CN101375512B

CN101375512B - 采样rf信号的方法和装置

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Publication number: CN101375512B
Application number: CN2007800036196A
Authority: CN
Inventors: X·钱
Original assignee: ST Ericsson SA
Current assignee: St Wireless
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: CN101375512A; EP1982425A1; US8170521B2; EP1982425B1; ATE455399T1; DE602007004303D1; WO2007086020A1; JP2009524375A; JP4836041B2; US20090017785A1

Abstract

本发明提供用于在接收机中对RF信号进行采样的方法和装置，特别是提供了能够显著降低在RF频带内执行的采样率的方法和装置。本发明提供一种用于对RF信号进行采样的装置，该RF信号包括多个干扰频率分量和一个有用频率分量，该装置包括：滤波单元，用于从RF信号中滤出至少一个预定的干扰频率分量以产生陷波滤波RF信号；采样单元，用于以预定的采样率对陷波滤波RF信号进行采样以产生离散模拟信号。采样单元可以由多个陷波滤波器实现。通过使用根据本发明的方法和装置可以简单方便地实现RF采样，并且采样率可以降至约为有用频率分量的载波频率的1/N，这大大低于现有RF采样方案的采样率。根据本发明的方法和装置能够显著降低采样时的功耗。

Description

采样RF信号的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线通信系统，更具体地涉及对无线通信系统中的RF信号进行采样的方法和装置。

背景技术

随着无线通信系统的迅速发展，无线通信装置变得越来越复杂和微型化。数字信号处理技术在复杂的数学运算(如柔性数学变换(flexible mathematical transformation))、强大的计算能力和易于实现等方面具有内在的优势。另一方面，通过运用数字信号处理技术可以将很多功能集成在集成芯片中，从而减小了装置的尺寸。这样，无线通信系统的发展趋势是通过使用数字信号处理技术取代模拟信号处理技术来实现更多的功能。

RF采样是将数字信号处理技术用于RF域的各种方案中的重要研究课题。在传统的外差接收机、零IF接收机和低IF接收机中，采样和量化一般是在基带或低IF带中完成的，因此很多功能必须在模拟域中完成。相反，RF采样是在下变频(down conversion)之前对RF信号进行采样，以便将连续幅值连续时间的RF信号转换成连续幅值离散时间的信号。RF采样具有几个优势。首先，通过运用数字信号处理技术可以实现更多的功能；其次，更多的功能可以集成在集成芯片中，从而可以采用越来越先进的集成信号处理技术；再次，在RF采样之后、数字信号处理单元之前完成的功能，如下变频、子采样、滤波、模数转换等，可以通过使用离散时间信号处理技术来实现。处理离散时间信号一般要比处理连续时间信号简单的多。

德州仪器(Texas Instruments)在2004年的IEEE固态电路学报上提出一种带有RF采样的接收机架构。为了简化说明，图1为示出此接收机架构的简图。在接收机100中，RF信号S110被传送至RF带通滤波器(BPF)120以产生带通滤波RF信号。带通滤波RF信号S122被LNA(低噪声放大器)放大以提高信噪比。带通滤波RF信号S122被采样单元150采样并变换成离散模拟信号S152。然后，离散滤波器160和模数转换器170把所述离散模拟信号转换成数字信号S172以被后续的数字接收链路单元180处理。

在图1中，在RF波段完成采样。然而，此方法具有采样率过高的缺点。例如，蓝牙和WLAN装置的采样率是约为2400MHz。一般来说，采样率越高功耗越大，并且采样单元的设计越复杂。因此，有必要解决采样率过高的问题。

解决此问题的方法之一是采用高性能RF带通滤波器BPF，其带宽约为已调信号的波段。然而，这种RF带通滤波器BPF通常大且昂贵，并且还难以获得具有窄带宽的BPF。于是难以在移动设备特别是手持设备中使用这样的BPF。在实际的系统中，由于性能、大小和功耗的限制，难以通过串联多个宽带宽BPF来形成带宽很窄而且很精确的BPF。

因此，必须以简单易行的方式来解决RF采样率过高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供在接收机中对RF信号进行采样的方法和装置，特别是提供用于大幅降低在RF波段内进行采样的采样率的方法和装置。

根据上述目的，本发明的一个实施例提供了用于对RF信号进行采样的装置，该RF信号包括多个干扰频率分量和一个有用(useful)频率分量，所述装置包括：

滤波单元，用于从RF信号中滤出至少一个预定的干扰频率分量以产生陷波滤波RF信号；

采样单元，用于以预定的采样率对陷波滤波RF信号进行采样以产生离散模拟信号。

滤出的预定干扰频率分量的中心频率与中频之间的差值是采样率的倍数，其中该中频是零频或者预定的低IF，预定的低IF远低于有用频率分量的中心频率。采样单元可由多个陷波滤波器构成。

根据上述目的，在本发明的一个实施例中提供了一种对RF信号进行采样的方法，其中所述RF信号包括多个干扰频率分量和一个有用频率分量，该方法包括如下步骤：

(a)从RF信号中滤出至少一个预定的干扰频率分量以产生陷波滤波RF信号；

(b)以预定的采样率对陷波滤波RF信号进行采样以产生离散模拟信号。

根据本发明的方法能够通过在采样前滤出干扰频率分量来避免在随后的采样处理中将一些干扰频率分量混叠到有用频率分量中。这些滤出的干扰频率分量的中心频率等于采样率的倍数与中间频率之和。对于中心频率不等于采样率的倍数与中间频率之和的其它频率分量，则不需要滤出，因为它们不会混叠到有用频率分量中。于是，此方法所需的采样单元的数量是有限的。另外，通过在滤波单元之前加上RF带通滤波器BPF，使得RF信号首先经过带通滤波以抑制有用频率分量所处RF频带的带外干扰，可以进一步减少所需滤波单元的数量。

由于容易实现多个RF陷波滤波器并且所需RF滤波器的数量有限，所以可以使用根据本发明的方法和装置来简单方便地实现RF采样，并且采样率可以降至约为有用频率分量的载波频率的1/N，这远远低于现有RF采样方案的采样率。根据本发明的方法和装置能够大大降低采样时的功耗。

结合附图和对本发明的更全面的理解，本发明的其它目的和效果将从后续的说明和权利要求中显现。

附图说明

图1是示出了使用现有RF采样方案的接收机的示意图；

图2描述了示出使用根据本发明一个实施例的RF采样方法的接收机的示意图；

图3描述了本发明第一实施例的框图；

图4描述了包括多个干扰频率分量和一个有用频率分量的RF信号的频谱；

图5描述了通过用BPF对图4所示RF信号进行滤波而形成的RF带通信号的频谱；

图6A描述了零IF接收机中陷波滤波RF信号的频谱；

图6B描述了低IF接收机中陷波滤波RF信号的频谱；

图7A描述了通过对图6A所示的陷波滤波RF信号进行采样所形成的离散模拟信号的频谱；

图7B描述了图7A所示的离散模拟信号的I分量的频谱；

图7C描述了图7A所示的离散模拟信号的Q分量的频谱；

图7D描述了通过对图6B所示的陷波滤波RF信号进行采样所形成的离散模拟信号的频谱；

图7E描述了图7D所示的离散模拟信号的I分量的频谱；

图7F描述了图7D所示的离散模拟信号的Q分量的频谱；

图8描述了根据本发明第二实施例的接收机的框图；

图9表示根据本发明第三实施例的接收机的框图；

所有附图中相同和类似的参考标号指代相同和类似的特征和功能。

具体实施方式

现参考附图根据下述实施例对本发明的技术方法进行详细描述。

图2是示出使用根据本发明一个实施例的RF采样方法的接收机的示意图。该接收机使用BPF 120对RF信号S210进行带通滤波以得到带通滤波信号S222，该信号S222被LNA 130放大，然后传送至滤波单元240，以从RF信号S210中滤出至少一个预定的干扰频率分量；从滤波单元240输出的信号S242是陷波滤波信号，在被采样单元250采样之后，其被转换成离散模拟信号S252；在被离散滤波器160和模数转换器170处理之后，S252转换成数字信号S272；随后S272被数字信号处理单元280处理。通过并入采样单元240，采样单元250的采样率可以远低于现有RF采样方案的采样率。

在实际系统中难以完全滤出具有特定带宽的频率分量，因此在本发明中通过所提出的滤波单元滤除干扰频率分量应当被认为是对干扰频率分量进行滤除或抑制，使干扰频率分量对后续的采样处理无影响或仅具轻微影响。

图3描述了第一实施例，其中在采样单元250中使用了正交采样。下面结合图4-7F对图3所示的第一实施例进行说明。

如图3所示，在接收机200中，首先从诸如天线(未示出)之类的信号源中接收RF信号S210，该信号包含多个干扰频率分量和一个有用频率分量，即已调有用信号。图4描述了该RF信号的频谱。实际上，干扰分布在RF信号所处的整个频带上。为了便于说明，干扰被分成多个均具有特定带宽的干扰频率分量，它们可以彼此重叠或不重叠，取决于特定的系统设计，所述特定带宽可以等于或不等于有用频率分量的带宽。有用频率分量被载波频率f_c214调制到中心频率为f_c214的频带上，干扰频率分量216分布在整个频带上。

RF信号S210被BPF 120带通滤波，并被转换成频谱如图5所示的带通滤波RF信号S222。本发明对BPF的选择不做特别限定，传统的BPF仍然适用于使用根据本发明实施例的方法和装置的接收机。如图5所示，带通滤波RF信号S222仍然具有宽带宽和大量干扰频率分量。由于BPF 120的带通特性，一些远离有用频率分量S212的干扰频率分量受到显著地抑制，于是在后续处理中不必将其纳入考虑。

带通滤波RF信号S222被LNA 130放大，然后被传送至滤波单元240。滤波单元240可以由多个陷波滤波器构成。本领域的技术人员应当认识到，适于以相对窄的带宽对RF信号进行滤波或抑制的其它电路或单元也可以应用于本发明并为本发明所涵盖。根据系统需要，还可以对滤波单元240进行适应性调整以滤出不同的频率分量。

输入至滤波单元240的RF信号包括有用频率分量S212和至少一个处在预定频带上的干扰频率分量232，以及分布在其它频带上的干扰频率分量。其中，有用频率分量的中心频率f_c与采样率f_s234的关系由等式f_c＝N*f_s+IF确定，其中N是整数，IF(中频)236是预定的中频。N的选择影响采样率f_s234的值。由于f_c由系统确定并且通常不可调，所以N越大则采样率f_s234越低。

如图6A和6B所示，滤波单元240滤出某些特定的干扰频率分量232，它们的中心频率等于采样率234的倍数与中间频率IF236的和，即f_filtered＝n*f_s+IF，其中n是不等于N的整数。中心频率为f_wanted＝f_c＝N*f_s+IF的有用频率分量S212不被滤出。

IF236的值取决于接收机的设计。对于零IF接收机，IF236＝0。如图6A所示，中心频率等于采样率234的倍数的干扰频率分量232被滤出。在图6A的示例中，有用频率分量S212的中心频率分量是f_c＝3*f_s，并且带通滤波RF信号S222中的两个干扰频率分量232(其中心频率为2*f_s和4*f_s)分别被滤出。这些被滤出的干扰频率分量的带宽取决于系统要求。带宽滤波RF信号S222中的中心频率不等于采样率234倍数(即f_unfiltered≠2*f_s或4*f_s)的干扰频率分量238不被滤出。根据采样原理，这些未被滤出的干扰频率分量238不会混叠到有用频率分量S212中。

如果某些应当被滤掉的带外干扰由于BPF 120的性能差而仍然足以影响有用频率分量S212，则建议滤除这些带外干扰中的额外频率分量。在实际系统中，可以通过增加滤波单元240(如陷波滤波器)的滤频点来滤出这些不属于带通滤波RF信号S222的干扰频率分量238。在图6A中，滤出了中心频率为f_s和5*f_s的干扰频率分量238。如果带外干扰由于BFP 120性能良好而不足以影响有用频率分量S212，则不必增加额外的陷波滤波器。

对于低IF接收机，IF236是相对于f_c的低频，甚至接近基频。如图6B所示，滤出了中心频率等于采样率234的倍数与IF236之和的干扰频率分量232。例如，中心频率为2*f_s+IF和4*f_s+IF的两个干扰频率分量232分别被滤出。中心频率不等于2*f_s+IF或4*f_s+IF的干扰频率分量238不被滤出。

滤波单元240将带通滤波RF信号S222转换成陷波滤波RF信号242。

如图3所示的接收机采用正交采样，于是采样单元250首先将陷波滤波RF信号S242分成两路(即I分量和Q分量)，对其分别以相应的采样时钟CLK1和CLK2进行采样，这两个时钟速率相同但具有90°的相移，所用速率即采样率f_s。

通过以上说明，可以看出：通过使用根据本发明的方法和装置，RF采样率从现有RF采样方案的f_s＝f_c或f_c-IF降至

f_{s} = \frac{1}{N} * f_{c}

或

N越大则采样率f_s越低。

由于只需滤出特定的干扰频率分量，所以所需的陷波滤波器的数量有限，于是实际上可以通过增加陷波滤波器而不显著地增加装置的尺寸和复杂度来实现RF滤波。例如，如图6B所示，仅需要两个陷波滤波器。

通过采样处理，将陷波滤波后的连续幅值连续时间RF信号S242转换成连续幅值离散时间的离散模拟信号S252。

对应于图6A所示的陷波滤波RF信号S242，图7A示出相应离散模拟信号S252的频谱I+jQ。在实际系统中，I+jQ的实分量(即I分量)在I路径中进行处理；I+jQ的虚分量(即Q分量)在Q路径中进行处理。为便于理解，在图7B和图7C中分别示出I分量和Q分量。

对应于图6B所示的陷波滤波RF信号S242，图7D示出了相应的离散模拟信号S252的频谱I+jQ。类似地，在图7E和7F中分别示出其I分量和Q分量。

后续的离散滤波器160对离散模拟信号S252的带外干扰进行压缩以提高信噪比。模数转换器ADC 170将离散模拟信号S252的输出信号转换成离散幅值离散时间的数字信号S272。数字信号S272由后续的数字信号处理单元280进行处理。

通过与现有的RF采样方案进行比较，根据本发明的方法和装置将采样率从f_s＝f_c或f_c-IF显著地降至

f_{s} = \frac{1}{N} * f_{c}

或

从而显著地减小了功耗。由于实现RF陷波滤波器的方法简单并且陷波滤波器小且便宜，所以通过根据本发明的方法和装置可以简单且低成本地实现RF采样。

图8描述了根据本发明第二实施例的接收机的示图，第二实施例与第一实施例的不同之处在于：采样单元350将陷波滤波RF信号S242分成两路并对其中一路执行移相操作，这样可以用单一采样信号CLK同步进行对两个路径中的信号的采样，而不使用两个具有90°相移的采样信号CLK₁和CLK₂。

如图9所示，根据本发明的方法和装置不仅应用于正交采样，还适用于对单一路径中的信号进行采样，并且所采用的滤波单元240可以与正交采样中所使用的滤波单元在原理和构成上相同。不同处在于采样单元450所用的采样率f_s较高并且具有较小的选择范围。然而与应用于单一路径中信号的RF采样的现有方案相比，可以显著地节省功耗。

在上述描述中，本发明提供了用于RF采样特别是用于显著降低RF采样率的方法和装置。由于在RF信号采样之前已经将某些干扰频率分量滤出，所以可以在后续的采样处理中以远低于现有方案的采样率

f_{s} = \frac{1}{N} * f_{c}

或

进行采样而不会造成信息丢失，从而可以显著降低功耗。

本领域的技术人员应当认识到，本发明提供了用于RF采样特别是用于显著降低RF采样率的方法和装置，在不偏离本发明精神的前提下可以做出各种修改。因此，本发明的范围应当由权利要求来确定。

Claims

1.一种用于采样RF信号的装置，该RF信号包括多个干扰频率分量和一个有用频率分量，所述装置包括：

采样单元，用于以预定的采样率对所述陷波滤波RF信号进行采样以产生离散模拟信号，

其中预定干扰频率分量的中心频率与预定的中频之间的差值是所述采样率的整数倍数。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述中频是零频或者预定低IF之一，其中所述预定的低IF远低于有用频率分量的中心频率。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述滤波单元包括至少一个陷波滤波器以滤出所述的一个预定干扰频率分量。

4.如权利要求1所述的装置，还包括：

带通滤波器，其用于对RF信号进行带通滤波以产生包含有用频率分量和至少一个预定干扰频率分量的带通滤波RF信号；和

低噪声放大器，其连接至所述带通滤波器，适用于接收带通滤波RF信号，所述低噪声放大器还适用于放大所述带通滤波RF信号以产生放大的带通滤波RF信号以及将放大的带通滤波RF信号传送至所述滤波单元，其中所述滤波单元以预定的采样率从所述放大的带通滤波RF信号中滤出至少一个预定的干扰频率分量。

5.如权利要求1所述的装置，还包括：

离散滤波器，用于抑制所述离散模拟信号的带外干扰以产生滤波后的离散模拟信号；和

模数转换器，用于将所述滤波后的离散模拟信号转换成数字信号。

6.一种用于无线通信网络中的接收机，包括：

RF采样单元，用于对包含多个干扰频率分量和一个有用频率分量的RF信号进行采样，其中该RF采样单元还包括：

采样单元，用于以预定的采样率对陷波滤波RF信号进行采样以产生离散模拟信号；

离散滤波器，用于抑制离散模拟信号的带外干扰以产生滤波后的离散模拟信号；和

模数转换器，用于将滤波后的离散模拟信号转换成数字信号；以及

数字信号处理单元，用于处理数字信号，

其中所述预定干扰频率分量的中心频率与预定的中频之间的差值是采样率的整数倍数。

7.如权利要求6所述的接收机，其中中频是零频率或者预定低IF之一，其中预定的低IF远低于有用频率分量的中心频率。

8.一种对RF信号进行采样的方法，其中所述RF信号包括多个干扰频率分量和一个有用频率分量，该方法包括如下步骤：

(b)以预定的采样率对陷波滤波RF信号进行采样以产生离散模拟信号，

其中预定干扰频率分量的中心频率与预定的中频之间的差值是采样率的整数倍数。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述中频是零频率或者预定低IF之一，其中预定的低IF远低于所述有用频率分量的中心频率。

10.如权利要求8所述的方法，其中在步骤(a)中使用至少一个陷波滤波器来滤出一个预定的干扰频率分量。

11.如权利要求8所述的方法，还包括：

(c)对RF信号执行带通滤波来抑制有用频率分量的带外干扰以产生带通滤波RF信号；

(d)放大用于步骤(a)的滤波处理的带通滤波RF信号。

12.如权利要求8所述的方法，还包括：

(c)对离散模拟信号进行滤波以产生滤波后的离散模拟信号；

(d)对滤波后的离散模拟信号执行模拟和数字转换以产生数字信号。