專利名稱：無線電接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在例如GSM和UMTS的數(shù)字傳輸系統(tǒng)里具有特定的而不是排外的應(yīng)用的無線電接收機(jī)，還涉及一種包括上述無線電接收機(jī)的集成電路。
與已知的零中頻接收機(jī)相比較，多相接收機(jī)通過消除直流電偏移量和二次相互調(diào)制分量產(chǎn)生的問題提供性能的顯著改善。多相接收機(jī)的一個(gè)顯著特征是復(fù)信號(hào)處理在前端向下變換器的輸出和解調(diào)器的輸入之間的中頻信號(hào)上執(zhí)行，保證所需信號(hào)的任何圖像充分地被抑制。
在低中頻接收機(jī)上的最近變化里，模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換在前端向下變換器以后立即執(zhí)行，允許波道濾波全部在數(shù)字域里執(zhí)行。上述接收機(jī)在國際性專利申請(qǐng)wo 00122735里公開。該偏差需要來自模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的增加的動(dòng)態(tài)范圍能力，但是通過使該接收機(jī)的頻道濾波器特性曲線能在軟件里變化而提供增強(qiáng)的靈活性，因此使得它顯著地便于設(shè)計(jì)多狀態(tài)接收機(jī)。
用于GSM系統(tǒng)的一個(gè)上述已知接收機(jī)的實(shí)施例在附圖的

圖1中所示。由天線102收到的無線電信號(hào)通過帶通濾波器104濾波并且通過低噪聲放大器106放大。該信號(hào)然后向下混頻由第一和第二混頻器108，110產(chǎn)生100kHz中頻(半GSM信道間隔)的同相(I)和正交相(Q)信號(hào)，該混頻器通過一個(gè)相移單元114提供一個(gè)來自本機(jī)振蕩器(LO)112的分別的LO口的信號(hào)，該相移單元114提供一個(gè)具有零相移的信號(hào)給第一個(gè)混頻器106和一個(gè)具有90°相移的信號(hào)給第二混頻器110。
I和Q信號(hào)可以通過一個(gè)高通濾波器116濾波并且提供給一個(gè)包括合并有一個(gè)多相帶通環(huán)路濾波器的復(fù)雜sigma-delta模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的數(shù)字化單元118。這樣一個(gè)ADC在WO 00122735里公開。從數(shù)字化單元118輸出的I和Q包括13MHZ比特率的單個(gè)比特?cái)?shù)字信號(hào)。一個(gè)多相帶通濾波和抽取單元120通過一個(gè)因數(shù)24減少比特率，來自該單元的輸出信號(hào)包括541.667kHz比特率的14-比特信號(hào)。一個(gè)更進(jìn)一步的濾波器和抽取單元122執(zhí)行給基本頻帶的信號(hào)的低通濾波和反旋，產(chǎn)生在270.833kHz.GSM比特率的15位輸出信號(hào)。在被作為輸出126提供給接收機(jī)剩余中的數(shù)字信號(hào)處理電路之前，該信號(hào)由均衡和解調(diào)模塊(EQ)124處理。
雖然后一變型最好用于一個(gè)多狀態(tài)的接收機(jī)，對(duì)具有復(fù)雜的噪聲整形的作為使用在WO 00/22735中公開的sigma-delta模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器里的復(fù)雜模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的需要，并不是完全理想的。例如，如果ADC的頻帶寬度和它的時(shí)鐘速度不得不在變化模式上改進(jìn)那么一個(gè)復(fù)雜的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器是更難以設(shè)計(jì)的。特別是這種情況，就轉(zhuǎn)換效率而言如果需要的頻帶寬度和時(shí)鐘速度在目前工藝水平的限制。更進(jìn)一步考慮，如果在一個(gè)或多個(gè)接收方式里中頻設(shè)置為零，對(duì)于復(fù)合模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的需要充分地減少(因?yàn)閷?shí)際上僅僅需要一個(gè)低中頻接收機(jī))。
公開發(fā)明本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一個(gè)接收機(jī)，該接收機(jī)能夠在全部接收方式有效利用非復(fù)合模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，不管該中頻是否為零。
按照本發(fā)明，提供一個(gè)無線電接收機(jī)，該無線電接收機(jī)包括一個(gè)射頻信號(hào)的輸入端，用于變換該射頻信號(hào)成為一個(gè)中頻并且產(chǎn)生該中頻信號(hào)的同相和正交變換的正交下變頻裝置，用于在同相和正交信號(hào)上操作提供濾波的同相和正交信號(hào)的復(fù)合濾波器裝置，用于數(shù)字化同相和正交信號(hào)中的僅僅一個(gè)的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置，用于在數(shù)字化的信號(hào)上執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理的裝置和用于在通過信號(hào)上操作產(chǎn)生數(shù)字的同相和正交信號(hào)的信號(hào)產(chǎn)生裝置。
通過量化同相和正交中頻信號(hào)中的僅一個(gè)，對(duì)復(fù)合(或者多相)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和復(fù)合波道濾波器的需要消除了，因此能夠?qū)崿F(xiàn)功率消耗相當(dāng)大的節(jié)約。上述接收機(jī)特別適合于多狀態(tài)的操作，其中一個(gè)模式使用一個(gè)低中頻并且另一個(gè)模式使用一個(gè)零中頻，因?yàn)榉菑?fù)合ADC的設(shè)計(jì)用不同的時(shí)鐘頻率的范圍操作并且噪音-形狀輪廓比它們的復(fù)合相應(yīng)物的設(shè)計(jì)簡單的多。
通過僅量化來自該接收機(jī)前端的中頻輸出的I或者Q分量，所需信號(hào)的頻帶寬度有效地加倍到與單個(gè)被反射的大約零頻率的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的量化頻帶寬度匹配。然而，盡管源于提高的頻帶寬度的時(shí)鐘速度中有可能提高，因?yàn)槭褂玫膬H僅是單個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，全部的功率消耗應(yīng)該減少。
由于缺乏非復(fù)合模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的鏡象干擾抑制，在該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前需要一個(gè)復(fù)合濾波器。上述濾波器可以是一個(gè)無源多相濾波器，該濾波器是無源的，不消費(fèi)額外功率。
在一最佳實(shí)施例中，該模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器是一個(gè)signa-delta模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在另一個(gè)最佳實(shí)施例里，該數(shù)字同相和正交信號(hào)反旋轉(zhuǎn)化它們的頻率到基本頻帶。
在本發(fā)明一個(gè)更進(jìn)一步的實(shí)施例里，接收機(jī)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)集成電路里。
本發(fā)明基于不存在于先有技術(shù)中的認(rèn)識(shí)，可能提供在低中頻接收機(jī)里非復(fù)合ADC和波道濾波器的使用，在抽樣和數(shù)字化之前執(zhí)行在中頻信號(hào)上的鏡象干擾抑制濾波。
圖8是相對(duì)于剛均衡和解調(diào)之前的信號(hào)的千赫茲頻率(f)，說明振幅(A)的一個(gè)圖表；圖9是相對(duì)于用于圖2的接收機(jī)結(jié)構(gòu)的dBm信號(hào)功率(S)，模擬的比特差錯(cuò)率(BER)的一個(gè)圖表；以及和圖10是相對(duì)于合并的波道濾波器和正交重現(xiàn)濾波器千赫茲的頻率(f)，說明衰減(A)的一個(gè)圖表。
在附圖里相同的標(biāo)號(hào)數(shù)字用來指示相應(yīng)的器件。
用于實(shí)現(xiàn)該發(fā)明的方式圖2是一個(gè)按照本發(fā)明制造的低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)的GSM實(shí)施例的方框圖。前端使用一個(gè)正交下變換器混頻輸入射頻信號(hào)降至半信道間隔的一個(gè)低中頻(對(duì)于GSM，信道間隔是200kHz由此該中頻是100kHz)。接收機(jī)的一部分實(shí)質(zhì)上與參考圖1的上述相同不用再次描述了。
在通過混頻器108，110向下變換以后，包括I和Q信號(hào)的復(fù)合低中頻信號(hào)進(jìn)入一個(gè)鏡象干擾抑制濾波器(IR)202，該濾波器是一個(gè)無源的多相過濾器，它排斥任何存在于該所需信號(hào)圖像波段的干擾，換句話說是在200kHz和0Hz之間的干擾。上述濾波器已知，例如公開在MJGingell，電信No 48′1973中的論文“使用序列不對(duì)稱的多相網(wǎng)絡(luò)的單邊帶調(diào)制”。無源多相過濾器容易作為直接集成在硅晶體上的RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。圖像拒波濾波器202流通在波段0Hz到+200khz里的所需信號(hào)以及其它全部干擾信號(hào)。然而，通過消除任何鏡象干擾，允許該接收機(jī)里全部隨后的濾波器為“同相分量”(也就是僅僅在I和Q信號(hào)中的一個(gè)上操作)。適宜的多相過濾器的頻率響應(yīng)的一個(gè)例子在圖3中所示。
在鏡象干擾抑制濾波器202以后，該信號(hào)的Q分量終止，而I分量通過一個(gè)高通濾波器204延續(xù)到一個(gè)單個(gè)雙端口的sigma-delta(∑Δ)調(diào)制器206。撤消該信號(hào)Q分量的影響是拿走所需信號(hào)能量的一半并且將其重疊到該頻譜的反面一側(cè)。從此該信號(hào)(和sigma-delta調(diào)制器206的噪聲頻譜一樣)關(guān)于零頻率是對(duì)稱的并且占據(jù)400KHz的頻帶寬度。上述信號(hào)使調(diào)制器206的轉(zhuǎn)換效率最大。
高通濾波器204取消由以前的前端電路產(chǎn)生的DC偏移量。對(duì)于GSM應(yīng)用的多相接收機(jī)的研究已經(jīng)表明對(duì)于濾波器204的一個(gè)適宜的截止頻率是6kHz，它給該接收機(jī)對(duì)大信號(hào)的過激勵(lì)影響的一個(gè)足夠的恢復(fù)時(shí)間而不引起所需信號(hào)的任何顯著衰減。
調(diào)制器208的順序和它的時(shí)鐘速度必須選擇產(chǎn)生需要的噪聲整形。在最小的輸入信號(hào)水平(在目前工藝水平里-108dBm)，為了滿足對(duì)于BER(比特差錯(cuò)率)的GSM規(guī)范，在400kHz(也就是-200khz到+200khz)頻帶寬度里信號(hào)到量化噪音率必須大約為17dB。該圖起源于對(duì)7dB的全部信號(hào)噪聲比以及在前端噪音下面的10dB的量化噪聲電平的需要。對(duì)于ADC的最大輸入信號(hào)是在-23dBmd的單元干擾信號(hào)。
來自調(diào)制器206的數(shù)字輸出信號(hào)由數(shù)字信道濾波器208濾波。該濾波器在等于sigma-delta調(diào)制器208的時(shí)標(biāo)速率的采樣率上運(yùn)行，典型地該采樣率是用于GSM的比特率的48倍的等級(jí)。當(dāng)在雙邊的頻率軸上觀察時(shí)，它具有一個(gè)大約200khz截止頻率的低通頻率響應(yīng)，它相似于一個(gè)400kHz寬度的帶通頻率響應(yīng)。上述頻率響應(yīng)在圖4.里說明。濾波器208具有雙重任務(wù)，衰減到達(dá)接收機(jī)輸入端的除圖像干擾信號(hào)之外的全部干擾信號(hào)(也就是在較低的相鄰信道里的一個(gè)干擾信號(hào)，它由鏡象干擾抑制濾波器202處理)，并且衰減由該調(diào)制器206產(chǎn)生的大部分寬帶量化噪音。
在濾波器208輸出端的一個(gè)信號(hào)的典型頻譜在圖5.中所示。顯示為一條實(shí)線的所需信號(hào)的兩半位于零頻率的兩邊上，其中零頻率由高通濾波器204產(chǎn)生的通路分離。顯示為虛線的圖像干擾信號(hào)的殘留占據(jù)與所需信號(hào)一樣的頻率空間，但是由于由鏡象干擾抑制濾波器202施加的衰減使圖像干擾信號(hào)的殘留處于一個(gè)微不足道的水平。在-200kHz到+200kHz波段以外，由于大的干擾信號(hào)也可能有一些顯示為短劃線的剩余sigma-delta噪聲和功率，但是上述信號(hào)可以容易地由隨后的濾波器消除。
一旦該信號(hào)的高頻成分被波道濾波器208消除，中頻信號(hào)可以由向下抽樣單元(DS)210向下抽樣(也就是十中抽一)到大約為GSM比特率的四倍的采樣率。這減少了用于所需信號(hào)的Q分量的再現(xiàn)所需要的處理資源和功率消耗。必須使所需信號(hào)再次復(fù)合以便于促成它理想的從低中頻到零頻率的頻率變換(或者逆變換)，并且促成它隨后的解調(diào)以便獲得日期二進(jìn)制數(shù)字。
因此，在向下采樣以后，通過傳輸信號(hào)給一對(duì)FIR濾波器，具有線形相位低通響應(yīng)的第一濾波器212和具有除在該通帶當(dāng)中產(chǎn)生一窄凹口和插入額外90°相移(對(duì)于負(fù)頻率該相位移是+90°，對(duì)于正頻率該相位移是-90°)之外的恒等反應(yīng)的第二濾波器214，使該信號(hào)復(fù)合。第二濾波器214產(chǎn)生新的Q分量，隨著決定脈沖響應(yīng)長度的凹口寬度執(zhí)行有限時(shí)間等效赫伯特變換。稍微小于或等于由以前的高通濾波器204產(chǎn)生的凹口寬度的寬度通常是適當(dāng)?shù)摹?br> 圖6顯示適當(dāng)?shù)牡诙V波器214的一個(gè)典型頻率響應(yīng)，這特定的例子是具有8kHz通路寬度的具有276個(gè)抽頭的FIR濾波器。第一濾波器212的主要作用是將完全相同的時(shí)間延遲插入I分量的路徑中，如同通過第二濾波器214插入到Q分量的路徑中一樣。兩個(gè)濾波器212，214的脈沖響應(yīng)應(yīng)該是完全相同的長度。第一和第二濾波器可以設(shè)計(jì)成在所需信號(hào)頻帶寬度以外在波道濾波器208以后產(chǎn)生任何干涉剩余的進(jìn)一步地抑制。變化它們的截止頻率在濾波器212，214的需要長度上沒有實(shí)際上影響，并且產(chǎn)生引入額外無償有效濾波的可能性。截止頻率的選擇與濾波器212，214所需要的采樣率有關(guān)聯(lián)，但是提供這些不引起任何主要問題，該濾波器因此可以減輕對(duì)在該基本頻帶里更進(jìn)一步濾波的需要。修復(fù)所需信號(hào)的Q分量對(duì)折疊頻譜的負(fù)半部分到它的正側(cè)產(chǎn)生影響，借此頻帶寬度減少到200kHz。信號(hào)中的總功率因此回到在鏡象干擾抑制濾波器202的輸入端看到的原始值。功率密度增加6dB。濾波器212，214合并輸出端的復(fù)頻反應(yīng)特性在圖7中所示。
一旦發(fā)生Q分量，I和Q信號(hào)傳到一個(gè)反旋單元216，通過執(zhí)行一個(gè)由信號(hào)源218提供的-100kHz復(fù)音的復(fù)數(shù)乘法，在哪里它們被反旋到基本頻帶，其中反旋變換該所需信號(hào)回到零中央頻率。
在圖2中所示的實(shí)施例例子里，I和Q信號(hào)由分別的具有80kHz截止頻率的低通基帶濾波器220濾波。在濾波器220的輸出端的一個(gè)典型頻譜在圖8中所示，所需信號(hào)顯示為一條實(shí)線并且圖像干擾信號(hào)的殘留顯示為一條虛線。
在作為輸出126提供給接收機(jī)殘余物中的數(shù)字信號(hào)處理電路之前，信號(hào)由一個(gè)均衡解調(diào)單元(EQ)222處理。
已經(jīng)執(zhí)行系統(tǒng)模擬以便實(shí)現(xiàn)按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的恰當(dāng)作用。作為一個(gè)例子，圖9是一個(gè)以dBm方式使用公知的TU50信道模型(典型具有50km/h最高速度的市區(qū)分布圖)模擬確定用于所需信號(hào)功率S范圍的BER的結(jié)果的圖表。用于新接收機(jī)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果顯示為一條實(shí)線，而使用復(fù)信號(hào)處理對(duì)于基準(zhǔn)多相接收機(jī)的結(jié)果顯示為一條虛線。很明顯新接收機(jī)的靈敏度至少和基準(zhǔn)多相接收機(jī)一樣。其它模擬也實(shí)現(xiàn)那些可以提供需要的選擇性的新結(jié)構(gòu)，即對(duì)于相鄰信道也對(duì)于那些較大的頻偏。在如上所述實(shí)施例的偏差中，波道濾波器208和復(fù)信號(hào)重現(xiàn)濾波器212，214合并成包括兩個(gè)FIR濾波器的單一過濾塊。如此實(shí)施例需要較少數(shù)字硬件資源，如同合并的過濾塊可以使用sigma-delta調(diào)制器206的輸出的比特-流量特性。實(shí)際上，波道濾波器208和向下抽樣單元210的作用并入濾波器212，214。
為了決定濾波器212，214需要的頻率響應(yīng)，將該濾波器看作具有關(guān)于零頻率不對(duì)稱響應(yīng)的單一復(fù)合濾波器比較簡單，而不是看作兩個(gè)同相分量濾波器，其中一個(gè)是另一個(gè)的希爾伯特變換。使用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字綜合工具，單一同相分量FIR濾波器可以設(shè)計(jì)成具有需要的頻帶寬度和選擇性。獲得該復(fù)合響應(yīng)是應(yīng)用+100khz頻率偏移的一個(gè)直接情況?？梢酝ㄟ^在漂移頻率響應(yīng)上執(zhí)行一個(gè)離散傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)實(shí)部和虛部脈沖響應(yīng)。
圖10說明在少量設(shè)計(jì)迭代之后獲得的一對(duì)適當(dāng)?shù)臑V波器212，214的復(fù)頻反應(yīng)特性。需要的衰減模板顯示為一條虛線。該響應(yīng)基于從20khz到180khz的波帶顯示一條微細(xì)的波紋，該波紋具有阻帶衰減，也就是說完全在模板范圍內(nèi)(頻率超過+-1MHZ超越100dB)。上述響應(yīng)允許濾波器212.214傳遞具有最小失真的所需信號(hào)，應(yīng)用足夠的衰減到鄰近的和可選擇的信道干擾信號(hào)并且抵制由sigma-delta調(diào)制器206產(chǎn)生的大多數(shù)高頻噪聲。如上所述的接收機(jī)結(jié)構(gòu)具有與已知的近零中頻多相結(jié)構(gòu)申請(qǐng)的類似范圍，它包含例如GSM、AMPS、IS136和PDC1900的第二代蜂房式系統(tǒng)以及例如DECT和Bluetooth的無線系統(tǒng)。在這些申請(qǐng)里，可以獲得有效的功率節(jié)約。該結(jié)構(gòu)對(duì)具有聯(lián)合的CDMA/TDMA多狀態(tài)性能的接收機(jī)更有用。作為一個(gè)特定的例子，一個(gè)申請(qǐng)是兩種工作方式的UMTS/GSM接收機(jī)，其中該中頻在零和100KHz之間切換。例如CDMA2000/IS95/IS136/AMPS接收機(jī)的其它申請(qǐng)也可預(yù)見。
權(quán)利要求
1.一種無線電接收機(jī)，包括一個(gè)射頻信號(hào)輸入端，變換該射頻信號(hào)為中頻并且產(chǎn)生該中頻信號(hào)的同相和正交變換的正交向下變換裝置，用于在同相和正交信號(hào)上操作提供濾波的同相和正交信號(hào)的復(fù)合濾波器裝置，用于數(shù)字化同相和正交信號(hào)中僅一個(gè)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置，用于在數(shù)字化信號(hào)上執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理的裝置以及用于操作處理過的信號(hào)產(chǎn)生數(shù)字同相和正交信號(hào)的信號(hào)產(chǎn)生裝置。
2.如權(quán)利要求1中所述的一種接收機(jī)，其特征在于該復(fù)合濾波器裝置包括一個(gè)無源多相過濾器。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的一種接收機(jī)，其特征在于模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置包括一個(gè)sigma-delta模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求1到3中任何權(quán)利要求中所述的一種接收機(jī)，其特征在于模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置可在多個(gè)不同的時(shí)鐘頻率操作。
5.如權(quán)利要求1到4中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種接收機(jī)，其特征在于中頻可以更低或者為零。
6.如權(quán)利要求5中所述的一種接收機(jī)，其特征在于射頻信號(hào)符合蜂窩式通信標(biāo)準(zhǔn)并且低中頻是規(guī)定在該標(biāo)準(zhǔn)里的信道間隔的一半。
7.如權(quán)利要求1到6中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種接收機(jī)，其特征在于反旋裝置提供將數(shù)字同相和正交信號(hào)變換到基本頻帶。
8.如權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種接收機(jī)，其特征在于信號(hào)產(chǎn)生裝置包括第一和第二濾波器并且施加于信號(hào)的相位移通過相差90°的每一個(gè)濾波器。
9.如權(quán)利要求8中所述的一種接收機(jī)，其特征在于濾波器具有一種線性影像相移特征。
10.如權(quán)利要求1到7中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種接收機(jī)，其特征在于執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理的裝置和信號(hào)產(chǎn)生裝置的合并由第一和第二濾波器提供。
11.一種集成電路，包括在權(quán)利要求1到10中任何一個(gè)中所述的一種無線電接收機(jī)。
全文摘要
一種可配置操作在低中頻或者零中頻模式的無線電接收機(jī)，包括在中頻產(chǎn)生同相(I)和正交(Q)信號(hào)的正交向下變換器(108，110，112，114)，以及執(zhí)行鏡像干擾抑制的復(fù)合濾波器(202)。濾波器(202)的輸出(Q)終止，另一個(gè)輸出(I)傳遞到非復(fù)合ADC(206)。來自ADC的輸出數(shù)字化處理，然后正交信號(hào)發(fā)生器(212，214)產(chǎn)生正交的與中頻信號(hào)有關(guān)的信號(hào)，該信號(hào)傳遞給向下變換器(216，218)用于轉(zhuǎn)換成為基帶信號(hào)。通過使模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器和信道濾波在中頻非復(fù)合信號(hào)上執(zhí)行，可能實(shí)現(xiàn)顯著的功率節(jié)約。進(jìn)一步，接收機(jī)的靈活性增強(qiáng)了，使其在低中頻和零中頻上都能有效操作。
文檔編號(hào)H03D7/16GK1440588SQ01806358
公開日2003年9月3日 申請(qǐng)日期2001年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月10日
發(fā)明者B·J·明尼斯, P·A·穆爾 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司