CN1192499C - 用于通过通信系统的各个射频接口发送和接收rf信号的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及与通信系统的不同射频接口有关的、用于发送和接收RF信号的方法和设备。按照本发明的解决方案使用基于直接变频的收发信机，它基本上只有一个接收信号分支和一个发射信号分支。另外，不同系统的混合频率借助于同一个综合器产生。这是通过使用输出分频器结合综合器和通过借助于工作在基带频率上的可控制的低通滤波器执行相应于系统的信道带宽的滤波，而完成的。

Description

用于通过通信系统的各个射频接口 发送和接收RF信号的方法和设备
本发明涉及与通信系统的各个射频接口有关的、用于发送和接收RF信号的方法和设备。本发明在通用的移动台的收发信机中得到具体应用。
移动通信系统正在快速地发展和扩张，这种情况导致在许多区域中系统可以遵从几个不同的标准。因而就需要移动台可以在一个以上的系统中被使用。一些较好的例子是被称为GSM(全球移动通信系统)和DCS(数字蜂窝系统)的数字系统，它们运行在不同的频段，但具有相似的射频接口。此外，所使用的调制、复接和编码方案可以是不同的。以上提到的系统使用时分多址(TDMA)方法；其它方法包括频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)。
一种使得移动台能够运行在多个系统的可能的方法是在移动台中对于每个系统具有完全分开的信号路径。然而，这将导致移动台尺寸和制造成本的不合理增加。所以，目标是设计一个移动台，在其中涉及各个系统的射频接口的差别可以通过编程来应付，而不是通过具有分开的信号处理通路来解决。
从专利申请文件EP 653851可知一种使用一个本地振荡器的收发信机设备，该本地振荡器的频率处在较低的工作频段与较高的工作频段之间，使得可以使用同一个中频(IF)用于两个工作的频段。然而，这类解决方案的缺点在于，必要的IF级使得实施方案相当复杂，以及由于组件数很大，设备的制造成本将很高。而且，为了消除乱真响应和乱真发射，IF级需要滤波器。此外，中频的信道滤波对IF滤波器设定了很高的要求。
在直接变频(或零中频)的接收机中，射频(RF)信号被直接变换成基带，而不用任何中频。由于不需要IF级，接收机只需要几个组件，所以这是对于通用移动台(可能对于不同的系统有多个信号分支)的有利的解决方案。为了帮助了解有关直接变频技术和现有技术的问题，接着更详细地描述现有技术的解决方案。
图1显示用于实现双频段收发信机的、基于直接变频的设备，可从芬兰专利文件FI 100286获知。由天线接收的RF信号将根据接收频段通过开关104耦合到第一接收分支(DCS)或第二接收分支(GSM)。如果接收信号是处在DCS频段，则它被导入带通滤波器106、低噪声放大器(LNA)108和带通滤波器110。此后，信号被送到方块112，它产生具有90度相位差的信号分量。同相分量I和正交分量Q再通过开关114和134被导入到混频器116和136。混频器从DCS综合器140得到它们的混合信号，综合器的频率相应于接收的载波频率，这样，混频产生复数基带信号的同相和正交分量。基带信号进一步在接收(RX)信号处理单元(方块139)中被处理。
如果接收信号是GSM信号，则开关104把接收信号导入到GSM分支，它包括级联的带通滤波器126、低噪声放大器128、带通滤波器130和移相器132，移相器132产生两个相互间相位差为90度的信号。信号被开关114和134导入到混频器116和136，其中混合的频率是由通过开关161从GSM综合器150进入的信号确定的。由混频器产生的信号被进一步导入到基带RX信号处理单元139。
DCS综合器以已知的方式包括锁相环(PLL)，后者包括压控振荡器(VCO)141，后者的输出信号在放大器146中被放大，因此产生综合器输出信号。来自振荡器141的信号的频率在分频器142中被除以整数Y，以及结果的信号被导入到比相器143。同样地，由参考振荡器158产生的信号的频率在分频器144中被除以整数X，以及被导入到比相器143。比相器产生正比于所述两个输入信号的相位差的信号，该信号被导入到低通滤波器(LPF)145，产生滤波的信号去控制压控振荡器141。上述的锁相环以已知的方式运行，其中综合器的输出频率被锁定到从参考频率分支进到比相器的频率。输出频率通过改变分频比Y而被控制。
GSM综合器150包括压控振荡器150、放大器156、分频器152和154、比相器153和低通滤波器155。GSM综合器像上述的DCS综合器那样运行，但GSM综合器的输出频率相应于GSM频段。
在发射机部分，基带复数发射(TX)信号在TX信号处理单元中被处理，由此，信号的同相分量和正交分量被导入到混频器162和182，它通过使输入信号与混合信号相乘而产生载波频率信号。如果发射是在DCS频率，则开关161选择DCS综合器的输出信号作为混合信号。载频信号通过开关164被导入到DCS分支，其中首先在同相分量与正交分量之间产生90度相移，然后结果的信号在方块166中被相加。产生的DCS信号被导入到带通滤波器168、放大器170和带通滤波器172。这样产生的RF信号通过开关180被导入到天线102。
如果发射是在GSM频率，则GSM综合器的输出信号被作为混合信号使用。结果的载波频率信号被导入到GSM分支，其中它以与DCS分支方块186，188，190和192中同样的方式被处理。这样产生的RF信号通过开关180被导入到天线102。如果TX和RX电路通过双工滤波器被耦合到天线，则可使用同一个天线102来发送和接收。如果设备被设计成运行在两个或多个频段，则它需要有用于每个频段的分开的滤波器。
然而，上述的电路设备具有某些缺点。首先，在接收机中和在发射机中分开的载频信号分支增加了收发信机的复杂性、尺寸和制造成本。第二，每个工作频段需要它自己的分开的综合器。
本发明的一个目的是提供用于实现可编程的收发信机的简单的解决方案，该收发信机在多个系统中以可以避免上述的、与现有技术有关的缺点的方式运行。
在按照本发明的、基于直接变频的收发信机中，信号处理可以不管系统如何而通过使用同一个信号处理线被执行。这是使用下面阐述的信号处理步骤完成的。
按照本发明的、用于处理从通信系统的不同射频接口接收的信号的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
-从射频接口接收载频信号，
-对载频信号进行带通滤波，
-放大已滤波的载频信号，
-产生接收频率上的RX混合信号，
-通过把接收的载频信号与RX混合信号进行混频而从接收的载频信号产生复数基带信号，
-对所产生的基带信号进行低通滤波，
-放大所产生的基带信号，
-将所产生的基带信号变换成数字的，以及
-处理被变换成数字的基带信号以便产生被编码和被调制成接收信号的信息信号。
按照本发明的、用于处理被发送到通信系统的不同射频接口的信号的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
-根据要被发送的信息信号产生数字基带正交信号，
-将数字基带信号变换成模拟的，
-产生发射频率上的TX混合信号，
-通过把基带信号与TX混合信号进行混频而从基带信号产生载频发送信号，
-放大所产生的载频信号，以及
-将发射信号发送到射频接口。
按照本发明的、运行在通信系统的不同接口的直接变频接收机，其特征在于，它包括：
-用于接收射频信号的天线装置，
-用于滤波载频信号的带通滤波器，
-用于放大滤波的载频信号的第一RX放大器，
-用于产生接收频率上的RX混合信号的装置，
-用于通过使用RX混合信号而从接收的信号产生复数基带信号的混频装置，
-用于滤波基带信号的低通滤波器，
-用于放大基带信号的第二放大器，
-用于把基带信号变换成数字的模拟-数字变换器，以及
-用于处理被变换成数字的基带信号以便产生被编码和被调制成接收信号的信息信号的装置。
按照本发明的、运行在通信系统的不同射频接口的直接变频发射机，其特征在于，它包括：
-用于根据要被发送的信息信号产生数字基带正交信号的装置，
-用于把基带发送信号变换成模拟的数字-模拟变换器，
-用于产生发射频率上的TX混合信号的综合器，
-用于通过使用TX混合信号而从基带发送信号产生载频上的信号的混频装置，
-用于放大载频上的信号的TX放大器，以及
-用于发射载频上的放大的发送信号的天线装置。
在附属权利要求中描述了本发明的其它优选实施例。
在本发明中，信号带宽限制有利地是在基带频率上执行的，这样，不需要“陡峭的”滤波器，从而不需要系统特定的滤波器线。因此，滤波可以通过使用带有可控制的截止频率的滤波器，按低通滤波来进行。这样，有可能完全避免分开的系统特定的信道滤波电路。
为了能够用同一个综合器产生不同工作频段的混合频率，有利地是使用综合器输出信号的分频。如果综合器工作频率被设置为高于系统中所使用的频率，则有可能结合综合器分频，产生两个带有90度相位差的混合信号，因此避免在信号线上移相器的需要，以及达到良好的相位精度。
通过使用按照本发明的解决方案，有可能实现通用的收发信机，在制造方面，它比起现有技术解决方案更简单和更经济。按照本发明的电路安排只需要一个TX信号分支和一个RX信号分支。而且，同一个综合器可被使用来产生混合信号。而且，不需要工作在射频的信道滤波器。所以，电路可以容易地集成。由于本发明只涉及几个组件，所以按照本发明的收发信机的优点包括尺寸小和功率消耗低。
现在参照附图更详细地描述本发明，其中
图1显示按照现有技术的双频段直接变频收发信机的方框图，
图2以方框图形式显示按照本发明的、对于工作在多个系统中的直接变频收发信机的解决方案。
图1已结合现有技术的描述被讨论过。接着，将参照图2描述按照本发明的收发信机。
图2以方框图形式显示按照本发明的收发信机。通过天线接收的RF信号经过匹配电路1被导入到可控带通滤波器2。匹配电路1可以有利地是相对于工作频段可控的(AX)。可控带通滤波器2可以通过使用多个带通滤波器被有利地实现，这样，RF信号通过由来自匹配电路1的控制信号FX1控制的开关元件被导入到相应于选择的工作频段的带通滤波器。带通滤波器也可借助于编程实现而成为可调节和可调谐的。带通滤波的载频信号还被导入到低噪声放大器4，它的增益有利地是可控的。控制信号在图上被标记为GX1。除了放大器4以外，也有可能将放大器与带通滤波器集成在一起。
信号然后被导入到混频器5，其中载频信号与接收频率上的RX混合信号进行混频，产生基带正交信号。RX混合信号有利地由综合器10产生，其输出信号频率被分频器11分频以便相应于选择的接收频率。综合器10以与如图1所示的综合器相同的方式运行。因此，它包括产生输出信号的压控振荡器VCO。VCO输出信号的频率在锁相环PLL的分频器中被除以S1。结果的信号被导入到锁相环的比相器的第一输入端。类似地，由锁相环PLL中的参考振荡器产生的信号的频率被除以一个整数，以及被导入到比相器的第二输入端。比相器产生一个正比于两个输入信号的相位差的信号，以及被导入到低通滤波器，然后由被滤波的信号控制压控振荡器VCO。输出频率是通过改变分频比S1而被控制的。
综合器输出信号在分频器11中被除以N1，以使得RX混合信号相应于选择的接收频段。综合器的输出频率，例如，可以是处在4GHz频段，这样对于2GHz系统，综合器输出频率被除以2，以及对于1GHz系统，它被除以4(N1)。这样，工作在1GHz和2GHz频段的系统可以用其工作频段相对于工作频率来说较窄的综合器来覆盖。
为了产生正交基带信号，混频器需要具有90度相移的两个混合信号。移相的分量可以由与混频器结合的移相器产生，或它们可以作为在分频器11中已产生的商而被产生，这样得到精确的相位差。所以，使用等于最高系统频率的倍数的综合器工作频率是有利的。
来自混频器5的同相分量I和正交分量Q进一步被导入到低通滤波器6。低通滤波器的较高的截止频率有利地是用控制信号FX3控制的。因此，滤波可以在相应于选择的射频接口的带宽上被执行，因为滤波是在基带上执行的，所以很容易得到滤波函数的陡峭性。另外，对于RF信号的带通滤波(2)没有设定严格的要求。
基带信号还被导入到增益控制块7，它可能包括偏压校正块。另一方面，考虑到CDMA系统的带宽较宽，偏压可以容易地通过高通滤波被去除。放大器有利地实现自动增益控制(AGC)。最后，信号在模拟-数字变换器8中被变换成数字，以及数字基带信号在数字信号处理器(DSP)9中被进一步处理。信道滤波也可以在DSP中被数字地处理，由此，基带信号的低通滤波可以通过使用固定的截止频率被执行。然而，模拟数字变换器的动态必须相当好。
在发射机部分，正交基带信号首先在方块9中根据要被发送的信息信号被数字地产生。数字信号的分量被数字模拟变换器14变换成模拟的，此后，模拟信号被低通滤波器15低通滤波。有利地，低通滤波器的截止频率可以用控制信号FX4控制以便相应于选择的射频接口的技术规范。
载频上的TX混合信号由综合器13和分频器12产生。综合器13以与接收机部分的综合器10相同的方式运行。而且，这两个综合器可以共用一个参考振荡器。综合器输出信号的频率在综合器的工作频率范围内由控制信号S2控制。来自综合器13的输出信号的频率在分频器12中被分频以便相应于选择的发送频段。被移相90度的分量从TX混合信号被产生，以便在混频器16中进行复数混频。移相的分量可以以与接收机部分相同的方式被产生。
载频上的信号然后在放大器17中被放大，放大器的增益有利地是可控的，以便设置发射功率和实现自动增益控制(AGC)。控制信号在图2上被标记为GX3。然后，信号被导入到功率放大器18。功率放大器的工作频段有利地是可由控制信号BX选择的。这可被达到，例如以使得放大器包括部分分开的、用于不同的工作频段的信号线。
所产生的RF信号被带通滤波器3滤波。带通滤波器的通带有利地是可由控制信号FX2控制的。这可以以与接收机部分相同的方式被实现。接收机和发射机部分滤波器2和3有利地对于与给定系统有关的每个发射接收频段被实现为双工滤波器对。滤波器有利地可以是声表面波(SAW)或体声波(BAW)滤波器，这样，可以把带有它们的开关的几个滤波器附带到一个组件上。
按照图2的移动台收发信机中的控制信号优选地在移动台的控制块中被产生，它有利地包括处理单元，诸如微处理器。控制块根据例如从移动台的键盘输入的系统切换指令来产生信号。系统选择可以是基于菜单的，这样，想要的系统可通过按压键盘上某个键从显示的菜单选择它而被选择。控制块然后产生相应于被选择的系统的控制信号。系统切换指令也可以以这种方式来自于移动通信系统，即：从系统接收的数据包括系统切换指令，控制块根据该切换指令来执行系统切换。有利地，控制程序被存储在由控制块使用的存储器单元，该控制程序监视接收的数据，以及当它在数据中检测到系统切换指令时给予控制块一个指令，把控制信号设置到按照选择指令的状态。
上述的方块的实施没有被更详细的说明，因为这些块可以通过应用本领域技术人员通常知道的原理，根据上述的信息被实现。
上面，描述了按照本发明的解决方案的实施例。自然，按照本发明的原理可以在由附属权利要求规定的本发明的范围内根据实施细节和应用领域而被修正。特别值得提出的是，按照本发明的解决方案可以很好地应用于除了上述的移动通信系统以外的通信系统。除了蜂窝射频接口本身，解决方案可被使用来实现用于定位移动台的GPS接收机或其它设备。而且，所提到的工作频率只是以示例的方式给出，本发明的实施方案决不限于这些频率。
还值得提出的是，按照本发明的解决方案可被应用于所有当前的编码技术，诸如窄带FDMA(频分多址)和TDMA(时分多址)，以及宽带CDMA(码分多址)技术。此外，按照本发明的解决方案可被使用来实现FM(调频)接收机。
下面是一个列出可以应用本发明的某些所谓的第二代移动通信系统的表。该表显示了系统的有关最重要的射频接口的特性。
蜂窝系统 AMPS  IS-54/-136  IS-95 USCDMA GSM全球移动通信系统 DCS 1800 PDC个人数字蜂窝  DECT欧洲数字无绳电话 PHS个人手持电话系统
(接收频率)(MHz) 869-894  869-894  869-894 935-960 1805-1880 810-826，1429-1453  1880-1900 1895-1918
(发射频率)(MHz) 824-849  824-849  824-849 890-915 1710-1785 940-956，1477-1501  1880-1900 1895-1918
RF带宽 25MHz  25MHz  25MHz 25MHz 75MHz 16MHz24MHz  20MHz 23MHz
多址方法 FDMA  TDMA/FDMA  CDMA/FDMA TDMA/FDMA TDMA/FDMA TDMA/FDMA  TDMA/FDMA TDMA/FDMA
双工方法 FDD  FDD  FDD FDD FDD FDD  TDD TDD
信道数目 832  832，3用户/信道  20，798用户/信道 124，8用户/信道 374，8用户/信道 1600，3用户/信道  10，12用户/信道 3004用户/信道
信道间隔 30kHz  30kHz  1250kHz 200kHz 200 kHz 25kHz  1.728 MHz 300kHz
调制 FM  π/4 DQPSK  QPSK/OQPSK GMSK 0.3高斯滤波器 GMSK0.3高斯滤波器 π/4 DQPSK  GFSK0.3高斯滤波器 π/4 DQPSK
信道比特率 -  48.6kb/s  1.2288Mb/s 270.833kb/s 270.833 kb/s 42kb/s  1.152 Mb/s 384kb/s
下面是另一个列出可以应用本发明的某些所谓的第三代移动通信系统的表。该表显示了系统的有关最重要的射频接口的特性。
蜂窝系统                WCDMA
接收频率(MHz)     2110-2170     1900-1920
发射频率(MHz)     1920-1980     1900-1920
多址方法     CDMA     TDMA
双工方法     FDD     TDD
信道间隔     5MHz     5MHz
调制     QPSK
信道比特率         144kb/s在郊区室外500kb/s在城市室外和高到2Mb/s在室内

Claims (20)

1.用于处理从通信系统的不同射频接口接收的信号的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
-从射频接口接收载频信号，
-对载频上的信号进行带通滤波，
-放大被滤波载频上的信号，
-产生接收频率上的接收混合信号，
-通过把接收的载频信号与接收混合信号进行混频而从接收的载频信号产生复数基带信号，
-对所产生的基带信号进行低通滤波，
-在模数转换之前，放大或衰减所产生的基带信号，
-将基带信号变换成数字的，以及
-处理被变换成数字的基带信号以便产生被编码和被调制成接收信号的信息信号，
其中用于处理接收频率信号的信号处理部分对于从至少两个不同的射频接口接收的信号是公共的。
2.用于处理被发送到通信系统的不同射频接口的信号的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
-根据要被发送的信息信号产生数字基带正交信号，
-数字基带信号被变换成模拟的，
-产生发射频率上的发射混合信号，
-通过把基带信号与发射混合信号进行混频而从基带信号产生载频发送信号，
-放大所产生的载频信号，以及
-发送发射信号到射频接口，
其中用于处理发射频率信号的信号处理部分对于从至少两个不同的射频接口接收的信号是公共的。
3.在通信系统的不同射频接口运行的直接变频接收机，其特征在于，它包括：
-用于从射频接口接收载频信号的天线装置，
-用于滤波载频信号的带通滤波器(2)，
-用于放大滤波的载频信号的第一接收机放大器(4)，
-用于产生接收频率上的接收混合信号的装置(10，11)，
-用于通过接收混合信号从接收的信号产生复数基带信号的混频装置(5)，
-用于滤波基带信号的低通滤波器(6)，
-用于放大基带信号的第二放大器(7)，
-用于把基带信号变换成数字的模拟-数字变换器(8)，以及
-用于处理被变换成数字的基带信号以便产生被编码和被调制成接收信号的信息信号的装置(9)，
其中用于处理接收频率信号的信号处理部分对于从至少两个不同的射频接口接收的信号是公共的。
4.权利要求3的接收机，其特征在于，它包括用于选择带通滤波器(2，FX1)的通带以使得它相应于接收频率的装置。
5.权利要求3的接收机，其特征在于，它包括用于控制所述第一放大器的增益的装置。
6.权利要求3的接收机，其特征在于，用于产生接收频率上的混合信号的装置(10，11)包括接收综合器(10，S1)和用于分频由接收综合器产生的输出信号频率的可控分频器(11，N1)。
7.权利要求6的接收机，其特征在于，所述分频器被安排成总是用2或者用4来除接收综合器的输出信号以便产生接收混合信号。
8.权利要求3的接收机，其特征在于，它包括用于控制低通滤波的截止频率以便按照选择的射频接口执行信道滤波的装置(6，FX3)。
9.权利要求3的接收机，其特征在于，它包括用于执行以数字方式实现的信道滤波的装置。
10.权利要求3的接收机，其特征在于，它包括用于控制第二放大器的增益的装置(7，GX2)。
11.权利要求3到10的任一项的接收机，其特征在于，信号处理通路包括用于连接到不同的射频接口的、基本上相同的组件。
12.在通信系统的不同射频接口运行的直接变频发射机，其特征在于，它包括：
-用于根据要被发送的信息信号产生数字基带正交信号的装置(9)，
-用于把基带发送信号变换成模拟的数字-模拟变换器(14)，
-用于产生发射频率上的发射混合信号的综合器(10，11)，
-用于通过发射混合信号从基带发送信号产生载频的信号的混频装置(16)，
-用于放大载频上的信号的发射机放大器(7，8)，以及
-用于发射载频上的放大的发送信号的天线装置，
其中用于处理发射频率信号的信号处理部分对于从至少两个不同的射频接口接收的信号是公共的。
13.权利要求12的发射机，其特征在于，它包括可控制的低通滤波器(15，FX4)，用于滤波基带发送信号，以便按照选择的射频接口执行信道滤波。
14.权利要求12的发射机，其特征在于，它包括用于执行以数字方式实现的信道滤波的装置。
15.权利要求12的发射机，其特征在于，用于产生发射频率上的发射混合信号的装置(10，11)包括发射综合器(13，S2)和用于分频由发射综合器产生的输出信号频率的可控分频器(12，N2)。
16.权利要求15的发射机，其特征在于，所述分频器被安排成总是用2或者用4来除发射综合器的输出信号，以便产生发射混合信号。
17.权利要求12到16的任一项的发射机，其特征在于，它包括用于控制发射机放大器的增益的装置(17，GX3)。
18.权利要求12到16的任一项的发射机，其特征在于，它包括用于控制发射机放大器的工作频段的装置(18，BX)。
19.权利要求12到16的任一项的发射机，其特征在于，它包括用于滤波载频上的、放大的发送信号的带通滤波器，以及用于选择发射机带通滤波器(3，FX2)的通带以使得它相应于发射频率的装置。
20.权利要求12到16的任一项的发射机，其特征在于，信号处理通路包括用于连接到不同的射频接口的、基本上相同的组件。
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