CN115118292A - 一种超宽带接收机及其射频信号采样方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带接收机及其射频信号采样方法和装置，方法包括：将模拟输入信号功分为n组；每一组信号分别经过各自的低噪声放大器后再功分为k+1路；k+1路模拟输入信号中的一路通过滤波后输出ADC模拟输入信号宽带内的频段信号，k路分别通过滤波和混频以将模拟输入信号在ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号均混频到ADC模拟输入信号带宽以内，之后将k+1路ADC模拟输入信号带宽以内的信号功率合成一路信号；将每组功率合成的信号经ADC数字采样后，输入至数字处理单元进行解析得到全频段信号；本发明在现有的采样率下，实现了超宽带模拟信号的直接采样数字化。

Description

一种超宽带接收机及其射频信号采样方法和装置

技术领域

本发明属于集成电路设计与制造、电子设备设计与制造、信号处理技术等领域，具体涉及一种超宽带接收机及其射频信号采样方法和装置。

背景技术

目前信号接收机装置采用射频采样模拟数字转换器（RF-ADC）对射频信号进行采样以进行模数转换，然而现有的ADC受到采样率和模拟输入信号宽带的限制，即频段低于ADC模拟输入信号带宽信号能够被ADC有效接收，超过ADC模拟输入信号带宽部分信号无法被有效接收；信息宽带不超过采样率0.5倍能够被全部还原，超过采样率0.5倍则无法被有效还原，从而导致射频信号接收机接收信号带宽受限制。

现有对射频信号接收机的接收带宽进行拓展的技术，也仅仅是能对某些高频信号进行接收，然而其仍然受到信息宽带不超过采样率0.5倍（即奈奎斯特采样定理或香农采样定理）的限制，无法实现超宽带模拟信号的直接采样数字化。

发明内容

因此为了解决现有信息宽带不超过ADC采样率0.5倍的限制，无法实现超宽带模拟信号的直接采样数字化的问题。本发明提供了一种超宽带接收机的射频信号采样方法，本发明在现有的采样率下，实现模拟信号接收宽带超过ADC模拟输入信号宽带几倍甚至几十倍以上，同时信息宽带可以超过采样率的几倍甚至几十倍以上，实现了超宽带模拟信号的直接采样数字化。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超宽带接收机的射频信号采样方法，包括：

将模拟输入信号功分为n组，n为大于等于2的整数；

每一组信号分别经过各自的低噪声放大器后再功分为k+1路，k为大于等于0的整数；

k+1路模拟输入信号中的一路通过滤波后输出ADC模拟输入信号宽带内的频段信号，k路分别通过滤波和混频以将模拟输入信号在ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号均混频到ADC模拟输入信号带宽以内，之后将k+1路ADC模拟输入信号带宽以内的信号功率合成一路信号；

将每组功率合成的信号经ADC数字采样后，输入至数字处理单元进行解析得到全频段信号；

每组中k路混频本振信号频率各不相同，且n组中至少两组的本振信号族的频率不相同不重合；

n组ADC中至少两组的ADC采样率不相同。

作为优选实施方式，本发明的解析处理具体为：

首先，对每组的ADC输出信号进行非线性均衡处理；

然后，对n组信号进行奈奎斯特区调制处理和混频区调制处理，即对输入信号的各频率区段进行相应的奈奎斯特区频率搬移和混频区频率搬移，实现输入信号每个频率区段的频率位置恢复和信号复原；所述奈奎斯特区为ADC模拟输入信号宽带以内以0.5倍采样频率为带宽宽度的频率区段划分；所述混频区为模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号，按照本振频率来进行混频区段划分；

最后，对n组信号进行非均匀采样合路处理，将各个奈奎斯特区、混频区的信息恢复。

作为优选实施方式，本发明的非线性均衡处理具体为：

对每组ADC的整个接收链路进行非线性校准，以降低接收链路的非线性失真。

作为优选实施方式，本发明的非均匀采样合路处理具体为：将经过频率搬移和复原后的n组各频率区段信号进行非均匀采样合路拼接，各个频率区段内的信号并行恢复出来；非本频率区段内的信号为影像折叠信号，在非均匀采样合路时被扩频打散。

第二方面，本发明提出了一种超宽带接收机的射频信号采样装置，包括功分器、n条接收链路和数字处理单元；n为大于等于2的整数；

其中，所述功分器将模拟输入信号功分为n组信号，每一组信号输入给对应的接收链路；

第i条所述接收链路将模拟输入信号通过低噪声放大电路后功分为k+1路信号，k+1路信号中的一路输入到滤波器滤波处理后输出模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以内的频段信号，k路分别输入到各自的滤波器和混频单元将模拟输入信号在ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号均混频到ADC模拟输入信号宽带以内，该条接收链路的功率合成器将k+1路ADC模拟输入信号宽带以内的频段信号合成一路信号，该条接收链路的ADC将功率合成器合成的一路信号进行数字采样；i为大于等于1小于等于n的整数；k为大于等于0的整数；

所述数字处理单元对n条接收链路的ADC数字采样后的信号进行解析得到全频段信号；

每条所述接收链路中的k路混频本振信号频率各不相同，且n条接收链路中至少两条的本振信号族的频率不相同不重合；

n条接收链路中至少两条的ADC采样率不相同。

作为优选实施方式，本发明的每条所述接收链路的所述混频单元，混频器将滤波器输出的模拟输入信号中ADC模拟输入信号带宽以外的频段信号与混频本振信号进行混频，把信号混频到ADC的模拟输入信号带宽以内，以便ADC能够进行数字量化；

作为优选实施方式，本发明的数字处理单元包括非线性均衡处理模块、调制模块和非均匀采样合路模块；

其中，所述非线性均衡处理模块用于对每条接收链路的ADC输出信号进行非线性均衡处理；

所述调制模块对n路信号进行奈奎斯特区调制处理和混频区调制处理；所述奈奎斯特区为ADC模拟输入信号宽带以内以0.5倍采样频率为带宽宽度的频率区段划分，所述混频区为模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号，根据本振频率划分的宽度小于等于ADC模拟输入信号宽带的各个频率区段；

所述非均匀采样合路模块对n路信号进行非均匀采样合路处理，将各个奈奎斯特区、混频区的信息恢复。

第三方面，本发明提出了一种超宽带接收机，采用本发明上述采样装置进行射频信号接收。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明通过混频方式将高于ADC模拟输入信号带宽的信号混频为低于ADC模拟输入信号带宽的信号，与低于ADC模拟输入信号带宽的信号一同送入ADC进行数字化转换，并由数字化处理单元进行解析得到全频段信号输出。本发明突破了射频采样模拟数字转换器的模拟输入信号带宽和信息带宽的限制，能够实现超宽带模拟信号的直接采样数字化。

采用本发明上述方法实现的超宽带接收机，相较于现有的接收机装置，具有带宽更宽、动态范围大、硬件设备量和复杂度更小的优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的射频信号采样装置原理框图。

图2为本发明实施例的射频信号采样装置示例一。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

为了克服射频采样模拟数字转换器（RF-ADC）的模拟输入信号带宽和信息带宽的限制，本实施例提供了一种超宽带接收机的射频信号采样方法，具体包括如下步骤：将模拟输入信号功分为n组（n为大于等于2的整数）；然后每一组信号被送入各自的低噪声放大器中，之后由功分器把该组信号功分为k+1路（k为大于等于0的整数，k的大小由模拟信号接收带宽和ADC模拟输入信号带宽确定），其中一路模拟输入信号通过滤波器使得模拟输入信号的ADC模拟输入信号带宽内的频段通过，其他k路模拟输入信号分别通过各自的滤波器使得模拟输入信号在ADC模拟输入信号带宽以外的频段信号通过并通过各自的混频单元混频到ADC模拟输入信号带宽内，将k+1路ADC模拟输入信号带宽内的信号功率合成一路信号，送给各组的ADC进行数字化采样；最后将n组经ADC数字化采样后的数字化信号输入到数字处理单元进行解析得到全频段信号输出。n组ADC中至少两组ADC的采样率不相同，每组的混频本振信号族的频率各不相同，且n组中至少有两组的本振信号族的频率不相同不重合。

本实施例中的解析处理具体为：对每组的ADC输出信号进行非线性均衡处理，即对每组ADC的整个接收链路进行非线性校准，包括放大器、混频器、ADC等引起的非线性失真，以降低接收链路的谐波、互调、杂散等非线性失真；然后对n组信号进行奈奎斯特区调制处理和混频区调制处理，最后进行非均匀采样合路处理，就可以将各个奈奎斯特区、混频区的信息全部同时并行输出，实现全带宽信息的数字采样。

奎斯特区为ADC模拟输入信号宽带以内以0.5倍采样频率为带宽宽度的频率区段划分，如采样频率为fs，ADC模拟输入信号带宽内的0至0.5*fs频率区段为第一奈奎斯特区，ADC模拟输入信号带宽内的0.5*fs至fs频率区段为第二奈奎斯特区，ADC模拟输入信号带宽内的fs至1.5*fs频率区段为第三奈奎斯特区，奈奎斯特区如此划分下去；混频区为模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号，按照本振频率来进行混频区段划分，如ADC模拟输入信号带宽为9GHz，混频1路的本振频率为F_Lo_1，输入信号在9GHz至F_Lo_1这个频率区段宽度小于等于9GHz的区段为混频区一，输入信号在F_Lo_1至F_Lo_1 + 9GHz这个频率区段宽度小于等于9GHz的区段为混频区二；混频2路的本振频率为F_Lo_2，输入信号在F_Lo_2 - 9GHz至F_Lo_2这个频率区段宽度小于等于9GHz的区段为混频区三，输入信号在F_Lo_2 至F_Lo_2 + 9GHz这个频率区段宽度小于等于9GHz的区段为混频区四，混频区如此划分下去。奈奎斯特区调制处理和混频区调制处理具体为：对输入信号的各频率区段进行相应的奈奎斯特区频率搬移和混频区频率搬移，实现输入信号每个频率区段的频率位置恢复和信号复原；非均匀采样合路处理具体为：将经过频率搬移和复原后的n组各频率区段信号进行非均匀采样合路拼接，各个频率区段内的信号并行恢复出来，非频率区段内的信号为影响折叠信号，在非均匀采样合路时被扩频打散。

本实施例中模拟输入信号的带宽很宽，远远超过ADC采样率的0.5倍，那么在每组ADC采样量化时必然会产生多奈奎斯特区信号的频域影像折叠，产生信号的频域重叠现象。虽然多奈奎斯特区和多混频区信号的信号在采样时产生信号频域重叠，但由于至少两组混频的本振信号族频率不相同，至少两组ADC的采样频率不相同，各区信号频域重叠但各区信号的奈奎斯特区信息和混频区信息还在，因此可对不同奈奎斯特区和混频区的信息进行并行恢复，即每个奈奎斯特区和混频区进行相应的频率搬移调制，这样在混频本振频率不同和ADC采用率不同的两个或几个组里，信号在进行奈奎斯特区频率搬移和混频区频率搬移后，恢复区的信号是频率相同、相位相同、幅度也相同的，而非恢复区的信号（即影像折叠信号）在频率搬移后频率是不同的，对混频本振频率不同和ADC采样频率不同的两个或几个组进行非均匀采样合路处理，恢复区信号不变，非恢复区信号（影像折叠信号）由于频率不同被跳频打散，产生扩频效应，从而影像折叠信号被消除和降低，恢复区信号得以保留，通过来回恢复和去除几次，可以进一步降低影响折叠信号，从而高质量的恢复全带宽信息。

本实施例采用如图1所示的装置实现超宽带模拟信号的直接采样数字化。该装置主要由功分器、n条接收链路（接收链路主要包括低噪声放大器、滤波器、混频单元、功率合成器、ADC）和数字处理单元等构成。

其中，功分器将模拟输入信号分路成n组信号，每一组信号输入给各自的低噪声放大电路，低噪声放大电路对该在信号进行处理后送入功分器分为k+1路，根据模拟输入信号超过ADC的模拟输入信号带宽的频段需要混频到ADC模拟带宽以内的情况确定k的值，保证所有输入模拟信号频段都能混频到ADC的模拟输入信号带宽以内。k+1路信号中，第1路信号输入至滤波器0，滤波器0将模拟输入信号滤波取ADC模拟输入信号带宽以内这个频段的信号，例如ADC模拟输入信号带宽为9GHz，则滤波器0将模拟输入信号中大于等于9GHz的信号滤除，得到小于9GHz的信号；第2-（k+1）路信号分别送入滤波器1至滤波器k中，滤波器1至滤波器k将模拟输入信号超过ADC模拟输入信号带宽的频段输入至各自的混频单元混频到ADC模拟输入信号带宽以内，之后将第1路ADC模拟输入信号频带内的信号（即经滤波器0输出的信号）与k路经混频后的信号通过功率合成器合成一路信号，这样就把模拟输入信号所有频段的信号均变频到ADC的模拟输入信号宽带以内了，然后将合路后的信号送给各组的ADC进行数字化采样，最后，将n组ADC数字化采样后的信号送入数字处理单元进行解析，从而得到全频段的信号输出。

每组的混频本振信号组的频率各不相同，例如第1组本振信号族LO_1_1至LO_1_k的频率各不相同；第n组本振信号族LO_n_1至LO_n_k的频率各不相同，n组中至少有两组的本振信号族的频率不相同不重合。

本实施例中，n组ADC中至少两组ADC采样率不相同。

本实施例的数字处理单元可以基于FPGA或者ASIC实现。数字处理单元对每组信号进行非线均衡性处理，压低谐波、互调、杂散等非线性失真；然后进行奈奎斯特区调制处理、混频区调制处理，再进行非均匀采样合路，就可以将各个奈奎斯特区、混频区的信息全部同时并行输出，实现全带宽信息的数字采样。

本发明实施例基于多奈奎斯特区调制、多混频区调制和非均匀采样合路处理，来实现超过ADC模拟输入信号带宽范围几倍甚至几十倍，且超过ADC采用率带宽几倍甚至几十倍以上的超宽带接收机。

本发明实施例采用至少两组不同的本振频率和不同的ADC采样率，经奈奎斯特区频率搬移调制和混频区频率搬移调制后，恢复区信号的频率、幅度和相位相同，非恢复区的信号（影像折叠信号）频率不相同，这样进行非均匀采样合路处理后，恢复区信号会保留下来，非恢复区信号（影像折叠信号）会被调频产生扩频效应，从而降低影像折叠信号，全带宽信息得以恢复。例如：模拟输入的宽带信号，ADC采样量化后第一奈奎斯特区的信号和多奈奎斯特区、多混频区的影像折叠信号功率相等，两组的本振频率相差1GHz，ADC采样率相差100MHz，非均匀采样合路处理的交错重组合路频率100MHz，那么非恢复区信号的影像折叠抑制0dB - 10*log10（100*10^6）= -80dB/Hz，如果来回恢复和去除两次，影像折叠抑制达到-160dB/Hz，将不影响恢复区信号和ADC的噪底密度，对超宽带信号恢复和ADC信噪比不产生负面影响。

本实施例还提出了一种超宽带接收机，该超宽带接收机采用上述信号采样装置对超宽带信号进行接收。

实施例2

本实施例以图2所示的接收0.8GHz~18GHz信号的超宽带接收机为例对上述实施例进行说明。

如图2所示，本实施例实现了实时带宽17.2GHz全带宽信号接收。虽然ADC的采样率只有3GHz和2.7GHz，根据采样定理的最大带宽是采样率的0.5倍，就是0.5*3GHz = 1.5GHz的带宽，实现的实时带宽是采样定理带宽的11倍以上。

本实施例中，ADC使用的14位的RF—ADC，采样率最高能工作到3GHz，模拟带宽为9GHz。滤波器0使用的是9GHz的低通滤波器，射频输入信号9GHz以下的频段不需要混频，滤波器1把射频输入信号9GHz以上频段滤波取出来进行混频，混到9GHz以下，这两路信号通过功率合成器合成一路，一起送入给ADC进行数字化。

该实施案例中，ADC采样率有两组不同的频率，本振频率有三组不同频率，本振频率为15GHz、13.5GHz和12GHz三组不同频率，ADC采样率为3GHz和2.7GHz两组不同频率，本振的频率差别有1.5GHz，ADC采样率的差别有300MHz，非均匀采样合路处理采用的交错合路频率为300MHz，那么进行一次恢复和去除处理，影像折叠信号为0dB - 10*log10（300*10^6）=-84.7dB/Hz，再进行一次恢复和去除处理，影像折叠信号可以降低到-169dB/Hz，不影响恢复区信号和ADC的噪底密度，对超宽带信号恢复和ADC信噪比不产生负面影响。

采样非线性均衡处理，降低整个接收链路的谐波、互调等非线性失真，采样非均匀采样合路处理，降低ADC的量化杂散，整机瞬时动态可以达到90dB以上。

该超宽带接收机装置，相比现有的接收机，具有明显的带宽更宽，动态更大，硬件设备量和复杂度更小的优势。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超宽带接收机的射频信号采样方法，其特征在于，包括：

将模拟输入信号功分为n组，n为大于等于2的整数；

每一组信号分别经过各自的低噪声放大器后再功分为k+1路，k为大于等于0的整数；

k+1路模拟输入信号中的一路通过滤波后输出ADC模拟输入信号宽带内的频段信号，k路分别通过滤波和混频以将模拟输入信号在ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号均混频到ADC模拟输入信号带宽以内，之后将k+1路ADC模拟输入信号带宽以内的信号功率合成一路信号；

将每组功率合成的信号经ADC数字采样后，输入至数字处理单元进行解析得到全频段信号；

每组中k路混频本振信号频率各不相同，且n组中至少两组的本振信号族的频率不相同不重合；

n组ADC中至少两组的ADC采样率不相同。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带接收机的射频信号采样方法，其特征在于，所述解析处理具体为：

首先，对每组的ADC输出信号进行非线性均衡处理；

然后，对n组信号进行奈奎斯特区调制处理和混频区调制处理，即对输入信号的各频率区段进行相应的奈奎斯特区频率搬移和混频区频率搬移，实现输入信号每个频率区段的频率位置恢复和信号复原；所述奈奎斯特区为ADC模拟输入信号宽带以内以0.5倍采样频率为带宽宽度的频率区段划分；所述混频区为模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号，按照本振频率来进行混频区段划分；最后，对n组信号进行非均匀采样合路处理，将各个奈奎斯特区、混频区的信息恢复。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带接收机的射频信号采样方法，其特征在于，所述非线性均衡处理具体为：

对每组ADC的整个接收链路进行非线性校准，以降低接收链路的非线性失真。

4.根据权利要求2所述的一种超宽带接收机的射频信号采样方法，其特征在于，所述非均匀采样合路处理具体为：

将经过频率搬移和复原后的n组各频率区段信号进行非均匀采样合路拼接，各个频率区段内的信号并行恢复出来；非本频率区段内的信号为影像折叠信号，在非均匀采样合路时被扩频打散压低。

5.一种超宽带接收机的射频信号采样装置，其特征在于，包括功分器、n条接收链路和数字处理单元；n为大于等于2的整数；

其中，所述功分器将模拟输入信号功分为n组信号，每一组信号输入给对应的接收链路；

第i条所述接收链路将模拟输入信号通过低噪声放大电路后功分为k+1路信号，k+1路信号中的一路输入到滤波器滤波处理后输出模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以内的频段信号，k路分别输入到各自的滤波器和混频单元将模拟输入信号在ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号均混频到ADC模拟输入信号宽带以内，该条接收链路的功率合成器将k+1路ADC模拟输入信号宽带以内的频段信号合成一路信号，该条接收链路的ADC将功率合成器合成的一路信号进行数字采样；i为大于等于1小于等于n的整数；k为大于等于0的整数；

所述数字处理单元对n条接收链路的ADC数字采样后的信号进行解析得到全频段信号；

每条所述接收链路中的k路混频本振信号频率各不相同，且n条接收链路中至少两条的本振信号族的频率不相同不重合；

n条接收链路中至少两条的ADC采样率不相同。

6.根据权利要求5所述的一种超宽带接收机的射频信号采样装置，其特征在于，所述数字处理单元包括非线性均衡处理模块、调制模块和非均匀采样合路模块；

其中，所述非线性均衡处理模块用于对每条接收链路的ADC输出信号进行非线性均衡处理；

所述调制模块对n路信号进行奈奎斯特区调制处理和混频区调制处理；所述奈奎斯特区为ADC模拟输入信号宽带以内以0.5倍采样频率为带宽宽度的频率区段划分；所述混频区为模拟输入信号中ADC模拟输入信号宽带以外的频段信号，根据本振频率划分的宽度小于等于ADC模拟输入信号宽带的各个频率区段；

所述非均匀采样合路模块对n路信号进行非均匀采样合路处理，将各个奈奎斯特区、混频区的信息恢复。

7.一种超宽带接收机，其特征在于，采用如权利要求5-6任一项所述的采样装置进行射频信号接收。

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