CN101123440A - 多射频频带的直接射频数字化方法及其接收器 - Google Patents

多射频频带的直接射频数字化方法及其接收器 Download PDF

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Abstract

一种多射频(radio frequency；RF)信号频带(如全球导航卫星系统(GlobeNavigation Satellite System；GNSS)或无线通讯信号频带)的直接射频数字化方法，以及应用该方法的接收器。通过本方法，可轻易获得应用于多射频信号频带信号的直接射频数字化的最佳取样频率。依据本发明，可选择将一个或更多个射频信号频带转移至目标频带，从而可以轻易计算得到最佳的取样频率。所取得的取样频率用于执行直接射频数字化操作。

Description

多射频频带的直接射频数字化方法及其接收器
技术领域
本发明涉及直接射频(radio frequency；RF)数字化方法，尤其涉及一种多射频频带(如全球导航卫星系统(Globe Navigation Satellite System；GNSS)频带)和其它无线通讯系统(如行动电话以及手持式数字视频广播(DigitalVideo Broadcast-Handheld；DVBH))等的直接射频数字化方法。本发明还涉及一种具有射频前端的接收器，该射频前端应用前述直接射频数字化方法。
背景技术
目前，随着越来越多全球导航卫星系统(包括GPS、Galileo以及GLONASS)的出现，人们期望对应的接收器能够支持多种规格的基于位置服务(location based service；LBS)信号、无线多媒介信号，以及广播信号等。以多规格LBS信号为例，支持全球导航卫星系统信号多模式接收的接收器不仅可以提高定位精确度，而且可以存取更多服务。在全球导航卫星系统中，不同信号频带支持不同服务。随着需要支持频带的增多，必然会发生频带重叠。
图1概略显示GPS和Galileo系统频带的分布。GPS是美国导航卫星系统，用于为卫星网络持续传送高频无线信号。载有时间和距离信息的信号可经由GPS接收器接收，因此用户能在地球上准确定位其位置。Galileo是一个新兴的欧洲卫星导航系统，能提供更高的信号能量以及更强健的调制，该能量及调制即使在恶劣环境中，也可使用户得以接收微弱信号。如果将二者结合，则GPS和Galileo提供的卫星数量将是现有卫星资源的两倍。对用户而言，此种组合能提供更大的可选择性与更高的有效性。如图所示，除去安全救援(Safe and Rescue；SAR)服务，GPS与Galileo的组合基本上有四个频带。GPS与Galileo系统共享某些信号频带。例如，GPS L1与Galileo E2-L1-E1通过利用特定调制方案(例如双偏移载波(Binary Offset Carrier；BOC)调制)来共享相同频带，以避免干扰。
接收器接收不同频带的全球导航卫星系统信号，并将该等信号降频转换至基频信号。该接收器的射频前端通常利用降频转换方法或直接数字化方法来降频转换射频信号。但在传统降频转换方法中，对于一个频带的信号，需要本地振荡器、混频器以及模拟数字转换器(analog-to-digital converter；ADC)，成本相当高，为解决该问题，一般是采用直接数字化方法。在直接数字化方法中，是通过选择一个取样频率来降频转换不同频带的射频信号。但是有时该取样频率的选择颇为困难。此外，若不同频带的信号经降频转换有重叠现象，则由于交叉相关噪声(cross correlation noise)的存在，依然会发生信噪比(Signal-to-Noise Ratio；SNR)劣化的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多射频信号频带的直接射频数字化方法，以及应用该方法的接收器。
本发明提供一种多射频信号频带(如全球导航卫星系统和其它无线通讯信号频带)的直接射频数字化方法。本发明所提供的方法，将一个或更多个特定频带转移至目标频带，通过适当预定该目标频带，可以轻易计算得到最佳的取样频率。其后再应用该取得的取样频率来执行直接射频数字化操作。应用本发明所提供的方法，不仅可轻易获得应用于多射频信号频带的直接射频数字化的最佳取样频率，而且可以避免降频转换信号频带相互重叠。
本发明同时提供一种具有射频前端的接收器，该接收器的射频前端用来接收射频信号(如全球导航卫星系统或无线通讯信号)。该接收器将一个或更多个特定频带转移至目标频带，并通过基于转移频带和非转移频带计算得到的取样频率执行直接射频数字化操作，以毫无重叠地降频转换该不同频带信号。
附图说明
图1是一示意图，显示GPS和Galileo频带的分布；
图2是一示意图，显示E5频带被转移至一接近SAR的频带；
图3(a)是一示意图，显示未被频率转移的E1+E5+E6+L2频带组合的降频转换频带的分布；而
图3(b)显示被频率转移的具有E5频带的同一频带组合的降频转换频带的分布；以及
图4是一方块示意图，大致显示依据本发明接收器的射频前端。
具体实施方式
直接射频数字化方法是同时降频转换多信号频带的合适方案。直接射频数字化方法不需要很多模拟组件(如本地振荡器LO、混频器等)。在直接射频数字化方法中，共享模拟数字转换器用于根据取样频率取样若干个射频信号，以将该射频信号降频转换为中频(intermediate frequency；IF)信号。一般情况下，该等降频转换中频信号几乎已经落在基频频带，而在经过中频移除过程之后，进而成为实际的基频信号。只是在决定共享模拟数字转换器的取样频率方面，存在一些限制。
为实现该直接射频数字化操作，需要最佳的取样频率。通过在共享模拟数字转换器中利用最佳取样频率，可以同时毫无重叠的将所有输入信号射频频带转换至中频频带。只是在某些情况下，基于射频频带计算得到的取样频率可能会太高，因此会导致硬件成本增加。最糟的情况可能是可接受的取样频率甚至不存在。
理论上，可选择将信号频宽之和乘以2.5倍后所得到的数值作为最小取样频率。但实际运用上，考虑到要接收的信号的载波频率及频宽的限制，为避免重叠的发生，有时不得不选择较高的频率作为实际最小取样频率。
  频率-频带   载波频率(fc)MHz   传送频宽(BW)×1.023MHz
  L1(GPS)   1575.42   2
  E1-L1-E2(Galileo)   1575.42   40
  L2(GPS)   1227.6   2
  L5(GPS)   1176.45   20
  E5A(Galileo)   1176.45   -
  E5B(Galileo)   1207.14   -
  E5A+E5B(Galileo)   1191.795   90
  E6(Galileo)   1278.75   40
表1GPS&Galileo频带载波频率和频宽列表
  频带组合   奈奎斯特最小.fs(MHz)  计算合适最小fs(MHz)
  L1+L2   (2+2)×2.5＝10  min.Fs＝10.8
  E1+L2   (40+2)×2.5＝105  min.Fs＝106.4
  E1+E6   (40+40)×2.5＝200  min.Fs＝200
 E1+E5 (40+90)×2.5＝325   min.Fs＝495.14*
 E1+E6+L2 (40+40+2)×2.5＝205   min.Fs＝206.8
 E1+E5+E6 (40+90+40)×2.5＝425   min.Fs＝531.96*
 E1+E5+E6+L2 (40+90+40+2)×2.5＝430   min.Fs＝N/A*
表2不同频带组合的取样频率的理论值和实际值
表1显示GPS和Galileo系统每一频带的载波频率和传送频宽。表2显示每一频带组合的奈奎斯特(Nyquist)最小取样频率fs理论值和现有的直接射频数字化方法中实际考虑载频和频宽后计算得到的最小取样频率fs。如表2所示，若频带组合是E1+E5，亦即利用该两频带计算得到的最小fs为495.14MHz，比理论值325MHz高大约170MHz。若频带组合为E1+E5+E6，则计算得到的最小fs为531.96MHz，比理论值425MHz高大约107MHz。若频带组合为E1+E5+E6+L2，则甚至不存在低于1.5GHz的适当取样频率。
利用本发明所提供的方法，容易获取多个信号频带的足够低的适当取样频率。以频带组合E1+E5+E6+L2为例，若适当转移E5频带，如图2所示，则可取得最佳的取样频率。该转移操作应在考虑避免重叠的情况下执行。该降频转换频带分布如图3(a)所示。各降频转换频带的中心频率分别为fif_E1＝93.4MHz，fif_L2＝115MHz，fif_E5＝79.15MHz，以及fif_E6＝166.15MHz。如图所示，E5降频转换后的频带与E1/L1以及L2降频转换后的频带重叠。若转移频带E5以使中心频率为fif_E5＝232.11MHz，如图3(b)所示，则可以避免重叠。为达成图3(b)所示的降频转换频带的分布，在计算取样频率之前是先将E5频带转换至1344.71MHz。若中心频率E5频带被转换至1344.71MHz，则可选择556.3MHz作为该频带组合E1+E5+E6+L2的取样频率。
同理，对频带组合E1+E5而言，若提前将该E5频带转移至1091.295MHz(fc)，再执行计算来找到最佳取样频率，则经由选择取得的最佳取样频率fs可以选择为325MHz，而不是495.14MHz。如此一来取样频率可以降低170MHz。若取样频率fs为325MHz，则降频转换E1和E5频带的中心频率将分别为fif_E1＝49.58MHz及fif_E5＝116.295MHz。射频频带被移位的E1频带以及E5频带，其降频转换频带不会相互重叠。
第四图是方块示意图，大致显示根据本发明的接收器的射频前端。该根据本发明接收器的射频前端包括一天线(或一组天线)10，用来接收不同频带的卫星信号；一射频放大器20，用来放大所接收到的信号；一射频反混叠(anti-aliasing)宽带滤波器30，用来修整放大信号和滤除混在信号中的噪声；以及一放大器40，用来放大并修整信号和滤波信号。根据本发明，在一用来实现直接射频数字化的模拟数字转换器70之前提供两条途径：频移带通滤波器(band pass filter；BPF)区块50以及直接带通滤波器区块60。该BPF区块50包含允许特定频带通过的带通滤波器501、505，以及一用来将该特定频带转移至其目标频带的混频器503。该直接带通滤波器区块60允许不必频移的频带的输入信号分别通过至后段组件。在本实施例中，直接带通滤波器区块60有若干个多频带带通滤波器601，其中每一多频带带通滤波器均允许一个频带的信号(如E1频带)通过。频移带通滤波器区块50允许需要频移的信号通过且被分别移到预定频带。依据预先对降频转换频带分布的分析，选择转移一些全球导航卫星系统射频频带(如E5频带)。频移带通滤波器区块50允许每个被选择的频带的信号通过，并将具有原始中心频率的通过频带转移至具有预定新中心频率的目标频带。
在此以组合频带E1+E5+E6+L2为例说明。如前所述，若E5频带转移适当，则可轻易获得较低而且令人满意的合适取样频率。该频移带通滤波器区块50允许原始中心频率fc为1191.795MHz(表1)的E5频带的信号通过，并对该信号执行频率转移，从而将E5频带转移至新中心频率fc为1344.71MHz的目标频带。其后，转移频带的信号被传送至模拟数字转换器70。此外，其它频带(E1、E6以及L2)的信号经过直接带通滤波器区块60，被传递至模拟数字转换器70。既然已经适当转移E5频带，则可通过计算得到的最佳的取样频率(在该例中为556.3MHz)。提供该取样频率给模拟数字转换器70，以使模拟数字转换器70可通过该取样频率fs实现直接数字化。在本实施例中，预先计算得到每一频带的中心频率fc及每一可能频带组合的取样频率fs，并根据该计算值设计硬件。虽然，例如，也可通过处理器(未图示)动态计算和决定一特定频带的组合所需的值。其后，该处理器根据对前述特定频带组合的决定值来控制频率转移带通滤波器区块50及直接带通滤波器区块60。
从模拟数字转换器70输出的数字化信号几乎已经落在基频频带。该等信号被存入存储器80并通过一中频移除区块90处理成基频(baseband；BB)信号。
应注意的是，一频带组合的频带选择和频带数量以及以频率转移独立操控的频带数量与频带数目都可弹性变化。只是应该考虑到所有频带的频宽及分布。通过前述将一个或更多个特定频带转移至预定目标频带的操作，本发明在不明显提高成本和硬件复杂性的情况下，能为任何频带组合的直接射频数字化计算得到足够低的取样频率。此外，可以优化取样后的中频频宽分布。
此处以GPS和Galileo系统的应用为例来说明。但本发明也适用于其它射频信号系统，如其它全球导航卫星系统或无线通讯系统(如行动电话)，以及类似的系统。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种用于若干个射频信号频带信号的直接数字化方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
接收全球导航卫星系统或无线通讯频带的信号；
选择该频带中一特定频带；
转移该特定频带至预定目标频带；
为转移的频带和其它未转移的频带计算一取样频率；以及
以该取样频率对该等信号执行数字化操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该特定频带具有一原始中心频率，前述转移该特定频带至预定目标频带的步骤是将该特定频带被转移至具有新中心频率的目标频带。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：前述转移该特定频带至预定目标频带的步骤进一步包括预定该特定频带将被转移到的目标频带的步骤，使得在实现数字化之后，从射频信号频带转换而来的中频频宽不会相互重叠。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：前述转移该特定频带至预定目标频带的步骤进一步包括预定该特定频带将被转移至的目标频带，使得所计算出的取样频率最小化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：射频信号频带的数量及组成是依据需要而决定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：若有超过一个的频带将被频率转移，则在计算步骤前，对每个将被转移的频带均重复选择和转移的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包含执行中频移除操作的步骤，以将数字化信号处理成基频信号。
8.一种用来接收若干个射频信号频带的信号的接收器，该接收器包含：
一频移带通滤波器区块，用来将特定射频信号频带的信号分别转移至目标频带；
一直接带通滤波器区块，允许未被转移的频带的信号分别通过；以及
一模拟数字转换器，基于转移和未转移的频带计算得到的取样频率，对转移和非转移频带的信号执行数字化，以降频转换该等信号。
9.根据权利要求8所述的接收器，其特征在于：每一特定射频信号频带均有一原始中心频率，且该特定射频信号频带被转移至具有新中心频率的目标频带。
10.根据权利要求8所述的接收器，其特征在于：该频移带通滤波器区块可预定该特定频带将被转移至的目标频带，以使由射频信号频带降频转换而来的中频频宽在数字化之后不会相互重叠。
11.根据权利要求8所述的接收器，其特征在于：该频移带通滤波器区块可预定该特定频带将被转移至的目标频带，以使计算得到的取样频率最小。
12.根据权利要求8所述的接收器，其特征在于：射频信号频带的数量及组成是依据需要而决定。
13.根据权利要求8所述的接收器，其特征在于：其还包含一中频移除区块，用来将数字化信号处理成基频信号。
14.根据权利要求8所述的接收器，其特征在于：该频移带通滤波器区块还包含一组允许特定频带通过的带通滤波器，以及一用来将该特定频带转移至其目标频带的混频器。
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