CN110830064B - 一种高无杂散动态范围的信号接收装置与方法 - Google Patents

一种高无杂散动态范围的信号接收装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高无杂散动态范围的信号接收装置与方法，包括第一接收天线（1）、第二接收天线（5）、第三接收天线（12）、衰减器（6）、第一混频器（2）、第二混频器（7）、第三混频器（13）、第一模数转换器（3）、第二模数转换器（8）、第三模数转换器（14）、本地振荡器（10）、第一锁相环（9）、第二锁相环（11）和SFDR校正单元（4）。本发明可以在数字域上有效抑制由模数转换器产生的非线性杂散。且不需要对射频前端电路进行大幅修改，便于对现有接收机进行升级改造。

Description

一种高无杂散动态范围的信号接收装置与方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种高无杂散动态范围的信号接收装置与方法。
背景技术
无杂散动态范围(Spurious-Free Dynamic Range，SFDR)的定义为：频谱中最大信号的功率值与最大杂散的功率值之比，如图1所示。
由图1可知，小信号的功率与杂散的功率相近，并且杂散出现的频率位置不固定，导致用户无法从频谱中正确区分小信号与杂散。为解决上述问题，工程中通常将最大杂散的功率值作为信号判决门限，只认为频谱中功率值大于门限的成分为信号，而其余都为杂散。所以最大杂散的功率值，决定了最小可接收信号的功率值。
无线通信接收机需要同时接收不同功率的信号。当大信号进入接收机后，会使接收机内的模数转换器饱和，从而产生非线性杂散，恶化了接收机的SFDR值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高无杂散动态范围的信号接收装置与方法，可以有效抑制由模数转换器产生的非线性杂散。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高无杂散动态范围的信号接收装置，包括第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线、第一混频器、第二混频器、第三混频器、本地振荡器、第一锁相环、第二锁相环和SFDR校正单元；
所述第一接收天线的输出端与第一混频器的第一输入端连接；所述第二接收天线的输出端通过衰减器与第二混频器的第一输入端连接；所述第三接收天线的输出端与第三混频器的第一输入端连接；所述本地振荡器的输出端分别与第一锁相环和第二锁相环连接，所述第一锁相环的输出端分别与第一混频器的第二输入端和第二混频器的第二输入端连接，所述第二锁相环的输出端与第三混频器的第二输入端连接；所述第一混频器的输出端通过第一模数转换器与SFDR校正单元连接；第二混频器的输出端通过第二模数转换器与SFDR校正单元连接；第三混频器的输出端通过第三模数转换器与SFDR校正单元连接，所述SFDR校正单元用于对接收信号的非线性杂散进行抑制，并输出高SFDR值的校正信号。
进一步地，所述SFDR校正单元包括：
频率分集校正模块，用于根据第一模数转换器和第三模数转换器输出的信号进行频率分集识别出频谱中的杂散信号，并将频谱中的杂散信号置零以实现校正；
功率分集校正模块，用于根据第一模数转换器和第二模数转换器输出的信号进行功率分集识别出频谱中的杂散信号，并将频谱中的杂散信号置零以实现校正。
一种高无杂散动态范围的信号接收方法，包括以下步骤：
S1.配置第一锁相环、第二锁相环，使两者产生不同的频率；
S2.第一接收天线、第二接收天线、第三接收天线对同一信号进行接收；
S3.第一接收天线接收到的信号传输给第一混频器进行下变频，并将得到的信号经第一模数转换器传输给SFDR校正单元；
S4.第二接收天线接收到的信号经衰减器后，传输到第二混频器进行下变频后，并将得到的信号经第二模数转换器传输给SFDR校正单元；
S5.第三接收天线接收到的信号传输给第三混频器进行下变频，并将得到的信号经第三模数转换器传输给SFDR校正单元；
S6.SFDR校正单元根据接收到的信号进行非线性杂散抑制，并得到高SFDR值的校正信号对外输出。
进一步地，所述步骤S6包括频率分集校正子步骤和功率分集校正子步骤。
所述频率分集校正子步骤包括：
A1、定义第一模数转换器输出的信号为主信号x(n)，第三模数转换器输出的信号为频率偏移信号xf(n)；
A2、通过快速傅里叶变换将x(n)与xf(n)变换到频域，记频域信号为XFFT(k)和Xf_FFT(k)；
A3、将Xf_FFT(k)中的点整体平移n点，变为Xmove_FFT(k)，使得XFFT(k)和Xmove_FFT(k)中的大信号在同一频率；
A4、令i＝1，i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
A5、比较XFFT(i)与Xmove_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pf(i)＝XFFT(i)-Xmove_FFT(i)；
其中，XFFT(i)表示XFFT(k)的第i个信号，即XFFT(k)在频点i上的信号；Xmove_FFT(i)表示Xmove_FFT(k)的第i个信号，即Xmove_FFT(k)在频点i上的信号；
A6、若Pf(i)＞Pgate_f且XFFT(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_f为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
A7、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到A8，否则跳转到A5；
A8、根据A6判断，将XFFT(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为XFFT_0(k)。
所述功率分集校正子步骤包括：
B1、定义第二模数转换器采集的信号为功率回退信号xp(n)；
B2、通过快速傅里叶变换将xp(n)变换到频域，记频域信号为Xp_FFT(k)；
B3、令i＝1，且i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
B4、比较XFFT_0(i)与Xp_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pp(i)＝XFFT_0(i)-Xp_FFT(i)；
其中，XFFT_0(i)表示XFFT_0(k)的第i个信号，即XFFT_0(k)在频点i上的信号；Xp_FFT(i)表示Xp_FFT(k)的第i个信号，即Xp_FFT(k)在频点i上的信号；
B5、若Pp(i)＞Pgate_p且XFFT_0(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT_0(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT_0(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_p为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
B6、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到B7，否则跳转到B4；
B7、根据B5判断，将XFFT_0(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为Xcorrect(k)。
B8、通过快速傅里叶逆变换将校正后的频域信号Xcorrect(k)变回时域，记时域信号为
Figure GDA0002706555510000031
本发明的有益效果是：本发明可以在数字域上有效抑制由模数转换器产生的非线性杂散。且不需要对射频前端电路进行大幅修改，便于对现有接收机进行升级改造。
附图说明
图1为无杂散动态范围的示意图；
图2为本发明的装置原理示意图；
图3为SFDR校正单元的原理示意图；
图4为本发明的方法流程图；
图中，1-第一接收天线，2-第一混频器，3-第一模数转换器，4-SFDR校正单元，5-第二接收天线，6-衰减器，7-第二混频器，8-第二模数转换器，9-第一锁相环，10-本地振荡器，11-第二锁相环，12-第三接收天线，13-第三混频器，14-第三模数转换器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图2所示，一种高无杂散动态范围的信号接收装置，包括第一接收天线1、第二接收天线5、第三接收天线12、第一混频器2、第二混频器7、第三混频器13、本地振荡器10、第一锁相环9、第二锁相环11和SFDR校正单元4；
所述第一接收天线1的输出端与第一混频器2的第一输入端连接；所述第二接收天线5的输出端通过衰减器6与第二混频器7的第一输入端连接；所述第三接收天线12的输出端与第三混频器13的第一输入端连接；所述本地振荡器10的输出端分别与第一锁相环9和第二锁相环11连接，所述第一锁相环9的输出端分别与第一混频器2的第二输入端和第二混频器7的第二输入端连接，所述第二锁相环11的输出端与第三混频器13的第二输入端连接；所述第一混频器2的输出端通过第一模数转换器3与SFDR校正单元4连接；第二混频器7的输出端通过第二模数转换器8与SFDR校正单元4连接；第三混频器13的输出端通过第三模数转换器14与SFDR校正单元4连接，所述SFDR校正单元4用于对接收信号的非线性杂散进行抑制，并输出高SFDR值的校正信号。
如图3所示，所述SFDR校正单元4包括：
频率分集校正模块，用于根据第一模数转换器3和第三模数转换器14输出的信号进行频率分集识别出频谱中的杂散信号，并将频谱中的杂散信号置零以实现校正；
功率分集校正模块，用于根据第一模数转换器3和第二模数转换器8输出的信号进行功率分集识别出频谱中的杂散信号，并将频谱中的杂散信号置零以实现校正。
如图4所示，一种高无杂散动态范围的信号接收方法，包括以下步骤：
S1.配置第一锁相环9、第二锁相环11，使两者产生不同的频率；
S2.第一接收天线1、第二接收天线5、第三接收天线12对同一信号进行接收；
S3.第一接收天线1接收到的信号传输给第一混频器2进行下变频，并将得到的信号经第一模数转换器3传输给SFDR校正单元4；
S4.第二接收天线5接收到的信号经衰减器6后，传输到第二混频器7进行下变频后，并将得到的信号经第二模数转换器8传输给SFDR校正单元4；
S5.第三接收天线12接收到的信号传输给第三混频器13进行下变频，并将得到的信号经第三模数转换器14传输给SFDR校正单元4；
S6.SFDR校正单元4根据接收到的信号进行非线性杂散抑制，并得到高SFDR值的校正信号对外输出。
所述步骤S6包括频率分集校正子步骤和功率分集校正子步骤，所述频率分集校正子步骤包括：
A1、定义第一模数转换器3输出的信号为主信号x(n)，第三模数转换器14输出的信号为频率偏移信号xf(n)；
A2、通过快速傅里叶变换将x(n)与xf(n)变换到频域，记频域信号为XFFT(k)和Xf_FFT(k)；
A3、将Xf_FFT(k)中的点整体平移n点，变为Xmove_FFT(k)，使得XFFT(k)和Xmove_FFT(k)中的大信号在同一频率；
A4、令i＝1，i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
A5、比较XFFT(i)与Xmove_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pf(i)＝XFFT(i)-Xmove_FFT(i)；
其中，XFFT(i)表示XFFT(k)的第i个信号，即XFFT(k)在频点i上的信号；Xmove_FFT(i)表示Xmove_FFT(k)的第i个信号，即Xmove_FFT(k)在频点i上的信号；
A6、若Pf(i)＞Pgate_f且XFFT(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_f为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
A7、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到A8，否则跳转到A5；
A8、根据A6判断，将XFFT(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为XFFT_0(k)。
所述功率分集校正子步骤包括：
B1、定义第二模数转换器8采集的信号为功率回退信号xp(n)；
B2、通过快速傅里叶变换将xp(n)变换到频域，记频域信号为Xp_FFT(k)；
B3、令i＝1，且i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
B4、比较XFFT_0(i)与Xp_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pp(i)＝XFFT_0(i)-Xp_FFT(i)；
其中，XFFT_0(i)表示XFFT_0(k)的第i个信号，即XFFT_0(k)在频点i上的信号；Xp_FFT(i)表示Xp_FFT(k)的第i个信号，即Xp_FFT(k)在频点i上的信号；
B5、若Pp(i)＞Pgate_p且XFFT_0(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT_0(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT_0(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_p为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
B6、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到B7，否则跳转到B4；
B7、根据B5判断，将XFFT_0(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为Xcorrect(k)。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高无杂散动态范围的信号接收装置，其特征在于：包括第一接收天线(1)、第二接收天线(5)、衰减器(6)、第三接收天线(12)、第一混频器(2)、第二混频器(7)、第三混频器(13)、第一模数转换器(3)、第二模数转换器(8)、第三模数转换器(14)、本地振荡器(10)、第一锁相环(9)、第二锁相环(11)和无杂散动态范围(SFDR)校正单元(4)；
所述第一接收天线(1)的输出端与第一混频器(2)的第一输入端连接；所述第二接收天线(5)的输出端通过衰减器(6)与第二混频器(7)的第一输入端连接；所述第三接收天线(12)的输出端与第三混频器(13)的第一输入端连接；所述本地振荡器(10)的输出端分别与第一锁相环(9)和第二锁相环(11)连接，所述第一锁相环(9)的输出端分别与第一混频器(2)的第二输入端和第二混频器(7)的第二输入端连接，所述第二锁相环(11)的输出端与第三混频器(13)的第二输入端连接；所述第一混频器(2)的输出端通过第一模数转换器(3)与SFDR校正单元(4)连接；第二混频器(7)的输出端通过第二模数转换器(8)与SFDR校正单元(4)连接；第三混频器(13)的输出端通过第三模数转换器(14)与SFDR校正单元(4)连接；
所述SFDR校正单元(4)用于对接收信号的非线性杂散进行抑制，并输出高SFDR值的校正信号：
A1、定义第一模数转换器(3)输出的信号为主信号x(n)，第三模数转换器(14)输出的信号为频率偏移信号xf(n)；
A2、通过快速傅里叶变换将x(n)与xf(n)变换到频域，记频域信号为XFFT(k)和Xf_FFT(k)；
A3、将Xf_FFT(k)中的点整体平移n点，变为Xmove_FFT(k)，使得XFFT(k)和Xmove_FFT(k)中的大信号在同一频率；
A4、令i＝1，i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
A5、比较XFFT(i)与Xmove_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pf(i)＝XFFT(i)-Xmove_FFT(i)；
其中，XFFT(i)表示XFFT(k)的第i个信号，即XFFT(k)在频点i上的信号；Xmove_FFT(i)表示Xmove_FFT(k)的第i个信号，即Xmove_FFT(k)在频点i上的信号；
A6、若Pf(i)＞Pgate_f且XFFT(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_f为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
A7、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到A8，否则跳转到A5；
A8、根据A6判断，将XFFT(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为XFFT_0(k)；
B1、定义第二模数转换器(8)采集的信号为功率回退信号xp(n)；
B2、通过快速傅里叶变换将xp(n)变换到频域，记频域信号为Xp_FFT(k)；
B3、令i＝1，且i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
B4、比较XFFT_0(i)与Xp_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pp(i)＝XFFT_0(i)-Xp_FFT(i)；
其中，XFFT_0(i)表示XFFT_0(k)的第i个信号，即XFFT_0(k)在频点i上的信号；Xp_FFT(i)表示Xp_FFT(k)的第i个信号，即Xp_FFT(k)在频点i上的信号；
B5、若Pp(i)＞Pgate_p且XFFT_0(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT_0(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT_0(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_p为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
B6、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到B7，否则跳转到B4；
B7、根据B5判断，将XFFT_0(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为Xcorrect(k)；
B8、通过快速傅里叶逆变换将校正后的频域信号Xcorrect(k)变回时域，记时域信号为
Figure FDA0002758156710000021
2.根据权利要求1所述的一种高无杂散动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述SFDR校正单元(4)包括：
频率分集校正模块，用于根据第一模数转换器(3)和第三模数转换器(14)输出的信号进行频率分集识别出频谱中的杂散信号，并将频谱中的杂散信号置零以实现校正；
功率分集校正模块，用于根据第一模数转换器(3)和第二模数转换器(8)输出的信号进行功率分集识别出频谱中的杂散信号，并将频谱中的杂散信号置零以实现校正。
3.一种高无杂散动态范围的信号接收方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.配置第一锁相环(9)、第二锁相环(11)，使两者产生不同的频率；
S2.第一接收天线(1)、第二接收天线(5)、第三接收天线(12)对同一信号进行接收；
S3.第一接收天线(1)接收到的信号传输给第一混频器(2)进行下变频，并将得到的信号经第一模数转换器(3)传输给无杂散动态范围(SFDR)校正单元(4)；
S4.第二接收天线(5)接收到的信号经衰减器(6)后，传输到第二混频器(7)进行下变频后，并将得到的信号经第二模数转换器(8)传输给SFDR校正单元(4)；
S5.第三接收天线(12)接收到的信号传输给第三混频器(13)进行下变频，并将得到的信号经第三模数转换器(14)传输给SFDR校正单元(4)；
S6.SFDR校正单元(4)根据接收到的信号进行非线性杂散抑制，并得到高SFDR值的校正信号对外输出；
所述步骤S6包括频率分集校正子步骤和功率分集校正子步骤；
所述频率分集校正子步骤包括：
A1、定义第一模数转换器(3)输出的信号为主信号x(n)，第三模数转换器(14)输出的信号为频率偏移信号xf(n)；
A2、通过快速傅里叶变换将x(n)与xf(n)变换到频域，记频域信号为XFFT(k)和Xf_FFT(k)；
A3、将Xf_FFT(k)中的点整体平移n点，变为Xmove_FFT(k)，使得XFFT(k)和Xmove_FFT(k)中的大信号在同一频率；
A4、令i＝1，i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
A5、比较XFFT(i)与Xmove_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pf(i)＝XFFT(i)-Xmove_FFT(i)；
其中，XFFT(i)表示XFFT(k)的第i个信号，即XFFT(k)在频点i上的信号；Xmove_FFT(i)表示Xmove_FFT(k)的第i个信号，即Xmove_FFT(k)在频点i上的信号；
A6、若Pf(i)＞Pgate_f且XFFT(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_f为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
A7、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到A8，否则跳转到A5；
A8、根据A6判断，将XFFT(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为XFFT_0(k)；
所述功率分集校正子步骤包括：
B1、定义第二模数转换器(8)采集的信号为功率回退信号xp(n)；
B2、通过快速傅里叶变换将xp(n)变换到频域，记频域信号为Xp_FFT(k)；
B3、令i＝1，且i∈[1,N]，其中N为FFT点数；
B4、比较XFFT_0(i)与Xp_FFT(i)的功率大小，记二者之间的功率差为：
Pp(i)＝XFFT_0(i)-Xp_FFT(i)；
其中，XFFT_0(i)表示XFFT_0(k)的第i个信号，即XFFT_0(k)在频点i上的信号；Xp_FFT(i)表示Xp_FFT(k)的第i个信号，即Xp_FFT(k)在频点i上的信号；
B5、若Pp(i)＞Pgate_p且XFFT_0(i)＞Pfloor，则判断频点i上的信号XFFT_0(i)是一个杂散信号，反之判断频点i上的信号XFFT_0(i)不是一个杂散信号，其中Pgate_p为杂散判决门限，Pfloor为底噪功率；
B6、i自增1，若自增后的i＞N则跳转到B7，否则跳转到B4；
B7、根据B5判断，将XFFT_0(k)中的杂散信号全部置0，记置0后的信号为Xcorrect(k)；
B8、通过快速傅里叶逆变换将校正后的频域信号Xcorrect(k)变回时域，记时域信号为
Figure FDA0002758156710000041
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