CN107454026B - 三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法及接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法，通过天线接收射频信号，通过低噪声放大器将射频信号放大，将频率合成器生成的射频信号输入相位控制器，相位控制器的相位在0、45、90、135、180、225、270、315度之间循环切换，将接收的信号和生成的信号进行混频，并滤出射频信号，得到零中频分量信号，通过数模转换器将零中频分量信号进行转换，分别得到八个分量，并利用给定公式得出同相分量和正交分量；通过采用指定的八个不同相位，从而得到八个序列信号，并与运算公式进行运算，得到了较为纯净的同相分量I及正交分量Q，有效地提高了接收机的抗干扰能力。

Description

三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法及接收机

【技术领域】

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法及接收机。

【背景技术】

随着无线通信系统的快速发展，接收机得到广泛大规模的应用，如各类移动终端。由于移动终端一方面价格敏感、另一方面功率受限，从而广泛采用零中频接收机方案。零中频接收机方案比传统的超外差接收机器件数量大幅度下降，集成度大幅度提高、成本大幅度下降。然而，零中频接收机有着各种固有的缺憾，如本振泄露、直流偏置、交调干扰等，如不有效去除这些负面影响，其性能指标在很多方面落后于超外差接收机。

零中频接收机的问题之一是直流偏置，由于器件的不一致性及本振泄露等因素造成。此直流偏置幅度远远大于期望接收信号幅度本身，通常大1000倍甚至更高。可见，期望信号被淹没在直流偏置中。因此必须去除直流偏置，才能提取出期望信号，如专利号为ZL201610954554.4的中国专利中(如图1所示)，其采用了序列正交下变频并对本振相位进行切换得到序列信号，然后，通过对采样后的序列数据进行计算，有效的移除了直流偏置。

然而，接收机各个电路单元普遍存在非线性效应，如：低噪声放大器、混频器等器件。这些非线性效应可给接收机引入各种交调分量，从而造成干扰。无线通信系统的广泛应用对收发信机的设计提出了更高的要求。在这些交调分量中，三阶交调分量(IM3)对接收机的影响最大。三阶交调分量的存在会降低接收机的灵敏度，进一步降低接收机的动态范围，严重时候会阻塞接收机使接收机功能失效，无法工作。因此，对于高性能要求的零中频接收机(高灵敏度、高动态范围等)必须考虑三阶交调的影响，去除三阶交调的影响。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法及接收机，以解决现有接收机中未移除直流偏置和三阶交调分量的问题。

本发明的第一种技术方案：一种三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法，包括以下步骤：

步骤1、通过天线接收射频信号，得到射频信号s_rf＝v_rfcos(ωt+θ)，其中，ω为角频率，t为时间，θ为信号的初始相位，v_rf是信号幅度最大值；

步骤2、通过低噪声放大器将射频信号s_rf放大，得到放大后的信号 s_LNA＝v₁cos(ωt+θ)+v_IM3cos(3ωt+3θ)，其中，v₁是信号基波幅度值，v_IM3是信号三阶交调分量幅度值；

步骤3、将频率合成器生成的射频信号输入相位控制器，由基带时钟信号发生器控制相位控制器的相位在0、45、90、135、180、225、270、315度之间循环切换，且基带时钟信号发生器的速率是符号速率的8倍，生成信号 s_LO＝v_LOcos(ωt+α_i)，其中，i＝1,2...8，α₁＝0，α₂＝45，α₃＝90，α₄＝135，α₅＝180，α₆＝225，α₇＝270，α₈＝315，其中，v_LO为频率合成器的输出电压幅度；

步骤4、将步骤2中的信号s_LNA和步骤三中的信号s_LO进行混频，并通过低通滤波器滤出射频信号，得到零中频分量信号其中，是直流偏置分量，v₃是归一化后的三阶交调分量幅度值；

步骤5、通过数模转换器将步骤4中的零中频信号s_i进行转换，通过公式分别得到d₀、d₄₅、d₉₀、d₁₈₀、d₂₂₅、d₂₇₀、d₃₁₅分量；

步骤6、将步骤5中得出的各分量，利用公式和计算得出消除直流偏置和三阶交调分量的同相分量I＝cosθ和正交分量Q＝-sinθ。

本发明的另外一种技术方案为：一种上述方法使用的三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收机，包括依次连接的天线、低噪声放大器、序列下变频器、模数转换器，数模转换器的输入端还与基带时钟信号发生器的输出端连接，基带时钟信号发生器的另一输出端还连接至序列下变频器；

序列下变频器包括依次连接的频率合成器、相位控制器、混频器、低通滤波器，混频器的另一输入端还连接至低噪声放大器的输出端，低通滤波器的输出端连接至模数转换器的输入端，相位控制器的另一输入端还与基带时钟信号发生器的另一输出端连接；

相位控制器在0、45、90、135、180、225、270、315度之间循环切换，且由基带时钟信号发生器控制。

进一步地，基带时钟信号发生器的速度是符号速率的8倍。

本发明的有益效果是：本发明通过对本机振荡器采用了8个不同相位，且只能采用本发明中所指定的8个不同相位，分别与接收信号进行下变频，从而得到 8个序列信号，并将这8个序列信号与本发明中指出的运算公式进行运算，同时移除了直流偏置与三阶交调分量，得到了较为纯净的同相分量I及正交分量Q，有效地提高了接收机的抗干扰能力。

【附图说明】

图1为现有技术中采用的序列正交下变频方法的结构示意图；

图2为本发明方法中同时移除直流偏置及三阶交调分量的示意图；

图3为通频带为3.413MHz±1KHz窄带接收机全频段扫频图。

其中：1.天线；2.低噪声放大器；3.混频器；4.低通滤波器；5.模数转换器；6. 基带时钟信号发生器；7.相位控制器；8.频率合成器。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法，如图2所示，利用序列下变频方法在去除直流偏置的同时去除三阶交调分量。首先，接收到的信号采用序列下变频方法把射频信号变换到零中频。在进行序列下变频时候，对本机振荡器采用了8个不同相位，分别与接收信号进行下变频，从而得到 8个序列信号。进一步，对这8个序列信号进行运算同时移除直流偏置与三阶交调分量，得到了较为纯净的同相分量I及正交分量Q。实际测试验证了本方法的有效性。接收机的灵敏度及动态范围提高接近30dB，有效的提高了接收机的抗干扰能力。

具体包括以下步骤：

步骤1、通过天线1接收射频信号，即射频信号通过天线1进入到接收机中，以得到射频信号s_rf＝v_rfcos(ωt+θ)，其中，ω为角频率，t为时间，θ为信号的初始相位，v_rf是信号幅度最大值。

步骤2、通过低噪声放大器2将步骤1中接收的射频信号s_rf放大，信号放大的同时，由于低噪声放大器2的非线性特性，会引入IM3(三阶交调分量)等干扰，最终得到放大后的信号s_LNA＝v₁cos(ωt+θ)+v_IM3cos(3ωt+3θ)，其中，v₁是信号基波幅度值，v_IM3是信号三阶交调分量幅度值。

步骤3、通过频率合成器8生成射频信号，并将射频信号输入相位控制器7 中，由基带时钟信号发生器6控制相位控制器7的相位在0、45、90、135、180、 225、270、315度之间循环切换，在本发明中要求指定的上述八个相位，且基带时钟信号发生器6的速率是符号速率的8倍，生成本机射频信号 s_LO＝v_LOcos(ωt+α_i)，其中，i＝1,2...8，α₁＝0，α₂＝45，α₃＝90，α₄＝135，α₅＝180，α₆＝225，α₇＝270，α₈＝315，其中，v_LO为频率合成器的输出电压幅度。

步骤4、将步骤2中的射频信号s_LNA和步骤三中的射频信号s_LO通过混频器3 进行混频，混频后通过低通滤波器4滤出射频信号，得到零中频分量信号(直流分量)其中，是直流偏置分量，当相位控制器输出相位不同时，其大小也不同，v₃是归一化后的三阶交调分量幅度值。

步骤5、通过数模转换器将步骤4中的零中频信号s_i进行转换，转换过程在基带时钟信号发生器6的控制下，得到d₀、d₄₅、d₉₀、d₁₈₀、d₂₂₅、d₂₇₀、d₃₁₅分量，各分量的得到通过公式计算得出。其中，利用偏置电压的对称性(即相隔180度偏置电压相同)，

步骤6、将步骤5中得出的各分量，结合公式和计算得出消除直流偏置和三阶交调分量的同相分量I＝cosθ和正交分量Q＝-sinθ。

本发明还公开了一种上述方法使用的三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收机，如图2所示，包括依次连接的天线1、低噪声放大器2、序列下变频器、模数转换器5，数模转换器5的输入端还与基带时钟信号发生器6的输出端连接，基带时钟信号发生器6的另一输出端还连接至序列下变频器。

序列下变频器包括依次连接的频率合成器8、相位控制器7、混频器3、低通滤波器4，混频器3的另一输入端还连接至低噪声放大器2的输出端，低通滤波器4 的输出端连接至模数转换器5的输入端，相位控制器7的另一输入端还与基带时钟信号发生器6的另一输出端连接。

相位控制器7在0、45、90、135、180、225、270、315度之间循环切换，且由基带时钟信号发生器6控制。基带时钟信号发生器6的速度是符号速率的8 倍。

如图3所示，为通频带为3.413MHz±1KHz接收机扫频图，此接收机的带宽约为2KHz，且频率合成器可以在3.413MHz附近频段进行扫频。令射频输入信号为3倍的频率合成器信号频率并进行跟踪扫频。由扫频图可以看出在频率合成器为3.413MHz左右时候，3倍的射频信号频率10.240MHz会进入接收机，经过接收机下变频及滤波处理后，在3.413MHz附近形成了干扰信号，此干扰信号比接收机的噪声底线高约30dB。可见，三阶交调信号对接收机造成了严重干扰，或者说10.240MHz频段附近的射频信号会对3.413MHz信号接收造成干扰。此干扰信号使接收机灵敏度大大降低，严重时无法正常接收此频段的信号。而采用本发明专利算法移除IM3后，接收机灵敏度提高了约30dB，有效的消除了IM3对接收机的干扰。可见，本发明方法的效果显著。

Claims (3)

1.一种三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过天线接收射频信号，得到射频信号s_rf＝v_rfcos(ωt+θ)，其中，ω为角频率，t为时间，θ为信号的初始相位，v_rf是信号幅度最大值；

步骤2、通过低噪声放大器将射频信号s_rf放大，得到放大后的信号s_LNA＝v₁cos(ωt+θ)+v_IM3cos(3ωt+3θ)，其中，v₁是信号基波幅度值，v_IM3是信号三阶交调分量幅度值；

步骤3、将频率合成器生成的射频信号输入相位控制器，由基带时钟信号发生器控制所述相位控制器的相位在0、45、90、135、180、225、270、315度之间循环切换，且所述基带时钟信号发生器的速率是符号速率的8倍，生成信号s_LO＝v_LOcos(ωt+α_i)，其中，i＝1,2...8，α₁＝0，α₂＝45，α₃＝90，α₄＝135，α₅＝180，α₆＝225，α₇＝270，α₈＝315，其中，v_LO为频率合成器的输出电压幅度；

步骤4、将步骤2中的信号s_LNA和步骤三中的信号s_LO进行混频，并通过低通滤波器滤出射频信号，得到零中频分量信号其中，是直流偏置分量，v₃是归一化后的三阶交调分量幅度值；

步骤5、通过数模转换器将步骤4中的零中频信号s_i进行转换，通过公式分别得到d₀、d₄₅、d₉₀、d₁₈₀、d₂₂₅、d₂₇₀、d₃₁₅分量；

步骤6、将步骤5中得出的各分量，利用公式和计算得出消除直流偏置和三阶交调分量的同相分量I＝cosθ和正交分量Q＝-sinθ。

2.一种权利要求1所述方法使用的三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收机，其特征在于，包括依次连接的天线、低噪声放大器、序列下变频器、模数转换器，所述数模转换器的输入端还与基带时钟信号发生器的输出端连接，所述基带时钟信号发生器的另一输出端还连接至序列下变频器；

所述序列下变频器包括依次连接的频率合成器、相位控制器、混频器、低通滤波器，所述混频器的另一输入端还连接至所述低噪声放大器的输出端，所述低通滤波器的输出端连接至所述模数转换器的输入端，所述相位控制器的另一输入端还与所述基带时钟信号发生器的另一输出端连接；

所述相位控制器在0、45、90、135、180、225、270、315度之间循环切换，且由所述基带时钟信号发生器控制。

3.如权利要求2所述的三阶交调抑制及消除直流偏置分量的接收机，其特征在于，所述基带时钟信号发生器的速度是符号速率的8倍。