CN115664441A - 一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于N‑Path陷波器的高动态范围接收机及接收方法，所述高动态范围接收机包括接收天线(1)、带通滤波器(2)、低噪声放大器(3)、功分器(4)、可调衰减器(5)、射频开关(6)、N‑Path陷波模块(7)、射频接收模块(8)和接收数字信号处理模块(9)；所述N‑Path陷波模块包含M个N‑Path陷波器，所述射频接收模块包括M+1个射频接收链路。本发明涉及的基于N‑Path陷波器的高动态范围接收机，借助N‑Path陷波器陷波频带的灵活可调性，可实现不同频带处不同强度信号的同时接收，大幅提升了接收机的瞬时动态范围。

Description

一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机及接收方法

技术领域

本发明涉及接收机，特别是涉及一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机及接收方法。

背景技术

目前，射频接收机所面临的共同问题是如何在保证信号完整性的前提下同时处理强弱两种信号。尽管传统接收机可以通过自动增益控制系统来提升总体动态范围，但瞬时动态范围却仍然受限，这就导致传统接收机无法同时处理瞬时动态范围以外的大小信号。具体的，当接收超出瞬时动态范围的大信号时，必然要对其进行衰减以防止接收机饱和，此时小信号仍处于瞬时动态范围以下，导致无法对小信号进行有效接收；当接收处于瞬时动态范围以下的小信号时，需要提高接收机增益来提升接收机灵敏度，此时大信号会严重失真，导致大信号无法被正确接收的同时还会影响小信号的接收。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机及接收方法，能够实现不同频带处不同强度信号的同时接收，提升接收机的瞬时动态范围。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机，包括接收天线、带通滤波器、低噪声放大器、功分器、可调衰减器、射频开关、N-Path陷波模块、射频接收模块和接收数字信号处理模块；所述N-Path陷波模块包含M个N-Path陷波器，所述射频接收模块包括M+1个射频接收链路；

所述接收天线，用于接收不同强度、不同频带处的无线信号，所述接收天线的输出端依次通过带通滤波器、所述低噪声放大器与所述功分器连接；所述功分器用于将来自低噪声放大器的信号等功率分成两路信号，其中一路信号输出给可调衰减器进行信号衰减，另一路信号通过射频开关传输给N-Path陷波模块；

所述射频接收模块中，共有M+1个射频接收链路，分别存在于M+1条支路中，支路编号分别为#0, #1, #2, …, #M，其中，第#0条支路包含一个可调衰减器和一个射频接收链路，其余M条支路结构相同，均包含一个N-Path陷波器和一个射频接收链路；第#0条支路的射频接收链路的输入端与可调衰减器的输出端连接，输出端与接收数字信号处理模块(9)连接，其余M条支路中的每一个射频接收链路的输入端与对应的N-Path陷波器输出端连接，每一个射频接收链路的输出端均与接收数字信号处理模块连接；

所述接收数字信号处理模块，用于对各个射频接收链路输出的信号进行接收，并进行N-Path陷波模块中各个陷波器的陷波频带控制和射频接收链路的自动增益控制。

所述N-Path陷波模块包含的M个N-Path陷波器以串联的方式进行连接，射频开关(6)输出的信号传输给第一个N-Path陷波器后，通过M个N-Path陷波器的串联路径依次传输给每一个N-Path陷波器。

每一个所述的N-Path陷波器包括单口输入端、单口输出端和数字时钟发生器，所述单口输入端和单口输出端之间设置有N个相同的开关滤波通道；

每一个所述的开关滤波通道包括第一开关、第二开关和支路带通滤波器；所述第一开关的输入端与单口输入端连接，所述第一开关的输出端通过支路带通滤波器和第二开关与单口输出端连接；

所述数字时钟发生器，用于产生开关脉冲序列，传输给每一个开关滤波通道中第一开关和第二开关的控制端口；

所述接收数字信号处理模块9进行陷波频带控制时，陷波频带包括陷波中心频点和陷波带宽，通过控制数字时钟发生器输出的开关脉冲序列频率来控制各个N-Path陷波器所在支路的开关频率，进而控制陷波中心频点,并通过控制各个陷波器的支路带通滤波器的带宽来控制陷波带宽；

并且，对于每一个N-Path陷波器所在支路，均需要产生N路开关频率相同的开关脉冲序列，在任一个N-Path陷波器所在支路中，每路开关脉冲序列对应于该N-Path陷波器的一路开关滤波通道，在一个周期T内，每路开关脉冲序列的脉冲持续时间均为N/T，任意两路脉冲序列互不重叠且相邻两路脉冲序列相互正交；

每个开关滤波通道上的两个开关同时工作，射频输入信号经过第一个开关混频后下变频到基带，随后经过支路带通滤波器完成基带陷波处理，最后，陷波后的信号经过第二个开关混频后上变频到相同的射频频率，其中，陷波中心频点由开关频率决定，陷波带宽由支路带通滤波器的带宽决定；

所述接收数字信号处理模块9进行射频接收链路的自动增益控制时，比较#0号支路中射频接收链路的最大输入功率与设定的最大接收功率A，若最大输入功率大于最大接收功率A，则增加可调衰减器5的衰减量Z，若最大输入功率等于最大接收功率A，则对信号进行接收处理，若最大输入功率小于最大接收功率A，则降低可调衰减器5的衰减量Z。

增加或降低可调衰减器5的衰减量Z时，每次的调整量可以按照设定的步进增量进行，增加时则在增加一个步进增量，降低则减少一个步进增量。

开关脉冲波形是一种非理想的周期性单位冲激采样序列，其频谱是周期性单位脉冲采样序列与sinc函数的乘积，时域乘积等价于频域卷积，因此输入信号与开关脉冲相乘，等价于将输入信号进行上/下频谱搬移。从物理现象上看，就是输出=输入×开关（101010…），乘法就是混频器，故相当于进行了混频处理。

任一两个相邻的陷波器中，下一个陷波器的输入信号来源于上一个陷波器的滤波输出，在每条支路上，射频接收链路的输入信号均来源于各自对应的陷波器滤波输出。

一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机的接收方法，包括以下步骤：

S1：接收天线接收不同强度、不同频带处的无线信号，送至带通滤波器；

S2：带通滤波器对期望接收频带内的信号进行滤波，并送至低噪声放大器；

S3：低噪声放大器对期望接收频带内的信号进行放大，并送至功分器；

S4：功分器将信号等功率分成两路，一路送至可调衰减器，另一路送至射频开关，其中，可调衰减器的初始衰减值设置为Z，射频开关的初始状态为断开；

S5：可调衰减器所在的支路编号为#0，该支路衰减后的信号经射频接收链路处理，送至接收数字信号处理模块，送至接收数字信号处理模块；

S6：在接收数字信号处理模块中，通过DSP算法检测射频接收链路输入端口的最大输入功率，该检测过程实时进行，并对可调衰减器进行实时的自动增益控制：

比较#0号支路中射频接收链路的最大输入功率与设定的最大接收功率A，若最大输入功率大于最大接收功率A，则增加可调衰减器的衰减量Z，返回步骤S5，若最大输入功率等于最大接收功率A，则进行后续的数字基带接收处理，并转至步骤S7，若最大输入功率小于最大接收功率A，则降低可调衰减器的衰减量Z，返回步骤S5；

S7：在接收数字信号处理模块中，将#0号支路接收到的信号频带信息对#1~M号支路中N-Path陷波器的开关脉冲序列进行控制，所述信号频带信息包括信号中心频点频率和滤波带宽：

接收数字信号处理模块将信号中心频点信息用于改变N-Path陷波器的数字时钟发生器产生的开关脉冲序列频率，即使得每个支路中的开关脉冲序列频率等于信号频带信息包括的信号中心频点频率；

接收数字信号处理模块将信号带宽信息用于改变N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽，即使得每条支路中的支路带通滤波器的带宽等于信号频带信息包括的滤波带宽；

S8：闭合射频开关，#1~M号支路中陷波后的信号经对应的射频接收链路处理后送至接收数字信号处理模块；

S9：在接收数字信号处理模块中，将第#m号支路接收到的信号频带信息反馈至第#m+1号支路中的N-Path陷波器，用于更新#m+1号支路中N-Path陷波器的陷波频带，其中，所述信号频带信息包括信号中心频点频率和滤波带宽；

信号中心频点信息用于更新N-Path陷波器的数字时钟发生器的开关脉冲序列频率，使得更新后#m+1号支路中N-Path陷波器的开关脉冲序列频率等于#m号支路接收到的信号频带信息中包含的信号中心频点频率；

信号带宽信息用于更新N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽，使得更新后#m+1号支路N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽等于#m号支路接收到的信号频带信息中包含的滤波带宽；

更新完成后返回步骤S8，其中，m从1开始直至M-1结束。

本发明的有益效果是：本发明借助N-Path陷波器陷波频带的灵活可调性，可实现不同频带处不同强度信号的同时接收，大幅提升了接收机的瞬时动态范围。

附图说明

图1为基于N-Path陷波器的高动态范围接收机框图；

图2为N-Path陷波器结构框图；

图3为作用于N-Path陷波器的开关脉冲序列示意图。

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1所示，一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机，包括接收天线1、带通滤波器2、低噪声放大器3、功分器4、可调衰减器5 、射频开关6、N-Path陷波模块7、射频接收模块8和接收数字信号处理模块9；所述N-Path陷波模块包含M个N-Path陷波器，所述射频接收模块包括M+1个射频接收链路；

所述接收天线1，用于接收不同强度、不同频带处的无线信号，所述接收天线的输出端依次通过带通滤波器2、所述低噪声放大器3与所述功分器4连接；所述功分器4用于将来自低噪声放大器3的信号等功率分成两路信号，其中一路信号输出给可调衰减器5进行信号衰减，另一路信号通过射频开关6传输给N-Path陷波模块7；其中，所述带通滤波器2，作为接收机的前置滤波器，用于滤除期望接收频带以外的干扰；所述低噪声放大器3，作为接收机的前置放大器用于提供高增益和低噪声系数，以提升接收机的整体灵敏度； 所述功分器4，用于将来自低噪声放大器3的信号等功率分成两路；所述可调衰减器5，对信号进行衰减，以防止射频接收链路饱和；所述射频开关6，用于闭合和断开N-Path陷波器7所在的链路；

N-Path模块中包含的N-Path陷波器的结构如图2所示，可以通过改变数字时钟发生器的输出频率和支路带通滤波器带宽，从而实现不同频带处的陷波处理，在图1所示系统中，主要用于滤除大信号，以防止射频接收链路饱和产生的信号失真影响小信号的接收。

N-Path滤波器因其具有可时钟调谐的中心频率以及高Q值的滤波特性，从而广泛应用于射频接收机前端。如图2所示，每一个所述的N-Path陷波器包括单口输入端、单口输出端和数字时钟发生器，所述单口输入端和单口输出端之间设置有N个相同的开关滤波通道；

每一个所述的开关滤波通道包括第一开关、第二开关和支路带通滤波器；所述第一开关的输入端与单口输入端连接，所述第一开关的输出端通过支路带通滤波器和第二开关与单口输出端连接；

所述数字时钟发生器，用于产生开关脉冲序列如图3所示，传输给每一个开关滤波通道的第一开关和第二开关；

所述接收数字信号处理模块9，通过控制数字时钟发生器输出的开关脉冲序列频率来控制各个N-Path陷波器所在支路的开关频率；

并且，对于每一个N-Path陷波器所在支路，均需要产生N路开关频率相同的开关脉冲序列，在任一个N-Path陷波器所在支路中，每路开关脉冲序列对应于该N-Path陷波器的一路开关滤波通道，在一个周期T内，每路开关脉冲序列的脉冲持续时间均为N/T，任意两路脉冲序列互不重叠且相邻两路脉冲序列相互正交；

每个开关滤波通道上的两个开关同时工作，射频输入信号经过第一个开关混频后下变频到基带，随后经过支路带通滤波器完成基带陷波处理，最后，陷波后的信号经过第二个开关混频后上变频到相同的射频频率，其中，陷波中心频点由开关频率决定，陷波带宽由支路带通滤波器的带宽决定。

所述射频接收模块中，共有M+1个射频接收链路，分别存在于M+1条支路中，支路编号分别为#0, #1, #2, …, #M，其中，第#0条支路包含一个可调衰减器和一个射频接收链路，其余M条支路结构相同，均包含一个N-Path陷波器和一个射频接收链路；假设射频接收链路所能提供的瞬时动态范围为X，增益可调范围为Y，则该链路的总动态范围为X+Y，令该链路的最大接收功率为A，最小接收功率(灵敏度)为B，则有X+Y=A-B，对于第#m条支路中的射频接收链路来说，其可以同时处理的输入信号功率范围为max{ A-(m+1)X, B }至max{A-mX, B }，其中，m=0,1,2,…,M，其中，M=Floor{(A-B)/X }，Floor表示取下整；

所述接收数字信号处理模块9，用于对各个射频接收链路输出的信号进行接收，并进行N-Path陷波模块中各个陷波器的陷波频带控制和射频接收链路的自动增益控制。

在本申请的实施例中，所述N-Path陷波模块包含的M个N-Path陷波器以串联的方式进行连接，射频开关6输出的信号传输给第一个N-Path陷波器后，通过M个N-Path陷波器的串联路径依次传输给每一个N-Path陷波器。

一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机的接收方法，包括以下步骤：

S1：接收天线1接收不同强度、不同频带处的无线信号，送至带通滤波器2；

S2：带通滤波器2对期望接收频带内的信号进行滤波，并送至低噪声放大器3；

S3：低噪声放大器3对期望接收频带内的信号进行放大，并送至功分器4；

S4：功分器4将信号等功率分成两路，一路送至可调衰减器5，另一路送至射频开关6，其中，可调衰减器(5)的初始衰减值设置为Z，射频开关6的初始状态为断开；

S5：可调衰减器5所在的支路编号为#0，该支路衰减后的信号经射频接收链路处理，送至接收数字信号处理模块9，送至接收数字信号处理模块9；

S6：在接收数字信号处理模块9中，通过DSP算法检测射频接收链路输入端口的最大输入功率，该检测过程实时进行，并对可调衰减器5进行实时的自动增益控制：

比较#0号支路中射频接收链路的最大输入功率与设定的最大接收功率A，若最大输入功率大于最大接收功率A，则增加可调衰减器5的衰减量Z，返回步骤S5，若最大输入功率等于最大接收功率A，则进行后续的数字基带接收处理，并转至步骤S7，若最大输入功率小于最大接收功率A，则降低可调衰减器5的衰减量Z，返回步骤S5；

S7：在接收数字信号处理模块9中，将#0号支路接收到的信号频带信息对#1~M号支路中N-Path陷波器7的开关脉冲序列进行控制，所述信号频带信息包括信号中心频点频率和滤波带宽：

接收数字信号处理模块9将信号中心频点信息用于改变N-Path陷波器的数字时钟发生器产生的开关脉冲序列频率，即使得每个支路中的开关脉冲序列频率等于信号频带信息包括的信号中心频点频率；

接收数字信号处理模块9将信号带宽信息用于改变N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽，即使得每条支路中的支路带通滤波器的带宽等于信号频带信息包括的滤波带宽；

S8：闭合射频开关6，#1~M号支路中陷波后的信号经对应的射频接收链路处理后送至接收数字信号处理模块9；

S9：在接收数字信号处理模块9中，将第#m号支路接收到的信号频带信息反馈至第#m+1号支路中的N-Path陷波器，用于更新#m+1号支路中N-Path陷波器的陷波频带，其中，所述信号频带信息包括信号中心频点频率和滤波带宽；

信号中心频点信息用于更新N-Path陷波器的数字时钟发生器的开关脉冲序列频率，使得更新后#m+1号支路中N-Path陷波器的开关脉冲序列频率等于#m号支路接收到的信号频带信息中包含的信号中心频点频率；

信号带宽信息用于更新N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽，使得更新后#m+1号支路N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽等于#m号支路接收到的信号频带信息中包含的滤波带宽；

更新完成后返回步骤S8，其中，m从1开始直至M-1结束。当接收信号发生变化时，重复步骤S6-S9。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的方法进行修改，例如所述方法名称的变化等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机，其特征在于：包括接收天线(1)、带通滤波器(2)、低噪声放大器(3)、功分器(4)、可调衰减器(5) 、射频开关(6)、N-Path陷波模块(7)、射频接收模块(8)和接收数字信号处理模块(9)；所述N-Path陷波模块包含M个N-Path陷波器，所述射频接收模块包括M+1个射频接收链路；

所述接收天线(1)，用于接收不同强度、不同频带处的无线信号，所述接收天线的输出端依次通过带通滤波器(2)、所述低噪声放大器(3)与所述功分器(4)连接；所述功分器(4)用于将来自低噪声放大器(3)的信号等功率分成两路信号，其中一路信号输出给可调衰减器（5）进行信号衰减，另一路信号通过射频开关(6)传输给N-Path陷波模块(7)；

所述射频接收模块(8)中，共有M+1个射频接收链路，分别存在于M+1条支路中，支路编号分别为#0, #1, #2, …, #M，其中，第#0条支路包含一个可调衰减器和一个射频接收链路，其余M条支路结构相同，均包含一个N-Path陷波器和一个射频接收链路；第#0条支路的射频接收链路的输入端与可调衰减器(5)的输出端连接，输出端与接收数字信号处理模块(9)连接，其余M条支路中的每一个射频接收链路的输入端与对应的N-Path陷波器输出端连接，每一个射频接收链路的输出端均与接收数字信号处理模块(9)连接；

所述接收数字信号处理模块(9)，用于对各个射频接收链路输出的信号进行接收，并进行N-Path陷波模块中各个陷波器的陷波频带控制和射频接收链路的自动增益控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机，其特征在于：所述N-Path陷波模块包含的M个N-Path陷波器以串联的方式进行连接，射频开关(6)输出的信号传输给第一个N-Path陷波器后，通过M个N-Path陷波器的串联路径依次传输给每一个N-Path陷波器。

3.根据权利要求1所述的一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机，其特征在于：每一个所述的N-Path陷波器包括单口输入端、单口输出端和数字时钟发生器，所述单口输入端和单口输出端之间设置有N个相同的开关滤波通道；

每一个所述的开关滤波通道包括第一开关、第二开关和支路带通滤波器；所述第一开关的输入端与单口输入端连接，所述第一开关的输出端通过支路带通滤波器和第二开关与单口输出端连接；

所述数字时钟发生器，用于产生开关脉冲序列，传输给每一个开关滤波通道中第一开关和第二开关的控制端口；

所述接收数字信号处理模块(9)进行陷波频带控制时，陷波频带包括陷波中心频点和陷波带宽，通过控制数字时钟发生器输出的开关脉冲序列频率来控制各个N-Path陷波器所在支路的开关频率，进而控制陷波中心频点,并通过控制各个陷波器的支路带通滤波器的带宽来控制陷波带宽；

并且，对于每一个N-Path陷波器所在支路，均需要产生N路开关频率相同的开关脉冲序列，在任一个N-Path陷波器所在支路中，每路开关脉冲序列对应于该N-Path陷波器的一路开关滤波通道，在一个周期T内，每路开关脉冲序列的脉冲持续时间均为N/T，任意两路脉冲序列互不重叠且相邻两路脉冲序列相互正交；

每个开关滤波通道上的两个开关同时工作，射频输入信号经过第一个开关混频后下变频到基带，随后经过支路带通滤波器完成基带陷波处理，最后，陷波后的信号经过第二个开关混频后上变频到相同的射频频率，其中，陷波中心频点由开关频率决定，陷波带宽由支路带通滤波器的带宽决定；

所述接收数字信号处理模块(9)进行射频接收链路的自动增益控制时，比较#0号支路中射频接收链路的最大输入功率与设定的最大接收功率A，若最大输入功率大于最大接收功率A，则增加可调衰减器(5)的衰减量Z，若最大输入功率等于最大接收功率A，则对信号进行接收处理，若最大输入功率小于最大接收功率A，则降低可调衰减器(5)的衰减量Z。

4.一种基于N-Path陷波器的高动态范围接收机的接收方法，基于权利要求1~3中任意一项所述的高动态范围接收机，其特征在于：包括以下步骤：

S1：接收天线(1)接收不同强度、不同频带处的无线信号，送至带通滤波器(2)；

S2：带通滤波器(2)对期望接收频带内的信号进行滤波，并送至低噪声放大器(3)；

S3：低噪声放大器(3)对期望接收频带内的信号进行放大，并送至功分器(4)；

S4：功分器(4)将信号等功率分成两路，一路送至可调衰减器(5)，另一路送至射频开关(6)，其中，可调衰减器(5)的初始衰减值设置为Z，射频开关(6)的初始状态为断开；

S5：可调衰减器(5)所在的支路编号为#0，该支路衰减后的信号经射频接收链路处理，送至接收数字信号处理模块(9)，送至接收数字信号处理模块(9)；

S6：在接收数字信号处理模块(9)中，通过DSP算法检测射频接收链路输入端口的最大输入功率，该检测过程实时进行，并对可调衰减器(5)进行实时的自动增益控制：

比较#0号支路中射频接收链路的最大输入功率与设定的最大接收功率A，若最大输入功率大于最大接收功率A，则增加可调衰减器(5)的衰减量Z，返回步骤S5，若最大输入功率等于最大接收功率A，则开始对信号进行接收处理，并转至步骤S7，若最大输入功率小于最大接收功率A，则降低可调衰减器(5)的衰减量Z，返回步骤S5；

S7：在接收数字信号处理模块(9)中，将#0号支路接收到的信号频带信息对#1~M号支路中N-Path陷波器(7)的开关脉冲序列进行控制，所述信号频带信息包括信号中心频点频率和滤波带宽：

接收数字信号处理模块(9)将信号中心频点信息用于改变N-Path陷波器的数字时钟发生器产生的开关脉冲序列频率，即使得每个支路中的开关脉冲序列频率等于信号频带信息包括的信号中心频点频率；

接收数字信号处理模块(9)将信号带宽信息用于改变N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽，即使得每条支路中的支路带通滤波器的带宽等于信号频带信息包括的滤波带宽；

S8：闭合射频开关(6)，#1~M号支路中陷波后的信号经对应的射频接收链路处理后送至接收数字信号处理模块(9)；

S9：在接收数字信号处理模块(9)中，将第#m号支路接收到的信号频带信息反馈至第#m+1号支路中的N-Path陷波器，用于更新#m+1号支路中N-Path陷波器的陷波频带，其中，所述信号频带信息包括信号中心频点频率和滤波带宽；

信号中心频点信息用于更新N-Path陷波器的数字时钟发生器产生的开关脉冲序列频率，使得更新后#m+1号支路中N-Path陷波器的开关脉冲序列频率等于#m号支路接收到的信号频带信息中包含的信号中心频点频率；

信号带宽信息用于更新N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽，使得更新后#m+1号支路N-Path陷波器中支路带通滤波器的滤波带宽等于#m号支路接收到的信号频带信息中包含的滤波带宽；

更新完成后返回步骤S8，其中，m从1开始直至M-1结束。

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