CN102292703A - 被动无线接收器 - Google Patents

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Abstract

一种被动无线接收器，其接收输入信号并且无源地处理该输入信号以生成输出信号。该接收器的实施方式包括输入电路、动态切换电路和切换信号发生器。该输入电路被配置为接收输入信号并且生成第一输出信号。该输入电路包括无源网络，该无源网络被配置为调节输入信号。动态切换电路被配置为对第一输出信号进行频率变换。切换信号发生器被配置为驱动动态切换电路以采样频率来对动态切换电路进行激活和停用，所述采样频率是由频率控制电路来控制和稳定的。

Description

被动无线接收器
背景技术
接收器系统通常接收输入信号并且通过对该输入信号进行各种处理以生成一个或多个输出信号。不同的接收器系统设计提供了取决于接收器系统的特定的应用的变化的性能特性。示例性的性能特性包括频率选择性、接收器系统的功耗、噪声系数、一分贝的压缩点(P1dB)、三阶截取点(IP3)、动态范围和对接收器系统内的信号损坏(signal corruption)的抑制。
传统的接收器系统提供了对输入信号的放大和频率变换，同时消耗了来自可用的电源的大量的能量，特别是较早出现在RF信号路径中(例如，最接近于天线)的部件。这些接收器在RF信号路径上使用诸如低噪声放大器(LNA)和/或整流混频器等有源部件，以放大和/或变换由天线提供的输入信号的频率。诸如噪声系数(NF)和线性度(通常由P1db和/或IP3表示)等针对这些有源部件的关键的性能度量具有取决于有源部件的功耗的基本限制，并且通常通过增加偏流和/或可用的电压动态范围上限来改善。当期望较高的性能时，这些功率性能折衷导致较高的电流消耗，或者同样地，当期望较低的功率时，这些功率性能折衷导致较差的性能。
相反，无源部件(例如，电感器、电容器、电阻器和开关)提供较高的固有线性度并且消耗很少的功率或者不消耗功率。诸如由高品质因数部件构成的LC谐振器等一些无源网络可以在较低的损耗并且因此较低的噪声系数的情况下实现充分的电压增益。此外，可以使用无源开关和电容器(例如，无源混频器)来实现高度线性的低噪声的频率变换。在无源混频器中，信号路径保持无源，同时消耗最小的功率来激活并停用组成的开关。此外，加工技术的进步可提供需要较少的能量来激活和停用的较低阻抗的开关，从而改善无源混频器中的功率/性能的折衷。因此，无源电路提供了以显著降低的功耗在接收器前端中实现传统的有源部件的等效功能的机会。
Ben W.Cook等作者于2006年12月在IEEE Journal of Solid-StateCircuits的第4卷第12期发表的“Low-Power 2.4-GHz Transceiver WithPassive RX Front-End and 400-mV Supply”描述了使用实质上无源的RF接收器信号路径的已知的无线收发器。该出版物公开了包括无源电压增益网络的基本接收器，所述无源电压增益网络是由外部天线驱动并且其后直接跟随提供到基带的频率变换的无源切换混频器。该接收器提供了信号放大和频率变换，同时消耗了非常小的功率。由于对期望的应用的不严格的性能要求，因此公开的接收器被设想以使功耗最小化并且通过非常低的电源电压来支持操作。因此，如出版物中所指出的，对于期望的应用而言鲁棒性和性能并不关键，而使复杂性和功耗最小化是该项工作的焦点。
该出版物中公开的无源电压增益具有固定的中心频率和固定的电压增益。没有进行增益控制使接收器不能适应大范围的输入信号，这对于无线数据应用通常是需要的。在公开的工作中，无源切换混频器是由自由运转的压控振荡器(VCO)来直接驱动的。因此，接收器的采样频率既未明确定义，也不稳定，并且接收器不能自动地调谐到不同的RF通信信道并且接收来自不同的RF通信信道的信号。其次，因为在VCO与混频器之间不存在隔离，因此混频器的采样频率可受到由于RF输入信号的耦合引起的牵引造成的损坏的影响。此外，驱动混频器的VCO波形的正弦形状与驱动相位之间的非重叠的要求相结合降低了通过接收器实现的线性度和噪声性能。最后，在出版物中使用的无源切换混频器不能实现大于0dB的电压增益，从而限制了整个RF增益，因而削弱了针对给定的功率分配可达到的灵敏度。
很多应用喜欢消耗尽量少的能量的接收器系统。例如，手持式无线数据设备通常喜欢较长的电池寿命，但是必须维持足够的性能以遵从给定的无线通信标准。在这些应用中，期望满足性能指标并且使用低功率无源电路而不是消耗电流的有源部件来提供信号放大和频率变换的接收器系统。
附图说明
图1描绘了被动无线接收器的实施方式的框图。
图2描绘了在被动无线接收器中包含的输入电路的实施方式。
图3描绘了在被动无线接收器中包含的切换信号发生器的实施方式。
图4描绘了在切换信号发生器中包含的锁相环的实施方式。
图5A至图5E描绘了在切换信号发生器中包含的、执行隔离和波形整形的电路的几个实施方式。
图6描绘了一种用于处理接收的无线信号的示例性方法的流程图。
图7A至图7G描绘了可以在被动无线接收器中包含的输入电路的几个实施方式。
图8A至图10D描绘了动态切换电路和驱动这些动态切换电路的相关联的时钟波形的几个实施方式。
图11描绘了可集成到CMOS集成电路内的被动无线接收器的实施方式。
在整个描述中，相同的参考数字可以用于指示相同的元件。
具体实施方式
图1描绘了被动无线接收器100的实施方式的框图。被动无线接收器100从天线102接收输入信号，并且通过使用从天线输入到输出信号终端的无源信号路径对该输入信号进行信号处理来生成一个或多个输出信号，所述信号处理包括：频率变换到第二频率。被动无线接收器100的典型实施方式实现了无源电压的放大和频率变换到更低的频率(例如，降频变换到基带)。被动无线接收器100的输出频率是输入信号频率和在本文中描述的内部生成的切换信号的频率的函数。被动无线接收器100的输出信号可以被发送到诸如传统的模拟基带电路等的执行另外的信号处理的其它部件。包含在被动无线接收器100中的部件不会给输出信号添加功率。相反，包含在输出信号中的功率实质上是由通过天线接收的输入信号功率组成的。
输入信号是由天线102接收的，天线102是获取周围环境的电磁信号的无源部件。这些周围环境的电磁信号通常包括所关注的信号以及背景噪声和其它信号。天线102可以是宽带天线或窄带天线，可以是单端的或差分的，并且可以具有任意阻抗值。天线102的典型阻抗值是50欧姆。由天线102接收的输入信号被提供给输入电路104。
被动无线接收器100通过使用输入电路104和动态切换电路106来对输入信号进行各种模拟处理操作，以生成一个或多个模拟输出。输入电路104是具有耦合到天线102的输入和通过动态切换电路106采样的输出的无源电子电路。如下面更详细讨论的，输入电路104通常包括谐振电路，例如，LC电路或机电电路。输入电路104通常在由动态切换电路106进行频率变换之前通过提供电压增益、阻抗匹配和滤波，来调节输入信号。
动态切换电路106是提供被动无线接收器100的输出信号的无源切换模拟电路。动态切换电路106根据由本文所描述的切换信号发生器108提供的采样频率，来对输入电路104的输出信号进行频率变换。如下面更详细讨论的，动态切换电路106可以执行另外的模拟信号处理，例如，滤波、信号求和或抽取。动态切换电路106使用一个或多个开关和/或电容器来对输入电路104的输出信号进行采样。
切换信号发生器108被耦合，以创建并向动态切换电路106提供一个或多个驱动信号。驱动信号在动态切换电路106中激活并停用开关。因此，切换信号发生器108的输出确定动态切换电路106的采样频率。切换信号发生器108还执行波形整形操作、隔离操作和自动频率调谐操作。波形整形包括对诸如幅度、谐波含量和相位之间的重叠角度等切换信号波形特性的修改。自动频率调谐操作提供稳定的采样频率，从而将被动无线接收器100调谐到适当的通信信道。隔离防止被动无线接收器100的采样频率受到由天线102接收的信号或其它干扰源的影响。
在被动无线接收器100的特定实施方式中，输入信号具有明显高于输出信号的频率。在该实施方式中，动态切换电路106将RF(射频)通信信道中的输入信号频率变换到较低的频率(例如，基带)。在可替换的实施方式中，输入信号和输出信号可以具有任何相关联的频率。
图2描绘了在被动无线接收器100中包含的输入电路104的实施方式。输入电路104提供了频率选择性以及处理较大的输入信号(其包括期望的信号和干扰信号二者)的能力。由输入电路104提供的增益控制影响了被动无线接收器100的动态范围。为了改善被动无线接收器100承受宽范围的输入信号功率电平的能力，接收器具有动态地调节其在沿着信号路径的一个或多个位置处的增益的能力。
输入电路104包括无源电压增益网络202，其从天线102接收输入信号。无源电压增益网络202生成输出信号(标记为“IC输出”)，该输出信号被发送到在图1中所示的动态切换电路106。此外，输出信号被发送到信号强度测量系统210。频率测量系统208测量网络的中心频率(例如，谐振频率)，并且生成被发送到频率控制206的频率控制信号，所述频率控制对无源电压增益网络202的频率响应进行控制。频率控制信号使无源电压增益网络202根据需要来调节其中心频率。在特定的实施方式中，频率测量系统208和频率控制206检测并调节无源电压增益网络202的中心频率以得到改善的性能。
信号强度测量系统210测量输出信号的幅度和/或功率水平，并且生成被发送到增益控制204的增益控制信号，所述增益控制对与无源电压增益网络202相关联的增益进行控制。增益控制信号使无源电压增益网络202根据需要来调节其增益。在特定的实施方式中，无源电压增益网络202在某些情况下可以具有正电压增益、零电压增益或负电压增益(以dB为单位)。
可以连续地或间断地对图2中所示的测量部件和控制部件(例如，部件204、206、208和210)进行激活。此外，可以以连续的模拟方式或不连续的步进方式来调节频率和增益。除了使用无源部件实现的无源电压增益网络202以外，可以使用无源和/或有源的电子部件来实现图2中所示的部件。
虽然未在图2中示出，但是一个或多个可选的无源部件可以在无源电压增益网络202接收输入信号之前处理输入信号。这些可选的部件包括例如一个或多个接口网络和/或一个或多个无源信号滤波器。干扰网络包括平衡-不平衡变压器(balun transformer)和匹配网络。无源信号滤波器包括陶瓷滤波器和表面声波(SAW)滤波器。
图3描绘了在被动无线接收器100中包含的切换信号发生器108的实施方式。切换信号发生器108生成切换信号(标记为SSG输出)，所述切换信号对动态切换电路106中的开关进行激活和停用。切换信号的频率是通过可变频率振荡器304的输出获取的。可变频率振荡器304的频率被控制和稳定以提供整个系统的适当操作。为了提供必要的频率控制和稳定，自动频率合成器302改善了可变频率振荡器304的操作。在没有这种频率控制和稳定的情况下，响应于诸如时间、温度、制造的可变性和不需要的干扰信号等因素，可变频率振荡器304的频率将受其固有的频率精度和稳定性的影响。与操作时没有这种自动频率合成器的可变频率振荡器相比，自动频率合成器302能够以更高的精度和稳定性来控制可变频率振荡器304的输出频率和/或相位。自动频率合成器302自动地校正由可变频率振荡器304中的干扰引起的频率误差和相位误差。在特定的实施方式中，自动频率合成器302能够根据一个或多个控制信号来自动地调谐到新的频率。
切换信号发生器108还包括隔离模块306和波形整形模块308。隔离模块306将可变频率振荡器304与切换信号和诸如在无源电压增益网络202的输出端处存在的信号等其它不需要的信号以及诸如通过波形整形模块308的切换动作在电源上引入的干扰等其它噪声源进行隔离。波形整形模块308对诸如波形幅度、谐波含量和相位之间的重叠角度等与切换信号相关联的波形进行整形。在本文中讨论了与隔离模块306和波形整形模块308的实现有关的其它细节。
图4描绘了在切换信号发生器108中包含的锁相环的实施方式。图4中所示的部件实现了上面参照图3所讨论的自动频率合成器302和可变频率振荡器304的功能。相位/频率检测器402从分频器408接收参考频率信号(标记为Fref)和反馈信号。Fref信号通常是从诸如来自晶体谐振振荡器的参考信号等高精度的且稳定的固定频率的参考信号获取的。在操作中，相位/频率检测器402可以执行相位检测和/或频率检测。相位/频率检测器402的输出被提供给生成振荡器控制信号的环路滤波器404。振荡器控制信号是由生成振荡器输出信号(标记为Fout)的可变频率振荡器406接收的。振荡器输出信号还被提供给执行除以N的操作的分频器408。分频器408的输出被提供给相位/频率检测器402的输入。
在图4的实施方式中，当在稳态下操作时，振荡器输出信号(Fout)被定义为Fout＝N*Fref，其中，Fref是参考频率信号。分频器408提供了明确定义的可编程频率模数N，其可以实现为整数或分数。输出信号的频率Fout是通过改变在分频器408中使用的N值来控制的。
图4表示自动频率合成器的特定实现。自动频率合成器的可替换的实现包括延迟锁定环配置或频率锁定环配置。
图5A至图5E描绘了在切换信号发生器中包含的执行隔离和波形整形的电路的几个实施方式。图5A示出了执行隔离的示例性缓冲器502。缓冲器502接收振荡器输出信号并且生成切换信号(标记为SSG输出)。缓冲器502能够执行以下功能中的一个或多个功能：信号隔离、信号缓冲、信号屏蔽和功率/地分离、避开或解耦。
图5B示出了执行带有可选的缓冲的波形整形的系统的实施方式。波形整形模块504接收振荡器输出信号并且生成切换信号(SSG输出)。一个或多个可选的缓冲器506和508可以耦合到波形整形模块504的输入和/或输出。波形整形模块504能够调节其输出信号的各种特性，例如，信号幅度、信号波形形状、相位特征和时序特征。此外，波形整形模块504可以提供以下各项中的一项或多项：信号隔离、信号缓冲、信号屏蔽和功率/地分离、避开或解耦。
图5C示出了执行带有可选的波形整形和可选的缓冲的频率分离的系统的实施方式。频率分离器(frequency separator)510接收振荡器输出信号并生成切换信号(SSG输出)。可选的波形整形模块512可以进一步调整SSG输出。此外，一个或多个可选的缓冲器514、516和518可以耦合到频率分离器510的输入和/或输出。频率分离器510提供了频率分离，以使可变频率振荡器和动态切换电路以不同的频率操作，从而改善可变频率振荡器与动态切换电路之间的隔离。
频率分离器510可以实现为分频器、混频器或者分频器与混频器的组合。当频率分离器510与可选的波形整形模块512和一个或多个缓冲器(例如，514、516和518)一起使用时，该系统进一步改善了信号隔离并且提供了对期望的信号幅度、信号波形形状以及信号频率、相位和时间特征的控制。
图5D示出了具有自动频率调谐、波形整形以及经由频率分离和缓冲的隔离的完整的切换信号发生器的特定实现。图5D的实施方式包括相位/频率检测器520、充电泵522、可变频率振荡器524、可变分频器526和σ-△调制器528。部件520、522、524、526和528共同地表示实现自动频率调谐的锁相环。
缓冲器530接收可变频率振荡器524的输出信号，并且在可变频率振荡器与切换信号发生器输出端之间提供隔离。固定的分频器532分离可变频率振荡器524的输出频率以提供另外的隔离，并且产生具有如图5E的时序图中所示的正交相位关系的四个输出。逻辑门534、536、538和540形成波形整形电路，所述波形整形电路接收固定的分频器532的四个正交输出，并且产生具有正交相位关系的四个非重叠脉冲。如本文所描述的，许多无源动态切换网络使用非重叠的脉冲来实现改善的性能。
图6描绘了用于处理接收的无线信号的示例性方法600的流程图。首先，通过天线来接收无线信号(方框602)。输入电路接收无线信号并且调节所接收的信号(方框604)。输入电路根据所接收的信号来生成第一输出信号(方框606)。切换信号发生器生成一个或多个控制信号，所述控制信号以采样频率来对动态切换电路中的一个或多个开关进行控制(方框608)。动态切换电路对第一输出信号进行频率变换以生成第二输出信号(方框610)。然后，将第二输出信号发送到使用该输出信号的其它系统或部件。
图7A至图7G描绘了可以包含在被动无线接收器中的输入电路的几个实施方式。这些输入电路是图1中所示的输入电路104的实施例。如本文所讨论的，示例性的输入电路具有多种特性，例如，输入/输出(单端的或差分的)的性质、频率选择性(例如，宽带、调谐共振或调谐非共振)以及可达到的无源电压增益。
图7A示出了差分抽头的电容器谐振电路702的实施方式。电路702具有差分输入(Vin)和差分输出(Vout)，是调谐的谐振器，并且具有很大的无源电压增益。电路702的中心频率(f0)是由电感器L以及电容器C1和C2的串联组合的值来确定的。中心频率(f0)是由以下等式给出的：
ω 0 = 2 π f 0 = 2 C 1 + C 2 L · C 1 · C 2
对于特定的频率而言，可以通过增大C2到C1的相对大小来增加电路702的增益和电路的品质因数(Q)。为了计算电路702的电压增益(Av)、输出阻抗(Ro)和噪声系数(F)，使用包含谐振器的损耗和输入源的阻抗的电路模型。图7B示出了示例性的电路模型。对于电路702的典型实施方式而言，电路中的主要损耗源是输入源(RS)的阻抗以及电感器的串联阻抗(RL)。在其它实施方式中，电容器中的固有损耗也可能很大。为了简化以下等式，等效的电容器品质因数(QC)被定义为包括由电源阻抗(RS)贡献的损耗，其中，ω是角频率。QC的值被如下计算。
Q C = ω · R S C 2 C 1 ( 2 C 2 + C 1 ) + 2 ω · R S C 1
电路702在谐振时的输出阻抗是实数(例如，没有虚数部分)，并且其幅度由以下等式给出。
R o | ω = ω o = ω o L Q C Q L Q C + Q L
电路702的电压增益(Av)是频率的函数，并且在网络的中心频率处最大。
| A V ( ω o ) | ≈ 2 Q C Q L Q C + Q L ω o L R S Q C
电路702在中心频率处的噪声系数是通过以下等式给出的。
F | ω = ω o = 1 + Q C Q L
因此，噪声系数随着更高的电感器品质因数而改善。同样地，电压增益喜欢较高的电感器品质因数以及较高的电感值。本文所描述的其它谐振LC网络的特征都类似地依赖于电感和品质因数。电路702可以并入集成电路(IC)或其它部件中。电路702可以在较宽范围的频率和电压增益进行调谐。电路702的可替换的实施方式提供了单端的输入/输出而不是差分的输入/输出，或者可以提供单端到差分的变换。
图7C示出了称作谐振π-网络的具有LC滤波电路(trap)的电路704的实施方式。电路704具有单端的输入(Vin)和单端的输出(Vout)，是调谐的谐振器，并且具有很大的电压增益。电路704的“π-网络”部分包括电感器L1和电容器C1和C2。电路704的“LC滤波电路”部分包括电感器L2和电容器C3。LC滤波电路用作陡峭的带阻滤波器，其通常处于比通带更高的频率处，并且通常处于通带的谐波处。由LC滤波电路提供的阻带以L2和C3的串联谐振频率为中心。在可替换的实施方式中，多个LC滤波电路可以连接到电路输入的两端上。
如果电路的串联谐振处于比通带更高的频率处，则当频率位于通带内时，LC滤波电路将呈现电容性阻抗，并与C2并联，因而影响通带的中心频率。电路704可以在较宽范围的频率和电压增益上调谐，并且在LC滤波电路的谐振频率附近提供增强的抑制性。
图7D示出了称作宽带平衡-不平衡递升的变压器的电路706的实施方式。电路706具有单端的输入(Vin)和差分的输出(Vout)。电路是宽带的而不是调谐的，并且可以被配置为提供很大的电压增益。电路706的电压增益是由与变压器708相关联的比率n∶1来确定的。电路706在期望差分输出的宽带应用中特别有用。电路706可以单独地使用或者与诸如图7A中所示的电路702等差分输入无源电路结合使用。
图7E示出了称作抽头电容器机电谐振器的电路710的实施方式。电路710具有单端的输入(Vin)和单端的输出(Vout)，是调谐的谐振器，并且具有很大的电压增益。电路710具有两个谐振模式-串联谐振模式和并联谐振模式。电路710的通带以电路的并联谐振模式为中心，在此可以实现电压增益。与串联谐振相比，并联谐振具有略高的频率。串联谐振是通过LS和CS的值来确定的，而并联谐振是由LS、CS和CP的值来确定的。电路710包括机电谐振器712。可以对电容器C1和C2进行调节，以对通带内的网络的电压增益进行调谐，并且可以提供对谐振频率的精细微调。电路710在窄带或固定频率的应用中特别有用，这是因为，其频率不是广泛可调的，并且它具有较窄的且稳定的通带，所述通带在阻带中具有陡峭的抑制性。
当使用诸如图7A和图7B中所示的输入电路等可被较广地调谐的输入电路时，期望自动地检测并调节通带的中心频率，以得到最佳的性能。在图7F中所示的一个实施方式中，中心频率是通过在输入电路中建立振荡并且数在诸如由时钟信号(CLK)提供的时段等预定的参考时间段发生的振荡的循环数量来确定的。然后，通过在电路中启用或停用切换电容器来调节中心频率，直到获得参考时段的期望的循环计数为止。该振荡的生成、检测和其频率的调节通常是作为间断的且离线的校准来执行的，例如，当接收器没有接收数据时。在校准期间，振荡器720的有源核连接到谐振无源网络上，从而在其固有谐振处引起振荡。计数器722与振荡器的频率成比例地增加其数字输出。频率校准有限的状态机724运行校准算法，该校准算法将通过时钟信号(CLK)的已知频率建立的时间间隔处的计数值进行重复地比较，并且调节可调的电容器726和728直到它收敛于可接受的频率为止。
图7G描绘了图2的信号强度测量系统210和增益控制204部件的一个实施方式。其目的是控制无源电压增益，以使输出信号电压电平保持在由线性度要求设置的预定阈值以下。输出信号的峰值电压电平的检测通常是作为较短的间断的校准来执行的，例如，在接收操作开始时。峰值电压电平是使用RF峰值检测器730来测量的，并且使用有源电压比较器732将其与期望的最大电压电平进行比较。然后，通过改变连接到无源谐振网络上的电阻器734，来调节无源接收器网络的增益并且因此其输出端处的信号幅度水平。对阻抗进行降低增加了无源网络的损耗，这有效地减小了其电压增益。幅度控制有限状态机736运行校准算法，该校准算法根据电压比较器的输出来重复地调节阻抗，直到它收敛于可接受的峰值电压电平为止。也可以通过改变C1到C2的相对大小，来调节图7G中所示的谐振网络的电压增益，尽管该增益调整的方法可能使网络的中心频率改变。
图8A至图10B描绘了动态切换电路及其相关联的采样时钟波形的几种实施方式。动态切换电路的功能是生成输出信号，所述输出信号是所述动态切换电路从输入电路接收的信号的频率变换形式。动态切换电路可以提供其它信号处理功能，例如，抽取、电压增益和离散或连续时间的模拟滤波。动态切换电路使用一个或多个开关和/或电容器(包括内在的或外在的)来执行这些功能。通过切换信号发生器生成的信号来启用和停用这些开关。在特定的实施方式中，动态切换电路被实现在集成电路中，其中，开关是使用NMOS(N沟道金属氧化物半导体)或PMOS(P沟道金属氧化物半导体)FET(场效应晶体管)或者NMOS和PMOS的组合来实现的，并且电容器是使用集成金属板电容器来实现的。
图8A示出了无源切换混频器电路802的实施方式。电路802具有单端的输入(Vin)和差分的输出(Vout)。该电路使用由标记为S1和S2的波形驱动的两个开关以及两个电容器C1和C2。电路802的采样频率是由fclk来表示的，其是根据以下公式来计算的：
fclk＝1/Tclk
其中，Tclk是与一个周期相关联的时间。电路802将采样频率fclk周围的频率的频谱变换为以0Hz为中心的频谱。如图8B所示，每个Tclk获得两个采样，并且电路802的输出是电容器C1与C2上的采样之间的差。由于源的阻抗以及输出端处的电容，因此采样操作是带限的。因此，远离采样频率的信号将具有到输出端的较小的电压增益。图8B中所示的采样时钟波形是不重叠的，并且使开关打开和关闭。为了避免性能下降，电路802需要S1和S2是不重叠的波形。S1和S2的重叠有效地导致存储在电容器C1和C2上的两个独立的采样之间的短路，从而减小输出信号幅度。因此，S1和S2的占空比(D)应当保持在1/2以下，以避免重叠。
图8C示出了无源切换混频器电路810的实施方式，该无源切换混频器电路具有被添加以有助于用于描述电路的电压增益和噪声性能的近似模型的电阻。电路810的输入是由具有电源电阻(RS)的电压源来驱动的，并且混频器的开关中的每一个包括串联电阻(RSW)，以模拟开关的“导通电阻”。电路810通常提供高达6dB的电压增益，这取决于与驱动波形S1和S2相关联的D的值，如图8D所示。电路810的电压增益(Av)是由sinc函数来近似描述的，其中，D是S1和S2的占空比。因此，Av实质上独立于其组成开关的阻抗以及驱动波形S1和S2的幅度。当D接近0时，Av达到其最大值2V/V(或6dB)，并且当D接近1/2时，Av接近最小值2/π。
A v = 2 · sin πD πD
电路810的噪声性能取决于RSW和RS二者。无源混频器810的总输出噪声密度(以V2/Hz)是通过以下的公式给出的：
V n 2 ‾ Hz = 4 kT R S + R SW 2 D
电路810的噪声系数(F)是通过以下等式给出的：
F = R S + R SW R S · 1 2 D · ( πD sin πD ) 2 , 0 ≤ D ≤ 1 2
当D＝0.375时，电路810的噪声系数(F)最小。与电路810相关联的基本电压增益和噪声性能折衷是通过关于RS、RSW和D的前三个方程获取的。噪声系数是通过D的适当选择以及使RSW远小于RS被最小化的。因此，较高的电源电阻和较低的开关电阻的组合有助于减小噪声系数。具体地说，开关电阻随着技术发展的减小使噪声性能持续改善。本文所描述的其它无源开关混频器拓扑结构具有类似的折衷。
当电路810是由具有实阻抗的天线来直接驱动时，可以在前两个等式中将RS设置为等于天线阻抗。可替换地，如果无源混频器的输入是通过具有调谐到fclk的中心频率的谐振LC网络来驱动的，则RS可以通过LC网络在谐振处的输出阻抗的实部来近似。
图9A示出了具有复输出的无源切换混频器电路902的实施方式。电路902具有差分的输入(Vin)和差分的输出(Vout)。该电路包括两个差分输入/差分输出混频器-一个标记为“I”，一个标记为“Q”。电路902的采样频率是fclk，并且每个Tclk获得四个采样，以提供复输出I和Q。输出I通常是指“实输出信号”，而输出Q通常是指“虚输出信号”。输出I是在电容器C1上测量的，输出Q是在电容器C2上测量的。
因为电路902具有差分输入和输出，因此电路实质上不受出现在输入处的或者由其它源(例如，基底噪声)产生的共模干扰的影响。此外，电路902可以承受具有高达图8A中所示的电路的电压幅度的两倍的输入信号，而不会引入很大的非线性失真。由于产生了具有比每个单独的信号高约3dB的组合的信噪比(SNR)的复输出I和Q，因此电路902还能够实现比电路802低的噪声系数。然而，电路902的最大电压增益被限制于0dB。图9B示出了控制电路902中的八个开关的四个采样时钟波形，其被标记为S1、S2、S3和S4。图9B中所示的四个采样时钟波形是不重叠的，以防止电路902的性能降低。因为电路902使用四个不重叠的相位，因此占空比(D)应当小于1/4。
图10A示出了具有复输出和正的无源电压增益的无源混频器电路1002的实施方式。电路1002具有差分输入信号(Vin)和差分输出信号。电路1002的采样频率是fclk，并且每个Tclk获得四个采样，以提供复输出I和Q。图10B示出了控制电路1002中的八个开关的四个采样时钟波形，其被标记为S1、S2、S3和S4。图10B中所示的四个采样时钟波形是不重叠的以防止电路1002的性能降低。因为电路1002使用四个不重叠的相位，因此占空比(D)应当小于1/4。与电路902类似，电路1002提供了不受共模干扰的影响和低实现复杂度的益处，但是增加了高达6dB的正电压增益的益处。电路1002的正电压增益是由这样的事实产生的，即，在时钟的每个相位上收集的采样被存储在不同的电容器上，被布置以使电路的输出是在每个相应的路径(例如，I和Q)上采集的两个采样的连续时间电压总和。因此，I输出是在相位S1和S3期间采集的采样的电压之和，而Q输出是在相位S2和S4期间采集的采样之和。
图10C示出了具有复输出和可编程的电压增益的无源混频器电路1004的实施方式。电路1004提供了两个操作模式，这取决于标记为G的输入控制信号的状态。当G为高电平(例如，Gbar为低电平)时，电路1004被配置为与电路1002(图10A)在功能上等效，从而提供高达6dB的正电压增益。当G为低电平(例如，Gbar为高电平)时，电路1004被配置为与电路902(图9A)在功能上等效，从而提供最大值为0dB的电压增益。在无源混频器电路1004中包含可编程的增益可以改善接收器的动态范围。图10D示出了控制电路1004中的八个开关的四个采样时钟波形，其被标记为S1、S2、S3和S4。
图11示出了可集成到CMOS(互补金属氧化物半导体)集成电路中的被动无线接收器的实施方式。虚线框1102内的区域表示本文所描述的各个部件和电路。
本文所描述的各个部件和电路被表示在图11(例如，无源输入电路、动态切换电路和切换信号发生器)中。在图11的实施方式中，无源输入电路包括无源匹配网络1106、平衡-不平衡变压器1108、寄生接合线电感器1110(Lbw)、静电放电(ESD)元件1112、差分LC滤波电路(Lt和Ct)、差分抽头的电容器谐振器1116和自动频率校正和幅度控制回路1118。
匹配网络1106有助于天线1104和平衡-不平衡变压器1108之间的阻抗匹配要求。平衡-不平衡变压器1108给差分输出信号变换提供了精确的单端的输入，并且还可以提供对不需要的带外RF信号的充分抑制。因为寄生接合线电感器1110影响整个无源网络的特性，因此寄生接合线电感器1110被明确地示出。ESD保护元件1112防止静电放电事件引起对集成电路中的设备的永久性损坏。ESD保护元件1112扮演附加电容(和最小程度的损耗)的角色，从而增加了整个C2的值。差分LC滤波电路1114提供了对其固有共振频率附近的不需要的RF信号的抑制。因为LC滤波电路谐振频率被设置为以高于期望的RF信号频带进行谐振，因此它有效地扮演了附加电容的角色，从而增加了整个C2的值(在期望的RF信号频带附近的频率处)。差分抽头的电容器谐振器1116提供了充分的RF电压增益、低噪声系数、高选择性和高线性度。自动频率校准和幅度控制回路1118提供对无源网络谐振频率和增益的精确控制，从而在增益、选择性和线性度方面提供了无源输入电路的鲁棒性和改善的性能。图11中所示的切换信号发生器包括锁相环1120、缓冲器1122、固定分频器1124和波形整形电路1126。如前面所描述的并且在图5D中所示的，切换信号发生器产生具有正交相位关系四个不重叠的脉冲，以驱动动态切换电路。图11所示的动态切换电路是前面所描述的电路1002的NMOS实现。图11中所示的方框1130表示可以用于处理和数字化被动无线接收器系统的输出信号的传统的模拟基带电路的一个特定的实现。
图11所示的被动无线接收器实现了充分的RF增益、高线性度、低噪声、经由动态切换电路的频率变换以及动态切换电路的输出端处的滤波，其均具有源自接收器输入处的天线一直到动态切换电路的输出端的无源信号路径。
本文所描述的系统和方法的实施方式有助于比传统的接收器系统功率更低的系统实现，同时提供了类似的功能和性能(例如，噪声系数、动态范围、抗干扰性等)。可达到的灵敏度受到开关和其它无源部件引入的损耗的限制，所述损耗可以在制造期间被很好地控制。此外，CMOS开关引入的损耗以及激活和停用这些CMOS开关所需的功耗随着由于技术发展带来的信道长度的缩短而减小。被动无线接收器的通过IP3和P1dB测量的可达到的线性度可能主要受到驱动动态切换电路的切换信号的幅度的限制，并且可以大大优于传统的接收器的线性度，所述传统的接收器使用固有的非线性有源部件来放大和/或变换RF信号的频率。此外，与传统的接收器系统不同，由于信号路径的无源性质，因此被动无线接收器的可达到的动态范围实质上与系统功耗分离。此外，一些实施方式可以与一个或多个传统的信号处理技术结合使用。例如，一个实施方式可以包括本文所描述的被动无线接收器以及其后跟随的提供基带信号处理的传统的低频部件。紧随被动无线接收器的传统的基带电路的附加功耗是最小的，这是因为其在低频操作以及其对系统噪声系数的影响减小了由被动无线接收器系统提供的电压增益的平方的事实。
虽然在特定的布置中示出和描述了本文所描述的部件和模块，但是这些部件和模块的布置可以被改变以按不同的方式来处理信号。在其它实施方式中，可以将一个或多个另外的部件或模块添加到所描述的系统上，并且可以从所描述的系统中移除一个或多个部件或模块。可替换的实施方式可以将所描述的部件或模块中的两个或更多个结合到单个部件或模块中。
虽然已经描述和示出了本发明的具体实施方式，但是本发明不限于如此描述和示出的部分的具体形式或布置。本发明的范围将由所附的权利要求及其等同形式来限定。

Claims (38)

1.一种无线接收器系统，其执行无源信号处理并且传送输出，所述输出的功率实质上是由在输入信号中接收的功率组成的，所述无线接收器系统包括：
输入电路，其被配置为接收所述输入信号并且产生第一输出信号，所述输入电路包括被配置为调节所述输入信号的无源网络；
动态切换电路，其被配置为对所述第一输出信号进行频率变换；以及
切换信号发生器，其被配置为驱动所述动态切换电路以采样频率来激活和停用所述动态切换电路，所述采样频率是通过频率控制电路来控制和稳定的。
2.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络包括谐振电路，所述谐振电路被配置为在通过所述动态切换电路对接收的输入信号进行处理之前对接收的输入信号进行调节。
3.根据权利要求2所述的无线接收器系统，其中，所述谐振电路是从包括以下各项的组中选择的：
使用可能是片上的、片外的电感器、电容器和电阻器的网络或者由于所述谐振电路与所述谐振电路的外部环境之间的接口产生的网络、片上或片外的机电部件、电磁谐振器、电磁辐射器、调谐天线以及片上或片外的传输线网络。
4.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络包括平衡-不平衡变压器电路，所述平衡-不平衡变压器电路被配置为在通过所述动态切换电路对接收的输入信号进行处理之前对接收的输入信号进行调节。
5.根据权利要求4所述的无线接收器系统，其中，所述平衡-不平衡变压器电路是从包括以下各项的组中选择的：
使用可能是片上的、片外的电感器、电容器和电阻器的网络或者由于所述平衡-不平衡变压器电路与所述平衡-不平衡变压器电路的外部环境之间的接口产生的网络、片上或片外的传输线网络、片上或片外的磁耦合线圈、表面声波器件以及陶瓷器件。
6.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络包括以下各项中的一项：
陶瓷电路、谐振的平衡-不平衡变压器电路、非谐振的平衡-不平衡变压器电路以及表面声波滤波器，所述各项配置为在通过所述动态切换电路对接收的输入信号进行处理之前对接收的输入信号进行调节。
7.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络包括匹配网络，所述匹配网络被配置为在通过所述动态切换电路对接收的输入信号进行处理之前对接收的输入信号进行调节。
8.根据权利要求7所述的无线接收器系统，其中，所述匹配网络是从包括以下各项的组中选择的：
使用可能是片上的、片外的电感器、电容器和电阻器的网络或者由于所述匹配网络与所述匹配网络的外部环境之间的接口产生的网络、片上或片外的传输线网络。
9.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述输入信号的功率是通过天线来获取的。
10.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络被配置为提供电压增益。
11.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络被配置为提供频率选择性。
12.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络被配置为提供单端到差分的信号变换。
13.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络被配置为提供阻抗匹配。
14.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述无源网络被配置为提供阻抗变换。
15.根据权利要求1所述的无线接收器系统，还包括：
频率校准电路，其被配置为调节所述无源网络的频率响应以改善性能。
16.根据权利要求1所述的无线接收器系统，还包括：
增益控制电路，其被配置为调节所述无源网络的信号电压增益以改善性能。
17.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路是切换模拟电路块，所述切换模拟电路块被配置为对所述输入电路的输出信号进行采样，并且执行无源信号处理和频率变换。
18.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路包括多个采样开关，并且其中，所述切换信号发生器被配置为驱动所述动态切换电路以激活和停用所述多个采样开关。
19.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述切换信号发生器被配置为设置与所述动态切换电路相关联的采样频率。
20.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述频率控制电路是自动频率合成器，所述自动频率合成器被配置为控制所述动态切换电路的采样频率。
21.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述切换信号发生器还包括：
自动频率合成器电路，其被配置为控制可变频率振荡器，以提供可变频率的振荡器输出信号；
波形整形电路，其被配置为调节所述第一输出信号；以及
隔离电路，其被配置为将所述可变频率振荡器与所述波形整形电路和出现在所述动态切换电路的输入处的其它干扰信号进行隔离。
22.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路被配置为执行模拟信号处理。
23.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路被配置为执行信号滤波。
24.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路被配置为执行信号求和。
25.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路被配置为执行信号抽取。
26.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路被配置为提供可编程的电压增益。
27.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述动态切换电路中的切换实质上是使用开关和电容器来执行的。
28.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述输入电路还被配置为在操作时能够进行频率和增益控制。
29.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述切换信号发生器还被配置为在操作时能够对由于输入信号的寄生耦合引起的损坏进行充分抑制。
30.根据权利要求1所述的无线接收器系统，其中，所述切换信号发生器还被配置为使用波形整形和时序设定进行操作以充分地防止相位之间的重叠。
31.一种无线接收器，包括：
输入电路，其被配置为接收输入信号并且产生第一输出信号，所述输入电路包括被配置为调节所述输入信号的无源网络，所述无源网络包括从包括以下各项的组中选择的谐振电路：
使用可能是片上的、片外的电感器、电容器和电阻器的网络或者由于所述谐振电路与所述谐振电路的外部环境之间的接口产生的网络、片上或片外的机电部件、电磁谐振器、电磁辐射器、调谐天线以及片上或片外的传输线网络；
动态切换电路，其被配置为对所述第一输出信号进行频率变换；以及
切换信号发生器，其被配置为驱动所述动态切换电路以采样频率来激活和停用所述动态切换电路，所述采样频率是通过频率控制电路来控制和稳定的。
32.根据权利要求31所述的无线接收器，其中，所述无源网络被配置为提供电压增益。
33.根据权利要求31所述的无线接收器，其中，所述无源网络被配置为提供频率选择性。
34.根据权利要求31所述的无线接收器，其中，所述无源网络被配置为提供单端到差分的信号变换。
35.根据权利要求31所述的无线接收器，其中，所述无源网络被配置为提供阻抗匹配。
36.一种方法，包括：
接收无线信号；
使用无源网络来处理所述无线信号，其中，处理所述无线信号包括调节所述无线信号；
根据所调节的无线信号来生成第一输出信号；
生成多个控制信号，所述多个控制信号以采样频率来对动态切换电路进行控制；
稳定所述多个控制信号；
处理所述第一输出信号以对所述第一输出信号进行频率变换并且生成第二输出信号；以及
将所述多个控制信号应用于所述动态切换电路，以激活和停用所述动态切换电路。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，处理所述无线信号包括：
向所述无线信号提供电压增益。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，处理所述无线信号包括：
向所述无线信号提供频率选择性。
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