CN103916345A - 一种无线局域网芯片发射机本振泄漏校正的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于无线局域网芯片射频发射机LO leakage校正的方法和装置，该装置由模拟补偿电路及数字LO leakage估算及校正组成。为了消除射频电路在发射机引入的LO leakage，使发射信号符合WLAN协议的频谱要求，该装置在射频部分加入补偿电路，然后通过数字一维扫描的方法分别估算出I/Q两路的偏差值，把估算结果写入射频部分的补偿电路，实现了对发射机LO leakage的校正。

Description

一种无线局域网芯片发射机本振泄漏校正的方法和装置

技术领域：

一种用于无线局域网芯片发射机LO leakage校正方法和装置，它属于数字通信技术领域，通过对发射机LO leakage的校正，提高了发射机性能，避免了引入直流偏差到接收机，也使发射信号满足了WLAN协议频谱要求。 

背景技术：

无线局域网采用的是正交调制方式通信，信号直接从基带上变频到2.4GHz或者更高，接收端则直接下变频到零中频。零中频通信没有中频信号，I/Q信号可以直接用ADC采集进基带处理，同时零中频通信去掉了很多的外部元件，结构简单，也降低了成本，但是零中频结构中存在非常棘手的直流漂移问题。从发射机角度看，混频器之前的模拟器件都存在直流偏差，使得基带信号被整体提升或降低，通过混频后，直流偏差也混入信号通过天线端发射出去。此外如果发射机混频器的本振口和射频口之间的隔离性能不好，本振信号很容易从射频口输出。虽然混频器设计多采用差分结构，很好地抑制了这种泄漏，但是微弱的泄漏信号通过低噪声放大器到天线，还是会被发射出去。 

因为有用信号和泄漏的本振信号在频谱上靠的很近，无法通过滤波的方式进行消除。本振泄漏一方面会降低发射机的效率，另外一方面会导致接收机直流工作点偏移，容易引起非线性失真，甚至出现饱和阻塞现象。因此需要在发射端加入LO leakage校正单元，消除掉这些偏差。 

针对LO leakage校正，又分为静态校准和动态校准。静态校准只在芯片出厂的时候校准一次，把补偿结果写入寄存器，芯片每次上电后自动加载补偿数据，进行LO leakage补偿。静态校准的缺点是若针对每个芯片都进行生产测试，花费的代价较高；若针对一批芯片采用同样的校准数值，那么精度上又难以保证。更大的问题是LO leakage不是固定的，它可能随时间、电源电压、温度等外部条件的变化而变化，这意味着需要采用动态直流校准方法来对LO leakage进行补偿。动态校正是指每次芯片上电后，通过MCU控制，自动完成LO leakage校准，实现误差补偿。同时针对环境变化剧烈的场合，MCU还可以在正常收发工作中定时进行校正，修正补偿数值，保证了发射机工作的稳定性。 

发明内容：

为了解决无线局域网芯片发射机的LO leakage问题，本发明提供了一种针对I/Q两路，采用一维扫描的方式对发射机的LO leakage进行估计，然后按照校正结果对LO leakage进行补偿，基本消除了LO leakage对接收机的影响，优化了发射机的性能。 

本发明提供了一种结合射频通路、基带逻辑和MCU的校正模块，如图所示。射频部分在混频器前提供I/Q直流偏差的补偿DAC，为了实现自环路测试，射频部分还加入了受逻辑控制的开关，在校正模式和收发模式间进行切换。控制模块为逻辑单元，受MCU的控制实现对校正波形的发射和回路数据的接收，同时也完成对射频部分相应寄存器的设置。MCU为核心的处理单元，控制整个校正模块的工作。波形数据在MCU中产生，然后写入SRAM中，由控制单元同步地输出，然后同步接收回路数据，传递给MCU，由MCU对数据进行计算。 

本发明采用频率为ω的单频正/余弦波进行测试，单频波从控制单元输出，经过发射机通路的DAC、LPF、发射增益等器件，携带了这些器件的直流偏差，经过上变频后的信号又带有了LO的泄漏信息，最终可以通过包络检测器实现对这些偏差的提取，通过ADC后存储到SRAM中，MCU通过对这些数据做DFT，从中得到携带LO leakage信息的ω频点的幅值。 

本发明采用一维扫描的方法，对DAC补偿范围进行搜索，从中找到最佳的补偿位置，即使得携带LO leakage信息的ω频点幅值最低的位置。因为I/Q通道都会影响ω频点的幅值，所以采用固定一个值，对另外一个变量进行搜索。为了提高搜索的准确性，进行全范围的粗校正后，再进行一次小范围的精校准，从而得到较为理想的结果。 

本发明公开的装置具有MCU处理单元、控制模块、射频回路、模拟补偿模块、SRAM存储器，其中： 

MCU处理单元控制装置的工作状态，输出启动、结束和切换回正常收发模式的命令到控制模块；生成发射信号，并通过控制模块写入发射数据到发射SRAM中，同时也通过控制模块读取接收SRAM中的数据；处理接收数据，实现校准算法功能； 

控制模块接收MCU处理单元的指令，当启动校准工作后，读取发射SRAM中的发射数据，送到射频回路，同时接收射频回路的数据，写入到接收SRAM中；当控制模块接收到结束命令后，停止发射数据；最终根据MCU处理单元的切换回正常收发模式的命令重新配置参数，使电路恢复到正常收发状态； 

射频回路提供校准通道，主要为DAC模块、发射滤波器、发射增益器、混频器、包络检测器、接收滤波器和ADC模块，射频回路接收发射SRAM中的发射数据，通过射频回路实现模数转换，输出接收数据到接收SRAM； 

模拟补偿模块是补偿单元，补偿大小由控制模块给出，输出的补偿值送到混频器实现本 振泄露补偿。 

SRAM存储器分为接收SRAM和发射SRAM，均由控制模块来写入和读出数据。 

由于射频回路有一定延时，为了保证接收正确，控制模块延时一定时间，开始接收射频回路数据。 

通过一维多次扫描，分别固定发射机I/Q两路信号中的一路信号的本振泄漏补偿值，对另一路信号的本振泄漏补偿值进行搜索，从中找到使得携带本振泄漏信息的ω频点幅值最低的位置，且在进行校正后，再进行一次小范围的精校准，从而得到本振泄漏精校准补偿值，对发射机I/Q两路信号的本振泄漏进行补偿。具体步骤如下： 

MCU处理单元写入发射信号到SRAM中，启动逻辑发射信号和接收信号； 

固定I路或Q路信号的本振泄漏补偿值，对Q路或I路信号的本振泄漏进行补偿，补偿值从小到大递增，递增幅度为T，记录接收信号中频率等于发射信号ω频点的幅度，从中找到最小幅度，对应的本振泄漏补偿值即为Q路或I路信号的本振泄漏粗校准补偿值； 

固定Q路或I路信号的本振泄漏补偿数值，对I路或Q路信号的本振泄漏进行补偿，补偿值从小到大递增，递增幅度为T，记录接收信号中频率等于发射信号ω频点的幅度，从中找到最小幅度，对应的本振泄漏补偿值即为I路或Q路信号的粗校准本振泄漏补偿值； 

粗校准结束后，在粗校准结果A的基础上上进行一次精校准，搜索范围为(A-T，A+T)，重复步骤(2)和(3)，递增幅度固定为1，从而得到I路和Q路信号的本振泄漏精校准补偿值； 

设置I路和Q路信号对应的数模转换器DAC的本振泄漏精校准补偿值，然后发射校正信号。 

MCU处理单元写入正/余弦波发射信号到SRAM存储器中，通过控制每个周期点的个数，实现发射的正/余弦波发射信号的波形频率可调。针对同个地址，同时把I路信号和Q路信号送给对应的数模转换器DAC，保证两路信号的正交。通过一维扫描的方法分别估算发射机I/Q两路的本振泄漏程度，基于估算值补偿发射机的直流工作点，以减少误差的影响。 

附图说明：

附图是发射机LO leakage校正的***框图。 

具体实施方式：

在本发明中，采用了单频信号，分为I/Q两路，如下： 

V_bb(t)＝Acos(ω_BBt)+j*Asin(ω_BBt) 

理想的单频信号经过上变频后，调制信号为： 

V_rf(t)＝Acos(ω_BBt)cos(ω_RFt)-Asin(ω_BBt)sin(ω_RFt) 

当I/Q两路存在直流偏置I_dc和Q_dc，那么调制后的信号为： 

V_rf(t)＝Acos(ω_DDt)cos(ω_RFt)-Asm(ω_DDt)sin(ω_RFt)+I_dccos(ω_RFt)-Q_dcsin(ω_RFt) 

经过包络检测器和低通滤波器后，输出信号如下： 

$I_{\mathrm{in}}=({\mathrm{AI}}_{\mathrm{dc}}{\cos \mathrm{\ω}}_{\mathrm{BB}}+{\mathrm{AQ}}_{\mathrm{dc}}{\sin \mathrm{\ω}}_{\mathrm{BB}})+\frac{1}{2}{A}^2+\frac{1}{2}{I}_{\mathrm{dc}}^2+\frac{1}{2}{Q}_{\mathrm{dc}}^2$

LO leakage校正的目的就是消除I_dc和Q_dc的影响，从I路输入的信号看，直流偏移分别影响直流和单频ω信号I_ω。因为受到电路板底噪和其他影响，很难根据信号的直流分量来进行LOleakage校正，主要根据ω信号来进行，即 

从上式可以看出，消除I_dc和Q_dc就是使I_ω的幅度尽量小。因为直流偏移是射频芯片固有的，无法从根源上解决，所以通过在射频部分加入反方向的补偿DAC，抵消射频芯片引入的I_dc和Q_dc，以达到消除直流偏移的影响。 

校正的整个流程如下： 

1.MCU控制LO leakage校正模式的启动、结束和切换回正常的收发模式。射频通路切换到LO leakage校正模式下，打开包络检测器。发射端发射频率为ω的正/余弦波，当存在LOleakage的时候，通过包络检测器后，会在ω频点存在能量。 

2.MCU写入单频正/余弦波形到发送SRAM中，通过控制每个周期点的个数，实现发射波形的频率可调。SRAM中使用20bit存***形文件，高10bit为Q路，低10bit为I路，控制单元按照固定工作时钟，连续输出波形。针对同个地址，同时把I和Q路送给对应的DAC，保证了两路信号的正交。 

3.补偿DAC的数字量输入越大，DAC输出越大，对直流偏差的补偿越多。为了找到LOleakage的补偿位置，采用一维扫描的方式进行校正，即先固定Q路的DAC补偿数值，I路的DAC补偿数值从最小到最大进行搜索，然后固定I路，对Q路进行搜索。 

4.设置补偿DAC的数值，然后发射校正波形。因为射频回路有一定延时，为了保证接收到正确的信号，控制单元会延时一定时间，开始接收回路信号。接收SRAM数据存满后，终止波形发射，同时终止接收信号，通知MCU进行信号计算。 

5.MCU进行DFT计算，找到ω点的幅度。 

6.分别针对I路和Q路，重复第3和4步工作，从中找到最低的ω频点幅度，对应的DAC 补偿值即为校正结果，对DAC寄存器进行设置。 

7.考虑到I路和Q路的直流偏差对ω点的幅度都有影响，为了提高校正精度，在进行完上面的粗校正后，加入精校准的过程，即在Q路粗校准基础上，I路补偿值在当前值附近再重复第3和4步扫描一次，同样找到最低的ω频点幅度，当前的补偿值即为最终I路的校正值，写入对应的寄存器。针对Q路，在最终的I路校正结果上，在粗校准结果附近再进行一次精校准。 

8.进行完LO leakage校正，配置完补偿数值后，芯片切换回正常的收发模式。 

本发明的最大优点在于该方法可以实时实现对无线局域网芯片发射机LO leakage的校正。这里描述的模块采用射频、逻辑和软件的实现方法，但是本发明并不局限于上述实施方法，本领域内普通技术人员应理解的是可在本发明范围内做各种形式和细节上的改变。 

Claims (6)

1.一种用于无线局域网芯片发射机本振泄漏校正的装置，其特征在于该装置具有MCU处理单元、控制模块、射频回路、模拟补偿模块、SRAM存储器，其中：

MCU处理单元控制装置的工作状态，输出启动、结束和切换回正常收发模式的命令到控制模块；生成发射信号，并通过控制模块写入发射数据到发射SRAM中，同时也通过控制模块读取接收SRAM中的数据；处理接收数据，实现校准算法功能；

控制模块接收MCU处理单元的指令，当启动校准工作后，读取发射SRAM中的发射数据，送到射频回路，同时接收射频回路的数据，写入到接收SRAM中；当控制模块接收到结束命令后，停止发射数据；最终根据MCU处理单元的切换回正常收发模式的命令重新配置参数，使电路恢复到正常收发状态；

射频回路提供校准通道，主要为DAC模块、发射滤波器、发射增益器、混频器、包络检测器、接收滤波器和ADC模块，射频回路接收发射SRAM中的发射数据，通过射频回路由ADC模块实现模数转换，输出接收数据到接收SRAM；

模拟补偿模块是补偿单元，补偿大小由控制模块给出，输出的补偿值送到混频器实现本振泄露补偿；

SRAM存储器分为接收SRAM和发射SRAM，均由控制模块来写入和读出数据。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由于射频回路有一定延时，为了保证接收正确，控制模块延时一定时间，开始接收射频回路数据。

3.一种用于无线局域网芯片发射机本振泄漏校正的方法，应用于如权利要求1所述的装置中，其特征在于通过一维多次扫描，分别固定发射机I/Q两路信号中的一路信号的本振泄漏补偿值，对另一路信号的本振泄漏补偿值进行搜索，从中找到使得携带本振泄漏信息的ω频点幅值最低的位置，且在进行校正后，再进行一次小范围的精校准，从而得到本振泄漏精校准补偿值，对发射机I/Q两路信号的本振泄漏进行补偿。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)MCU处理单元写入发射信号到SRAM中，启动逻辑发射信号和接收信号；

(2)固定I路或Q路信号的本振泄漏补偿值，对Q路或I路信号的本振泄漏进行补偿，补偿值从小到大递增，递增幅度为T，记录接收信号中频率等于发射信号ω频点的幅度，从中找到最小幅度，对应的本振泄漏补偿值即为Q路或I路信号的本振泄漏粗校准补偿值；

(3)固定Q路或I路信号的本振泄漏补偿数值，对I路或Q路信号的本振泄漏进行补偿，补偿值从小到大递增，递增幅度为T，记录接收信号中频率等于发射信号ω频点的幅度，从中找到最小幅度，对应的本振泄漏补偿值即为I路或Q路信号的粗校准本振泄漏补偿值；

(4)粗校准结束后，在粗校准结果A的基础上上进行一次精校准，搜索范围为(A-T，A+T)，重复步骤(2)和(3)，递增幅度固定为1，从而得到I路和Q路信号的本振泄漏精校准补偿值；

(5)设置I路和Q路信号对应的数模转换器DAC的本振泄漏精校准补偿值，然后发射校正信号。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于MCU处理单元写入正/余弦波发射信号到SRAM存储器中，通过控制每个周期点的个数，实现发射的正/余弦波发射信号的波形频率可调。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，针对同个地址，同时把I路信号和Q路信号送给对应的数模转换器DAC，保证两路信号的正交。

如权利要求4所述的方法，其特征在于通过一维扫描的方法分别估算发射机I/Q两路的本振泄漏程度，基于估算值补偿发射机的直流工作点，以减少误差的影响。