CN107346978A - 一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统 - Google Patents

一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统，第一级结构采用数字中频技术对基带I、Q信号进行数字上变频处理，完成到中频信号的转换；第二级结构通过射频发射子系统将中频信号调制为射频信号，并完成射频信号发射。本系统包括基带I、Q信号发生器(1)、数字上变频子系统(2)、D/A转换器(3)，射频发射子系统(4)、时钟子系统(5)、芯片控制子系统(6)。本发明利用FPGA对多通道插值滤波器可以按需求配置不同的带宽和工作模式，易于实现小型化、低功耗的发射机。

Description

一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统
技术领域
本发明涉及一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统，属于无线通信领域。利用数字正交变频技术获得高的正交通道一致性，以增加系统的灵活性和可扩展性，并能够有效的保障通信的可靠性和安全性，提高通信的抗干扰能力。
背景技术
射频与微波技术不断发展，使得越来越多的通信产品可以采用数字技术来实现，如采用数字中频技术来完成载波信号的选频处理，所以随着基站的不断发展，基于数字中频技术的两级结构发射机系统的需求更加明显。同时，随着用户对通信设备体积和功耗的要求，产品同时向小型化，低功耗的方向发展。
传统的数字中频发射机一般采用一级混频处理，从而对信号的频率范围产生很大的限制，需要更多的硬件资源来实现，增加了成本，而且限制了发射机的使用场合。本发明采用数字中频技术使宽带D/A(Digital/Analog，数模)转换器尽可能靠近天线，多通道插值滤波器可选择不同的工作模式，能够提高资源的使用，且提供了更多的频率选择性。经过数字上变频子系统后，可以实现数据高速传输，同时在不改变发射机系统硬件的基础上实现灵活修改和配置。本发明有效提高了发射机的性能、具有较强的抗干扰能力，易于实现小型化、低功耗的发射机。
发明内容
本发明的目的在于克服传统射频发射机方案的缺点，提供一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统，本发明使射频发射机向小型化、低功耗方向发展，使通信系统更加灵活。
1、一种基于数字中频技术的两级结构射频发射机系统，其实现方法如下：
1.1基带I、Q数字信号由可编程逻辑器FPGA完成编码、数字调制与星座映射后输出，经D/A转换器(3)与射频发射子系统(4)相连，第一级结构采用数字中频技术对基带信号完成数字上变频处理，完成到数字中频信号的转换；
1.2数字中频信号经D/A转换器(3)转换为模拟中频信号，第二级结构通过射频发射子系统将模拟中频信号调制为射频信号，并完成射频信号发射；
2、根据权利要求1.1所述的一种基于数字中频技术的两级结构射频发射机系统，其特征在于所述数字上变频子系统(2)包括预调制模块(13)、3个半带插值滤波器(HB1、HB2、HB3)(14)、数字正交调制器(15)、相位和失调调整模块(16)，以及反SINC滤波器(17)，数字处理包括以下步骤：
2.1半带插值滤波器(14)具有可选的通带，中心频率能以输入数据速率的一半为增量移动，预调制模块(13)对输入波形进行数字上变频，幅度为输入数据速率(fDATA)的一半，这样就可以将基带输入数据频移到插值滤波器通带的中心；
2.2发射路径包括3个半带插值滤波器(14)，各插值滤波器都将输出数据速率提高2倍，这些半带插值滤波器(14)可以分别进行旁路或级联，以提供1倍、2倍、4倍或8倍的插值比，各半带插值滤波器级联提供不同的带宽与工作模式组合；
2.3数字正交调制器(15)包括数字控制振荡器、移相器和复数调制器，用于通过一个可编程载波信号调制输入信号，NCO产生一个正交载波信号，以将输入信号转换到新的中心频率，复载波信号是一对相同频率的正弦波形，彼此错相90°，所产生的正交载波信号分别与I路数据和Q路数据混频，然后，正交积相加并进入I路数据和Q路数据路径；
2.4数字正交调制器(15)提供的精调制与半带插值滤波器(14)和预调制模块(13)提供的粗调制相结合，将输出信号调制在输出频谱中的任何位置；
3、根据权利要求1.2所述的一种基于数字中频技术的两级结构射频发射机系统，其特征在于所述射频发射子系统(4)包括LC抗混叠滤波器(7)、射频调制器(8)、带通滤波器(9)、多级放大器(10)、天线(11)以及本振LO(12)(Local Oscillator)；所述LC抗混叠滤波器(7)依次通过射频调制器(8)、带通滤波器(9)、多级放大器(10)与天线(11)连接，所述本振LO(12)与射频调制器(8)连接；
3.1LC抗混叠滤波器(7)采用差分结构，DAC输出为2路I/Q信号，I/Q信号线分别采用差分对结构，LC抗混叠滤波器(7)滤除带外的杂波信号；
3.2射频调制器(8)：首先基带输入两路差分信号，且两路信号的幅度和相位误差很小；与此同时，外部的PLL(Phase Locked Loop，锁相环)产生一路彼此正交的载波信号，将两路差分信号分别独立地调制到两个彼此正交的载波上，最终合二为一输出单端射频信号；
3.3多级放大器(10)完成对目标频段内的射频小信号的放大，多级放大器通过功率回退法控制信号非线性失真，抑制带外辐射与杂散辐射；
3.4本振LO(12)为射频发射子系统(4)提供本振信号，包括鉴相器、外部环路滤波器和压控振荡器三个部分，外部环路滤波器控制压控振荡器正常振荡的直流电压输出，抑制其他频率的纹波输出，鉴相器比较参考输入时钟信号和压控振荡器输出信号相位，实现本振LO(12)锁定，输出稳定的本振信号。
本发明具有以下优势：
1、本发明中的数字上变频子系统有利于采用FPGA、DSP等可编程逻辑器件实现，通道数可以根据实际需求增减，系统的灵活性和可扩展性大大增加；
2、本发明中的数字上变频子系统采用了复数调制和正交调制相结合的处理方式，保证了I、Q信号幅度的一致性和相位的正交性；
3、本发明中的射频发射子系统结合器件选型，发射过程可以很好的调制过程产生的谐波信号，使发射机的线性性能参数得到较好的改善。
附图说明
图1是本发明的一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统结构示意图；
图2是本发明的数字上变频子系统数字处理结构示意图；
图3是本发明中数字正交调制器原理框图；
图4是本发明中射频发射子系统原理框图；
图5是本发明中射频调制器原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述：
图1所示的一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统结构示意图，包括基带I、Q信号发生器(1)、数字上变频子系统(2)、D/A转换器(3)、射频发射子系统(4)、时钟子系统(5)、芯片控制子系统(6)，第一级结构由数字上变频子系统(2)构成，第二级结构由射频发射子系统(4)构成，所述基带I、Q数字信号经基带FPGA完成编码、数字调制与星座映射后输出，经D/A转换器与射频发射子系统相连。
图2所示的数字上变频子系统数字处理结构示意图，包括预调制模块(13)、3个半带插值滤波器(HB1、HB2、HB3)(14)、数字正交调制器(15)、相位和失调调整模块(16)，以及反SINC滤波器(17)。数字上变频子系统接收I和Q数据流，并将它们当作正交数据流进行处理。当输入数据流表示为复数数据时，可以使用这些信号处理模块。数字控制振荡器(NCO，numerically controlled oscillator)工作频率fNCO等于fDATA(旁路HB1)或两倍的fDATA(使能HB1)。复载波信号频率(fCARRIER)设置范围是DC至fNCO。频率调谐字(FTW)的计算方法如式1-1：
图3所示为数字正交调制器原理框图，NCO所产生的正交载波信号分别与基带I、Q数字信号，即I路数据和Q路数据混频。然后，正交积相加并进入I和Q数据输出路径，输出数字中频信号到D/A转换器。
图4所示为射频发射子系统原理框图，包括LC抗混叠滤波器(7)、射频调制器(8)、带通滤波器(9)、多级放大器(10)、天线(11)以及本振LO(12)；所述LC抗混叠滤波器(7)依次通过射频调制器(8)，带通滤波器(9)，多级放大器(10)与天线(11)连接，所述本振LO(12)与射频调制器(8)连接。各部分具体实施方法如下：
1、LC抗混叠滤波器(7)主要滤除带外的杂波信号或将杂波信号抑制在很低的功率水平，由于DAC输出为2路I/Q信号，I与Q信号线分别采用差分对结构，分别经过抗混叠低通滤波器。因此，本发明中的2路LC抗混叠滤波器采用差分结构。
2、射频调制器(8)：原始I、Q数据分为2路信号，即I路(cos y)和Q路(sin y)，本振信号也分为2路，cosx和-sinx；首先基带输入两路差分信号，且两路信号的幅度和相位误差很小；与此同时，外部的PLL产生一路彼此正交的载波信号，将两路差分信号分别独立地调制到两个彼此正交的载波上，最终合二为一输出单端射频信号z。计算公式如式1-2：
z＝cosx*cosy+sinx*siny＝cos(x-y) (式1-2)
其中cosx即cos(2πf1t)，cosy即cos(2πf2t)，sinx即sin(2πf1t)，siny即sin(2πf2t)，代入式1-2得到：
z＝cos(2πf1t)cos(2πf2t)+sin(2πf1t)sin(2πf2t)＝cos[2π(f1-f2)t] (式1-3)
3、多级放大器(10)：在射频调制器(8)之后，输出射频信号功率非常小，因此增加功率放大器，将小信号放大至合适功率。多级放大器采用功率回退法设计以保证其线性放大目标频段内的射频小信号，同时可以有效避免带外辐射与杂散抑制，不会对其他频段的无线通信设备造成干扰。
4、本振LO(12)：本发明中本振LO具有极低的相位噪声，且具有小数位分频和整数位分频功能，具有低噪声和低杂散两种应用配置模式。环路滤波器主要功能是只允许控制VCO(Vector-Controlled Oscillator，压控振荡器)正常振荡的直流电压输出，抑制其他频率的纹波输出，此外，PLL采用负反馈技术，距离系统发生自激振荡的裕量大小即为相位裕量。
图5所示为射频调制器原理框图，模拟中频信号分为两路，I路(cosy)和Q路(siny)，本振信号也分为2路，cosx和-sinx；两路差分信号分别独立地调制到两个彼此正交的载波上，最终合二为一输出单端射频信号。
结合图1至图5所示，本发明一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统中信号传输和处理的流程，包括以下步骤：
1、数字上变频子系统(2)对基带I、Q信号发生器(1)产生的基带信号进行内插、滤波、混频和调制处理，将基带信号搬移到合适的中频频率上，输出到D/A转换器，主要通过以下步骤来实现：
(a)I、Q基带信号输出到3个半带插值滤波器(14)进行内插、滤波处理；
(b)I、Q数据通过预调制模块(13)对输入波形进行数字上变频，幅度为输入数据速率(fDATA)的一半。这样就可以将基带输入数据频移到插值滤波器通带的中心。本模块可以根据需求选择旁路，如果旁路此模块，就可以从(a)直接跳到步骤(c)；
(c)I、Q数据可以根据需求选择是否旁路3个半带插值滤波器(14)，各插值滤波器都将输出数据速率提高2倍。这些半带(HB)滤波器可以分别进行旁路或级联，以提供1倍、2倍、4倍或8倍的插值比。各半带插值滤波器级联提供不同的带宽与工作模式组合；
(d)完成内插滤波后的I、Q数据经过数字正交调制器(15)，数字正交调制器(15)提供的精调制与半带插值滤波器(14)和预调制模块(13)提供的粗调制相结合，能够以高频率分辨率将信号放在输出频谱中的任何位置。
2、D/A转换器(3)对数字中频信号进行数模转换，输出模拟中频信号进入射频发射子系统(4)，射频发射子系统(4)对模拟信号进行处理，调制到系统需要的工作频点以合适的功率进行发射。
本发明针对FDD-LTE图像传输电台系统设计，数字上变频子系统可利用FPGA等可编程逻辑器件实现。
本发明可以应用于GSM、LTE等通信系统中。

Claims (3)

1.一种基于数字中频技术的两级结构发射机系统，其实现方法如下：
1.1基带I、Q数字信号由可编程逻辑器FPGA完成编码、数字调制与星座映射后输出，经D/A转换器(3)与射频发射子系统(4)相连，第一级结构采用数字中频技术对基带信号完成数字上变频处理，完成到数字中频信号的转换；
1.2数字中频信号经D/A转换器(3)转换为模拟中频信号，第二级结构通过射频发射子系统将模拟中频信号调制为射频信号，并完成射频信号发射。
2.根据权利要求1.1所述的一种基于数字中频技术的两级结构射频发射机系统，其特征在于所述数字上变频子系统(2)包括预调制模块(13)、3个半带插值滤波器(HB1、HB2、HB3)(14)、数字正交调制器(15)、相位和失调调整模块(16)，以及反SINC滤波器(17)，数字处理包括以下步骤：
2.1半带插值滤波器(14)具有可选的通带，中心频率能以输入数据速率的一半为增量移动，预调制模块(13)对输入波形进行数字上变频，幅度为输入数据速率(fDATA)的一半，这样就可以将基带输入数据频移到插值滤波器通带的中心；
2.2发射路径包括3个半带插值滤波器(14)，各插值滤波器都将输出数据速率提高2倍，这些半带插值滤波器(14)可以分别进行旁路或级联，以提供1倍、2倍、4倍或8倍的插值比，各半带插值滤波器级联提供不同的带宽与工作模式组合；
2.3数字正交调制器(15)包括数字控制振荡器、移相器和复数调制器，用于通过一个可编程载波信号调制输入信号，NCO产生一个正交载波信号，以将输入信号转换到新的中心频率，复载波信号是一对相同频率的正弦波形，彼此错相90°，所产生的正交载波信号分别与I路数据和Q路数据混频，然后，正交积相加并进入I路数据和Q路数据路径；
2.4数字正交调制器(15)提供的精调制与半带插值滤波器(14)和预调制模块(13)提供的粗调制相结合，将输出信号调制在输出频谱中的任何位置。
3.根据权利要求1.2所述的一种基于数字中频技术的两级结构射频发射机系统，其特征在于所述射频发射子系统(4)包括LC抗混叠滤波器(7)、射频调制器(8)、带通滤波器(9)、多级放大器(10)、天线(11)以及本振LO(12)(Local Oscillator)；所述LC抗混叠滤波器(7)依次通过射频调制器(8)、带通滤波器(9)、多级放大器(10)与天线(11)连接，所述本振LO(12)与射频调制器(8)连接；
3.1 LC抗混叠滤波器(7)采用差分结构，DAC输出为2路I/Q信号，I/Q信号线分别采用差分对结构，LC抗混叠滤波器(7)滤除带外的杂波信号；
3.2 射频调制器(8)：首先基带输入两路差分信号，且两路信号的幅度和相位误差很小；与此同时，外部的PLL(Phase Locked Loop，锁相环)产生一路彼此正交的载波信号，将两路差分信号分别独立地调制到两个彼此正交的载波上，最终合二为一输出单端射频信号；
3.3 多级放大器(10)完成对目标频段内的射频小信号的放大，多级放大器通过功率回退法控制信号非线性失真，抑制带外辐射与杂散辐射；
3.4 本振LO(12)为射频发射子系统(4)提供本振信号，包括鉴相器、外部环路滤波器和压控振荡器三个部分，外部环路滤波器控制压控振荡器正常振荡的直流电压输出，抑制其他频率的纹波输出，鉴相器比较参考输入时钟信号和压控振荡器输出信号相位，实现本振LO(12)锁定，输出稳定的本振信号。
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