CN103297073A - 宽带接收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了宽带接收器。一种用于识别RF信号中的RF分量的频率的接收器和方法被公开。该接收器包括第一混频器，其接收RF信号并且将该RF信号与包括多个音调的第一多音调LO信号相混频以生成混频信号。第一混频器的输出被第一滤波器过滤，该第一滤波器除去预定波段之外的信号以生成第一IF信号。处理器利用所述第一IF信号和第二IF信号来确定所述分量的RF频率，该第二IF信号是利用具有与所述第一多音调LO信号不同的多个音调的第二多音调LO信号来生成的。第一和第二多音调LO信号可以通过要么通过使用不同序列要么通过使用以不同速率定时输入的相同序列将合适的数字序列定时输入到混频器中来生成。

Description

宽带接收器

技术领域

本发明涉及宽带接收器，尤其是涉及用于识别RF信号中的RF分量的频率的接收器和方法。

背景技术

射频（RF）接收器的一种应用是监视RF频谱并识别未知发射器。例如，在战场中，能够检测表明附近敌方部队的存在的窄带对讲机无线电的存在将是有利的。一旦被检测到，则未知发射器的位置可被估计并且/或者信号可被解调以确定信息内容。

一种用于在大得多的频段中识别未知频率的窄带发射的现有技术方法利用了传统的外差接收器，该外差接收器将纯音调（tone）与接收到的RF信号相混频（mix）以创建通常处于比原始RF信号低得多的频率的新的中间频率（IF）。新的IF信号在被放大和数字化之前被过滤以除去来自混频处理的高频分量。IF信号包括在由低通滤波器定义的窄频率波段内的RF源和有关音调。为了监视RF频谱的大波段，LO音调跨越感兴趣的RF波段而步进，从而允许在捕捉一个IF带宽的频谱之后递增LO频率并开始新的捕捉。对于具有50MHz IF带宽的接收器，要覆盖1GHz跨度的RF频率将花费20次这种测量。

要使该策略成功，未知信号在扫描RF频谱所需的时间段内需要继续广播。如果RF信号在当前未被混频到IF波段内的频率处短暂出现并且该信号在适当的LO扫描频率出现之前终止，则其将不会被检测到。

用于监视RF频谱的宽带部分的另一选项利用超快模数转换器（ADC），该超快模数转换器采样快到足以捕捉整个感兴趣的RF波段而没有任何混叠（aliasing）。这些超快ADC通常被用于高速示波器。现时的示波器ADC可以支持80千兆样本每秒（Gs/s）的采样速率，从而允许对高达30GHz的RF信号进行监视。遗憾的是，这些超高速ADC具有有限的动态范围，需要高功率，并且具有极高成本。有限的动态范围负面地影响了在存在更高功率背景信号的情况下检测低功率信号的能力。高成本和高功率要求使得这种实现方式对用于本领域的设备而言无吸引力。此外，这种系统所生成的大量数据需要大量计算资源来处理，这使这种解决方案更加逊色。

发明内容

本发明包括一种接收器和用于识别RF信号中的RF分量的频率的方法。该接收器包括第一混频器，该第一混频器接收RF信号并且使该RF信号与包括多个音调的第一多音调本机振荡器（LO）信号相混频以生成混频信号。接收器还包括生成该第一多音调LO信号的第一LO信号发生器。第一混频器的输出被第一滤波器过滤以生成第一IF信号，该第一滤波器从该混频信号中除去预定波段之外的信号。处理器利用第一IF信号和第二IF信号来确定RF信号的分量的RF频率，该第二IF信号是利用具有与所述第一多音调LO信号不同的多个音调的第二多音调LO信号来生成的。第一和第二多音调LO信号可以通过要么通过利用不同序列要么通过利用以不同速率定时输入的相同序列将合适的数字序列定时输入到混频器中来生成。

附图说明

图1图示出可以在本发明中使用的接收器配置。

图2图示出在图1中讨论的接收器对RF频谱进行压缩的方式。

图3图示出一种用于根据在压缩的频率频谱中观测到的频率来重新构造RF频率的算法。

图4图示出根据本发明的调查（survey）接收器的一个实施例。

图5图示出根据本发明的调查接收器的另一个实施例。

图6图示出根据本发明的压缩接收器的一个实施例。

具体实施方式

本发明提供其优点的方式参考图1可被更容易地理解，图1图示出可以在本发明中使用的接收器配置。接收器20接收被馈送给混频器21的RF信号。LO信号由具有横跨（span）感兴趣的RF频谱的音调的多音调信号组成。混频器的输出被特征为带通频率F_b的低通滤波器22处理以生成IF信号。低通滤波器的输出被ADC23数字化，ADC23的输出被FFT处理器24处理以提供IF信号中的信号的频率。为了该讨论，将假定LO信号中的音调之间的间隔小于或等于F_b。在该实施例中，所使用的具体多音调LO信号是受处理器24控制的，该处理器24还控制ADC采样速率。

多音调LO信号中的音调被选择为使得对于感兴趣的范围内的任何RF频率，在距该频率的F_b内将总是有LO音调。当该音调与感兴趣的信号相混频时，在低通滤波器的通带内的混频产物将被生成。应当注意到许多额外的混频产物将被生成，但是那些产物将被低通滤波器阻止。相反地，如果在IF输出中存在一信号，那么在感兴趣的RF波段中存在至少一个对应信号。应当注意到RF波段中可以存在产生对每个信号都相同的IF频率分量的两个或更多个信号，因此IF频率分量可以重叠并且看起来是单个IF分量。

例如，参考图2，其图示出在图1中讨论的接收器对RF频谱进行压缩的方式。图2的A中示出的RF频谱由如在31-33处示出的以分离很远的频率进行发射的三个发射器的输出组成。混频音调的频率通过诸如箭头34的大箭头示出。滤波器22的通带在35处示出。由此得到的IF频谱在图2的B中示出。与频率31-33相对应的IF频率分量分别在31'-33'处示出。

虽然该压缩策略保证了宽RF波段中的任何信号如上面提到将生成压缩波段中的信号，但是压缩波段中的信号数目可能看起来少于RF波段中的信号数目，这是因为压缩波段中的信号中的一个或多个可以位于另一个之上。此外，压缩波段中的信号频率不唯一地指定感兴趣的RF波段中的对应频率，这是因为压缩分量可以是将RF信号与LO音调中的任一个相混频的结果。

为了简化以下讨论，LO信号中的音调的频率将被称作梳（comb）频率。第i个梳频率将由C_i表示。梳频率的数目将由N_c表示。所观测到的IF波段中的频率将由f_i表示，其中i从1到N_IF。对于j＝1到N_c，f_i处的信号可以是f_i+C_j处的RF频率的结果。因此，某些机制必须被用来对j的正确值进行决定，如果对应的RF信号待定位的话。

考虑利用不同组的梳频率来压缩相同RF信号的情况。为了区分第一组梳频率与第二组梳频率，由¹C_j来表示第一组梳频率并且由²C_j来表示第二组梳频率。类似地，由¹f_i来表示第一压缩信号中的频率并且由²f_i来表示第二压缩信号中的频率。

根据第一压缩频谱，针对i和j的所有允许值在频率¹f_i+/-¹C_j处存在候选RF频率。类似地，针对k和m的所有允许值在频率²f_k+/-²C_m处存在候选RF频率。真实的RF频率产生两个频谱中的频率。考虑针对i和j的给定值的候选频率¹f_i+¹C_j。如果针对k和m的某些选择，²f_k+²C_m不等于¹f_i+¹C_j，那么候选频率¹f_i+¹C_j可以不予考虑。因此，通过将对应于一个压缩频谱的候选频率与对应于利用不同的梳频率组生成的另一压缩频谱的候选频率相比较，RF信号的候选频率可被缩小范围。解决整个RF频谱所需的梳组的数目一般将取决于频谱的复杂度。应当注意到，一旦感兴趣的RF频率被识别出，则处理器24可以通过将LO信号发生器切换为距候选频率在F_b内的频率处的单个音调来验证该候选频率。

当仅存在一个音调时，信号的位置可以通过相对简单的算法来确定。该方法通过将RF频谱划分为多个分辨单元（bin）而开始。如上面提到，经压缩IF频谱中的每个频率可能已经从N_c个RF频率中的任一个中产生。因此，对于每个LO频率模式，在每个对应于候选RF频率之一的分辨单元处输入值。图3图示出与针对单个发射器输入的四个不同LO多音调信号相对应的模式。每个值被示出为每个对应混叠分辨单元（alias bin）中的箭头。为了确定实际的RF频率，每个LO模式的对应分辨单元中的值被加在一起以提供“总和”直方图。一般而言，正确位置中的分量将建设性地增加并且其他分量将被跨越整个频谱散开。正确的RF频率将对应于总和最大的频率。

当存在多于一个音调时，可能需要用于确定发射器的数目和位置的更复杂手段。统计推断算法可被用来实现该能力。例如，与美国专利8,080,782中描述的那些类似的方法可被使用。

上面描述的实施例依赖于能够利用不同的LO梳组来生成压缩频谱。如果要观测的发射在足够长的时间段上是连续的，那么可以通过首先利用第一LO梳组生成压缩频谱然后利用第二LO梳组生成第二压缩频谱来串行地形成频谱。然而，如果装置的目标是检测持续时间不足以允许这种串行方法的RF发射，那么具有多个压缩接收器的接收器可被利用。

现在参考图4，其图示出根据本发明的调查接收器的另一实施例。接收器40包括N个压缩接收器，其中的压缩接收器48是典型的。每个压缩接收器包括混频器41、低通滤波器42以及ADC43。每个压缩接收器还包括LO发生器44。不同的压缩接收器所使用的LO信号是不同的并且受处理器49控制。因此，具有不同LO梳模式的压缩频谱可被并行生成。每个压缩接收器中的ADC的输出被处理器49处理，该处理器49将ADC输出存储在诸如存储器45的存储器中。处理器49还包括对ADC输出执行有关FFT并且从压缩输出得到RF频率的FFT处理器46。窗函数或者更加一般性的开窗（windowing）方法滤波器组也可被应用以减少对邻近FFT分辨单元的频谱泄露。内部控制器47执行各种算法，这些算法被用来利用诸如上面讨论的算法的算法从压缩频谱中识别RF频率。

上面描述的实施例针对于一种频谱分析仪，该频谱分析仪识别在宽频率波段内活动的RF载波中的每一个。在一些情况下，RF信号的数目将会相当大，并且目标将是识别出现的新信号。现在参考图5，其图示出根据本发明的调查接收器的另一实施例。接收器60还包括诸如压缩接收器69之类的多个压缩接收器。每个压缩接收器包括将来自LO信号发生器67的LO信号与接收到的RF信号相混频的混频器61。LO信号以类似于上面描述的方式根据压缩接收器的不同而不同。低通滤波器62除去感兴趣的波段之外的混频产物。滤波器62的输出被ADC63数字化。来自ADC63的样本群组然后经由FFT处理器64被傅立叶变换以提供压缩的IF频谱。控制器65使用压缩的IF频谱来更新在存储器66中存储的平均功率频谱。控制器还从平均功率频谱66中减去最新的压缩IF功率频谱，以生成被存储在存储器68中的差异功率频谱。差异功率频谱抑制在与期间生成单独的压缩IF功率频谱的时间间隔相比较长的时间段内存在的频谱线。各种差异功率频谱被压缩频谱分析仪分析以确定新信号的RF频率。

虽然图5中示出的实施例利用了单独的控制器和未被示出的压缩分析仪，但是将会明白这些功能以类似于上面描述的方式可以是公共控制器和/或处理器的一部分。

与上面参考图5讨论的那些类似的压缩处理器也可被用于针对压缩频谱中的噪声进行校正。应当注意到，频谱压缩处理也将噪声压缩到IF波段中。因此，提供针对该噪声的校正在压缩接收器中比在通常的IF接收器中更重要。现在参考图6，其图示出根据本发明的压缩接收器的另一实施例。压缩接收器70包括切换器73，该切换器73在RF输入71与背景输入72之间切换混频器74的输入。控制器78控制切换器73。在第一模式下，切换器73被连接到源72。以类似于上面描述方式的方式将输入与多音调LO相混频，并且经由IF滤波器75来过滤输出。IF滤波器75的输出经由ADC76被数字化，ADC76的采样速率也受控制器78控制。ADC76在某预定时间段或样本数目内的输出然后被FFT处理器77变换以生成作为控制器78的输入的频谱。该噪声频谱被存储在存储器79中。

应当注意到，噪声频谱79捕捉来自包括任何放大器的各种组件的噪声以及由对滤波器75的输出进行数字化而造成的任何尖刺（spur）。在正常操作期间，切换器73被连接到RF源71，并FFT处理器77的输出针对存储器79中存储的噪声频谱而得到校正以提供经校正的压缩频谱80。此外，由接收器硬件生成的任何尖刺可被自适应地消除并且基本被从响应除去，这是因为整个接收到的频谱总是被观测。对内部尖刺的周期性监视将允许更新自适应消除。

本发明的上述实施例利用了生成多个不同的多音调LO信号的LO信号发生器。可被用于创建具有不同特性的LO信号的一类信号是二进制伪随机序列的类。这些序列是生成具有相同间隔的音调的频谱的一和零的序列。音调的间隔取决于序列的长度。音调之间的频率差异取决于序列被定时输入（clocked into）到混频器中的速率。因此，通过改变序列长度或者定时输入速度，具有不同的音调间间隔的LO信号可被实现。Zadoff-Chu序列也可被用于生成合适的多音调LO信号。序列的最佳选择将取决于具体应用。

上面描述的实施例针对于寻找正被监视的宽波段RF频谱中的信号的RF频率，然后通过针对多音调信号减去适当频率的单音调LO信号而将压缩接收器之一转换为传统外差接收器来跟踪该信号。然而，在一些情况下，可优选使用压缩频谱来解码该信号。

根据本发明的压缩接收器尤其适用于识别和跟踪“跳频”通信信号。该类通信被用于安全环境以隐藏发射，这是因为载波频率基于对接收器和发射器是已知的但是对外部观测者不是已知的可预测基础而改变。只要每个新频率被包含在被监视的RF波段中，发射就将总是出现在压缩频谱中。如果新频率的信号的幅度大于占据相同频率分辨单元的任何其他IF信号的幅度，那么IF信号可在数字域中被混频并且被解调以允许新频率信号被解调。

本发明的上述实施例已被提供以图示出本发明的各种方面。然而，将会明白，在不同具体实施例中示出的本发明的不同方面可被结合以提供本发明的其他实施例。此外，对本发明的各种修改根据前述描述和附图将变得显而易见。因此，本发明将仅受权利要求书的范围限制。

Claims (18)

1.一种接收器，包括：

第一混频器，所述第一混频器接收RF信号并且将该RF信号与包括多个音调的第一多音调LO信号相混频以生成混频信号；

第一LO信号发生器，所述第一LO信号发生器生成所述第一多音调LO信号；

第一滤波器，所述第一滤波器从所述混频信号中除去预定波段之外的信号以生成第一IF信号；以及

处理器，所述处理器利用所述第一IF信号和第二IF信号来确定所述RF信号的分量的RF频率，该第二IF信号是利用具有与所述第一多音调LO信号不同的多个音调的第二多音调LO信号来生成的。

2.如权利要求1所述的接收器，其中，所述处理器使所述第一LO信号发生器生成所述第二多音调LO信号。

3.如权利要求1所述的接收器，其中，所述第一LO信号发生器响应于来自所述处理器的控制信号而生成替代所述第一多音调LO信号的单音调信号。

4.如权利要求1所述的接收器，还包括：

第二混频器，所述第二混频器接收RF信号并且将该RF信号与包括多个音调的所述第二多音调LO信号相混频以生成混频信号；

第二LO信号发生器，所述第二LO信号发生器生成所述第二多音调LO信号；以及

第二滤波器，所述第二滤波器从所述混频信号中除去预定波段之外的信号以生成第二IF信号。

5.如权利要求1所述的接收器，其中，所述第一多音调LO信号包括被以第一时钟速率输入到所述第一混频器的数字序列。

6.如权利要求5所述的接收器，其中，所述第二多音调LO信号包括被以不同于所述第一时钟速率的第二时钟速率输入到所述第一混频器的所述数字序列。

7.如权利要求5所述的接收器，其中，所述数字序列是从由二进制伪随机序列或Zadoff-Chu序列组成的群组中选出的。

8.如权利要求1所述的接收器，其中，所述处理器：

在第一时间间隔内根据所述第一IF信号生成第一RF功率谱，

通过组合在不同时间间隔内生成的多个所述第一RF功率谱而生成平均第一RF功率谱，并且

生成包括所述第一RF功率谱与所述平均第一RF功率谱之间的差异的差异RF功率谱，所述差异RF功率谱被所述处理器用于识别所述RF频率。

9.如权利要求8所述的接收器，其中，每当在新的时间间隔内生成第一RF功率谱就利用所述第一RF功率谱来更新所述平均第一RF功率谱。

10.如权利要求1所述的接收器，还包括从所述RF信号到噪声源来连接所述混频器的输入的切换器，其中所述处理器在所述混频器连接到所述噪声源时从所述第一IF信号确定噪声频谱，并且其中所述处理器在所述混频器连接到所述RF信号时基于所述噪声频谱针对噪声来校正所述第一IF信号。

11.一种用于确定RF信号的分量的RF频率的方法，所述方法包括：

将所述RF信号与包括多个音调的第一多音调LO信号相混频以生成第一混频信号；

过滤所述第一混频信号以从所述第一混频信号中除去预定波段之外的信号以生成第一IF信号；

将所述RF信号与包括多个音调的第二多音调LO信号相混频以生成第二混频信号；

过滤所述第二混频信号以从所述第二混频信号中除去预定波段之外的信号以生成第二IF信号；以及

利用所述第一IF信号和第二IF信号来确定所述RF信号的分量的所述RF频率，其中所述第二多音调LO信号具有与所述第一多音调LO信号不同的多个音调。

12.如权利要求11所述的方法，还包括在确定所述RF频率分量的所述RF频率之后将所述RF信号与单音调LO信号相混频以调谐所述分量。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一多音调LO信号包括以第一时钟速率被与所述RF信号相混频的数字序列。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二多音调LO信号包括以不同于所述第一时钟速率的第二时钟速率被与RF信号相混频的所述数字序列。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述数字序列是从由二进制伪随机序列和Zadoff-Chu序列组成的群组中选出的。

16.如权利要求11所述的方法，还包括：

在第一时间间隔内根据所述第一IF信号生成第一RF功率谱，

通过组合在不同时间间隔内生成的多个所述第一RF功率谱而生成平均第一RF功率谱，以及

生成包括所述第一RF功率谱与所述平均第一RF功率谱之间的差异的差异RF功率谱，所述差异RF功率谱被用于识别所述RF频率。

17.如权利要求16所述的方法，其中，每当在新的时间间隔内生成第一RF功率谱就利用所述第一RF功率谱来更新所述平均第一RF功率谱。

18.如权利要求11所述的方法，还包括

通过将噪声源与所述第一多音调LO信号相混频来从所述第一IF信号确定噪声频谱，并且当所述RF信号被与所述第一多音调LO信号相混频时，基于所述噪声频谱利用所述噪声频谱针对噪声来校正所述第一IF信号。

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