CN105634494B - 射频信号模数转换的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种射频信号模数转换的方法，包括步骤(1)将被采样信号的电平范围划分为若干个电平区域，设置若干个采样电路的电平范围与所述若干个电平区域匹配；(2)每个采样电路基于预定限幅和预定参考电平确定被采样信号的电平的特定电平区域；(3)所述若干个采样电路基于采样时钟同步对所述若干个电平区域和所述预定参考电平进行采样。本发明的技术方案实现无线通信接收射频信号直接数字化，提高分辨率。

Description

射频信号模数转换的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及射频信号模数转换的方法。
背景技术
射频数字化是各种无线电设备的发展趋势，将可编程和重新配置功能扩展到射频前端，是实现无线电设备智能化的重要方面。高速模拟-数字(A/D)变换器是射频数字化的核心部件。
近两年来，随着现代深亚微米技术的应用，出现了多种模拟-数字(A/D)变换器结构，例如，Σ△结构和管状结构。Σ△结构A/D变换器的优势在于能提供较大的动态范围和高线性度，但变换速度有限；管状A/D变换器能实现最高的变换速率，但分辨率只能限于13～14位。A/D变换器的发展需要通过优化结构、采用先进的校准电路和纠错算法，以及采用光采样实现更高的分辨率和变换速率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种射频信号模数转换的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种射频信号模数转换的方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)将被采样信号的电平范围划分为若干个电平区域，设置若干个采样电路的电平范围与所述若干个电平区域匹配；
(2)每个采样电路基于预定限幅和预定参考电平确定被采样信号的电平的特定电平区域；
(3)所述若干个采样电路基于采样时钟同步对所述若干个电平区域和所述预定参考电平进行采样。
优选地，在所述第(1)步中，将所述被采样信号的电平范围均分为若干个电平区域。
优选地，将所述被采样信号的电平范围均分为四个电平区域，所述采样电路为四个，每个采样电路包括两个采样芯片，一个采样芯片对被采样信号对应电平区域采样，另一个采样芯片对参考电平采样，对参考电平的采样用于误差的校正处理。
优选地，所述采样芯片基于输入信号同步对所述芯片电平范围和所述预定参考电平进行采样时，瞬时电平的值为所述参考电平的值与所述采样芯片的输出值的和。
优选地，所述采样芯片采样时为并行工作。
优选地，所述采样芯片为模数转换芯片，所述采样芯片组成模拟-数字变换器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
采用多片ADC芯片，显著扩大了模拟-数字(A/D)变换器的动态范围，实现无线通信接收射频信号直接数字化，同时还提高了分辨率。采用多片ADC芯片组成模拟-数字(A/D)变换器，操作简单易实现。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为射频信号模数转换的方法的流程图；
图2为扩展动态范围多芯片AD采样电平区域划分的示意图；
图3为扩展动态范围多芯片AD采样原理的示意图；
图4为改进的采样电路的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
就软件无线电系统而言，在天线或预放大之后对宽带RF信号进行数字化，通过软件来完成所有的滤波、解调和其他操作。去除了传统模拟体制的所有中频处理的本振、混频和滤波电路，不仅使元件数显著减少，而且数字信号处理可以实现无线电系统的中心频率和处理带宽重构。同一无线电设备可工作在宽频段并可处理不同的业务。
向真正的软件无线电系统演进，实现全数字化接收机具有很大的优势，主要包括：去掉了模拟本振、混频和滤波电路，降低系统成本；增强温度稳定性；保证良好的I、Q正交性；数字滤波器具有出色的频率选择特性；可利用丰富的软硬件信号处理算法；具备数据存储和事后分析处理能力等。这些优势推动数字化不断靠近射频前端。
就目前的技术发展水平，射频数字化所采用的宽带A/D变换器已达到14bit/600NHz或16bit/300NHz的水平，已能够满足软无线电在中频进行A/D变换，实现中频数字信号处理的需要，但目前还很难实现在宽频段射频频段直接A/D变换。
限制无线通信接收射频信号直接数字化的因素主要有两点：一是A/D变换器的采样率，对于500MHz～2000MHz射频信号，采样率一般要在1GHz和5GHz之间；二是要求A/D变换器的动态范围大，满足通信接收数字信号处理的动态范围要求100dB～120dB，也就是说A/D变换器的分辨率为17bit～20bit。
在无线通信领域，大多数通信信号的带宽是有限的，因此，通过带通采样技术进行射频数字化是一种可行方法，但A/D变换器的动态范围成为限制射频数字化的主要因素。
射频直接采样对A/D变换器既要求采样速率高，又要分辨率高。目前。主流A/D变换器尚难满足要求，可以通过采用多片ADC芯片来提高A/D变换器的性能。
像宽带实时频谱分析仪、宽带数字示波器等，为了提高A/D变换器的性能，通常采用的方法是，采用较低速的高分辨率ADC器件，在时间域扩展，采用多个分相时钟驱动多片ADC芯片，达到提高A/D变换器采样速率的目标。例如，采用500MHz的14bit分辨率的ADC芯片，通过40个分相时钟驱动40片ADC芯片，就可以实现等效20GHz采样率。配合宽带高速采样保持电路，就可以实现宽带高速采样。
对于通信的射频直接数字化需求，A/D变换器的分辨率要求达到18～20bit。如果采用上述方法，即采用18bit分辨率ADC器件，采用多个分相时钟驱动多片ADC芯片，达到提高A/D变换器采样速率的目标。当前，18bit分辨率的ADC芯片采样速率只能达到1～2兆赫兹，如果要达到300MHz采样率，则需要多达150片以上的ADC芯片。这样规模的电路模块设计将非常复杂，以至于难以实现。
如图1所示，本发明的技术方案提供了一种射频信号模数转换的方法，包括：
步骤S1，将电平范围划分为若干电平区域，对应的采样芯片的电平范围与所述电平区域匹配；
步骤S2，基于预定限幅和预定参考电平确定采样电路的电平区域；
步骤S3，所述采样芯片基于输入信号同步对所述芯片电平区域和所述预定参考电平进行采样。
步骤S1中，所述将电平范围划分为若干电平区域包括将所述电平范围均分为所述电平区域。具体实施过程中，可以将所述电平范围均分为四个电平区域，所述采样芯片为四个。
所述步骤S3中，所述采样芯片基于输入信号同步对所述芯片电平区域和所述预定参考电平进行采样时，瞬时电平的值为所述参考电平的值与所述采样芯片的输出值的和。所述采样芯片采用时为并行工作。所述采样芯片为ADC芯片，所述采样芯片组成A/D变换器。
本发明的技术方案采用16bit分辨率300MHz的ADC器件，在幅度域扩展，使其在不同的参考电平下工作，达到扩展ADC采样动态范围的目的，只需采用4片16bit分辨率300MHz的ADC器件，另加4片对参考电平进行采样的16bit分辨率10MHz的低速ADC芯片，可实现18bit分辨率的300MHz时钟的A/D变换器。
本发明的技术方案采用多片ADC芯片，显著扩大了A/D变换器的动态范围，实现无线通信接收射频信号直接数字化，实际A/D变换器可以达到18bit/300MHz的水平，A/D变换器的动态范围达到108dB。
下面结合图2至图4举例说明，采用4片16bit/300MHz高速ADC芯片并行方式来提高射频信号模数转换的动态范围。电平区域划分如图2所示。
整个电平范围(-A,+A)分为4个电平区域，分别为4个ADC采样芯片的芯片电平范围。输入信号分为4路，分别由4片ADC芯片进行采样。限幅器和参考电平确定了每个ADC采样电路电平范围。原理款图如图3所示。
由于器件本身的差异和调试情况会影响参考电平的准确度，噪声和温度的影响会造成参考电平的波动，会造成明显误差。本发明的一个关键就是对上述电路进行进一步改进。即对参考电平也同步进行采样，4片16bit分辨率10MHz的低速ADC芯片对参考电平进行采样，瞬时电平的数值为参考电平值与ADC采样输出值之和。例如，图2中的阴影区域的信号电平采样值即为：参考电平0的采样值与ADC0的采样值之和。改进的采样电路框图如图4所示。
通过输入调理使4路信号、4路时钟的相位保持一致，以达到同步采样的目的。利用4路16bit ADC并行同步采样，并对采样数据进行处理，输出数据宽度为18Bit。使射频信号A/D变换器的动态范围达到108dB。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种射频信号模数转换的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将被采样信号的电平范围划分为若干个电平区域，设置若干个采样电路的电平范围与所述若干个电平区域匹配；
(2)每个采样电路基于预定限幅和预定参考电平确定被采样信号的电平的特定电平区域；
(3)所述若干个采样电路基于采样时钟同步对所述若干个电平区域和所述预定参考电平进行并行采样。
2.根据权利要求1所述的射频信号模数转换的方法，其特征在于，在所述第(1)步中，将所述被采样信号的电平范围均分为若干个电平区域。
3.根据权利要求2所述的射频信号模数转换的方法，其特征在于，将所述被采样信号的电平范围均分为四个电平区域，所述采样电路为四个，每个采样电路包括两个采样芯片，一个采样芯片对被采样信号对应电平区域采样，另一个采样芯片对参考电平采样，对参考电平的采样用于误差的校正处理。
4.根据权利要求3所述的射频信号模数转换的方法，其特征在于，所述采样芯片基于输入信号同步对所述芯片电平范围和所述预定参考电平进行采样时，瞬时电平的值为所述参考电平的值与所述采样芯片的输出值的和。
5.根据权利要求3或4所述的射频信号模数转换的方法，其特征在于，所述采样芯片采样时为并行工作。
6.根据权利要求3或4所述的射频信号模数转换的方法，其特征在于，所述采样芯片为模数转换芯片，所述采样芯片组成模拟-数字变换器。
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