гетеродинный генератор 640 содержит пару смесителей 642а и 642b и блок 644 деления на N.
Усилитель 630 получает сигнал УНГ от УНГ 142 и сигнал управления амплитудой и обеспечивает сигнал переключения, имеющий амплитуду, определяемую управляющим сигналом, и частоту, определяемую частотой сигнала УНГ. Блок 644 деления на N также получает сигнал УНГ и генерирует I и Q гетеродинные сигналы смесителя, имеющие частоту, равную 1/N от частоты сигнала УНГ, где N может быть любым положительным целым числом, равным 1 и выше. Блок 644 деления на N, таким образом, выполняет функцию деления на N сигнала УНГ.
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
VCO
Смесители 642а и 642b получают сигнал переключения с усилителя 630 и I и Q гетеродинные сигналы смесителя соответственно с блока 644 деления на N. Каждый смеситель 642 смешивает сигнал переключения со своим гетеродинным сигналом смесителя для генерации соответствующего гетеродинного сигнала с амплитудой, зависящей от амплитуды сигнала переключения. Таким образом, амплитуда гетеродинного сигнала управляется сигналом управления амплитудой. Если частота сигнала УНГ равна f, то частота сигнала переключения равна f, а частота гетеродинного сигнала смесителя равна f/N. Для смесителя с двойной боковой полосой частота гетеродинного сигнала равна , что включает суммарную частоту (f+f/N) и разностную частоту (f-f/N) для сигнала переключения и гетеродинного сигнала смесителя. Одна из частот обычно отфильтровывается, сохраняя другую частоту в качестве гетеродинного сигнала. Для смесителя с одной боковой полосой частота гетеродинного сигнала равна либо суммарной частоте (f+ f/N), либо разностной частоте (f- f/N) в зависимости от схемы смесителя с одной боковой полосой. В принципе, каждый из смесителей 642а и 642b может быть смесителем с одной боковой полосой или смесителем с двойной боковой полосой.
Генерация гетеродинного сигнала путем смешения двух сигналов (т.е. сигнала переключения и гетеродинного сигнала смесителя) может обеспечить некоторые преимущества. Во-первых, не требуется, чтобы УНГ 142 работал на частоте гетеродинного сигнала, что может снизить утечку гетеродинного сигнала от УНГ в выходной сигнал. Во-вторых, гетеродинный сигнал на различных частотах (например, для разных рабочих полос) можно легко получить путем выбора надлежащего значения N.
Фиг. 6 показывает символическое представление квадратурного гетеродина с переменной амплитудой, который может быть реализован различными путями. В зависимости от конкретной схемы сигнальный поток может отличаться от показанного на фиг. 6. Например, усилитель 630 переменного усиления может быть использован для управления усилением смесителей 642а и 642b для настройки амплитуды сигнала переключения.
На фиг. 7 показана принципиальная схема варианта осуществления квадратурного гетеродина 144с с переменной амплитудой, которая представляет собой конкретную схему реализации квадратурного гетеродина 144b по фиг. 6.
in
В этом варианте осуществления усилитель 630 с переменным усилением включает в себя токовое зеркало (схема стабилизации тока разряда), связанное с дифференциальным входом. Токовое зеркало включает в себя NPN-транзисторы 730а и 730b и резисторы 732а и 732b. Базы транзисторов 730а и 730b соединены между собой и с коллектором транзистора 730а, который также получает ток I для сигнала управления амплитудой. Эмиттеры транзисторов 730а и 730b связаны с одним выводом резисторов 732а и 732b соответственно, а другие выводы резисторов соединены с заземлением схемы. Дифференциальный вход включает в себя NPN-транзисторы 734а и 734b, на базы которых поступает дифференциальный сигнал УНГ с УНГ 142, а их эмиттеры соединены между собой и с коллектором транзистора 730b.
Смеситель 642а включает в себя транзисторы 712а, 712b, 712с и 712d, конденсатор 714а и индуктивности 716а и 716b. На базы транзисторов 712а и 712b поступает дифференциальный I гетеродинный сигнал смесителя с блока 644 деления на N, а их эмиттеры соединены между собой и с коллектором транзистора 734а. Базы транзисторов 712с и 712d соединены с базами транзисторов 712b и 712а соответственно, эмиттеры соединены между собой и с коллектором транзистора 734b, а коллекторы соединены с коллекторами транзисторов 712а и 712b соответственно. Индуктивности 716а и 716b соединены последовательно, и их комбинация соединена параллельно с конденсатором 714а для получения параллельного резонансного контура. Параллельный резонансный контур (т.е. две обкладки конденсатора 714а) связаны с коллекторами транзисторов 712а и 712b, что обеспечивает дифференциальный I гетеродинный сигнал. Смеситель 642b содержит те же самые схемные компоненты, что и смеситель 642а. В смесителе 642b эмиттеры NPN-транзисторов 712е и 712f соединены между собой и с коллектором транзистора 734а, эмиттеры транзисторов 712g и 712h соединены между собой и с коллектором транзистора 734b, коллекторы транзисторов 712е и 712f соединены с коллекторами транзисторов 712g и 712h соответственно, и коллекторы транзисторов 712е и 712f обеспечивают дифференциальный Q гетеродинный сигнал.
о
Блок 644 деления на N получает дифференциальный сигнал УНГ, делит сигнал УНГ на коэффициент N и выдает дифференциальные I и Q гетеродинные сигналы смесителя, которые смещены на 90 по фазе. N в типовом случае является коэффициентом, равным 2, но в принципе может быть любым положительным целым числом.
in
1
in
1
in
Квадратурный гетеродин 144с с переменной амплитудой работает следующим образом. Входной ток I для сигнала управления амплитудой подается на коллектор транзистора 730а. Вследствие построения схемы токового зеркала ток I через транзистор 730b определяется входным током I через транзистор 730а и отношением величины резистора 732а к величине резистора 732b. Если отношение резисторов равно 1.0, то ток через транзистор 730b равен входному току (т.е. I=I).
1
VCO
in
2
3
in
Дифференциальный вход возбуждается дифференциальным сигналом УНГ, который попеременно переключает ток I на транзисторы 734а и 734b с частотой f, которая является частотой сигнала УНГ. Токи через транзисторы 734а и 734b, таким образом, переключаются с частотой, определяемой сигналом УНГ, и имеют амплитуду, определяемую входным током I. Ток I через транзистор 734а является током «конца смещения» для смесителя 642а, а ток I через транзистор 734b является током конца смещения для смесителя 642. Средний ток конца смещения для каждого смесителя равен I/2.
VCO
Каждый смеситель 642 возбуждается соответствующим дифференциальным гетеродинным сигналом смесителя с блока 644 деления на N, имеющим частоту f/N. Дифференциальный гетеродинный выход каждого смесителя (например, дифференциальный сигнал на коллекторах транзисторов 712а и 712b для смесителя 642а) включает в себя суммарную и разностную частоты сигнала переключения и гетеродинного сигнала смесителя. Параллельный резонансный контур настроен на суммарную или на разностную частоту и обеспечивает (1) пропускание полезной частоты, на которую он настроен, и (2) отфильтровывание нежелательной частоты и других паразитных сигналов и шумов. Параллельный резонансный контур также выполняет преобразование тока в напряжение для выдачи сигнала напряжения в качестве дифференциального гетеродинного сигнала.
Фиг. 7 иллюстрирует схему квадратурного гетеродина 144с с переменной амплитудой, реализованную на биполярных транзисторах. В принципе квадратурный гетеродин с переменным усилением может быть реализован с использованием любой технологии, включая КМОП-структуру (комплементарная структура металл-окисел-полупроводник), биполярную КМОП-структуру, технологию на GaAs и т.д.
2
3
in
in
I и Q гетеродинные сигналы со смесителей 642а и 642b являются сигналами напряжения с амплитудами, которые линейно пропорциональны токам I и I конца смещения для смесителей, которые пропорциональны входному току I для сигнала управления амплитудой. Иногда желательно настраивать амплитуды I и Q гетеродинных сигналов экспоненциально на основе линейных изменений во входном управляющем сигнале. Этот тип соотношения определяют как «линейное в дБ». Линейное в дБ управление может быть реализовано путем генерации входного тока I как экспоненциально зависящего от входного управляющего сигнала.
На фиг.8 показана блок-схема блока 146а управления амплитудой, являющегося возможным вариантом осуществления блока 146 по фиг.1. Блок 146а получает входной управляющий сигнал (который может представлять собой сигнал напряжения) и генерирует сигнал управления амплитудой (который может представлять собой сигнал тока).
in
a
a
a
b
b
c
b
c
b
b
I
В блоке 146а преобразователь 812 напряжения в ток (V в I) преобразует напряжение Vвходного управляющего сигнала в ток I (т.е. I∝V). Блок 814 затем выполняет температурную компенсацию для тока I, чтобы обеспечить температурно скомпенсированный ток I. Температурная компенсация гарантирует, что амплитуда I и Q гетеродинных сигналов остается примерно постоянной при изменениях температуры, что может повысить рабочие характеристики. Блок 816 затем преобразует температурно скомпенсированный ток I в ток I, который экспоненциально связан с током I (т.е. I∝ e ). Эта экспоненциальная функция используется для обеспечения линейного в дБ управления (т.е. амплитуда гетеродинного сигнала линейна в дБ по отношению к току I).
c
in
c
in
c
in
Блок 818 управления порогом и крутизной характеристики усиления получает ток I и генерирует входной ток I для сигнала управления амплитудой. В частности, блок 818 ограничивает ток I до конкретного номинального значения до тех пор, пока он не спадет ниже порогового значения, которое может выбираться или программироваться. Блок 818 также обеспечивает средство для настройки скорости, с которой входной ток I зависит от тока I. Эта скорость также может выбираться или программироваться. Блок 818 выдает входной ток I на схему токового зеркала в квадратурном гетеродине 144с с переменной амплитудой, показанном на фиг. 7. Порог и/или крутизна характеристики усиления могут устанавливаться при проектировании, в процессе изготовления, при нормальной работе и т.д.
Для наглядности выше описаны конкретные варианты осуществления. Методы, описанные в настоящем изобретении, для выполнения прямого преобразования с использованием гетеродинного сигнала с переменной амплитудой для решения проблемы утечки гетеродинного сигнала могут быть использованы в различных системах и применениях. Например, эти методы могут быть использованы для прямого преобразования с повышением частоты (описано выше) и прямого преобразования с понижением частоты. Для приемника прямого преобразования с понижением частоты амплитуда гетеродинного сигнала может настраиваться на основе амплитуды принятого сигнала (например, с выхода буфера 166 на фиг. 1).
Методы, описанные выше, могут быть использованы для квадратурной модуляции (например, QPSK, QAM и т.д., как описано выше), а также для неквадратурной модуляции (например, BPSK). Для неквадратурной модуляции для преобразования частоты используется только один гетеродинный сигнал (вместо I и Q квадратурных гетеродинных сигналов).
Методы, описанные выше для выполнения прямого преобразования с использованием гетеродинных сигналов с переменной амплитудой, могут быть реализованы различными средствами. Например, эти методы могут быть реализованы аппаратными средствами, программным обеспечением или комбинацией аппаратных и программных средств. Для реализации аппаратными средствами элементы, используемые для реализации любого одного или комбинации методов, могут быть реализованы с помощью одной или нескольких специализированных интегральных схем (ASIC), цифровых процессоров сигналов (DSP), цифровых устройств обработки сигналов (DSPD), программируемых логических устройств (PLD), программируемых пользователем вентильных матриц (FPGA), процессоров, контроллеров, микроконтроллеров, микропроцессоров, других электронных блоков, предназначенных для выполнения функций, описанных выше, или их комбинаций.
Приведенное выше описание раскрытых вариантов осуществления предоставлено для обеспечения возможности специалистам в данной области техники реализовать и использовать настоящее изобретение. Различные модификации этих вариантов осуществления должны быть очевидны специалистам в данной области техники, основные принципы, определенные в них, могут быть применены к другим вариантам осуществления без отклонения от сущности и объема изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничивается приведенными вариантами осуществления, а соответствует самому широкому объему, совместимому с принципами и раскрытыми новыми признаками.