CN1173253A - 产生多个正交调制载波的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种发送机包括用于组合多个数据信号组(I1,Q1;I2,Q2)为一个数据信号组(I′,Q′)的组合组(102)。I/Q调制器(106)调制该单一的数据信号组到例如一个中频(IF)载波信号上。上变频器变换该中频信号为射频信号,该射频信号被功率放大器放大后经由天线进行发送。利用本发明,以频率分隔的多组正交已调信号在一个单一射频载波上而不是在两个载波上进行发送。

Description

产生多个正交调制载波的方法和设备
                   发明领域
本发明涉及正交调制，具体地讲，涉及产生多个正交调制载波的设备和方法。
                 发明的背景和概要
正交调制用在诸如正交相移键控(QPSK)，正交幅度调制(QAM)，差分正交相移键控(DQPSK)等之类的数字调制技术中。在利用正交调制发送数字化的话音和数据的系统中，每个数据载波，即每个I/Q调制载波是利用包括I/Q调制器、频率合成器、上变频器、和射频功率放大器在内的该系统自身的一组射频基础设施产生的。
在许多通信课题中，诸如移动无线电通信，通过对分配给每个通信信道的现有频谱的更为有效的使用来获得附加的信道容量。例如，在移动无线电通信中，每个通信信道传统地被分配以25KHz的带宽。然而，在比较窄的数字移动无线电系统中，每个信道的带宽被减小，使得两个信道可以被容纳在同一25KHz中，即每个信道占用12.5KHz。利用这种带宽更有效的使用，两个数据载波在曾经仅一个单一数据载波的位置上进行发送。
产生这两个数据载波的一种方案是每个载波将利用其自己的射频基础设施进行处理，如在例如图1的发送机中所表示的那样。因此，第一组数据信号(I1，Q1)将在I/Q数据调制器12中利用由第一频率合成器14产生的通常是一个中频频率(IF)的第一本振频率F10进行调制。I/Q调制器12的输出在RF功率放大器18中被放大之前，在混频器16中利用也是由频率合成器14产生的RF频率Frf1进行上变频。第二组数据信号(I2，Q2)将在第二I/Q数据调制器20中利用由第二频率合成器22产生的本振频率F102进行调制。来自第二I/Q数据调制器20的输出信号然后将在第二混频器24中利用另外一个RF频率Frf2进行上变频，混频器24的输出在第二RF功率放大器26中被适当地进行放大。然后两个被放大的信号将利用综合器28通过一个天线被发送。
因此，为了在图1的发送机中产生含有数据信号(I1，Q1)和(I2，Q2)的两个数据载波，要求诸如两个I/Q调制器、两个频率合成器、两个功率放大器等之类的两组RF发送机部件。这些RF部件是昂贵和/或笨重的并消耗可观的功率。因此，改进现存的无线电通信，诸如基站，使之适合于窄信道间隔，从成本和硬件重新配置意义讲是一种艰巨的任务。
所需要的是在进行调制和发送前，两个(或多个)正交数据载波可以被简单和有效地进行组合的方法，使得将不再需要双倍昂贵的、笨重的和功率消耗的硬件部件。因此，本发明的目的是提供一种在单一I/Q调制器中进行调制前有效地组合两个(或多个)正交数据信号的发送机。
例如，本发明包括用于组合多个数据信号为一个组合的数据信号的组合器。一个I/Q调制器调制该组合的数据信号，然后该信号在单一的功率放大器中被放大和通过天线进行发送。该组合器组合第一和第二数据信号的各种分量。I/Q调制器可以是一个正交调制各个信号到一个单一频率载波上的常规I/Q调制器。
在一个实施例中，按照本发明的组合器确定两个数据信号的各I/Q分量的和与差。经取和的输出利用一个低频正弦信号和一个混频器进行调制和相移90°。经取差的输出与低频同相正弦波，即0相移，进行混频。经取和的与经取差的各分量被分别求和，产生一组数据信号(I`，Q`)。I`信号在I/Q调制器中与本机振荡器的中频频率(IF)进行混频，和Q`分量利用被相移90°的同一本机振荡器的中频频率IF进行混频。中频同相和正交分量在一个RF组合器中进行组合和输出到单一RF混频器和功率放大器部件中。另外一种方案，可以利用一个高频I/Q调制器，从而不需要利用RF混频器。从而，单一的RF输出含有两个独立的正交载波。
本发明还包括包含变换每个都具有第一和第二分量的两个数据信号为一个具有第一和第二分量的数据信号，和在一个I/Q调制器中调制该第一和第二分量的步骤的方法。I/Q调制器的单一输出包括两个在频率上分隔的独立的正交调制信号。该变换步骤可以还包括求和第一和第二分量中的某些分量，使取和的和取差的各分量与一个低频信号进行混频，和组合经混频的信号产生一个复数信号的步骤。结果，两个独立的正交调制信号被两倍低频信号的频率所分隔。
因此，本发明的优点在于，无线电发送机可以被构成为仅利用一个调制器、一个频率合成器、和一个功率放大器发送两个独立的正交信号。通过参照下面结合附图的详细描述，本发明的这些和其它特点和目的将是显而易见的。
               附图的简单描述
图1是每个具有其自己一组专用发送机电路的两个双I/Q调制信号通路的功能方框图；
图2是本发明的功能方框图；
图3是本发明第一实施例的功能方框图；
图4是本发明第二实施例的功能方框图；
图5(a)到5(c)是说明本发明的操作的图。
               附图的详细描述
在下面的描述中，所描述的诸如具体的电路、电路部件、技术等具体细节是出于解释的目的而不是限制，以便提供一种对本发明的全面理解。然而，对于本专业的技术人员而言，本发明可以由不同于这些具体细节的其它实施例来实现。在其它的实施例中，一些公知的方法、装置、和电路的详细描述被省略，以便不会使不必要的细节妨碍对本发明的描述。
图2是利用本发明的发送机100的功能方框图。组合器102接收多个数据信号。在图2中，例如，第一数据信号具有第一分量(I1)和第二分量(Q1)和第二数据信号具有分量I2和Q2。数据信号(I1和Q1)和(I2和Q2)是例如没有确定相位的各基带信号。当由正交调制器调制时，这些I和Q信号有90°的相位差。为了方便起见，基带数据信号的各种分量利用I/Q标号(I1、Q1、I2、Q2)进行区分，和在这个例子中，每组数据信号(I1、Q1)和(I2、Q2)表示一组I/Q数据信号。
组合器102组合各种基带数据信号分量和使它们与一个低频正弦信号进行混频。混频的各个信号被组合，产生输出I`，Q`，这些输出被馈送到一个常规的I/Q调制器106，它们在该调制器中与由一个单一的频率综合器104产生正交的中频(IF)载波(F10)进行组合。中频已调信号被组合和利用也是由频率综合器104产生的射频频率Rrf在RF混频器108中进行上变频。然而，RF混频器108是可任选的。例如，利用高频I/Q调制器I`，Q`信号可以被直接调制到RF载波上。然后，单一RF混频器108(或高频I/Q调制器)的输出在一个单一的RF功率放大器110中进行放大和经天线进行发送。来自RF混频器(或来自高频I/Q调制器)单一输出含有两个独立的正交载波。
因此，本发明利用已的适合于发送单一正交载波的发送机基础设施来发送两组正交调制信号。换句话说，同样的频率综合器、I/Q调制器、RF混频器(任选)、RF功率放大器、和天线发送两个正交数据信号，而不是一个。通过取消发送两个复数数据信号所需的一组额外电路，本发明减小了体积、花费、和无线电发送机的电流消耗。因此，利用本发明的无线通信设备可以更有效地利用带宽(窄信道间隔)，而不需要增加新的硬件。从而，与增加新的硬件设备相比，适合于窄信道间隔的无线设备可以容易地和在低成本下实现。本发明的另外一个明显的优点是在该接收机中解调和检索两个原来信号(I1、Q1)和(I2、Q2)时不要求特殊的硬件和软件。
现在结合表示在图3中的功能方框图描述本发明的第一示例性实施例。组合器102包括四个组合电路120、122、124、和126。组合器(求和器)电路120和122分别求和“I”数据信号分量I1及I2和“Q”数据信号分量Q1及Q2。组合器电路(差放大器)124和126分别提取I1及I2和Q1及Q2之间的差。组合器电路120和122的输出被加到相应混频器128和130。例如由音频发生器(未示出)产生的一个低频载波/正弦信号以90°的相角作为另外的输入被施加到每个混频器。具体地，90°滞后的低频正弦信号被加到混频器128，和90°超前的被加到混频器130。该低频正弦信号例如可以是在50Hz-100KHz范围内。差放大器124和126的输出被分别加到混频器132和134。该低频正弦载波信号被同相加到混频器132和134。混频器128和130的输出在求和器136中被求和，产生一个为了方便被标注为I`的第一组合信号，因为它最终输入到I/Q调制器106的I口。同样，混频器132和134的输出在求和器138中被求和，其输出被标注为Q`，因为它被施加到I/Q调制器106的Q口。
I/Q调制器106可以是如图3所示的常规I/Q调制器。来自组合器102的输入信号I`和本机振荡器的IF载波F10在混频器140中进行混频。本机振荡器的IF载波F10利用例如一种常规的Hilbert变换器142进行90°相移，产生相位滞后90°的本机振荡器的IF载波，连同来自组合器102的Q`输出一起加到混频器144。来自IF混频器140和144的输出在常规的RF组合器146中相加在一起，提供一个单一的输出，该输出被最后加到RF混频器108(如图2所示)或如果使用高频I/Q调制器的话直接加到PA。
结合I/Q调制器106，组合器102的功能可以利用ωlo＝2π·Flo和ωif＝2π·Fif以数学方式描述如下；
输出＝[I2-I1]sinωlotsinωift+[Q1+Q2]sinωlot sin(ωift+90°)
+[I1+I2]sin(ωlot-90°)sin(ωift-90°)+[Q2-Q1]sin(ωlot-90°)sinωift                            (1)
＝1/2[I2-I1][cos(ωlot-ωift)-cos(ωlot+ωift)]
+1/2(Q1+Q2)[cos(ωlot-ωift-90°)-cos(ωlot+90°)]
+1/2[I1+I2][cos(ωlot-90°-ωift+90°)-cos(ωlot-90°-ωift+90°)]-[cos(ωlot-90°+ωift-90°)]
+1/2(Q2+Q1)[cos(ωlot-90°-ωift)-cos(ωlot-90°+ωift)]    (2)
＝cos(ωlot+ωift)[-1/2I2+1/2I1+1/2I1+1/2I2]
+cos(ωlot+ωift-90°)[1/2Q1+1/2Q2-1/2Q2+1/2Q1]
cos(ωlot-ωift)[1/2I2-1/2I1+1/2I1+1/2I2]
+cos(ωlot-ωift-90°)[1/2Q1+1/2Q2+1/2Q2-1/2Q1]                                (3)
＝I1cos[(ωlo+ωif)t]
+Q1cos[(ωlo+ωif)t-90°]
+I2cos[((ωlot-ωift)]
+Q2cos[(ωlo-ωif)t-90°]        (4)
图5(a)表示数据信号I1或Q1以及I2或Q2的频谱图[幅度(A)对频率(f)]。图5(b)表示组合信号I`或Q`的频谱。I/Q调制器106的输出表示在图5(c)。
如图5(c)和上述方程(1)-(4)所示，当组合信号被单一I/Q调制器106进行处理时，产生一个单一的输出，该输出包括两个独立的被2Fif分隔的I/Q调制的载波，这种分隔是重要的，因为它允许利用在现存的接收机中的常规滤波器滤波/选择每个信号。从接收的和滤波的信号中，利用常规的I/Q解调器可以检索出原来的I1、Q1和I2、Q2。如上所述，这种原始信号的提取是可能的，因为各个信号被在频率上相分隔和因为I/Q调制/解调是线性操作，允许相对简单地重建原始信号。因此利用调谐到(Flo+Fif)的无线电接收机检索数据信号(I1，Q1)和利用调谐到(Flo-Fif)的无线电接收机检索数据信号(I2，Q2)。
现在结合图4描述本发明的第二实施例。该第二和或许是在数字处理领域中的优选实施例，利用了数字信号处理器(DPS)154执行组合器102的功能。在由数字信号处理器152进一步处理前，数字信号(I1，Q1)和(I2，Q2)首先经模-数变换器150被变换为数字形式。然后DPS 152执行I和Q信号的各种代数组合。最好是由DPS152利用例如标准查阅表根据数字产生各种低频信号Fif、(ωift-90°)和(ωift+90°)，以便将附加物理部件减至最少。注意，如果需要，模-数变换器150和数-模变换器的功能还可以由数字信号处理器152来执行。
按照以下方程，数字信号处理器152产生经数-模变换器154输出的I`和Q`信号：
I`＝[sin(2πfift)][I2-I1]+[sin(2πfift+90°)][Q1+Q2]                        (5)
Q`＝[sin(2πfift)][Q1-Q2]+[sin(2πfift-90°)][I2+I1]                    (6)
其中fif为以Hz表示的低频正弦信号的频率。
虽然本发明已经结合目前被认为是最实际和最好的实施例进行了描述，但是应当理解为本发明并不仅限于所公开的实施例。相反试图覆盖包括在所附的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效的配置。

Claims (22)

1.一种设备，包括：
用于将每组具有多个分量的多组数据信号组合为具有多个分量的一组数据信号的组合器；
用于将该一组数据信号调制到一个中频信号上的调制器；和
用于将该中频信号变频为一个射频信号的变频器。
2.权利要求1的设备，其中调制器是一个I/Q调制器，该设备还包括：
用于放大该射频信号的功率放大器，和
用于发送该被放大的射频信号的天线。
3.权利要求2的设备，其中组合器包括：
用于求和多组数据信号的各个分量的一对求和器，和
用于提取多组数据信号的各个分量的差的一对求差器。
4.权利要求3的设备，其中组合器还包括：
用于将该对求差器的输出与一个第一信号进行混频的第一和第二混频器，
用于将该对求和器的输出与一个第二信号进行混频的第三和第四混频器。
5.权利要求4的设备，其中第一和第二信号具有在500Hz-100KHz范围内的相同频率。
6.权利要求5的设备，其中第一和第二信号被相移90度。
7.权利要求4的设备，其中组合器还包括：
用于求和第一和第二混频器的输出，产生到I/Q调制器的第一输入信号的装置，和
用于求和第三和第四混频器的输出，产生到I/Q调制器的第二输入信号的装置。
8.权利要求1的设备，其中组合器包括一个数字信号处理器。
9.权利要求1的设备，其中中频信号包括在频率上分隔的两个独立已调载波。
10.一种用于调制第一和第二数据信号的数据调制器，包括：
用于将第一和第二数据信号的第一分量组合为一个第一组合信号和第一和第二数据信号的第二分量为一个第二组合信号的组合器，利用一个低频信号调制该第一和第二组合信号，和对某些已调信号进行求和以提供一个第一组合器输出信号和一个第二组合器输出信号；和
用于I/Q调制该第一和第二组合器输出信号的I/Q调制器。
11.权利要求10的数据调制器，其中该I/Q调制器产生包括以频率分隔的两个独立正交调制载波的一个单一输出。
12.权利要求11的数据调制器，其中两个独立正交调制载波是被两倍低频信号频率分隔的。
13.一种方法，包括以下步骤：
变换每个具有第一和第二分量的两个数据信号为一个具有第一和第二分量的数据信号，和
在一个I/Q调制器中调制该一个数据信号的第一和第二分量，和
其中该I/Q调制器的输出包括以频率进行分隔的两组正交调制信号。
14.权利要求13的方法，其中变换步骤包括：
对两个数据信号的第一和第二分量的某些分量进行求和；
对两个数据信号的第一和第二分量的某些分量进行求差；
使经求和的和求差的各分量与一个低频信号进行混频；和
组合各个被混频的信号产生一个数据信号。
15.权利要求13的方法，还包括以下步骤：
在RF混频器中将I/Q调制器的输出变换为RF频率；
利用一个功率放大器放大RF混频器的输出；和
发送该被放大的信号。
16.权利要求15的方法，其中仅一个I/Q调制器、一个RF混频器、和一个功率放大器被用于产生该被放大的信号。
17.权利要求14的方法，其中两个独立I/Q调制的信号是由两倍低频信号的频率进行分隔的。
18.一种用于仅利用一个调制器、一个频率合成器、一个功率放大器、和一个天线发送两个独立正交信号的无线发送机。
19.权利要求18的无线发送机，其中该一个调制器是一个高频I/Q调制器。
20.一种包括用于变换两组数据信号为一组数据信号的电子电路的数据调制器，当该数据信号被一个I/Q调制器进行处理时，产生一个包括以频率进行分隔的两个独立I/Q调制载波的单一的输出。
21.一种设备，包括：
用于组合多个I/Q数据信号为一个单一I/Q数据信号的组合器；和
用于调制该单一I/Q数据信号的调制器；和
用于发送该已调信号的天线。
22.权利要求21的设备，其中该调制器是一个高频I/Q调制器。
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