CN110212925A - 一种无线通信全数字射频发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线通信全数字射频发射装置，包括：多相差值滤波处理模块，用于将经过数字调制后的基带信号的同相分量和正交分量分别进行多相内插处理，使输入信号频谱特性适合相应信道传输；时间交织增量求和调制模块，用于将经过多相内插处理的同相分量和正交分量分别在单个时钟周期内处理多个并行的一阶增量求和采样以调制成多相一位串行数据；数字上变频模块，用于将同相分量和正交分量的多相一位串行数据进行组合，并使组合后的信号从基带直接上变频到射频频段。本发明实现了传输数据从基带信号到射频信号的全数字化处理过程，提高了发射机信噪比和信号带宽，具有灵活的载波频率、带宽和调制能力。

Description

一种无线通信全数字射频发射装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种无线通信全数字射频发射装置。
背景技术
无线电技术的进步已成为信息技术迅速发展的重要推动力。然而，自从无线电技术问世以来，尽管器件经历了电子管、晶体管和集成电路等发展历程，无线通信系统也经历了从模拟通信，到数字通信乃至上世纪后期出现软件无线电概念和当前的全数字通信，数字化逐渐向射频端靠拢。但中频以下数字化并以模拟射频功放为核心的模拟体制发射机至今仍是主流。这种发射机结构复杂，涉及到数字域和模拟域的信号变换，用到模拟滤波、放大器和混频器以及其他模拟器件，而模拟器件的缺陷制约了无线电系统的信号处理能力、传输能力、复杂电磁环境适应能力和集成能力等基础性能，成为发射机全数字化进程和实现软件无线电架构的瓶颈。随着数字信号处理技术的发展和基于现场可编程器件集成规模的不断提高。以及军用和民用无线电系统对实现通用性更强的全数字无线电的强烈需求。软件无线电技术不断推动着无线发射机朝着全数字、高性能、小型化、宽频带的方向迅速发展，全数字发射机从基带到发射器的射频端以及与接收器相反的整个信号处理完全在数字域中执行，避免了昂贵的A/D、D/A转换模块或者模拟上变频下变频模块，可赋予物理层高度的灵活性、频谱和能效，全数字收发器架构将成为未来无线通信系统的趋势。
近年来多种基于软件无线电技术的全数字发射机框架相继被提出，全数字发射机架构通常使用脉冲调制，如增量求和调制(DSM)和脉冲宽度调制(PWM)，加数字上变频的方法来实现无线电系统的完全数字化，脉冲发射器可以使用脉冲宽度调制，带通增量求和调制或具有数字上变频的低通增量求和调制来对RF载波进行幅度和相位调制。为了提高信号质量，除了提高增量求和调制的阶数，更多工作集中在信号过采样率(OverSampling Rate)的增加上。大多数脉冲射频发射器通过优化更高频率的数字设计来实现更高的过采样率。然而，数字开关逻辑具有频率限制，其根据所使用的技术将可实现的过采样率限制为数字开关逻辑的最大值。同时还面临带宽限制问题以及脉冲调制用于构造全数字发射机的成本和实现性能的考虑。
当前提出的大多数全数字发射机都具有较小的信号带宽。限制了实际应用场景中可实现的数据速率。信号调制器和上变频级都利用了更高的时钟频率，由于过采样率的提高。数字电路的最大时钟频率限制了发射机的可实现采样频率的最大值，从而限制最大过采样率或最大信号带宽。
有提出了并行处理方法和专用高速逻辑，如多路复用器或串行器，达到更高的等效采样频率。并行处理通过以低逻辑频率工作的多路并行路径组合简化了高带宽信号发射机的设计并以更低的成本实现高集成性能。然而，即使采用并行架构，由于增量求和调制拓扑结构上的反馈逻辑对时钟频率的限制，发送器带宽也受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线通信全数字射频发射装置，提高了发射机信噪比和信号带宽，具有灵活的载波频率、带宽和调制能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种无线通信全数字射频发射装置，包括：多相差值滤波处理模块，用于将经过数字调制后的基带信号的同相分量和正交分量分别进行多相内插处理，使输入信号频谱特性适合相应信道传输；时间交织增量求和调制模块，用于将经过多相内插处理的同相分量和正交分量分别在单个时钟周期内处理多个并行的一阶增量求和采样以调制成多相一位串行数据；数字上变频模块，用于将同相分量和正交分量的多相一位串行数据进行组合，并使组合后的信号从基带直接上变频到射频频段。
所述多相差值滤波处理模块由两个并行的多相插值滤波器构成，分别用于同相分量和正交分量两个数据路径，每个多相插值滤波器包括N个子滤波器，N个子滤波器分别对N个并行数字信号中的每一个进行滤波，其中，N个并行数字信号使用与输入的同相分量和正交分量相同的速率。
所述子滤波器采用数字有限脉冲响应滤波器。
所述时间交织增量求和调制模块由两个并行时间交织增量求和调制器构成，分别用于同相分量和正交分量两个数据路径，每个时间交织增量求和调制器利用一阶低通增量求和调制器内部滤波器中的延时器进行I相分解得到多相表示，由多相表示得到延时器的M×M等效传递函数，根据M×M等效传递函数的M输入和M输出之间的关系将单输入单输出的一阶低通增量求和调制器在延时器处进行多相分解得到具有M个并行路径的一阶增量求和调制的多相实现。
所述延时器为D(z)＝z^-1。
所述时间交织增量求和调制器使用与多相差值滤波处理模块相同的时钟进行运行。
所述数字上变频模块包括字生成模块和高速串行器，所述字生成模块将增量求和调制模块输出的多相一位串行数据与该多相一位串行数据的取反信号进行组合，并以数字上变频因子K进行复制，产生并行输出字；所述高速串行器以K*fc的速率对并行输出字进行串行化，将基带信号直接数字上变频到以频率fc为中心的射频载波处。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过使用过采样低通增量求和调制器，将信号变为双电平恒定包络信号。数字双电平信号适合与开关功率放大器配合使用。同时低通增量求和调制与带通增量求和调制实现相比，降低了对调制电路的采样速度要求。使用一阶增量求和调制，发送信号具有更高的编码效率，低阶调制可用更少的逻辑元件实现简单的环路滤波器，达到更小的逻辑路径延迟。信号整形使用时间交织增量求和调制，具有多M个不同相位的多相等效电路。利用并行增量求和调制技术以硬件资源和更复杂的实现为代价在单个时钟周期内产生M个输出，从而产生M倍的等效频率。使用并行化时间交织增量求和调制可以增加调制器过采样率并因此改善其信噪比和信号带宽。使用高速多路复用器实现的数字上变频。数字射频信号使用开关模式功率放大器实现，其提供高功率效率而不降低信号质量。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明实施例的装置框图；
图3是本发明实施例中多相插值滤波器的示意图；
图4是本发明实施例中一阶增量求和调制器的示意图；
图5是本发明实施例中四路时间交织增量求和调制器的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种无线通信全数字射频发射装置，如图1所示，包括：多相差值滤波处理模块，用于将经过数字调制后的基带信号的同相分量和正交分量分别进行多相内插处理，使输入信号频谱特性适合相应信道传输；时间交织增量求和调制模块，用于将经过多相内插处理的同相分量和正交分量分别在单个时钟周期内处理多个并行的一阶增量求和采样调制成多相一位串行数据；数字上变频模块，用于将同相分量和正交分量的多相一位串行数据进行组合，并使组合后的信号从基带直接上变频到射频频段。
其工作流程为：基带信号经过数字调制后，得到同相分量I和正交分量Q，分别经过N相插值滤波器进行内插处理，使输入信号频谱特性适合相应信道传输并提高数据采样速率。接着为同相分量I和正交分量Q使用两个时间交织增量求和调制器，通过在单个时钟周期内处理多个并行的一阶增量求和采样来提高调制器的过采样率。再输入到数字上变频部分进行上变频处理，使信号从基带直接上变频到相应的射频频段，增量求和调制的多相输出信号在高速串行器的并行输入端组合，最后经过滤波和后续的功率放大器进行功率放大后通过天线发射。
其中，插值滤波器模块由两个并行的多相插值滤波器构成，分别用于同相I和正交Q两个数据路径，每个多相插值滤波器将在高采样率的滤波器划分为较低采样率的N个子滤波器分别对N个并行数字信号中的每一个进行滤波。其中，子滤波器采用数字有限脉冲响应(FIR)滤波器，各个子滤波器采用高采样率滤波器系数的子集。将I和Q数字信号中的每个信号分为N相，其中各相使用与输入信号相同的速率，最终通过多相插值滤波器使采样速率达到调制器的数据速率。多相插值滤波器通过上采样提高了过采样率，并通过多相方法简化高速率数据流的生成，并行的多相输出保持分离的多相路径直接连接到时间交织增量求和调制模块，用于时间交织增量求和调制的多相输入。
多相插值滤波器后是增量求和调制，增量求和调制由两个并行时间交织增量求和调制器构成，每个调制分别用于I和Q两个数据路径。每个时间交织增量求和架构利用一阶低通增量求和调制器内部滤波器H(z)中延时器D(z)＝z^-1进行类型I多相分解得到多相表示，由多相表示得到D(z)＝z^-1的M×M等效传递函数，根据M×M等效传递函数的M输入和M输出之间的关系将单输入单输出的一阶低通增量求和调制器在延迟器z^-1处进行多相分解可以得到具有M个并行路径的一阶增量求和调制的多相实现。对于每个并行时间交织增量求和调制器，使用与插值滤波器相同的时钟fs运行，输出是Mbit并行的双电平信号，对应于M个连续的时间采样。增量求和调制对信号进行整形，以使它们适合于射频上变换过程。每条路径由于将n比特信号表示转换为1比特输出信号，增加了带外量化噪声。但通过并行工作的M个互联调制器，可使调制器的处理速度降低M倍，放宽对硬件速度的要求并实现更高的过采样率。
接着使用高速多路复用器对双电平和信号进行数字上变频和混频，通过以高数据速率串行化并行字w来产生以fc＝K*fs为中心的RF输出信号。数字上变频模块主要包括字生成模块和高速串行器。字生成模块将增量求和调制器的多相1bit输出(vi和vq)与其取反信号进行组合并以数字上变频因子K＝fc/fs复制它，产生并行输出字w＝[I；Q；I；Q]。送到高速串行模块进行串行输出，高速串行器以K*fc的速率对并行输出字进行串行化，将基带信号直接数字上变频到以fc为中心的射频载波处。数字上变频后是带通滤波器和开关模式功率放大器再通过天线发射出去。
由此可见，本发明首先经过N相插值滤波器进行内插处理，然后使用时间交织一阶增量求和调制，可实现更高的过采样率，发送信号具有更高的编码效率，可以用更少的逻辑元件实现简单的环路滤波器，达到更小的逻辑路径延迟。因此可处理更高的采样率和信号带宽。该架构可完全集成到单个现场可编程门阵列芯片中。从基带到发射器的射频端以及与接收器相反的整个信号处理完全在数字域中执行。下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明。
如图2所示，整个发射装置在FPGA上实现，包括基带处理模块，多相插值滤波模块，时间交织增量求和调制模块和数字上变频模块。
基带处理模块用于对数据进行调制编码产生数字基带信号，得到同相I和正交相Q信号作为输入信号。多相插值滤波器：插值滤波器用于对输入系统的I、Q两路基带信号进行内插处理，提高输入数据采样速率，更高的采样频率将改善增量求和调制中信号的过采样率，从而改善传输的信号质量。因增量求和调制需要高过采样率，如图3所示，滤波器又采用多相滤波结构如I型多相分解，子滤波器可以使用FIR滤波器。利用多个阶数较低的FIR滤波来实现原本阶数较高的FIR滤波器，而且每个分支的滤波器处理的数据率仅为原数据速率的1/D，从而达到降低运算量的效果。比如增量求和调制需要1Gsps样本流的输入，多相插值的方法实际上通过N相的N条路径以1/NGsps的速率生成的组合采样频率为1Gsps的样本。数据采样率必须根据载波频率进行调整，通过软件灵活设置内插率可满足不同采样率的要求。
增量求和调制模块：增量求和调制器用于将多相插值滤波输出的多位并行数据调制成多相一位串行数据，并将量化噪声搬移到高频处，实现噪声整形，避免了量化噪声对有用信号的影响，可以在低量化位数的情况下得到较高的精度和稳定性，同时，并行的方法增加了采样频率提高了发射机带宽而不需要高速数字逻辑的脉冲调制器。在本实施例中，使用一阶时间交织增量求和调制(见图4)，具体是将调制器内部环路延时器进行4相位分解，得到D(z)＝z^-1的4x4的等效传输函数D(z)的等效传输函数四个输出端的任意一个输出仅是某一个输入端的函数，不需要额外的其他输入。所以每一个路径是一个一阶增量求和调制器，在第n路的延时器的输入对应于第m列一阶增量求和调制器中加法器的输出，m是等效传输函数中第n行里唯一的1对于的列数。如图5所示是一个具有四个相位输入的一阶时间交织增量求和调制器硬件实现。
数字上变频模块用于数字上变频和串行二进制数据输出，包括三个子模块：位操作模块、字生成模块和高速串行模块。位操作模块对增量求和调制输出的并行一位I、Q信号进行取反以满足后面字生成模式的输入要求。字生成模块对输入的多相的I路、Q路、I路取反、Q路取反这四路信号的多相信号进行选择排序，进行N倍复制，其中N是根据所需上变的射频频率进行确定，最后得到一个4*N位位宽的并行数据。高速串行模块将生成的并行数据以4×fc的频率进行采样转换成高速串行信号，并按照设定的数据速率进行高速的串行输出，其中输出的数据速率能根据应用要求通过软件灵活设置，适应不同应用需求。从而实现基带信号到射频载波fc处的全数字直接变频。
不难发现，本发明使用并行时间交织增量求和调制通过使用调制器内部滤波器的多相表示，放宽硬件速度要求，并且可以通过M个不同的相位在单个时钟周期内产生M个输出来实现更高的过采样率。并通过调制环路中的延时器D(z)＝z^-1而不是分解复杂度更高的H(z)＝z^-1/(1-z^-1)，用更少的逻辑元件实现简单环路滤波器，更少逻辑门产生更小的逻辑路径延迟，因而支持更高的采样率和信号带宽.，解决了具有宽带输入信号的情况下调制器时钟速度的限制问题。
本发明不使用传统的模数或者数模转换器，也不使用任何类型模拟混合设备，从而能够创建更加紧凑和集成的无线电收发器，实现了传输数据从基带信号到射频信号的全数字化处理过程，提高了发射机信噪比和信号带宽，具有灵活的载波频率、带宽和调制能力。

Claims (7)

1.一种无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，包括：多相差值滤波处理模块，用于将经过数字调制后的基带信号的同相分量和正交分量分别进行多相内插处理，使输入信号频谱特性适合相应信道传输；时间交织增量求和调制模块，用于将经过多相内插处理的同相分量和正交分量分别在单个时钟周期内处理多个并行的一阶增量求和采样以调制成多相一位串行数据；数字上变频模块，用于将同相分量和正交分量的多相一位串行数据进行组合，并使组合后的信号从基带直接上变频到射频频段。
2.根据权利要求1所述的无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，所述多相差值滤波处理模块由两个并行的多相插值滤波器构成，分别用于同相分量和正交分量两个数据路径，每个多相插值滤波器包括N个子滤波器，N个子滤波器分别对N个并行数字信号中的每一个进行滤波，其中，N个并行数字信号使用与输入的同相分量和正交分量相同的速率。
3.根据权利要求2所述的无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，所述子滤波器采用数字有限脉冲响应滤波器。
4.根据权利要求1所述的无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，所述时间交织增量求和调制模块由两个并行时间交织增量求和调制器构成，分别用于同相分量和正交分量两个数据路径，每个时间交织增量求和调制器利用一阶低通增量求和调制器内部滤波器中的延时器进行I相分解得到多相表示，由多相表示得到延时器的M×M等效传递函数，根据M×M等效传递函数的M输入和M输出之间的关系将单输入单输出的一阶低通增量求和调制器在延时器处进行多相分解得到具有M个并行路径的一阶增量求和调制的多相实现。
5.根据权利要求4所述的无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，所述延时器为D(z)＝z^-1。
6.根据权利要求4所述的无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，所述时间交织增量求和调制器使用与多相差值滤波处理模块相同的时钟进行运行。
7.根据权利要求1所述的无线通信全数字射频发射装置，其特征在于，所述数字上变频模块包括字生成模块和高速串行器，所述字生成模块将增量求和调制模块输出的多相一位串行数据与该多相一位串行数据的取反信号进行组合，并以数字上变频因子K进行复制，产生并行输出字；所述高速串行器以K*fc的速率对并行输出字进行串行化，将基带信号直接数字上变频到以频率fc为中心的射频载波处。
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