CN111130747A - 一种兼容语音通道的宽带接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼容语音通道的宽带接收机，包括接收通道和发射通道；其特征在于：接收通道包括接收通道一、接收通道二以及接收数据处理模块和数据合路及串行接口；接收通道一、接收通道二均由包括低噪声放大器、正交下变频器、可配置滤波器一、二和模数转换器一、二；发射通道包括发射通道一、发射通道二以及发射数据处理模块和数据分路及串行接口；发射通道一、发射通道二均包括数模转换器一、二、可配置模拟中频滤波器一、二、正交上变频器和功率驱动放大器；低噪声放大器用于对收到的射频信号进行放大，输出到正交下变频器；正交下变频器用于利用正交本振信号，将收到的信号通过混频后得到两路相位正交的基带信号；可应用在各类通讯领域。

Description

一种兼容语音通道的宽带接收机
技术领域
本发明属于无线通讯射频收发电路技术领域，具体涉及一种兼容语音通道的宽带接收机。
背景技术
高性能、高集成度的射频数字混合收发芯片，集成射频上/下变频、频率合成器、数模/模数转换和数字信号处理等电路。接收机采用零中频架构，发射机采用直接上变频架构。零中频结构不存在镜像抑制的问题，是低成本，高集成度的最佳选择。不需要频率规划，系统复杂度大大降低，利于集成，镜频抑制容易。下变频后工作频率很低，简化了后面电路模块。零中频接收机接收到的射频信号直接变频到直流，因此有用信号的镜像就是信号本身，可以通过片上的有源低通滤波器直接实现信道选择。因此除了需在芯片最前端外接射频预选滤波器以外，直接变频接收机不需要其他的片外器件，从而提高集成度。
抗干扰窄带语音通信现有的技术方案采用超外差结构，超外差结构采用两次变频结构，采用片外固定的窄带模拟元件对射频、中频信号进行处理的，从而难以对带宽等系统参数进行可配置设计。并且，超外差结构的抗干扰窄带语音通信，存在成本昂贵、体积庞大、功耗高和一致性差等问题，从而限制了其在软件配置无线的通信系统中的应用。外差结构虽具有高选择性和高灵敏度，但功耗大和集成度低，无法实现基于软件配置无线的通信系统。
直接采用可配置无线通信芯片如AD9361/AD9371,进行语音通信，通过芯片内部的数字处理电路中频信号进行处理；现有的芯片内部集成的ADC的信号动态范围无法满足窄带语音通信系统对抗干扰的要求，采用该方案的无线的窄带语音通信系统通信质量差，多机工作是存在了串台现象，无法满足多数无线通信协议的要求。
因此，传统的超外差结构的带语音通信信道，存在成本昂贵、体积庞大、功耗高和一致性差等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种兼容语音通道的宽带接收机。
本发明为了解决上述技术问题，采用如下的技术方案：一种兼容语音通道的宽带接收机，包括接收通道和发射通道；其特征在于：
所述接收通道包括接收通道一、接收通道二以及接收数据处理模块和数据合路及串行接口；接收通道一、接收通道二均由包括低噪声放大器、正交下变频器、可配置滤波器一、二和模数转换器一、二。
所述发射通道包括发射通道一、发射通道二以及发射数据处理模块和数据分路及串行接口；所述发射通道一、发射通道二均包括数模转换器一、二、可配置模拟中频滤波器一、二、正交上变频器和功率驱动放大器。
所述低噪声放大器用于对收到的射频信号进行放大，输出到正交下变频器。
正交下变频器用于利用正交本振信号，将收到的信号通过混频后得到两路相位正交的基带信号，分别输出到可配置滤波器一、二。
可配置滤波器一、二通过配置接收通道中带宽与增益，分别对收到的信号滤除带宽外的干扰信号后，分别输出到模数转换器一、二。
模数转换器一、二分别将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到接收数据处理模块。
接收数据处理模块对接收通道一和接收通道二的模数转换器一、二输出的数字信号进行数据抽取，有限冲击响应FIR滤波等处理，同时对整个接收通道进行自动增益控制，并将处理后的数据输出到数据合路及串行接口。
数据合路及串行接口用于将并行数据转为串行数据后输出。
数据分路及串行接口用于将接收通道一、接收通道二的基带信号进行串行数据转为并行数据后输出到发射数据处理模块。
发射数据处理模块用于对输入的数字信号进行数据插值，有限冲击响应滤波等处理，同时对发射通道的发射功率进行控制，并将处理后得到的二个接收通道的数据分别输出到接收通道一和接收通道二；接收通道一和接收通道二的数模转换器一、二收到的数据为两路相位正交的基带信号。
数模转换器一、二分别将收到的基带数字信号转换为模拟信号后，分别输出到可配置模拟中频滤波器一、二。
可配置模拟中频滤波器一、二通过配置发射通道中带宽与增益，分别对收到的信号滤除带宽外的时钟频率等干扰信号后，输出到正交上变频器。
正交上变频器将两路相位正交的基带信号通过混频后得到频率较高的射频信号，输出到功率驱动放大器。
功率驱动放大器对收到的信号进行功率放大后输出，以驱动下一级负载的放大器。
本发明所研制的一种兼容语音通道的宽带接收机，集成二个发射通道、二个接收通道和数字处理电路；数字处理电路包括接收数据处理模块、发射数据处理模块、数据合路及串行接口、数据分路及串行接口和幅相检测校正电路，使单芯片能同时适应语音信号与宽带数据通信模式，通过软件配置实现兼容语音通道的多协议无线的通信系统。
本发明根据不同的频段和工作模式，优化设计低噪声放大器、无源混频器以及带宽可调的滤波器。根据2×2的MIMO要求，两个接收天线收到的信号分别经过两个接收通道处理，并将天线接收到的信号下变频为基带可处理的信号。发射通道采用直接上变频结构，调制后的IQ信号经过DAC和低通之后，送给正交上变频器，进行单边带调制。
根据本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机的优选方案，所述宽带接收机内还设置有幅相检测校正电路，所述幅相检测校正电路对接收通道和发射通道的直流失调、相位幅度失调进行校正，对输入和输出的信号幅度进行检测，以及对工艺离散、温度变化导致的参数变化进行自动调谐。
根据本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机的优选方案，所述宽带接收机内还设置有时钟分配电路、时钟锁相环和本振锁相环。
所述时钟分配电路根据接收机的工作模式，将时钟与本振信号分配给接收机的各个电路单元。
时钟锁相环产生接收机内各个电路单元所需要的时钟信号；比如数模转换器、模数转换器、接收数据处理模块、数据合路及串行接口、数据分路及串行接口和发射数据处理模块等数字电路及接口电路所需要的时钟信号。
本振锁相环产生正交上变频器和正交下变频器所需要的本振信号。
根据本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机的优选方案，所述宽带接收机内还设置有片上基准及稳压电路；所述片上基准及稳压电路用于为电路单元提供基准电压、基准电流以及提供稳压。
根据本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机的优选方案，所述宽带接收机内还设置有总线及接口电路；所述总线及接口电路用于提供总线控制接口电路。
根据本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机的优选方案，可配置滤波器一、二的低通模式采用低通滤波器，带通模式采用带镜像抑制功能的复数带通滤波器；同时接收数据处理模块中设置有带镜像抑制功能的可编程有限冲击响应滤波器。
本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机的有益效果是：本发明集成二个发射通道、二个接收通道和数字处理电路；使单芯片能同时适应语音信号与宽带数据通信模式，通过软件配置实现兼容语音通道的多协议无线的通信，在数字对讲机，卫星电话、军用通信系统中能够有效简化系统设计，降低功耗，降低频率规划难度；可广泛应用于软件配置的多协议无线的通信系统，相比于传统需要采用超外差语音通信方案，可以节省50％成本，提高了系统集成度，可广泛应用在各类通讯领域。
附图说明
图1是本发明所述的一种兼容语音通道的宽带接收机原理框图。
图2是可配置滤波器采用中心频率为128KHz五阶切比雪夫带通滤波器的衰减特性曲线。
图3是可配置滤波器采用中心频率为64KHz五阶切比雪夫带通滤波器的衰减特性曲线。
具体实施方式
一种兼容语音通道的宽带接收机，包括接收通道和发射通道；所述接收通道包括接收通道一、接收通道二以及接收数据处理模块5和数据合路及串行接口6；接收通道一、接收通道二均由包括低噪声放大器1、正交下变频器2、可配置滤波器一、二和模数转换器一、二4a、4b。
所述发射通道包括发射通道一、发射通道二以及发射数据处理模块15和数据分路及串行接口16；所述发射通道一、发射通道二均包括数模转换器一、二14a、14b、可配置模拟中频滤波器一、二13a、13b、正交上变频器12和功率驱动放大器11。
所述低噪声放大器1用于对收到的射频信号进行放大，输出到正交下变频器2。
正交下变频器2用于利用正交本振信号，将收到的信号通过混频后得到两路相位正交的基带信号，分别输出到可配置滤波器一、二。
可配置滤波器一、二3a、3b通过配置接收通道中带宽与增益，分别对收到的信号滤除带宽外的干扰信号后，分别输出到模数转换器一、二。
模数转换器一、二4a、4b分别将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到接收数据处理模块5。
接收数据处理模块5对接收通道一和接收通道二的模数转换器一、二输出的数字信号进行数据抽取，有限冲击响应FIR滤波等处理，同时对整个接收通道进行自动增益控制和过载控制，并将处理后的数据进行存储和输出到数据合路及串行接口6；接收数据处理模块5中集成了带镜像抑制功能的可编程128阶有限冲击响应FIR滤波器，带宽可调。
数据合路及串行接口6用于将并行数据转为串行数据后输出。
数据分路及串行接口16用于将接收通道一、接收通道二的基带信号进行串行数据转为并行数据后输出到发射数据处理模块15。
发射数据处理模块15用于对输入的数字信号进行数据插值，有限冲击响应FIR滤波等处理，同时对发射通道的发射功率进行控制，并将处理后得到的二个接收通道的数据进行存储和分别输出到接收通道一和接收通道二；接收通道一和接收通道二的数模转换器一、二收到的数据为两路相位正交的基带信号。
数模转换器一、二14a、14b分别将收到的基带数字信号转换为模拟信号后，分别输出到可配置模拟中频滤波器一、二13a、13b。
可配置模拟中频滤波器一、二13a、13b通过配置发射通道中带宽与增益，分别对收到的信号滤除带宽外的时钟频率等干扰信号后，输出到正交上变频器12。
正交上变频器12将两路相位正交的基带信号通过混频后得到频率较高的射频信号，输出到功率驱动放大器11。
功率驱动放大器11对收到的信号进行功率放大后输出，以驱动下一级负载的放大器。
在具体实施例中，所述宽带接收机内还设置有幅相检测校正电路10，所述幅相检测校正电路10对接收通道和发射通道的直流失调、相位幅度失调进行校正，对输入和输出的信号幅度进行检测，以及对工艺离散、温度变化导致的参数变化进行自动调谐。
所述宽带接收机内还设置有时钟分配电路7、时钟锁相环8和本振锁相环9。
所述时钟分配电路7根据接收机的工作模式，将时钟与本振信号分配给接收机的各个电路单元。
时钟锁相环8产生接收机内各个电路单元所需要的时钟信号；比如数模转换器、模数转换器、接收数据处理模块5、数据合路及串行接口6、数据分路及串行接口16和发射数据处理模块15等数字电路及接口电路所需要的时钟信号。
本振锁相环9产生正交上变频器12和正交下变频器2所需要的本振信号。
所述宽带接收机内还设置有片上基准及稳压电路17；所述片上基准及稳压电路17用于为电路单元提供基准电压、基准电流以及提供稳压。
所述宽带接收机内还设置有总线及接口电路18；所述总线及接口电路18用于提供总线控制接口电路。
在具体实施例中，可配置滤波器一、二3a、3b的低通模式采用低通滤波器，带通模式采用带镜像抑制功能的复数带通滤波器；同时接收数据处理模块5中设置有带镜像抑制功能的可编程有限冲击响应FIR滤波器。
本发明整体采用零中频结构，接收通道采用极低中频结构，用于避免零中频结构临近DC的频谱损失以及临近DC时MOS器件1/f噪声过高对系统的影响。这种架构不仅仅降低了ADC的采样率，同时也降低了ADC的输入频率范围和滤波器的实现，从而能够使得ADC的实现更容易、可配置滤波器也可以片内集成。因此零中频接收机架构是最容易实现的架构。因此零中频接收机必须使用抑制直流电平失调和低频噪声干扰的技术，该技术将使得直流附近数KHz范围内的频率信息丢失。因此窄带语音模式采用极低中频结构。
当芯片处于带宽较窄的语音模式时，接收通道采用极低中频结构，可配置滤波器切换为带通模式的复数滤波器64KHz±19KHz、128KHz±34KHz，复数滤波器在模拟域可提供大于40dB的镜像抑制，数据采样采用有效位为16位ΣΔADC。采样后再经过接收数据处理模块进行大于40dB的数字镜像抑制处理、数字下变频处理、可编程有限冲击响应滤波器进行数字滤波器处理以及幅相检测校正电路处理后输出。
在具体实施例中，可配置滤波器的低通模式设计为可配置范围为200KHz～28MHz的5阶切比雪夫低通滤波器。可配置滤波器的带通模式可设计为带镜像抑制功能的复数带通滤波器，可配置中频与带宽模式。带宽低于200K切换为带通模式，输出中频64KHz±19KHz，128KHz±38KHz。系统设置为低中频工作时，镜像抑制由中频I/Q信号的相位误差和幅度误差决定，其中起主导因素的相位误差是由提供给正交下变频器2的I/Q本振相位误差产生。通过对称的电路版图设计，可确保相位误差小于0.8°。同时，接收机还集成了幅相检测校正电路10，可确保中频I/Q信号的相位误差小于1°，幅度误差小于0.5dB，从而满足复数带通滤波器镜像抑制大于35dB的要求。同时，在接收数据处理模块5中集成了带镜像抑制功能的可编程128阶有限冲击响应FIR滤波器，带宽可调。本发明通过在接收通道中采用模拟滤波器和数字滤波器联合，可实现接收中频选择性要求。
参见图2，在带通模式为128KHz±38KHz时，有源滤波器在中心频率±85KHz处的衰减约为39dB，接收中频选择性可通过两部分电路来实现。首先是可配置滤波器提供带外抑制：≥35dBc@±40KHz，同时在接收数据处理模块5中集成带镜像抑制功能的可编程128阶有限冲击响应FIR滤波器，带宽可调。通过模拟和数字滤波器联合，可实现接收中频选择性要求。
参见图3，在带通模式为64KHz±19KHz时，有源滤波器在中心频率±40KHz处的衰减约为37dB，接收中频选择性可通过两部分电路来实现，首先是可配置滤波器提供带外抑制：≥35dBc@±40KHz，同时在接收数据处理模块5中集成带镜像抑制功能的可编程128阶有限冲击响应FIR滤波器，带宽可调。通过模拟和数字滤波器联合，可实现接收中频选择性要求。
因此，可配置滤波器一、二采用复数滤波器。利用复数滤波器来实现镜像抑制对于简化低中频系统结构和降低功耗等具有显著效果。复数带通滤波器镜像抑制度在模拟域达40dB左右，同时在数字域，在接收数据处理模块5中集成的可编程128阶有限冲击响应FIR滤波器中同样引入镜像抑制结构，使得镜像抑制提高到80dB.在一些通信系统中完全可以取代片外前置的镜像滤波器，可提高系统集成度，而且大大降低了芯片的成本。
本发明支持频分复用FDD和时分复用TDD模式，接收通道中集成复数滤波器的极低中频结构抗干扰窄带语音通道，可以在数据通信模式与语音通信模式进行切换，支持38KHz带宽与68KHz带宽两种语音带宽。双通道发射和接收，可同时接收高线性窄带语音和数据，该接收机可以运用在数字对讲机、卫星电话等应用场景，国内外尚无同类集成产品发布。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种兼容语音通道的宽带接收机，包括接收通道和发射通道；其特征在于：
所述接收通道包括接收通道一、接收通道二以及接收数据处理模块(5)和数据合路及串行接口(6)；接收通道一、接收通道二均包括低噪声放大器(1)、正交下变频器(2)、可配置滤波器一、二(3a、3b)和模数转换器一、二(4a、4b)；
所述发射通道包括发射通道一、发射通道二以及发射数据处理模块(15)和数据分路及串行接口(16)；所述发射通道一、发射通道二均包括数模转换器一、二(14a、14b)、可配置模拟中频滤波器一、二(13a、13b)、正交上变频器(12)和功率驱动放大器(11)；
所述低噪声放大器(1)用于对收到的射频信号进行放大，输出到正交下变频器(2)；
正交下变频器(2)用于利用正交本振信号，将收到的信号通过混频后得到两路相位正交的基带信号，分别输出到可配置滤波器一、二；
可配置滤波器一、二(3a、3b)通过配置接收通道中带宽与增益，分别对收到的信号滤除带宽外的干扰信号后，分别输出到模数转换器一、二；
模数转换器一、二(4a、4b)分别将输入的模拟信号转换为数字信号后输出到接收数据处理模块(5)；
接收数据处理模块(5)对接收通道一和接收通道二的模数转换器一、二输出的数字信号进行数据抽取和有限冲击响应滤波等处理，同时对整个接收通道进行自动增益控制，并将处理后的数据输出到数据合路及串行接口(6)；
数据合路及串行接口(6)用于将并行数据转为串行数据后输出；
数据分路及串行接口(16)用于将接收通道一、接收通道二的基带信号进行串行数据转为并行数据后输出到发射数据处理模块(15)；
发射数据处理模块(15)用于对输入的数字信号进行数据插值，有限冲击响应滤波等处理，同时对发射通道的发射功率进行控制，并将处理后得到的二个接收通道的数据分别输出到接收通道一和接收通道二；接收通道一和接收通道二的数模转换器一、二收到的数据为两路相位正交的基带信号；
数模转换器一、二(14a、14b)分别将收到的基带数字信号转换为模拟信号后，分别输出到可配置模拟中频滤波器一、二(13a、13b)；
可配置模拟中频滤波器一、二(13a、13b)通过配置发射通道中带宽与增益，分别对收到的信号滤除带宽外的时钟频率等干扰信号后，输出到正交上变频器(12)；
正交上变频器(12)将两路相位正交的基带信号通过混频后得到频率较高的射频信号，输出到功率驱动放大器(11)；
功率驱动放大器(11)对收到的信号进行功率放大后输出，以驱动下一级负载的放大器。
2.根据权利要求1所述的一种兼容语音通道的宽带接收机，其特征在于：所述宽带接收机内还设置有幅相检测校正电路(10)，所述幅相检测校正电路(10)对接收通道和发射通道的直流失调、相位幅度失调进行校正，对输入和输出的信号幅度进行检测，以及对工艺离散、温度变化导致的参数变化进行自动调谐。
3.根据权利要求1或2所述的一种兼容语音通道的宽带接收机，其特征在于：所述宽带接收机内还设置有时钟分配电路(7)、时钟锁相环(8)和本振锁相环(9)；
所述时钟分配电路(7)根据接收机的工作模式，将时钟与本振信号分配给接收机的各个电路单元；
时钟锁相环(8)产生接收机内各个电路单元所需要的时钟信号；
本振锁相环(9)产生正交上变频器(12)和正交下变频器(2)所需要的本振信号。
4.根据权利要求1或2所述的一种兼容语音通道的宽带接收机，其特征在于：所述宽带接收机内还设置有片上基准及稳压电路(17)；所述片上基准及稳压电路(17)用于为电路单元提供基准电压、基准电流以及提供稳压。
5.根据权利要求1或2所述的一种兼容语音通道的宽带接收机，其特征在于：所述宽带接收机内还设置有总线及接口电路(18)；所述总线及接口电路(18)用于提供总线控制接口电路。
6.根据权利要求1或2所述的一种兼容语音通道的宽带接收机，其特征在于：可配置滤波器一、二(3a、3b)的低通模式采用低通滤波器，带通模式采用带镜像抑制功能的复数带通滤波器；同时接收数据处理模块(5)中设置有带镜像抑制功能的可编程有限冲击响应滤波器。
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