CN109936384A - 用于汽车应用的数据转换器的温度补偿的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于软件定义无线电中的数据转换器的温度补偿的方法和设备。具体地，该系统和方法用于监测诸如带通滤波器、ADC和DAC等关键信号处理部件的温度，并响应于温度等检索调制器系数。然后使用调制器系数来补偿温度变化、性能变化等。

Description

用于汽车应用的数据转换器的温度补偿的方法和设备

技术领域

本申请总体上涉及设计成适应各种全球无线电标准的宽带无线电系统，并且更具体地涉及将温度补偿技术用于发射机和接收机性能的蜂窝无线电架构。该架构是建立在Σ-Δ调制器的基础上，其中温度变化可以影响中心频率偏移和跨导值变化，由于传递函数(比如，噪声传递函数)发生变化的缘故，这些变化对带通Σ-Δ调制不利。

背景技术

传统的蜂窝电话采用不同的操作模式和频带，而这些操作模式和频带已经在硬件中通过将多个不同的无线电前端和基带处理芯片集成至一个平台(诸如，支持全球移动通信系统(GSM)、通用分组无线电业务(GPRS)等的三频或四频用户手机)中而得到支持。已知的蜂窝接收机集成了某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最新技术仍然保留了多静态通道化方法。这样的静态架构在很大程度上取决于窄带滤波器、双工器和标准特定的下变频至中频(IF)级。这种静态通道化方法的主要缺点在于其变化标准和操作模式缺乏灵活性。随着蜂窝通信行业已经从2G、3G、4G及4G以上演进，每种新的波形和模式均需要对接收机的RF前端进行重新设计，并且扩展基带芯片集能力，因此需要新的手机。对于汽车应用而言，支持新兴用途的这种不灵活性对于最终用户是非常昂贵的且是非常麻烦的。

从汽车制造商的观点来看，提供可靠的汽车无线接入是具有挑战性的，这是因为蜂窝连接方法和架构在全球各地是不同的。另外，标准和技术不断变化，并且通常还具有比车辆的平均使用寿命快几倍的演进周期。更具体地说就是，用于车载无线电的当前RF前端架构是针对具体的RF频段进行设计的。需要在无线电平台上安装以正确频率加以调谐的专用硬件，以用于无线电期望操作的特定频段。因此，如果蜂窝提供商改变了其特定频段，那么，前一个频带进行了调谐的特定车辆(其可能具有15年至20年的使用寿命)可能无法在新频带下有效地操作。因此，这就要求汽车制造商维持无数的无线电平台、组件和供应商来支持每个所部署的标准，并且还随着蜂窝环境的变化提供可升级路径，这是一个昂贵且复杂的提议。

Σ-Δ调制器在数字接收机中愈加常见，其原因归结起来就是：除了提供宽带高动态范围操作之外，这些调制器还具有许多可调参数，使得它们变成了可重构系统的优秀候选者。特别地，Σ-Δ调制器包括用于对输入RF信号进行噪声整形的软件可调谐滤波器。然而，在汽车应用中使用的Σ-Δ调制器易受到温度变化的影响，而温度变化会改变性能。希望能克服这种温度敏感性，从而利用Σ-Δ调制器的软件可编程特性来进一步降低系统数字信号处理器的处理负荷。

发明内容

根据本公开的实施例提供了许多优点。例如，根据本公开的实施例可以使得能接收控制数据，以供自主车辆软件、子系统等使用。该系统还可以用于接收娱乐、音频和视频节目，并且不局限于自主车辆。

本公开描述了一种用于软件可编程无线电中的温度补偿的方法，该方法包括：处理第一数字信号，该第一数字信号已根据第一调制器系数进行解调；接收第一温度测量值和第二温度测量值，该第一温度测量值指示用于接收RF信号的第一装置的温度，该第二温度测量值指示用于接收RF信号的第二装置的温度，其中RF信号包括第一数据；检索与第一装置的温度和第二装置的温度相对应的第二调制器系数；响应于第二调制器系数对RF信号进行解调以生成第二数字信号；并且对第二数字信号进行处理以提取第一数据。

本公开的另一方面描述了一种方法，该方法用于：接收第一温度测量值和第二温度测量值，该第一温度测量值指示用于接收RF信号的第一装置的温度，该第二温度测量值指示用于接收RF信号的第二装置的温度，其中RF信号包括第一数据；检索与第一装置的温度和第二装置的温度相对应的调制器系数；响应于调制器系数对RF信号进行解调以生成数字信号；并且对数字信号进行处理以提取第一数据。

本公开的另一方面描述了一种设备，该设备包括：用于处理RF信号的第一RF装置、用于测量第一RF装置的温度的第一温度传感器、用于处理RF信号的第二RF装置、用于测量第二RF装置的温度的第二温度传感器、用于存储调制系数的存储器、用于响应于调制系数对RF信号进行解调以生成数字信号的解调器以及用于响应于第一RF装置的温度和第二RF装置的温度检索调制器系数并将调制系数耦合到解调器的处理器，该处理器还操作以处理数字信号。

从结合附图进行的以下描述和所附权利要求中，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频带蜂窝通信手机架构的框图。

图2示出了适用的软件可编程蜂窝无线电架构的框图。

图3示出了用于软件定义无线电中数据转换器的温度补偿的示例性设备。

图4示出了用于软件定义无线电中数据转换器的温度补偿的示例性方法。

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用途。例如，本发明的无线电架构被描述为具有针对车辆的应用。然而，如本领域技术人员将明白的，无线电架构可以具有除了汽车应用之外的应用。

本文讨论的蜂窝无线电架构可不仅仅适用于蜂窝无线技术，例如WiFi(IEEE802.11)技术。另外，蜂窝无线电架构被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(比如，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等各种娱乐无线电)，只有本文讨论的接收机设计将是必需的。而且，所描述的无线电架构设计将使得一种无线电硬件设计能够在全球范围内起作用，从而通过软件更新适应各种全球无线标准。当新的无线标准部署在市场中时，这种无线电架构设计还将通过使得无线电能够适应这些无线标准而延长无线电硬件设计的使用寿命。例如，4G无线电技术的发展和频率分配的动态性非常高。因此，部署在市场中的无线电硬件在一两年之后可能会过时。对于诸如汽车领域的应用，寿命可能会超过十年。本发明使得固定硬件平台能够通过软件更新来得到更新，因此延长了硬件的使用寿命和全局重复使用率。

图1是用于典型蜂窝电话的已知多模式多频带蜂窝通信用户手机架构10的框图。架构10包括天线结构12，天线结构12在关注频段下接收和发射RF信号。架构10还包括在架构10的最前端的开关14，开关14选择发射或接收信号目前用于哪个特定信道，并且将信号引导通过用于该特定信道的一组专用滤波器和双工器(由框16表示)。模块18提供接收和发射信号的多模式和多频带模拟调制和解调，并且将信号分离成被发送至收发器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，并且将数字发射信号转换成模拟信号。基带数字信号处理器22为特定应用提供发射或接收信号的数字处理。

图2是提供如将在下面详细讨论的软件可编程能力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(诸如在400MHz至3.6GHz的范围内)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条信号路径的多路复用器34，其中每条路径被设计用于由每条路径中的频率选择性滤波器36确定的特定频段。在本实施例中，已经选择了三条信号路径，然而，架构30可被扩展至任意数量的信号路径。每条信号路径包括循环器38，循环器38分离和引导接收和发射信号，并且提供隔离以使得所发射的大功率信号不进入接收机侧，并使这些频段中的接收信号饱和。

架构30还包括位于多路复用器34后面的前端收发器模块44，并且包括处理接收信号的接收机模块46和处理发射信号的发射机模块48。如图所示，接收机模块46包括三个接收机信道50，一个用于通过多路复用器34的每个信号路径，其中接收机信道50中的不同接收机信道连接至循环器38中的不同循环器。每个接收机信道50包括Σ-Δ调制器52，其在特定频段下接收模拟信号，并且使用交错程序结合在极高时钟速率下操作的N位量化器电路来生成典型的数字数据流，这将在下面进行详细讨论。如将进一步讨论的，Σ-Δ调制器52比较接收信号与反馈信号之间的差值，以生成表示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以本领域技术人员充分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。发射机模块48接收从处理器56发射的数字数据。模块48包括发射机电路62，发射机电路62具有将来自数字基带处理器56的数字数据转换为模拟信号的Σ-Δ调制器。模拟信号由可调带通滤波器(BPF)60进行滤波，以除去带外发射，并被发送至开关66，开关66将信号引导至为发射信号频段优化的选定功率放大器64。在本实施例中，已经选择了三条信号路径，然而，发射机模块48可使用任意数量的信号路径来实施。放大信号根据正在发射哪个频率而被发送至多路复用器34中的特定循环器38。

从下面的讨论中将会看出，架构30的配置通过高性能Σ-Δ调制器来提供软件可编程能力，该高性能Σ-Δ调制器在关注的信号频带中提供优化的性能并且可以在宽范围的载波频率中进行调谐。通过将频率范围分为三个非连续频带，架构30满足0.4GHz至2.6GHz频率范围内的当前蜂窝无线接入协议。然而，应注意的是，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处接收的RF载波传递至三条信号路径中的一条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被多路复用至天线结构32上。对于车辆无线接入应用，这种低成本的集成装置对于降低部件成本、复杂性、过时性以及实现全球无缝部署来说都是理想的。

Σ-Δ调制器52可以位于天线结构32附近，以便将RF接收信号直接转换成接收机模块46中的位，并将位直接转换成发射机模块48中的RF信号。在接收机信道50中使用Σ-Δ调制器52的主要益处在于：允许可变的信号捕获带宽和可变的中心频率。之所以这是可行的是因为架构30使得调制器滤波器系数的软件操纵能够改变信号带宽，并调谐整个RF频带内的滤波器特性，如下面将讨论的。

架构30实现了改变信号捕获带宽的能力，其可被利用来使得能够在不需要附加硬件的情况下接收连续的载波聚合波形。载波聚合是一种这样的技术：通过该技术，将与通常独立信道的多个载波相关联的数据带宽针对单个用户进行组合，从而提供比单个载波更大的数据速率。该特征连同MIMO是现代4G标准中的要求，并且由允许有效频谱使用的正交频分复用(PFDM)的波形系列而实现。

通过Σ-Δ调制器52的架构30可通过带通带宽的软件调谐来处理精确的载波聚合场景和频带组合的情况，并且因此实现了多段捕获能力。对于更多的噪声被允许进入采样带通的更宽带宽，动态范围降低。然而，假设当用户具有良好的信噪比时，载波聚合通常是有意义的，而当连接性本身可能勉强够格时，载波聚合并非小区边界边缘。注意，由架构30自动处理带间载波聚合，这是因为多路复用器34在信道50中对调制器进行馈送。

循环器38将发射信号从发射机模块48路由至天线结构32，并且还提供大功率发射信号与接收机模块46之间的隔离。虽然循环器38提供了显著的信号隔离，但是循环器38内存在一定的端口间泄漏，其提供发射机模块48与接收机模块46之间的信号路径。由于来自天线结构32以及收发机中的可能的其它部件的反射，出现了第二非期望信号路径。结果，由于发射线阻抗与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反射回来。这种反射的能量与传入期望信号跟随相同的信号路径返回至接收机模块46。

架构30也灵活地适应其它无线通信协议。例如，可提供一对开关40和42，这些开关由DBP 56控制以通过专用的固定RF装置58(比如，全球移动通信系统(GSM)RF前端模块或WiFi前端模块)来引导接收和发射信号。在本实施例中，一些选择信号路径是经由常规的RF装置来实施。图2仅示出了一条附加信号路径，然而，取决于使用情况和服务，该概念可扩展至任何数量的附加信号路径。

Σ-Δ调制器是用于实施模数转换的公知类装置。所利用的基本性质是过采样和误差反馈(Δ)，其经累加(Σ)以将期望信号转换成脉冲调制流，该脉冲调制流随后可进行滤波以读出数字值，同时经由塑形有效地降低噪声。已知Σ-Δ调制器的关键局限之处在于脉冲转换过程中的量化噪声。Σ-Δ调制器需要大的过采样比，以便为给定输入生成足够数量的位流脉冲。在直接转换方案中，采样比大于RF载波频率的四倍，从而简化数字滤波。因此，所需的多GHz采样率限制了在较高频率应用中使用Σ-Δ调制器。减少噪声的另一种方式是使用高阶Σ-Δ调制器。然而，虽然第一阶规范的Σ-Δ架构是稳定的，但是更高阶可能是不稳定的，尤其是在考虑较高频率下的公差时。出于这些原因，现有技术的更高阶Σ-Δ调制器已经被限制在音频频率范围内，即，时间交错的Σ-Δ调制器，其用于高频下的音频应用或专门交错。

可以有效地修改Σ-Δ调制器的滤波器特性以补偿多普勒频移。当信号的发射机相对于接收机移动时，发生多普勒频移。相对移动使信号的频率发生频移，从而使接收机处的频移与发射机处的频移不同。根据本公开的示例性系统利用软件定义无线电架构来在信号中断或降级之前快速估计载波频率的频移并且将滤波器重新居中。在正常操作中，调制滤波器的陷波以接收信号的预期载波频率为中心，其中信号频带信息以载波频率为中心且不超过调制滤波器的带宽。多普勒频移将使载波偏移Δf，导致信号内容的潜在降级和频带一侧的噪声增加。根据本文描述的方法和系统，无线蜂窝通信系统中的收发器可适于RF载波频率的变化，并且可以通过使滤波器陷波偏移与载波频率相同的量来维持信号完整性。

对于本文所讨论的涵盖多个分配频段的蜂窝应用，需要具有多模式和多频带覆盖的发射机。而且，许多当前的应用要求的是在单个通信链路的操作期间在频段之间快速切换的发射机，这对典型的基于本地振荡器(LO)的发射机解决方案构成了重大挑战。这是因为基于LO的发射机的切换时间通常由在频率合成器的约1MHz左右的环路带宽的控制下的LO信道切换时间决定。因此，可实现的信道切换时间大约为几微秒，不幸的是，这对于敏捷无线电来说太长了。本领域中已知的基于全数字PWM的多标准发射机遭受高失真，且信道切换时间仍然由载波频率下的LO确定。DDS可用作用于提高切换速度的LO，然而，该设计消耗了大量的功率并且可能没有传送具有低杂散分量的高频LO。替代地，单边带混频器可用于使用公共锁相环(PLL)生成具有不同中心频率的多个LO，其中该公共锁相环的信道切换时间可能很快。然而，这种方法可仅支持有限数量的LO选项，并且覆盖广泛的预期4G频带的任何附加信道将需要额外的混频。如所讨论的，本领域中已经提出了将Σ-Δ调制器用作RF发射机来克服这些问题。然而，在基本架构中，由于适度的时钟频率，Σ-Δ调制器在高输入频率下不能提供高动态范围性能。正是因为时钟频率受到当前技术的限制才能支持这种高频操作模式。

现在转至图3，示出了用于软件定义无线电中数据转换器300的温度补偿的示例性设备。示例性系统采用天线305、循环器307、低噪声跨导放大器(LNTA)310、带通滤波器315、模数转换器320、解码器330、解复用器335、数字信号处理器(DSP)337、功率放大器340、第一数模转换器345、第一数字加权平均(DWA)350、Σ-Δ调制器355、多路复用器360、第二数模转换器365、第二DWA370、多个传感器375以及功率组合器390。该系统配置成使得输入可调谐振器可以通过将信道均衡器结合到Σ-Δ数据转换器中来对输入信号同时进行均衡和噪声整形，从而减少DSP337的处理要求。

示例性应用是基于直接转换到基带和直接基带到RF转换的蜂窝无线电架构。与可实现向/从数字基带的直接转换的高性能占空比调制数模转换器相结合，该架构采用软件可控的Σ-Δ数据转换器。发射机链尤其使用Σ-Δ架构来实现4比特数模(DAC)转换器320设计，这种设计将数字调制波形直接转换为RF带通输出，无需采用针对每个频带/载波的功率放大器。因此，对于发射操作，该装置能够在宽带宽上进行多频带多模式操作，其中动态范围大于60dB，同时消耗与手机形状因数兼容的功率。

然而，在示例性应用中，温度变化将影响部件特性，从而改变接收机和发射机性能，比如中心频率偏移、跨导值变化。可调谐Σ-Δ调制器对环境变化非常敏感，这是因为它们的噪声传递函数依赖于这些参数并确定可实现的性能。由于传递函数(尤其是噪声传递函数)发生变化的缘故，这些由温度引发的变化对带通Σ-Δ调制器性能是不利的。为了改善软件可控的Σ-Δ数据转换器的性能并克服这些局限性，该系统可操作以检测调制器上的温度和温度变化并对调制器进行调节以实现目标性能。

用于检测非理想特性并对其进行校准的数字算法的问题在于：这些算法往往产生相当大的计算量并且需要较长的处理时间和较高的功耗，而这些对于在操作期间的调制器而言是不能承受的，特别是当调制器需要持续地长时间运作时。示例性系统利用模拟传感器375(比如，温度传感器、过程传感器或供电电压传感器)来监测Σ-Δ调制器的工作环境，并进行调制器的在线校准，以确保实现高性能。

在本示例性实施例中，传感器375策略性地放置在易受影响的部件上，比如，带通滤波器、DAC和功率放大器。监测这些部件的温度的温度传感器和测量结果与DSP 337耦合，以便进行分析。然后，将这些测量结果用于预测晶体管性能随温度的变化，并主动调整Σ-Δ调制器参数以确保性能和稳定性。

现在转至图4，示出了用于软件定义无线电中数据转换器400的温度补偿的示例性方法。所提出的方法首先操作以读取过程传感器、温度传感器和供应传感器的信息410。然后，该方法从预设表中检索对应的代码以对调制器加以配置420。这些表存储了针对不同装置温度、电源和过程的调制器系数。将调制器系数应用于适当的装置425。该方法随后重新读取过程传感器、温度传感器和供应传感器430。之后，该方法可操作以确定任何读数是否已经发生了变化440。如果没有确定出变化，则该方法随后在一段时间之后重新读取传感器430。如果检测到了变化，则系统从预设表中检索新的对应代码并重新配置调制器450。然后，该方法在一段时间之后重新读取传感器430。监测过程以这种方式继续，同时定期监测传感器读数。

如本领域技术人员将充分理解的是，本文讨论的用于描述本发明的若干和各种步骤和程序可以指代由计算机、处理器或使用电现象来操控和/或变换数据的其它电子计算装置所执行的操作。这些计算机和电子装置可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，所述易失性和/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，所述可执行程序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以包括所有形式和类型的存储器以及其它计算机可读介质。

前述讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域技术人员根据此讨论以及附图和权利要求书将容易认识到的是，在不脱离如以下权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中作出各种改变、修改和变动。

Claims (10)

1.一种方法，包括：

-接收第一温度测量值和第二温度测量值，所述第一温度测量值指示用于接收RF信号的第一装置的温度，所述第二温度测量值指示用于接收所述RF信号的第二装置的温度，其中所述RF信号包括第一数据；

-检索与所述第一装置的所述温度和所述第二装置的所述温度相对应的调制器系数；

-响应于所述调制器系数对所述RF信号进行解调以生成数字信号；并且

-对所述数字信号进行处理以提取所述第一数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中响应于预期多普勒频移来检索所述调制器系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一装置是带通滤波器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二装置是低噪声放大器。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二装置是低噪声跨导放大器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中响应于性能度量来检索所述调制器系数，所述性能度量响应于所述数字信号的所述处理而生成。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：确定解调器的性能度量，并且响应于所述性能度量，请求所述第一温度测量值和所述第二温度测量值。

8.一种设备，包括：

-用于处理RF信号的第一RF装置；

-用于测量所述第一RF装置的温度的第一温度传感器；

-用于处理所述RF信号的第二RF装置；

-用于测量所述第二RF装置的温度的第二温度传感器；

-用于存储调制系数的存储器；

-用于响应于所述调制系数对所述RF信号进行解调以生成数字信号的解调器；以及

-用于响应于所述第一RF装置的所述温度和所述第二RF装置的所述温度检索所述调制器系数并将所述调制系数耦合到所述解调器的处理器，所述处理器还操作以处理所述数字信号。

9.一种用于软件可编程无线电中的温度补偿的方法，包括：

-处理第一数字信号，所述第一数字信号已根据第一调制器系数进行解调；

-接收第一温度测量值和第二温度测量值，所述第一温度测量值指示用于接收RF信号的第一装置的温度，所述第二温度测量值指示用于接收所述RF信号的第二装置的温度，其中所述RF信号包括第一数据；

-检索与所述第一装置的所述温度和所述第二装置的所述温度相对应的第二调制器系数；

-响应于所述第二调制器系数对所述RF信号进行解调以生成第二数字信号；并且

-对所述第二数字信号进行处理以提取所述第一数据。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述解调是由Σ-Δ调制器执行。