CN103201994A - 用于可编程数字下变频的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本文提供了包括信号处理装置的可在宽范围的频率内操作的无线电通信设备。装置以预确定的样本率执行模数转换以生成数字信号，而独立于在该宽范围的频率内的所选择频率，并且对数字信号进行数字处理以在基带输出与所选择频带相关联的数据信号。

Description

用于可编程数字下变频的方法和系统
技术领域
本发明一般涉及配置成使用可编程以适应多个频带的数字下变频，从收到的正交调制模拟信号提取数据信号的方法和系统。
背景技术
现有无线电接收器使用模拟下变频器将射频(RF)信号转换成带有一个或多个更低中间频率(IF)的信号。模拟下变频器可具有外差（一个IF）、超外差（多个IF）或零IF体系结构（IF实际上是0 Hz）。模拟下变频器遭受到模拟损害，如模拟变化性（例如，分量到分量变化性、温度变化性、电压变化性和由于老化的变化性）和不灵活性（即，设计成对诸如880-915 MHz等特定频带有效操作的模拟下变频器对于诸如1920-1980 MHz等其它频带表现不佳）。
一些模拟下变频器也受其它问题影响（但并非所有体系结构具有所有以下列出的问题）：频率内变化（相位和幅度）、正交不平衡（同相分量泄漏到正交分量中或反之亦然）、增益不平衡、DC偏置及有限的镜像抑制(image rejection)。
这些损害和问题当前使得难以设计能够处理频率跨宽频率范围的射频信号的模拟下变频器（例如，对880-915 MHz频带和对1920-1980 MHz频带均操作良好）。
商业可用的数字下变频器无意也不能将直接采样射频信号下变频到基带(0 Hz)。通常，假设输入这些数字下变频器的模拟信号在信号处理链的前一模拟段中已进入中间频率。
相应地，最好是提供避免上述问题和缺陷的装置、系统和方法。
发明内容
一个目的是克服前一部分中所述的一些缺陷，并且提供能够在包括多个预确定的频带的宽范围的频率内操作的方法和装置。一个或多个独立权利要求项有利地在从收到的正交调制模拟信号提取数据信号方面提供降低的成本和可靠性。
根据一个示范实施例，可在宽范围的频率内操作的无线电通信设备包括信号处理装置，信号处理装置配置成接收模拟信号，以预确定的样本率执行模数转换而独立于在宽范围的频率内的所选择频带，并且输出在基带的数据信号，同时在数字信号处理期间集中在所选择频带。
根据另一示范实施例，提供了一种处理正交调制的模拟信号以输出基带数字数据信号，同时在数字信号中集中在宽范围的频率内所选择频带的方法。方法包括对收到的模拟信号进行滤波以输出包括具有在预确定的频率范围中的频率的分量的滤波模拟信号。方法还包括以预确定的样本率将滤波模拟信号转换成数字信号，并且解调数字信号以输出复数字信号。方法还包括对复数字信号进行滤波以在复数据信号中包括单一镜像。方法也包括对滤波复数字信号进行下采样，以生成包括在滤波复数字信号中N个连续样本的每个群组的一个样本的下采样复信号，其中，N是大于或等于二的整数，并且取决于所选择频带。方法还包括从下采样复信号提取复基带数据信号。
根据另一示范实施例，一种处理调制模拟信号的方法包括以某个样本率将模拟信号转换成数字信号，而独立于多个预确定的频带的目标频带。方法还包括正交解调数字信号以输出复信号。方法也包括滤波，对滤波复信号进行下采样以输出在输入数字信号中N个连续样本的每个群组的一个样本，其中，N是大于或等于二的整数，并且取决于预确定的频带的所选择频带，滤波和下采样使用多相滤波器执行。
根据另一示范实施例，一种制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法包括在衬底上在模数转换器与基带调谐器之间安装正交解调器、复信道滤波器和下采样器。方法还包括安装频带选择器，频带选择器配置成提供与多个频带中目标频带有关的操作参数到复信道滤波器和下采样器。
根据另一示范实施例，一种制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法包括在衬底上在模数转换器与基带调谐器之间安装正交解调器和多相滤波器。方法还包括安装频带选择器，频带选择器配置成提供与多个频带中目标频带有关的操作参数到多相滤波器。
附图说明
附图结合在说明书中并构成其一部分，示出一个或多个实施例，并与描述一起解释这些实施例。在图中：
图1是根据一示范实施例、配置成接收模拟信号、对采样模拟信号进行数字下变频以及输出在基带的数字信号的设备的示意图；
图2A表示根据一示范实施例、由设备的模拟滤波器输出的信号的频谱；
图2B表示根据一示范实施例、由设备的模数转换器输出的信号的频谱；
图2C表示根据一示范实施例、由设备的正交解调器输出的复信号的频谱；
图2D表示根据一示范实施例、由设备的复信道选择滤波器输出的复滤波信号的频谱；
图2E表示根据一示范实施例、由设备的数字下变频器输出的复信号的频谱；
图2F表示根据一示范实施例、由设备的复基带调谐器输出的复数据信号的频谱；
图3是根据另一示范实施例的设备的示意图；
图4是示出根据一示范实施例、在处理正交调制模拟信号以输出数字数据信号的方法中执行的步骤的流程图；
图5是根据一示范实施例、在无线电通信系统中装置的示意图；
图6是示出根据一示范实施例、在处理调制模拟信号的方法中执行的步骤的流程图；
图7是流程图，示出根据一示范实施例、在制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法中执行的步骤；以及
图8是流程图，示出根据另一示范实施例、在制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法中执行的步骤。
具体实施方式
示范实施例的以下描述参照附图。不同图形中的相同标号识别相同或类似的单元。以下详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由随附权利要求定义。为简明起见，下面的实施例根据射频接收器的术语和结构进行论述。然而，随后要论述的实施例并不限于这些系统，而是可应用到配置成处理射频信号的其它系统。
说明书通篇对“一个实施例”或“一实施例”的引用指结合一实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在说明书通篇各个位置出现的“在一个实施例”或“在一实施例中”短语不一定全部指同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。
下文所述方法和设备通过例如组合数字正交解调、数字滤波、抽取采样信号造成的混叠(aliasing)及数字复调谐，实现了在宽范围的频率内以预确定的样本率采样的无线电信号的灵活数字下变频。
为便于说明而不是限制，根据一示范实施例，图1所示设备100配置成接收正交调制模拟无线电信号，并且输出基带数据信号。
图1所示设备100包括模拟滤波器110、模数转换器(ADC) 120、正交解调器130、复信道选择滤波器140、数字下采样器150及基带调谐器160。
模拟滤波器110配置成接收正交调制模拟无线电信号，并且对收到的模拟信号进行滤波以只通过具有在尼奎斯特区域的部分或所有频率范围中的频率的分量，在尼奎斯特区域中，模数转换器(ADC) 120提供足够的性能。尼奎斯特区域被定义为具有等于采样频率(Fs)的一半的带宽。频率域包括无限数量的此类区域。例如，在正频率域中，第一尼奎斯特区域是从“0”频率（即，DC）到Fs/2，第二尼奎斯特区域是从Fs/2到Fs，第三尼奎斯特区域是从Fs到3Fs/2等。假设目标频带的镜像大约在频率Fa，图2A表示由模拟滤波器110输出的滤波信号的频谱。
ADC 120配置成以采样频率Fs对模拟滤波器110输出的模拟滤波信号进行采样。最近，具有高样本率和样本的增大精度的ADC装置已变得可用。根据尼奎斯特采样理论，如果至少如其频率两倍快对模拟信号进行采样，则在重构信号时不丢失信息。模拟信号具有高于样本频率的一半的频率时，信号被二次采样，并且相对于Fs/2“反射”或“折叠”。因此，如果关注的信号包含在一个尼奎斯特区域中，则例如，具2GSps（每秒吉次取样数）的采样速度能力的ADC为大约900 MHz的频带和大约1900 MHz的频带均提供足够的样本。我们可考虑下文所述设备和方法具有大于1 GSps的采样率的特定相关性，但它们并不限于此。
图2B表示ADC 120输出的数字信号的频谱。ADC 120输出的信号是实信号，并且它还是正交调制信号。在采样后，在数字信号中，相对于Fs/2反射大约在Fa的模拟信号的频谱，并且在所有其它(n-1, n)个Fs间隔中重复带有与在0到Fs间隔中频率分布类似形状的频率分布（其中，n是任何整数）。
通常，ADC 120以预确定的样本率操作，但样本率不必是固定的。时钟信号（能够由本地振荡器生成，未示出）用于驱动ADC 120以便以预确定的样本率执行采样。时钟信号的频率可以是固定的或可变的。
正交解调器130配置成接收ADC 120输出的采样信号，并且将收到的数字信号变换成具有相对于数字信号中频率分布偏移的频率分布的复信号。例如，可通过Fs/4将频率偏移到大约在Fa-Fs/4和2Fs-Fa-Fs/4（即，高侧混频和低侧混频）。图2C表示正交解调器130输出的复信号的频谱。如下面将更详细论述的，信号处理链中正交解调器130的位置可与设备100中的其位置不同。
复信道选择滤波器滤除复信号具有大约2Fs-Fa-Fs/4的频率的一部分，输出具有大约Fa-Fs/4的频率的剩余信号。图2D表示由复信道选择滤波器140输出的复滤波信号的频谱。
数字下采样器150通过丢弃N个样本的N-1个样本，抽取从复信道选择滤波器140收到的复信号以输出具有大约在Faliased=mod(Fa-Fs/4, Fs/N)的新更低频率的信号。例如，如果N=8，则图2E表示由数字下变频器150输出的具有大约在mod(Fa-Fs/4, Fs/8)的频率的新更低频率复信号的频谱。数字下采样器150的存在降低了样本的数量，并且因此降低了用于复基带调谐器160的功耗。信号处理链中数字下变频器150的位置可与设备100中的其位置不同。
复基带调谐器160随后将复信道选择滤波器140输出的新更低频率信号转换到基带（即，居中在0 Hz）。图2F表示由复基带调谐器160输出的在基带的数字信号的频谱。在美国专利申请公布说明书2009/0316838中描述了复基带调谐器的示例，该说明书通过引用整体结合于本文中。
鉴于设备100的以上描述，本领域技术人员理解，设备100通过取决于目标频带的不同参数进行操作。也就是说，设备100配置成可在宽范围的频率内使用，但在给定时间，它被调谐成以由此宽范围覆盖的频带中的预定义的频带为目标。选择特定频带能够在物理上由指定复调谐器频率（可以为0）N和滤波器系数组成。
作为操作参数，有关所选择频带的信息可以是选择多个可用滤波器之一作为模拟滤波器110所必需的。然而，ADC 120能够在相同采样率操作，而不考虑目标频带（因此，无需接收有关所选择频带的信息）。类似于ADC 120，正交解调器130无需接收有关所选择频带的信息作为操作参数。
复信道选择滤波器140是在Fs的样本率运行并且选择在0<=Fa<=Fs之间的频率的数字滤波器。然而，复信道选择滤波器140能够用于滤除复信号具有大约在2Fs-Fa-Fs/4的频率的部分，并且输出复信号具有大约Fa-Fs/4的频率的部分。复信道选择滤波器110可包括对应于不同目标频带的多个滤波器，视有关要处理的目标频带的信息而定，这些频带每个被插入信号处理链（或从中删除）。
表征数字下采样器150的操作的数字N取决于目标频带。最终输出样本率与ADC样本率之间关系的微调可通过在复信道选择滤波器140后添加速率更改滤波器来实现。例如，考虑最大可能ADC样本率为2.5 GSps，并且最终目标样本率大约为245.76 MSps（与LTE样本率有关的示范速率）。出于实现简单性，要求十进制2的整数次幂（在示例中N=8）。在没有速率更改滤波器的情况下，这将暗示1966.08的ADC样本率。通过添加8/10速率更改滤波器，要求的ADC样本率变成2.4576 GSps，这更接近最大可能速率。具有最终样本率的精细控制允许系统级优化。速率更改滤波器例如能够在复调谐器后提供。
在一个实施例中，用户接口或控制器允许设备100的用户选择在设备100覆盖的宽范围的频率内的频带之一，并且用户接口或控制器随后能够为设备100提供操作参数，如复调谐器频率（可能为0）N和滤波器系数，这些参数配置设备100执行用于所选择频带的数字下变频。
在图3所示一备选实施例中，设备200包括类似于模拟滤波器110、ADC 120、正交解调器130和基带复调谐器160的模拟滤波器210、ADC 220、正交解调器230和基带复调谐器260。在设备200中，通过使用多相滤波器245来实现复信道滤波器和数字下采样器的功能性。
在另一备选实施例中，如果N是4的整数倍，则通过组合多相滤波器245和正交解调器230来实现其它硬件优化。在此情况下，组合的滤波器/正交解调器复杂性得以降低，而对调谐灵活性无影响。
图4是在处理正交调制模拟信号以输出数字数据信号的方法300中执行的步骤的流程图。方法300可由设备100执行。
在S310，方法300包括对收到的正交调制信号进行滤波以选择收到的模拟信号的一部分，该部分包括具有在预确定的频率范围中的频率的分量。此外，在S320，方法300包括以预确定的样本率将收到的模拟信号的该部分转换成数字信号。
在S330，方法300包括解调数字信号以输出复数字信号。随后，在S340，方法300包括对复数字信号进行滤波以在复数据信号中包括单一镜像。在S350，方法300包括对滤波复数字信号进行下采样，以生成包括在滤波复信号中N个连续样本的每个群组的一个样本的下采样复信号，其中，N是大于或等于二的整数。最后，在S360，方法300包括从下采样复信号提取复基带数据信号。
方法300也可包括选择在可操作频率范围内多个预确定的频带之一。通过取决于多个预确定的频带的所选择频带的操作参数，执行收到的正交调制信号的滤波(S310)、复数字信号的滤波(S340)及滤波复数字信号的下采样(S350)中的一项或多项。因此，预确定的频率范围可取决于多个预确定的频带的所选择频带。可为取决于多个预确定的频带的所选择频带的N的值执行下采样。也可为是2的次幂的N的值执行下采样。
图5示出可在无线电通信系统中与其它（未示出的）常规组件一起使用的装置400。诸如400等装置的存在使无线电通信系统可在包括多个预确定的频带的宽范围的频率内操作。
图5中的装置400包括配置成以某个样本率将模拟信号转换成数字信号的模数转换器410，而独立于多个预确定频带的目标频带。此外，装置400包括配置成将从模数转换器410收到的数字信号转换成复信号的正交解调器420。
设备400还包括多相滤波器430，多相滤波器430配置成对复信号进行滤波以包括预确定频带的目标频带的单一镜像，并且对滤波复信号进行下采样以输出N个连续样本的每个群组的一个样本。此处N是大于或等于2的整数，并且取决于预确定的频带的所选择频带。
图6包括示出在处理调制模拟信号的方法600中执行的步骤的流程图。在S610，方法600包括以某个样本率将模拟信号转换成数字信号，而独立于预确定频带的目标频带。在S620，方法600包括正交解调数字信号以输出复信号。方法600还包括在S630对复信号进行滤波以包括预确定频带的目标频带的单一镜像，并且对滤波复信号进行下采样以输出N个连续样本的每个群组的一个样本，滤波和下采样使用多相滤波器执行。此处N是大于或等于二的整数，并且取决于预确定的频带的所选择频带。
图7和8是流程图，示出在制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法800和900中执行的步骤。在步骤S810，方法800包括在模数转换器与基带调谐器之间安装正交解调器、复信道滤波器和下采样器。此外，在S820，方法800包括安装频带选择器，频带选择器配置成提供与多个频带中目标频带有关的操作参数到复信道滤波器和下采样器。
方法900包括在S910在模数转换器与基带调谐器之间安装正交解调器和多相滤波器。方法900还包括在S920安装频带选择器，频带选择器配置成提供与多个频带中目标频带有关的操作参数到多相滤波器。
公开的示范实施例提供了可在无线电通信系统中使用的方法和装置及用于其制造的方法。应理解，此描述无意限制本发明。相反，示范实施例旨在涵盖在如随附权利要求定义的本发明的精神和范围中包括的备选、修改和等效物。此外，在示范实施例的详细描述中，陈述了许多特定的细节以提供所述发明的详尽理解。然而，本领域的技术人员将理解，在无此类特定细节的情况下可实践各种实施例。
正如本领域的技术人员也将理解的一样，示范实施例可在无线通信装置中实施。相应地，示范实施例可采用完全硬件实施例或组合硬件和软件方面的实施例的形式。
虽然所示示范实施例的特征和实施例在特定组合的实施例中描述，但每个特征或单元可单独使用而无实施例的其它特征和单元，或者以带有或无本文中公开的其它特征和单元的各种组合形式使用。

Claims (20)

1.一种可在宽范围的频率内操作的无线电通信设备，包括：
信号处理装置(100)，配置成接收模拟信号，以预确定的样本率执行模数转换以生成数字信号，而独立于在所述宽范围的频率内的所选择频带，并且对所述数字信号进行数字处理以在基带输出与所述所选择频带相关联的数据信号。
2.如权利要求1所述的无线电通信设备，其中所述装置包括：
模数转换器(120)，配置成以所述预确定的样本率对所述收到的模拟信号进行采样，并且输出所述数字信号；
正交解调器(130)，配置成执行所述数字信号的正交解调，并且输出包括复数据信号和所述复数据信号的镜像的复信号；
复信道选择滤波器(140)，配置成接收所述复数据信号，并且输出包括仅所述复数据信号或所述复数据信号的所述镜像之一的滤波复信号；
数字下采样器(150)，配置成接收所述滤波复信号并且生成包括在所述滤波复信号中N个连续样本的每个群组的一个样本的下采样复信号，其中N是大于或等于二的整数，并且取决于所选择频带；以及
基带调谐器(160)，配置成接收所述下采样复信号，并且输出复基带数据信号。
3.如权利要求2所述的无线电通信设备，还包括：
频带选择器，至少连接到所述数字下采样器，并且配置成提供有关所选择频带的信息。
4.如权利要求2所述的无线电通信设备，其中所述复信道选择滤波器配置成滤除具有在取决于所选择频带的范围中的频率的所述收到的复数据信号的分量。
5.如权利要求2所述的无线电通信设备，其中所述数字下采样器配置成选择取决于所选择频带的数字N。
6.如权利要求2所述的无线电通信设备，其中所述数字下采样器配置成为具有是2的次幂的值的数字N进行操作。
7.如权利要求1所述的无线电通信设备，其中所述预确定的样本率大于1 GSps。
8.如权利要求2所述的无线电通信设备，还包括：
速率更改滤波器，连接到所述基带调谐器，并且配置成将输入所述速率更改滤波器并且具有所述预确定采样率的数字信号转换成以所述预确定的采样率的一部分采样的数字信号。
9.如权利要求1所述的无线电通信设备，其中所述信号处理装置还包括：
模数转换器(220)，配置成以预确定的样本率对所述滤波模拟信号进行采样，并且输出采样数字信号；
正交解调器(230)，配置成执行所述采样数字信号的正交解调，并且输出复信号；
多相滤波器(245)，配置成对所述复信号进行滤波以在复数据信号中包括单一镜像，并且下采样所述滤波复数据信号以输出包括在所述滤波复数据信号中N个连续样本的每个群组的一个样本的下采样复信号，其中N是大于或等于二的整数，并且取决于所选择频带；以及
基带调谐器(260)，配置成接收所述下采样复信号，并且从所述下采样复信号提取复基带数据信号。
10.如权利要求9所述的无线电通信设备，其中所述正交解调器(230)和所述多相滤波器(245)彼此集成在一起。
11.如权利要求2所述的无线电通信设备，还包括：
模拟滤波器(110)，配置成接收所述模拟信号，并且输出包括具有在预确定的频率范围中的频率的分量的滤波模拟信号。
12.一种处理正交调制的模拟信号以输出基带数字数据信号，同时在数字信号中集中在宽范围的频率内所选择频带的方法(300)，包括：
以预确定的样本率将模拟信号转换(S320)成数字信号；
解调(S330)所述数字信号以输出复数据信号；
对所述复数字信号进行滤波(S340)以在复数据信号中包括单一镜像；
对所述滤波复数字信号进行下采样(S350)，以生成包括在所述滤波复数字信号中N个连续样本的每个群组的一个样本的下采样复信号，其中N是大于或等于二的整数，并且取决于所选择频带；以及
从所述下采样复信号提取(S360)复基带数据信号。
13.如权利要求11所述的方法，还包括：
对收到的模拟信号进行滤波(S310)以输出包括具有在预确定的频率范围中的频率的分量的滤波模拟信号。
14.如权利要求12所述的方法，还包括：
在可操作频率范围内的多个预确定频带中选择所述频带，
其中基于取决于所选择频带的操作参数，执行所述收到的正交调制信号的所述滤波、所述复数字信号的所述滤波及所述复基带数据信号的所述提取中的一项或多项。
15.如权利要求12所述的方法，其中为是2的次幂的N的值执行所述下采样。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述预确定的样本率大于1 Gsps。
17.如权利要求12所述的方法，还包括：
转换在预确定的样本率的所述数字信号以输出在所述预确定的样本率的一部分采样的信号。
18.一种处理调制模拟信号的方法(600)，包括：
以某个样本率将模拟信号转换(S610)成数字信号，而独立于多个预确定频带的目标频带；
正交解调(S620)所述数字信号以输出复信号；以及
对所述复信号进行滤波以包括所述预确定频带的所述目标频带的单一镜像，并且对所述滤波复信号进行下采样(S630)以输出在输入数字信号中N个连续样本的每个群组的一个样本，其中N是大于或等于二的整数，并且取决于所述预确定的频带的所选择频带，所述滤波和下采样使用多相滤波器执行。
19.一种制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法(800)，包括：
在衬底上在模数转换器与基带调谐器之间安装(S810)正交解调器、复信道滤波器和下采样器；以及
安装(S820)频带选择器，所述频带选择器配置成提供与所述多个频带中目标频带有关的操作参数到所述下采样器和所述复信道滤波器。
20.一种制造可在包括多个频带的宽频率范围内操作的无线电通信系统的方法(900)，包括：
在衬底上在模数转换器与基带调谐器之间安装(S910)正交解调器和多相滤波器；以及
安装(S920)频带选择器，所述频带选择器配置成提供与所述多个频带中目标频带有关的操作参数到所述多相滤波器。
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