DE60223745T2

DE60223745T2 - Referenzfrequenzstörungsunterdrückung in Synthese-messempfängern

Info

Publication number: DE60223745T2
Application number: DE60223745T
Authority: DE
Inventors: Linley F. Beaverton Gumm; Thomas L. Portland Kuntz; Xiaofen West Linn Chen
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2001-04-04
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: US6384589B1; DE60223745D1; EP1248395A2; EP1248395B1; JP3610343B2; EP1248395A3; JP2002359573A

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochfrequenzempfänger und im Besonderen ein Verfahren zur Referenzfrequenzstörungsaufhebung in synthetisierten Messempfängern.
Frequenzstörungen bzw. Frequenznebenaussendungen, d. h. Frequenzspektren, die in keinem Verhältnis zu einem zu messenden empfangenen Signal bewirkt durch Quellen in einem Hochfrequenzempfänger stehen, wie etwa die Referenzfrequenz in einem synthetisierten Messempfänger, sind ein konstantes Problem für HF-Designer bzw. HF-Entwickler. Die Kombination der Effekte der hohen Amplitude der Referenz mit deren Tendenz, viele Oberschwingungen zu erzeugen, bedeutet, dass dieses Signal in das vordere Ende des Empfängers eindringen kann, wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt ist. Dies erzeugt Störungen bzw. Nebenaussendungen, wenn der Empfänger auf eine beliebige Frequenz nahe einer dieser Oberschwingungen eingestellt ist. Bis jetzt musste der Hardware-Designer die Abschirmung der Hardware insoweit perfektionieren, dass die Störungen unter den Rauschboden des Empfängers unterdrückt werden.
Die Frequenz einer Störung bzw. Nebenausstrahlung, die durch die Referenzfrequenz F_ref auf einer ersten Zwischenfrequenzstufe in einem synthetisierten Messempfänger bewirkt worden ist, ist wie folgt gegeben: FIF1 = nFref – hFref = Fref(n – h)wobei nF_ref = LO1 und hF_ref = Störung/Nebenausstrahlung. Da der zweite lokale Oszillator unter der ersten IF-Frequenz bzw. Zwischenfrequenz liegt, entspricht die Störungsfrequenz auf der zweiten Zwischenfrequenz: FIF2 = FIF1 – mFref = Fref(n – h – m)wobei mF_ref = LO2. h ist eine ganze Zahl, welche die Oberschwingungsordnung von F_ref anzeigt, während m und n ganze Zahlen oder rationale Zahlen darstellen können, d. h. das Verhältnis von zwei ganzen Zahlen. In HF-Systemen ist es in Bezug auf die Signaleingabe in einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) üblich, dass sich diese in dem Frequenzbereich zwischen der Nyquist-Frequenz, d. h. einer Hälft des Abtasttakts, und der Frequenz des Abtasttakts selbst befindet. Somit entspricht die Frequenz des Signals an dem digitalen Signalausgang: FDIF = Fref – FIF2 = Fref(1 – n + m + h)Hz.
In Bezug auf die Frequenz des digitalen Bereichs wird die Frequenz des digitalen Signals durch die Referenzfrequenz normalisiert: Fdigital = FDIF/Fref = (1 – n + m + h)Zyklen/Abtastung US-B1-6192228 offenbart einen HF-Empfänger, bei dem ein Referenzsignal Oberschwingungen für ein empfangenes HF-Signal erzeugt, und wobei die Referenzfrequenz in geringem Ausmaß versetzt wird, so dass die Oberschwingungen der versetzten Referenzfrequenz von der Frequenz des empfangenen HF-Signals verschoben werden, wodurch die Gleichkanalstörung reduziert wird.
WO00/25434 offenbart einen Stand der Technik, wobei einem empfangenen Signal eine komplexe Gewichtung zugeteilt wird, so dass die Phase und die Amplitude angepasst werden. Das gewichtete Referenzsignal wird von dem ursprünglichen Signal subtrahiert, so dass die Störung eliminiert wird.
Wünschenswert ist ein Verfahren zur Aufhebung der Störungen bzw. Nebenausstrahlungen in einem Frequenzspektrum eines Signals in dem digitalen Bereich, verursacht durch eine Referenzfrequenz, eingesetzt in einem synthetisierten Messfunkfrequenzempfänger.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung somit ein Verfahren zur Referenzfrequenzstörungsaufhebung in einem synthetisierten Messempfänger durch das Bestimmen von Werten eines ganzzahligen Vielfachen, das bewirkt, dass die Referenzfrequenz in den Eingangssignalpfad für unbekannte Frequenzen der lokalen Oszillatoren eindringt, abgeleitet von der Referenzfrequenz. Für die ganzzahligen Werte, die ein derartiges Eindringen bewirken, werden die Amplitude und die Phase der Störungen bzw. der Nebenausstrahlungen in dem digitalen Bereich geschätzt und von dem Eingangssignal subtrahiert. Dies entfernt Signale aus einem schmalen Frequenzbereich in der Nähe von Störungen. Um das Eingangssignal auf Frequenzen nahe Störungen bzw. Nebenausstrahlungen zu halten, wird der Prozess bzw. das Verfahren mit leicht versetzter Referenzfrequenz wiederholt, und wobei die maximalen Werte aus den beiden Messergebnissen die Messung des Eingangssignals bereitstellen.
Die Aufgaben, Vorteile und anderen neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung weden aus der folgenden genauen Beschreibung deutlich, wenn diese in Verbindung mit den anhängigen Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Blockdiagrammansicht eines Abschnitts des synthetisierten Hochfrequenz-Messempfängers; und
2 eine grafische Ansicht eines Frequenzspektrums, welche die Störungsaufhebung gemäß der vorliegenden Erfindung anzeigt.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Bezug auf einen vollständig synthetisierten Hochfrequenzempfänger gemäß der Abbildung aus 1 wird ein Eingangssignal durch einen Verstärker 12 vorverarbeitet und durch einen Eingangsfilter 14 tiefpassgefiltert. Das vorverarbeitete Eingangssignal wird danach in einen ersten Mischer 16 eingegeben, durch einen ersten Zwischenfrequenzfilter (ZF-Filter) 18 gefiltert, in einen zweiten Mischer 20 eingegeben und durch einen zweiten Zwischenfrequenzfilter (ZF-Filter) 22 gefiltert, bevor es durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 24 zur Eingabe in einen DSP für eine digitale Signalverarbeitung digitalisiert wird. Die Frequenzen der ersten und zweiten Lokalisatoren (LO1 und LO2) 24, 26 werden durch die entsprechenden Synthetisatoren 28, 30 erzeugt, die wiederum durch eine Referenzfrequenzquelle 32 getaktet werden, welche durch die Ausgabe des Digital-Analog-Umsetzers 34 gesteuert wird, mit einer Steuersignaleingabe von dem DSP. Die Frequenz der durch das Eindringen des Referenzfrequenzsignals von der Quelle 32 in den Frontend- bzw. Eingangsverstärker 12, den Tiefpassfilter 14 und einen ersten Mischer 16 verursachten Störungen bzw. Nebenausstrahlungen ist genau bekannt, d. h. die Quelle, welche die Störung bzw. die Nebenausstrahlung erzeugt, ist die gleiche Quelle, die auch die Referenzfrequenz für die Abstimmung bzw. Einstellung der lokalen Oszillatoren 24, 26 bereitstellt. Nach dem sich das am Eingang (Front End) verarbeitete Eingangssignal, das etwaige Nebenausstrahlungen bzw. Störungen enthält, in dem digitalen Bereich befindet, befindet es sich in einem geraden Weiterleitungsprozess zur möglichst genauen Schätzung der Amplitude und Phase der Nebenausstrahlung bzw. Störung, da es sich bei den Nebenausstrahlungen um einfache, sinuswellenförmige Zeichen handelt, da die Referenzfrequenz nicht moduliert wird. Die Nebenausstrahlungen können dann einfach von dem digitalisierten Signal subtrahiert werden, wobei sie aus der Messung des Eingangssignals entfernt werden. Im Wesentlichen gilt dies für jeden synthetisierten Empfänger, selbst für die Empfänger, die eine analoge abschließende Signalverarbeitung aufweisen. In einem analogen Empfänger wird eine negative Version des Zwischenfrequenzsignals der Störung bzw. Nebenausstrahlung dem Signal hinzugefügt, an Stelle der Subtraktion, wie diese in dem digitalen Empfänger der Fall ist. In einer praktischen Umsetzung jedoch ist eine abschließende Signalverarbeitung auf der Basis eines digitalen Signalprozessors erforderlich, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten, damit das Verfahren ordnungsgemäß funktioniert.
Die Oberschwingung der Referenzfrequenz selbst ist das Störungssignal, und alle folgenden Frequenzumwandlungen in den ersten und zweiten Mischern 16, 20 sind von der Referenzfrequenz abhängig. Wenn in Bezug auf die vorstehend dargestellten Gleichungen der Empfänger auf eine bestimmte Frequenz eingestellt wird, sind n und m allgemein bekannt. Darüber hinaus sind die Bandbreiten der Zwischenfrequenzfilter 18, 22 bekannt, so dass leicht eine kurze Liste der Werte von n und m bestimmt werden kann, die bewirken, dass sich der Empfänger auf eine Referenzoberschwingung h einstellt. Als ein Beispiel in Bezug auf die Abbildung aus 1 taktet eine Referenz- bzw. Bezugsfrequenz 32 von 60 MHz direkt den Analog-Digital-Umsetzer und stellt die Referenzfrequenz für die Synthetisatoren 28, 30 bereit. Der Synthetisator 30 des zweiten LO stellt den zweiten LO 26 genau auf das 60-fache der Referenzfrequenz bzw. 3600 MHz ein. Das DSP-Verfahren sowie der zweite Zwischenfrequenzfilter 22 begrenzen den Bereich der Signale, welche die Ausgangsleistung des Empfängers auf 45 MHz +/– 5 MHz beschränken. Wenn eine Nebenausstrahlung bzw.
Störung, die durch die Referenzfrequenz bewirkt wird, in diesen Bereich fällt, so ist ein Problem gegeben. Der zweite LO mit 3600 MHz übersetzt diesen Frequenzbereich in 3645 MHz +/– 5 MHz in dem ersten Zwischenfrequenzfilter 18. Unter Berücksichtigung der ersten Oberschwingung der Referenz mit 60 MHz und der Frequenz des ersten LO, der diese Frequenz in 3645 MHz +/– 5 MHz umsetzt, verursacht das Referenzstörungsproblem. Der erste Synthetisator 28 schaltet den ersten LO 24 in Schritten von 2 MHz für F_LO1 = (n/30)F_ref MHZ. Dies wird auf die in der Tabelle unten aufgeführten Werte reduziert:

n F_LO1 F_IF1 F_IF2 F_DIF F_Digital

1851 3702 3642 42 18 0,3000

1852 3704 3644 44 16 0,2667

1853 3706 3646 46 14 0,2333

1854 3706 3648 48 12 0,2000
Somit ist die Frequenz der digitalen Darstellung des bzw. der Störsignal(e), bewirkt durch die Referenzfrequenz, absolut bekannt auf der Basis der Frequenz, auf welche der Empfänger eingestellt ist. Die Phase und die Amplitude jeder gegebenen Störung bzw.
Nebenausstrahlung sind nicht bekannt – die Amplitude aufgrund der Veränderlichkeit der Signalamplitude und des Verlusts des Verlustpfads als eine Funktion der Frequenz; und die Phase primär aufgrund der Unsicherheit des Zustands der verschiedenen Synthetisatoren 28, 30. Die Amplitude und die Phase der Störung bzw. der Nebenausstrahlung in dem digitalen Bereich kann durch eine Reihe von Techniken leicht geschätzt werden, wie etwa unter Verwendung der folgenden Gleichungen: SpurPhasorEstimate = A + jB SpurPhasorEstimate = A + jB = (1/N)·SUMn=06N-1[x(n)·exp(j·2pl·Fspur·n/Fs)] A = (1/N)·SUMn=06N-1[x(n)·cos(2pi·Fspur·n/Fs)] B = (1/N)·SUMn=06N-1[x(n)·–sin(2pi·Fspur·n/Fs)] wobei x(n) = x_re(n) + j·x_im(n). Dies umfasst das Umsetzen der komplexen Störkomponente in 0 Hz und eine Mittelwertbildung der Abtastwerte, d. h. Tiefpassfiltern, um den mittleren Phasor- bzw. Operatorwert zu erhalten. Sobald das Störsignal bekannt ist, kann es numerisch von dem digitalisierten Signal subtrahiert werden.
Im Wesentlichen kann die Bandbreite dieses Verfahrens im Wesentlichen gleich Null gestaltet werden. Somit ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, ein legitimes, d. h. nicht störendes bzw. störungsfreies Eingangssignal zu finden und zu eliminieren, das sich genau auf der Referenzfrequenz befindet. In der Praxis sind die verwendeten Messaufzeichnungslängen begrenzt. Wenn somit ein legitimes Signal auf einer ähnlichen oder höheren Amplitude als des Störsignals vorliegt und sich nahe an der entsprechenden Frequenz befindet, so dass es teilweise oder vollständig durch diesen Prozess von dem Eingangssignal abgezogen bzw. subtrahiert werden, wie dies in der Abbildung aus 2 für Störungl bzw. Spur1 dargestellt ist. Um dieses Problem zu vermeiden, wird die Referenzfrequenz über einen schmalen Frequenzbereich abstimmbar gestaltet. Eine erste Messung wird vorgenommen, wobei die Referenzfrequenz auf deren nominalen Frequenzwert eingestellt ist, was zu der ersten Störung bzw. Nebenausstrahlung führt: h·F_ref = F_spur1. Die erste Nebenausstrahlung wird geschätzt und von dem Signal subtrahiert, wobei eine Messunsicherheit nahe der Frequenz verbleibt, wie dies durch die durchgezogene Kurve dargestellt ist. Die Referenzfrequenz wird innerhalb eines kleinen Frequenzbereichs eingestellt, so dass das Eingangssignal im Verhältnis zu der Nebenausstrahlung um h·(F_ref±)f) = F_spur2 verschoben wird. Dieser Frequenzabstand ist aus der vorherigen Kalibrierung der Einstell- bzw. Abstimmeigenschaften der Quelle der Referenzfrequenz bekannt. Auf der Basis dieses Wissens wird die Frequenzskala der zweiten Messung verarbeitet, um auch aus dieser Messung die Nebenausstrahlung zu eliminieren, und danach wird sie versetzt, um die Daten richtig auf der Frequenzachse zu platzieren, wie dies durch die gestrichelte Linie dargestellt ist.
Zum letztendlichen Anzeigen jedes Punktes auf der Frequenzachse wird die maximale Amplitude entweder der durchgezogenen oder der gestrichelten Kurve in einer letztendlichen Datenanordnung verwendet. Das Ergebnis ist eine Messung des Eingangssignals ohne Referenzfrequenzstörungen bzw. -nebenausstrahlungen. Dadurch wird ein einfacher Ansatz mit begrenzter Komplexität vorgesehen.
Vorgesehen wird gemäß der vorliegenden Erfindung somit eine Referenzstörungsaufhebung in einem synthetisierten Messempfänger durch das Bestimmen mit bekannten Multiplikatoren für die Referenzfrequenz zur Erzeugung lokaler Oszillatorfrequenzen einer Liste ganzzahliger Zahlen, die es bewirken, dass die Referenzfrequenz als Stör- bzw. Nebenausstrahlungssignale in den Eingangssignalpfad eindringt, indem die Amplitude und die Phase der Störungen bzw. Nebenausstrahlungen in dem digitalen Bereich geschätzt werden, um sie von dem Eingangssignal zu subtrahieren, indem die Messung mit leicht versetzter Frequenz der Referenzfrequenz wiederholt wird, und durch Bereitstellen einer Ausgabe, welche der maximalen Amplitude zwischen den beiden Messungen als die Messung des Eingangssignals ohne Nebenausstrahlungen entspricht.

Claims

Verfahren zur Referenzfrequenzstörungsaufhebung in einem synthetisierten Messempfänger, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: für eine bestimmte Frequenz, auf welche der Empfänger eingestellt ist, das Bestimmen einer Liste von Werten ganzzahliger Vielfacher für die Referenzfrequenz, die ein Störsignal ein einem Eingangssignalpfad verursachen; gekennzeichnet durch: das Schätzen der Amplitude und der Phase für das Störsignal in der digitalen Domäne; und das Subtrahieren der Amplitude und der Phase des Störsignals von dem Eingangssignal in der digitalen Domäne, um eine Messung des Eingangssignals ohne das Störsignal bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: das Wiederholen der Schritte des Bestimmens, des Schätzens und des Subtrahierens, wobei die Frequenz der Referenzfrequenz im Verhältnis zu dem Störsignal versetzt ist, um eine zweite Messung des Eingangssignals ohne das Störsignal bereitzustellen; und das Kombinieren der Messungen des Eingangssignals aus den beiden Iterationen, so dass die Messung des Eingangssignals ohne die Störsignale erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Kombinierens den Schritt des Verwendens der maximalen Amplitude zwischen den beiden Messungen zur Erzeugung einer Messung des Eingangssignals ohne das Störsignal umfasst.