CN101578780A - 用于通过带通采样同时下变频rf多信号的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过带通采样下变频RF多信号的方法，该方法包括：建立从对于N个RF信号来说存在的2N个负频谱信号和正频谱信号中提取的2个频谱信号的能得到的组合；计算每个能得到的组合中2个频谱信号的可用采样范围；以及通过可用采样范围的交集确定有效采样范围。

Description

用于通过带通采样同时下变频RF多信号的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于下变频射频(RF)多信号的装置和方法，且更特别地，涉及用于通过带通采样同时下变频RF多信号的装置和方法。

背景技术

最近，新出现了使用数字技术的各种无线设备，这些无线设备可称为RF设备，在半导体器件技术中有很大的进展。另外，用于高速无线通信的信号处理技术有了显著的发展。因此，现在基于数字技术的无线通信系统与基于模拟技术的传统无线系统相比，能够保证更高的性能以及更高水平的灵活性和适应性。

这种技术趋势的典型实例是软件无线电(SDR)系统，在该系统中大部分的信号处理都以软件执行。在SDR系统中，天线接收到的模拟信号被直接转换成数字信号，且随后以软件处理数字化的信号。结果，可将对一般昂贵且功能有限的模拟装置，诸如混频器、本地振荡器和滤波器的需要减到最少。

当选择将要接收多个RF信号中的特定信号时，在模拟系统中要求与RF调谐相关的模拟硬件的一些改变。因此，在模拟系统中，结构变得复杂，成本增加且电池的使用时间减少。相比之下，SDR系统要求软件的参数和软件的执行简单地改变，这使得SDR系统在灵活使用和经济可行性上具有着极大的优势。

图1是显示根据相关技术的传统SDR系统的接收器结构的框图。图1中，在通过低噪声放大器(LNA)101将由宽带天线100接收的信号放大后，信号频谱通过带通滤波器102以便抑制其他的干扰信号和噪声。当其他信号将被接收时，依赖于期望的信号频谱，带通滤波器102的中心频率和通带带宽应该变为新的中心频率和新的带宽。

输入模拟信号通过模数(A/D)转换器103被转换成数字信号，且这样的数字化的信号被数字信号处理器(DSP)104解调制并恢复。随后检测出发送信号。

特别地，A/D转换器103执行两个转换功能，这两个功能是将模拟信号转换成数字信号的信号格式转换和将RF通带信号转换成基带信号的频率下变频功能。A/D转换器的这种转换称为带通采样。

当将奈奎斯特理论(Nyquist theory)应用到采样过程时，得到的采样率应大于目标信号频谱的最大频率的两倍。因此，当将基于奈奎斯特理论的传统采样应用到具有几百kHz到几GHz的载波频率的RF信号时，所需要的采样频率变得很大，并且被数字化的信号的规模(size)对于DSP104来说可能过大以至于不能处理，而且对于进一步的处理来说，DSP104消耗了太多的功率。

在带通采样中，RF带通信号可以按远低于奈奎斯特采样率的采样率被转换成基带信号。因此，获得高效的带通采样已经是实现SDR系统的重要课题。请注意，低采样率减少数字化的信号样本的数量。因此，降低了后续数字信号处理步骤中的工作量，并且还能改善数字信号处理器的功耗，由此延长电池的使用时间。

然而，因为带通采样不遵循奈奎斯特理论，所以应确定带通采样的采样率，以不允许在所得到的下变频信号中目标信号频谱的下边带和上边带(higher sideband)之间的任何重叠。特别地，当同时下变频多个RF信号时，因为有大量的下边带信号和上边带信号存在，所以找到保证成功地下变频多个RF信号的最小采样率是实现高效的SDR接收器的重任。

发明的公开

技术问题

因此，本发明的目的是提供一种用于通过带通采样同时下变频多个RF信号的装置和方法，其中包括一种找到最小采样率的方法。

另外，本发明的另一个目的是提供一种用于通过带通采样同时下变频RF多信号的装置和方法，其中计算出有效采样范围并使用计算出的有效采样范围选择最小采样频率。

技术方案

为实现这些以及其他的优点并依据本发明的实施方式的目的，就如体现的并宽泛地描述的，通过带通采样下变频RF多信号的装置包括：宽带低噪声放大器，其放大由宽带天线接收的N个RF信号；N个带通滤波器，每个带通滤波器都以载波频率为中心并具有由通信标准规定的信号带宽，对由宽带低噪声放大器放大的N个RF信号进行滤波，以便抑制其他干扰信号和噪声；以及模数转换器，其确定所述N个RF信号的有效采样范围并在所述有效采样范围中选择采样频率以进行带通采样。

在另一方面，一种通过带通采样下变频RF多信号的方法包括：建立从对于N个RF信号来说存在的2N个负频谱信号和正频谱信号中提取的2个频谱信号的能得到的组合；计算每个能得到的组合中所述2个频谱信号的可用采样范围；以及通过可用采样范围的交集确定有效采样范围。

本发明提供一种通过同时下变频，将从多个无线通信系统发出的多个RF频谱定位在基带的方法，其中每个无线通信系统使用各自的载波频率。具体地，本发明提供一种计算用于下变频的带通采样所需的有效采样频率范围的方法，以及一种在进行用于下变频的带通采样时，使用有效采样频率范围选择最小采样频率的方法。

有益效果

根据本发明，在SDR系统必需的带通采样中，单个无线装置同时接收N个无线通信标准并选择被下变频到基带中的期望的信号。

另外，根据本发明，在N个信号的同时下变频中，信号在中频(IF)区被处理，没有诸如由于信号的重叠引起的混叠现象的失真，即使在选择了采样率远低于奈奎斯特采样率的采样频率的情况下也是如此。

附图的简要描述

图1是显示根据相关技术的SDR系统的接收器结构的框图。

图2是显示根据本发明的实施方式的用于下变频N个信号的软件无线电(SDR)系统的接收器结构的框图。

图3是显示根据本发明的实施方式的在负频率范围和正频率范围中的N个信号的排列的视图。

图4是显示具有根据本发明的实施方式的参数的N个RF频谱信号的视图。

图5是显示根据本发明的实施方式的2个RF频谱信号的视图。

图6是显示根据本发明的实施方式的通过带通采样从2个RF频谱信号下变频的信号的视图。

图7是显示根据本发明的实施方式的2个RF频谱信号的频谱的视图。

图8是显示根据本发明的实施方式的通过带通采样从图7的2个RF频谱信号下变频的信号的频谱的视图。

图9是显示根据本发明的实施方式的3个RF频谱信号的频谱的视图。

图10是显示根据本发明的实施方式的通过带通采样从图9的3个RF频谱信号下变频的信号的频谱的视图。

图11是显示根据本发明的实施方式的通过带通采样从N个RF频谱信号下变频的信号的频谱的视图。

图12是显示根据本发明的实施方式通过带通采样同时下变频RF频谱信号的方法的流程图。

<用于附图的主要部分的参考数字的图示>

100，200：宽带天线          101，201：放大器

102，202：带通滤波器        103，203：A/D转换器

104，204：数字信号处理器

发明的模式

现将详细地参考本发明的示出的实施方式，发明的实施例在附图中示出。然而，将省略可能引起本发明主旨的不必要的混淆的关于相关技术功能和相关技术结构的说明。

图2是显示根据本发明的实施方式的用于下变频N个信号的软件无线电(SDR)系统的接收器结构的框图。

图2中，用于下变频N个信号的SDR系统的接收器包括宽带天线200、放大器201、N个带通滤波器202、模数(A/D)转换器203和数字信号处理器204。因为接收器同时下变频N个信号，所以接收器中需要N个带通滤波器202，每一个带通滤波器都对应于由每个通信标准分配的载波频率和每个信号的带宽。

在示出根据本发明的计算有效采样范围的方法之前，在下面的内容中定义使用的参数。

图3是显示根据本发明的实施方式的在负频率范围和正频率范围中的N个信号的排列的视图，而图4是显示具有根据本发明的实施方式的参数的N个RF频谱信号的视图。

图3中，N个带通信号X_k(f)(k＝1，1，...，N)排列成使得每个信号都位于单独的载波频率的中心，而频谱间没有重叠。N个信号的参数，即采样频率、信号X_k(f)的载波频率、上限频率、下限频率、中频和带宽分别由f_s，BW_k标示。上限频率和下限频率可分别表示为 $f_{U_k}=f_{C_k}+({\mathrm{BW}}_k/2)$ 及 $f_{L_k}=f_{C_k}-({\mathrm{BW}}_k/2),$ 且假定载波频率满足关系 $f_{C_i}<f_{C_{i+1}}$ (i＝1，2，...，N-1)。

参考图3和图4，单个信号X_k(f)包括两个RF频谱信号，即正频率范围的成分X_k+(f)和负频率范围的成分X_k-(f)。这里参数的位置成分可表示为 $f_{L_{k-}}=-f_{U_k},$ $f_{C_{k-}}=-f_{C_k},$ $f_{U_{k-}}=-f_{L_k},$ $f_{L_{k+}}=f_{L_k},$ $f_{C_{k+}}=f_{C_k},$ 以及 $f_{U_{k+}}=f_{U_k}$ (k＝1，2，...，N)。相应地，RF信号的载波频率满足关系

$f_{C_{N-}}<f_{C(N-1)-}<...<f_{C1-}<f_{C1+}<...<f_{C(N-1)+}<f_{C_{N+}}$

如图5所示，为了得出下变频N个信号的有效采样频率范围的通式，计算了关于任意两个RF频谱信号，即X_m(f)500和X_n(f)510的有效采样频率的范围。这里，根据以上假定，两个RF频谱信号的载波频率满足关系 $f_{C_m}<f_{C_n},$ m，n∈{1±，2±，...，N±}。

当对图5中显示的两个RF频谱信号进行带通采样时，下变频的信号不相互重叠的有效采样频率范围应同时满足下面两个条件。

第一个条件为对采样频率的上方值(upper value)有限制，即如图6所示，从一个RF频谱信号X_n(f)630向左移动第r_m，n的信号620的应大于另一个RF频谱信号X_m(f)61的

第二个条件为对采样频率的下方值(lower value)有限制，即从一个RF频谱信号X_n(f)630向左移动第r_m，n+1的信号600的应小于另一个RF频谱信号X_m(f)610的

以上两个条件可表示为下面的方程1和方程2。

[方程1]

$f_{C_n}-\frac{{\mathrm{BW}}_n}{2}-r_{m,n}{f}_s\&GreaterEqual;f_{C_m}+\frac{{\mathrm{BW}}_m}{2}$

[方程2]

$f_{C_n}+\frac{{\mathrm{BW}}_n}{2}-(r_{m,n}+1)f_s\&le;f_{C_m}-\frac{{\mathrm{BW}}_m}{2}$

通过使方程1和方程2相加得到方程3。

[方程3]

$\frac{f_{C_{n-m}}+({\mathrm{BW}}_{m+n}/2)}{r_{m,n}+1}\&le;f_{S_{m,n}}\&le;\frac{f_{C_{n-m}}-({\mathrm{BW}}_{m+n}/2)}{r_{m,n}}$

其中 $f_{C_{n-m}}=f_{C_n}-f_{C_m},$ BW_m+n＝BW_m+BW_n，以及r_m，n是受下面的方程4限制的整数。

[方程4]

这里，r_m，n表示两个RF频谱信号的带宽之和BW_m+n在两个RF频谱信号之间即

间的定位比率(positioning rate)，而没有重叠。相应地，随着r_m，n的增加，获得的采样频率降低。

根据方程3计算两个RF频谱信号X_m(f)和X_n(f)的有效采样范围。如图7所示，两个信号X₁₊(f)和X_1-(f)存在于信号频谱的第一个RF频谱信号X₁(f)的有效采样范围内。结果，基于 $f_{C_{1+}}=f_{C_1},$ $f_{C_{1-}}=-f_{C_1}$ 以及BW₁₊＝BW_1-＝BW₁获得下面的方程5。

[方程5]

$\frac{{2f}_{U_1}}{r_{1-,1+}+1}\&le;f_{S_{1-,1+}}\&le;\frac{{2f}_{L_1}}{r_{1-,1+}}$

这里，根据方程4得到r_1-，1+的范围为

在下文中将说明一种计算同时下变频两种通信标准的系统中的有效采样范围的方法。在两个信号的频谱中，如图7所示，两个频谱成分存在于负频率范围和正频率范围的每一个中。相应地，四个RF频谱信号X_2-(f)、X_1-(f)、X₁₊(f)和X₂₊(f)存在于该两个信号的频谱中。

在进行带通采样时，选择四个RF频谱信号不相互冲突的频率范围作为有效采样范围。相应地，根据四个RF频谱信号的组合计算两个RF频谱信号的所有可用采样范围。

例如，基于方程3，可计算出：X_2-(f)和X_1-(f)的可用采样范围

X_2-(f)和X₁₊(f)的可用采样范围X_2-(f)和X₂₊(f)的可用采样范围

X_1-(f)和X₁₊(f)的可用采样范围

X_1-(f)和X₂₊(f)的可用采样范围

和X₁₊(f)和X₂₊(f)的可用采样范围

( $C_4^2=6$ 个范围)。

接下来，通过计算这6个范围重叠的部分而获得两个通信标准的有效采样范围。因此，有效采样范围可表示为下面的方程6。

[方程6] $f_{S,\mathrm{two}}=f_{S_{2-1-}}\&cap;f_{S_{2-1+}}\&cap;f_{S_{2-2+}}\&cap;f_{S_{1-1+}}\&cap;f_{S_{1-2+}}\&cap;f_{S_{1+2+}}$

在方程6中，交集符号∩表示两个范围的重叠部分。另外，选择在获得的有效采样范围中的最小值作为最小采样频率。结果，最小采样频率表示为下面的方程7。

[方程7]              f_{S，two，min}＝min{f_S，two}

图8是使用任意的采样频率f_S从方程6得到的以可用采样范围下变频的信号的示例性的频谱。

如图8中所示，在中频(IF)区域中信号的位置根据采样频率fS而改变。结果，由下面的方程8得到IF区域中每个信号的频率。

[方程8]

为

其中rem

表示

除以f_S时的余数。

因此，IF区域中信号的位置可根据RF区域中的位置相互转变。另外，当方程8的F_k是奇数时，信号的频谱可在IF区域中翻转，如图8的参考数字800和810。

接下来，根据本发明的实施方式将在下文中说明同时下变频三个信号的系统。如图9所示，因为六个RF频谱信号X_3-(f)、X_2-(f)、X_1-(f)、X₁₊(f)、X₂₊(f)和X₃₊(f)存在，因此选择该六个RF频谱信号不相互重叠的频率范围作为有效采样范围。

因此，需要15个( $C_6^2=15$ )可用采样范围

(其中m，n∈1±，2±，...，N±)。基于方程6，三个RF频谱信号的有效采样范围表示为下面的方程9。

[方程9]

$f_{S,\mathrm{three}}=f_{S_{3-,2-}}\&cap;f_{S_{3-,1-}}\&cap;f_{S_{3-,1+}}\&cap;f_{S_{3-,2+}}\&cap;f_{S_{3-,3+}}\&cap;$

$f_{S_{2-,1-}}\&cap;f_{S_{2-,1+}}\&cap;f_{S_{2-,2+}}\&cap;f_{S_{2-,3+}}\&cap;$

$f_{S_{1-,1+}}\&cap;f_{S_{1-,2+}}\&cap;f_{S_{1-,3+}}\&cap;$

$f_{S_{1+,2+}}\&cap;f_{S_{1+,3+}}\&cap;$

$f_{S_{2+,3+}}$

图10是使用任意采样频率f_S从方程9得到的以可用采样范围下变频的示例性的频谱。如在以上的例子中，信号的频谱可根据采样频率f_S翻转，如第二频谱信号X₂(f)和第三频谱信号X₃(f)的参考数字100、101、102和103。另外，信号的位置可相互转变。

通过将以上计算两个或三个信号的有效采样频率范围的程序推广到N个信号，一般化的有效采样频率范围可表示为方程10。

[方程10]

$f_{S,\mathrm{all}}=f_{S_{N-}}\&cap;f_{S_{(N-1)-}}\&cap;...\&cap;f_{S_{1-}}\&cap;f_{S_{1+}}\&cap;...\&cap;f_{S_{(N-1)+}}$

其中 $f_{S_{N-}}=\left(\underset{k=(N-1)-}{\overset{1-}{\&cap;}}{f}_{S_{N-,k}}\right)\&cap;\left(\underset{k=1+}{\overset{N+}{\&cap;}}{f}_{S_{N-,k}}\right),$

$f_{S_{1-}}=\underset{k=1+}{\overset{N+}{\&cap;}}{f}_{S_{1-,k}},$

$f_{S_{1+}}=\underset{k=2+}{\overset{N+}{\&cap;}}{f}_{S_{1+,k}},$

以及 $f_{S_{(N-1)+}}=f_{S_{(N-1)+,N+}}.$

相应地，在从方程3得到m，n∈{1±，2±，...，N±}信号的采样范围，也就是2N个RF频谱信号中两个RF频谱信号的所有组合后，由方程10计算出采样范围的重叠部分作为有效采样范围。

结果，方程10必需的方程3的采样范围

的总数等于 $C_{2N}^2=(2N!)/\{(2N-2)!2!\},$ 也就是从2N个频谱信号提取两个频谱信号的组合的数量。

图11是使用带通采样频率下变频的N个信号的示例性的频谱。另外，选择f_S，min＝min{f_S，all}的值，也就是根据以上程序获得的有效采样范围中频率中的最小值作为最小采样频率。

图12是显示根据本发明的实施方式通过带通采样同时下变频RF频谱信号的方法的流程图。

如图12所示，为了通过带通采样同时下变频N个RF信号，首先建立从对于N个RF信号来说存在的2N个负频谱信号和正频谱信号中提取的两个频谱信号的能得到的组合(S1201)。

接下来，通过方程3计算出每个能得到的组合中两个频谱信号的可用采样范围(S1202)。接下来，由从能得到的组合计算出的可用采样范围的交集确定有效采样范围(S1203)。

最后，选择有效采样范围中频率的最小值作为最小采样频率(S1204)。

对于本领域技术人员来说明显的是，可在通过本发明的实施方式的带通采样同时下变频RF多信号的装置和方法中进行各种更改和变化，而不偏离本发明的精神或范围。因此，假如本发明的更改和变化属于随附的权利要求及其等价形式的范围，则期望本发明的实施方式包含所述的本发明的更改和变化。

Claims (15)

1.一种通过带通采样下变频RF多信号的装置，所述装置包括：

宽带低噪声放大器，其放大由宽带天线接收的N个RF信号；

N个滤波器，其根据由每个通信标准分配的载波频率和每个信号的带宽对由所述宽带低噪声放大器放大的所述N个RF信号进行滤波；以及

模数转换器，其确定所述N个RF信号的有效采样范围并在所述有效采样范围中选择采样频率以进行所述带通采样。

2.根据权利要求1所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中所述模数转换器选择所述有效采样范围中频率的最小值作为最小采样频率以进行所述带通采样。

3.根据权利要求1所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中所述模数转换器通过以下方式来确定所述有效采样范围：建立从对于所述N个RF信号来说存在的2N个负频谱信号和正频谱信号中提取的2个频谱信号的能得到的组合，计算每个能得到的组合中的2个频谱信号的可用采样范围，以及通过所述可用采样范围的交集确定所述有效采样范围。

4.根据权利要求3所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中当所述2个频谱信号中位于频率谱中的右侧的第一信号向左移动预定数值时，所述第一信号的下限频率大于所述2个频谱信号中位于所述频率谱中的左侧的第二信号的上限频率。

5.根据权利要求3所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中当所述2个频谱信号中位于频率谱中的右侧的第一信号向左移动预定数值时，所述第一信号的上限频率小于所述2个频谱信号中位于所述频率谱中的左侧的第二信号的下限频率。

6.根据权利要求3所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中所述能得到的组合的数量是 $C_{2N}^2=(2N!)/\{(2N-2)!2!\}.$

7.根据权利要求3所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中用于每个能得到的组合中的2个频谱信号的可用采样范围通过方程

$\frac{f_{C_{n-m}}+({\mathrm{BW}}_{m+n}/2)}{r_{m,n}+1}\&le;f_{S_{m,n}}\&le;\frac{f_{C_{n-m}}-({\mathrm{BW}}_{m+n}/2)}{r_{m,n}}$

计算出，其中 $f_{C_{n-m}}=f_{C_n}-f_{C_m},$ BW_m+n＝BW_m+BW_n，以及r_m，n表示所述2个频谱信号的带宽之和BW_m+n在所述2个频谱信号之间，即

间的定位比率，而没有重叠。

8.根据权利要求7所述的通过带通采样下变频RF多信号的装置，其中所述r_m，n是受方程

限制的整数。

9.一种通过带通采样下变频RF多信号的方法，所述方法包括以下步骤：

建立从对于N个RF信号来说存在的2N个负频谱信号和正频谱信号中提取的2个频谱信号的能得到的组合；

计算用于每个能得到的组合中的2个频谱信号的可用采样范围；以及

通过所述可用采样范围的交集确定有效采样范围。

10.根据权利要求9所述的通过带通采样下变频RF多信号的方法，进一步包括在确定有效采样范围的所述步骤后，选择所述有效采样范围中频率的最小值作为最小采样频率。

11.根据权利要求9所述的通过带通采样下变频RF多信号的方法，其中，在计算每个能得到的组合中的2个频谱信号的可用采样范围时，在所述2个频谱信号中位于频率谱中的右侧的第一信号向左移动预定数值，所述第一信号的下限频率大于所述2个频谱信号中位于所述频率谱中的左侧的第二信号的上限频率。

12.根据权利要求9所述的通过带通采样下变频RF多信号的方法，其中，在计算每个能得到的组合中的2个频谱信号的可用采样范围时，在所述2个频谱信号中位于频率谱中的右侧的第一信号向左移动预定数值，所述第一信号的上限频率小于所述2个频谱信号中位于所述频率谱中的左侧的第二信号的下限频率。

13.根据权利要求9所述的通过带通采样下变频RF多信号的方法，其中所述能得到的组合的数量是 $C_{2N}^2=(2N!)/\{(2N-2)!2!\}.$

14.根据权利要求9所述的通过带通采样下变频RF多信号的方法，其中用于每个能得到的组合中的2个频谱信号的可用采样范围通过方程

$\frac{f_{C_{n-m}}+({\mathrm{BW}}_{m+n}/2)}{r_{m,n}+1}\&le;f_{S_{m,n}}\&le;\frac{f_{C_{n-m}}-({\mathrm{BW}}_{m+n}/2)}{r_{m,n}}$

计算出来，其中 $f_{C_{n-m}}=f_{C_n}-f_{C_m},$ BW_m+n＝BW_m+BW_n，以及r_m，n表示所述2个频谱信号的带宽之和BW_m+n在所述2个频谱信号之间，即

间的定位比率，而没有重叠。

15.根据权利要求14所述的通过带通采样下变频RF多信号的方法，其中所述r_m，n是受方程

限制的整数。

Images