CN101044685B - 信号接收机和移动通信设备 - Google Patents

Abstract

一种信号接收机处理电路，用于从例如来自无线电前端(12)的信号功率易受变化的模拟输入信号中分离所期望的信号。所述设备具有可变增益放大器(13)和模数转换器(14)，用于向数字信号处理器(15)提供数字信号，数字信号处理器包括数字滤波器。所述设备具有控制单元(16)，用于根据输入信号的信号质量，来调整模数转换器(14)和/或数字信号处理器单元(15)的滤波精度。

Description

信号接收机和移动通信设备

技术领域

本发明涉及一种对模拟输入信号进行数字处理的设备，用于分离信号功率易受变化的所期望的信号。

本发明还涉及一种通信设备，该设备包括用于对模拟输入信号进行数字处理的设备。

本发明涉及用于数字信号处理的模数转换领域，更具体地，涉及在信号接收机中，调整以减小的功耗从所接收的输入信号中分离所期望的信号的动态范围。

背景技术

文件WO99/30427描述了一种可编程动态范围接收机，包括模数转换器(ADC)，具体地，包括数字通信接收机设备中的西格马-德尔塔(∑Δ)类型的转换器。在这种通信系统中，信号接收机接收功率变化易受变化的模拟输入信号，该输入信号包括要与另一信号分量分离的信息信号分量。描述了一种可编程动态范围接收机，该接收机以减小的功耗提供了必要的等级性能。接收机内的∑ΔADC设计具有多个环路。每个环路提供预定动态范围性能。可以基于所需动态范围和一组动态范围阈值来启用或禁用所述环路。∑ΔADC还可以设计具有可调整偏置电流。∑ΔADC的动态范围与偏置电流近似成比例变化。通过调整该偏置电流，可以由具有最小功耗的∑ΔADC来提供所需动态范围。在不需要高动态范围时，可以减小∑ΔADC的参考电压，从而允许∑ΔADC中有较小偏置电流并支持电路。∑ΔADC的动态范围也是与采样频率成比例的过采样率的函数。高动态范围需要高过采样率。当不需要高动态范围时，可以降低采样频率。此外，可以根据接收机设备的操作模式来设置∑ΔADC转换器的动态范围。然而，调整动态范围的已知方式不够灵活和精确，并且会需要附加电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种以使动态范围适应输入信号质量从而减小功耗的灵活方式来对模拟输入信号进行数字处理的设备。

为此，根据本发明的第一方面，在开篇的段落中描述的对模拟输入信号进行数字处理的设备包括：模数转换器，用于将模拟输入信号转换为要处理的数字信号；数字信号处理器，用于对来自模数转换器的数字信号进行数字处理，所述数字信号处理器包括数字滤波器；以及控制单元，用于根据输入信号的信号质量，来调整模数转换器和数字信号处理器单元中至少一个的滤波精度。

为此，根据本发明的第二方面，在开篇的段落中描述的通信设备包括：用于对模拟输入信号进行数字处理的以上设备；以及用于提供模拟输入信号的接收单元。

这些措施具有以下效果：通过施加适应输入信号质量的滤波精度来调整输入信号。从而针对弱输入信号或高电平的噪声或干扰，设置高复杂度滤波，而针对清晰、强且高质量的输入信号，设置低复杂度滤波。有利地，对于高质量输入信号，减小了滤波所需的功率量。

本发明还基于以下认识。在已知的解决方案中，通常通过调整ADC的参考电压或通过断开多环路∑ΔADC的环路，或者通过调整偏置电流或调整采样频率来调整∑ΔADC的操作速率，在模拟域中对信号进行处理。然而，发明人看出，通过调整滤波精度(例如，通过调整ADC中或信号处理器中的滤波器级数)，或者通过调整表示信号的数字字的比特个数来设置精度，可以更加灵活地调整动态范围和减小功耗。

在设备的实施例中，模数转换器包括具有环路滤波器的环路，以及控制单元设置用于调整环路滤波器的滤波精度。在特定实施例中，环路滤波器包括多个环路单元(组成与环路单元的个数相关联的滤波级数的环路滤波器)的序列，以及控制单元设置用于：通过激活或停用至少一个环路单元，来调整滤波级数，从而调整环路滤波器的滤波精度。这具有以下优点：为了处理不利输入信号的情况，在模数转换器中，复杂的高级环路滤波器可用；而对于中或高质量的输入信号，可以容易地减小滤波器的级数，这显著地减小了功耗。

在设备的实施例中，控制单元设置用于：通过激活或停用数字信号处理器的数字滤波器中的至少一个滤波器部分，来调整滤波精度。滤波部分可以包括数字积分器、乘法器、延迟线等。发明人看出，在以完全能力进行操作时，数字处理需要相对多的功率。减少所述部分或滤波步骤的数目就减小了所需的处理能力。这具有以下优点：这允许数字信号处理器以较低的时钟速率进行操作、或者暂时切换至待机模式。

在设备的实施例中，控制单元设置用于：通过调整表示要在数字滤波器中处理的数字信号的值的字的比特个数，来调整滤波精度。发明人看出，在以完全能力进行操作时，数字处理需要相对多的功率。减小比特个数允许数字信号处理器以较低处理能力进行操作，这有利地减小了所需的功耗。

在所附权利要求中给出了根据本发明的设备的其它优选实施例，将其公开在此一并引入作为参考。

附图说明

结合附图，本发明的这些和/或其它方面和优点将从通过参照以下描述中的示例来描述的实施例中变得显而易见，其中：

图1示出了具有可调整滤波精度的接收机设备的框图，

图2示出了西格马-德尔塔模数转换器，

图3示出了西格马-德尔塔模数转换器的具体模型，

图4示出了用于模数转换器中的具有可调整滤波精度的环路滤波器，

图5示出了环路滤波器和西格马-德尔塔调制器闭环转移的转移函数，

图6示出了西格马-德尔塔转换器的输出频谱，以及

图7示出了不同滤波精度的输入信号和转移函数。

不同图中的相应的元件具有相同的参考数字。

具体实施方式

图1示出了具有可调整滤波精度的接收机设备的图。该设备具有与射频前端12连接的天线11。将来自前端12的模拟信号与放大器13连接，例如，通过在放大器13的输出处测量模拟信号强度检测器电路中的信号功率，而使放大器13具有自动增益控制。放大器向模数转换器14(ADC)提供放大后的模拟信号，模数转换器14向数字信号处理器15提供数字信号。数字信号处理器包括数字滤波器，用于在输入处接收的输入信号中分离出所期望的信号。在这种数字化接收机结构中，ADC出现于接收机链中的某处，以将期望信道的信息信号转换至数字域。该数字化导致了更加灵活的接收机结构，例如，在数字域中可以进行信道滤波和解调。图中的RF前端12将包括期望信道的所接收的无线电信号转换至IF频率(可以是零)，并且还进行诸如放大和信道滤波之类的准备信号调节来衰减相邻信道和干扰。如果期望信道的信号强度太小或过大，则ADC放大器13用于放大或衰减输入信号来进行调节，从而可以将该信号适当地转换至数字域。这表示使期望信号尽可能地接近ADC的最大输入电平，使得ADC的噪声影响尽可能小。

在用于移动通信的手机、以及类似于TV的其它通信设备中，存在着使ADC向天线靠近的趋势，以便将诸如滤波器和放大器之类的模拟功能模块移至数字域。这样，获得了具有更高集成等级的更加灵活的系统、以及更低的成本和减小的组件数。

电信市场的另一趋势是利用相同的接收机芯片来接收多个通信标准(如，GSM、EDGE、CDMA和UMTS)。不同的标准具有不同的带宽和动态范围需求。这些趋势的结果是，需要ADC和后续的信号处理能够处理所有这些带宽和动态范围需求。

此外，将ADC移至更靠近天线的问题在于增加了ADC的输入动态范围。现在，ADC必须处理大干扰信号，而该情况在更加传统的接收机结构中通过模拟前置滤波来消除。甚至自动增益控制放大器13的范围是有限的，或者可变增益控制转移至ADC或数字域。因而动态范围需求同样应用于数字滤波器，这成为面积和功率消耗的。在便携式电池供电的应用(例如，移动电话)中，低功耗对于增加待机时间非常重要。

根据本发明，处理上述问题的方式是：通过使信号处理设备中的各个滤波器中的一个或多个可缩放(scalable)来适应信号处理的动态范围。通过适应滤波精度，以将输入信号转换至数字域，使得干扰不会危害接收机链中的信号完整性，来设置ADC的动态范围，并且可以获得可接受的误码率。在没有大干扰或相邻信道时，可以减小ADC和/或数字滤波器的动态范围，这节约了功率。在这种情况下，易于通过ADC和数字滤波来分离期望信道。当突然出现干扰时，将ADC和数字滤波设置为完全的动态范围和滤波器复杂度，并在确定了干扰的幅度之后，再次缩小信号处理的动态范围以节约功率。

问题在于，如何使模数转换器和数字信号处理器的数字处理的动态范围适应不同质量的输入信号。此外，该设备包括控制单元16，用于经由模拟滤波器控制信号17来调整模数转换器14中的信号处理的滤波精度，和/或经由数字滤波器控制信号18来调整数字信号处理器15中的信号处理的滤波精度。控制单元16与数字信号处理器15连接，用于接收表示输入信号的信号质量的质量信号19。信号质量可以是所期望信号的信号功率、相对于输入信号的其它信号的干扰电平、噪声电平等。如在以下详细描述的，控制单元检测信号质量，并通过调整一个或多个滤波器的级数、或者通过调整数字滤波的计算精度，来调整滤波精度。应当注意，AGC放大器13也可以由来自控制单元16的数字控制信号进行控制。调整滤波精度的第一选项是调整模数转换器中的环路滤波器级数。

图2示出了西格马-德尔塔模数转换器。该西格马-德尔塔转换器包括环路滤波器42，该环路滤波器42具有转移函数H、量化器Q，所述量化器Q在以采样频率f_s对模拟信号进行采样的采样单元43之后，用以提供输出信号Y。通过下式来设置采样频率：f_s＝OSR·2·f_BW其中，OSR表示输出采样率，以及f_BW表示所需带宽。环路经由数模转换器(DAC)45和求和节点41提供了反馈，求和节点接收输入信号X和经由DAC45的来自环路的反馈信号。西格马-德尔塔调制器提供噪声整形来抑制信号带宽中的量化噪声，同时使输入信号不受伤害，如以下的图6所示。

图3示出了西格马-德尔塔模数转换器的具体模型。类似于图2，提供了输入节点41和环路滤波器42，同时通过直接连接示出了数字输出信号Y至输入节点41的反馈。以噪声源N和增益因子C来给出对量化器Q47的模型的具体描述。输出Y由下式定义：

$Y=\frac{C\·H}{1+C\·H}X+\frac{C}{1+C\·H}N$

应当注意，如果C·H足够高，则输出信号Y等于输入信号X，并且附加噪声分量通过由图4的特定示例示出的环路滤波器整形为1/H。

图4示出了用于模数转换器中的具有可调整滤波精度的环路滤波器。环路滤波器包括环路单元序列，即，串联的积分器单元61、62、63、64。每个积分器的输出经由各个放大单元67、68、69、65与求和单元66连接。每个放大单元67、68、69、65的放大系数分别由a₁、a₂、a₃、a₄表示。切换单元31与第二环路滤波器单元62连接，并将第一环路单元61的输出信号或第二输出单元62的输出信号切换至第三环路单元63的输入。第二切换单元32设置用于连接或断开第二放大单元68的输出与求和单元66的连接。对切换单元31、32进行控制，根据信号质量，由控制单元16提供的滤波器精度信号33对第二环路单元62和相应的放大单元68进行旁路。应当注意，不同的环路单元、或一个或多个其它环路单元和放大单元还可以具有类似的切换单元，用于激活和/或停用各个环路单元。切换单元设置用于实质上减小被停用或旁路的单元的功耗，优选地，将剩余的功耗减小为零值。

在本示例中，环路滤波器是四级滤波器，包括积分器，并具有如图所示的前馈系数。积分器的个数确定了噪声整形的级数。通过切换单元将滤波器的级数调整为如上所述的例如三级。应当注意，还可以使用例如带通滤波器或更加复杂的滤波器结构的其它滤波器。以下参照图7，给出了所得到的转移函数的示例。

图5示出了环路滤波器和西格马-德尔塔调制器闭环转移的转移函数。通过具有清晰的低通特征的上曲线71来表示环路滤波器转移函数，水平轴表示频率、以及垂直轴表示响应(在左垂直轴上以dB为单位的增益)。环路滤波器的第四级与图中所示的一个十倍程(decade)内的80dB的增益差相对应。由曲线72表示信号转移函数STF，该函数基于：

$\mathrm{ST}{F}_{\mathrm{cl}}=\frac{Y}{X}=\frac{C\·H}{1+C\·H}$

由曲线73表示噪声整形转移函数NTF，该函数基于：

$\mathrm{NT}{F}_{\mathrm{cl}}=\frac{Y}{N}=\frac{C}{1+C\·H}$

如可从图中所见，西格马-德尔塔调制器使用噪声整形来抑制信号带宽中的量化噪声，同时使输入信号不受伤害。

图6示出了西格马-德尔塔转换器的输出频谱。水平轴表示频率，以及垂直轴表示模拟数字转换器的响应。用于频谱的带宽(RBW)是10kHz。通过转换后的输入信号曲线81来示出如上所述的针对包含所期望信息信道的输入信号的噪声整形。再次，从一个十倍程的80dB的增益差中可见第四级环路滤波器的噪声整形。可以在这种西格马-德尔塔调制器和/或抽取(decimation)中实现调整滤波精度以用于缩放动态范围，以及在数字信号处理中实现其它信道滤波器。

图7示出了不同滤波器精度的输入信号和转移函数。在西格马调制器中的环路滤波器的级数适于所需动态范围。在以下的图示中示出对数字滤波器的转移函数的影响。由具有由下面的曲线24表示的高阶滤波器、由下面中间的曲线25表示的中间阶数滤波器、以及由上面的曲线26表示的低阶滤波器来确定带宽57。大箭头27表示放大噪声层(noise floor)的效果，它有效地确定了动态范围。第一期望信号51具有低质量，需要曲线24的低噪声层的动态范围54。第二期望信号52是中等质量，需要中间曲线25的中间噪声层的动态范围55。第三期望信号53是高质量，允许上面曲线26的高噪声层的动态范围56。因此，如果期望信号具有足够的质量(即，相对于噪声足够强)，则数字滤波器需要针对带外干扰或相邻信道的较小抑制，以及所激活的滤波器较为简单并导致了较低的功耗。

应当注意，以上描述的方法还用于具有其它ADC拓扑的设备，如，带通西格马-德尔塔调制器、奈奎斯特转换器等。例如，ADC中的滤波器可以包含另一积分器或谐振器部分以及具有可调整增益系数的另一反馈或前馈单元。许多适合的滤波结构是本领域公知的，例如，从手册“Delta-Sigma Data Converters，Theory，Design，and Simulation”Steven R.Norsworthy等，ISBN0-7803-1045-4中可知。可以以所需的方式，例如，通过设置所需个数的部分和/或调整增益系数来调整带通特征，来调整所应用的滤波器电路的滤波精度。

在实施例中，除了缩放西格马-德尔塔调制器中的环路滤波器级数或另一类型的ADC中的滤波精度之外，可选地或附加地，将数字滤波调整为它必须处理的信号质量和动态范围。数字滤波器可以是具有多个部分和相应滤波系数的有限脉冲响应滤波器。控制单元16设置用于通过调整部分的个数和/或滤波器系数的比特数(即，数字精度)来调整滤波精度。可以通过设置数字滤波器中的有效滤波器部分的个数来调整转移函数。此外，可以调整用于计算信号值的比特个数。在实际的实施例中，可以在信号处理软件中实现数字滤波器，以及可以通过选择适合的软件功能或参数设置来实现滤波精度的调整。

由于数字滤波器中量化噪声抑制的减小(例如，通过限制数字字的宽度)，更多的量化噪声将会折进(fold back)信号带宽，这减小了接收路径的动态范围，但是对于没有干扰或相邻信道的高质量输入信号，这是允许的。

尽管基于具有环路滤波器的西格马-德尔塔类型的模数转换器，通过实施例对本发明进行了解释，但是应当注意，可以使用任何类型的具有一些滤波元件的模数转换器来实现本发明。还应当注意，在本文献中，词‘包括’并不排除不同于那些列出的元件或步骤的其它元件或步骤的存在，以及在元件之前的词‘一’并不排除多个这种元件的存在，任何参考符号并不会限制权利要求的范围，并且本发明可以通过硬件和软件来实现，多个‘装置’可以由硬件的相同项目来表示。此外，本发明的范围并不局限于实施例，本发明包括以上所描述的每个新颖特征或其组合。

Claims (9)

1.一种对模拟输入信号进行数字处理的设备，用于分离所期望的信号，所述设备包括：

模数转换器(14)，用于将模拟输入信号转换为要处理的数字信号；

数字信号处理器(15)，用于对来自模数转换器的数字信号进行数字处理，所述数字信号处理器包括数字滤波器；以及

控制单元(16)，用于根据输入信号的信号质量，来调整所述模数转换器(14)和所述数字信号处理器(15)中至少一个的滤波精度，

其中，所述模数转换器(14)包括具有环路滤波器(42)的环路(46)，以及所述控制单元(16)设置用于调整所述环路滤波器的滤波精度。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述环路滤波器包括多个环路单元(61、62、63、64)的序列，所述环路单元序列构成了与环路单元的个数相关联的滤波级数的环路滤波器，以及控制单元(16)设置用于通过激活或停用至少一个环路单元来调整滤波级数，从而对环路滤波器的滤波精度进行调整。

3.如权利要求2所述的设备，其中，环路单元序列包括积分器(61、62、63、64)和前馈单元(67、68、69、65)，以及控制单元(16)设置用于激活或停用至少一个积分器，并接下来调整所述前馈单元(67、68、69、65)中的至少一个。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述模数转换器(14)是西格马-德尔塔转换器，以及所述环路包括与量化器(44)连接的模拟环路滤波器(42)。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元(16)设置用于通过激活或停用数字信号处理器(15)的数字滤波器中的至少一个滤波器部分来调整滤波精度。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述数字滤波器具有多个部分和相应的滤波系数，以及所述控制单元(16)设置用于通过调整数字滤波器中滤波器部分的个数和/或滤波器系数的比特个数来调整滤波精度。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元(16)设置用于通过调整表示要在数字滤波器中处理的数字信号的值的字的比特个数来调整滤波精度。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述控制单元(16)设置用于检测信号功率或干扰电平，作为输入信号的信号质量。

9.一种通信设备，所述设备包括：如权利要求1至8之一所述的对模拟输入信号进行数字处理的设备，以及用于提供模拟输入信号的接收单元(12)。

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