CN1318957A - 利用在射频模数变换的接收机系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种接收机接收射频(RF)模拟信号,而且该RF模拟信号被变换到数字域。由此,在模数变换之前接收机无需频率变换步骤。例如,该接收机可包括至少一个天线,用于接收不同频带的射频(RF)模拟信号。该模拟RF信号提供给单个模数(A/D)变换器,而且A/D变换器将不同频带的模拟RF信号变换为奈奎斯特带宽内的数字信号。通过为RF模拟信号正确地选择A/D变换器的抽样速率,A/D变换器能在奈奎斯特带宽的非重叠部分产生不同频带模拟信号的复制。

Description

利用在射频模数变换的接收机系统和方法
本发明涉及无线通信，尤其涉及利用在射频(RF)模数变换的一种无线通信系统中的接收机结构。
无线通信系统的服务区被分成称之为小区的相连服务域，在这些小区中，无线设备通过无线链路与服务该小区的一个基站(BS)通信。该基站例如通过一个连接该服务区域内所遍布的多个基站的移动交换中心(MSC)，连接到一个陆地网。在无线通信产业中，服务提供商常授权两个或多个不相邻的或分离频带，用于RF信道的无线发送和接收。例如，在美国，用于蜂窝通信的“A”带提供商的基站接收A(825-835MHz)、A’(845-846.5MHz)和A”(824-825MHz)频带内的频道，而无线设备接收A(870-880MHz)、A’(890-891.5MHz)和A”(869-870MHz)频带内的频道。“B”带提供商的基站接收B(835-845MHz)和B’(846.5-849MHz)频带内的频道，而无线设备接收B(880-890MHz)和B’(891.5-894MHz)频带内的频道。另外，个人通信系统(PCS)提供商的基站可从一个或多个PCS频带(1850MHz-1910MHz)上的无线设备接收频道，而无线设备可在一个或多个PCS频带(1930-1990MHz)上接收频道。
为减小系统硬件成本，服务提供商希望使用一种公共接收机来同时接收和处理不相邻频带内的信号。在一种典型的接收机结构中，对每个频带一般使用下变频步骤来下变频和控制每个频带在中频(IF)的位置，这样经调制的模拟信号的频带就转换到对应的IF频谱，而且能以降低的抽样速率被独立的模数(A/D)变换器抽样。为使用单个A/D变换器来数字化不相邻频带中的调制模拟信号，这个A/D将不得不以足够高的速率抽样来包含两个不相邻频带。由于A/D变换器正利用带宽来抽样频带间隙中的多余频率，因此这种方案效率低下。为减小不相邻频带间的频率间隙，对每个频带采用下变频步骤来下变频和控制每个频带在IF的位置，这样频带之间互相接近以适应较小的奈奎斯特带宽。改善A/D变换器使用效率的另一方案涉及下变频这两个不相邻频带，这样其中一个频带的复制就位于频带间的频率间隙中。
当A/D变换器以大于或等于两倍组合信号带宽的抽样速率(可称为奈奎斯特抽样速率)抽样IF频谱时，A/D输入信号带宽相对自身在多个一半抽样频率处翻转或对折。由此，信号带宽和信号带宽的镜像在对应A/D变换器抽样速率的频率间隙内周期性重复。信号带宽的每个复制可称为一个奈奎斯特区，而且IF信号带宽折回到0Hz与一半抽样频率之间的第一奈奎斯特区。奈奎斯特区的带宽对应于奈奎斯特带宽。
频谱密度在数字域的周期性是抽样波形的基本特性，它可通过确定时间-抽样波形的傅立叶变换来预测。一般来说，A/D变换器以至少两倍于复合频带带宽(即，奈奎斯特抽样速率)抽样，以得到经调制的模拟IF信号的数字表示。由此，应选择A/D变换器的抽样速率，以便奈奎斯特带宽包含预期的IF频带。抽样速率越高，则奈奎斯特带宽越宽。如果以不足两倍信号带宽(奈奎斯特带宽)的速率抽样该波形，那么相邻周期性频谱之间将出现一种不希望出现的叠加-一种众所周知称为混叠的现象。因此应选择抽样速率和IF频率，以便在减小A/D变换器抽样速率的同时，奈奎斯特带宽能包含要变换的频带，这使得能使用低抽样速率的A/D变换器，而且成本也能降低。因此频带间的分隔或频率间隙越宽，当前接收机结构就能达到使用单个A/D不被视为现实可行或有效的程度。
如果频带相距足够远或如果希望的话，可为每个分离频带使用一个分离天线。在各个天线专用于不同频带的多天线结构中，可使用独立的分支结构，其中使用包括一个混频器和一个本地振荡器(LO)的下变频步骤来下变频射频(RF)模拟信号为中频(IF)，而且为每个天线路径典型地使用一个A/D。上面的接收机结构没有利用潜在带宽，以及A/D变换器在转换模拟信号为数字域时所提供的灵活性。
本发明涉及一种接收机，它接收射频(RF)模拟信号，而且RF模拟信号被变换为数字域。由此，在模数变换之前该接收机不要求频率变换步骤。例如，接收机可包括至少一个接收不同频带的射频(RF)模拟信号的天线。这些模拟RF信号提供给单个模数(A/D)变换器，而A/D变换器将这些不同频带的模拟RF信号变换为奈奎斯特带宽内的数字信号。通过为RF模拟信号正确地选择A/D变换器的抽样速率，A/D变换器能在奈奎斯特带宽的非重叠部分产生不同频带模拟信号的复制品。
通过阅读下面的详细描述以及参考附图，本发明的其它方面和优点可变得更为清晰，其中：
图1示出了根据本发明原理的一种接收机的一般方框图；
图2示出了在A/D输入频率的不同频带，以及模拟信号在不同奈奎斯特区的复制信号，它们在数字域折回到第一奈奎斯特区；
图3示出了根据本发明原理的多频带接收机的一个示例性实施例的一般方框图；
图4示出了对于图3的多频带接收机，在A/D输入频率的频带，以及各个频带在第一奈奎斯特区数字域频率的复制；
图5示出了对于采用抽样速率61.44MHz的A/D变换器的奈奎斯特区频率方案；以及
图6示出了带有RF频带复制的奈奎斯特区信道。
下面描述利用单个模数(A/D)变换器变换RF模拟信号为数字域的一种接收机系统的示意性实施例。利用A/D变换器的抽样速率可数字化变换该RF模拟信号，A/D变换器在奈奎斯特带宽产生信号带宽在RF的复制。由此，根据本发明原理的接收机结构不要求包括混频器和本地振荡器的频率转换步骤来下变频该RF模拟信号。此外，通过利用单个A/D变换器，在某些实施例中，接收机能提供不同频带模拟信号的时间和/或相位相关抽样。
特别参考图1，接收机10包括N个天线12a-n，它们通过RF信道接收模拟信号，其中N＞=1。天线12a可为多频带天线。信道分支分配器14，如N路复用滤波器或合路器阵列，组合和/或分离接收的RF信号或其部分，并以预期方式提供接收的模拟信号到X信道分支16a-x，其中X＞=1，而且可等于N但不一定要等于N。例如，不同信道分支16a-x可传输对应RF频带的模拟信号，这些信道分支16a-x可传输由不同天线或天线组接收的RF模拟信号，和/或带有不同或相邻频带的RF模拟信号复制品的多个信道分支。在这个实施例中，滤波器装置18在至少一个信道分支16a-x上提供至少两个不同RF频带。例如，滤波器装置18在每个信道分支16a-x上可包括一个滤波器20a-x，它通过相应信道分支16a-x上的一个频带，同时衰减其它频率。或者，根据该实施例，信道分支分配器14可简单地包括从天线12a-n到滤波器装置18的直接连接，而滤波器装置18对每个信道分支16a-x只包括一个滤波器20a-x。
合路装置22以预期模式组合各个信道分支16a-x上的RF模拟信号。结果产生的包含不同频带模拟信号的复合模拟信号提供给模数变换器24，变换器24数字化该RF模拟信号并提供该数字化的信号给数字处理电路26。或者，根据该实施例，如果接收机10只有一个分支16，那么合路装置22只是简单地从天线12经过滤波器20(如果要求的话)到A/D变换器24的一个连接。
应选择A/D变换器24的抽样速率，以便RF模拟信号在信道分支16a-x上的频带折回到第一奈奎斯特区的非重叠部分，第一奈奎斯特区折回由模数(A/D)变换器24提供的奈奎斯特带宽。经调制的模拟信号的奈奎斯特抽样速率，例如在信息信号被调制到一个载波信号处，可定义为信息信号最高频分量的至少两倍，而不管信息信号被调制的载频有多大。可以是声音、数据、视频、文本和/或其它信息的信息在该信号带宽内传输。信息信号的最高频率分量直接与信号带宽相关。由于信号带宽是以至少两倍于信息信号最高频分量的速率抽样的，因此信息信号可在数字域中再现。
当由A/D变换器24以至少两倍于组合信号带宽的抽样速率(可称为奈奎斯特抽样速率)抽样频谱时，信号带宽相对自身在一半抽样频率的频率倍数或间隙(“奈奎斯特区”)翻转或对折回数字域中从0Hz到一半抽样速率的第一奈奎斯特区。由此，信号带宽和信号带宽的镜像在对应A/D变换器抽样速率的频率间隙周期性重复。例如，编号为奇数的奈奎斯特区的信号带宽将出现在编号奇数的奈奎斯特区回到第一奈奎斯特区的相对位置，好象编号偶数的奈奎斯特区的镜像。此外，编号偶数的奈奎斯特区的信号带宽好象编号奇数的奈奎斯特回到第一奈奎斯特区的镜像，同时出现在编号偶数的奈奎斯特区的同一相对位置。因此，信号带宽的复制重复出现在一半抽样速率的间隙。应选择A/D变换器的抽样速率以便模拟信号被数字化后，预期的复制频带占据第一奈奎斯特区的非重叠部分或信道。这种数字变换有效地保护信息以小于或等于一半抽样速率的速率在第一奈奎斯特区的带宽内产生。如果抽样速率增加，第一奈奎斯特区或奈奎斯特带宽变宽。
在这个实施例中，数字信号值的快速傅立叶变换(FFT)提供位于一半抽样速率(“第一奈奎斯特区”)内的频带(“奈奎斯特区信道”)上的信号来表示经变换的模拟信号。如果该波形是以不足两倍信号带宽(奈奎斯特带宽)的速率抽样的，那么相邻周期性频谱之间将出现不希望出现的叠加-一种众所周知称为混叠的现象。因此应选择抽样速率以避免由混叠导致的信息丢失。
例如，如图2所示，在将不同RF频带的模拟信号变换到数字域时，A/D变换器24将该复合模拟信号处理成奈奎斯特区信道30a-x，或第一奈奎斯特区中的频带。奈奎斯特区信道30a-x在数字域对应RF模拟信号的不同频带28a-x。数字信号处理电路26可从第一奈奎斯特区的奈奎斯特区信道恢复该数字信号，因为在数字化该模拟输入信号后，例如利用数字滤波器、数字合路器、数字检测器、数字解调器、数字下变频器，如具有数控振荡器(NCO)的数字下变频(DDC)，来数字下变频该数据率(这称为抽样)，和/或其它数字处理后，不同信道最终终止在第一奈奎斯特区。DDC能调谐到相应频率用于进一步的信号处理。因此，接收机10能利用单个A/D的可用带宽来处理来自不同RF频带的RF模拟信号。
由此，根据本发明原理的接收机10在任何信道分支16a-x上无需混频器/LO组合。没有混频器/LO组合的接收机10有许多优点。例如，在频率变换阶段没有固定的本地振荡器(LO)，就能减小DC功耗，消除了LO在天线外的再辐射，这样就无需额外的前端滤波，在IF不要求滤波器，而且也不要求镜像频带滤波器。由于不要求混频器，就去除了杂散混频器产物以及混频器产生的互调失真，从而改善了杂散自由动态范围。另外，去除了由混频器引起的损耗，这就减小了所需的信道增益，而且改善了噪声系数和增益线性。此外，通过使用单个A/D变换器，接收机能提供不同频带的模拟信号的时间和/或相位相关抽样。不同应用或信号处理方案可从这种改进的时间和/或相位相关测量受益。
根据该实施例，以及由于根据本发明原理的接收机的灵活性，接收机可以不同方式实现以使用A/D变换器24的潜在带宽。图3示出了根据本发明一定原理的多频带接收机50的实施例，它用于接收蜂窝和个人通信系统(PCS)频带上的通信信号。在美国，“A”带蜂窝服务提供商的基站接收A(825-835MHz)、A”(824-825MHz)和A’(845-846.5MHz)频带内的频道。“B”带蜂窝服务提供商的基站使用B(835-845MHz)和B’(846.5-849MHz)频带。在这个例子中，第一天线12a接收整个蜂窝基站接收频带(824-849MHz)内经调制的模拟信号，而第二天线12b接收整个PCS基站接收频带(1850-1910MHz)内经调制的模拟信号。
在这个实施例中，来自天线12a的RF模拟信号提供给第一信道分支16a，而来自天线12b的RF模拟信号提供给第二信道分支16b。第一信道分支16a上的旁路滤波器20a通过蜂窝频带(824-849MHz)内的频率并衰减其它所有频率。第二信道分支16b上的旁路滤波器20b通过PCS频带(1850-1910MHz)内的频率并衰减其它所有频率。在这个实施例中，低噪放大器(LNA)52a-b放大相应信道分支16a-b上的模拟信号。合路装置56接收第一和第二信道分支16a-b上的模拟信号，并提供两个不同频带的组合模拟信号给A/D变换器24。合路装置56可以是功率合路器或多路复用滤波器。
在这个例子中，加上蜂窝(25MHz)和PCS(60MHz)频带后，不同分支16a-b上的RF模拟信号的总带宽为85MHz。由此，应选择使用A/D变换器24的抽样速率，以便奈奎斯特带宽足够宽能处理RF模拟信号的85MHz带宽。另外，应选择A/D变换器24的抽样速率，以便不同频带被复制到奈奎斯特带宽的非重叠部分。由此，相应奈奎斯特区内不同频带的相对定位将影响抽样速率的选择。为示意起见，A/D变换器24采用400MHz的抽样速率(每秒400兆个抽样)以提供200MHz的奈奎斯特区带宽(一半抽样速率)。实际上，可选择不同抽样速率来提供不同频带或分支的信号之间的不同带宽或保护频带。A/D变换器24抽样蜂窝频带(824-849MHz)和PCS频带(1850-1910MHz)上的组合或复合模拟信号。为此，A/D变换器24为数字处理电路26产生对应蜂窝频带信号带宽的24-49MHz奈奎斯特区信道内的变换信号，以及产生对应PCS频带信号带宽的90-150MHz奈奎斯特区信道内的变换信号。
图4示出了由A/D变换器24产生的频谱，其中奈奎斯特区60a-j以奈奎斯特带宽或200MHz的间隔在整个频谱上重复。蜂窝频带在A/D输入频率为824-849MHz的RF频率时，出现于第五奈奎斯特区60e。该蜂窝频带的复制出现在返回第一奈奎斯特区60a的每个奈奎斯特区，第一奈奎斯特区60a提供在24～49MHz间的奈奎斯特区信道上的蜂窝频带信息信号的恢复。PCS频带在A/D输入频率为1850-1910MHz的RF频率，出现于第十奈奎斯特区60j。PCS频带的复制出现在返回第一奈奎斯特区60a的每个奈奎斯特区，第一奈奎斯特区60a提供对应A/D输入频率1850-1910MHz的镜像的90～150MHz间的奈奎斯特区信道上的PCS频带信息信号的恢复。
通过正确地选择A/D变换器24的抽样速率，根据本发明原理的接收机能更多地利用由A/D变换器24提供的潜在奈奎斯特带宽，以接收间隔频率差大的不同频带的RF模拟信号。在上面的例子中，整个蜂窝和PCS频带被接收，而且利用抽样速率为400MHz的单个A/D变换器被数字化变换。在抽样RF频率的模拟信号时，A/D变换器提供可用于数字信号处理的RF频带在第一奈奎斯特区的复制或镜像。在其它实施例中，可采用不同抽样速率来增加或减小奈奎斯特带宽，例如，提供不同频带的信号之间的额外带宽或保护频带。
例如，图5示出了采用61.44MHz抽样速率的A/D变换器的奈奎斯特区频率方案，它提供的奈奎斯特区宽30.72MHz。所示的奈奎斯特区带宽为15MHz，位于每个奈奎斯特区的带内。图6示出了宽为30.72MHz的第一奈奎斯特区，其中不同频带的信号在更高奈奎斯特区的复制在第一奈奎斯特区的非重叠部分或信道上示出。第一奈奎斯特区信道80出现在约7.5MHz，它带有从奈奎斯特区12的361MHz处折回的一个400MHz带宽的调幅(AM)模拟信号的拷贝。第二奈奎斯特区信道82出现在约10MHz，它带有从奈奎斯特区61的1853MHz处折回的一个2MHz带宽的码分多址(CDMA)信号的拷贝。第三奈奎斯特区信道84出现在约18.75MHz，它带有从奈奎斯特区5的141.7MHz处折回的一个连续波(CW)单音信号的拷贝。最后，第四奈奎斯特区信道86出现在约22MHz，它带有从奈奎斯特区17的513.5MHz处折回的一个4MHz带宽的调频(FM)信号的拷贝。由此，根据本发明原理的接收机可接收并数字化变换来自各种系统的模拟信号，这些系统可利用不同、相同或无多址技术、利用相同和/或不同调制技术、和/或在无RF频带频率变换的单个A/D变换器利用不同和/或连续频带或方案。模拟信号可具有宽带和/或窄带特征。
除了上面描述的实施例，根据本发明原理的接收机结构可采用忽略和/或增加组件和/或使用所述接收机结构的变型或部分的可选配置。例如，特别参考图3，可由天线76接收AM广播无线电频带(550-1600kHz)，并可将其加入到该组合或复合模拟信号中，而且A/D变换器24可数字化AM无线电频带中的模拟信号。AM无线电频带将位于第一奈奎斯特区的千赫兹范围内。由此，根据本发明原理的接收机能接收不同来源的信号，如蜂窝或PCS系统的基站，AM或FM广播电台和/或GPS卫星。本领域的普通技术人员会理解，组成接收机结构的各个组成部分以及它们的相应工作参数和特性应能适当地相适应以提供正确操作。例如，该接收机系统的一个实施例可用于接收来自北美TDMA系统、全球移动通信(GSM)系统、码分多址(CDMA)系统、频分多址(FDMA)系统、全球定位系统(GPS)、FM无线电和/或AM无线电信号。另外，根据本发明原理的接收机实施例是利用与基站接收频率相关的频带描述的，但根据本发明原理的接收机结构可用于诸如移动设备的无线设备，从诸如等同于移动设备接收频带的基站发送频带的其它频带接收信息。
此外，虽然已经利用不同组件的特定配置进行了描述，但应理解，该接收机系统和其部分可在专用集成电路、软件驱动的处理电路、固件、可编程逻辑设备、硬件或本领域的普通技术人员通过这个公开说明能理解的其它离散组件装置中实现。尽管在本示意性实施例中示出了一个特定电路，但测量无线电结构可使用不同组件，它们协同执行类似于所示电路的功能。本说明书的描述仅仅是为了示意本发明原理的应用。本领域的技术人员将很容易认识到，可不严格遵循在此示意和描述的示例性应用，对本发明采用上述和各种其它改进、装置和方法，而不会偏离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1．一种用于处理接收信号的方法，其特征在于：
提供射频(RF)模拟信号；以及
数字化变换所述RF模拟信号。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于：
提供不同RF频带的模拟信号；以及
数字化变换所述不同RF频带的所述模拟信号。
3．根据权利要求1的方法，其特征在于：
在射频(RF)的多个信道分支(16a-b)上提供模拟信号；
在RF的所述多个信道分支(16a-b)上组合所述RF模拟信号；以及
数字化变换所述RF复合模拟信号。
4．根据权利要求1的方法，其特征在于：
在至少两个天线(12a-b)上接收所述模拟信号。
5．根据权利要求4的方法，其特征在于，所述提供包括：
利用第一天线(12a)，在第一信道分支(16a)上提供一个频带的模拟信号；以及
利用第二天线(12b)，在第二信道分支(16b)上提供第二个频带的模拟信号。
6．根据权利要求3的方法，其特征在于，所述提供还包括：
在每个信道分支(16a-b)上滤波所述模拟信号，以提供频带对应所述信道分支的模拟信号。
7．根据权利要求3的方法，其特征在于，所述提供还包括：
从至少一个天线(12a)接收模拟信号；以及
在每个信道分支(16a-b)选择性产生频带对应所述信道分支(16a-b)的模拟信号。
8．一种接收机(10)，其特征在于，它包括
至少一个天线(12a)，用于接收和提供射频(RF)模拟信号；以及
一个模数变换器(24)，用于接收和数字化变换所述接收的RF模拟信号。
9．根据权利要求8的接收机，其特征在于：
至少一个天线(12a)，用于接收不同射频(RF)频带的模拟信号；以及
一个模数变换器(24)，用于接收和数字化变换不同RF频带的所述模拟信号。
10．根据权利要求8的接收机，其特征在于：
一个连接到所述至少一个天线(12a)的信道分支装置(14)，用于接收模拟信号，并提供模拟信号到射频(RF)的多个信道分支(16a-b)上；
一个连接到所述多个信道分支(16a-b)的合路装置(22)，用于在所述多个信道分支(16a-b)上组合所述模拟信号；以及
一个模数变换器，用于接收和数字化变换所述RF组合模拟信号。
11．根据权利要求10的接收机，其特征在于：
至少两个天线(12a-b)，用于为所述信道分支装置(14)提供所述模拟信号。
12．根据权利要求11的接收机，其特征在于：所述信道分支装置(14)用于在第一信道分支(16a)上提供来自第一天线的一个频带的模拟信号，以及在第二信道分支(16b)上提供来自第二天线(12b)的第二频带的模拟信号。
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