CN108233954A - 用于混合δ-σ以及尼奎斯特数据转换器的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设计为适应各种全球无线电标准的宽带宽无线电系统，并且更具体地涉及由解调器组成的无线电接收器，其可操作以在Δ‑Σ模式和尼奎斯特模式下工作，并且其中，响应于RF信号的调制模式，可利用滤波器和反馈环路。

Description

用于混合Δ-Σ以及尼奎斯特数据转换器的方法和设备
技术领域
本申请总体涉及设计为适应各种全球无线电标准的宽带宽无线电系统，并且更具体地涉及采用单个环形器、可编程带通采样射频(RF)前端和优化数字基带的组合的蜂窝无线电架构，优化数字基带能够支持所有当前蜂窝无线接入协议频带。该系统和方法结合了紧凑式接收器阵列设计，通过将传统尼奎斯特和Δ-Σ数据转换器组合以动态地修改数据转换器的性能和行为来支持对增加的移动宽带服务的需求。
背景技术
传统蜂窝电话采用不同的模式和操作波段，这些模式和操作波段已经通过将多个不同的无线电前端和基带处理芯片集成到一个平台中而得到硬件的支持，例如支持全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线电服务(GPRS)等的三波段或四波段用户手机。已知的蜂窝接收器已经集成了一些天线和基带数据路径，但是用于大规模移动和车载无线电部署的现有技术仍然是多静态信道化方法。这种静态架构严格依赖于窄带滤波器、双工器和标准特定的下变频至中频(IF)级。该静态信道化方法的主要缺点在于其相对于不断变化的标准和操作模式的不灵活性。随着蜂窝通信行业从2G、3G、4G以及以后的发展，每种新的波形和模式都需要重新设计接收器的RF前端以及扩展基带芯片组的功能，因此需要新的手机。对于汽车应用来说，支持新兴用途的这种不灵活性代价昂贵且对最终用户造成麻烦。
从汽车制造商的角度来看，提供可靠的汽车无线接入具有挑战性，因为全球各地的蜂窝连接方法和架构各不相同。进一步，标准和技术不断变化，并且通常具有比车辆的平均使用寿命快几倍的演变周期。更具体地，用于车辆无线电的当前RF前端架构设计用于特定的RF频带。需要在无线电平台上安装以适当频率调谐的专用硬件，以用于无线电试图在其上操作的特定频带。因此，如果蜂窝提供商改变他们的特定频带，那么可具有15到20年寿命的先前波段所调谐的特定车辆可能无法在新波段有效操作。因此，这就要求汽车制造商维护大量无线电平台、部件和供应商，以支持每个部署标准并且在蜂窝状态变化时提供可升级性的路径，这是一个昂贵而复杂的构想。
已知的软件定义无线电架构通常集中于无缝基带操作以支持多个波形，并且已经假定类似的下变频至基带规范。类似地，对于发射器侧，用于不同频带的并行功率放大器链通常被用于支持不同的波形标准。因此，接收器前端架构通常直接采用具有适度性能规范的直接采样法或单级混合法。特别地，因为这种性能需求不能用互补金属氧化物半导体(CMOS)模拟技术实现，所以先前应用对带有相关联IP3因子的大于110dB的动态范围以及功率处理要求并无需求。如何使用CMOS装置的现有架构来实现这些指标并不明显，因此多位模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的动态范围、灵敏度和多模式交织明显更困难。
Δ-Σ调制器在数字接收器中正变得日益普遍及，因为除了提供宽带高动态范围操作以外，调制器还有许多可调谐参数，使其成为可重配置系统的理想选择。特别地，Δ-Σ调制器包括软件可调谐噪声滤波器，其用于对传入RF信号进行整形。将期望允许软件控制无线电系统权衡其RF带宽与信号环境要求的动态范围，并且较少程度地受到初始电子硬件选择的限制。
发明内容
本公开描述了一种设备，其包含具有用于对RF信号进行滤波的带通滤波器的第一信号路径、第二信号路径、以第一模式和第二模式操作的模数转换器、用于接收RF信号的输入以及响应于RF信号的调制格式通过第一信号路径和第二信号路径中的一个将RF信号耦合至模数转换器的开关网络。
本公开的另一方面描述了一种集成电路，其包含用于接收RF信号的输入、用于生成数字信号的模数转换器、响应于以第一操作模式操作的模数转换器对RF信号进行滤波的滤波器以及响应于以第二操作模式操作的模数转换器而绕过滤波器的滤波器旁路，其中，模数转换器以第一操作模式和第二操作模式中的一个来操作。
本公开的另一方面描述了一种方法，其包含接收RF信号并将该RF信号转换为具有尼奎斯特模数转换器(ADC)和Δ-ΣADC格式之一的数字信号、确定RF信号的转换方法、响应于尼奎斯特ADC这一转换方法来对RF信号进行滤波、响应于尼奎斯特ADC这一转换方法根据尼奎斯特ADC来解调RF信号以及响应于Δ-ΣADC这一转换方法根据Δ-ΣADC来转换RF信号以生成数字信号。
结合附图，根据以下描述和所附权利要求，本发明的附加特征将变得显而易见。
附图说明
图1示出了已知的多模式、多波段蜂窝通信手机架构的框图；
图2示出了可应用的软件可编程蜂窝无线电架构的框图；
图3示出了具有Δ-ΣADC和尼奎斯特ADC的示例性软件控制无线电。
图4示出了使用混合Δ-Σ和尼奎斯特数据转换配置来解调RF的示例性方法。
具体实施方式
针对蜂窝无线电架构的本发明的实施例的以下讨论本质上仅仅是示例性的，并且决不旨在限制本发明或其应用或使用。例如，本发明的无线电架构被描述为具有车辆应用。然而，如本领域技术人员将理解的，无线电架构可具有除汽车应用之外的应用。
这里讨论的蜂窝无线电架构可应多于蜂窝无线技术以外的技术，例如WiFi(IEEE802.11)技术。进一步，蜂窝无线电架构呈现为全双工无线系统，即，既发射又接收的系统。对于只能接收的无线服务来说，例如全球定位系统(GPS)、全球导航卫星系统(GNSS)以及诸如AM/FM、数字音频广播(DAB)、SiriusXM等的各种娱乐无线电，将只需要这里讨论的接收器设计。而且，所述无线电架构设计将使得一个无线电硬件设计能够在全球范围内运行，通过软件更新来适应各种全球无线标准。它还将通过使无线电在市场中部署时适应新的无线标准，来延长无线电硬件设计的可用寿命。例如，4G无线电技术发展和频率分配是非常动态的。因此，部署在市场中的无线电硬件可能仅在一两年后就会过时。对于诸如汽车领域的应用，寿命可能会超过十年。本发明能够使固定硬件平台能够通过软件更新来更新，从而延长硬件的可用寿命和全球重用。
图1是用于典型蜂窝电话的已知多模式多波段蜂窝通信用户手机架构10的框图。架构10包括天线结构12，其在感兴趣的频带处接收和发射RF信号。架构10还包括位于架构10的最前端的开关14，其用于选择发射或接收的信号当前正在使用哪一个特定信道并且通过由方框16表示的滤波器和双工器专用组来将信号引导向特定信道。模块18提供接收和发射信号的多模式多波段模拟调制和解调，并且将这些信号分离成发送至收发器20或从收发器20接收的同相和正交相位信号。收发器20还将模拟接收信号转换成数字信号，将数字发射信号转换成模拟信号。基带数字信号处理器22为用于特定应用的发射或接收信号提供数字处理。
图2是如将在下面详细讨论的提供软件可编程功能的蜂窝无线电前端架构30的示意性框图。架构30包括能够接收和发射本文讨论的例如在400MHz-3.6GHz范围内的蜂窝频率信号的天线结构32。由天线结构32接收和发射的信号通过包括三个信号路径的多路复用器34，其中每个路径设计用于由每个路径中的频率选择滤波器36确定的特定频带。在该实施例中，已经选择了三个信号路径，然而，架构30可以扩展到任意数量的信号路径。每个信号路径包括环形器38，其分离和引导接收信号和发射信号，并且提供隔离，使得正在发射的高功率信号不进入接收器侧并在那些频带上使接收信号饱和。
架构30还包括位于多路复用器34之后的前端收发器模块44，并且包括处理接收信号的接收器模块46和处理发射信号的发射器模块48。如图所示，接收器模块46包括三个接收器信道50，每一个用于通过多路复用器34的每个信号路径，其中接收器信道50中不同的一个连接至环形器38中的不同的一个。如将在下面详细讨论的，每个接收器信道50包括Δ-Σ调制器52，其在特定频带处接收模拟信号并结合在极高时钟速率下操作的多个N位量化器电路使用交织处理来生成代表性数字数据流。如将进一步讨论的，Δ-Σ调制器52比较接收信号和反馈信号之间的差异，以生成代表正在接收的数字数据的误差信号。数字数据位被提供给提取数字数据流的数字信号处理器(DSP)54。数字基带处理器(DBP)56以本领域技术人员很好理解的方式接收和操作数字数据流以进行进一步的信号处理。发射器模块48接收从处理器56发射的数字数据。模块48包括具有Δ-Σ调制器的发射器电路62，Δ-Σ调制器将来自数字基带处理器56的数字数据转换为模拟信号。模拟信号由可调谐带通滤波器(BPF)60滤波以去除带外发射，并且发送至开关66，开关66将信号引导至为发射信号频带优化的选定功率放大器64。在该实施例中，已经选择了三个信号路径，然而，发射器模块48可以使用任意数量的信号路径来实施。根据正在发射哪个频率，放大信号被发送至多路复用器34中的特定环形器38。
从下面的讨论中可以明显看出，架构30的配置通过高性能Δ-Σ调制器提供软件可编程功能，Δ-Σ调制器提供感兴趣的信号波段中的优化性能并且可以在宽范围的载波频率上进行调谐。架构30通过将频率范围划分为三个不连续波段来满足0.4-2.6GHz频率范围内的当前蜂窝无线接入协议。然而，应注意信号路径和带宽的其它组合当然也是可能的。多路复用器34通过将在天线结构32处接收到的RF载波传递到三个信号路径中的一个来实施频域解多路复用。相反地，发射信号通过多路复用器34被多路复用到天线结构32上。对于车载无线接入应用来说，这种低成本的集成装置对于降低零件成本、复杂性、过时性以及实现全球无缝部署是理想的。
Δ-Σ调制器52可以定位在天线结构32附近，以便将RF接收信号直接转换成接收器模块46中的位，并将位直接转换成发射器模块48中的RF信号。在接收器信道50中使用Δ-Σ调制器52的主要益处是允许可变的信号捕获带宽和可变的中心频率。如下面将讨论的，这是可能的，因为架构30能够使调制器滤波器系数的软件操纵改变信号带宽并调谐RF波段上的滤波器特性。
架构30允许改变信号捕获带宽的能力，可以利用信号捕获带宽来实现连续载波聚合波形的接收，而不需要附加硬件。载波聚合是一种技术，通过该技术，与用于正常独立信道的多个载波相关联的数据带宽为单个用户而组合，以提供比单个载波大得多的数据速率。与MIMO一起，该特征是现代4G标准的一个要求，并且可通过允许有效频谱使用的正交频分复用(OFDM)系列波形实现。
通过Δ-Σ调制器52的架构30可以通过带通带宽的软件调谐来处理精确的载波聚合场景和波段组合的情况，并因此能够实现多分段捕获功能。动态范围随着更宽的带宽而降低，其中更多噪声进入采样带通。然而，假定当用户具有良好的信噪比时，载波聚合通常是有意义的，而当连接本身可能是边缘时，没有单元边界边缘。应注意到，由于多路复用器34馈送信道50中的独立调制器，带间载波聚合由架构30自动处理。
环形器38将发射信号从发射器模块48路由到天线结构32，并且还提供高功率发射信号与接收器模块46之间的隔离。尽管环形器38提供显著的信号隔离，但在环形器38内存在一些端口到端口的泄漏，环形器38在发射器模块48与接收器模块46之间提供信号路径。由于来自天线结构32的反射以及收发器中可能的其它部件，出现第二非期望信号路径。因此，由于传输线路阻抗和天线的输入阻抗之间的失配，发射信号的一部分将从天线结构32反射。该反射能量遵循与传入期望信号相同的信号路径，返回到接收器模块46。
架构30也是灵活的，以适应其它无线通信协议。例如，可以提供由DBP56控制的一对开关40和42，以通过诸如全球移动通信系统(GSM)RF前端模块或WiFi前端模块的专用固定RF装置58来引导接收和发射信号。在该实施例中，一些选择信号路径经由常规RF装置来实施。图2仅示出了一个附加信号路径，但是根据使用情况和服务，该概念可以扩展到任意数量的附加信号路径。
Δ-Σ调制器是一种众所周知的用于在宽RF带宽上实施模数转换的装置。所采用的基本属性是过采样和积累(Σ)以将期望信号转换为脉冲调制流的误差反馈(Δ)，脉冲调制流随后可以被滤波以读取数字值，同时经由整形有效地降低噪声。已知的Δ-Σ调制器的限制是脉冲转换过程中的量化噪声，其限制了接收器的动态范围。将期望允许软件控制无线电系统权衡其RF带宽与信号环境要求的动态范围，并且较少程度地受到初始电子硬件选择的限制。
所提出的软件控制无线电通过在窄带通信标准(<10MHz瞬时带宽)与宽带通信标准(>10MHz瞬时带宽)之间调整接收器的功能来实现期望的结果。鉴于大多数民用通信标准的低允许发射功率和高接收器灵敏度要求，可能需要较低的本底噪声，以在有利于Δ-Σ型数据转换器的低符号速率(<1MSPS)下实现频谱密集的高阶信号调制(QAM64及更高)的必要动态范围。然而，鉴于大量的可用频谱，对于系统来说，在有利于尼奎斯特数据转换器的较高符号速率(>500MSPS)下运行更简单的信号调制(OOK)可能是有利的。由于民用通信标准(802.11a/b/g/n)的本质是选择最佳的信道、带宽和信号调制，以在特定时间在特定物理场所提供最高的数据速率和服务质量，对于无线电来说，具有在尼奎斯特和Δ-Σ数据转换器模式之间选择的功能是有利于的。过去，无线电制造商通常会选择一种类型的数据转换器或另一种。无线电可能包含两个分离的数据转换器类型，但这会导致将显著降低无线电性能的更大无线电物理格式和附加电子硬件(开关、功率分配器)。
现在转到图3，示出了带有Δ信号ADC和尼奎斯特ADC的示例性软件控制无线电300。软件控制无线电可操作以经由天线302或其它RF输入来接收RF信号。所接收RF信号由低噪声跨导放大器(LNTA)305放大。第一开关315用于在求和节点310与N阶滤波器320之间可选地耦合放大的RF信号。可选地，可使用第二开关325来耦合N阶滤波器320与第M位尼奎斯特ADC330之间的已滤波信号。第二开关325可嵌入到尼奎斯特ADC330中。如图所示，求和节点310可位于LNTA305之间，或者替代地，可沿着滤波器旁路321位于第一开关315与第二开关325之间。
尼奎斯特ADC330用于数字化已滤波RF信号，以生成数字信号。只要基带信号的带宽小于尼奎斯特频率，就可以从数字信号重建原始模拟信号。尼奎斯特频率是可以在不引入误差的情况下对信号进行采样的最小速率，误差是信号中存在的最高频率的两倍。第一开关315和第二开关325响应于所接收的RF信号的格式和/或所接收的RF信号的带宽而操作。如果已经使用尼奎斯特频率数字化了RF信号所携带的数据，则RF信号将具有较窄的带宽。然后，开关将配置为通过N阶滤波器320路由RF信号，然后到达以尼奎斯特模式操作的ADC。在示例性实施例中，尼奎斯特ADC的输出将是尼奎斯特操作的大量的位，例如8-12位。
如果RF信号携带的数据已经使用Δ-Σ调制器进行了格式化，则RF信号将具有更宽的带宽，并且因此N阶滤波器320将被旁路并且第一开关315和第二开关325将配置为通过第二信号路径耦合信号，绕过N阶滤波器320。ADC330然后将配置为以Δ-Σ模式操作。在另一个示例性实施例中，以Δ-Σ模式操作的ADC330将输出用于Δ-Σ操作的少量位，例如1-3位。
然后可使用第三开关335来将数字信号耦合至数模转换器(DAC)340。第三开关335可操作以将以Δ-Σ模式操作的ADC330的输出(K)耦合至DAC340，以生成将在Σ-Δ调制器的反馈操作中使用的模拟信号。DAC340用于将数字化信号转换为模拟信号以与放大的RF信号进行组合。第三开关335可嵌入到DAC340中并且配置为选择来自尼奎斯特ADC330的哪些K位用作数字数据输入。通过第三开关335馈送到DAC340中的附加M位可能存在或不存在，但是提供了在尼奎斯特模式下执行数字校正的手段。如果存在，可使用第三开关335将M位耦合至DAC340以用于尼奎斯特模式下的偏移校准。
在发射器侧，将使用的示例性Σ-ΔDAC可由任何架构的传统多位DAC构成，但是很可能是用于较高采样速率的电流导引类型以及相关联的数字数据控制。数字数据控制将生成对应于多位DAC分辨率的多位宽字。这些数字字可以是常规尼奎斯特波形或Σ-Δ调制波形。有利地，使用上述示例性实施例的硬件，可在不重新配置硬件的情况下通过软件来执行这两个波形之间的切换。
在接收器上，示例性软件可配置无线电用Δ-Σ调制器来实施，其中ADC大于1位，并且滤波器/谐振器可以被一个或多个开关旁路。示例性系统可包括由Δ-Σ调制器组成的接收器或软件控制无线电，其中ADC大于1位，并且滤波器/谐振器可以被一个或多个开关旁路。该系统可进一步包括开关，用于从ADC或外部输入中选择DAC数据输入。对系统的互补可为由DAC和数字控制逻辑组成的发射器，其中至DAC的数字数据输入可以在常规尼奎斯特信号和Σ-Δ调制信号之间改变。
系统和方法可操作以接收RF信号并将该信号转换为数字信号，其中使用M位ADC来实施Σ-Δ调制器，其中M位数字代码输出也经由开关反馈到M位数模转换器(DAC)，从而创建一个模拟信号，将其馈送到RF信号的求和节点中，从而实施用作Σ-ΔADC的Σ-Δ调制器。
现在转到图4，示出了使用混合Δ-Σ和尼奎斯特数据配置400来解调RF的示例性方法。该方法首先操作用于接收RF信号410。
在410处接收到信号之后，该方法可操作以对尼奎斯特数据配置和Δ-Σ配置420有利的方式来调节信号。这可包括使用低噪声放大器的放大和/或以最宽带宽进行滤波。
一旦RF信号的初始条件成立，则该方法可操作用于确定数字格式，数字格式可为由RF信号430携带的数据的调制格式。该确定可通过使用Δ-Σ模式或尼奎斯特模式初始地解调数据并分析结果来完成。替代地，发射器可发射指示符来指示调制模式，例如以最稳健的调制模式发送的配置信号，或者可将指示符放置在数据的报头中以指示调制模式。
一旦在430处确定调制模式，响应于调制模式来配置开关网络。例如，如果数据以尼奎斯特模式调制，则使用窄带宽滤波器对RF信号进行滤波，并且用于Δ-Σ操作的反馈路径在440处被解耦。替代地，如果在Δ-Σ模式下调制信号，则滤波器被旁路，并且反馈环路耦合至ADC以用于460处的Δ-Σ操作。
如果使用尼奎斯特调制模式并且在440处相应地配置开关网络后，则该方法在450处根据尼奎斯特模式操作以将RF信号转换为数字信号。周期性地，该方法可操作以确定传入信号430的调制模式。该重新确定可响应于计时器、分组计数或误差信号等而做出。
如果使用Δ-Σ调制模式并且在460处相应地配置开关网络后，则该方法在470处根据Δ-Σ模式操作以将RF信号转换为数字信号。周期性地，该方法可操作以确定传入信号430的调制模式。该重新确定可响应于计时器、分组计数或误差信号等而做出。
如本领域技术人员将很好理解的，本文讨论的用于描述本发明的若干和各种步骤和过程可指由使用电现象操纵并转换数据的计算机、处理器或其它电子计算装置执行的操作。那些计算机和电子装置可采用各种易失性和/或非易失性存储器，包括其上存储有可执行程序的非暂时性计算机可读介质，其包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令，其中存储器和/或计算机可读介质可包括所有形式和类型的存储器和其它计算机可读介质。
前述讨论仅仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员将从这些讨论和附图以及权利要求中容易地认识到，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、修改和变化。

Claims (10)

1.一种设备，包含：
-具有用于对RF信号进行滤波的带通滤波器的第一信号路径；
-第二信号路径；
-以第一模式和第二模式操作的模数转换器；
-用于接收所述RF信号的输入；以及
-开关网络，其用于响应于所述RF信号的调制格式，通过所述第一信号路径和所述第二信号路径中的一个将所述RF信号耦合至所述模数转换器。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一模式是尼奎斯特模式，并且所述第二模式是Δ-Σ模式。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述开关网络配置为响应于所述调制格式是尼奎斯特调制格式而经由所述第一信号路径耦合所述RF信号。
4.如权利要求3所述的设备，其中，所述输入耦合至天线以用于接收所述RF信号。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述开关网络配置为响应于所述调制格式是Δ-Σ调制格式而经由所述第二信号路径耦合所述RF信号。
6.如权利要求1所述的设备，进一步包含反馈路径，其中，响应于所述调制格式是Δ-Σ调制格式，所述反馈路径耦合至所述模数转换器的输出。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述反馈路径包括数模转换器。
8.一种方法，包含：
-接收具有尼奎斯特数字格式和Δ-Σ数字格式中的一个的RF信号；
-确定所述RF信号的数字格式；
-响应于所述数字格式是所述尼奎斯特数字格式，对所述RF信号进行滤波；
-响应于所述数字格式是所述尼奎斯特数字格式，根据所述尼奎斯特数字格式转换所述RF信号，以生成尼奎斯特数字信号；以及
-响应于所述数字格式是所述Δ-Σ数字格式，根据所述Δ-Σ数字格式转换所述RF信号，以生成Δ-Σ数字信号。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包含：
-响应于所述Δ-Σ数字信号，生成模拟信号；
-将所述模拟信号耦合至所述RF信号，以生成组合信号；以及
-根据所述Δ-Σ调制转换所述组合信号，以生成组合数字信号。
10.如权利要求8所述的方法，进一步包含在确定所述RF信号的所述数字格式之前对所述RF信号进行滤波和放大。
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