CN104040901A - 数字下变频和解调 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于射频(RF）信号的数字下变频和解调的方法和设备。基于带宽和安全边界选择用于采样RF信号的采样频率，使得经采样的信号的带宽实质上落入预定频率区域。可以用被选择为实质上等于信号的载波频率的基带伪信号的解调频率对经采样的信号进行数字解调。

Description

数字下变频和解调

技术领域

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种用于射频(RF)信号的数字下变频和解调的方法和系统。

背景技术

在无线电接收机里，该接收机的天线捕获的RF信号必须在该信号中的信息被应用抽取和使用前被转换为基带。很多无线通讯标准使用正交调制将信息加载到RF载波上。为了解调这样的信号，接收机通常使用多种接收机类型中的一种类型执行的多种模拟处理方法中的一种方法，多种接收机类型包括外差接收机、超级外差接收机、零拍接收机、单转换低中频(IF)接收机和双转换宽带IF接收机。

模拟接收机设计通常难于修改和调谐，并且必须专用于特定的工作频带。较新的无线标准例如长期演进技术(LTE)标准指定了工作的多个不同频带。使用在不同频带上工作的模拟没计的缺点是有关对于每个频带重新设计接收机的不重现的(non-recurring)工程成本。

此外，依赖于模拟处理的设计遭受由电子噪声、温度变化、电压变化、生产缺陷和元件老化引起的性能退化。因此，需要使对模拟处理的依赖减到最小的接收机设计。

发明内容

本发明有利地提供了一种射频(RF)信号的数字下变频和解调的方法和系统。根据一个方面，本发明提供一种在数字RF接收机中确定采样频率的方法。选择第一采样频率以对模拟信号进行采样。该选择至少部分基于预定的带宽和安全边界。当该信号的带宽没有实质落入预定的频率区域内时，则选择比第一采样频率更高的第二采样频率来对信号进行采样。用所选择的采样频率对模拟信号采样以产生数字下变频信号。还以至少部分基于模拟信号的载波频率的解调频率对采样信号进行解调。

根据另一个方面，本发明提供了一种可调谐RF接收机，其包括用于对信号进行采样和解调的信号处理器。该信号处理器包括采样频率确定模块。采样频率确定模块基于预定的带宽和安全边界确定信号的采样频率。选择采样频率使得信号的带宽实质上落入与采样频率关联的预定频率区域内。该信号处理器还包括模数转换器。该模数转换器用确定的采样频率对信号进行采样。数字解调器用可调谐为实质上等于该信号的载波频率的基带伪信号(baseband alias)的解调频率对已采样的信号进行解调。

根据另一个方面，本发明提供了一种处理信号的方法。基于信号的带宽确定采样频率。选择采样频率使得信号带宽实质落入大约以四分之一采样频率为中心的频率区域内。基于采样频率和信号的载波频率以可调的解调频率对信号进行解调，使得解调频率实质上等于载波频率的基带伪信号。

附图说明

当结合附图考虑时通过参考以下详细说明将更容易理解本发明的更完整理解及其伴随的优势和特征，其中：

图1是根据本发明的原理制造的示例性数字下变频器的方框图；

图2是根据本发明的原理制造的用于处理长期演进技术(LTE)信号的示例性多通道数字下变频器的方框图；

图3是示出本发明中使用的示例性伪信号过程的频谱图；

图4是根据本发明的原理制造的数字正交解调器的方框图；

图5是根据本发明的原理用于选择采样频率的示例性过程的流程图；

图6是根据本发明的原理用于对RF信号下变频的示例性过程的流程图。

具体实施方式

在详细描述根据本发明的示范性实施例之前，应注意的是实施例主要在于无线通信系统中的设备组件和有关数字下变频和射频(RF)信号解调的处理步骤的组合中。因此，已经在附图中使用惯用符号在适当之处表示了该系统和方法组件，只显示了那些对于理解本发明的实施例有关的具体的细节，以免用对从此说明书得到益处的本领域普通技术人员将是显而易见的那些细节来模糊本公开。

如在此使用的那样，有关术语，例如“第一”和“第二”、“顶部”和“底部”等等，可能仅仅用于将一个实体或者元件与另一个实体或者元件进行区分而不一定要求或者暗示这样的实体或者元件之间任何物理或逻辑关系或者顺序。

现在参考附图，其中相同附图标记表示相同的组件，图1中示出了根据本发明的原理构建的示例性数字下变频器的方框图，并且一般地表示为下变频器“10”。下变频器10可以包括采样频率确定模块14，用于确定对收到的模拟信号采样的采样频率。根据如以下参考图5描述的示例性过程这样的过程来确定该采样频率。尤其是，可以基于带宽和安全边界来选择该采样频率，使得所述信号的带宽实质落入与采样频率关联的预定频率区域内。

在模拟数字转换器16中以预定的采样频率对接收的模拟信号进行采样。模拟数字转换器16将接收的模拟信号转换为数字信号。这可能把一个不良的直流分量引入到该信号。DC偏移消除模块18可以消除该直流分量。例如，通过从该信号中减去该信号的移动(running)平均来移除DC偏移。对接收的模拟信号采样的过程可能导致反转的频谱，其可以由频谱倒置单元20进行倒置。数字信号由数字解调器22进行解调。解调器22的输出可能少量偏离基带。因此，频率调谐器24可以用于将解调的数字信号移动到基带。

图2是示例性多通道数字下变频器26的方框图。多通道数字下变频器26可用于处理长期演进(LTE)信号。每个信道的分量被表示为用于信道1的“a”和用于信道N的“b”。不过，分量以它们的附图标记在此统一地引用而没有包括字母字符。图2中的每个信道与不同的载波(例如LTE载波)和不同的频带相对应。如图2中所示，LTE信号与多个带通滤波器28相耦合，每个带通滤波器用于每个载波频率。值得注意的是，虽然参考LTE通信系统描述了实施例，但本发明不仅限于LTE。预期本发明可以由其他多载波技术实现。

LTE信号可能来自天线或功率放大器，取决于图2的处理链是用在通信接收机还是用在用于功率放大器线性化的反馈接收机中。如果从通信接收机中的天线接收到该信号，则该信号可以在被反馈到带通滤波器28之前被首先应用于低噪声放大器。如果该信号来自功率放大器，则该信号在被馈送到带通滤波器28之前可以由衰减器进行衰减。

带通滤波器28的目的是隔离与载波频率关联的频谱以及消除带外杂音。对带通滤波器28的输出进行自动增益控制(AGC)30，以在被数字下变频器26接收之前补偿模拟信号的时间变化幅度。AGC30的输出被输入到模数转换器16，其使用确定的采样频率将信号转化成数字形式。通过以下参考图5描述的示例性过程这样的过程来确定数字-模拟转换器的采样频率。

模数转换器16的输出被输入到DC偏移消除模块18，其消除模数转换器16引入的DC偏移。如果需要频谱倒置，则DC偏移消除模块18的输出可以被输入到频谱倒置模块20。

该信号然后被输入到解调器22，其从该信号除去载波并且对信号进行下变频。以下参考图4更完全地解释解调器22的工作。低通滤波器22过滤该下变频信号以消除解调引入的下变频信号的映像。

频率调谐器24可以用于将信号频谱偏移一个小频偏，以在基带上使信号频谱居中。最后，均衡器34被应用于信号，以补偿由在模拟信号被数字化之前对其应用的模拟处理链所产生的依赖于频率的相位和幅度失真。

因此，对每个载波频率来说，可以进行下列操作：(1)选择采样频率；(2)对信号采样；(3)如果需要，进行频率倒置；(4)确定解调频率；(5)解调信号；(6)计算低通滤波器系数；(7)将低通滤波器应用于信号；(8)计算均衡器系数；和(9)使用计算的均衡器系数将均衡器应用于信号。

图3是多个频率区域的图表，称作奈奎斯特区域(区域1-10)，具有射频RF信号的频率分布36以及RF信号的频率分布的映像38和40。示出的下变频过程的一个示例使用了具有以687.5MHz为中心的100兆赫(MHz)带宽的信号。由以下公式确定该信号的高频率和低频率分量：

$f_{\mathrm{upper}}=f+\frac{B}{2}=687.5+\frac{100}{2}=737.5\mathrm{MHz}$

$f_{\mathrm{lower}}=f-\frac{B}{2}=687.5-\frac{100}{2}=637.5\mathrm{MHz}$

其中f是该频谱的中间频率。如果以250MHz对信号采样，则高频率和低频率将被伪化(alias)至：

其中f_s是采样频率，函数表示小于自变量的最大整数，其还可被称为向下取整函数(floor function)。

采样过程也将在f_s/2周围创建等距离的映像，在这个示例中是125MHz。映像将以以下频率出现：

$f_{\mathrm{bb}\_\mathrm{image}\_\mathrm{upper}}=\frac{f_s}{2}-(f_{\mathrm{upper}}-\frac{f_s}{2})=12.5\mathrm{MHz}$

$f_{\mathrm{bb}\_\mathrm{image}\_\mathrm{lower}}=\frac{f_s}{2}-(f_{\mathrm{lower}}-\frac{f_s}{2})=12.5\mathrm{MHz}$

在这个示例中，f_{bb_image_upper}小于f_{bb_image_lower}。因此基带映像是频率倒置的。这是因为原始频谱位于偶数奈奎斯特区域(区域6)。当原始频谱位于奇数奈奎斯特区域时，不发生频率倒置。在这个示例中，由频谱倒置单元20执行的频率倒置被应用到该信号。熟知有不同执行频率倒置的方式，例如用序列s(n)＝(-1)ⁿ乘以信号，其中n是数字信号的采样索引(即n＝1、2、3、4......)。

图4是根据本发明的原理构建的示例性数字正交解调器22的方框图。输入信号r(n)被分离到两个信道并且输入到每个信道中的乘法器。一个乘法器42将信号r(n)乘以cos(2πf_{de mod}×n×T_s)，另一个乘法器46将信号r(n)乘以sin(2πf_{de mod}×n×T_s)，其中f_{de mod}是解调频率，以及T_s是采样周期。这些乘法的结果是I信道信号和Q信道信号，每个具有位于或非常接近基带的频谱。

图4的解调器22所应用的解调频率，f_{de mod}，的选择依赖于是否执行上面涉及的频率倒置。如上面所解释的那样，当原始信号落入偶数奈奎斯特区域时，执行频率倒置。当未执行频率倒置时，则解调频率可以被选择为：

当执行了频率倒置时，则解调频率可以被选择为：

其中f_{de mod}是解调频率，f_carrier是载波频率，f_s是采样频率，以及函数，表示小于自变量的最大整数。因此，在一些实施例中，解调频率被选择为实质等于信号的载波频率的基带伪信号。

在一个替代实施例中，解调频率可以被选择为：

选择这样解调频率的一个好处是跟随解调器22的低通滤波器32的硬件复杂性被降低。使用该解调频率的优化的解调器和滤波器的一个特定示例出现在2010年12月16日提交的名称为“Integrated Demodulator，Filter and Decimator(DFD)for a Radio Receiver”的美国专利申请号NO.12/970,151中，并在此合并其全部作为参考。

注意当使用解调频率，时，得到的解调信号可以从基带偏移一个小的频率偏移。因此，频率调谐器24将解调信号移动如下一个小频偏：

$H_{\mathrm{shift}}\left(\mathrm{\ω}\right)=H\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{j2\mathrm{\π}\×(\±f_{\mathrm{shift}})t}$

其中H_shift(ω)是经移动的信号频谱，H(ω)是解调信号的频谱，以及±f_shift是信号频谱所移动的频偏。

图5是根据本发明的原理用于选择采样频率的示例性过程的流程图。选择安全边界(SM)(步骤S100)并确定信号的带宽(B)(步骤S102)。根据以下确定采样频率(步骤S104)：

f_s＝2.0×B×SM

确定得到的采样信号是否将具有实质落入预定频率区域(例如奈奎斯特区域)的频谱(步骤S106)。例如当保持以下关系时该频谱可能落入预定频率域：

其中f_lower是信号频谱的低频率分量，f_upper是信号频谱的高频率分量，f_s是采样频率，以及函数表示大于自变量的最小整数。

当信号带宽未实质上落入该预定频率区域时，则选择高于第一采样频率的第二采样频率(步骤S108)。当信号频谱实质上落入该预定频率域时，则确定采样频率是否是能由时钟电路生成的采样频率(步骤S110)。如果采样频率是能够由时钟电路生成的采样频率，则确定采样频率是否满足：

f_s＞2.0×B×1.15 (步骤S112)。

如果满足该关系，则采样频率确定过程结束。

如果未满足该关系，则选择新的较高频率作为采样频率(步骤S108)。回到步骤S110，如果当前的采样频率是不能由时钟电路生成的采样频率，则选择可由时钟电路生成的与当前采样频率最近的采样频率(步骤S114)。注意在图5中使用了安全边界1.15。然而本发明并不限制于此。例如，可以使用另一个安全边界，例如1.20。可以选择对于避免信号的实质伪化正好足够大的安全边界。通常，因此可以尽可能低地选择采样频率以及安全边界，以降低功率损耗。

因此，一个实施例是一种用于确定采样频率以对模拟RF信号数字化和下变频的方法。至少部分基于预定的带宽和安全边界选择第一采样频率。该方法包括确定信号的信号带宽是否实质上落入与第一采样频率相关的预定频率区域。当带宽未实质上落入预定频率区域，则选择比第一采样频率高的第二采样频率。

图6是根据本发明的原理用于对RF信号下变频的示例性过程的流程图。根据图5中示出的步骤确定采样频率(步骤S116)。使用确定的采样频率对模拟信号进行采样(步骤S118)。确定是否将要执行频率倒置(步骤S120)。如果则需要频率倒置。如果则不需要频率倒置。

如果需要频率倒置，则执行频率倒置(步骤S122)。解调信号(步骤S124)以及低通过滤(步骤S126)。然后如果必要，低通滤波信号被移到基带(步骤S128)。

本发明的优势可以包括提供容易调谐到期望的载波频率和带宽的信号处理。可以通过重新编程信号处理器来执行这样的调谐，从而降低不重现的工程成本。此外，根据在此描述的方法，与模拟下变频所需的部件总量相比，需要数量减少的分立元件。

本发明可以在硬件或硬件和软件的组合中实现。适于实现在此描述的方法的任何种类的计算系统或其他装置适合于执行在此描述的功能。硬件和软件的典型组合可以是专业的计算系统，具有一个或多个处理部件和计算机程序，计算机程序存储在存储介质上，当被载入和执行时控制计算机系统使得其执行在此描述的方法。本发明还可被嵌入到计算机程序产品中，计算机程序产品包括能够实现在此描述的方法的所有特征并且当其载入到计算系统中时能够执行这些程序。存储介质指任何易失或非易失的存储设备。

在本上下文中的计算机程序或应用意味着以一组指令的任何语言、编码或符号形式的任何表达，意指产生具有信息处理能力的系统来直接地执行特殊功能，或在以下任一项或两者之后执行特殊功能：a)转换到其他语言、编码或符号；b)不同实质形式的再现、

本领域技术人员熟知本发明并不限于已经特殊示出和以上在此描述的那些内容。另外，除非已经在上面做相反提及，应当指出所有附图不按比例绘制。根据上述教导可能有多种修改和变化而没有背离本发明的范围和精神，其只受下列权利要求限制。

Claims (21)

1.一种射频(RF)接收机中信号数字下变频的方法，所述方法包括：

选择第一采样频率，以对模拟信号采样，所述选择至少部分基于预定带宽和安全边界；

确定所述信号的带宽是否实质上落入与所述第一采样频率关联的预定频率区域；

当所述信号的带宽没有实质上落入所述预定频率区域时，则选择比所述第一采样频率高的第二采样频率，以对所述信号采样；

用所选择的采样频率对所述模拟信号采样，以产生经数字下变频的信号；以及

用能调谐的解调频率对经采样的信号进行数字解调，所述解调频率至少部分基于所述模拟信号的载波频率。

2.权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述RF接收机的时钟电路是否能够生成选择的采样频率。

3.权利要求2所述的方法，进一步包括当所述时钟电路不能生成选择的采样频率时，则选择所述时钟电路能够生成的第三采样频率，所述第三采样频率是在频率上最接近选择用来对信号进行采样的所述第一和第二采样频率中的一个的所述时钟电路的频率。

4.权利要求1所述的方法，其中选择所述第一采样频率以满足以下关系：f_s＝2.0×B×SM，其中f_s是选择的采样频率，B是所述信号的带宽，SM是所述安全边界。

5.权利要求4所述的方法，其中所述安全边界是至少1.15。

6.权利要求1所述的方法，其中所述预定频率区域是奈奎斯特频率区域。

7.权利要求6所述的方法，进一步包括当所述信号落入偶数奈奎斯特区域时，对所述信号执行频率倒置。

8.一种能调谐的射频(RF)接收机，所述RF接收机包括：

信号处理器，所述信号处理器时信号进行采样和解调，所述信号处理器包括：

采样频率确定模块，所述采样频率确定模块是能调谐的，以基于所述信号的载波频率、预定带宽和安全边界确定所述信号的采样频率，使得所述信号的带宽实质上落入与所述采样频率关联的预定频率区域；

模数转换器，所述模数转换器用确定的采样频率对所述信号采样；以及

数字解调器，所述数字解调器用解调频率对经采样的信号进行数字解调，所述解调频率能调谐到实质上等于所述信号载波频率的基带伪信号。

9.权利要求8所述的RF接收机，其中当未对所述信号的伪信号执行频率倒置时，则选择所述解调频率以满足以下关系：

以及

当对所述信号的伪信号执行了频率倒置时，则选择所述解调频率以满足以下关系：

其中f_{de mod}是解调频率，f_carrier是载波频率，f_s是采样频率，函数表示小于自变量的最大整数。

10.权利要求8所述的RF接收机，其中根据以下选择所述解调器频率：

$f_{\mathrm{de}\mathrm{mod}}=\frac{f_s}{4}$

其中f_{de mod}是解调频率，f_s是采样频率，并且其中解调所述经采样的信号进一步包括将信号的频谱大致移动到基带。

11.权利要求10所述的RF接收机，其中所述频谱的移动满足以下关系：

$H_{\mathrm{shift}}\left(\mathrm{\ω}\right)=H\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{j2\mathrm{\π}\×(\±f_{\mathrm{shift}})t}$

其中H_shift(ω)是信号的移动频谱，H(ω)是信号的频谱，以及±f_shift是信号的频谱所移动的频移。

12.权利要求8所述的RF接收机，其中确定采样频率以使得所述信号的带宽实质上落入预定频率区域包括确定所述采样频率是否满足以下关系：

其中f_lower是所述信号的频谱的低频率分量，f_upper是所述信号的频谱的高频率分量，f_s是采样频率，函数代表大于自变量的最小整数。

13.权利要求8所述的RF接收机，进一步包括时钟电路，所述时钟电路生成所述采样频率，并且其中所述采样频率确定模块确定满足以下两个关系的采样频率：

f_s≥2.0×B×SM

和

其中f_s是确定的采样频率，B是所述信号的带宽，SM是安全边界，f_lower是所述信号的频谱的低频率分量，f_upper是所述信号的频谱的高频率分量，函数代表大于自变量的最小整数。

14.权利要求13所述的RF接收机，其中所述安全边界是至少1.2。

15.权利要求8所述的RF接收机，进一步包括频率倒置器，以执行所述信号的频率倒置。

16.权利要求8所述的RF接收机，进一步包括多个信号和多个信号处理器，每个信号处理器处理多个信号中不同的一个。

17.权利要求16所述的RF接收机，其中所述多个信号包括长期演进(LTE)信号。

18.一种处理信号的方法，包括：

基于所述信号的带宽确定采样频率，所述采样频率被选择为使得信号带宽实质上落入预定频率区域；以及

用能调谐的解调频率解调所述信号，基于所述采样频率和所述信号的载波频率确定所述解调频率，使得所述解调频率实质上等于所述载波频率的基带伪信号。

19.权利要求18所述的方法，其中所述采样频率被反复确定以实质上达到以下条件：

其中f_lower是所述信号的频谱的低频率分量，f_upper是所述信号的频谱的高频率分量，f_s是采样频率，函数代表大于自变量的最小整数。

20.权利要求18所述的方法，其中所述解调频率依赖于是否对所述信号应用频率倒置。

21.权利要求20所述的方法，其中：

当没有对所述信号应用频率倒置时，则由以下关系确定所述解调频率：

以及

当对所述信号应用了频率倒置时，则由以下关系确定所述解调频率：

其中f_{de mod}是解调频率，f_carrier是载波频率，f_s是采样频率，函数代表小于自变量的最大整数。