CN110311695A - 一种无线通信全数字射频接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线通信全数字射频接收装置，包括射频脉冲宽度调制模数转换模块和多相数字下变频模块，所述射频脉冲宽度调制模数转换模块将接收下来的射频模拟信号通过脉冲宽度调制实现模拟信号的采样和量化，得到模拟输入的数字信号；所述多相数字下变频模块将所述数字信号和振荡信号多相分解为并行低速采样的多个子通道，对输入数据的每个通道进行下变换操作，利用多个子通道的并行下变频实现输入数字信号的下变频。本发明可提供的高模拟输入带宽和灵活性，实现高速采样信号等效下变频，简化接收机结构，降低成本和功耗。

Description

一种无线通信全数字射频接收装置
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接收装置。
背景技术
随着用户容量不断增长和新技术与应用的迅速发展，移动通信系统的数据速率正以前所未有的速度增长。除高数据速率外，5G网络还要求下一代无线基站能应对不同技术和异构网络之间的协同操作，更密集的基站部署，更高的功率效率以及支持物联网的设备之间更多的连接。因此寻找一种体积小，低功耗，高带宽，高灵活性，可扩展性强的数字接收机对推动5G发展尤为重要。
传统的射频接收机通常基于零差或外差架构，将射频接收信号模拟下变频到基带或者中频，在基带端或中频端使用ADC进行模数转换。这种架构因为模拟器件的缺陷带来一系列问题，例如模拟器件引起的带宽和频率灵活性的限制。并且由于架构复杂，还受到成本、大小以及功耗等因素的影响。直接下变频接收机用RF ADC代替IFADC，将模数转换阶段靠近天线，直接在射频端进行采样，在数字域执行整个接收链路信号处理，减少了模拟器件的数量并提高了灵活性。这种架构需要使用高速ADC，但是成本高且功耗大降低了系统的效率。
基于脉冲调制的全数字无线电接收机实现，通常被称为全数字接收机。使用全数字接收机构造高密度和异构的无线网络具有高灵活性和集成度的优势。当前构造RF ADC的脉冲调制转换器包括增量求和调制(Delta-Sigma Modulation，DSM)，脉冲频率调制(Pulse-frequency modulation，PFM)或者脉冲宽度调制PWM。增量求和调制ADC广泛用于低频领域且可提供高分辨率。也有将增量求和调制ADC用到射频构造，虽然有良好的分辨率但模拟输入带宽低，并且对低延迟反馈路径的需求在增加采样频率方面施加了限制。PFMADC基于电压控制振荡器(VCO)创建输入模拟信号的PFM表示，有呈现出与VCO相关的高不确定非线性行为的缺点。
传统的ADC中采样后需要在垂直于时间轴的方向上量化，PWMADC由单个比较器组成，输入为模拟信号和给定的参考波信号(通常为三角波)，产生模拟信号脉冲宽度调制信号，将模拟信号的幅度转换为占空比随输入信号电压变化的调制信号，输入模拟信号幅度被转换到时间轴上，量化比传统模式简单，可用固定频率的方波信号对调制后的信号进行量化，使模数转换简便高效。但脉冲宽度调制模数转换通常用在低频应用。应用到射频信号，成本较高，也没有提供确切的方法去获得最佳参考波形来优化接收器的性能，如果参考波形参数设置不正确，产生的脉冲宽度调制信号会包含带外谐波分量，会在采样中折叠并对有用信号的频谱产生干扰。
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接收装置，可提供的高模拟输入带宽和灵活性，实现高速采样信号等效下变频，简化接收机结构，降低成本和功耗。
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接收装置，包括射频脉冲宽度调制模数转换模块和多相数字下变频模块，所述射频脉冲宽度调制模数转换模块将接收下来的射频模拟信号通过脉冲宽度调制实现模拟信号的采样和量化，得到模拟输入的数字信号；所述多相数字下变频模块将所述数字信号和振荡信号多相分解为并行低速采样的多个子通道，对输入数据的每个通道进行下变换操作，利用多个子通道的并行下变频实现输入数字信号的下变频。
所述射频脉冲宽度调制模数转换模块包括脉冲宽度调制部分和单比特寄存器部分，所述脉冲宽度调制部分使用比较器对射频模拟信号进行采样，所述单比特寄存器对完成采样的信号进行量化和编码。
所述脉冲宽度调制部分中比较器的输入是带宽等于BW中心频率为fc的模拟信号x(t)和频率为fr的参考三角波信号r(t)，所述参考三角波信号r(t)以参考频率fr对输入模拟信号x(t)进行采样调制，如果模拟信号x(t)的幅度高于参考三角波信号r(t)的幅度，则输出信号为高，反之则输出为低，如此比较器的输出是包含x(t)信号信息的双电平连续时间PWM信号p(t)。
所述单比特寄存器部分以采样速率fs对脉冲宽度调制部分输出的信号进行均匀采样和离散化，生成离散时间均匀采样的输入模拟信号的数字信号p(n)，其中，采样速率fs大于2倍模拟信号x(t)的中心频率且远大于模拟信号x(t)的带宽；通过串并转换将采样速率fs单路数据分为N路采样率为fs/N的信号。
所述多相数字下变频模块包括直接数字合成器、混频器和低通滤波器；所述直接数字合成器用来产生等效频率与模拟信号x(t)中心频率相同的多相分解振荡信号；混频器对射频脉冲宽度调制模数转换模块的输出信号与振荡信号分别相乘实现对并行信号执行下变频操作输入；所述低通滤波器用于滤除低通带宽以外的噪声及高频成分并降低数据速率。
所述低通滤波器采用CIC滤波器或FIR滤波器。
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：本发明和传统的发射机相比，不需要传统的模数数模转换器或模拟混频器等，通过射频脉冲宽带调制模数转换模块利用射频模拟信号和参考信号通过P脉冲宽度调制的方式生成采样频率为fs的离散化数字信号。通过并行多相数字下变频模块将射频脉冲宽带调制模数转换输出的离散化高速采样数字信号，通过多相架构进行数字混频，把宽带频谱搬移至基带，再经过低通抽取滤波器降低信号采样率，完成下变频过程，最后解调恢复基带信号。本发明可利用FPGA中的千兆/万兆收发器中高速差分输入来构建比较量化器，与普通的射频采样接收器相比，降低系统成本和功耗。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例的链路框图；
图3是本发明实施例中射频脉冲宽度调制模数转换模块的结构示意图；
图4是本发明实施例并行多相数字下变频模块的结构示意图；
图5是本发明实施例中匹配最佳参考频率算法流程图。
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接收装置，包括射频脉冲宽度调制模数转换模块和多相数字下变频模块，所述射频脉冲宽度调制模数转换模块将接收下来的射频模拟信号通过脉冲宽度调制实现模拟信号的采样和量化，得到模拟输入的数字信号；所述多相数字下变频模块将所述数字信号和振荡信号多相分解为并行低速采样的多个子通道，对输入数据的每个通道进行下变换操作，利用多个子通道的并行下变频实现输入数字信号的下变频。
其工作流程为：在天线处接收下来的原始射频模拟信号，由信号调节模块进行信号滤波和信号放大处理。信号调节模块包括滤波器和低噪声可变增益放大器。得到带宽是BW且以频率fc为中心的模拟信号x(t)，处理后的模拟信号输入到脉冲宽度调制模数转换模块，脉冲宽度调制模数转换模块依次由脉冲宽度调制部分和单比特寄存器部分构成，分别对模拟信号的进行采样和量化。脉冲宽度调制部分的输入分别是带宽BW等于中心频率为fc的模拟信号x(t)和频率为fr的参考三角波信号r(t)，输出是包含x(t)信号信息的双电平连续时间PWM信号p(t)，将其输入到单比特寄存器部分以fs(fs>2fc和fs>>BW)的采样速率对连续时间PWM信号p(t)进行采样并离散化得到串行1位的数字信号p(n)，串行信号经串并转换得到并行N位的并行字，再经并行多相数字下变频模块进行滤波和抽取处理得到基带信号，并解调恢复基带信息。
脉冲宽度调制模数转换模块中，包含脉冲宽度调制部分和单比特寄存器部分，脉冲宽度调制部分使用比较器对射频模拟信号进行采样，而单比特寄存器部分则用来进行量化和编码。脉冲宽度调制部分通过MGT的高速差分输入缓存器来实现，输入分别是带宽等于BW中心频率等于fc的模拟信号x(t)和频率为fr的参考信号r(t)，参考三角波信号r(t)以参考频率fr对输入模拟信号x(t)进行采样调制，如果信息信号幅度高于给定的参考信号幅度，则输出信号为高，反之则输出为低。高速差分输入缓冲器的输出是包含接收模拟信号x(t)信息的双电平连续时间PWM表示p(t)，其占空比和输入模拟电压成正比。接着p(t)输入到单比特寄存器中，单比特寄存器负责以fs(fs>2fc且fs>>BW)的速率对双电平连续时间PWM信号p(t)进行均匀采样和离散化，用一个频率更高的时钟信号对PWM调制后的占空比信号进行衡量，并以输出时钟信号的周期个数代表对应的调制信号的占空比，反映了输入模拟信号幅度的变化，生成离散时间均匀采样的输入模拟信号的数字信号p(n)，同时使用FPGA串并转换将采样率从高采样率fs单路数据分为能够在标准FPGA逻辑中处理的N路采样率为fs/N的信号。串并转换的输出端是一个N位并行字，并行字是以fc为中心的x(t)信号通过fs采样的等效表示。
并行多相数字下变频(Direct Digital Synthesizer，DDC)模块中，射频脉冲宽度调制模数转换的输出是GHz高速采样的离散化信号，由于FPGA硬件处理速度的限制，故采用并行多相数字下变频方式，在FPGA内以低采样率fs/N处理等效采样频率为fs的信号。并行多相数字下变频由直接数字合成((Direct Digital Synthesizer，DDS)、混频器和低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)三部分组成。DDS部分用来产生等效频率是fc的多相分解振荡信号，高速采样信号和振荡信号均被并行化为低速采样的N路子通道后。混频器对输入数据的每个通道执行下变换操作。然后是多相低通滤波器滤除低通带宽以外的噪声及高频成分并降低数据的采样速率。利用每个通道的下变换输出合并得到GHz高速采样信号下变换结果。在数字下变频之后是处于基带的低采样率信号通过相应的解调技术恢复其信息并进行分析。
由此可见，本发明的无线通信全数字射频接收装置克服传统技术的不足，其采用的架构基于脉冲宽度调制模数转换以及并行多相数字下变频，将接收到的射频模拟信号和生成的参考信号输入到高速差分输入构成的比较器中产生双电平连续时间的自然脉冲宽度调制波形，在比较器之后，经单比特寄存器负责以fs的采样速率对连续时间PWM信号进行采样和离散化。随后信号通过多相数字下变频、滤波和抽取进一步处理，以恢复基带信号信息。本发明提出的架构不使用传统的模数转换器，使数字化向射频端进一步靠近射频端，具有高模拟输入带宽与功率效率、高灵活性的特点。多相数字下变频利用多相分解并行化为低速采样的多个子通道分别进行下变换操作来实现高速采样信号的等效下变频，降低了对硬件处理速度的要求。下面通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
如图2所示，该全数字射频接收结构包括射频模数转换和数字下变频，所依托的模块依次由信号调节模块、射频脉冲宽度调制模数转换模块、并行多相数字下变频模块和基带处理模块。
本实施例的全数字射频接收可以采用FPGA的多千兆位收发器(Multi-gigabittransceiver，MGT)和高速差分输入模块方法来应对射频脉冲宽度调制模数转换的高数据速率，并优化参考三角波频率的算法，可实现高模拟输入、高灵活性、低功耗并降低了系统成本，提高了接收机性能。使用FPGA高速差分输入引脚来构造比较器，并使用基于高速串行器和解串器的多千兆位收发器(MGT)实现，以适应高数据速率。模数转换直接在射频域中完成，并且模数转换器使用脉冲宽度调制的方式实现对输入模拟信号的采样，与传统模数转换器使用的采样保持电路相比具有电路简单的特点，与传统RF采样接收器相比显著降低了系统成本和功耗。提出的优化参考三角波形频率算法，可得到合适的参考信号频率来提高接收信号的信噪比，优化接收机性能。针对高速采样信号，使用多相架构实现数字下变频，输入高速采样信号和相应的振荡信号被多相分解并行化为低速采样的多个子通道，对输入数据的每个通道进行下变换操作。利用多个子通道的并行下变频实现输入高速采样信号的下变频。克服硬件处理速度低的不足，实现了高速采样信号的下变频。
信号调节由运算放大器以及带通滤波器组成，用于实现信号的滤波和放大功能，天线接收下来的射频模拟信号经带通滤波器滤除带外噪声和低噪声放大器和可变增益放大器对信号进行放大。
射频脉冲宽度调制模数转换模块如图3所示。处理好的射频模拟信号输入到FPGA多千兆收发器MGT中，通过MGT的差分缓存器将x(t)信号和r(t)信号进行比较得到双电平连续时间PWM信号p(t)，完成PWM调制之后，对采样后的信号进行量化处理，比较器后是工作在fs的采样频率的寄存器对双电平连续时间PWM信号p(t)进行均匀采样和离散化，得到包含x(t)信息的数字比特流p(n)，同时使用FPGA的高速解串器(Deserializer)将采样率从高采样率fs一路数据分为能够在标准FPGA逻辑中处理的N路采样率为fs/N的信号。模数转换模块的输出是一个N位并行字，并行字是以fc为中心的x(t)信号通过fs采样的等效表示。
脉冲宽度调制后是数字下变频如图4所示，由于宽带信号高数据速率和时钟限制无法使用传统数字下变频方法实现宽带信号数字下变频，采用多相数字下变频架构，分为N路，包含多相直接数字合成、混频器、多相低通和抽取滤波器。输入高速采样信号在前面模数转换模块分成了N个子通道，直接数字合成模块由以不同的输入相位增量工作的N个DDS构成，用于产生等效频率为fc的N相分解振荡信号LO1～LON-1，此时高速采样信号和振荡信号均被并行化为低速采样的N路信号。再通过N路输入和N路振荡信号分别相乘实现对N路并行信号执行下变频操作，达到以低采样速度实现高速采样信号的数字下变换。下变换后是多相低通滤波器滤除低通带宽以外的噪声及高频成分并降低数据速率，滤波器结构可以是CIC滤波器或FIR滤波器。通过并行工作的N个多相下变频通路，可使数字下变频处理速度降低N倍为fs/N，放宽对硬件速度的要求并得到等效的下变频结果。最后利用N相下变频结果在输出端合并得到串行的可进行解调的基带信号。
除此之外，参考频率的选择采用优化参考三角波频率算法。由于脉冲宽度调制模数转换是非线性操作，如果参考信号频率如果选择不正确，会产生高水平的量化噪声和谐波失真，降低信噪比和系统性能。因此为了避免在有用信号带中频谱混叠。要根据所希望获取的信号选择最佳参考信号频率，对PWM信号p(t)进行频谱分析，得到下列公式：
信号p(t)使用一阶贝塞尔函数对其中的sin(βsin(θ))和cos(βsin(θ))表达式进行化简后的频谱表达，其中是p(t)频谱正频率部分的中心频率区域，δ()是狄拉克函数，|Jk(B(t))|是给定失真区的幅度响应的最大绝对值，其中Jk是一阶贝塞尔函数。B(t)＝(nπ/2)xBB(t)，其中xBB(t)为基带信号包络。要保证PWM谐波不落在第一奈奎斯特区，应计算第一个奈奎斯特区中的折叠频率区的位置。
其中是ffold第一奈奎斯特区的折叠频率，fc是载波频率，fs是采样频率，表示舍入为最接近的整数，|·|表示取绝对值。最佳参考频率选取算法如图5所示，以一组输入开始，这些输入是目标SNR，载波频率fc和信号x(t)的带宽BW，采样频率fs和参考频率的步长Δfr。应当注意BW应当留取一定的频率余量以便用于滤波。
算法流程如下，首先根据的幅度响应计算参考频率步长Δfr的倍数k以及时域采样数目n的最大值和最小值以保证目标SNR。然后，计算由2BW给出的最小参考频率。接着由公式(3)计算折叠频谱，并验证是否存在任何可能影响SNR的重叠。如果没有重叠，参考频率计算结束，否则测试新的参考频率，由先前频率加上给定步长Δfr给出。步长Δfr应该足够小，以实现足够小的分辨率，并且步长Δfr应为π的因数，以避免发生来自其他奈奎斯特区频谱的重叠。最后该算法将获得最佳的参考信号频率fr，使用优化后的最佳参考频率来构建参考三角波信号输入到射频脉冲宽度调制模数转换模块改善模数转换转换结果，提高接收机性能。
不难发现，本发明实现了无线电数据从射频端到基带信号处理流程的全数字化，可提供的高模拟输入带宽和灵活性，实现高速采样信号等效下变频，简化接收机结构，降低成本和功耗。

Claims (6)

1.一种无线通信全数字射频接收装置，其特征在于，包括射频脉冲宽度调制模数转换模块和多相数字下变频模块，所述射频脉冲宽度调制模数转换模块将接收下来的射频模拟信号通过脉冲宽度调制实现模拟信号的采样和量化，得到模拟输入的数字信号；所述多相数字下变频模块将所述数字信号和振荡信号多相分解为并行低速采样的多个子通道，对输入数据的每个通道进行下变换操作，利用多个子通道的并行下变频实现输入数字信号的下变频。
2.根据权利要求1所述的无线通信全数字射频接收装置，其特征在于，所述射频脉冲宽度调制模数转换模块包括脉冲宽度调制部分和单比特寄存器部分，所述脉冲宽度调制部分使用比较器对射频模拟信号进行采样，所述单比特寄存器对完成采样的信号进行量化和编码。
3.根据权利要求2所述的无线通信全数字射频接收装置，其特征在于，所述脉冲宽度调制部分中比较器的输入是带宽等于BW中心频率为fc的模拟信号x(t)和频率为fr的参考三角波信号r(t)，所述参考三角波信号r(t)以参考频率fr对输入模拟信号x(t)进行采样调制，如果模拟信号x(t)的幅度高于参考三角波信号r(t)的幅度，则输出信号为高，反之则输出为低，如此比较器的输出是包含x(t)信号信息的双电平连续时间PWM信号p(t)。
4.根据权利要求2所述的无线通信全数字射频接收装置，其特征在于，所述单比特寄存器部分以采样速率fs对脉冲宽度调制部分输出的信号进行均匀采样和离散化，生成离散时间均匀采样的输入模拟信号的数字信号p(n)，其中，采样速率fs大于2倍模拟信号x(t)的中心频率且远大于模拟信号x(t)的带宽；通过串并转换将采样速率fs单路数据分为N路采样率为fs/N的信号。
5.根据权利要求1所述的无线通信全数字射频接收装置，其特征在于，所述多相数字下变频模块包括直接数字合成器、混频器和低通滤波器；所述直接数字合成器用来产生等效频率与模拟信号x(t)中心频率相同的多相分解振荡信号；混频器对射频脉冲宽度调制模数转换模块的输出信号与振荡信号分别相乘实现对并行信号执行下变频操作输入；所述低通滤波器用于滤除低通带宽以外的噪声及高频成分并降低数据速率。
6.根据权利要求5所述的无线通信全数字射频接收装置，其特征在于，所述低通滤波器采用CIC滤波器或FIR滤波器。
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