CN101547014B - 数字低中频am信号接收机及信号接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字低中频AM信号接收机，以及采用这种接收机实现的数字低中频AM信号接收方法，通过引入混频器阵列(MIXER Array)结构电路来实现对本振信号高次谐波的抑制。输入信号分别送给N路普通混频器，每路混频器各自有自己的增益(A1、A2、...An)，每一路混频器有自己对应的本振信号相位，各路混频器输出最终加在一起，得到最后输出信号Vout。本发明通过不同增益和相位的下变频信号相加，抵消本振信号高次谐波引入的噪声。

Description

数字低中频AM信号接收机及信号接收方法

技术领域

本发明涉及一种无线电接收设备，尤其是一种数字低中频AM信号接收机。本发明还涉及一种无线电信号的接收方法，尤其是一种数字低中频AM信号的接收方法

背景技术

目前的AM调幅信号接收机都采用传统的数字低中频(Low_IF)结构方案(如silicon labs公司的473x、474x系列芯片)。该方案存在对AM调幅信号的噪声抑制能力弱、本振信号谐波强、抗干扰能力差、接收灵敏度低等固有缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种数字低中频AM信号接收机，以及采用这种接收机实现的数字低中频AM信号接收方法，能够提高接收机的信号灵敏度，同时提高接收机的噪声抑制性能。

为解决上述技术问题，本发明数字低中频AM信号接收机的技术方案是，。所述数字低中频AM信号接收机中的混频部分采用混频器阵列，所述混频器阵列中包括I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列，所述数字低中频AM信号接收机的天线接收的信号通过低噪声放大器之后分为I、Q两路信号传输至所述混频器阵列中的I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列；所述I路信号混频器阵列中包含并联连接的N个支路，每个支路上都串联有一个放大器，相位为0°～90°中并且之间间隔相等的N个时钟信号依次连接到I路信号混频器阵列中的N个支路的放大器输出，并与放大器输出信号混频，I路信号混频之后的N个支路的信号叠加在一起作为I路输出信号；所述Q路信号混频器阵列中包含并联连接的N个支路，每个支路上都串联有一个放大器，相位为90°～180°中并且之间间隔相等的N个时钟信号依次连接到Q路信号混频器阵列中的N个支路的放大器输出，并与放大器输出信号混频，Q路信号混频之后的N个支路的信号叠加在一起作为Q路输出信号；I路输出信号和Q路输出信号依次连接增益控制器、模数转换器，之后连接到数字信号处理器，所述数字信号处理器通过数模转换器将最终信号输出。

本发明数字低中频AM信号接收方法的技术方案是，所述数字低中频AM信号接收机的天线接收的信号通过低噪声放大器之后分为I、Q两路信号传输至所述混频器阵列中的I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列；所述I路信号进入混频器阵列后分为N个支路信号，每个支路信号都经过一个放大器之后与一个时钟信号混频，所述时钟信号包括相位为0°～90°中并且之间间隔相等的N个时钟信号，该N个时钟信号依次连接到I路信号的N个支路上，经过混频之后的N个支路的I路信号叠加在一起作为I路输出信号；所述Q路信号进入混频器阵列后分为N个支路信号，每个支路信号都经过一个放大器之后与一个时钟信号混频，所述时钟信号包括相位为90°～180°中并且之间间隔相等的N个时钟信号，该N个时钟信号依次连接到Q路信号的N个支路上，经过混频之后的N个支路的Q路信号叠加在一起作为Q路输出信号；然后I路输出信号和Q路输出信号通过增益控制器、模数转换器将信号转换成数字格式，传递到后面的数字信号处理器，数字信号处理器解调出来的最终信息通过数模转换器将最终信号输出。

本发明通过采用多个相位的时钟信号与I、Q信号进行混频，提高了数字低中频AM信号接收的灵敏度，同时也提高了接收机的噪声抑制性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明数字低中频AM信号接收机的结构图；

图2为现有的数字低中频AM信号接收机中混频器的结构图；

图3为现有的数字低中频AM信号接收机中混频器的混频原理图；

图4为本发明数字低中频AM信号接收机中混频器阵列的结构图；

图5为本发明数字低中频AM信号接收机中混频器阵列一个具体实施例的结构图；

图6为本发明数字低中频AM信号接收机中混频器阵列混频信号的波形图；

图7为本发明数字低中频AM信号接收机中混频器阵列的混频原理图。

具体实施方式

本发明公开了一种数字低中频AM信号接收机，如图1所示，所述数字低中频AM信号接收机中的混频部分采用混频器阵列(MIXER Array)，所述混频器阵列中包括I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列，所述数字低中频AM信号接收机的天线接收的信号通过低噪声放大器之后分为I、Q两路信号传输至所述混频器阵列中的I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列。所述I路信号混频器阵列中包含并联连接的N个支路，每个支路上都串联有一个放大器，相位为0°～90°中并且之间间隔相等的N个时钟信号依次连接到I路信号混频器阵列中的N个支路的放大器输出，并与放大器输出信号混频，I路信号混频之后的N个支路的信号叠加在一起作为I路输出信号；所述Q路信号混频器阵列中包含并联连接的N个支路，每个支路上都串联有一个放大器，相位为90°～180°中并且之间间隔相等的N个时钟信号依次连接到Q路信号混频器阵列中的N个支路的放大器输出，并与放大器输出信号混频，Q路信号混频之后的N个支路的信号叠加在一起作为Q路输出信号。如图1所示的实施例中，所述N为3。所述时钟信号由频率合成器(Synthesizer)和压控振荡器(VCO)产生系统所需要的时钟信号。I路输出信号和Q路输出信号依次连接增益控制器(PGA)、模数转换器(ADC)，之后连接到数字信号处理器(DSP)，所述数字信号处理器通过数模转换器(DAC)将最终信号输出。

本发明还提供了一种利用上述信号接收机实现的数字低中频AM信号接收方法，所述数字低中频AM信号接收机的天线接收的信号通过低噪声放大器之后分为I、Q两路信号传输至所述混频器阵列中的I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列；所述I路信号进入混频器阵列后分为N个支路信号，每个支路信号都经过一个放大器之后与一个时钟信号混频，所述时钟信号包括相位为0°～90°中并且之间间隔相等的N个时钟信号，该N个时钟信号依次连接到I路信号的N个支路上，经过混频之后的N个支路的I路信号叠加在一起作为I路输出信号；所述Q路信号进入混频器阵列后分为N个支路信号，每个支路信号都经过一个放大器之后与一个时钟信号混频，所述时钟信号包括相位为90°～180°中并且之间间隔相等的N个时钟信号，该N个时钟信号依次连接到Q路信号的N个支路上，经过混频之后的N个支路的Q路信号叠加在一起作为Q路输出信号；然后I路输出信号和Q路输出信号通过增益控制器、模数转换器将信号转换成数字格式，传递到后面的数字信号处理器，数字信号处理器解调出来的最终信息通过数模转换器将最终信号输出。

本发明数字低中频AM信号接收机与传统AM调幅信号数字下变频接收机相比，最大的差别就是采用了混频器阵列，而非传统简单的混频器。

图2所示为传统结构AM调幅信号接收机中混频器原理图。压控振荡器所产生的时钟信号(CLK)被分成了相位相差90°的正交两路分别送给I、Q两路混频器。

在AM调幅信号接收机中，传统混频器存在高次谐波问题，如图3所示。

由于AM调幅信号自身工作频率范围低(200KHz～2MHz)，使得对应的混频器需要的本振信号频率也低，这就导致本振信号为呈现方波特性。假设本振信号频率为LO，其角频率ω＝2π×LO，则本振信号的傅里叶展式为

很明显，除了LO频点外，还包含很多奇次谐波(3LO，5LO，7LO...)能量。

图3中实斜线表示的阴影部分为输入信号，其中心频率为Fs，虚线阴影部分代表带外信号以及噪声能量。中频频率IF＝|LO-Fs|。假设噪声能量密度和信号一样，那么下变频后，除了会产生中心频率为IF的信号能量外，本振信号的高次谐波(3LO、5LO、7LO...)同时会与带外噪声相乘，在IF频点引入额外的噪声，如图3右边所示黑色方块部分。这就大大降低了系统的接收信噪比(SNR)和灵敏度。

本发明所采用的混频器阵列如图4所示，输入信号Vin，分别送给N路普通混频器，每路混频器各自有自己的增益(A1、A2、...An)，每一路混频器有自己对应的本振信号相位，各路混频器输出最终加在一起，得到最后输出信号Vout。通过不同增益和相位的下变频信号相加，抵消本振信号高次谐波引入的噪声。

图5是根据上面阐述，所使用的抑制本振信号3次和5次谐波正交混频器原理图。考虑到高次谐波能量主要以3次、5次谐波为主，因此本发明的一个优选实施例在电路设计复杂度和性能方面折中，其中N取3，主要消除3次和5次谐波。A1、A2、A3分别为各混频器的对应增益，且

混频器本振信号相位差为45°。在抑制了本振信号高次谐波的同时，也实现了I、Q正交变换，最终输出I、Q两路下变频后的中频信号。

如图6所示，F1(t)、F2(t)、F3(t)为相同频率、但是依次有45°相位延时的方波信号，则他们的傅里叶展式分别为：

$F1\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-\sin \left(\mathrm{\ωt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{\ωt}\right)+\sin \left(3\mathrm{\ωt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{\ωt}\right)-\sin \left(5\mathrm{\ωt}\right))...]$

$F2\left(t\right)=\frac{2}{\mathrm{\π}}[\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)-\frac{1}{3}\cos \left(3\mathrm{\ωt}\right)+\frac{1}{5}\cos \left(5\mathrm{\ωt}\right)...]$

$F3\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}[(\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\sin \left(\mathrm{\ωt}\right))+\frac{1}{3}(\cos \left(3\mathrm{\ωt}\right)-\sin \left(3\mathrm{\ωt}\right))-\frac{1}{5}(\cos \left(5\mathrm{\ωt}\right)+\sin \left(5\mathrm{\ωt}\right))...]$

因此，我们使 $\mathrm{Flo}\left(t\right)=\sqrt{2}F2\left(t\right)+F1\left(t\right)+F3\left(t\right)...=\frac{4\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)...$

从上面的等式可以看出，合成的本振信号Flo(t)消除了3次和5次谐波了。

如图7所示，斜实线表示的阴影部分为输入AM调幅信号，其中心频率为Fs，且IF＝|LO-Fs|。斜虚线表示的阴影部分为带外噪声。采用新的本振信号混频后，得到中心频率为IF的信号，如图右所示。同时大大减小了谐波与带外噪声混频所引入的噪声。

综上所述，本发明通过采用多个相位的时钟信号与I、Q信号进行混频，提高了数字低中频AM信号接收的灵敏度，同时也提高了接收机的噪声抑制性能。

Claims (4)

1.一种数字低中频AM信号接收机，其特征在于，所述数字低中频AM信号接收机中的混频部分采用混频器阵列，所述混频器阵列中包括I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列，所述数字低中频AM信号接收机的天线接收的信号通过低噪声放大器之后分为I、Q两路信号传输至所述混频器阵列中的I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列；所述I路信号混频器阵列中包含并联连接的N个支路，每个支路上都串联有一个放大器，相位为0°～90°中并且之间间隔相等的N个时钟信号依次连接到I路信号混频器阵列中的N个支路的放大器输出，并与放大器输出信号混频，I路信号混频之后的N个支路的信号叠加在一起作为I路输出信号；所述Q路信号混频器阵列中包含并联连接的N个支路，每个支路上都串联有一个放大器，相位为90°～180°中并且之间间隔相等的N个时钟信号依次连接到Q路信号混频器阵列中的N个支路的放大器输出，并与放大器输出信号混频，Q路信号混频之后的N个支路的信号叠加在一起作为Q路输出信号；I路输出信号和Q路输出信号依次连接增益控制器、模数转换器，之后连接到数字信号处理器，所述数字信号处理器通过数模转换器将最终信号输出。

2.根据权利要求1所述的数字低中频AM信号接收机，其特征在于，所述时钟信号由频率合成器和压控振荡器产生系统所需要的时钟信号。

3.根据权利要求1所述的数字低中频AM信号接收机，其特征在于，所述N为3。

4.一种利用如权利要求1～3中任意一项所述的数字低中频AM信号接收机实现的数字低中频AM信号接收方法，其特征在于，所述数字低中频AM信号接收机的天线接收的信号通过低噪声放大器之后分为I、Q两路信号传输至所述混频器阵列中的I路信号混频器阵列和Q路信号混频器阵列；所述I路信号进入混频器阵列后分为N个支路信号，每个支路信号都经过一个放大器之后与一个时钟信号混频，所述时钟信号包括相位为0°～90°中并且之间间隔相等的N个时钟信号，该N个时钟信号依次连接到I路信号的N个支路上，经过混频之后的N个支路的I路信号叠加在一起作为I路输出信号；所述Q路信号进入混频器阵列后分为N个支路信号，每个支路信号都经过一个放大器之后与一个时钟信号混频，所述时钟信号包括相位为90°～180°中并且之间间隔相等的N个时钟信号，该N个时钟信号依次连接到Q路信号的N个支路上，经过混频之后的N个支路的Q路信号叠加在一起作为Q路输出信号；然后I路输出信号和Q路输出信号通过增益控制器、模数转换器将信号转换成数字格式，传递到后面的数字信号处理器，数字信号处理器解调出来的最终信息通过数模转换器将最终信号输出。

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