CN100579095C - 多速率数字收发器及实现收发器的方法 - Google Patents

Abstract

在多速率数字收发器中，在接收时同时抽取信号，并在迭代处理中初步向下变换，变窄接收的宽带为期望的信道，在发送时迭代内插信号获得期望的采样率/带宽。

Description

多速率数字收发器及实现收发器的方法

技术领域

本发明涉及数字收发器的信号处理方法，涉及使用此方法的数字接收机和发射机。

背景技术

图1是一般的数字收发器的原理图，其中由天线发送/接收无线电频率(RF)，随后滤波，放大，向上变换/向下变换为中频(IF)。在接口10接收/发射后，用D/A和A/D块11\12信号被变换为模拟/数字信号。数字前端块13执行数字的向上/向下变换和数字信号的采样率变换。基带DSP块14执行准备信号发送/接收所必须的所有数据处理。

在下面的讨论中，不失一般性的集中在接收机方面。

图2是RF/IF块的原理图。RF信号由RF滤波器20滤波，并用低噪声放大器(LNA)放大。混频器22向下变换RF信号为IF。IF滤波器23消除由混频处理产生的所有不希望的信号。

图3是执行频率向下变换和降低采样率的常规数字前端接收机的原理图。由模拟-数字(A/D)变换器12采样无线电频率(RF)信号或中频信号(IF)。用产生混频采样的信号为同相的(I)和正交的(Q)基带信号的正弦和余弦信号的数控振荡器(NCO)32的输出，由数字混频器30、31将采样的信号向下混频到基带。然后由低通滤波器H(Z)滤波基带I和Q信号，以衰减带外的信号。然后由抽取器33、34中的因数M向下采样滤波的信号，仅保留M分之一的样本，以降低采样率。

用如在图4中所示的计算的有效的多相位结构执行滤波和向下采样的操作。

在变换器37中输入信号是串行到并行变换为M个子信号，变换器37立即将采样率降低为输入采样率的1/M。N个分接滤波器H(Z)的滤波器划分为运行在1/M原始采样率的N/M个分接子滤波器H₀(Z)，H₁(Z)，H₂(Z)，H_m-1(Z)。多相位结构比原始结构需要少M倍的数字运算。在加法器中重新结合子滤波器的输出。

图5是H(Z)为N个分接FIR滤波器和M＝2的多相位滤波器的原理图。

在左边可以看到抽取器41后的FIR滤波器40的标准原理图。等效的多相位结构包括串行到并行的变换器42，分别有奇数和偶数样本的两个输出。由偶数滤波器部件h₀，h₂，h₄等处理偶数样本，由奇数部件h₁，h₃等处理奇数样本，在加法器43中相加结果，产生有输入信号一半采样率的信号。

本发明提出在图3中的数字前端的计算复杂性，提出多载波信号的计算的有效结构。提出的问题是：

●在运行于A/D采样率的A/D后，立即使用NCO将数字信号变换到基带。

●数字信号变换为复数信号(实部和虚部)，这样后面两路的操作是完全相同的。

●NCO只对基带执行单个载波的调谐，这样滤波器H(Z)是衰减其它载波的低通滤波器，下采样器降低了要求的采样率。

●为了接收宽带信号中的所有数字化的载波，必须实现数字化数字前端的并行部分，这样相当大的增加了多载波的接收机的复杂性。

发明内容

为了从宽带范围中的载波频率要求的信道获得信息，本发明提供了一种在采样率Fs采样载波频率的宽带处理获得的数字信号的方法，以便从在宽带中的载波频率的期望的信道获得信息，方法包括：

a.将采样的输入信号变换为M个子信号，其中，M是大于1的整数，每个子信号有等于Fs/M的采样率；

b.将子信号输入到带通滤波器的M信道库，每个带通滤波器在宽带中具有不同通带；

c.从包含载波频率的要求的信道的一个滤波器选择输出；

d.使用步骤c)选择的输出作为重复步骤a)、b)和c)的输入，直到下一循环在所述输出中不包括所述要求的信道的载波频率。

这样，本发明提供了数字前端的新颖技术，用多速率滤波器库同时实现多带抽取和向下变换，此技术相当可观的减小了计算的复杂性。

在步骤a)，b)和c)的每次迭代中，由M因数减小了正在被处理的信号的采样频率和宽带，因此，同时执行了抽取和近似向下变换。在步骤d)后实现信号到复数I和Q信号的变换，在这一点采样率已降低。

在根据本发明的优选方法中，对步骤a)，b)和c)的每次重复，M值是相同的，优选的为2，由此在库中的每两个滤波器可以通过作用在滤波器的库中的频带的一半。滤波器是正交镜向滤波器。

上面描述的方法可以用于处理发送的信号。这样本发明的另一方面提供处理发送的数字信号的方法，包括步骤：

(a)将信号输入到M信道的滤波器库；

(b)并行到串行变换从滤波器库中的M滤波器输出的信号，产生内插信号，它的采样率是输入信号的采样率的M倍，由内插处理产生的镜像已从内插信号滤去；

(c)重复步骤a)和b)，直到获得希望的采样率和/或信号宽带。

附图说明

下面参考附图作为例子描述本发明的实例。

图1是典型的通常使用的一般数字收发器的框图；

图2是显示用于图1的收发器的r.f.块的典型部件的框图；

图3说明常规的数字前端接收机；

图4说明执行滤波和向下采样操作的多相位结构的例子；

图5说明显示在图4中有抽选因数2的一般类型的特殊的多相位结构；

图6(a)和(b)显示均匀的和多标准宽带信号的模拟频谱；

图7显示在图6中的信号在数字化后的数字频谱；

图8是用于实现本发明的方法的多相位结构的框图；

图9说明正交镜向滤波器(QMF)的特征；

图10说明多相位半波带QMF滤波器库；

图11显示各滤波器典型的输入谱和输出谱；

图12是迭代两个信道滤波器库的原理图；

图13是多速率接收机结构的框图；

图14是实现向上采样和频率向上变换的常规数字前端发射机的原理图；

图15显示内插的多相位实现；

图16是两个信道的合成滤波器库的原理图；

图17显示图16的电路的多相位实现；

图18显示如在图17中的多相位滤波器库，其中滤波器限于半波带滤波器；

图19是图18的进一步简化；

图20是合并图19的滤波器库的完全的发射机部分的原理图；

图21显示输入到图18的电路和从图18的电路输出的信号的图形。

具体实施方式

下面参考图3，A/D 12采样多载波IF信号，IF信号包括许多集中在IF频率的均匀间隔的等宽带信号，或包括许多代表如在图6中显示的不同符号率的多标准无线电的不相等宽带的信号。

由包括一个或多个如在图2中的串行到并行的部分的宽带RF部分产生在图5中的信号，串行到并行的部分能希望的频带向下变换到特殊的IF频率。

为了简化结构，我们需要保证数字化的信号集中在采样率的四分之一，利用固定的IF频率等于采样频率四分之一的奇数倍。

数字化后整个频带集中在0和Fs/2之间，并如在图7中周期的重复。

在以前的技术中，在抽选以前(图3)，多载波信号变换为运行在与A/D同样高的采样频率的基带复数信号。

在下面描述的新的设计中，在数字化后信号通过实数系数多速率滤波器库，并同时抽选需要的带通信号，也执行近似向下变换而不转到DC，因此，剩余的实数信号减小了在实数和复数路径上必须滤波该信号的复杂性。

用多相位结构实现滤波器库。图8显示我们设计的框图的多相位双信道滤波器库结构，其中h₀和g₀分别是满足正交镜向滤波器(QMF)关系的低通和高通滤波器。

g₀(n)＝(-1)ⁿh₀(n)

G₀(ω)＝H₀(-ω)

滤波器形成如在图9中所示的约采样率的四分之一的镜向对称。

输入信号x(n)作用到串行到并行变换器60，提供承担交替样本的两个信号路径。所有的样本作用到滤波器h₀和g₀，滤波器输出加到加法器61，62，提供从滤波器h₀的输出信号x₀(n)和从滤波器g₀的输出信号x₁(n)。

一旦要求的原型滤波器被设计，滤波器库就确定了。限定原型滤波器h₀为半波带滤波器，可进一步简化图8中的结构。

其中N是奇数的半波带FIR低通滤波器 $H\left(z\right)=\underset{n=-N-1/2}{\overset{N-1/2}{\mathrm{\Σ}}}h\left(n\right)z^{-n}$ 有满足以下关系的脉冲响应：

$h\left(2n\right)=\left[\begin{array}{cc}c& n=0\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right],$ 其中n是常数

多相位形式的滤波器成为：

H(z)＝c+z^-1H_odd(z²)

根据这些原理，图8减小为完全由原型的低通滤波器h₀决定的图10。在图8和图10中相同的部分有相同的数字。

设计多相位原型滤波器需要的滤波器响应波形由保护频率带(邻近信道的分离)对信道的中心频率间隔，滤波器带通增益均匀性，信道衰减要求和信道数指定。基本的滤波器设计能存储在存储器中，对特殊的应用改变系数可以简化重新配置。

信号x(n)进入到由因数2立即降低采样率的串行到并行的变换器，滤波的信号产生抽选的信号x₀(n)和x₁(n)。

图11显示由图10的结构已处理的多载波多速率信号的例子。

信号被向下采样为新的采样频率Fs₁，同时折回Fs/4以上的信号(向下采样)。这样代表两个数据率(标准)的两个不同信号现在分离为有全部采样率下限的并行信号。

如在图12中显示的图11的结构可被迭代，进一步分离要进一步处理的要求的信道。

用滤波器库执行要求的抽取后，以最低的可能采样率，对各信道实现实数到复数的变换，产生在DC中心的基带I&Q信号。此外，可以由DSP实现I&Q信号采样率的进一步精细调谐，匹配特殊标准的字符率。

图13显示在接收机模式中新的多速率结构。这样，已在图1中显示的数字前端包括显示在图10中的典型的多速率滤波器库，它的输出作用到信道选择装置70。信道选择装置70决定选择哪一个信道或频带，决定需要多少次滤波处理的迭代。最后的输出变换为随后处理的复数信号I和Q。

图14是实现向上采样和频率向上变换的常规数字前端发射机的原理图。基带I&Q信号是由向上采样器133，134的因数M，在各个样本之间插入M-1个零的第一向上采样。在频域中，这建立了基带谱的M-1个镜像。滤波器H(z)是也称为镜像抑制滤波器的内插滤波器。NCO向上混合(向上变换)内插信号到数字到模拟变换器IF频率。

如在接收机部分，在I&Q部件以更高的采样率执行所有的计算的集中运算。目的是由计算有效的多速率滤波器库代替它，同时实现向上采样和频率向上变换。

图15显示内插运算的多相位实现。滤波器H(z)分解为M个并行滤波器，这里以低的采样率执行滤波，然后用并行到串行变换器137组合并行的信号形成向上采样的信号。输出采样率是输入采样率的M倍。

对剩余的部分我们集中在M＝2的情况，滤波器是有N个系数(分接头)的FIR滤波器。

图16显示2信道的合成滤波器库，其中组合两个不同的信号X1和X2形成有两倍采样率的信号X。滤波器h₁和g₁分别是关于在图9中的低通和高通滤波器。它们等效于滤波器h₀和g₀。

在图17中显示图16的多相位实现。

X1(n)和X2(n)两个信号是在分离的频带上要发送的两个分离的基带信号，使得不互相干扰，使得它们能由接收机恢复。这样，信号作用到各滤波器h_n和g_n，它的输出作用到并行到串行变换器140，141产生有更高采样率的信号x(n)。

限制是半波带滤波器的滤波器作为接收机部分，图17简化为图18。

可以看到下半部滤波器是上半部滤波器简单的反向版本。如在图18中所示的各样本通过滤波器c和h传递，这样从一个建立两个样本产生向上采样信号。

图18可简化为图19作为递归的2信道滤波器库，其中信道选择块150确定向上变换选择的输入信号要求的递归数，由选择系数的符号(即，倒数或非倒数)确定放入此部分。

图20显示有数字IF部分的完全的发射机的原理图。这相似于反向信道后有信号的图13。

基带I&Q信号是复数到向上变换为接近于零频率F_i的实数，信道选择块决定信号上频率和下频率放在哪里，决定在D/A前向上变换信号到IF要求的递归数。

图21显示作用到图18的信号X1(n)，X2(n)和X(n)的原理图。宽带是双倍的，两个输入信号一起存放，并同时向上采样和向上变换。如果只选择一个信道然后仅一个信号向上采样和向上变换。

参考图20，如果从并行串行变换器160输出回馈到信道选择块150的信号有不是足够的宽带/采样率，信号再作用到滤波器h和c向上采样和向上变换。

Claims (26)

1.一种在采样率Fs采样载波频率的宽带处理获得的数字信号的方法，以便从在宽带中的载波频率的期望的信道获得信息，方法包括：

a.将采样的输入信号变换为M个子信号，其中，M是大于1的整数，每个子信号有等于Fs/M的采样率；

b.将子信号输入到带通滤波器的M信道库，每个带通滤波器在宽带中具有不同通带；

c.从包含载波频率的要求的信道的一个滤波器选择输出；

d.使用步骤c)选择的输出作为重复步骤a)、b)和c)的输入，直到下一循环在所述输出中不包括所述要求的信道的载波频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤(d)后，输出信号变换为复数信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于各重复步骤a)、b)和c)的M值是相同的。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤a)、b)和c)的至少一个运行M＝2。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于当M＝2时，每个滤波器通过作用在带通滤波器的M信道库的一半频带。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于滤波器是正交镜向滤波器。

7.一种在F_s速率采样宽带载波频率获得的数字信号的数字信号处理器，以便从宽带范围中的载波频率期望的信道获得信息，处理器包括：

变换装置，用于变换采样的输入信号为M子信号，其中，M是大于1的整数，每个子信号有等于Fs/M的采样率；

带通滤波器的M信道库，每个滤波器在接收各自子信号的宽带范围中有不同的通带；

选择装置，从包含载波频率的要求的信道的一个滤波器选择输出；

装置，循环地将选择的信号回馈到变换装置，直到选择装置的输出在下一个循环不包括所要求的信道的载波频率。

8.根据权利要求7所述的数字信号处理器，其特征在于还包括装置，用于变换来自选择装置的输出为复数信号。

9.根据权利要求7或8所述的数字信号处理器，其特征在于M＝2。

10.根据权利要求9所述的数字信号处理器，其特征在于每个滤波器通过作用到带通滤波器的M信道库的一半通带频率。

11.根据权利要求10所述的数字信号处理器，其特征在于滤波器是正交镜向滤波器。

12.一种无线电接收机，包括根据权利要求7到11任一个所述的数字信号处理器。

13.一种处理发送的数字信号的方法，包括步骤：

a)将信号输入到带通滤波器的M信道库，其中，M是大于1的整数；

b)并行到串行变换来自带通滤波器的M信道库输出的信号，以产生内插信号，内插信号的采样率是输入信号采样率的M倍，由内插处理产生的镜像已从内插信号滤去；

c)循环地将串行输出信号回馈到带通滤波器的M信道库；

d)重复步骤a)、b)和c)，直到获得要求的采样率和/或信号宽带。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于数字信号是复数信号的形式，并在步骤(a)前变换为实数信号。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于对步骤(a)和(b)的每次重复M是相同的。

16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于对步骤(a)和(b)的至少一个重复M＝2。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于当M＝2时，滤波器是正交镜向滤波器。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于至少在步骤(a)之前，信号被反向。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于还包括根据要发送信号的频带确定信号是否反向。

20.一种处理发送的数字信号的设备，包括：

带通滤波器的M信道库，其中，数字信号被供给到带通滤波器的M信道库，M是大于1的整数；

并行到串行变换的装置，用于变换从带通滤波器的M信道库接收的并行信号为串行信号；

串行输出是内插信号，内插信号的采样率是输入信号的采样率的M倍，由内插处理产生的镜像已从内插信号滤去；

信道选择装置，循环地回馈串行输出信号到带通滤波器的M信道库，直到获得要求的采样率。

21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于还包括变换装置，用于变换复数信号为实数信号，变换装置的输出作用到带通滤波器的M信道库。

22.根据权利要求20或21所述的设备，其特征在于M＝2。

23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于滤波器是正交镜向滤波器。

24.根据权利要求23所述的设备其特征在于还包括反向装置，用于在信号作用到带通滤波器的M信道库前反向该信号。

25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于反向装置合并在信道选择装置中，信道选择装置根据要发送信号的频带确定是否反向信号。

26.一种无线电发射机，包括根据权利要求20到25任一个所述的设备。

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