TWI237450B - System and method for a direct conversion multi-carrier processor - Google Patents

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TWI237450B
TWI237450B TW092115312A TW92115312A TWI237450B TW I237450 B TWI237450 B TW I237450B TW 092115312 A TW092115312 A TW 092115312A TW 92115312 A TW92115312 A TW 92115312A TW I237450 B TWI237450 B TW I237450B
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Description

1237450 五、發明說明（1) 發明範疇 本發明大體上關於通信系統。更明確地說，本發明 關於利用多路空氣介面和直接轉換/調變進行多載波處理 的通信系統。 發明背景 一數位通信系統通常利用一連續頻率載波藉助於一 改變其振幅、頻率或相位的調變技術傳送資訊。經調變 後的信號透過一通信媒體傳送。該通信媒體可為導向的 或無定向的，包括銅、光纖或空氣且一般稱之為實體通 信道（physical communication channel ) 〇 欲傳送之資訊係以一位元串流的形式輸入然後映射 至一定義出調變架構之預先決定的符號星座分佈。將每 一位元映射成符號的作業即稱為調變。 一習知技藝的基地台通常必須運用多載波收斂連續 頻譜。可用於此等基地台中之習知技藝超外差接收器1 1 之一方塊圖繪於圖1 。一運算器通常被分配到二個（2 ) 或更多頻道CM-Ch4 (載波），且想要將它們用在每一格 内（頻率再利用=1 )。若因某些限制條件導致一頻率再 利用係數較低而使其成為不可行，運算器具有有限個頻 道，且會以連續的頻譜段加以分隔使得每一格内使用數 個相鄰頻道。在此情況中，接收器1 1必須同時處理所有 頻道（載波）。如此降低硬體成本、體型大小、及功率 消耗。
1237450 發明說明（2) 就昔日而言，基地台接丄 一超外差式架構滿足。直接益二，鬲要求條件僅可藉由 號直接降頻轉換成基頻帶、^架構有源自於將RF信 =基頻帶信號產生二：；二!；:】；。此等問題 擾“號轉換成基頻帶的偶次0自^ f現象；將強力干 有與頻率（f)成反比且會遮所^半導體裝置所固 訊；以及干擾到其他使 、，了基頻贡k號的的l/f雜 器亦使類比基頻帶】：：以：象。直 器。k而要擁“動恶範圍和一廣大帶寬的昂貴放： 4知的多載波無線電機俏 — 基礎，此架構運用一中. σ …線電架構為 位取揭，、；仕Γ 間頻率（以下簡稱I F )和直接瘀 :以使夕載波來回於基頻帶地區塊數 口於IF通常定在50 ΜΗζ以上，直接數接 於iV mV南速或次取樣數據轉換器，例如能夠進行大 轉換Λ、广取樣，且要求非常低的時鐘顫動之類比數位 DAk。)° 。1下間稱ADC )和數位類比轉換器（以下簡稱 SAW Λ接皮數^取一缺‘點為1F表面聲波（以下簡稱 支援之Λ 相鄰頻道内的干擾。無線電系統所 不同數=t栽波數量決定了SAW濾波器的頻帶寬。要支援 栽波必須有額外的saw遽波器。另-種選i 個if濾波器涵蓋整個目標頻帶，但在ADC内必須
1237450 五、發明說明（3) 有額外的動態範圍方能對付額外的干擾。 可從已接收信號之動態範圍瞭解此問題。當上行鏈 頻道全部都在同一個基地台的控制之下，會以相似的功 率級接收到射頻（以下簡稱RF )載波，且在ADC内需要較 小的動態範圍。然而，如果I F濾波器頻帶寬涵蓋整個頻 帶，隸屬於其他基地台之上行鏈頻道會出現在對該ADC之 輸入。這些頻道可能處於一非常高的電平，因而該ADC内 必須有更大動態範圍。 回頭參照圖1 ，接收器1 1係用於數位多載波無線通 信，例如一劃碼多路（C D Μ A )通信。當天線1 5接收到一 信號，此信號通過一第一帶通濾波器1 6和一線性放大器 1 7。一第二帶通濾波器1 8從放大器1 7收到信號且將此信 號提供給一混頻器1 9。一本地振盪器2 0連接於混頻器1 9 且混頻器1 9將該信號從R F轉化成I F然後經過一帶通濾波 器2 1濾波。 帶通濾波器21係連接於一ADC 22，該ADC將其數位化 輸出提供給一數位降頻轉換器2 3。利用一複合數值控制 振盪器2 4控制數位降頻轉換器2 3將處於I F之每一頻道轉 化成基頻帶。數位降頻轉換器2 3對一組有限脈衝響應 (以下簡稱F I R )濾波器2 5提供正交基頻帶信號，該等 F I R濾波器進行脈衝整形和干擾剔除。F I R濾波器2 5之輸 出提供給相應的數位自動增益控制電路（DAGCs ) 35，該 等電路以四個（4 )相應頻道4 5提供輸出。將來自於每一 頻道之數位數據發送給一數位處理器（圖中未示）進行
1237450 五、發明說明（4) 後續處理，例如數據解調變和解碼。雖然圖中以四個 (4 )頻道做為一實例，熟習此技藝者會理解到可有任意 數量的頻道。 ' 一相似程序用在發送側，如圖2所示，該圖為使用四 個（4 )輸入頻道CM-Ch- 4 6 5之習知技藝發射器51的方 塊圖。四個（4 )輸入頻道6 5對相應功率控制電路7 5提供 信號，該等電路對相應F I R濾波器8 5提供其輸出。F I R濾 波器8 5通常適用來進行脈衝整形。F I R濾波器8 5之輸出則 以正交相差提供給一數位增頻轉換器9 5，後者連接於一 複合數值控制振盪器9 6。數位增頻轉換器9 5之輸出提供 給一數位類比轉換（D A C )電路9 7，後者將其類比輸出提 供給一第一帶通濾波器9 8，後者對一 I F混頻器9 9提供信 號。I F混頻器9 9從一振盪器1 0 0接收其本地振盪器信號且 將一輸出提供給一第二帶通濾波器1 0 2。該帶通濾波器之 輸出在一放大器1 0 3放大、在一輸出帶通濾波器1 0 4濾波 且經由天線1 0 5發射。 在這些構造（圖1和2)當中，藉由RF組件進行著各 樣轉換。這些R F組件的製造成本相當高。因此，最好提 出一種就實務上可行盡量避免多重RF轉換的電路。此 外，期望接收器和發射器有一種直接轉換式設計。 習知直接轉換接收器的主要問題為在接收器輸出端 產生的D C偏移。D C偏移之主要來源是本地振盪器自混頻 以及混頻器之二級互調變（I P 2 ) 。DC偏移可能相當地 大，導致ADC内達到飽和以及接收器内之其他性能問題。
1237450 五、發明說明（5) 直接轉換問題的解決方案已為人知曉多時，但在近 年來之科技發展使得整合式解決方案可以製作在單塊型 RF積體電路（RFICs)上以前這些方案都是不實用或成本 高昂的。這些問題的解決方案包含消弭偶次失真之平衡 (差動）結構，呈現低1 / f雜訊和優異線性之S i G e半導體 科技，以及消弭自混頻和L0亂真發射現象的諧波混頻。 朝向寬頻帶無線科技的進展亦已降低1 / f雜訊對直接轉換 接收器之整體雜訊底限的貢獻。此外，當今市面上已有 滿足類比基頻帶處理要求之高速率、高線性的放大器。 然而，直接轉換接收器仍有著在接收器輸出端產生 DC偏移的主要問題。DC偏移之主要來源是L0自混頻以及 混頻器之二級互調變。D C偏移可能相當地大而造成A D C飽 和以及接收器内之其他性能問題。因此，雖然當今相對 於習知技藝已有所進步，這些習知技術仍遠落後於理想 性能。 發明概述 本發明為一種無線電通信裝置，例如一接收器、發 射器或收發器，其包含一直接轉換多載波處理器。多載 波處理器頻率利用一正交調變器（發射器）或解調變器 (接收器）在R F頻道與一基頻帶之間來回轉化。由於類 比信號被轉化成近似於D C，可經由一頻帶寬控制單元將 傳統可調整濾波器程式化為支援不同數量的頻道（載 波）以及頻道頻帶寬。
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較佳實施例詳細說明 圖中以相同數字標示相 以下蒼照圖式說明本發明 同元件。 裔/接收器和基頻帶 重RF載波之區塊處 無線電機内同時處 理每一載波的方式 本發明能夠利用一直接轉換發射 信號處理在一無線通信系統内促成多 理。此一多載波無線電機藉由在單一 理多重載波而非在個別無線電機内處 降低成本。 地
圖3為一依據本發明建構之通传 的方塊圖。接收器^接收複數個實施" …Chn，每一信號分別就一載波頻率n，F2，…&送。c 下將該等信號統稱為多載波信號s 1。 接收器130有一天線131 、一第一帶通濾波器132、 射頻放大器133和一第二帶通濾波器134。其亦包含連接 於一本地振盪器1 4 3之第一和第二混頻器丨4丨，丨4 2，第一 和第二低通濾波器（以下簡稱LPFs ) 145, 14’6 ，一頻帶1 控制電路1 4 7以及第一和第二基頻帶放大器1 $ 1，1 5 2。第 一和弟一混頻姦1 4 1，1 4 2與本地振盡器1 4 3福接構成一解 調變器1 4 4。
一第一自動增益控制（以下簡稱AGC )電路1 53連接 於基頻帶放大器151，152，且基頻帶放大器151，152之輸 出係提供給A D C電路1 6 1，1 6 2。A D C電路1 6 1，1 6 2之數位化 輸出係提供給一第二AGC電路163。第二AGC電路163對一
第10頁 1237450 五、發明說明（7) DAC電路164提供一AGC輸出，而該DAC電路對第一 agc電路 1 5 3提供一輪入，藉此控制基頻帶放大器1 5 1，1 5 2之增 益。 苐二A G C電路1 6 3之輸出係提供給一數位降頻轉換器
1 7 1 ’後者對複數個F I R濾波器1 8 1 - 1 8 5然後對複數個j) a g C 電路191-195提供獨立輸出以對複數個頻道Chl-Chn 19 8- 2 0 2提供輸出。數位類比AGC迴圈丨63,丨64,丨53的使用減小 輸出之動態範圍且因此減小數位AGC電路1 91 -1 94下游之 必要動態範圍。 ^線131捕捉到多載波信號S1且將信號§1輸入給帶通 遽為1 3 2，後者提供頻帶濾波作用剔除 m之λ號提供給低雜訊放大器（以下簡稱ln:' 屮铖、者/ *又足接收器1 3 〇之雜訊底限。LN A 1 3 3之輸 Λ ΓΛ /器（以下簡稱BPF ) 134濾波以濾除因LNA i d d W成之任何互調變失真。 叫之輸出發送給解調變器144，後者係由混頻 :、 口 以及穩定的本地振盪器（以下簡稱L0 ) 1 43組 1 4 3有兩個輸出，其中一個相對於載波是同相的 、旨r h 1 a 5疋正交的（Q ) 。L0 1 4 3之頻率為輸人頻 ί曾心頻率（F1 —Fn)/2;其中Fi是是第一 二貝t 之載/皮頻率且1^是第11個頻道Chn之載波頻率。解 调、交為1 44將目標信號從RF轉化至基頻帶，&DC為中心將 信號環繞對正。 該1信號和Q信號係發送給LPF 145和146，該等LPF提
第11頁 1237450 五、發明說明（8) 仏干‘剔除作用以使下游基頻帶處理元件1 5 1 - 1 9 4之動態 範圍減至最小。由於類比信號經轉化成近似於DC，可經 由一頻帶寬控制器丨4 7將傳統可調整濾波器1 4 5和1 4 6程式 化為支援不同數量的頻道以及頻道頻帶寬。 ADC 161，162是一對傳統的低成本ADC，其使來自於 解調變器1 44之I/Q信號數位化。個別頻道Ch^Chn經DDc 1 7 1降頻轉換成基頻帶。 藉由FIR濾波器181-1 85對每一頻道Ch卜Chn進行頻道 濾波和脈衝整形。 A G C程序係以兩個步驟進行。第一步是在第一和第二 AGC電路151, 163内進行調整基頻帶放大器151，152之增益 以使信號維持在ADC 1 6 1，1 62的動態範圍内。AGC程序之 第二步為係在DAGC塊19卜195内以數位方式進行且係用來 將I / Q信號之位元寬度減小至每一頻道1 9 8 - 2 0 2所要求之 最小值。 如圖3所示，接收器丨3 〇當作一多載波直接轉換接收 器運作。含有多重R F頻道之頻率塊藉以直接降頻轉換成 基頻帶之一頻率塊。 圖1為一依據本發明建構之直接轉換通信發射器2 3 0 之範例實施例的方塊圖。個別頻道（C h 1 - C h η ) 2 3 1 - 2 3 4 首先傳送通過F I R濾波器2 4 1 - 2 4 4且經由一數位增頻轉換 器（以下簡稱D U C ) 2 4 7以數位方式增頻轉換。如此提供 一數位基頻帶信號，此信號係用來驅動一對低成本的D A C 251，252 °DUC 247藉由將中心頻率從零平移+ /—半個頻帶
第12頁 1237450 五、發明說明（9) 寬的方式將一輸入信號轉換成I / Q信號分量。 DUC 247之輸出包括二個數位輸出，此二信號以正交 相差相隔。該等I/Q信號為DAC 251和2 5 2的輸入，該等 DAC將數位信號轉換成類比信號。DAC 25 1，2 5 2之類比輸 出係提供給LPF 2 5 3, 2 5 4，、其頻帶寬係由頻帶寬控制電路 2 5 5控制。LPF 2 5 3，2 5 4過濾該等類比信號且將各自的滤 波後輸出提供給一調變器2 6 0，該調變器包括二個混頻器 26 1，2 6 2、L0 2 6 3 及加法器 2 6 4。混頻器261，2 6 2 受L0 2 6 3 控制且對加法器2 6 4提供混合輸出。調變器2 6 0對帶通濾 波斋265 (隨後對一第一 RF放大器266 )提供一輸出。RF 放大器2 6 6受增益控制電路2 6 7控制且對帶通濾波器2 6 8和 RF功率放大器2 6 9 (其將信號放大以經由天線2 7 0發射） 提供一輸出。 如圖3和4清楚所示，依據本發明之直接轉換多載波 處理器藉由免除IF段的方式避免了超外差無線電機的缺 點。這降低無線電機的成本且容許數據轉換器以在基頻 帶以一較低時鐘速率運作，這更進一步降低成本。基頻 帶之可調整頻帶寬濾波器是可輕易實現的，容許彈性地 支援欲在無線電機内處理之可變載波間距和載波數量。 這也會降低ADC内要求的動態範圍，因為只有目標載波出 現在A D C ’這再次降低成本。
本發明可應用於無線通信系統，包含無線區域迴 圈、無線LAN應用，以及蜂巢式系統例如WC DMA ( UTR A TDD 和UTRAFDD 二者）、TDSCDMA 、CDMA2000 、3xRT 、及OFDMA
第13頁 1237450
第14頁 1237450 圖式簡單說明 圖1為一具備直接數位取樣多載波接收器之習知技藝超外 差無線電機的方塊圖。 β 圖2為一具備直接數位發射器之習知技藝超外差無線電機 的方塊圖。 圖3為一依據本發明製得之直接轉換多載波接收器的方塊
圖。 A 圖4為一依據本發明製得之直接轉換多載波發射器的方塊 圖。 元件符號說明： S 1多載波信號 1 1，1 3 0接收器 1 5，1 0 5 , 1 3 1，2 7 0天線 16， 18,21， 98, 102, 104, 132, 134, 265, 268帶通濾波器（BPF) 1 7，1 0 3放大器 1 9混頻器 2 0, 1 0 0, 1 43, 2 6 3振盪器 2 2, 1 6 1, 1 6 2 ADC 2 3數位降頻轉換器 2 4，9 6複合數值控制振盪器 2 5，8 5，1 8 1 - 1 8 5，2 4 1 - 2 4 4 F I R渡波器 3 5, 1 9 1 - 1 9 5數位自動增益控制電路（DAGCs) 45, 65, 198-202, 231-234頻道 7 5相應功率控制電路 9 5數位增頻轉換器 9 7, 1 6 4, 2 5 1, 2 5 2數位類比轉換（DAC)電路 9 9 I F混頻器 1 4 1，1 4 2，2 6 1，2 6 2混頻器 1 45, 1 4 6低通濾波器（LPF) 1 4 7，2 5 5頻帶寬控制電路 1 5 1，1 5 2基頻帶放大器
第15頁 1237450 圖式簡單說明 1 4 4解調變器 1 5 3自動增益控制（AGC)電路 163 AGC電路 13 3低雜訊放大器（1^八） 1 4 5, 1 4 6, 2 5 3, 2 54可調整濾波器（LPF) 2 3 0發射器 24 7數位增頻轉換器（DUC) 2 6 0調變器 2 6 4加法器 2 6 6 RF放大器 2 6 7增益控制電路 2 6 9 RF功率放大器 F卜Fn中心頻率
第16頁

Claims (1)

1237450 六、申請專利範圍 1. 一種多載波直接轉換接收器，其用來接收並處理一 多載波射頻（RF )信號，包括： 一天線，其用來接收該多載波RF信號； 一 R F放大器，其在該天線與一解調變器之間提供一介 面，該RF放大器用來放大該已接收的多載波RF信號； 該解調變器係粞接於該RF放大器以將該多載波RF信號轉 換成同相的（I )和正交的（Q )基頻帶信號； 一對基頻帶區段，每一區段包括一低通濾波器和放大 器，且每一區段用來處理該等I和Q基頻帶信號其中之 一； 一對數位類比電路，每一電路與轉換器其中之一通信， 以用來將該等I和Q基頻帶信號其中之一轉換成一數位I和 Q信號；及 一直接轉換電路，其連接於該數位類比電路，用來將該 等數位I和Q信號轉換至複數個頻道。 2. 如申請專利範圍第1項之接收器，其更包括複數個有 限脈衝響應（F I R )濾波器，每一該複數個頻道搭配一個 該有限脈衝響應濾、波器，以用來對該複數個頻道渡波。 3. 如申請專利範圍第1項之接收器，其中每一低通濾波 器之頻帶寬是可調整的。 4. 如申請專利範圍第3項之接收器，其更包括一頻帶寬 控制電路用來控制該等低通濾波器之頻帶寬。 5. 一種多載波直接調變發射器，其用來處理並發射複 數個頻道，該發射器包括：
1237450 六、申請專利範圍 - 一數位增頻轉換器，其用來接收該複數個頻道且輸出一 對數位的同相的（I )和正交的（Q )信號； 一對數位類比轉換器，每一轉換器用來接收該等數位的I 和Q信號其中之一且於一基頻帶頻率輸出一相應I和Q類比 信號； 一調變器，其用來接收該等基頻帶類比的I和Q信號且用 來提供一單一射頻（RF )信號；及 一發射器，其用來發射該RF信號。 6. 如申請專利範圍第5項之發射器，其更包括一 R F放大 器，以用來在發射該R F信號之前放大該R F信號。 ‘ 7. 如申請專利範圍第6項之發射器，其更包括一對低通 鲁 濾波器，每一低通濾波器耦接於該等數位類比轉換器中 之一相應轉換器，以用來對該等類比的I和Q信號濾波。 8. 如申請專利範圍第7項之發射器，其更包含一頻帶寬 控制電路用以控制該等低通濾波器之頻帶寬的方式控制 該發射器之頻率響應。 9. 如申請專利範圍第8項之發射器，其更包括複數個有 限脈衝響應（F I R )濾波器，每一 F I R濾波器對應於該複 數個頻道其中之一，每一 F I R濾波器用來接收該複數個頻 道其中之一，且用來對該數位增頻轉換器提供一濾波後 輸出。
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