CN114124120B - 一种接收机以及通信装置 - Google Patents

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CN114124120B CN202111187646.1A CN202111187646A CN114124120B CN 114124120 B CN114124120 B CN 114124120B CN 202111187646 A CN202111187646 A CN 202111187646A CN 114124120 B CN114124120 B CN 114124120B
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Abstract

本申请公开了一种接收机以及通信装置，该接收机包括：量化噪声消除电路、量化器以及处理电路，量化噪声消除电路用于接收第一射频信号与第一参考电压信号，基于第一参考电压信号对第一射频信号进行降噪处理，得到第二射频信号；量化器与量化噪声消除电路连接，用于对第二射频信号进行量化，得到编码信号，基于编码信号生成相应的第一参考电压信号，其中，量化噪声消除电路与量化器构成闭环电路；处理电路与量化器连接，用于对编码信号进行处理，得到通信数据信号，其中，通信数据信号的长度大于编码信号的长度。通过上述方式，本申请能够提升接收机的动态范围，从而提升接收机的带外抑制能力。

Description

一种接收机以及通信装置
技术领域
本申请涉及通信技术领域，具体涉及一种接收机以及通信装置。
背景技术
目前无线通信接收机绝大部分使用的是超外差式接收机，对于这种结构的接收机来说在短波和超短波的宽频段应用中射频前端体积较大，不利于产品的小型化、数字化以及集成化。有些产品在射频前端进行数字化处理，但由于现有的模数转换器(Analog-Digital-Converter，ADC)提供的信噪比动态范围非常有限，比如：当前性能最好的ADC能够提供84dB的动态范围，大大降低了接收机的带外抑制能力，无法满足需要；虽然可以利用射频数字化接收机来换取采样增益，以弥补ADC动态范围的不足，扩大数字接收机的动态范围，但是这样的方案只适用于窄带应用，在带宽大于1MHz的应用场景中成本与功耗都较高。
发明内容
本申请提供一种接收机以及通信装置，能够接收机的动态范围，从而提升接收机的带外抑制能力。
为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案是：提供一种接收机，该接收机包括：量化噪声消除电路、量化器以及处理电路，量化噪声消除电路用于接收第一射频信号与第一参考电压信号，基于第一参考电压信号对第一射频信号进行降噪处理，得到第二射频信号；量化器与量化噪声消除电路连接，用于对第二射频信号进行量化，得到编码信号，基于编码信号生成相应的第一参考电压信号，其中，量化噪声消除电路与量化器构成闭环电路；处理电路与量化器连接，用于对编码信号进行处理，得到通信数据信号，其中，通信数据信号的长度大于编码信号的长度。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一技术方案是：提供一种通信装置，该通信装置包括接收机，接收机用于接收射频信号并进行处理，生成通信数据信号，其中，接收机为上述技术方案中的接收机。
通过上述方案，本申请的有益效果是：本申请所提供的接收机包括量化噪声消除电路、量化器以及处理电路，量化噪声消除电路可接收第一射频信号与量化器输出的第一参考电压信号，根据该第一参考电压信号对第一射频信号进行降噪处理，生成第二射频信号；量化器可对量化噪声消除电路输出的第二射频信号进行量化以生成编码信号，并利用该编码信号生成新的第一参考电压信号，然后传输至量化噪声消除电路，形成一个闭合环路；处理电路可对量化器输出的编码信号进行处理，生成通信数据信号，从而完成信号的接收与还原，通信数据信号的长度大于编码信号的长度，由于编码信号的长度较短，编码信号的长度越短接收机的动态范围越大，因而能够通过使用长度较小的编码信号来提升接收机的动态范围，动态范围越大，带外抑制能力越强，因而可提升接收机的带外抑制能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本申请提供的接收机一实施例的结构示意图；
图2是本申请提供的接收机另一实施例的结构示意图；
图3(a)是本申请提供的环路滤波器的零极点图；
图3(b)是图3(a)对应的环路滤波器的频率响应图；
图4是图2所示的实施例中可变参考电压源、第二加法器、4个比较器以及编码器的连接示意图；
图5是本申请提供的数字重建滤波器的频率响应曲线图；
图6(a)是本申请提供的环路滤波器的另一零极点图；
图6(b)是图6(a)对应的环路滤波器的频率响应图；
图7是本申请提供的量化器输出的信号的频谱示意图；
图8是本申请提供的通信装置一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，图1是本申请提供的接收机一实施例的结构示意图，该方法包括：量化噪声消除电路11、量化器12以及处理电路13。
量化噪声消除电路11用于接收第一射频信号与第一参考电压信号，基于第一参考电压信号对第一射频信号进行降噪处理，得到第二射频信号；具体地，该第一参考电压信号为量化器12输出的信号，第一射频信号为外部设备发送的信号，其可为接收机通过内置天线(图中未示出)接收到的信号，或者是通过外置天线接收到信号；量化噪声消除电路11可在接收到第一射频信号与第一参考电压信号后，可结合第一参考电压信号对第一射频信号进行降噪处理，以滤除第一射频信号中夹杂的干扰信号，得到第二射频信号；例如，量化噪声消除电路11包括低通滤波器，该低通滤波器可滤除第一射频信号中夹杂的低频信号，保证流入后续电路的信号的纯净度。
量化器12与量化噪声消除电路11连接，其用于对第二射频信号进行量化得到编码信号，并基于编码信号生成相应的第一参考电压信号；具体地，编码信号的长度较小，比如，编码信号的长度可以为2～3比特，量化噪声消除电路11与量化器12构成闭环电路，量化器12可基于编码信号生成相应的第一参考电压信号，并将该第一参考电压信号输入至量化噪声消除电路11，使得量化噪声消除电路11根据当前的第一参考电压信号对第一射频信号进行噪声消除处理，实现闭环调整，尽可能地滤除第一射频信号中的干扰信号，保证有用信号进入处理电路13。
处理电路13与量化器12连接，其用于对编码信号进行处理，得到通信数据信号；具体地，处理电路13在接收到量化器12输出的编码信号后，可对该编码信号进行滤波、下变频、解调或译码等，生成通信数据信号，该通信数据信号的长度大于编码信号的长度，即通信数据信号的长度较大，比如，通信数据信号的长度可以为18～24比特。
本实施提供了一种接收机，该接收机包括量化噪声消除电路、量化器以及处理电路，量化噪声消除电路与量化器构成闭合电路，量化噪声消除电路可根据量化器输出的第一参考信号来对第一射频信号进行噪声消除处理，生成第二射频信号，该第二射频信号输入至量化器，经量化器处理后生成编码信号，该编码信号可分成两路，一路编码信号被量化器处理后生成新的第一参考信号，该新的第一参考信号输入至量化噪声消除电路，循环往复，另一路编码信号输入至处理电路，经处理电路处理后生成通信数据信号，完成对信号的接收；由于编码信号的长度较短，而编码信号的长度越短接收机的动态范围越大，因而能够提升接收机的动态范围；本实施所提供的接收机在频率覆盖系数很大的应用场景中，例如包含容短波和超短波的宽频段应用中，容易实现集成化以及小型化，可缩小整体体积并降低成本，尤其是目前某些领域对频段的要求越来越高，已经出现覆盖2MHz～2000MHz的产品，对于这种宽频段的产品来说本实施例所提供的接收机的优势更为明显。
请参阅图2，图2是本申请提供的接收机另一实施例的结构示意图，该方法包括：量化噪声消除电路11、量化器12以及处理电路13。
量化噪声消除电路11包括：第一加法器111、第一滤波器112以及第二加法器113。
第一加法器111用于将第一射频信号、量化器12输出的第一参考电压信号以及第一滤波器112输出的滤波信号叠加，并将叠加后的信号输入至第一滤波器112。第一滤波器112与第一加法器111连接，其用于对第一加法器111输出的信号进行滤波得到滤波信号，并将滤波信号输入至第一加法器111以及第二加法器113。第二加法器113与第一滤波器112连接，其用于将滤波信号与第一射频信号进行叠加，得到第二射频信号。
进一步地，第一滤波器112为环路滤波器，其作用是对量化噪声进行抑制，同时让有用信号无失真地通过；可定义信号传输函数为STF(z)，噪声传输函数为NTF(z)，环路滤波器的传输函数为L(z)，由图2可以得到以下关系式：
环路滤波器可以为巴特沃斯滤波器或者切比雪夫滤波器，环路滤波器的阶数可以根据具体应用需要进行设置，阶数需为偶数，比如，其阶数可以为4；量化噪声传输函数记作QNTF，其表达式如下所示：
其中，N为环路滤波器的阶数，Zi为环路滤波器的零点，Pi为环路滤波器的极点。
以环路滤波器的阶数为6、过采样率(Oversampling Rate，OSR)为32为例进行说明，量化噪声传输函数如下所示：
上式对应的零极点图与频率响应图分别如图3(a)与图3(b)所示，由图3(a)与图3(b)可以看出，环路滤波器有两组共轭的零点和极点，在信号的通带内对量化噪声呈现带阻特性，将量化噪声推到带外，实现滤除量化噪声，生成不包含或包含较少干扰的射频信号。
量化噪声消除电路11实现了两个功能，将第一射频信号中包含的有用信号无失真地传输到量化器12，同时将频带内的量化噪声推到远端，以便使用数字滤波器重建有用信号并大幅地抑制量化噪声，提高数字信号的信噪比动态范围，而且由于采用前馈结构，接收机中的模拟部分结构比较简单且易实现。
量化器12包括可变参考电压源121、多个比较器122以及编码器123，可变参考电压源121与第一加法器111连接，其用于产生第一参考电压信号，并将第一参考电压信号输入至第一加法器111，第一参考电压信号为反馈信号，即可变参考电压源121可以为第一加法器111提供与编码器123输出的量化数值对应的反馈电压。
可变参考电压源121还可基于第一参考电压信号与预设数量，得到第二参考电压信号，该第一参考电压信号的幅度值是可调的，其跟随编码器123输出的编码信号的幅度值变化，当编码信号的幅度值较大时，第一参考电压信号的幅度值增大，当编码信号的幅度值较小时，第一参考电压信号的幅度值减小，由于第一参考电压信号的幅度值动态可调，不仅增大了接收机的动态范围，还起到了自动增益控制的作用，省去了前端复杂的自动增益控制电路。
另外，可变参考电压源121可以为比较器122提供第二参考电压信号，第二参考电压信号包括多个子参考信号，每个比较器122对应一个子参考信号，每个比较器122对应的子参考信号的幅度值不同，比较器122可以为模拟比较器；每个比较器122与第二加法器113以及可变参考电压源121连接，其用于对第二射频信号与可变参考电压源121输出的相应的子参考信号进行比较，得到比较结果。编码器123与每个比较器122连接，其用于对多个比较结果进行编码，得到编码信号。
进一步地，比较结果为二进制信号，编码器123可以对该二进制信号进行编码，输出相应的编码信号；预设数量为比较器122的数量，第一参考电压信号的幅度值与预设数量的商为幅度间隔值，子参考信号的幅度值为幅度间隔值与比较器122的编号值的乘积，编号值大于/等于1且小于/等于预设数量；例如，如图4所示，预设数量为4，即可变参考电压源121分别与4个比较器122a-122d连接，可变参考电压源121生成第一参考信号V1与4个子参考信号V21-V24，第一个比较器122a接收到的子参考信号记作V21，第二个比较器122b接收到的子参考信号记作V22，第三个比较器122c接收到的子参考信号记作V23，第四个比较器122d接收到的子参考信号记作V24；假设第一参考信号V1的幅度值为1V，则幅度间隔值为0.25V，子参考信号V21的幅度值可以为0.25V，子参考信号V22的幅度值可以为0.5V，子参考信号V23的幅度值可以为0.75V，子参考信号V21的幅度值可以为1V。
在一具体的实施例中，如果比较器122的数量为M个，则编码器123输出的编码信号的值有(M+1)个，即存在(M+1)个量化数值，例如，比较器122的数量为4个，它们的参考电压分别为+3u、+1u、-1u以及-3u，对应的5个量化数值依次为+4、+2、0、-2以及-4，编码器123可以根据比较器122输出的比较结果得到量化数值，它们之间的映射关系如下所示：
比较结果 量化数值
1111 +4
0111 +2
0011 0
0001 -2
0000 -4
继续参阅图2，接收接还包括天线14、第二滤波器15、限幅器16以及放大器17。
天线14用于接收第一射频信号；第二滤波器15与天线14连接，其用于对第一射频信号进行滤波；具体地，第二滤波器15可以为调谐滤波器，其可对从天线14接收到的第一射频信号进行滤除，实现对带外信号进行抑制，调谐滤波器的通带带宽如下所示：
Bw＝D*Fc/OSR (5)
其中，OSR为过采样率，Fc为载波频率，D为采样率与载波频率的比值，即Fs＝D*Fc，Fs为采样率，归一化中心频率为Fn，Fn＝1/D。
限幅器16与第二滤波器15以及放大器17连接，其用于将第二滤波器15输出的信号的幅度限制在预设幅度范围内，该预设幅度范围可以根据具体应用需要进行设置。
放大器17通过限幅器16与第二滤波器15连接，其用于对第二滤波器15输出的信号进行放大，并输出放大后的信号至量化噪声消除电路11；具体地，放大器17可以为低噪声放大器，低噪声放大器的增益可以根据接收机的灵敏度来设置，考虑到补偿接收通道的信号插损，可以将低噪声放大器的增益设置为10～30dB。
处理电路13包括：第三滤波器131、混频器132、下变频器133、解调器134以及译码器135。
第三滤波器131与编码器123连接，其用于对编码信号进行滤波处理与扩位处理，编码信号的长度小于第三滤波器131输出的信号的长度；具体地，第三滤波器131为数字重建滤波器，其作用是提取带内有用信号，同时抑制掉带外的量化噪声，实现了用小位宽的量化器12也能取得更高的信噪比动态范围，数字重建滤波器的运算位宽可根据具体应用需求进行扩位，通常可以扩展到18比特以上；数字重建滤波器的实现方式可以使用非递归型滤波器(Finite Impulse Response，FIR)，如果对相位线性要求不高也可以使用阶数更低的递归滤波器(Infinite Impulse Response，IIR)；数字重建滤波器的归一化中心频率为0.25，其对应的通带带宽、阻带衰减以及带内波动等指标可以根据实际应用场景进行调整。
混频器132与第三滤波器131连接，其用于对第三滤波器131输出的信号与本振信号进行混频处理，生成中频信号；具体地，混频器132为数字正交混频器，本振信号可以为复载波信号，比如：该复载波信号的实部为{1，0，-1，0}，其虚部为{0，-1，0，1}。
下变频器133与混频器132连接，其用于对中频信号进行下变频处理，得到基带信号；具体地，下变频器133可以为低通滤波器，该低通滤波器可对远端的量化噪声进一步抑制，同时当前采样率相对于信号带宽来说较高，需要进行低通滤波抽取，将采样率降到解调采样率，可采用积分梳状级联滤波器(Cascaded integrator comb filter，CIC)或半带滤波器(Half-Band Filter，HB)等类型的滤波器，然后再完成后续的解调与译码等操作。
解调器134与下变频器133连接，其用于对基带信号进行解调，得到解调信号；译码器135与解调器134连接，其用于对解调信号进行译码，生成通信数据信号。
在一具体的实施例中，以现有短波(High Frequency，HF)和超短波(Very HighFrequency，VHF)产品为例，短波频段为2～30MHz，超短波频段为30～88MHz，可使用本方案替代现有的接收机，并将短波频段和超短波频段的接收机集成到一起，具体参数如下所示：
1.工作频段：2MHz～88MHz。
2.滤波器阶数：ORDER＝4。
3.过采样率：OSR＝32。
4.量化电平数：N_LEV＝5。
5.采样率：Fs＝4*Fc。
归一化中心频率为0.25，即工作在采样频率的四分之一，同时也是载波信号的频率，可以理解地，还可以根据具体应用需要调整归一化中心频率；采用上述参数进行测试可以得到如图5所示的数字重建滤波器的频率响应曲线图，图5(a)表征归一化频率与幅度之间的关系，图5(b)表征归一化频率与相位之间的关系；图6(a)为环路滤波器的零极图，图6(b)为环路滤波器的频率响应曲线图。
当使用一个单音信号作为射频信号输入到本实施例所提供的接收机时，可得到如图7所示的量化器12输出的信号的频谱图，从图7可以看出信号的最小值为16.12dB，信号的最大值为156.5d，即信号的无杂散动态范围达到140dB，使用18比特位宽的数字滤波器重建信号后可以获得108dB的信噪比动态范围，该信噪比动态范围较大，能够满足多个领域对边带抑制的要求。
现有无线通信接收机一般包括射频放大、滤波、混频、中频滤波、放大、模数转换、数字解调或译码等模块，以便完成数字信息的还原；本实施例包含调谐滤波器、低噪声放大器17、量化噪声消除电路11、可变参考电压源121、多个模拟比较器以及编码器123，后续的处理器件可布置在数字处理芯片中，本实施例采用现场可编程逻辑门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)或特殊应用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)作为处理电路13，能够取得和传统结构一样的接收性能。
本申请中的接收机可应用在电台领域或集群通信领域，所采用的方案取消了传统的ADC以及混频滤波电路，第一射频信号经调谐滤波以及放大后，经过一个量化噪声消除电路、2b个并行比较器(b为量化比特数)、二进制编码器、数字重建滤波器、数字正交混频器、下变频器、解调器以及译码器，能够获得100dB以上的信噪比动态范围；此外，本申请设置有可变参考电压源，可根据编码信号的信号强度动态调整各个比较器的参考电压，增大动态范围的同时，还起到了自动增益控制的作用，省去了接收机中复杂的增益控制电路；而且接收机工作的归一化中心频率是一个固定值，接收不同频率的射频信号时只需修改数字采样时钟频率即可，能够进行量化噪声消除，同时还降低了接收机中模拟电路的复杂度，将更多的信号处理转移到数字部分，可使用FPGA或者ASIC等进行数字化处理，易于集成化与小型化。
请参阅图8，图8是本申请提供的通信装置一实施例的结构示意图，通信装置80包括接收机81，接收机81用于接收射频信号，并进行处理，生成通信数据信号，其中，接收机81为上述实施例中的接收机。
本实施例中的通信装置能够集成频率覆盖系数较高的接收机，比如，可集成频率为2MHz～2200MHz的接收机，能够应用于中电台领域，而且电路器件较小，容易实现集成化与小型化。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种接收机，其特征在于，包括：
量化噪声消除电路，用于接收第一射频信号与第一参考电压信号，基于所述第一参考电压信号对所述第一射频信号进行降噪处理，得到第二射频信号；
量化器，与所述量化噪声消除电路连接，用于对所述第二射频信号进行量化，得到编码信号，基于所述编码信号生成相应的第一参考电压信号，并将所述第一参考电压信号输入至所述量化噪声消除电路；其中，所述量化噪声消除电路与所述量化器构成闭环电路；
处理电路，与所述量化器连接，用于对所述编码信号进行处理，得到通信数据信号，其中，所述通信数据信号的长度大于所述编码信号的长度；
天线，用于接收所述第一射频信号；
第二滤波器，与所述天线连接，用于对所述第一射频信号进行滤波；
放大器，与所述第二滤波器连接，用于对所述第二滤波器输出的信号进行放大，并输出放大后的信号至所述量化噪声消除电路；
限幅器，与所述第二滤波器以及所述放大器连接，用于将所述第二滤波器输出的信号的幅度限制在预设幅度范围内。
2.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述量化噪声消除电路包括：
第一加法器，用于将所述第一射频信号、第一参考电压信号以及滤波信号叠加；
第一滤波器，与所述第一加法器连接，用于对所述第一加法器输出的信号进行滤波，得到滤波信号；
第二加法器，与所述第一滤波器连接，用于将所述滤波信号与所述第一射频信号进行叠加，得到第二射频信号。
3.根据权利要求2所述的接收机，其特征在于，
所述量化器包括可变参考电压源，所述可变参考电压源与所述第一加法器连接，用于产生所述第一参考电压信号，并将所述第一参考电压信号输入至所述第一加法器，基于所述第一参考电压信号与预设数量，得到第二参考电压信号。
4.根据权利要求3所述的接收机，其特征在于，所述第二参考电压信号包括多个子参考信号，所述量化器还包括：
多个与所述子参考信号对应的比较器，每个所述比较器与所述第二加法器以及所述可变参考电压源连接，用于对所述第二射频信号与所述可变参考电压源输出的相应的子参考信号进行比较，得到比较结果，其中，每个所述比较器对应的子参考信号的幅度值不同；
编码器，与每个所述比较器连接，用于对多个所述比较结果进行编码，得到所述编码信号。
5.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，
所述预设数量为所述比较器的数量，所述第一参考电压信号的幅度值与所述预设数量的商为幅度间隔值，所述子参考信号的幅度值为所述幅度间隔值与所述比较器的编号值的乘积，其中，所述编号值大于/等于1且小于/等于所述预设数量。
6.根据权利要求4所述的接收机，其特征在于，
所述比较结果为二进制信号，所述编码器用于对所述二进制信号进行编码，输出相应的编码信号。
7.根据权利要求1所述的接收机，其特征在于，所述处理电路包括：
第三滤波器，与编码器连接，用于对所述编码信号进行滤波处理与扩位处理，其中，所述编码信号的长度小于所述第三滤波器输出的信号的长度；
混频器，与所述第三滤波器连接，用于对所述第三滤波器输出的信号与本振信号进行混频处理，生成中频信号；
下变频器，与所述混频器连接，用于对所述中频信号进行下变频处理，得到基带信号；
解调器，与所述下变频器连接，用于对所述基带信号进行解调，得到解调信号；
译码器，与所述解调器连接，用于对所述解调信号进行译码，生成所述通信数据信号。
8.一种通信装置，其特征在于，包括接收机，用于接收射频信号并进行处理，生成通信数据信号，其中，所述接收机为权利要求1-7中任一项所述的接收机。
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