CN1750524A - 一种新型的数字正交解调器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种正交解调器和正交信号的解调方法。用于解调中频正交调制信号的正交解调器(210，220)，它包括过采样带通增量总和调制模数转换器以及数字混频器、同相正弦序列发生器、移相器、延时器和降频器。其有别于传统的正交解调器的特点是数字化解调方式：先借助过采样带通增量总和调制模数转换器把接收到的中频信号数字化，再将此数字化中频信号分两路，一路经过数字混频器后直接通过降频器实现同相路解调；另一路经过数字混频器后利用一个延时器将混频信号延时一个采样周期，然后通过降频器实现正交路解调。由于本发明采用了数字化的解调方式，因此避免了模拟解调方式中含有直流偏置、易受干扰、设计困难的缺点，并且信噪比高。与现有的数字化解调方式相比，本发明的正交解调器(210，220)免去了数字滤波器，直接用降频器实现基带信号的解调，因此结构简单、算法先进、极大地节省了计算量，因此功耗小、设计简单、容易集成、生产成本低。

Description

一种新型的数字正交解调器

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及正交解调技术。

背景技术

在许多现代通信系统中，因为提高效率以及提高检测和校正传输误差而应用数字传输。数字传输格式包括二进制相移键控(Binary Phase ShiftKeying，简称“BPSK”)、四元的相移键控(Quaternary Phase Shift Keying，简称“QPSK”)、偏移四元相移键控(Offset Quaternary Phase Shift Keying，简称“OQPSK”)、正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，简称“QAM”)、最小频移键控(Minimum Shift Keying，简称“MSK”)、高斯最小频移键控(Gauss Minimum Shift Keying，简称“GMSK”)等。应用数字传输的通讯系统包括码分多址(Code division Multiple Access，简称“CDMA”)通信系统、卫星通信系统、雷达系统、无限局域网等。

在数字传输系统中，用数字化数据来调制应用上列格式之一的正弦载波，形成中频(Intermediate Frequency，简称“IF”)信号。再经过滤波，放大和上变频至射频(Radio Frequency，简称“RF”)信号后，将其发送到目的装置。在目的装置处，通过接收机接收所发送的RF信号并对其进行解调。

正交解调器(又称I/Q解调器)的作用是把接收到的正交中频信号恢复为基带信号，分两路输出(I路和Q路，又称同相路，正交路)给后续的数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)芯片处理。在图1中示出现有技术的示例模拟解调器的方框图，它用于QPSK、OQPSK和QAM等调制信号的正交解调。在正交解调器110内，将由RF信号下变频得到的IF信号提供给混频器112a和112b。正弦波产生器114产生与接收IF信号中心频率同频的正弦波，经过相移器116分别与IF信号混频。将混频器112a产生的信号提供给低通滤波器118a滤波，得到基带信号。将基带信号通过低通模数转换器120a，产生同相(I)信号。将混频器112b产生的信号提供给低通滤波器118b滤波，得到基带信号。将基带信号通过低通模数转换器120b，产生正交(Q)信号。

模拟的I/Q解调器从60年代起已经使用了很多年，但存在着一些不可避免的缺陷。图1中的混频器112a和112b的隔离性能如果不理想，就会出现自混频的想象，导致产生直流偏置。图1的解调器用的是模拟的解调方式，不利于集成且易受干扰。90年代起出现了数字的I/Q解调器，使得后续的电路转化为数字处理的方式。在本公司申请的题为“一种正交解调器”专利号200410053326.7的专利中揭示了2种较先进的数字正交解调器结构，在此引用作为参考。

发明内容

有鉴于模拟正交解调器的严重缺点，本发明的主要目的在于提供一种正交解调器和正交信号的解调方法，以及用于正交解调卫星信号的方法和用于正交解调分组语音信号的方法，使得解调器能以数字化的方式工作，避免模拟电路中的固有缺陷，并且电路结构简单，功耗小。

为实现上述目的，本发明提供了一种正交解调器，包含：

过采样带通增量总和调制模数转换器，用于接收一个模拟输入信号并数字化，提供数字化输出信号；

同相正弦序列发生器，用于产生一个数字同相正弦序列。

连接到所述同相正弦序列发生器的移相器，用于接收所述数字同相正弦序列并提供一个数字正交正弦序列；

连接到所述同相正弦序列发生器的第一数字混频器，用于接收所述数字同相正弦序列，所述第一数字混频器还接收所述数字化输出信号并提供第一解调信号；

连接到所述移相器的第二数字混频器，用于接收所述数字正交正弦序列，所述第二数字混频器还接收所述数字化输出信号并提供第二解调信号。

连接到所述第一数字混频器的第一2倍降频器，用于接收所述第一解调信号并提供同相输出；

连接到所述第二数字混频器的延时器，用于接收所述第二解调信号并提供延时解调信号；

连接到所述延时器的第二2倍降频器，用于接收所述延时解调信号并提供正交输出。

其中，用有源器件实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器。

在专用集成电路(ASIC)内实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器、混频器、同相正弦序列发生器、移相器和2倍降频器。

本发明还提供了一种正交解调器，包含：

过采样带通增量总和调制模数转换器，用于接收一个模拟输入信号并数字化，提供数字化输出信号；

连接到所述过采样带通增量总和调制模数转换器的第一4倍降频器，用于接收所述数字化输出信号并提供同相输出；

连接到所述过采样带通增量总和调制模数转换器的延时器，用于接收所述数字化输出信号并提供延时输出信号；

连接到所述延时器的第二4倍降频器，用于接收所述延时输出信号并提供正交输出。

其中，用有源器件实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器。

在专用集成电路(ASIC)内实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器、延时器和4倍降频器。

本发明还提供了一种用于解调正交信号的方法，包含以下步骤：

用模数转换器把接收信号数字化以提供数字化已调信号；

用降频器直接处理所述数字化已调信号以提供同相路解调信号；

用延时器处理所述数字化已调信号以提供延时已调信号；

用降频器直接处理所述延时已调信号以提供正交路解调信号。

其中，选择所述模数转换器的采样率为接收带通信号中心频率的4倍以提供所述数字化已调信号。

本发明还提供了一种用于正交解调卫星信号的方法，包含以下步骤：

用模数转换器把接收信号数字化以提供数字化已调信号；

用降频器直接处理所述数字化已调信号以提供同相路解调信号；

用延时器处理所述数字化已调信号以提供延时已调信号；

用降频器直接处理所述延时已调信号以提供正交路解调信号。

本发明还提供了一种用于正交解调分组语音信号的方法，包含以下步骤：

用模数转换器把接收信号数字化以提供数字化已调信号；

用降频器直接处理所述数字化已调信号以提供同相路解调信号；

用延时器处理所述数字化已调信号以提供延时已调信号；

用降频器直接处理所述延时已调信号以提供正交路解调信号。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于：

本发明是一种数字化的正交解调器。在本发明中，采用过采样带通增量总和调制模数转换器对接收到的IF信号进行采样、量化，产生一个数字化的接收信号。解调电路也相应的成为数字电路。结果是改进了模拟式的正交解调器中含有直流偏置，抗干扰能力差等不可避免的缺陷。

本发明在数字化时，采样频率使用高于奈奎斯特频率的4倍IF中心频率进行采样。使得量化噪声分布在一个更广泛的频率范围内，信号带宽内的噪声大大减小。对于窄带信号而言，可以得到一个很高的信噪比。

本发明对数字化接收信号直接或数字混频后利用降频器实现解调。使得传统数字解调器中的数字滤波器不再需要，这就直接免除了设计高速数字滤波器而带来的一系列麻烦。功耗也相应的降低。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果：与现有的模拟正交解调器相比本发明采用了数字化解调方式，彻底避免了模拟电路中的缺点。不会因自混频而产生直流偏置，不易受干扰。并且电路设计简单，性能可靠，更有利于在集成电路内实现。

与现有的数字正交解调器相比本发明采用了把接收到的信号数字化后直接或数字混频后利用降频器取出基带信号，完全免除了解调用的数字滤波器。这样带来的直接好处就是免除了数字滤波器中设计高速乘法器，加法器的困难，并且大大减小了集成电路版图的面积，显著降低了成本与功耗。

附图说明

图1是现有技术的示例解调器的方框图，将它用于QPSK、OQPSK、QAM、MSK和GMSK的信号正交解调；

图2是本发明的一示例解调器的方框图，将它用于QPSK、OQPSK、QAM、MSK和GMSK的正交解调；

图3是本发明的另一示例解调器的方框图，将它用于QPSK、OQPSK、QAM、MSK和GMSK的正交解调。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参考附图，在图2中示出本发明的一示例正交解调器的框图。将它用于QPSK、OQPSK、QAM、MSK和GMSK的正交解调。可以将此正交解调器结合到任何接收系统，如卫星接收系统。在正交解调器210中，将IF信号输入过采样增量总和调制模数转换器进行数字化。之后分成两路，一路经过数字混频器后进行2倍降频，得到I路基带解调信号；一路经过数字混频器后先延时一个采样周期再进行2倍降频，得到Q路基带解调信号。

图2所示的正交解调器工作时，首先将接收到的带通RF信号放大滤波，然后和本地振荡器1产生的正弦波混频，下变频滤波后得到IF1信号。此信号再和本地振荡器2产生的另一正弦波混频，再次下变频后得到IF2信号。此时信号的频率与RF信号相比已经下降了2个数量级，为数字化解调提供了技术保障。将IF2信号输入过采样带通增量总和调制模数转换器212，进行4倍过采样，即采样频率控制为输入带通信号中心频率的4倍。过采样与普通的奈奎斯特采样相比能有效地抑制量化噪声。此模块在功能上相当于把模拟正交解调器中放在最后的模数转换器提前，率先把信号采样，量化，得到数字化信号。为后续的数字解调提供了基础。将数字化信号的一路提供给数字混频器214a，与数字同相正弦载序列1，0，-1，0，1，0，-1，0......相乘。数字向相正弦载序列由数字同相正弦序列发生器216产生。数字同相正弦序列可以看成是同相正弦载波被4倍过采样之后得到。混频后信号经过2倍降频器222a进行2倍降频，即可得到同相(I)路信号；将数字化信号的另一路提供给数字混频器214b，与数字正交正弦序列0，-1，0，1，0，-1，0，1......相乘。数字正交正弦序列由同相正弦序列发生器216产生后经相移器218相移90度而得到。将得到的混频后信号经过延时器220，延时一个采样周期，然后经过2倍降频器222b进行2倍降频，即可得到正交(Q)路信号。

在图3中示出本发明的另一示例正交解调器的框图。将它用于QPSK、OQPSK、QAM、MSK和GMSK的正交解调。可以将此正交解调器结合到任何接收系统，如卫星接收系统。在正交解调器220中，将IF信号输入过采样增量总和调制模数转换器进行数字化，之后分成两路，一路直接进行4倍降频，得到I路解调信号；另一路经过一个采样周期的延时后再进行4倍降频，得到Q路解调信号。

图3所示的正交解调器工作时，经与正交解调器210同样的方法得到IF2信号，提供给过采样带通增量总和调制模数转换器222，进行4倍过采样，得到的数字接收信号一路直接提供给4倍降频器224a进行4倍的降频处理，即可得到I路解调信号；另一路先经过延时器226延时一个采样周期，然后提供给4倍降频器224b进行4倍的降频处理，得到Q路解调信号。

对于窄带信号，用上述图2，图3的实施方案得到的基带解调信号仍然是过采样的信号。因此在进行基带数字处理前，有必要的话可以进行再次降频。另外，本实施方案中，正交(Q)路信号是经过一个采样周期的延时后得到，因此在进行后续的数字信号处理之前，也要将同相(I)路信号也延时一个采样周期，以此取得互相的匹配。

上述图2，图3的实施方案尤其适合窄带信号的解调。对于一个带宽越窄，中频越高的信号，此方案越能获得更高的过采样率，这样带来明显的好处是量化误差的问题可以忽略。对于信噪比要求非常高的应用场合，解调出来的信号可以进行基带降频后用数字滤波器滤除带外的量化噪声。这个数字滤波器的设计相比一般数字正交解调器中解调用的滤波器要容易得多，因为经过多次降频后，基带信号频率已经大幅的降低。随着无线通讯的发展，用户容量不断的扩大，因此人们总是希望用户占用的带宽窄，而中频范围宽。所以此方案的应用前景极为宽广。

图2，图3的实施方案中将数字信号用降频的方法处理得到基带信号而不是用数字滤波器解调是本发明的关键所在。其算法原理已经得到数学证明，软件仿真的结果也进一步揭示其正确性。用降频的方法得到基带信号免去了设计高速数字滤波器中的一系列困难问题，因此设计更简单。带来的直接好处就是在利用集成电路实现时，设计周期短，芯片面积更小、功耗更小、成本更低。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种正交解调器，其特征在于，包含：

过采样带通增量总和调制模数转换器，用于接收一个模拟输入信号并数字化，提供数字化输出信号；

同相正弦序列发生器，用于产生一个数字同相正弦序列。

连接到所述同相正弦序列发生器的移相器，用于接收所述数字同相正弦序列并提供一个数字正交正弦序列；

连接到所述同相正弦序列发生器的第一数字混频器，用于接收所述数字同相正弦序列，所述第一数字混频器还接收所述数字化输出信号并提供第一解调信号；

连接到所述移相器的第二数字混频器，用于接收所述数字正交正弦序列，所述第二数字混频器还接收所述数字化输出信号并提供第二解调信号。

连接到所述第一数字混频器的第一2倍降频器，用于接收所述第一解调信号并提供同相输出；

连接到所述第二数字混频器的延时器，用于接收所述第二解调信号并提供延时解调信号；

连接到所述延时器的第二2倍降频器，用于接收所述延时解调信号并提供正交输出。

2.根据权利要求1所述的正交解调器，其特征在于，用有源器件实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器。

3.根据权利要求1所述的正交解调器，其特征在于，在专用集成电路(ASIC)内实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器、数字混频器、同相正弦序列发生器、移相器和2倍降频器。

4.一种正交解调器，其特征在于，包含：

过采样带通增量总和调制模数转换器，用于接收一个模拟输入信号并数字化，提供数字化输出信号；

连接到所述过采样带通增量总和调制模数转换器的第一4倍降频器，用于接收所述数字化输出信号并提供同相输出；

连接到所述过采样带通增量总和调制模数转换器的延时器，用于接收所述数字化输出信号并提供延时输出信号；

连接到所述延时器的第二4倍降频器，用于接收所述延时输出信号并提供正交输出。

5.根据权利要求4所述的正交解调器，其特征在于，用有源器件实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器。

6.根据权利要求4所述的正交解调器，其特征在于，在专用集成电路(ASIC)内实现所述过采样带通增量总和调制模数转换器、延时器和4倍降频器。

7.一种用于解调正交信号的方法，其特征在于，包含以下步骤：

用模数转换器把接收信号数字化以提供数字化已调信号；

用降频器直接处理所述数字化已调信号以提供同相路解调信号；

用延时器处理所述数字化已调信号以提供延时已调信号；

用降频器直接处理所述延时已调信号以提供正交路解调信号。

8.根据权利要求7所述的用于解调正交信号的方法，其特征在于，选择所述模数转换器的采样率为接收带通信号中心频率的4倍以提供所述数字化已调信号。

9.一种用于正交解调卫星信号的方法，其特征在于，包含以下步骤：

用模数转换器把接收信号数字化以提供数字化已调信号；

用降频器直接处理所述数字化已调信号以提供同相路解调信号；

用延时器处理所述数字化已调信号以提供延时已调信号；

用降频器直接处理所述延时已调信号以提供正交路解调信号。

10.一种用于正交解调分组语音信号的方法，其特征在于，包含以下步骤：

用模数转换器把接收信号数字化以提供数字化已调信号；

用降频器直接处理所述数字化已调信号以提供同相路解调信号；

用延时器处理所述数字化已调信号以提供延时已调信号；

用降频器直接处理所述延时已调信号以提供正交路解调信号。

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