CN201114162Y - 一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，包括射频接收子系统、A/D转换器、数字基带信号处理子系统、自动频率控制子系统，多载波数字下变频子系统，所述射频接收子系统的输出端依次通过A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的输入端连接，所述自动频率控制子系统的输入端与数字基带信号处理子系统的输出端连接，所述自动频率控制子系统的输出端与射频接收子系统的输入端连接。本实用新型采用数字中频技术，利用多载波信号处理方法，构建多载波数字下变频子系统，避免了传统数字下变频子系统的限制，实现了多载波的数字接收机系统。

Description

一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统

技术领域

本实用新型涉及数字接收机系统，尤其涉及一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统。

背景技术

传统的基于数字中频技术的数字接收机系统(如图1所示)一般包含了射频接收子系统、数字中频处理子系统、基带信号处理子系统和后台处理子系统等。射频接收子系统实现信号从RF到IF的转换处理；数字中频处理子系统实现模拟IF到数字基带I、Q的数据处理，基带数字信号处理子系统，完成同步和解调处理，后台处理实现通信接口控制、接口电平的转换以及与外界计算机的互连等。其中，射频放大和下变频子系统一般采用超外差或是零中频的设计方式，超外差式系统的谐波和杂散抑制较难实现，而零中频式系统容易出现DC(直流)偏移。目前的接收机系统，由于需要较多的模拟电路，系统指标一致性不好，调试比较复杂，而且，无法校正由于I、Q信号相位、幅度不平衡而导致的本振泄漏，也降低了接收机的接收性能。

目前，常见的接收机主要是单载波数字接收机系统，只能对单载波信号进行接收处理。随着移动通信的发展，移动通信用户数急剧增加，运营商不得不对各种制式的移动通信系统进行扩容处理，以满足用户的通信需求，导致运营成本增加。如今的通信系统扩容处理，都是采用多载波技术，这就要求相应的移动通信产品也具有多载波处理能力。因此，数字接收机应该能实现对多载波信号的处理，以符合今后的应用需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，本实用新型系统不仅能满足数字接收机对多载波信号的接收处理，而且大大提高了接收机的接收动态范围，很好的抑制带外杂散、消除本振泄漏有效减少接收机的频率偏移，有效提高接收机的接收性能。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，包括射频接收子系统、A/D转换器、数字基带信号处理子系统、自动频率控制子系统，多载波数字下变频子系统，所述射频接收子系统的输出端依次通过A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的输入端连接，所述自动频率控制子系统的输入端与数字基带信号处理子系统的输出端连接，所述自动频率控制子系统的输出端与射频接收子系统的输入端连接。还包括时钟子系统、微芯片控制子系统，所述时钟子系统、微芯片控制子系统的输出端分别与射频接收子系统、A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的另一个输入端连接。

所述多载波数字下变频子系统，包括A/D采样和AGC控制模块、单通道NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、DDC系统总控制模块；所述A/D采样和AGC控制模块输出端依次通过第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接；所述单通道NCO产生模块的输出端与第一级正交调制处理模块的输入端连接；所述多通道NCO产生模块的输出端与第二级复数调制处理模块的输入端连接；所述DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的另一个输入端连接。

所述A/D采样和AGC控制模块包括AGC控制模块、A/D转换模块和控制处理模块，所述AGC控制模块的输出端通过A/D转换模块与控制处理模块输入端连接，所述控制处理模块输出端分别连接第一级正交调制处理模块输入端和AGC控制模块的输入端。

所述第二级复数调制处理模块包括多个调制累加模块，数据时序调整处理模块，所述多个调制累加模块同时与数据时序调整处理模块连接；所述调制累加模块包括NCO信号延时处理模块，抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器和累加后I、Q信号延时处理模块；所述多通道NCO产生模块与多个调制累加模块的NCO信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器与累加后I、Q信号延时处理模块依次连接；所述第一级抽取滤波器组与多个调制累加模块的抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接。

所述第一级抽取滤波器组或第二级抽取滤波器组分别由一个、两个或三个抽取滤波器组成；所述抽取滤波器是FIR、IIR、CIC或半带抽取滤波器；所述多载波数字下变频子系统用CPLD、EPLD、FPGA、DSP可编程逻辑器件或ASIC芯片中任意一种实现。

所述射频接收子系统包括抗混迭带通滤波器、模拟ATT、放大器、混频器、本振LO以及抗混迭滤波器，所述抗混迭带通滤波器的依次通过模拟ATT、放大器、混频器与抗混迭滤波器的输入端连接，所述本振LO的输出端与混频器的输入端连接。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型采用数字中频技术，利用多载波信号处理方法，构建多载波数字下变频子系统，避免了传统数字下变频子系统的限制，实现了多载波的数字接收机系统。

2、本实用新型的接收机可以结合多载波数字下变频子系统和射频接收子系统实现自动频率控制功能，根据数字信号所计算频率的偏差，然后通过调整RF的频偏，实现接收机的自动频率控制，有效减少接收机的频率偏移，提高接收机的接收灵敏度。

3、本实用新型降低对前端A/D器件的要求，在数字下变频处理中进行AGC控制，提高了A/D的动态范围，大大提高了接收机的接收动态范围。

4、数字下变频子系统易于利用可编程逻辑器件来实现，可以组建多种通信制式的中频系统，形成不同功能、制式和接口的数字接收机。

5、本实用新型有利于采用诸如FPGA、CPLD、EPLD、DSP等可编程逻辑器件实现，可以在可编程逻辑器件中实现高性能的数字滤波、本振抑制等处理，很好的抑制带外杂散以及消除本振泄漏，大大提高接收机的性能。

附图说明

图1是基于数字中频技术的数字接收机系统原理框图；

图2是本实用新型多载波数字接收机系统的结构原理图；

图3是本实用新型多载波数字接收机系统的多载波数字下变频子系统的原理框图；

图4是本实用新型多载波数字接收机系统的多载波数字下变频子系统的第二级复数调制处理模块结构框图；

图5是本实用新型多载波数字接收机系统的射频接收子系统的结构图；

图6是多载波数字下变频系统中的N个载波NCO串行输出模式示意图；

图7是多载波数字下变频系统中的N个载波NCO并行输出模式示意图；

图8是多载波数字下变频系统中的N个载波NCO突发模式NCO输出时序示意图；

图9是多载波数字下变频系统中的N个载波并行输出模式示意图；

图10是多载波数字下变频系统中的N个载波并行交织输出模式示意图；

图11是多载波数字下变频系统中的N个载波串行交织输出模式示意图；

图12是多载波数字下变频系统中的N个载波突发模式输出时序示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图2所示，本实用新型一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，包括射频接收子系统、A/D转换器、数字基带信号处理子系统、自动频率控制子系统，多载波数字下变频子系统，所述射频接收子系统的输出端依次通过A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的输入端连接，所述自动频率控制子系统的输入端与数字基带信号处理子系统的输出端连接，所述自动频率控制子系统的输出端与射频接收子系统的输入端连接。还包括时钟子系统、微芯片控制子系统，所述时钟子系统、微芯片控制子系统的输出端分别与射频接收子系统、A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的另一个输入端连接。

所述A/D转换器是基于数字中频技术的多载波接收机系统中关键器件之一，实现对模拟中频信号的模数转换处理，输出高速率的数字中频信号。由于数字中频处理对A/D转换器的要求较高，一般需要高速、宽动态范围的A/D器件，所以，本实用新型为了降低对前端A/D器件的要求，在多载波数字下变频处理中进行AGC控制，提高了A/D的动态范围。

所述基带信号处理子系统接收来自多载波信号处理的数字下变频子系统输出的基带I、Q数据，对信号进行同步、信道解码、信道估计以及载波搜索等处理。

所述时钟子系统为整个系统中的各个子系统和模块提供参考时钟信号，并负责数字接收机系统的时钟管理和分发，实现时钟的分频、倍频等处理；

所述微芯片控制子系统负责整个数字接收机系统的监测和控制，可以通过系统总线和接收机系统的各个子模块进行监控和告警处理。若某一子系统或是子模块出现工作异常，进行系统复位处理，和进行告警上报处理，微芯片控制子系统还整个系统的程序下载和更新，如FPGA、DSP程序的下载；

所述自动频率控制子系统主要实现整个接收机系统的自动频率校正，以调整接收机接收信号与输入信号的出现的频率偏差，需要根据所接收到的基带速据，计算频率的偏差，通过调节电压值来调整RF的偏差。自动频率中，所选用的晶振的控制电压需要很稳定，抗干扰。否则会导致晶振的频率不稳定。

本实用新型基于数字中频技术的多载波数字接收机系统的工作过程，包括以下步骤：

(1)射频接收子系统对天线所接收到的射频信号进行处理，将射频信号转变为模拟中频信号输出到A/D转换器；

(2)A/D转换器将接收的模拟中频信号进行模数转换处理，输出高速率的数字中频信号到数字下变频子系统；

(3)多载波数字下变频子系统对数字中频信号进行数字下变频处理和载波分离，输出多载波的低速基带信号到基带信号处理子系统；

(4)基带信号处理子系统对接收的低速基带信号进行包括同步、信道解码、载波搜索处理以及信道估计的处理，完成多载波数字信号的接收。

如图3所示，本实用新型多载波数字接收机系统的多载波数字下变频系统，包括A/D采样和AGC控制模块、单通道NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、DDC系统总控制模块；所述A/D采样和AGC控制模块输出端依次通过第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接；所述单通道NCO产生模块的输出端与第一级正交调制处理模块的输入端连接；所述多通道NCO产生模块的输出端与第二级复数调制处理模块的输入端连接；所述DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块的另一个输入端连接。

所述多载波数字下变频子系统中的A/D采样和AGC控制模块包括AGC控制模块、A/D转换模块和控制处理模块，所述AGC控制模块的输出端通过A/D转换模块与控制处理模块输入端连接，所述控制处理模块输出端分别连接第一级正交调制处理模块输入端和AGC控制模块的输入端。AGC控制模块和控制处理模块组成反馈控制系统，AGC控制模块根据控制处理模块发出的决策和控制信号，根据A/D的特性，实现对输入信号的衰减以及放大处理，以起到保护A/D转换器的同时，提高A/D转换模块的动态范围。其中控制处理模块完成输出给AGC控制的控制信号功能外，还必须具备如下一些功能：对A/D转换后的低速信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的高速信号，或是对A/D转换后的高速信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的低速信号，或是对A/D转换后的并行信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的串行信号，或是对A/D转换后的串行信号转换为适合第一级正交调制处理模块需求的并行信号。

所述第一级正交调制处理模块主要对来自A/D转换和AGC控制模块的数字中频信号以及单通道NCO产生模块所生成的单载波cos和sin信号进行第一级的混频和调制处理，输出以0MHz为中心频点的数字信号。

所述单通道NCO产生模块功能是产生单载波的cos和sin信号，具体频点可以根据设计要求，由DDC系统总控制模块进行设置。

所述多通道NCO产生模块主要实现生成多载波的数字sin和cos信号，为第二级复数调制处理模块提供多个本振参考信号。各个载波的频点可以根据设计要求，由DDC系统总控制模块进行单独设置。多通道NCO产生模块能够输出多种时序的本振信号，如图6的N个载波NCO串行输出模式、图7的N个载波NCO并行输出模式以及图8的N个载波NCO突发模式NCO输出时序等。

在多载波数字下变频系统中，为了降低A/D采样后数据的传输速率，需要采用数据抽取处理，但数据抽取会引起信号频谱的混迭，需要进行滤波。对应高倍数的抽取处理，为了降低滤波器设计的难度，节约器件资源，一般要采用多级抽取滤波器级联实现。系统中的第一级抽取滤波器组和第二级抽取滤波器组一般都是由一个或两个抽取滤波器组成，特殊情况下，会采用三个抽取滤波器来构成抽取滤波器组。其中，抽取滤波器可以为FIR、IIR以及CIC、半带抽取滤波器等。如系统第一级抽取需要实现16倍数据抽取处理，可以采用CIC抽取4倍和FIR抽取4倍来实现，也可以采用半带滤波器抽取2倍、CIC抽取2倍以及FIR抽取4倍来实现。

在本实用新型中的多载波数字下变频子系统，对调制后的输出的信号进行增益调节和控制，以满足系统设计中对信号输入、输出增益的控制要求。所述可变增益调节模块开放了一些用户接口，以使得用户能够根据系统设计要求，任意的修改系统增益，具体可由DDC系统总控制模块实现对增益的任意调节。

所述数据格式转换模块主要根据后续系统要求，对输出数据的格式进行一定的调整和转换，可以输出二进制补码、原码、偏移码、十六进制码等。具体输出数据格式要求，由DDC系统总控制模块进行控制和实现。

所述数据接口控制模块功能主要是输出符合后续要求的不同时序规律的基带I、Q信号。DDC系统总控制模块可以设置输出的时序要求，由数据接口控制模块实现输出如下模式的数据：如图9的N个载波并行输出模式、图10的N个载波并行交织输出模式、图11的N个载波串行交织输出模式(其中MSB(MostSignificant Bit)表征数据的最高有效位，LSB(Least Significant Bit)表征数据的最低有效位)和图12的N个载波突发模式输出时序。

所述DDC系统总控制模块分别与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式变换模块、数据接口控制模块相连接。实现对单通道NCO产生模块和多通道NCO产生模块输出频率的设置；控制可变增益调节模块，使得各个载波的增益符合设计需求；根据系统性能要求，合理的实现本振抑制处理。最后，输出符合系统要求的数据格式和数据时序。

所述本振抑制模块在本实用新型中，抑制实现抵消下变频处理中，因为设计处理等所引入的直流信号以及载波泄漏信号，所以提高了多载波数字下变频系统性能。在数字下变频处理中，不可避免会引入直流信号，可以采用“对称舍入”处理方法来抑制直流泄漏，也可以采用直流滤波的方法实现对直流的抑制，还可以采用其他的方法来进行直流的抑制，如求取信号的均值，对信号进行补偿处理。而且，在多载波下变频系统中，每个频点对应的载波泄漏也会对系统性能带来较大的影响，所以，需要对载波泄漏信号进行抑制处理，以减小载波泄漏对其他载波的干扰。具体抑制要求，可以根据系统性能要求，通过DDC系统总控制模块实现任意性能的调节和控制。

如图4所示，本实用新型多载波数字接收机系统的多载波数字下变频系统的第二级复数调制处理模块，包括多个调制累加模块，数据时序调整处理模块，所述多个调制累加模块同时与数据时序调整处理模块连接；所述调制累加模块包括NCO信号延时处理模块、抽取滤波后I、Q信号延时处理模块、乘法器、混频后I、Q信号延时处理模块、累加器和累加后I、Q信号延时处理模块；所述多通道NCO产生模块与多个调制累加模块的NCO信号延时处理模块、乘法器、混频后I、Q信号延时处理模块、累加器与累加后I、Q信号延时处理模块依次连接；所述第一级抽取滤波器组与多个调制累加模块的抽取滤波后I、Q信号延时处理模块、乘法器、混频后I、Q信号延时处理模块、累加器、累加后I、Q信号延时处理模块、数据时序调整处理模块依次连接。

结合图3、图4所示，本实用新型多载波数字下变频系统实现的对数字中频信号进行数字下变频处理和载波分离，输出多载波的低速基带信号到基带信号处理子系统，包括以下步骤：

(a)AGC控制模块将接收到模拟中频信号传送到A/D转换模块，A/D转换模块进行模数转换形成数字中频信号，控制模块根据数字中频信号的特性，输出反馈决策和控制信息到AGC控制模块，实现对A/D芯片的自动AGC控制；

(b)A/D采样和AGC控制模块输出的数字中频信号输入到第一级正交调制处理模块，与单通道NCO产生模块输出的cos和sin信号进行混频调制处理，输出零中频的数字信号，零中频的数字信号进入到第一级抽取滤波器组进行数据抽取和滤波处理；

(c)经过第一级抽取滤波器组进行抽取滤波后的数据，与多通道NCO产生模块产生的多个不同频率的cos和sin信号一起输入到第二级复数调制处理模块进行混频调制处理，形成多载波I、Q信号；多载波I、Q信号通过第二级抽取滤波器组进行进一步的数据抽取和滤波处理，输出低速的多载波基带I、Q数据；

(d)经过两级调制后的信号经过可变增益调节模块，每个载波的增益都可以独立进行相应的调整，输出符合系统增益要求的I、Q信号；

(e)可变增益调节模块输出的信号通过本振抑制处理模块进行直流本振泄漏以及载波泄漏的抑制，然后通过数据格式转换模块控制输出信号的格式，最后再通过控制数据接口模块，输出并行、串行或交织模式的I、Q数据。

如图5所示，本实用新型一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统的射频接收子系统包括抗混迭带通滤波器、模拟ATT、放大器、混频器、本振LO以及抗混迭滤波器，所述抗混迭带通滤波器的依次通过、模拟ATT、放大器、混频器与抗混迭滤波器的输入端连接，所述本振LO的输出端与混频器的输入端连接。模拟中频信号频率范围限定在60MHz～200MHz，便于射频子系统和数字中频处理系统的设计和实现。虽然射频子系统的构成比较复杂，但这样的处理，使得输出带宽适中的宽带模拟中频信号，不需要超高速的采样，后续的A/D转换处理可以大大简化。

所述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，包括射频接收子系统、A/D转换器、数字基带信号处理子系统、自动频率控制子系统，多载波数字下变频子系统，所述射频接收子系统的输出端依次通过A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的输入端连接，所述自动频率控制子系统的输入端与数字基带信号处理子系统的输出端连接，所述自动频率控制子系统的输出端与射频接收子系统的输入端连接。

2、根据权利要求1所述的一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，所述多载波数字下变频子系统，包括A/D采样和AGC控制模块、单通道NCO产生模块、第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、多通道NCO产生模块、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块、DDC系统总控制模块；所述A/D采样和AGC控制模块输出端依次通过第一级正交调制处理模块、第一级抽取滤波器组、第二级复数调制处理模块、第二级抽取滤波器组、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块与数据接口控制模块的输入端连接；所述单通道NCO产生模块的输出端与第一级正交调制处理模块的输入端连接；所述多通道NCO产生模块的输出端与第二级复数调制处理模块的输入端连接；所述DDC系统总控制模块的输出端同时与单通道NCO产生模块、多通道NCO产生模块、可变增益调节模块、本振抑制模块、数据格式转换模块、数据接口控制模块的另一个输入端连接。

3、根据权利要求2所述的一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，所述A/D采样和AGC控制模块包括AGC控制模块、A/D转换模块和控制处理模块，所述AGC控制模块的输出端通过A/D转换模块与控制处理模块输入端连接，所述控制处理模块输出端分别连接第一级正交调制处理模块输入端和AGC控制模块的输入端。

4、根据权利要求2所述的一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，所述第二级复数调制处理模块包括多个调制累加模块，数据时序调整处理模块，所述多个调制累加模块同时与数据时序调整处理模块连接；所述调制累加模块包括NCO信号延时处理模块，抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器和累加后I、Q信号延时处理模块；所述多通道NCO产生模块与多个调制累加模块的NCO信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器与累加后I、Q信号延时处理模块依次连接；所述第一级抽取滤波器组与多个调制累加模块的抽取滤波后I、Q信号延时处理模块，乘法器，混频后I、Q信号延时处理模块，累加器，累加后I、Q信号延时处理模块，数据时序调整处理模块依次连接。

5、根据权利要求2所述的一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，所述第一级抽取滤波器组或第二级抽取滤波器组分别由一个、两个或三个抽取滤波器组成；所述抽取滤波器是FIR、IIR、CIC或半带抽取滤波器；所述多载波数字下变频子系统用CPLD、EPLD、FPGA、DSP可编程逻辑器件或ASIC芯片中任意一种实现。

6、根据权利要求1所述的一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，所述射频接收子系统包括抗混迭带通滤波器、模拟ATT、放大器、混频器、本振LO以及抗混迭滤波器，所述抗混迭带通滤波器的依次通过模拟ATT、放大器、混频器与抗混迭滤波器的输入端连接，所述本振LO的输出端与混频器的输入端连接。

7、根据权利要求1所述的一种基于数字中频技术的多载波数字接收机系统，其特征在于，还包括时钟子系统、微芯片控制子系统，所述时钟子系统、微芯片控制子系统的输出端分别与射频接收子系统、A/D转换器、多载波数字下变频子系统与数字基带信号处理子系统的另一个输入端连接。

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