MXPA04012249A - Sistema y metodo para un procesador multiportador de conversion directa. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de comunicacion de radio como un receptor (130), transmisor (230) o transceptor proporciona la conversion directa de senales de cuadratura entre una senal de frecuencia de radio y una pluralidad de canales resueltos. El dispositivo proporciona el procesamiento por bloques de portadores de RF multiples en un sistema de comunicacion inalambrico usando un transmisor/receptor de conversion directa y procesamiento de senal de banda base.

Description

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SISTEMA Y METODO PARA UN PROCESADOR MUL IPORTADOR DE CONVERSION DIRECTA CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se relaciona, de manera general, con sistemas de comunicación. De manera más especifica, la invención se relaciona con sistemas de comunicación que usan interconexiones aéreas de acceso múltiple y conversión/modulación directa para el procesamiento multiportador.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Un sistema de comunicación digital típicamente transmite información o datos usando un portador de frecuencia continua con técnicas de modulación que hacen variar su amplitud, frecuencia o fase. Después de la modulación, la señal es transmitida sobre un medio de comunicación. El medio de comunicación puede ser guiado o no guiado, comprender cobre, fibra óptica o aire y comúnmente es referido como canal de comunicación físico. La información a ser transmitida es alimentada en forma de un flujo de bits, cuyo mapa es trazado sobre una constelación predeterminada de símbolos que define el esquema de modulación. El trazo del mapa de cada bits como símbolos es referido como modulación.

Típicamente se requiere que una estación base de la técnica anterior utilice portadores múltiples que cubran un espectro de frecuencia contiguo. Un diagrama de bloques del receptor superheterodino de la técnica anterior 11 que puede ser implementado en la estación base se muestra en la FIGURA 1. Típicamente a un operador se le asignan dos (2) o más canales Chl-Ch4 (portadores) , y es deseable usarlos en cada célula (reutilización de frecuencia=l) . Si esto no es posible debido a ciertas restricciones que den como resultado un factor de la reutilización de frecuencia que sea menor, el operador tiene un número finito de canales, y los repartirá en secciones contiguas de espectro, de modo que sea usado un número de canales adyacentes en cada célula. En este caso, se requiere que el receptor 11 procese todos los canales (portadores) simultáneamente. Esto minimiza los costos, tamaño y consumo de energía del equipo . En el pasado, los requerimientos altamente demandantes de los receptores de la estación base podían ser satisfechos únicamente con una arquitectura superheterodina . La arquitectura de conversión directa tiene muchos problemas inherentes que resultan de la conversión descendente de la señal de RF directamente a la banda base. Esos problemas incluyen altomezclado, el cual crea desviaciones de CD en la señal de banda base; distorsión de orden par la cual convierte señales interferientes fuertes a banda base; ruido 1/f el cual es inherente en todos los dispositivos semiconductores y que es inversamente proporcional a la frecuencia (f) y que enmascara la señal de banda base; y emisiones espóreas de la señal LO las cuales interfieren con otros usuarios. Los receptores de conversión directa también superan las capacidades establecidas de la técnica anterior de los componentes del procesamiento de banda base analógico debido a que el control de ganancia y la filtración deben efectuarse todas a la banda base. Esto requiere amplificadores caros que poseen un intervalo dinámico alto y un ancho de banda amplio. Los radios multiportadores convencionales se basan en una arquitectura de radio superheterodina que utiliza una frecuencia intermedia (IF) y un muestreo digital directo para convertir el bloque portadores múltiples a y de banda base, como se muestra en la Figura 1 para el receptor. Debido a que la IF típicamente se localiza por encima de 50 MHz, el muestreo digital directo requiere convertidores de datos de alta velocidad o submuestreos caros, como convertidores de analógico a digital (ADC) y convertidores de digital a analógico (DAC) capaces de muestrear a velocidades mayores de 100 MHz y que requieren una fluctuación de reloj muy baja. 4 Otra desventaja del muestreo digital directo son los filtros de Onda Acústica Superficial (SAW) de IF necesarios para rechazar la interferencia en canales adyacentes. El número máximo de portadores soportados por el radio determina el ancho de banda del filtro SAW. El soporte de un número diferente de portadores requiere filtros SAW adicionales. Como una alternativa, puede ser usado un filtro de IF que cubra toda la banda de interés, pero entonces es necesario un intervalo dinámico adicional en el ADC para manejar la interferencia adicional. Esto puede ser comprendido a partir del intervalo dinámico de la señal recibida. Cuando los canales del enlace ascendente están todos bajo el control de la misma estación base, los portadores de frecuencia de radio (RF) serán recibidos a niveles de potencia similares, requiriendo un intervalo relativamente menos dinámico en el ADC. Sin embargo, si el ancho de banda del filtro de IF cubre toda la banda, los canales del enlace ascendente pertenecientes a las otras estaciones base estarán presentes en la entrada al ADC. Esos canales pueden estar a un nivel muy alto, requiriendo de este modo un intervalo más dinámico en ADC. Refiriéndose nuevamente a la Figura 1, el receptor 11 es usado para la comunicación inalámbrica multiportador digital, por ejemplo una comunicación de 5 Acceso Múltiple por División de Código (CDMA) . Cuando una señal es recibida en la antena 15, esta pasa por un primer filtro de paso de banda 16 y un amplificador lineal 17. Un segundo filtro de paso de banda 18 recibe la señal del amplificador 17 y proporciona la señal a un mezclador 19. Un oscilador local 20 está conectado al mezclador 19 y el mezclador 19 traduce la señal de RF a IF y entonces es filtrada por un filtro de paso de banda 21. El filtro de paso de banda 21 está conectado a un ADC 22 el cual proporciona su salida digitalizada a un convertidor descendente digital 23. Se usa un oscilador complejo controlado numéricamente 24 para controlar el convertidor descendente digital 23 para traducir cada canal de IF a banda base. El convertidor descendente digital 23 proporciona señales de banda base de cuadratura a un banco de filtro de respuesta de impulso finito (FIR) 25, el cual efectúa la formación del impulso y el rechazo de interferencia. La salida de los filtros FIR 25 son proporcionadas a circuitos de control de ganancia automática digitales respectivos (DAGC) 35 los cuales proporcionan las salidas en cuatro (4) canales respectivos 45. Los datos digitales de cada canal son enviados a un procesador digital (no mostrado) para su procesamiento adicional, como la desmodulación y descodificación de datos. Aunque se muestran cuatro (4) canales como un 6 ejemplo, -aquellos expertos en la técnica comprenderán que podría existir cualquier número de canales. Es usado un proceso similar sobre el lado de transmisión, como se muestra en la Figura 2, el cual es un diagrama de bloques que muestra el transmisor de la técnica anterior 51 que usa cuatro (4) canales de entrada Chl-Ch4 65. Los cuatro (4) canales de entrada 65 son proporcionados a circuitos de control de potencia respectivos 75 los cuales, a su vez, proporcionan sus salidas a los filtros de FIR respectivos 85. Los filtros de FIR 85 son usados típicamente para propósitos de formación de impulso. La salida de los filtros de FIR 85 son proporcionadas en cuadratura a un convertidor ascendente digital 95, el cual está conectado a un oscilador complejo controlado numéricamente 96. La salida del convertidor ascendente digital 95 es proporcionada a un circuito de digital a analógico (DAC) 97, el cual suministra su salida analógica a un primer filtro de paso de banda 98, la cual a su vez es proporcionada a un mezclador de IF 99. El mezclador de IF 99 recibe su señal de oscilador local de un oscilador 100 y proporciona una salida a un segundo filtro de paso de banda 102. El filtro de paso de banda de salida es amplificado en un amplificador 103, filtrado en un filtro de paso de banda de salida 104 y proporcionado para su transmisión vía la antena 105. 7 En esas configuraciones (Figuras 1 y 2), son efectuadas varias conversiones con componentes de RF. Los costos de fabricación de esos componentes de RF son significativos. Por lo tanto, sería ventajoso proporcionar un circuito que evite conversiones de RF múltiples en un grado práctico máximo. Adicionalmente, es deseable un diseño de conversión directa para un receptor y un transmisor. El problema principal con los receptores de conversión directa de la técnica anterior es la generación de desviaciones de CD en la salida del receptor. Las fuentes principales de desviación de CD son el automezclado del oscilador local y la intermodulación de segundo orden (IP2) del mezclador. Las desviaciones de CD pueden ser muy grandes, conduciendo a saturación en el ADC y otros problemas de funcionamiento en el receptor. Las . soluciones a los problemas de conversión directa han sido comprendidas desde hace algún tiempo, pero no eran prácticas ni baratas hasta que desarrollos tecnológicos recientes hicieron posible soluciones integradas sobre circuitos integrados de RF monolíticos (RFIC) . Esas soluciones a los problemas incluyen estructuras equilibradas (diferenciales) que eliminan la distorsión de orden par, la tecnología de semiconductor de SíGe la cual exhibe un ruido I/f bajo y excelente 8 linealidad, y el mezclado armónico que elimina el automezclado y emisiones espúreas de LO. El cambio a las tecnologías inalámbricas de banda ancha también ha reducido la contribución del ruido 1/f al piso del ruido total del receptor de conversión directa. Además, ahora están disponibles amplificadores de alta linealidad, de alta velocidad, para satisfacer los requerimientos de procesamiento de banda base analógicos. Sin embargo, existen aún problemas importantes con los receptores de conversión directa en la generación de desviaciones de CD en la salida del receptor. Las fuentes principales de desviación de CD son el automezclado de LO y la intermodulación de segundo orden del mezclado. Las desviaciones de CD pueden ser muy grandes conduciendo a la saturación del ADC y otros problemas de funcionamiento en el receptor. En consecuencia, aunque han existido avances con la técnica anterior, esos métodos de la técnica anterior están aún lejos de un desempeño óptimo.

LA INVENCION La presente invención es un dispositivo de comunicación de radio, como un receptor, un transmisor o un transceptor, que incluye un procesador multiportador, de conversión directa. El procesador multiportador traduce la frecuencia de canales de RF a y de una banda base usando un 9 modulador (transmisor) o desmodulador (receptor) de cuadratura. Debido a que las señales analógicas son traducidas aproximadamente a CD, pueden ser programados filtros ajustables convencionales vía una unidad de control de ancho de banda para soportar un número diferente de canales (portadores) y el ancho de banda del canal.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de bloques de un superheterodino de la técnica anterior con un receptor multiportador de muestreo digital. La Figura 2 es un diagrama de bloques de un superheterodino de la técnica anterior con un transmisor digital directo. La Figura 3 es un diagrama de bloques de un receptor multiportador de conversión directa hecho de conformidad con la presente invención. La Figura 4 es un diagrama de bloques de un transmisor multiportador de conversión directa hecho de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La presente invención será descrita con referencia a las Figuras donde número similares representan elementos similares a su través . 10 La presente invención permite el procesamiento por bloques de portadores de RF múltiples en un sistema de comunicación inalámbrico usando un transmisor/transceptor y banda base de procesamiento de señales de banda base. Ese radio multioperador reduce los costos procesando simultáneamente portadores múltiples dentro de un solo radio, en lugar de procesar cada portador en radios separados . La Figura 3 es un diagrama de bloques que muestra una modalidad ejemplar de un receptor de comunicación 130 construido de acuerdó a la invención. El receptor 130 recibe una pluralidad de señales de comunicación Chír Ch2...Chn, cada una de las cuales es enviada sobre una frecuencia portadora Flr F2...Fn, respectivamente. Esas señales serán referidas colectivamente aqui posteriormente como señal multiportadora SI. El receptor 130 tiene una antena 131, un primer filtro de paso de banda 132, un amplificador de frecuencia de radio 133 y un segundo filtro de paso de banda 134. También se incluyen primer y segundo mezcladores 141, 142, conectados a un oscilador local 143, primer y segundo filtros de paso bajo (LPF) 145, 146, un circuito de control de ancho de banda 147 y primer y segundo amplificadores de banda base 151, 152. El primer y segundo mezcladores 141, 142 acoplados con el oscilador local 143 comprende un 11 desmodulador 144. Un primer circuito de control de ganancia automática (AGC) 153 está conectado a los amplificadores de banda base 151, 152, y la salida de los amplificadores de banda base 151, 152 son proporcionadas a los circuitos ADC 161, 162. La salidas digitalizadas de los ADC 161, 162 son proporcionadas a un segundo circuito AGC 163. El segundo circuito AGC 163 proporciona una salida de AGC a un ADC 164, el cual a su vez proporciona una entrada al primer circuito de AGC 153, controlando por lo tanto la ganancia de los amplificadores de banda base 151, 152. La salida del segundo circuito de- AGC 163 es proporcionada a un convertidor descendente digital 171, el cual proporciona salidas separadas a una pluralidad de filtros de FIR 181-185, y a su vez a una pluralidad de DAGC 191-195 para proporcionar salidas a una pluralidad de canales Chi-Chn 198-202. El uso del circuito de AGC digital-analógico 163, 164, 153 reduce el intervalo dinámico en la salida y por lo tanto reduce el intervalo dinámico requerido de los circuitos de AGC digitales 191-194 corriente abajo. La antena 131 captura la señal multiportadora SI y alimenta la señal SI al filtro del paso de banda 132, el cual proporciona la filtración de banda para desechar la interferencia fuera de banda. Después de la filtración, la 12 señal es alimentada al amplificador de bajo ruido (LNA) 133 el cual fija el piso del ruido del receptor 130. La salida del LNA 133 es filtrada a través del filtro de paso de banda (BPF) 134 para filtrar cualquier distorsión de intermodulación producida por el LNA 133. La salida del LNA 133 es enviada al desmodulador 144, el cual consiste de mezcladores 141 y 143 y el oscilador local estable (LO) 143. El LO 143 tiene dos salidas, una en fase (I) y una en cuadratura (Q) , en relación al portador. La frecuencia del LO 143 es la frecuencia central de los canales de entrada Chi-Chn, (Fi - Fn)/2; donde Fi es la frecuencia portadora del primer canal Chi y Fn es la frecuencia portadora del nésimo canal Chn. El desmodulador 144 traduce la señal deseada de RF a banda base, centrando la señal alrededor de DC. Las señales I y Q son enviadas a los LPF 145 y 146, los cuales proporcionan el rechazo de interferencia para minimizar el intervalo dinámico de los elementos de procesamiento de banda base corriente abajo 151-194. Puesto que las señales analógicas son traducidas aproximadamente a DC, pueden ser programados filtros ajustables convencionales 145 y 146 vía el control de ancho de banda 147 para soportar un número diferente de canales' y anchos de banda del canal. Los ADC 161, 162 son pares de ADC de bajo costo convencionales los cuales digitalizan las señales I/Q del desmodulador 144. Los canales individuales Chi-Chn son convertidos de manera descendente a banda base por el DDC 171. La filtración de canal y formación de impulso es aplicada a cada canal Chi-Chn por los filtros de FIR 181- 185. El proceso AGC es efectuado en dos pasos. El primer paso es efectuado en el primer y segundo circuitos AGC 151, 163 para ajustar la ganancia de los amplificadores de banda bases 151, 152 para mantener la señal dentro del intervalo dinámico de los ADC 161, 162. El segundo paso del proceso AGC es efectuado digitalmente en el bloque de DAGC 191-195 y es usado para reducir el ancho de banda de las señales I/Q al mínimo requerido por cada canal 198-202. Como se muestra en la Figura 3, el receptor 130 opera como una receptor de conversión directa multiportador. El bloque de frecuencia que contiene canales de RF múltiples es por lo tanto convertido de manera descendente directamente a banda base como un bloque de frecuencias. La Figura 4 es un diagrama de bloques que muestra una modalidad ejemplar de un transmisor de comunicación de conversión directa 230 construido de acuerdo con la invención. Los canales individuales (Chi-Chn) 231-234 son enviados primero a través de los filtros FIR 241-244 y son convertidos de manera ascendente digitalmente por un convertidor ascendente digital DUC 247. Esto proporciona una señal de banda base digital, la cual es usada para excitar un par de DAC de bajo costo 251, 252. El DUC 247 convierte una señal de entrada en componentes de señal de I/Q desviando la frecuencia central de cero a +/- menos la mitad del ancho de banda. La salida del' DUC 247, comprende dos salidas digitales las cuales están separadas en cuadratura. Esas salidas de I/Q son alimentadas a los DAC 251 y 252, los cuales convierten señales digitales a analógicas. Las salidas analógicas de los DAC 251, 252 proporcionadas a los LPF 253, 254, el ancho de banda de las cuales son controladas por el circuito de control de ancho de banda 255. Los LPF 253, 254 filtran las señales analógicas y proporcionan sus salidas filtradas respectivas a un modulador 260, que comprende dos mezcladores 261, 262, el LO 263 y la sumadora 264. Los mezcladores 261, 262 son controlados por el LO 263 y proporcionan salidas mezcladas a la sumadora 264. El modulador 260 proporciona una salida al filtro de paso de banda 265, a su vez, a un primer amplificador de RF 266. El amplificador de RF 266 es controlado por el circuito de control de ganancia 267 y proporciona una salida al filtro de paso de banda 268 y el amplificador de potencia de RF 269 el cual amplifica la 15 señal para su transmisión, vía la antena 270. Como puede ser observado claramente, de las Figuras 3 y 4, el procesador multiportador de conversión directa de la presente invención evita las desventajas del radio superheterodino eliminando la etapa de IF. Esto reduce el costo en el radio y permite que los convertidores de datos operen en la banda base a una velocidad de reloj menor, lo cual reduce aún más los costos. Los filtros de ancho de banda ajustables son fácilmente realizables a una banda base, permitiendo el soporte flexible para separar el portador variable y el número de portadores a ser procesados en el radio. Esto también reduce el intervalo dinámico requerido en el ADC debido a que únicamente están presentes los portadores deseados en el ADC, reduciendo nuevamente los costos. La presente invención es aplicable a sistemas de comunicación inalámbricos, incluyendo circuitos locales inalámbricos, aplicaciones de LAN inalámbricas y sistemas celulares como CDMA (tanto UTRATDD y UTRAFDD) , TDSCDMA, CDMA2000, 3xRT, y sistemas OFDMA. Aunque la presente invención ha sido descrita en términos de la modalidad preferida, otras variaciones, que estén dentro del alcance de la invención como se expone en las reivindicaciones más adelante, serán evidentes a aquellos expertos en la técnica.

Claims (1)

16 REIVINDICACIONES 1. El receptor de conversión directa multiportador para recibir y procesar una señal de frecuencia de radio multiportadora (RF) , que comprende: una antena para recibir la señal RF multiportadora; un amplificador de RF el cual proporciona una interconexión entre la antena y un desmodulador, el amplificador RF sirve para amplificar la señal RF multiportadora recibida; el desmodulador acoplado al amplificador de RF para convertir la señal de RF multiportadora a señales de banda base en fase (I) y en cuadratura (Q) ; un par de etapas de banda base, comprendiendo cada etapa un filtro de paso bajo y un amplificador, y cada una para procesar una de las señales de banda base I y Q; un par de circuitos de digital a analógico, cada uno en comunicación con uno de los convertidores para convertir una de las señales de banda base I y Q a una señal I y Q digital, respectivamente; y un circuito de conexión directa, conectado a los circuitos digital a analógicos, para convertir las señales de I y Q digitales en una pluralidad de canales. 2. El receptor según la reivindicación 1, que comprende además una pluralidad de filtros de respuesta de impulso finito (FIR) , uno por cada uno de la pluralidad de canales, para filtrar uno de la pluralidad de canales. 3. El receptor según la reivindicación 1, donde 17 el ancho de banda de cada uno de los filtros de paso bajo es ajustable. 4. El receptor según la reivindicación 3, que comprende además un circuito de control de ancho de banda para controlar el ancho de banda de los filtros de paso bajo. 5. Un transmisor de modulación directa multiportador para procesar y transmitir una pluralidad de canales, el transmisor comprende: un convertidor ascendente digital, para recibir la pluralidad de canales y producir un par de señales digitales en fase (I) y en cuadratura (Q) , un par de convertidores de digital a analógico, cada uno para recibir una de las señales digitales I y Q producir una señal analógica I y Q respectiva a la frecuencia de la banda base; un modulador para recibir las señales digitales I y Q de banda base y para proporcionar una sola señal de frecuencia de radio (RF) ; y un transmisor para transmitir la señal de RF. 6. El transmisor según la reivindicación 5, que comprende además un amplificador de RF, para amplificar la señal de RF antes de la transmisión. 7. El transmisor según la reivindicación 6, que comprende además un par de filtros de paso bajo, cada uno de los cuales está acoplado a uno de los convertidores de digital a analógico respectivos, para filtrar una de las 18 señales analógicas I y Q. 8. El transmisor según la reivindicación 7, que incluye además un circuito de control de ancho de banda para controlar la respuesta de frecuencia del transmisor controlando el ancho de banda de los filtros de paso bajo. 9. El transmisor según la reivindicación 8, que comprende además una pluralidad de filtros de respuesta de impulso finito (FIR), correspondiendo cada filtro de FIR a uno de la pluralidad de canales, cada filtro de FIR sirve para recibir uno de la pluralidad de canales y para proporcionar una salida filtrada al convertidor ascendente digital .