CN102742240B - 二次变频调制系统及变频方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信技术领域的二次变频调制系统及变频方法，包括：依次连接的双口数模转换器、双口固定低通滤波器、固定本振正交变频器、第一固定低通滤波器、变化本振变频器以及第二固定低通滤波器。本发明利用了直接变频的优点，从而无需设计高频率模拟带通滤波器，又能在有效满足正交性的同时支持大为广泛的可调制频段，极大的降低对器件与电路设计要求。

Description

二次变频调制系统及变频方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线通信技术领域的装置及方法，具体是一种二次变频调制系统及变频方法。

背景技术

在数字信号传输系统中，需要将基带信号上变频到射频。以数字电视传输系统为例，8MHz的基带信号需要被上变频到相应的射频频率，如48MHz到866MHz。

传统的上变频有：二次变频、一次变频和直接变频，其中：传统二次变频的方法是将数字基带信号通过数字变频器进行数字变频，得到数字低中频信号，如36MHz，44MHz，等；再通过数模转换器(DAC)转换为模拟低中频信号；在低中频处通过固定带通滤波器进行模拟滤波，滤除数模转换产生的高次谐波；然后将模拟低中频信号通过模拟变频器进行第一级模拟变频，上移到比较高的高中频，如1GHz；在高中频处通过固定带通滤波器进行带通滤波，滤除镜像频谱和本振频率；然后再将该高中频信号通过模拟变频器进行第二级模拟变频，下移到所需调制的频率上；最后通过低通滤波器，滤除镜像频谱和本振频谱。如图1(a)所示。

这种变频方式，好处是本振频率不在所需要的频谱之内，可以和镜像频谱一起很好地滤除。但是二次变频系统相当复杂，需要1级数字变频和2级模拟变频，同时需要两组带通滤波器，尤其是高中频带通滤波器，其频率点高，且所需频谱与要滤除的镜像频谱和本振频率相隔不远，增加了滤波器设计的难度，对系统和电路设计都提出了较高的要求。同时，相位噪声比一次变频和直接变频的要差。

传统一次变频的方法是将数字基带信号通过数字变频器进行数字变频，得到数字低中频信号，如36MHz，44MHz，等；再通过DAC转换为模拟低中频信号；在低中频处通过固定带通滤波器进行模拟滤波，滤除数模转换产生的高次谐波；再将模拟低中频信号通过模拟变频器进行一级模拟变频，直接上移到所需调制的频率上；最后通过带通滤波器滤除镜像频谱和本振频谱。如图1(b)所示。

这种变频方式，相位噪声比二次变频好，但是，需要随所需调制频率变化，设计不同模拟带通滤波器以滤除镜像频谱和本振频谱。举例以数字电视的频段来说，设计一个范围从48MHz到866MHz，带宽为8MHz的模拟带通滤波器是极端困难的，例如，在48MHz处，8MHz带宽和该频率点的比值为8/48＝0.17，但是在866MHz处，8MHz带宽和该频率点的比值为8/866＝0.01。如此大范围的变化，模拟滤波器无法实现。因此这种变频率的模拟带通滤波器既不能保证很好的带外抑制，也不能保证很好的带通特性，即带内的平坦度无法保证。

直接变频，即零中频的调制方式是将复数字基带信号I、Q两路通过两个DAC，转换为复模拟基带信号，即复零中频信号；在零中频处将I、Q两路通过两个低通滤波器进行简单的模拟低通滤波，滤除数模转换产生的高次谐波；再将该模拟复零中频信号I、Q两路通过由正交变频器，直接正交调制到所需的频率上。最后通过简单的固定低通滤波器，滤除掉所需频率的多次谐波频谱。如图1(c)所示。

直接变频有自己的优势。由于系统只有一次变频，相位噪声优于二次变频和三次变频；其次，基带的模拟滤波器是简单的低通滤波器，设计简单，性能容易得到保证；最后，因为零中频的结构，在射频部分只需要设计通用的固定低通滤波器，用于滤除所需频率的高次谐波频谱即可，极大的简化了硬件设计，优化了性能。

但是简单的直接变频调制方式存在以下问题：在整个调制频率范围内，对本振信号的正交性，有着非常严格的要求。本振信号的不正交，引入的镜像频谱，将直接叠加在所需要的频谱之中，从而严重影响了调制性能以及发射信号的质量。目前常见的正交误差消除有两类方式。第一类是简单的依赖于上变频器件的模拟性能的提高。然而要在很大范围的频段内，保证本振信号的绝对正交性，对器件提出了非常高的要求，相应会大大的提高了器件的成本，而且即使是同一批器件，由于其模拟特性不一致，最终调制性能也很难保证一致性。第二类方法：在直接变频结构中加入正交校准。但目前的校正算法的精度有限，处理时间长，容易引起相位反复震荡，其性能并不合适于高标准的实时电视广播通信使用。

经过对现有技术的检索发现，中国专利号CN 101795252A直接变频调制方法及其调制装置中，提出了一种直接变频调制方式及其调制装置，通过高倍率本振信号的引入，在相当大的频段内都能保证本振信号的完美正交。然而该专利存在的问题主要是，如果需要对覆盖的频段进行扩展，例如需要同时满足从VHF段到UHF段的调制范围的话，生成低频率射频信号时所产生的本振信号的高倍谐波，就会直接落入高频率射频信号的有效带宽内，而直接变频结构中的固定低通滤波器将无法滤除这样的本振高次谐波，从而无法满足标准规定的带外杂散要求。例如要求调制频段范围从200MHz到866MHz，则200MHz的二次谐波400MHz、三次谐波600MHz、四次谐波800MHz，都落在调制频谱范围内(皆小于最高可调制频率866MHz)，这将极大的影响了射频的性能指标。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种二次变频调制系统及变频方法，利用了直接变频的优点，从而无需设计高频率模拟带通滤波器，又能在有效满足正交性的同时支持大为广泛的可调制频段，极大的降低对器件与电路设计要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种二次变频调制系统，包括：依次连接的双口数模转换器、双口固定低通滤波器、固定本振正交变频器、第一固定低通滤波器、变化本振变频器以及第二固定低通滤波器，其中：双口数模转换器的输入端分别接收I路基带数据和Q路基带数据并输出I路模拟信号和Q路模拟信号至双口固定低通滤波器，经双口固定低通滤波器滤除高次谐波后输出至固定本振正交变频器，固定本振正交变频器通过零中频正交调制的方式变频至高中频并由第一固定低通滤波器进行高次谐波滤除并输出至变化本振变频器，变化本振变频器输出调制射频信号至第二固定低通滤波器并输出最终射频。

所述的双口固定低通滤波器为两个并列的低阶固定低通滤波器，其有效频谱与谐波之间的距离为双口数模转换器的采样频率的整数倍。

所述的固定本振正交变频器由固定本振发生器、移相器和两个乘法器组成，其中：两个乘法器的输入端分别接收双口固定低通滤波器输出的I路模拟信号和固定本振发生器输出的本地频率以及双口固定低通滤波器输出的Q路模拟信号和经移相器进行90度移相的本地频率，两个乘法器的输出端叠加后输出至第一固定低通滤波器。

所述的第一固定低通滤波器为低阶固定低通滤波器，其有效频谱与高次谐波之间的距离为高中频信号中心频率或其整数倍。

所述的第二固定低通滤波器为低阶固定低通滤波器，其有效频谱与镜像频谱之间的距离为固定本振与所需的调制频率的差的2倍。记固定本振的高中频为f_H，所需的调制频率为f_C，则有效频谱与镜像频谱之间距离为2×(f_H-f_C)。

本发明涉及上述系统的变频方法，包括以下步骤：

第一步、I路基带数据和Q路基带数据依次经过双口数模转换器转换成模拟信号，再经过双口固定低通滤波器滤除高次谐波后得到模拟频谱位于基带的I路模拟信号和Q路模拟信号。

第二步、采用固定本振正交变频器对I路模拟信号和Q路模拟信号进行第一次直接变频，即零中频变频后，将频谱搬移到中心频率为f_H的高中频处，对应的镜像频谱被直接抵消且其高次谐波分别位于中心频率的整数倍。

第三步、通过第一固定低通滤波器滤除第一次直接变频产生的高次谐波；

第四步、通过变化本振变频器产生频率为f_H-f_c的本振信号并对第三步得到的模拟信号进行第二次变频，将频谱分别搬移到f_c以及2f_H-f_c；

第五步、通过第二固定低通滤波器，滤除镜像频谱2f_H-f_c，剩余频谱f_c为所需的调制频率。

本发明与目前已有的技术相比的优点在于：

本发明极大的简化了对模拟滤波器的要求。传统的变频技术无不需要多级中频、高频带通滤波器，本发明只需要最简单的固定低通滤波器，而且滤波器无需随所需的调制频率变化而变化，因此可以在相当广泛的调制范围内使用同一个通用型的固定低通滤波器。因此极大的简化了电路与系统的设计，降低了对器件的要求，减少了面积、功耗和成本，有利于集成。

本发明在完美的解决正交性对性能影响的同时，极大降低了器件的成本与电路和系统设计难度。传统的直接变频调制方式面对正交性问题，如果通过器件保证的话，那么在增加系统可调制频率范围的同时，将极大的增加电路设计的难度以及器件的成本，射频性能也因此难以得到保证。本发明是结合直接变频调制方式的新型二次变频，与传统的直接变频调制方式相比，只需要在某一个特定的频点完成正交调制，对器件的要求大为降低。

本发明可对应广泛的可调制范围。可以看出只要设计高频频率f_H的频率值，高于所需要的最高调制频率(满足f_H＞f_cmax)，则本发明系统所能满足的频率调制范围完全不受限制，也就是说在丝毫不增加系统设计难度和器件成本的同时，能够极大的扩展可支持的调制范围，因此大大的简化了电路和系统设计，降低了对器件的要求，减少了功耗和成本，有利于集成。

附图说明

图1为现有结构示意图；

其中：(a)为传统二次变频的系统结构；(b)为传统一次变频的系统结构；(c)为传统直接变频的系统结构。

图2为本发明二次变频系统结构示意图。

图3为实施例系统频谱示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例包括：依次连接的双口数模转换器、双口固定低通滤波器、固定本振正交变频器、第一固定低通滤波器、变化本振变频器以及第二固定低通滤波器，其中：双口数模转换器的输入端分别接收I路基带数据和Q路基带数据并输出I路模拟信号和Q路模拟信号至双口固定低通滤波器，经双口固定低通滤波器滤除高次谐波后输出至固定本振正交变频器，固定本振正交变频器通过零中频正交调制的方式变频至高中频并由第一固定低通滤波器进行高次谐波滤除并输出至变化本振变频器，变化本振变频器输出调制射频信号至第二固定低通滤波器并输出最终射频。

所述的双口固定低通滤波器为两个并列的低阶固定低通滤波器，其有效频谱与谐波之间的距离为双口数模转换器的采样频率的整数倍。

所述的固定本振正交变频器由固定本振发生器、移相器和两个乘法器组成，其中：两个乘法器的输入端分别接收双口固定低通滤波器输出的I路模拟信号和固定本振发生器输出的本地频率以及双口固定低通滤波器输出的Q路模拟信号和经移相器进行90度移相的本地频率，两个乘法器的输出端叠加后输出至第一固定低通滤波器。

所述的第一固定低通滤波器为低阶固定低通滤波器，其有效频谱与高次谐波之间的距离为高中频信号中心频率或其整数倍。

所述的第二固定低通滤波器为低阶固定低通滤波器，其有效频谱与镜像频谱之间的距离为固定本振与所需的调制频率的差的2倍。记固定本振的高中频为f_H，所需的调制频率为f_C，则有效频谱与镜像频谱之间距离为2×(f_H-f_C)。

如图3所示，本实施例上述系统的变频方法，包括以下步骤：

第一步、I路基带数据和Q路基带数据依次经过双口数模转换器转换成模拟信号，再经过双口固定低通滤波器滤除高次谐波后得到模拟频谱位于基带的I路模拟信号和Q路模拟信号。

第二步、采用固定本振正交变频器对I路模拟信号和Q路模拟信号进行第一次直接变频，即零中频变频后，将频谱搬移到中心频率为f_H的高中频处，对应的镜像频谱被直接抵消且其高次谐波分别位于中心频率的整数倍。

第三步、通过第一固定低通滤波器滤除第一次直接变频产生的高次谐波；

第四步、通过变化本振变频器产生频率为f_H-f_c的本振信号并对第三步得到的模拟信号进行第二次变频，将频谱分别搬移到f_c以及2f_H-f_c；

第五步、通过第二固定低通滤波器，滤除镜像频谱2f_H-f_c，剩余频谱f_c为所需的调制频率。

本发明独特优势包括：

首先，传统两次变频技术实现上需要两组带通滤波器，尤其是高中频带通滤波器，其频率点高(如1GHz)，且所需频谱与要滤除的镜像频谱和本振频率相隔不远(如第一次低中频变换常在36MHz，或44MHz，则所需频谱与镜像之间的距离是低中频的两倍，如72MHz，或者88MHz)。要在如此高的频率设计一个模拟的带通滤波器，滤波器设计的难度大，体积大，功耗高，对散热和电路设计都提出了较高的要求。而本发明利用了直接变频完成第一次变频操作，所需频谱与要滤除的高次频谱之间距离是高中频信号中心频率或其整数倍(如第一次变频时高中频采用1GHz，则其要滤除的高次谐波分别在2GHz、3GHz、4GHz)。如此宽的距离使得只需设计一个低阶数的、简单抽头的固定低通滤波器，即能实现全频段的覆盖，大大降低了设计难度。

其次，为了保证直接变频(捷变频)的正交性，如引用专利CN 101795252A直接变频调制方法及其调制装置中所述的，需要使用频率范围为1536MHz到3544MHz的大范围、高功耗频率源，也只能覆盖到443MHz到886MHz的范围。该专利无法支持在同样硬件平台上同时支持整个UHF波段和整个VHF波段(必须更换不同的本地晶振以及滤波器参数)，否则就会出现需要低频率射频信号时，所产生的本振信号的高倍谐波，因为无法有效被系统内低通滤波器滤除，从而直接落入高频率射频信号的有效带宽内。而本发明中，只需要设计时，选择第一次变频时高中频频率f_H，大于所需要支持的最高调制频率f_MAX(满足f_H＞f_cmax)即可。例如选择f_H为1GHz，则其可以支持整个UHF波段和VHF波段(无需更换晶振和滤波器参数)，且只需要该频点(f_H)能够保证正交性即可(无需所支持的整个波段，只需要单频点满足)，从而大大降低了对器件的要求，具有很好经济性和实用性。

用本发明应用于已有平台实现两次变频，在极大降低对硬件及系统设计难度的要求下，能达到有用信号带肩超过55分贝，全频段内邻频带内带外杂散超过55分贝，以及超高的调制误差率(MER)性能。

Claims (5)

1.一种二次变频调制系统，其特征在于，包括：依次连接的双口数模转换器、双口固定低通滤波器、固定本振正交变频器、第一固定低通滤波器、变化本振变频器以及第二固定低通滤波器； 

所述的第二固定低通滤波器为低阶固定低通滤波器，其有效频谱与镜像频谱之间的距离为固定本振与所需的调制频率的差的2倍，记固定本振的高中频为f_H，所需的调制频率为f_C，则有效频谱与镜像频谱之间距离为2×(f_H-f_C)； 

所述的双口数模转换器的输入端分别接收I路基带数据和Q路基带数据并输出I路模拟信号和Q路模拟信号至双口固定低通滤波器，经双口固定低通滤波器滤除高次谐波后输出至固定本振正交变频器，固定本振正交变频器通过零中频正交调制的方式变频至高中频并由第一固定低通滤波器进行高次谐波滤除并输出至变化本振变频器，变化本振变频器输出调制射频信号至第二固定低通滤波器并输出最终射频信号。 

2.根据权利要求1所述的二次变频调制系统，其特征是，所述的双口固定低通滤波器为两个并列的低阶固定低通滤波器，其有效频谱与谐波之间的距离为双口数模转换器的采样频率的整数倍。 

3.根据权利要求1所述的二次变频调制系统，其特征是，所述的固定本振正交变频器由固定本振发生器、移相器和两个乘法器组成，其中：两个乘法器的输入端分别接收双口固定低通滤波器输出的I路模拟信号和固定本振发生器输出的本地频率以及双口固定低通滤波器输出的Q路模拟信号和经移相器进行90度移相的本地频率，两个乘法器的输出端叠加后输出至第一固定低通滤波器。 

4.根据权利要求1所述的二次变频调制系统，其特征是，所述的第一固定低通滤波器为低阶固定低通滤波器，其有效频谱与高次谐波之间的距离为高中频信号中心频率或其整数倍。 

5.一种根据上述任一权利要求所述二次变频调制系统的变频方法，其特征在于，包括以下步骤： 

第一步、I路基带数据和Q路基带数据依次经过双口数模转换器转换成模拟信号，再经过双口固定低通滤波器滤除高次谐波后得到模拟频谱位于基带的I路模拟信号和Q路模拟信号； 

第二步、采用固定本振正交变频器对I路模拟信号和Q路模拟信号进行第一次直接变频， 即零中频变频后，将频谱搬移到中心频率为f_H的高中频处，对应的镜像频谱被直接抵消且其高次谐波分别位于中心频率的整数倍； 

第三步、通过第一固定低通滤波器滤除第一次直接变频产生的高次谐波； 

第四步、通过变化本振变频器产生频率为f_H-f_c的本振信号并对第三步得到的模拟信号进行第二次变频，将频谱分别搬移到f_c以及2f_H-f_c； 

第五步、通过第二固定低通滤波器，滤除镜像频谱2f_H-f_c，剩余频谱f_c为所需的调制频率。