-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern von Interferenz in einem empfangenen Signal sowie einen Empfänger, der ein solches Verfahren anwendet.
-
Immer häufiger nutzen Funkempfänger in Kommunikationsgeräten, wie zum Beispiel Mobiltelefonen, eine Zwischenfrequenz (IF) von null zur Abwärtskonvertierung eines empfangenen Signals. Ein Nachteil dieses Null-IF- oder Direktkonvertierungsansatzes ist, dass Störungen in analogen Schaltkreisen, die in solchen Empfängern verwendet werden, bei niedrigen Frequenzen zu Interferenzen führen können. Eine Quelle solcher Interferenzen kann eine Mischer-Nichtlinearität sein, die Niederfrequenzverzerrungsprodukte erzeugen kann, wenn in einem empfangenen Signal ein starkes Interferenzsignal vorliegt. Eine weitere häufige Interferenzart ist Nullfrequenz(DC)-Interferenz im Ausgangssignal eines Mischers, die dadurch verursacht wird, dass ein Überlagerersignal in den Mischereingang gekoppelt wird. Eine weitere Interferenzart ist Niederfrequenzrauschen, das durch Halbleiterbauelemente verursacht wird, die für die Verarbeitung des empfangenen Signals verwendet werden. Damit der Empfänger diese DC- und Niederfrequenzinterferenzen mittels linearer Filterung unterdrücken kann, ist der Empfänger oft so aufgebaut, dass das erwünschte Signalspektrum in analogen Verarbeitungsstufen des Empfängers nicht DC überbrückt.
-
Ungleichgewichte in analogen Mischerschaltkreisen führen zu einem endlichen Spiegelselektionsverhältnis (üblicherweise als IRR bezeichnet). Das kann dazu führen, dass eine Interferenzsignalkomponente, die in dem Mischereingangssignal bei einer Frequenz außerhalb des Frequenzbandes, das ein interessierendes Signal enthält, vorhanden ist, in dem Mischerausgangssignal in dem Frequenzband, welches das interessierende Signal enthält, d. h. als ein Interferenzsignal innerhalb des Bandes, erscheint. Insbesondere können Signale, die in dem Mischereingangssignal mit Frequenzen, die einen Wert um die Überlagererfrequenz abzüglich der Zwischenfrequenz aufweisen, vorliegen, als Interferenzsignale innerhalb des Bandes in dem Mischerausgangssignal erscheinen.
-
Viele Kommunikationsstandards verlangen eine „Close-in”-Selektivität oder Nachbarkanal-Interferenzunterdrückung, um eine Mindestempfangsqualität in Gegenwart von Interferenzsignalen zu garantieren, deren Frequenzen relativ nahe bei den Frequenzen liegen, die durch das Spektrum des interessierenden Signals belegt werden. Das endliche Spiegelselektionsverhältnis des Mischers begrenzt den Betrag der Unterdrückung von Interferenzsignalen mit Frequenzen, die um die Überlagererfrequenz abzüglich der Zwischenfrequenz liegen. Somit ist es wünschenswert, das Spiegelselektionsverhältnis solcher Empfänger zu verbessern.
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Empfänger zum Extrahieren einer erwünschten Signalkomponente aus einem empfangenen Signal bereitgestellt, wobei dieses empfangene Signal die erwünschte Signalkomponente enthält und eine Interferenzsignalkomponente enthalten kann, wobei der Empfänger einen ersten Mischer umfasst, der ein Zwischenfrequenzsignal erzeugt, das eine frequenzverschobene Version des empfangenen Signals und eine frequenzverschobene Version eines Spiegelbildes des empfangenen Signals enthält, wobei der Empfänger des Weiteren Folgendes umfasst: einen zweiten Mischer zum Verschieben der erwünschten Signalkomponente des Zwischenfrequenzsignals dergestalt, dass sie auf einer Basisbandfrequenz zentriert ist, um ein erstes zusammengesetztes Signal zu erzeugen, das die verschobene erwünschte Signalkomponente und eine verschobene Version einer Interferenzsignalkomponente, die in dem Spiegelbild des empfangenen Signals enthalten ist, enthält; einen dritten Mischer zum Verschieben eines Spiegelbildes des erwünschten Signals dergestalt, dass es auf der Basisbandfrequenz zentriert ist, um ein zweites zusammengesetztes Signal zu erzeugen, das das verschobene Spiegelbild der erwünschten Signalkomponente und eine verschobene Version einer Interferenzsignalkomponente, die in dem empfangenen Signal enthalten ist, enthält; eine Schätzfunktion zum Schätzen, anhand des ersten und des zweiten zusammengesetzten Signals, eines Koeffizienten, der den Betrag der Interferenzsignalkomponente angibt, die mit der erwünschten Signalkomponente in einem ausgewählten der zusammengesetzten Signale vorhanden ist; einen Vervielfacher zum Skalieren der Komplexkonjugierten des ausgewählten zusammengesetzten Signals durch den auf diese Weise geschätzten Koeffizienten; und ein Addierwerk zum Subtrahieren des skalierten Signalausgangs durch den Vervielfacher von dem anderen zusammengesetzten Signal, um eine skalierte Version der erwünschten Signalkomponente zu erhalten.
-
Der Empfänger der vorliegenden Erfindung beseitigt den mit Geräten des Standes der Technik verbundenen Nachteil einer begrenzten Störfestigkeit (IRR), da er einen Koeffizienten schätzen kann, der den Betrag der Interferenz angibt, die in dem erwünschten Signal vorhanden ist, und diese Interferenz ausgleichen kann, um so ein Ausgangssignal von höherer Qualität zu erzeugen, während gleichzeitig das DC-Problem vermieden wird.
-
Die Schätzfunktion kann dafür konfiguriert sein, eine Leistung des ersten und des zweiten zusammengesetzten Signals zu berechnen, die Korrelation des ersten und des zweiten zusammengesetzten Signals zu berechnen und die Korrelation durch die Summe der Leistungen. zu teilen, um den Koeffizienten zu schätzen.
-
Der zweite Mischer kann die erwünschte Signalkomponente des Zwischenfrequenzsignals und das Spiegelbild der Interferenzsignalkomponente des Zwischenfrequenzsignals in der Frequenz abwärts verschieben, um das erste zusammengesetzte Signal zu erzeugen, und der dritte Mischer kann die Interferenzsignalkomponente des Zwischenfrequenzsignals und das Spiegelbild der erwünschten Signalkomponente des Zwischenfrequenzsignals in der Frequenz aufwärts verschieben, um das zweite zusammengesetzte Signal zu erzeugen.
-
Die Basisbandfrequenz kann DC sein.
-
Der Empfänger kann des Weiteren ein erstes Filter zum Entfernen unerwünschter Frequenzkomponenten aus dem ersten zusammengesetzten Signal und ein zweites Filter zum Entfernen unerwünschter Frequenzkomponenten aus dem zweiten zusammengesetzten Signal umfassen.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Extrahieren einer erwünschten Signalkomponente aus einem empfangenen Signal bereitgestellt, wobei das empfangene Signal die erwünschte Signalkomponente enthält und eine Interferenzsignalkomponente enthalten kann, wobei das Verfahren das Erzeugen eines Zwischenfrequenzsignals umfasst, das eine frequenzverschobene Version des empfangenen Signals und eine frequenzverschobene Version eines Spiegelbildes des empfangenen Signals enthält, wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: Verschieben der erwünschten Signalkomponente des Zwischenfrequenzsignals dergestalt, dass sie auf einer Basisbandfrequenz zentriert ist, um ein erstes zusammengesetztes Signal zu erzeugen, das die verschobene erwünschte Signalkomponente und eine verschobene Version einer Interferenzsignalkomponente, die in dem Spiegelbild des empfangenen Signals enthalten ist, enthält; Verschieben eines Spiegelbildes des erwünschten Signals dergestalt, dass es auf der Basisbandfrequenz zentriert ist, um ein zweites zusammengesetztes Signal zu erzeugen, das das verschobene Spiegelbild der erwünschten Signalkomponente und eine verschobene Version einer Interferenzsignalkomponente, die in dem empfangenen Signal enthalten ist, enthält; Schätzen, anhand des ersten und des zweiten zusammengesetzten Signals, eines Koeffizienten, der den Betrag der Interferenzsignalkomponente angibt, die mit der erwünschten Signalkomponente in einem ausgewählten der zusammengesetzten Signale vorhanden ist; Skalieren der Komplexkonjugierten des ausgewählten zusammengesetzten Signals durch den auf diese Weise geschätzten Koeffizienten; und Subtrahieren des skalierten Signalausgangs durch den Vervielfacher von dem anderen zusammengesetzten Signal, um eine skalierte Version der erwünschten Signalkomponente zu erhalten.
-
Das Schätzen des Koeffizienten kann Folgendes umfassen: Berechnen einer Leistung des ersten und des zweiten zusammengesetzten Signals, Berechnen der Korrelation des ersten und des zweiten zusammengesetzten Signals und Teilen der Korrelation durch die Summe der Leistungen, um den Koeffizienten zu schätzen.
-
Die erwünschte Signalkomponente des Zwischenfrequenzsignals und das Spiegelbild der Interferenzsignalkomponente des Zwischenfrequenzsignals können in der Frequenz abwärts verschoben werden, um das erste zusammengesetzte Signal zu erzeugen, und die Interferenzsignalkomponente des Zwischenfrequenzsignals und das Spiegelbild der erwünschten Signalkomponente des Zwischenfrequenzsignals können in der Frequenz aufwärts verschoben werden, um das zweite zusammengesetzte Signal zu erzeugen.
-
Die Basisbandfrequenz kann DC sein.
-
Das erste und das zweite zusammengesetzte Signal können gefiltert werden, um unerwünschte Frequenzkomponenten zu entfernen.
-
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens des zweiten Aspekts bereitgestellt.
-
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen Folgendes zu sehen ist:
-
1 ist eine schematische Darstellung eines Teil eines Empfängers, der das Verfahren der vorliegenden Erfindung nutzt; und
-
2a–2c zeigen beispielhafte Frequenzspektren eines empfangenen Signals in verschiedenen Stufen des in 1 gezeigten Empfängers.
-
Ein Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 1 allgemein bei 10 gezeigt. Es versteht sich, dass die in 1 gezeigten Funktionsblöcke nicht unbedingt für physische Komponenten eines Empfängers stehen, sondern lediglich der Veranschaulichung der Erfindung dienen. Darüber hinaus sind aus Gründen der Klarheit und Kürze nur jene Komponenten des Empfängers 10 veranschaulicht, die für die Erfindung relevant sind. Aber dem Fachmann ist natürlich klar, dass der Empfänger 10 noch weitere Komponenten umfasst.
-
Der Empfänger 10 umfasst eine oder mehrere Antennen 12 zum Empfangen eines Signals. Das empfangene Signal hat ein Frequenzspektrum, das einen positiven Frequenzteil und einen negativen Frequenzteil hat, wobei die Größenordnung des negativen Frequenzteils eine Widerspiegelung der Größenordnung des positiven Frequenzteils um eine Nullfrequenz(DC)-Position des Frequenzspektrums herum ist.
-
Das empfangene Signal, das in der Regel eine erwünschte Signalkomponente ωd und eine oder mehrere Interferenzsignalkomponenten ωint enthält, die mehr Energie als die erwünschte Signalkomponente haben können, wie in 2a veranschaulicht, passiert ein HF-Frontend 14 und anschließend einen Mischer 16, wo es mit einem durch einen Überlagerungsoszillator erzeugten Ton bei einer Frequenz von ωLO gemischt wird, um seine Frequenz zu verschieben, dergestalt, dass die erwünschte Signalkomponente auf einer ersten Zwischenfrequenz (IF), ωIF, zentriert ist, wie in 2b gezeigt. Da der Mischer 16 nicht ideal ist, enthält sein Ausgang auch ein Spiegelbild der erwünschten Signalkomponente.
-
Ein Filter 18 unterdrückt unerwünschte Frequenzkomponenten, in der Regel Hochfrequenzkomponenten, die in dem Ausgang des Mischers 16 vorhanden sind. Das gefilterte Ausgangssignal des Mischers 16 wird dann durch einen Analog-Digital-Wandler(ADC)-Block 20, der zwei reale ADCs enthält, in digitale Abtastungen konvertiert. Der Ausgang des ADC-Blocks 20 kann mathematisch als ein komplexes Signal dargestellt werden.
-
Das abgetastete Signal wird dann durch zwei parallele Abzweige 22, 24 verarbeitet. Im Abzweig 22, der das Äquivalent zu Komponenten eines herkömmlichen Nieder-IF-Empfängers ist, wird das abgetastete Signal durch einen Mischer 26 mit einem Ton bei einer Frequenz von –ωIF gemischt, die gleich dem Negativen der Zwischenfrequenz ωIF ist. Dadurch wird die in dem abgetasteten IF-Signal enthaltene erwünschte Signalkomponente dergestalt verschoben, dass ihr Frequenzspektrum auf einer Basisbandfrequenz zentriert ist. Der Abzweig 22 enthält ein Filter 28, das unerwünschte Hochfrequenzsignale, die in dem Ausgang des Mischers 26 vorhanden sind, dergestalt unterdrückt, dass der Ausgang des Filters 28 eine Version des erwünschten Signals enthält, dessen Frequenzspektrum auf der Basisbandfrequenz (die in diesem Beispiel null oder DC ist) zentriert ist, wie in dem rechten Spektrum von 2c veranschaulicht ist. Jede Interferenzsignalspiegelbildkomponente, die in dem IF-Signal vorhanden ist und deren Spektrum das Spektrum des erwünschten Signals überlappt, erscheint auch in dem Ausgang des Filters 28, wie in dem rechten Spektrum von 2c gezeigt ist.
-
Im Abzweig 24 wird das abgetastete Signal durch einen Mischer 30 mit einem durch einen Überlagerungsoszillator erzeugten Ton bei einer Frequenz gemischt, die gleich der Zwischenfrequenz ωIF ist. Dadurch wird das Spiegelbild der in dem IF-Signal enthaltenen erwünschten Signalkomponente dergestalt verschoben, dass sein Frequenzspektrum auf der Basisbandfrequenz zentriert ist. Der Abzweig 24 enthält ein Filter 32, das unerwünschte höherfrequente Signale, die in dem Ausgang des Filters 32 vorhanden sind, dergestalt unterdrückt, dass der Ausgang des Filters 32 eine Version des Spiegelbildes des erwünschten Signals enthält, dessen Frequenzspektrum auf der Basisbandfrequenz zentriert ist. Jede in dem IF-Signal vorhandene Interferenzsignalkomponente, deren Spiegelbild ein Spektrum hat, welches das Spektrum der erwünschten Signalkomponente überlappt, ist ebenfalls in dem Ausgang des Filters 32 vorhanden, wie in dem linken Spektrum von 2c veranschaulicht ist.
-
Die Ausgänge der Abzweige 22, 32 werden zu einer Schätzeinheit 34 geleitet, die dafür ausgelegt ist, einen komplexen Koeffizienten K zu berechnen, der den Betrag eines Interferenzsignals angibt, das in dem Ausgangssignal des Filters 28 vorhanden ist. Dieser Koeffizient K wird durch einen Vervielfacher 36 verwendet, um die Komplexkonjugierte der Interferenzsignalkomponente, die in dem Ausgang des Abzweigs 24 enthalten ist (wobei die Komplexkonjugierte in einem Konjugator 40 berechnet wird), zu skalieren, und die skalierte Interferenzsignalkomponente, die durch den Vervielfacher 36 ausgegeben wird, wird durch das Addierwerk 38 von dem verschobenen empfangenen Signal subtrahiert. Das resultierende Signal bewegt sich dann zu einer (nicht gezeigten) Demodulationsstufe des Empfängers 10.
-
Die Funktionsweise des Empfängers wird anhand der in den 2a–2c gezeigten beispielhaften Frequenzspektren am besten veranschaulicht.
-
2a zeigt ein Spektrum eines empfangenen Signals mit einer erwünschten Signalkomponente 70, die auf einer Frequenz ωd zentriert ist, und einer starken Interferenzsignalkomponente 72, die um eine Frequenz ωint herum zentriert ist, die eine niedrigere Frequenz als die Mittelfrequenz ωd der erwünschten Signalkomponente ist und in diesem Beispiel gleich ωd – 2ωIF ist. Die Interferenzsignalkomponente 72 kann zum Beispiel ein Nachbarkanal in einem Mobiltelekommunikationssystem sein.
-
Das Spektrum enthält negative Frequenzkomponenten, die der erwünschten Signalkomponente 70 bzw. der Interferenzsignalkomponente 72 entsprechen.
-
2b zeigt das Spektrum eines Zwischenfrequenz(IF)-Signals, das durch den Mischer 16 ausgegeben wird. Da der Mischer 16 nicht perfekt ist, wird das IF-Signal durch ein Spiegelbild 76 der durch den Mischer 16 erzeugten Interferenzsignalkomponente 72 beeinträchtigt. Das Frequenzspektrum des Spiegelbildes 76 der Interferenzsignalkomponente 72 überlappt das Frequenzspektrum der erwünschten Signalkomponente 70 des IF-Signals.
-
Die Interferenzspiegelbildkomponente 76 des IF-Signals kann nicht mittels frequenzselektiver Filterung von der erwünschten Signalkomponente 70 getrennt werden, weil sich die Spektren dieser beiden Signalkomponenten überlappen. Das überlappende Spiegelbild 76 kann einen hochwertigen Empfang der erwünschten Signalkomponente 70 beeinträchtigen.
-
Das Überlappen des Frequenzspektrums der Interferenzspiegelbildkomponente 76 mit dem Frequenzspektrum der erwünschten Signalkomponente 70 verursacht Schwierigkeiten bei der Demodulation der erwünschten Signalkomponente 70, insbesondere dann, wenn die Interferenzsignalkomponente 72 (die das Spiegelbild 76 verursacht) eine hohe Leistung hat. Jedoch kann die Auswirkung der Interferenzsignalkomponente 72 auf die erwünschte Signalkomponente 70 folgendermaßen verringert werden.
-
Das Ausgangssignal des Filters 18 wird durch den ADC-Block 20 digitalisiert, und das digitalisiere Signal wird einer parallelen Verarbeitung in den zwei Abzweigen 22, 24 unterzogen.
-
Im Abzweig 22 wird das Signal im Mischer 26 mit einem Ton, der eine Frequenz von –ωIF (d. h. eine Frequenz gleich dem Negativen der Zwischenfrequenz) aufweist, gemischt, wodurch die verschobene erwünschte Signalkomponente 70 des IF-Signals in einer solchen Weise frequenzverschoben wird, dass ihr Frequenzspektrum auf einer Basisbandfrequenz zentriert ist, die in diesem Beispiel DC ist. Die überlappende Interferenzspiegelbildkomponente 76 wird gleichermaßen frequenzverschoben, wie in dem rechten Spektrum von 2c gezeigt ist. Somit haben die verschobene erwünschte Signalkomponente 70 und die überlappende Interferenzspiegelbildkomponente 76, die in dem Ausgangssignal des Filters 28 vorhanden ist, Frequenzspektren, die auf DC zentriert sind, und man kann sagen, dass sie ein zusammengesetztes Signal bilden, das um DC herum zentriert ist.
-
Im Abzweig 24 wird das Signal im Mischer 30 mit einem Ton, der eine Frequenz von ωIF (d. h. eine Frequenz gleich der Zwischenfrequenz) aufweist, gemischt, wodurch ein Spiegelbild 74 der erwünschten Signalkomponente 70 des IF-Signals dergestalt frequenzverschoben wird, dass es auf DC zentriert ist. Die Interferenzsignalkomponente 72 wird gleichermaßen verschoben. Somit haben das Spiegelbild 74 der erwünschten Signalkomponente 70 und die Interferenzsignalkomponente 72, die in dem Ausgangssignal des Filters 32 vorhanden ist, Frequenzspektren, die auf DC zentriert sind, und man kann sagen, dass sie ein zweites zusammengesetztes Signal bilden, das um DC herum zentriert ist, wie in dem linken Spektrum von 2c gezeigt ist.
-
Das erste und das zweite zusammengesetzte Signal, die durch die Mischer 26, 30 ausgegeben werden, werden in die Filter 28, 32 eingespeist, um alle Frequenzkomponenten außerhalb des interessierenden Frequenzbandes zu entfernen, und die durch die Filter 28, 32 ausgegebenen Signale werden in die Schätzeinheit 34 eingespeist.
-
Die Schätzeinheit 34 berechnet anhand dieser Eingangssignale einen Koeffizienten K, dessen Größenordnung den Betrag der Interferenz angibt, die mit der erwünschten Signalkomponente 70 in dem Ausgangssignal des Filters 28 vorhanden ist. In einer unten beschriebenen Ausführungsform berechnet die Schätzeinheit 34 den Koeffizienten K durch Korrelieren des durch das Filter 28 ausgegebenen Signals (im Weiteren als Zn bezeichnet), das die erwünschte Signalkomponente 70 (im Weiteren als Sn bezeichnet) und das überlappende Spiegelbild 76 der Interferenzsignalkomponente 72 (im Weiteren als qn* bezeichnet, d. h. die Komplexkonjugierte von qn, wobei qn das Interferenzsignal 72 ist) umfasst, mit dem durch das Filter 32 ausgegebenen Signal (im Weiteren als Wn bezeichnet), das das Spiegelbild 74 der erwünschten Signalkomponente 70 (im Weiteren als Sn* bezeichnet) und die überlappende Interferenzsignalkomponente 72 (im Weiteren als qn bezeichnet) umfasst. Dem Fachmann fallen aber noch weitere Verfahrens zum Berechnen des Koeffizienten K ein.
-
Unter Verwendung der oben eingeführten Bezeichnung gilt: Zn = Sn + Kqn* und Wn = qn + KSn*
-
Eine Schätzung der Korrelation zwischen Zn und Wn ist
-
Es kann angenommen werden, dass S und q unabhängig sind und dass die Sinale S
n, q
n, Z
n, W
n mittelwertfrei sind. Folglich werden die Terme
und
bei großem N klein, wodurch
Rzw ≈ KRq + KRs = K(Rq + Rs) erhalten wird, wobei
eine Schätzung der Interferenzsinalleistung ist und
eine Schätzung der erwünschten Signalleistung ist.
-
Eine Schätzung der Leistung von Z
n ist
-
Die Terme
und
werden bei großem N klein, wodurch
Rzz* = Rs + |K|2Rq erhalten wird.
-
Gleichermaßen ist Rww* = Rq + |K|2Rs
-
Es folgt, dass R
ww* + R
zz* ≈ (1 + |K|
2)(R
q + R
s). Es kann angenommen werden, dass die Größenordnung von K klein ist (in der Regel etwa 0,01), so dass |K|
2 sehr klein ist. Diese Annahme ist gültig, weil die Ungleichgewichte in dem Mischer
16 in der Regel klein sind. Somit kann K folgendermaßen angenähert werden:
-
Das durch das Filter 32 ausgegebene Signal wird in dem Konjugator 40 komplexkonjugiert und dann im Vervielfacher 36 durch den Koeffizienten K skaliert, und dieses skalierte Signal wird von dem Signal, das durch das Filter 28 ausgegeben wird, subtrahiert, um folgendes Ausgangssignal zu erhalten: Zn – KWn* = Sn + Kqn* – K[qn + K*Sn*)*
= Sn + Kqn* – Kqn – |K|2Sn
= Sn(1 – |K|2)
-
Somit umfasst das Signal, das durch das Addierwerk 38 zum Demodulieren ausgegeben wird, nur eine geringfügig skalierte Version der erwünschten Signalkomponente 70, und die Interferenzsignalkomponente 72 (und ihr Spiegelbild 76) sind nicht in dem durch das Addierwerk 38 ausgegebenen Signal vorhanden.
-
Die obige Ausführungsform wurde anhand von Funktionsblöcken eines Empfänger beschrieben, und es ist klar, dass diese Funktionsblöcke auf unterschiedliche Weise implementiert sein können, zum Beispiel als Hardware-Elemente oder als Software, die auf einem in geeigneter Weise konfigurierten Mikroprozessor abläuft.
bei großem N klein, wodurch
eine Schätzung der erwünschten Signalleistung ist.
werden bei großem N klein, wodurch
