CN1459153A - 用于射频电路与基带电路之间数字信号交换的接口概念 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电路设备，此电路设备具有模拟接收与发送单元，包括至少一个A/D变换器(13)和至少一个D/A变换器(14)，用于信号的变换；并且此电路设备也具有数字处理单元，用于处理数字信号。本发明也涉及用于移动通信的用户成套设备，此用户成套设备包括这种类型的电路设备，并且本发明涉及用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间传送数字信号的方法。建议一种电路设备，其中能够几乎不费力地实现数字处理单元和模拟接收与发送单元之间数字信号的可靠传输；为此，建议提供存储单元(17)和接口(18，19)，用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字信号，只在发送与接收间隙(43)中进行接收与发送单元和数字处理单元之间的信号或数据交换。

Description

用于射频电路与基带电路之间数字信号交换的接口概念
本发明涉及一种电路设备，此电路设备具有模拟接收与发送单元，包括用于信号变换的至少一个A/D变换器和至少一个D/A变换器，并且此电路设备也具有用于数字信号处理的数字处理单元。本发明也涉及用于移动通信的用户成套设备，此用户成套设备包括这种类型的电路设备，而且本发明涉及用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间传送数字信号的方法。
这种类型的电路设备用于通信系统中，例如，用于TDMA系统(例如，GSM系统)中。
便携式电子设备中不断增长的元件集成密度导致电路设备的数量不断变少，最终导致较低的成本、较小的设备和较大的可利用性。用于移动电话机的芯片组因而能减至较少芯片。所要求的电路设备例如包括其中容纳接收与发送单元的单元、数字处理单元和输入与输出单元。
信号的处理很大程度以数字为基础进行。然而，数据或信号的接收与发送都是模拟的。对于模拟电路的处理，提供也称为RF IC(射频电路)(RF＝射频)的接收与发送单元的电路设备。
为了进一步处理接收的模拟信号，对这些信号进行A/D变换以变换为数字信号。在此变换之后，这些信号的处理只是数字的；又将这些信号变换为模拟信号以便输出，例如，通过扬声器输出音频信号。同样地，对要发送的信号或数据进行D/A变换，以便以模拟形式发送这些信号或数据。
用于模拟与数字信号的处理的元件极为显著地不同。所有的模拟功能(例如，混频器与滤波器)原则上能够以数字来实现。然而，实现具有相当速度与分辨率的这种类型的功能是非常错综复杂的操作。设想的模拟元件主要是混频器、放大器或滤波器，而数字处理利用数字信号处理器和系统控制器。数字信号处理器也包括滤波功能，但以数字形式实施RF滤波器将太慢或其电流消耗将太高。
接收的信号可以具有非常低的电平；这些电平一般为-102dBm至-12dBm，因此这些信号可能非常容易遭受叠加与干扰的影响。
根据迄今为止公知的解决方案，提供一种电路设备，其中利用A/D与D/A变换器专门将信号变换为一种形式或另一种形式。给此电路设备提供模拟信号进行变换；同时也以数字形式提供信号以便变换为模拟信号。此电路设备通过接口将数字化的信号输出给数字处理单元。同样地，将利用数字处理单元提供的信号通过此接口提供给所述电路设备的D/A变换器。
此解决方案具有一个缺点，其要求在电设备中占据相应空间量的附加电路设备。
再一个实施例中的电路设备的元件集成在RF IC上，此RF IC具有接口单元，此接口单元包括相关的A/D与D/A变换器和相应接口。随后必须对此接口提出苛刻要求，这是因为此接口应能以高数据速率将数字数据发送给具有数字处理单元的电路设备。具有数字处理单元的这样的电路设备在下面也称为基带IC(电路)。
此系统具有数字信号与非常敏感的模拟信号同时在RF-IC上是有效的缺点。例如，来自移动电话机的天线的输入信号可能具有非常低的电平并且此RF IC中的VCO(压控振荡器)信号也非常容易受干扰。与模拟信号的处理同时进行的通过接口传送数字信号可能引起所述模拟信号的严重干扰。为了减少这样的叠加效果，必须保证此接口具有合适的特性。例如，数字信号应尽可能在数字边缘上具有尽可能长的上升时间，以减少RF分量的频谱；小的信号摆幅也是有益的。这些特性利用RF IC以及基带IC所要求的附加元件来实现。
根据此概念，只要求两个电路设备是有益的。此概念的缺点是必须以这样一种方式来构造RF IC与基带IC之间的接口，以排除敏感模拟信号的叠加与干扰，并且此接口必须据此特别地进行构造。为此，如上所述，要求模拟单元利用自身增加使基带IC或RF IC的元件适应新的处理技术所要求的效果的模拟滤波器来减少数字信号的边缘陡度。
在使用使导体轨迹(track)不断变窄、导体轨迹之间的距离不断变小以及晶体管的击穿电压不断降低的新处理技术时遇到另一问题。因而减少可使用的电压范围，所以相应模拟功能的实现变得更加困难或变得甚至不可能。
因此，本发明的一个目的是提供一种电路设备，其中能够几乎不费力地实现数字处理单元和模拟接收与发送单元之间数字信号的可靠传送。
此目的利用具有模拟接收与发送单元、具有用于处理数字信号的数字处理单元、具有至少一个存储单元并且也具有接口的电路设备来实现，此模拟接收与发送单元包括用于信号变换的至少一个A/D变换器和至少一个D/A变换器，此至少一个存储单元与接口用于在此模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字数据。
此电路设备包括模拟接收与发送单元，用于接收模拟信号并且另一方面用于发送模拟信号例如给基站或发送给移动用户成套设备。此模拟接收与发送单元特别包括至少一个A/D变换器，在接收的模拟信号在接收单元中变换为I与Q信号分量之后将这些接收的模拟信号变换为数字信号。也提供D/A变换器，将利用数字处理单元提供的信号变换为模拟信号，这些模拟信号本身通过天线进行发送。
此模拟接收与发送单元包括合适的放大器，将从天线接收的非常低电平的信号放大到相应的信号电平。同样地，此模拟接收与发送单元包括滤波器，用于抑制接收信号中来自其他移动无线电用户的相邻信道的干扰或信号分量或例如来自无线电站的其他频带中的高电平的信号。此模拟接收与发送单元具有混频器单元，从而将信号从一个载频设置到另一载频。
此数字处理单元具有数字信号处理器和系统控制器，用于处理数字数据，例如，解调与均衡，以编码或解码语音和控制显示驱动器。
根据本发明，建议在模拟接收与发送单元中集成其中缓存数字信号的存储单元。此存储单元连接到用于在此模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换存储在此存储单元中的数字信号的接口。如此缓存的结果是，在敏感模拟信号的干扰低时，能在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间发送数字信号。结果，此接口可以具有比较简单的结构。
在本发明的一个有益实施例中，将模拟接收与发送单元安排在也称为RF IC的电路中。将数字处理单元安排在称为基带IC的还一电路中。因而能使各个电路设备适应新颖处理技术而不必采用复杂的模拟元件。而且，不要求附加电路用于变换与传输，而这样的电路将要求附加的空间与电流。
在本发明的一个有益实施例中，将存储单元和第一接口单元安排在RF IC上。此存储单元随后连接在A/D变换器与D/A变换器和第一接口单元之间。此存储单元将变换为数字信号的接收信号存储在A/D变换器中。同时也存储基带IC提供的数字信号，以便在相应时刻在D/A变换器中变换为模拟信号，从而通过天线发送这些信号。
用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字信号的基带RF接口包括第一接口单元和第二接口单元。第一接口单元容纳在具有模拟接收与发送单元的RF IC上，而第二接口单元容纳在具有数字处理单元的基带IC上。在这些IC之间串行交换数据。将第一接口单元中接收的数据变换为串行数据流，以便串行发送给第二接口单元，此第二接口单元又并行输出此数据。将要发送的数据并行提供给第二接口单元，在第二接口单元中将此数据变换为串行数据流，以便串行发送给第一接口单元和并行输出给存储单元。串行数据传输提供这些接口单元之间所要求的链路的数量是最少的优点。
在IC上具有足够的空间可利用的应用的情况中，能在RF IC与基带IC之间实现此数据的直接并行传输。
根据本发明，建议仅在不进行模拟信号的发送或接收时在数字处理单元和模拟接收与发送单元之间完成数字信号的传输。
存储单元存储数字化的I与Q信号，即在发送与接收间隙中通过第一与第二接口单元将这些I与Q信号提供给数字处理单元。同样地，通过第一与第二接口单元将利用数字处理单元提供的数字信号发送给存储单元，以便仅在又进行传输脉冲串时(利用相应的D/A变换器)变换为模拟I与Q信号，这些信号随后提供至天线。
因为在时分多路复用传输方法(例如，根据GSM标准的TDMA系统)中，通常只有1/8时隙可用于接收或发送脉冲串的发送或接收，保留足够的时间用于基带RF接口以数字形式在基带IC与RF IC之间发送相应数据，这允许明显简单的接口，此接口只由在没有RF IC的发送或接收活动时是有效的数字元件构成。因而不再可能由于数字信号的叠加而干扰模拟信号。
在本发明的可选择实施例中，将存储单元构造成两个部分。此存储单元的一部分则用于接收路径(RX)的数据，并且此存储单元的另一部分用于发送路径(TX)的数据。
此目的利用用于移动通信的用户成套设备来实现，此用户成套设备包括具有模拟接收与发送单元、用于数字信号处理的数字处理单元、至少一个存储单元和接口的电路设备，此模拟接收与发送单元包括用于信号变换的至少一个A/D变换器与至少一个D/A变换器，其中至少一个存储单元和接口用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字信号。
此目的也利用在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间传输数字信号的方法来实现，在此方法中，在存储单元中缓存这些信号，以便在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换信号。
这种类型的结构能用于GSM、DECT或蓝牙传输系统。
此概念的重要优点在于，在IC上分开混频信号(模拟与数字信号)和数字功能。结果，只有数字功能单元集成在基带IC上，这在新颖处理技术的情况中具有较快与较容易适应的优点。
下面，利用示例结合附图具体描述本发明的实施例，其中：
图1表示根据本领域当前状态的一种设备；
图2表示其中A/D与D/A变换器和接口集成在RF IC上的一种设备；
图3表示根据本发明在RF IC上具有存储器的电路设备；
图4表示时间图表；和
图5具体表示根据本发明的设备的接口结构。
图1表示根据本领域当前状态的一种设备，具有3个独立的电路设备。RF IC1包括模拟接收与发送单元并且通过未示出的天线接收模拟信号R和发送模拟信号T。
接收单元11具有合适的放大器、滤波器和混频器单元，用于适当地增加从天线接收的模拟信号R的电平并用于从中除去来自相邻信道的干扰与信号分量。接收单元11以I与Q分量的形式提供信号给安排在接口芯片3上的A/D变换器13，在此A/D变换器中将这些模拟I与Q信号分量变换为数字信号。接下来，通过第一接口单元15提供这些数字信号给第二接口单元16。第二接口单元16容纳在具有数字处理单元的基带IC2上。基带IC2容纳数字信号处理器21和系统控制器22。
因为在这样的设备中不仅接收信号R而且也发送信号T给其他的系统，所以通过接口单元16利用数字信号处理器21或系统控制器22从具有数字处理单元的基带IC2中发送数字编码的信号给具有接口单元15的接口芯片3。随后，将数字信号提供给D/A变换器14，此D/A变换器14以I与Q分量的形式将这些数字信号变换为相应的模拟信号。将这样的I与Q信号从接口芯片3提供给RF IC1；接下来，在发送单元12中将这些信号调整到合适的电平并且也调整到通过天线发送这些信号所需的希望载频上。
根据本领域当前状态的上面的电路设备包括三个电路；缺点是每个电路必须安排在印制电路板上并且必须连接到其他的电路，因此在印制电路板的有限空间上占据相应的空间量。
为了避免这样的缺点，建议一种设备，其中在具有模拟接收与发送单元的RF IC1上安排位于图1的接口芯片3上的接口以及相应的A/D与D/A变换器13与14和第一接口单元15，这得到图2所示的安排，其中实际上如图1一样提供相同的元件，所不同的是在这种情况中使用在两个芯片1与2之中相应一个芯片上具有的比特流接口单元15a与16a来替代串行第一与第二接口单元。这样的比特流接口生成具有比输入信号的带宽高得多的数据率的比特流。未表示出消除高频量化噪声的抽取滤波器(数字滤波器)。
此设备具有出现具有高数据率的数字信号的缺点。因为此信号包含大的量化噪声分量，所以必须发送比实际有用信号所实际需要多的比特。结果，可能出现例如从天线接收的模拟信号受具有高数据率的数字全摆幅信号的传输以及从基带IC2至RF IC1的陡峭边缘的干扰影响。为了减少或排除这样的叠加或干扰，要求具有区域15a与16a的精密比特流接口，这样的接口具有防止影响敏感模拟信号的合适滤波器(未示出)。这样的滤波器特别影响数字边缘中的上升时间，因此减少此信号频谱中的RF分量。为此，例如，采用模拟低通滤波。也影响此信号以实现较低的信号幅度。
图3表示根据本发明的只牵涉两个电路的电路概念，模拟接收与发送单元容纳在RF IC1上，而数字信号处理器21和系统控制器22作为数字处理单元安排在基带IC2上。模拟接收与发送单元从天线中接收模拟信号R；这些信号在接收单元11中适当地进行放大和滤波，以便作为I与Q信号提供给A/D变换器13进行数字变换。在存储单元17中缓存数字化的I与Q信号。
在其中模拟接收与发送单元不发送或接收信号的间隔期间，通过第一串行接口单元18将存储在存储单元17中的信号或数据提供给基带IC2中的第二串行接口单元19。
将利用基带IC2提供的数字信号从第二串行接口单元19提供给RF IC1，在RF IC1中这些信号到达串行接口单元18以便提供给存储单元17，在此存储单元17中缓存这些数字信号。从数字处理单元至模拟接收与发送单元的此传输只在此电路设备不接收或发送信号的时间期间再次进行。
要发送的数据利用D/A变换器14变换为模拟I与Q信号，以便在发送单元12中调整到正确的电平，此后通过天线将这些信号作为模拟信号进行发送。
作为图3所示的设备的一种替换，RF IC1也可以具有第二存储单元(未表示)出，以便分隔开用于接收路径与发送路径的存储器。
图4表示时间图表。其中线条41与41a代表相应的发送脉冲串，而线条42与42a代表相应的接收脉冲串。在这种情况中利用标号43表示的这些脉冲串41、42与41a、42a之间的时间周期中，在基带IC2与RF IC1之间发送数字信号。
图5是根据本发明的电路设备的一个示例的具体示意图。其中，只表示出包括A/D与D/A变换器的发送与接收单元、存储单元17与串行接口18、19的这一部分，也表示出基带IC2的第二串行接口单元19与相应滤波器单元23。
通过前沿132p、132n与131p、131n将以I与Q分量形式接收的模拟信号提供给相应的∑-ΔA/D变换器132、131。信号131p与132p每次包含I信号或Q信号的正分量，而信号131n与132n每次包含I信号或Q信号的负分量。∑-ΔA/D变换器131与132将模拟I与Q信号变换为相应的数字信号131a与132a，将所述信号提供给存储单元17并随后还通过第一串行接口18进行发送。∑-ΔA/D变换器从模拟输入信号中生成比特流信号。
将要发送的数字信号存储在存储器17中并通过FIRDAC变换器141、142变换为具有I与Q分量的模拟信号。141p与142p每次代表正分量，而141n与142n每次分别表示I信号与Q信号的负分量。FIRDAC变换器(有限脉冲响应数字-模拟变换器)从比特流中生成模拟信号。在此操作期间，同时滤除RF量化噪声分量。
基带IC2包括滤波器单元23，此滤波器单元23具有噪声整形单元24和数字抽取滤波器25，这些单元均用于处理输入或输出数字信号。
噪声整形器具有与抽取滤波器相反的功能。将具有12比特总线宽度和每秒13/24百万样值的数据速率(＝每秒541700样值)的数字信号变换为也包含相应大量RF量化噪声的比特流信号(每秒13百万比特)。
提供的I与Q信号和输出I与Q信号的带宽量在NZIF(近零中频)模式中为零至200kHz。利用A/D与D/A变换器在信号132a、131a中发送的数据和源于存储器17的信号141a与142a具有有可能每秒发送13百万样值的1比特分辨率。
数字化的基带信号作为具有12比特分辨率的PCM(脉码调制)数据出现在基带IC2中，因此每秒发送13/24百万样值。利用数字滤波器、混频器并变换到合适的电平，将在接收路径中降低数据率和分辨率。分辨率与数据速率越低，将要求越少的计算努力，从而也能够要求较低的功率消耗。
本发明能用于以脉冲串发送和接收信号的任何TDMA系统中。除了GSM系统之外，本发明也能用于在美国使用的IS54与IS136系统中。而且，本发明能用于在英国使用的DCS-1800以及在美国使用的WACS-PACS系统中并且用于在日本使用的手持/电话系统中。本发明也适于在欧洲使用的DECTZ系统中使用。
存储单元的容量取决于∑-Δ变换器的脉冲宽度和附加抽样率。对于GSM系统来说足够的16千比特的存储容量因此对于GPRS系统来说应相应的进行放大。
此接口在存储单元17的数字信号在D/A变换器142、141中变换为模拟信号的同时是无效的，这些模拟信号再次具有IF或RF频率。此接口在模拟接收与发送单元接收下降混频接近零IF信号的天线信号的同时也是无效的。在接收脉冲串结束的时刻，通过此接口能将数据从存储器17传送至基带IC2。
图4表示利用用于GSM系统的大约575μs的发送与接收脉冲串。当在∑-Δ变换器中使用13MHz的附加抽样频率(32.5附加抽样因数)时，生成具有相应比特率的比特流信号。能如下计算从∑-Δ变换器输出的用于脉冲串的比特数量：
575*10-6*13*106＝7475
因为两个信道(I与Q)必须同时在∑-Δ变换器中进行变换，所以在此计算的比特数量必须加倍，因此只要求16千比特的存储容量。
因为在GPRS系统中在一个时隙中发送和接收多个发送与接收脉冲串，所以必须增加存储容量。本发明的电路设备的优点是满足的EMC要求不苛刻，因此能实施简单的数字接口而不必实施复杂的模拟滤波器和在接口中生成小摆幅信号，而这些步骤将要求附加空间和电流。

Claims (10)

1.一种电路设备，具有：模拟接收与发送单元，所述单元包括用于信号变换的至少一个A/D变换器(13)和至少一个D/A变换器(14)；数字处理单元，用于处理数字信号；至少一个存储单元(17)并且也具有接口(18，19)，这些组成单元用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字信号。
2.根据权利要求1的电路设备，其特征在于，此模拟接收与发送单元和数字处理单元安排在相应的电路中。
3.根据权利要求1的电路设备，其特征在于，存储单元(17)安排在具有模拟接收与发送单元的电路(1)中。
4.根据权利要求1的电路设备，其特征在于，存储单元(17)安排在A/D变换器(13)与D/A变换器(14)和第一接口单元(18)之间。
5.根据权利要求1的电路设备，其特征在于，此数字处理单元包括用于发送数字信号给第一接口单元(18)的第二接口单元(19)。
6.根据权利要求1的电路设备，其特征在于，此电路设备用于在发送与接收间隙(43)中在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字信号。
7.根据权利要求1的电路设备，其特征在于，此存储单元包括至少两个存储区域。
8.一种用于移动通信的用户成套设备，包括电路设备，此电路设备具有：模拟接收与发送单元，包括用于信号变换的至少一个A/D变换器与至少一个D/A变换器；数字处理单元，用于数字信号处理；至少一个存储单元和一个接口，这些组成单元用于在模拟接收与发送单元和数字处理单元之间交换数字信号。
9.一种用于在模拟接收单元和数字处理单元之间传送数字信号的方法，在此方法中在模拟接收与发送单元和处理单元之间交换信号之后将这些信号缓存在存储单元中。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，在发送与接收间隙中交换这些信号。
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