CN101425816A - 一种用于无线超宽带的收发机及其收发信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线超宽带的收发机，包括天线，用来接收和发射射频信号；带通滤波器，用于滤除所述射频信号中带外的干扰信号；开关，用于完成发射链路和接收链路间的切换；频率综合器，用于提供两路不同频率本振信号；接收机，用于将接收到的射频信号分成两路，分别与所述本振信号混频后经下变频处理提供给基带进行数字信号处理；发射机，用于分别将两路基带信号与所述本振信号混频后经上变频处理，产生两路发射的射频信号并合成为一路后进行功率放大。本发明还公开了一种在无线超宽带中收发信号的方法。本发明采用了直接变频的收发机结构，相对于两次变频的超外差结构可以减小系统的实现成本，同时便于最终实现片上系统的集成。

Description

一种用于无线超宽带的收发机及其收发信号的方法
技术领域
本发明涉及高速短距离无线通信的无线超带宽领域，特别是用于无线超带宽的收发机及其收发信号的方法。
背景技术
无线超宽带(ultra wideband，简称UWB)技术主要用于实现短距离、超高速的无线通信，其传输距离目前一般在10m以内，传输速率可以达到480M/s甚至更高。
UWB高传输速率、低功耗且不干扰已有无线系统的特点，使得UWB成为现在及未来五年内的热点。它实现了两大突破，在频谱划分方面，开创“共存”局面；在传输速度方面，真正走向了高速，它通过增加带宽来提高容量，成为无线技术“高速”变革中的重要一支。UWB芯片组将广泛应用于企业智能办公(IT)、数字家庭娱乐(CE)和移动应用(MC)。
最初的超宽带技术是基于脉冲体制的，其发射和接收信号是纳秒量级的窄脉冲，不需要调制解调的过程，由于窄脉冲在时域上较窄，所以在频域上表现的比较宽。后来出现了基于调制/解调方式的超宽带技术，其频谱利用更加灵活，可以最大限度的利用现有的频谱资源，该技术得到了包括Intel、TI、三星等大公司的支持，专门成立了Wimedia联盟来支持该技术的推广。双载波OFDM超宽带技术就是调制/解调超宽带技术的一种，其特点是采用了两个载波进行调制和解调，近一步增加了超宽带信号处理的灵活性。
双载波正交频分复用(Dual Carrier Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，DC-OFDM)UWB技术采用较窄的频带划分，并同时使用两个子频带进行通信，具有频谱使用灵活、效率高，分集增益大等优点，对于给定频谱的物理信道划分以及逻辑信道划分更加灵活，使得信号在基带部分的处理更加方便，同时由于信号带宽的减小对模拟基带电路以及数模转换器(ADC)和模数转换器(DAC)的设计带来了益处。
然而DC-OFDM UWB技术对射频收发机的设计提出了挑战，尤其是其硬件成本和功耗提出了更高的要求，同时对于跳频方案也提出了更高的设计要求。目前国内已有的双载波收发机方案是超外差的结构，该结构采用的是两次变频的方案，其实现成本较高，不便于最终实现芯片集成。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供用于无线超带宽的收发机及其收发信号的方法，用以减小射频收发机的成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于无线超宽带的收发机，包括：
天线，用来接收和发射射频信号；
带通滤波器，用于滤除所述射频信号中带外的干扰信号；
开关，用于完成发射链路和接收链路间的切换；
频率综合器，用于提供两路不同频率本振信号；以及
接收机，用于将接收到的射频信号分成两路，分别与所述本振信号混频后经下变频处理提供给基带进行数字信号处理；
发射机，用于分别将两路基带信号与所述本振信号混频后经上变频处理，产生两路发射的射频信号并合成为一路并进行功率放大。
本发明还提供了一种在无线超宽带中收发信号的方法，其中，接收信号的步骤包括：
接收射频信号后，滤除信号中带外的干扰信号，将接收到的射频信号分成两路，分别与两路不同频率本振信号混频后经下变频处理，提供给基带进行数字信号处理；
发射信号的步骤包括：
分别将两路基带信号与所述本振信号混频后经上变频处理，产生两路发射的射频信号并合成为一路，经放大后发射。
本发明的实施例针对双载波OFDM超宽带系统提出了一套射频收发机的实现方案，该方案采用了直接变频的收发机结构，相对于两次变频的超外差结构可以减小系统的实现成本，同时便于最终实现片上系统的集成。
附图说明
图1为本发明的实施例中用于双载波OFDM UWB的收发机的结构图；
图2为本发明的实施例中用于双载波OFDM UWB的收发机在接收信号时的处理方法流程图；
图3为本发明的实施例中用于双载波OFDM UWB的收发机在发射信号时的处理方法流程图。
具体实施方式
本发明的实施例针对双载波OFDM超宽带系统提出了一套射频收发机的实现方案，该方案采用了直接变频的收发机结构，相对于两次变频的超外差结构可以减小系统的实现成本，同时便于最终实现片上系统的集成。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的用于双载波OFDM UWB的收发机的结构图，具体包括：
整个双载波OFDM UWB收发机包括了以下模块：天线1(Antenna)、带通滤波器2(Band-Pass Filter，简称BPF)、开关3(Switch)、低噪声放大器4(Low Noise Amplifier，简称LNA)、功分器5(Power Divider)、下变频器6(Down Converter)、低通滤波器7(LOW-PASS FILTER，简称LPF)、可编程增益放大器8(programmable gain amplifier，简称PGA)、模数转换器9(Analog to digital Converter，简称ADC)、数模转换器10(DAC)、上变频器11(Up Converter)、功率合成器12(Power Combiner)、功率放大器13(PowerAmplifier，简称PA)、频率综合器14(Frequency Synthesizer)。
其中，天线1，用来接收和发射射频信号。
带通滤波器2，用于滤除所述射频信号中带外的干扰信号。例如若双载波OFDM UWB要求的频带为6-9GHz(超宽带的频带目前还不固定，各国的情况也不同)，在此范围外的信号为干扰信号，如GSM网络的900MHz信号，需将其滤除。
开关3，用于完成发射链路和接收链路间的切换。
除以上三部分器件，本实施例的收发机还包括接收机和发射机两部分，分别实现信号的接收处理和发射处理，其中，在接收机的链路中，包括：
低噪声放大器4，用于对接收到的微弱射频信号进行放大，并尽可能小的引入噪声从而减小信噪比的恶化。因为对信号放大后必然会放大噪声，导致信噪比恶化，不利于信号的处理，低噪声放大器的重要功能就是尽可能减少信噪比恶化。
功分器5，用于将接收到的射频信号分成功率和相位相等的两路以进行双载波分别下变频。由于本实施例采用的是双载波的调制方式，基带信号被调制到两个载波进行发射和接收，故在下变频时需要采用两路不同频率的本振信号与射频信号进行混频，需要功分器将其分为功率和相位相等的两路。
下变频器6，用于将接收到的射频信号和频率综合器提供的本振信号混频后产生基带信号。
低通滤波器7，用于将混频后的模拟基带信号进行滤波以滤除带外信号。
可编程增益放大器8，用于将基带信号再次放大以满足模数转换器输入电平的要求，同时可以根据接收信号的强弱调节增益的大小。
模数转换器9，用于将模拟基带信号转换成数字基带信号以提供给数字信号处理器(DSP)进行相应处理。例如将基带信号转换为数据信号，或音视频信号，等等。
在发射机的链路中，具体包括：
数模转换器10，用于将数字基带信号转换为模拟基带信号以进行处理。
可编程增益放大器8，用于将模拟基带信号进行放大以满足发射机发射功率的要求，同时根据发射功率的大小调节增益。由于超宽带系统有严格的发射功率限制，故发射机的发射功率需要根据其与接收机的距离和接收机的灵敏度进行实时的调整，这就需要发射机能够调节其增益的大小，故需要可以改变增益的放大器。
低通滤波器7，用于将放大后的模拟基带信号进行滤波以滤除带外信号；
上变频器11，用于将模拟基带信号和频率综合器提供的本振信号进行混频后产生发射的射频信号；
功率合成器12，用于将两路射频信号合成为一路提供给功率放大器；
功率放大器13，用于将信号进行功率放大以满足其他接收机的灵敏度要求。
此外，频率综合器14提供给下变频器和上变频器两路不同频率本振信号，以完成信号的上变频和下变频。
在图1中，频率综合器14发送的载波和DSP收发的载波的差别在于，频率综合器发送的载波1和载波2分别代表了不同频率的载波信号，其对应于双载波信号的载波频率；而DSP收发的载波1和载波2分别代表了载波1和载波2对应调制的基带信号，此时信号已经没有载波调制了，是可以直接给DSP处理的信号。
本发明实施例中的用于双载波OFDM UWB的收发机对信号的处理过程包括接收信号后的处理和发射信号。
如图2所示，为本发明实施例用于双载波OFDM UWB的收发机在接收信号时的处理流程图，具体包括以下步骤：
步骤201、在接收链路中，信号经过天线1接收，然后通过带通滤波器2和开关3进入接收机。
步骤202、信号通过低噪声放大器4进行放大后进入功分器5，功分器5的作用是将一路信号分成功率相等、相位一致的两路信号以便进入两条不同的信号处理链路。
步骤203、经过功分器5的两路信号分别输入到两个下变频器6中，其中的每个下变频器都包括IQ两路，两个下变频器的本振分别对应双载波信号的两个载波频率，从而将双载波信号分别下变频到两个链路进行处理。其中，IQ两路是相位相差90度的信号。在信号分析中，通常把信号进行矢量分解，也就是将信号分解为频率相同、峰值幅度相同但相位相差90的两个分量。采用一个正弦信号和一个余弦信号描述这两个分量，其中余弦分量被称为同相分量，即I分量；正弦分量被称为正交分量，即Q分量。
步骤204、下变频之后的信号经过低通滤波器7和可编程增益放大器8之后进入ADC9采样转化为数字信号给基带部分进行处理。
图3为为本发明实施例用于双载波OFDM UWB的收发机在发射信号时的处理流程图，具体包括以下步骤：
步骤301、在发射链路中，基带部分的两路数字信号经过DAC10之后转化为模拟基带信号，该信号经过可编程增益放大器8和低通滤波器7之后输入到两路上变频器11中，两路上变频器的本振信号分别对应双载波OFDM UWB的两个载波频率。
步骤302、经过上变频之后的两路信号输入到功率合成器12中合成为一路，然后通过功率放大器13的放大后通过开关3和带通滤波器2至天线1后发射出去。
频率综合器14在整个收发机中为下变频器6和上变频器11提供稳定的两路本振信号，由于双载波OFDM UWB的特点，要求频率综合器必须同时能够提供两路本振载波信号。如果需要跳频，每组双载波信号要求其跳频时间小于9ns。小于9纳秒的跳频时间是由超宽带系统本身决定的，为了达到更高的传输速率需要使用更多的物理信道，而不同的物理信道之间的切换时间必须要小于9纳秒才能满足系统的要求。
本实施是针对双载波OFDM UWB无线通信系统所设计的收发机结构，一方面，通过将基带信号分成两个带宽的信号调制到两个不同频率的载波进行发射和接收处理，这种方式可以降低模数转换器和数模转换器的采样率和功耗，降低其成本和设计难度。其实现方案是在接收机中采用了功分器将信号分为功率和相位相等的两路，然后分别采用两路不同的载波进行下变频；在发射机中采用了功率合成器将两路采用不同载波调制的上变频信号进行功率合成后输入到功率放大器放大后发射。
另一方面，本发明易于实现整个收发机的单片集成，最终实现SoC(System on Chip，系统级芯片)。其实现方案是采用了直接变频的收发机结构，该结构相对于超外差结构的收发机可以避免使用镜像抑制滤波器等无法片上集成的无源元件，之所以选用该方案是由于UWB信号的信号带宽较宽，从而可以避免直流失调等直接变频结构的缺点。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种用于无线超宽带的收发机，其特征在于，包括：
天线，用来接收和发射射频信号；
带通滤波器，用于滤除所述射频信号中带外的干扰信号；
开关，用于完成发射链路和接收链路间的切换；
频率综合器，用于提供两路不同频率本振信号；
接收机，用于将接收到的射频信号分成两路，分别与所述本振信号混频后经下变频处理提供给基带进行数字信号处理；以及
发射机，用于分别将两路基带信号与所述本振信号混频后经上变频处理，产生两路发射的射频信号并合成为一路并进行功率放大。
2、根据权利要求1所述的收发机，其特征在于，所述接收机具体包括：
低噪声放大器，用于对接收到的射频信号进行放大，并减小引入噪声，从而减小信噪比的恶化；
功分器，用于将所述放大的射频信号分成功率和相位相等的两路；
下变频器，用于将所述两路射频信号与本振信号混频后产生基带信号；
低通滤波器，用于将所述混频后的基带信号进行滤波以滤除带外信号；
可编程增益放大器，用于将基带信号再次放大以满足模数转换器输入电平的要求，同时根据接收信号的强弱调节增益的大小；以及
模数转换器，用于将模拟基带信号转换成数字基带信号以提供给基带进行数字信号处理。
3、根据权利要求1或2所述的收发机，其特征在于，所述发射机具体包括：
数模转换器，用于将两路数字基带信号分别转换为模拟基带信号以进行处理；
可编程增益放大器，用于将所述模拟基带信号进行放大以满足发射机发射功率的要求，同时根据发射功率的大小调节增益；
低通滤波器，用于将所述放大后的模拟基带信号进行滤波以滤除带外信号；
上变频器，用于将模拟基带信号与本振信号进行混频后产生发射的射频信号；
功率合成器，用于将两路射频信号合成为一路；以及
功率放大器，用于将所述合成的一路射频信号进行功率放大。
4、一种在无线超宽带中收发信号的方法，其特征在于，其中，接收信号的步骤包括：
接收射频信号后，滤除信号中带外的干扰信号，将接收到的射频信号分成两路，分别与两路不同频率本振信号混频后经下变频处理，提供给基带进行数字信号处理；
发射信号的步骤包括：
分别将两路模拟基带信号与所述本振信号混频后经上变频处理，产生两路发射的射频信号并合成为一路，经放大后发射。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将射频信号分成两路具体包括：
将接收到的一路射频信号分成功率相等、相位一致的两路信号以便进入两条不同的信号处理链路。
6、根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述混频后下变频处理具体包括：
将所述两路射频信号分别输入到两个下变频器中，与两路不同频率本振信号混频，其中的每个下变频器都包括IQ两路，两个下变频器的本振分别对应双载波信号的两个载波频率，从而将双载波信号分别下变频到两个链路进行处理。
7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述混频后上变频处理具体包括：
两路模拟基带信号分别输入到两个上变频器中，与两路不同频率本振信号混频，其中的每个上变频器都包括IQ两路，两个上变频器的本振信号分别对应双载波信号的两个载波频率。
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