專利名稱：用于無線接收機的低噪聲濾波器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及無線便攜式通信設備中的接收機電路體系結構。更為具體地，本發(fā)明涉及無線接收機中的低噪聲濾波器。
背景技術：
由于有效的、低成本電子模塊的可用性增加，移動通信系統(tǒng)正變得越來越流行。例如，存在許多不同的通信方案，其中各種頻率、傳輸方案、調制技術和通信協議被用來在手持的、電話類的通信手持機中提供雙向語音和數據通信。所述不同的調制和傳輸方案中每個都具有優(yōu)點和缺點。
隨著這些移動通信系統(tǒng)被開發(fā)和部署，已經制訂出這些系統(tǒng)必須符合的許多不同標準。例如，在美國，第三代便攜通信系統(tǒng)遵循IS-136標準，該標準需要使用特定的調制方案和接入格式。在IS-136的情況下，所述調制方案可以是8-正交相移鍵控(8QPSK)、偏移π/4差分正交相移鍵控(π/4-DQPSK)或者其變形，而接入格式是TDMA。
在歐洲，全球移動通信系統(tǒng)(GSM)標準要求在窄帶TDMA接入環(huán)境中使用高斯最小頻移鍵控(GMSK)調制方案，該調制方案使用恒定包絡調制方法。
而且，在使用窄帶TDMA技術的典型GSM移動通信系統(tǒng)中，GMSK調制方案直接從振蕩器向非線性功率放大器供給非常低噪聲的相位調制(PM)發(fā)射信號。在此種配置中，非線性功率放大器可以被使用來由此允許對所述相位調制信號的有效調制和使功耗最小化，其中所述非線性功率放大器是高效的。因為已調制信號是從振蕩器直接供給的，所以在功率放大器之前或之后的濾波的需要被最小化。此外，GSM收發(fā)機中的輸出是恒定的包絡(即，僅僅包含相位調制(PM)信號的非時變信號)調制信號。
便攜通信技術中的一個進步是向低中頻(IF)接收機和直接轉換接收機(DCR)的實現。低IF接收機將射頻(RF)信號變換到中頻，該中頻低于變換接收機的IF。直接轉換接收機將射頻(RF)接收信號直接下變頻到基帶(DC)，而不需要首先將所述RF信號變換到中頻(IF)。直接轉換接收機的一個好處是消除了在采用中頻變換的系統(tǒng)中所使用的昂貴的濾波器組件。例如，在傳統(tǒng)碼分多址(CDMA)通信系統(tǒng)中，一個或多個表面聲波(SAW)濾波器被實現以幫助將RF信號變換為IF信號。進一步使所述電路系統(tǒng)復雜化，這些SAW濾波器一般位于不同于許多所述接收機組件的器件上(即，“片外”)。
低IF或直接轉換接收機允許使用位于與許多所述接收組件相同的器件上(即，“片上”)的電子電路系統(tǒng)來實現所述濾波器組件。在直接轉換接收機實現中，高階(例如，5階或更高階)有源濾波器被用來將所述接收信號從RF變換到DC。不幸的是，因為所述濾波器是使用位于與所述接收機組件相同的芯片上的電子電路系統(tǒng)來實現的，所以所述濾波器向所述接收信號添加了很大的噪聲。所述添加的噪聲降低了所述接收機的靈敏度，從而使得此種有源濾波器對實現而言存在挑戰(zhàn)性。
濾波器對所述接收信號貢獻的噪聲可以由等式噪聲＝kC/T(等式1)來定義，其中k是常數，T＝溫度，以及C＝電容量。根據等式1，很明顯，噪聲與電容量成反比。為了降低所述噪聲，應該增加所述電容量。不幸的是，增加電容量消耗了其上制造所述接收機的芯片上的有價值面積。
因此，希望能夠最小化直接轉換接收機中的濾波器組件對接收信號貢獻的噪聲量，同時最大化接收機靈敏度。還希望最小化由所述濾波器組件消耗的器件上的面積量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的實施例包括無線接收機的低噪聲濾波器，包含放大器和濾波器，該濾波器包含使用通用阻抗變換器實現的頻率相關負電阻，以實現雙二階(bi-quad)濾波器。實現所述低噪聲濾波器，以便防止當處理帶內信號時由所述濾波器產生的噪聲在所述放大器級的輸出上出現。
還提供了相關的操作方法。對于本領域技術人員而言，在研究了下述附圖和發(fā)明詳述后，本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點將變得更加清楚。意圖將所有這種額外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點都包括在這個描述中，都在本發(fā)明的范圍內，并且受所附權利要求的保護。


參照下面的附圖可以更好地理解本發(fā)明。在所述圖形中的組件不必按比例繪制，而是將重點放在清楚地說明本發(fā)明的原理。此外，在圖形中，相同的參考標記代表全部不同視圖中的相應部件。
圖1是說明包括根據本發(fā)明的濾波器鏈的簡化便攜式收發(fā)機的方框圖；圖2是說明圖1的接收機的方框圖；圖3是說明圖2的濾波器鏈的方框圖。
具體實施例方式
雖然特別參照便攜式收發(fā)機來描述，但是可以在使用低IF或直接轉換接收機的任何通信設備中實現所述低噪聲濾波器。
此外，所述低噪聲濾波器可以被實現來按照不同模式進行操作，以支持多種無線標準。為了支持多種無線標準，下面描述的組件(例如，在所述低噪聲濾波器中使用的電阻器和電容器)將被設計來在不同操作模式之間切換。這種實現中的控制電路可以使用專用硬件元件和邏輯來實現。軟件部分可以存儲在存儲器中，并且由適當的指令執(zhí)行系統(tǒng)(例如，微處理器)來執(zhí)行。
所述低噪聲濾波器的硬件實現可以包括下述技術中的任何一種或其組合，這些技術在本領域中是公知的分立電子組件、具有用于對數據信號實現邏輯功能的邏輯門的分立邏輯電路、具有合適的邏輯門的專用集成電路、可編程門陣列(PGA)、現場可編程門陣列(FPGA)等。
所述低噪聲濾波器的軟件包括用于實現邏輯功能的可執(zhí)行指令的已排序清單，并且可被嵌套在任何計算機可讀介質中，以供指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備或其他系統(tǒng)使用或與之結合使用，所述指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備諸如基于計算機的系統(tǒng)、包含處理器的系統(tǒng)，所述其他系統(tǒng)是能夠從所述指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備取回指令并且執(zhí)行所述指令的系統(tǒng)。
在本文檔的上下文中，“計算機可讀介質”可以是能夠容納、存儲、傳送、傳播或傳輸程序的任何裝置，所述程序由所述指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備使用或與所述指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設備結合使用。所述計算機可讀介質可以是，例如但不局限于，電子、磁、光學、電磁、紅外或半導體系統(tǒng)、裝置、設備或傳播介質。所述計算機可讀介質的更為具體的實例(非排他性清單)包括下述具有一個或多個布線的電連接(電子)、便攜式計算機磁盤(磁)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦寫可編程只讀存儲器(EPROM或閃存)(磁)、光纖(光學)、以及便攜式只讀式緊湊光盤(CDROM)(光學)。注意，所述計算機可讀介質甚至可以是其上打印了所述程序的紙或其他適當的介質，因為可以經由例如對所述紙或其他介質進行光學掃描來電子地捕獲所述程序，隨后(如果必要的話)以適當的方式對所述程序進行編譯、解釋或其他處理，并且隨后將其存儲在計算機存儲器中。
圖1是說明簡化的便攜式收發(fā)機100的方框圖，其包括用于直接轉換接收機的低噪聲濾波器。便攜式收發(fā)機100包括揚聲器102、顯示器104、鍵盤106以及麥克風108，所有這些都連接到基帶子系統(tǒng)110。電源142也經由連接144連接到基帶子系統(tǒng)110以向所述便攜式收發(fā)機100提供能量，其中所述電源142可以是直流(DC)電池或其他電源。在特定的實施例中，便攜式收發(fā)機100可以是，例如但不局限于，諸如移動蜂窩型電話的便攜式電信手持機。揚聲器102和顯示器104分別經由連接112和114從基帶子系統(tǒng)110接收信號，如同本領域技術人員所公知的。同樣，鍵盤106和麥克風108分別經由連接116和118向基帶子系統(tǒng)110供給信號?；鶐ё酉到y(tǒng)110包括經由總線128進行通信的微處理器(μP)120、存儲器122、模擬電路系統(tǒng)124以及數字信號處理器(DSP)126。盡管總線128被顯示為單總線，但是它可以使用在基帶子系統(tǒng)110中的子系統(tǒng)之間必需連接的多個總線來實現。
在一個實施例中，取決于實現下面描述的所述低噪聲濾波器的方式，所述基帶子系統(tǒng)110還可以包括專用集成電路(ASIC)135和現場可編程門陣列(FPGA)133。
微處理器120和存儲器122為便攜式收發(fā)機100提供信號定時、處理和存儲功能。模擬電路系統(tǒng)124為基帶子系統(tǒng)110內的信號提供模擬處理功能?；鶐ё酉到y(tǒng)110經由連接132向發(fā)射機150和接收機170提供控制信號。雖然顯示為單連接132，但是所述控制信號可以源自于DSP 126、ASIC 135、FPGA 133，或源自于微處理器120，并且可被供給到發(fā)射機150和接收機170內的各種連接。注意，為了簡化起見，這里僅僅例示了便攜式收發(fā)機的基本組件。所述基帶子系統(tǒng)110提供的控制信號控制所述發(fā)射機150和接收機170內的各種組件。
如果所述低噪聲濾波器控制是完全或部分地實現在由所述微處理器120執(zhí)行的軟件中，那么所述存儲器122還包括所述低噪聲濾波器軟件255。所述低噪聲濾波器軟件255包括一個或多個可執(zhí)行代碼段，所述一個或多個可執(zhí)行代碼段能夠存儲在存儲器中并且在微處理器120中執(zhí)行?；蛘?，所述低噪聲濾波器軟件255的功能可以被編碼進ASIC 135中或者可以由FPGA 133執(zhí)行。因為所述存儲器122可被重寫并且因為所述FPGA 133可被重編程，所以當使用這些技術中的任一技術來實現時，對所述低噪聲濾波器軟件255的升級可以被遠程地發(fā)送到便攜式收發(fā)機100中并且保存在該便攜式收發(fā)機100中。
基帶子系統(tǒng)110還包括模數轉換器(ADC)134和數模轉換器(DAC)136和138。雖然DAC 136和138被例示為兩個單獨的器件，但是可以理解，可以使用單個數模轉換器來執(zhí)行DAC 136和138的功能。ADC 134、DAC 136和DAC 138還可以經由總線128與微處理器120、存儲器122、模擬電路系統(tǒng)124以及DSP 126進行通信。DAC 136將基帶子系統(tǒng)110內的數字通信信息轉換為模擬信號，以經由連接140傳輸到調制器152。顯示為兩個有向箭頭的連接140包括從數字域到模擬域的轉換后將由發(fā)射機150發(fā)射的信息。
所述發(fā)射機150包括調制器152，該調制器152調制連接140中的模擬信息并且經由連接158將已調制信號提供到上變頻器154。所述上變頻器154將連接158上的所述已調制信號變換并放大到系統(tǒng)的合適的發(fā)射頻率和功率電平，其中所述便攜式收發(fā)機100被設計來在所述系統(tǒng)中操作。由于本領域技術人員都可以理解，所以為了簡化起見，省略了調制器152和上變頻器154的細節(jié)。例如，連接140上的數據通常由基帶子系統(tǒng)110格式化為同相(I)和正交(Q)分量。取決于所采用的通信標準，所述I和Q分量可以采取不同形式，并且被不同地格式化。
所述上變頻器154經由連接156向雙工器162供給已上變頻的信號。所述雙工器包括濾波器對，其允許同時遞送發(fā)射信號和接收信號，如同本領域技術人員所熟知的。所述發(fā)射信號被從所述雙工器164供給到天線160。
天線160接收的信號將被從雙工器162導向到接收機170。所述接收機170包括下變頻器172、根據本發(fā)明的一個方面構建的低噪聲濾波器鏈180以及解調器178。所述下變頻器172包括低噪聲放大器(LNA)(未示出)和電路系統(tǒng)(未示出)，以將所述接收信號從RF級轉換到基帶級(DC)。所述DC級信號經由連接174被發(fā)送到所述低噪聲濾波器鏈180。所述低噪聲濾波器鏈包括至少一個濾波器級，該濾波器級包括放大器182和濾波器184。所述放大器182和濾波器184的操作將在下面詳細描述。
所述解調器178恢復所發(fā)射的模擬信息，并且將表示該信息的信號經由連接186供給到ADC 134。ADC 134將這些模擬信號轉換為基帶頻率的數字信號，并且經由總線128將所述信號轉送到DSP 126以用于進一步處理。
圖2是更為詳細地例示圖1中的接收機170的方框圖。接收機170經由天線160接收信號，該天線160經由雙工器(未示出)向低噪聲濾波器(LNA)202供給RF頻率級的接收信號。所述LNA 202放大所述接收信號并且將連接204上的所述已放大信號提供給所述混頻器206?；祛l器206經由連接212從合成器208接收頻率參考信號，也稱為“本地振蕩器”信號或“LO”。所述LO信號確定所述混頻器206將經由連接204從LNA 202接收的信號下變頻到哪個頻率。在直接轉換接收機的情況下，所述混頻器206將接收的RF信號下變頻到連接214上的DC信號。
連接214上的DC信號隨后被供給到低噪聲濾波器鏈180。所述低噪聲濾波器鏈180包括至少一個濾波器級250。所述濾波器級250包括可變增益放大器(VGA)216和濾波器220。因為其配置產生復的極點和零點，所以濾波器220也被稱為“雙二階”濾波器。傳統(tǒng)雙二階實現通常使用關于兩個模擬積分器的反饋和前饋來生成復的極點和零點對。所述放大器216和濾波器220分別表示圖1中的放大器182和濾波器184。雖然使用多個放大器和濾波器來例示，但是取決于其中使用了接收機170的特定應用，所述低噪聲濾波器鏈180可以包括單個濾波器級。
連接214上的DC信號被供給到可變增益放大器216。所述可變增益放大器216經由連接132從所述基帶子系統(tǒng)110(圖1)接收控制信號。所述可變增益放大器216放大連接214上的信號，并將所述已放大的信號供給到濾波器220。所述濾波器220對該信號進行濾波，以提供期望的信號輸出。如果所述低噪聲濾波器鏈180包括額外的濾波器級，那么濾波器220的輸出被供給到隨后的可變增益放大器222和濾波器224。所述放大和濾波繼續(xù)，直到經由連接176將信號供給到所述解調器178以用于進一步處理。
圖3是更詳細地例示圖2的濾波器級250的示意圖。所述可變增益放大器216被描述為跨導放大器304(稱為具有特性GM)和負載電阻(RL)310。所述負載電阻310表示所述跨導放大器304的阻性負載。所述跨導放大器304表示由可變增益放大器216提供的跨導放大。所述跨導放大器304接收連接214a和214b上的差分輸入。連接306上的所述跨導放大器304的輸出還形成濾波器級250的輸出(VOUT)。所述跨導放大器304執(zhí)行電壓-電流(V-I)轉換，而負載電阻310執(zhí)行電流-電壓(I-V)轉換。所述跨導放大器304的容性負載CL由耦合到地的電容器320表示。
所述濾波器級250的輸出還串聯至電阻RZ322。所述電阻RZ322耦合到頻率相關負電阻(FDNR)330。在這個實例中，頻率相關負電阻330實現為通用阻抗變換器，有時稱為“GIC”。頻率相關負電阻330的基于GIC的實現被用來實現雙二階濾波器部件。所述FDNC 330的基于GIC的實現包括一對運算放大器(op-amp)332和344，以及相關的電容和電阻。所述運算放大器332的非反相輸入經由連接336耦合到電阻RZ322和電容C1334之間的節(jié)點，而運算放大器332的反相輸入經由連接338耦合到運算放大器344的反相輸入。所述運算放大器344的非反相輸入耦合到電容C2和電阻R3之間的節(jié)點。所述運算放大器332的輸出經由連接362耦合到電阻R2352和R3354之間的節(jié)點。所述運算放大器344的輸出經由連接346耦合到電容C1334和電阻R1342之間的節(jié)點?；蛘撸鲭娮鑂2和電容C2的位置可以顛倒。
在接收機170的操作期間，基于GIC的FDNR 330具有兩個主要的特性。在較低頻率，當所述接收信號處于接收頻帶內(稱為“帶內”)的頻率時，電容CL320和電容C1334表現為高阻抗(Z)，此外，可以通過電容C1334呈現出的高阻抗來防止由運算放大器332和334產生的任何噪聲出現在輸出306處。因此，事實上跨導放大器304的所有電流輸出如箭頭308所示穿過所述負載電阻RL，以沒有FDNR 330貢獻的噪聲地出現在輸出306處。
在較高的頻率，當所述接收信號處于接收頻帶外(稱為“帶外”)的頻率時，所述電容C1334和CL320的阻抗小于接收信號出現在帶內時的阻抗。在帶外頻率處，信號中的電流的部分丟失，如箭頭314和316所示，這是因為電容CL320和C1334的較低阻抗允許電流流過那些電容。因為電容CL320和C1334的阻抗減小，由基于GIC的FNDR 330產生的任何噪聲被允許出現在輸出306處。然而，因為這只有在接收信號處于帶外時出現，所以運算放大器332和344所產生的噪聲出現在輸出306處，但是對輸出信號不具有負面影響。
FNDR 330所產生的任何噪聲在較低的帶內頻率時被電容C1334所呈現出的高阻抗來阻隔，但是在較高的帶外頻率時出現在輸出306處，但是，在帶外頻率時，所述噪聲對所述濾波器級250的性能沒有負面影響。因為在帶內頻率時噪聲被防止出現在輸出306處，以及因為在帶外頻率時輸出306處的噪聲沒有負面影響，所以小的電容值并且從而物理尺寸小的組件可以用來形成電容，這樣大大減小了所述濾波器級250所消耗的空間量。
選擇基于GIC的FDNR 330內的組件的值以實現期望的濾波器極點，并且選擇電阻RZ322的值以實現期望的濾波器零點，以便可以使用基于GIC的頻率相關負電阻330來實現“雙二階”濾波器。
雖然已經描述了本發(fā)明的各種實施例，但是對于本領域普通技術人員而言顯而易見的是，在本發(fā)明的范圍內的許多更多的實施例和實現是可能的。因此，本發(fā)明由所附權利要求書和其等價物來限定。
權利要求
1.一種用于對無線接收機中的接收信號進行濾波的方法，包括向放大器提供接收的信號；并且對所述接收的信號進行濾波，以便在第一頻率處從所述放大器的輸出中阻隔所述濾波器貢獻的噪聲。
2.如權利要求1所述的方法，其中，只在除所述第一頻率之外的頻率處將所述濾波器貢獻的噪聲傳遞到所述放大器的輸出。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述濾波器是使用通用阻抗變換器實現的頻率相關負電阻。
4.如權利要求3所述的方法，其中，在所述第一頻率處從所述放大器的輸出中阻隔所述通用阻抗變換器所產生的噪聲。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述第一頻率是帶內接收頻率。
6.一種用于無線接收機的低噪聲濾波器，包括放大器；以及濾波器，其包括使用通用阻抗變換器實現的頻率相關負電阻，以實現雙二階濾波器。
7.如權利要求6所述的低噪聲濾波器，其中，所述通用阻抗變換器還包括一對運算放大器；以及至少一個電容，其被配置來在第一頻率處防止由所述一對運算放大器產生的噪聲出現在所述放大器的輸出處。
8.如權利要求7所述的低噪聲濾波器，其中，所述第一頻率是帶內接收頻率。
9.如權利要求8所述的低噪聲濾波器，其中，在第二頻率處，所述一對運算放大器產生的噪聲出現在所述放大器的輸出處。
10.如權利要求9所述的低噪聲濾波器，其中，所述第二頻率是帶外接收頻率。
11.一種便攜式收發(fā)機，包括調制器，其被配置來接收和調制數據信號；上變頻器，其被配置來接收所述已調制的數據信號并且提供射頻(RF)信號；發(fā)射機，其被配置來發(fā)射所述RF信號；以及直接轉換接收機，其包括放大器和濾波器，所述濾波器包括使用通用阻抗變換器實現的頻率相關負電阻，以實現雙二階濾波器。
12.如權利要求11所述的便攜式收發(fā)機，其中，所述通用阻抗變換器還包括一對運算放大器；以及至少一個電容，其被配置來在第一頻率處防止由所述一對運算放大器產生的噪聲出現在所述放大器級的輸出處。
13.如權利要求12所述的便攜式收發(fā)機，其中，所述第一頻率是帶內接收頻率。
14.如權利要求13所述的便攜式收發(fā)機，其中，在第二頻率處，所述一對運算放大器產生的噪聲出現在所述放大器級的輸出處。
15.如權利要求14所述的便攜式收發(fā)機，其中，所述第二頻率是帶外接收頻率。
16.一種便攜式收發(fā)機，包括調制裝置，用于調制數據信號；上變頻裝置，用于對所述已調制的數據信號進行上變頻并且提供射頻(RF)信號；發(fā)射裝置，用于發(fā)射所述RF信號；轉換裝置，用于將接收的信號轉換為基帶信號；以及濾波裝置，用于對所述基帶信號進行濾波，以便在第一頻率處防止由所述濾波裝置產生的噪聲出現在所述接收的信號上。
17.如權利要求16所述的便攜式收發(fā)機，其中，所述第一頻率是帶內接收頻率。
18.如權利要求17所述的便攜式收發(fā)機，其中，在第二頻率處，所述濾波裝置產生的噪聲出現在所述接收的信號上。
19.如權利要求18所述的便攜式收發(fā)機，其中，所述第二頻率是帶外接收頻率。
全文摘要
公開了一種用于無線接收機的低噪聲濾波器。所述低噪聲濾波器包括放大器和濾波器，該濾波器包括使用通用阻抗變換器實現的頻率相關負電阻，以實現雙二階濾波器。實現所述低噪聲濾波器，以便防止當處理帶內信號時由所述濾波器產生的噪聲出現在所述放大器級的輸出處。
文檔編號H03H11/04GK1890884SQ200480036572
公開日2007年1月3日 申請日期2004年11月2日 優(yōu)先權日2003年11月18日
發(fā)明者阿利·M·伊斯梅爾 申請人:天工方案公司