專利名稱：使用頻率子頻帶的超寬帶信號接收機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號接收機，并且特別地但不排它地涉及一種適合于接收具有寬帶寬的無線信號的信號接收機。
使用數字信號處理技術來至少實現無線接收機的基帶處理可以帶來諸如增加通用性以及較低成本之類的好處。RF信號通常在數字化之前被下混頻到低IF或到基帶，這是因為高頻數字化需要高速的模數轉換器(模數轉換器)。如果常規的低通抽樣被用來以奈奎斯特速率抽樣，則需要一個可以以信號最高頻率的兩倍來抽樣的模數轉換器。以RF數字化所需的抽樣速率可能超過市場上可買到的ADC的能力，或者需要一個具有大功耗或高成本的ADC。甚至在下混頻到較低頻率之后，以奈奎斯特速率對信號抽樣可能超過市場上可買到的ADC的能力，或者需要具有大功耗或者高成本的ADC。
超寬帶是一種用于執行無線電通信和無線電定位的技術，其依靠于發送包括極短脈沖的信號。這類極短的脈沖一般占據從零到一或個GHz的頻率，并且使用單個ADC是不實際的，ADC將以奈奎斯特速率數字化包括這類高頻率的信號。用于減少信號低于奈奎斯特速率的抽樣速率的一個解決方案在由J.D.Taylor編寫的“Ultra-wide bandradar technology”中被發表(CRC Press，2001，第77-78頁)。這個解決方案使用濾波器組把信號頻譜分成幾個子頻帶，把每個子頻帶下混頻到DC，并且分別地使用ADC組來數字化每個子頻帶，每個ADC以等于被下混頻的子頻帶中最高頻率的速率來抽樣。這個先有技術解決方案的框圖在
圖1中被說明，其示出適用于具有頻譜0-1GHz的信號的接收機的一部分。被稱為信道分路(dropping)濾波器的濾波器組把接收信號分成每個200MHz寬的五個子頻帶，并且四個混頻器和四個不同的本地振蕩器信號需要來把所有子頻帶中的信號帶入范圍0-200MHz，其中，五個ADC的ADC組，每個ADC以200MHz抽樣，被用來數字化子頻帶中的信號。每個ADC的數字化輸出都被用來重建信號波形，盡管用于執行這個的方法或者設備沒有在Taylor的參考文獻中被公開。這種解決方案的缺點是需要一組混頻器和用于對每個混頻器產生不同的本地振蕩器信號的裝置。這類多個設備添加了復雜度和成本，因為例如混頻器是耗費功率、發出噪聲和具有限制的動態范圍的有源設備。
還有一個解決方案在Won Namgoong的“A Channeliesed DSSSUltra-Wide band Receiver”(Proceedings RAWCON 2001，2001 IEEERadio and Wireless Conference，Waltham MA，USA，19-22，2001年8月，第105-108頁)中被公開。這個解決方案使用一個混頻器組，每個混頻器需要不同的本地振蕩器信號并且每個混頻器后面還跟隨有一個子帶濾波器，因此遇到了相同的缺點。
本發明的目的是提供一個信號接收機，其至少克服上述先有技術的一部分缺點。
根據本發明提供了一個信號接收機，包括用于把接收信號數字化的數字化裝置和用于提取數字化接收信號的信息內容的解調裝置，其中，數字化裝置包括用于把接收信號分成多個頻率子頻帶的濾波裝置，用于把每個子頻帶中的信號數字化的模數轉換裝置，用于把每個子頻帶中的數字化信號變換到頻率域中的變換裝置，和用于在頻域中級聯每個子頻帶中的數字化信號從而重建接收信號頻譜的重建裝置。
接收信號的重建頻譜可能與被分成子頻帶之前的接收信號的頻譜有相同的頻率，或者可能處于較低的頻率，例如具有帶通頻譜的接收信號可能被頻移到DC。
通過把接收信號分成多個子頻帶和數字化每個子頻帶中的信號，能夠避免通過以奈奎斯特速率操作來數字化整個信號帶寬的ADC的需要。通過數字化每個子頻帶而不首先下變頻每個子頻帶，混頻器組和用于對每個混頻器產生不同的本地振蕩器信號的裝置的需要被避免。
可選地，如果是帶通信號，則接收信號可以在數字化裝置之前從發射頻率被下變頻到較低頻率。
數字化子頻帶中的信號所需的抽樣速率取決于子頻帶的帶寬，如下所述。
通過明智地選擇每個子頻帶的抽樣速率，對多個子頻帶使用公共的抽樣速率是可能的，從而簡化抽樣速率時鐘產生。這類子頻帶可能有公共帶寬。
通過明智地選擇每個子頻帶的抽樣速率和帶寬，對奇數的子頻帶使用公共抽樣速率和對偶數的子頻帶使用不同的公共抽樣速率是可能的，從而把抽樣速率時鐘產生簡化到兩個速率。
模數轉換裝置包括用于每個子頻帶的ADC。然而，如果接收機將被用來接收在任何一個瞬時只占據一個子頻帶的信號，比如跳頻信號或啁啾(chirp)信號，則模數轉換裝置每次只需要數字化一個子頻帶并且單個ADC可以按順序被切換到每個子頻帶，跟蹤接收信號的頻率，從而降低模數轉換裝置的復雜度。
本發明現在將只通過舉例的方式并且參考附圖而被描述，其中圖1是先有技術接收機的框圖，圖2是濾波器組的頻率響應圖，圖3是根據本發明的無線接收機的第一實施例的示意性框圖，圖4是根據本發明的無線接收機的第二實施例的示意性框圖，和圖5是說明子頻帶頻譜的草圖。
參見圖3，本發明的第一實施例包括從天線接收信號的信號輸入端5。連接到信號輸入端5的是低通濾波器10，用于從接收信號除去不想要的信號分量。連接到低通濾波器10的輸出端的是放大器20。放大器20的輸出端被連接到濾波器組30的輸入端。濾波器組30把放大器20遞送的信號分成五個子頻帶并且每個子頻帶中的信號被遞送到相應的ADC 41-45，在其中它們被數字化。連接到每個ADC輸出端的是相應的FFT裝置51-55，用于使用快速傅立葉變換(FFT)把數字化的子頻帶信號變換到如子頻帶頻譜的草圖59所示的頻率域。連接到每個FFT裝置51-55的輸出端的是相應的頻移裝置61-65，其通過再標記(re-label)頻率執行頻率域子頻帶信號的頻移以便定位在DC處，如被頻移的子頻帶頻譜的草圖6 9所示，除非已經在DC處被定位。連接到每個頻移裝置61-65的輸出端的是存儲裝置70的相應存儲部分71-75。被頻移的子頻帶信號通過把它們存儲在它們相應的存儲部分71-75中而被級聯，從而在頻域中重建接收信號。存儲裝置70的輸出端被連接到乘法器裝置80的第一輸入端，乘法器裝置80乘以重建的接收信號和參考信號，參考信號是被發射的信號頻譜的復制品，被存儲在參考信號存儲器85中并且被遞送給乘法器裝置80的第二輸入端。乘法器裝置80的輸出端被連接到裝置90用于執行離散傅立葉逆變換(IDFT)，其在輸出端95上提供接收信號和參考信號的互相關函數。輸出端95被連接到處理裝置(PROC)96用于進一步處理互相關函數，正如無線接收機將被用于的應用所需要的。例如，相關函數中的峰值出現時間可以被測量以便確定信號的傳輸(flight)時間，并且因此從接收機確定發射機的距離。作為另一個示例，相關函數中的峰值極性可以被確定以檢測信號傳送的數據比特的值。作為另一個例子，接收信號的到達時間的調制可以隨著傳送信息來確定圖2示出濾波器組的頻率響應，濾波器組把具有帶寬fb的信號分成N個子頻帶。在圖2中，每個子頻帶都具有相同的帶寬fb/N，但這不是根本的。對于圖3中示出的實施例，N＝5。
如果子頻帶中的信號將通過相應的ADC 41-45不混疊(withoutaliasing)地被抽樣，則ADC抽樣速率必須被選擇以滿足以下不等式2fuiri≤fsi≤2fliri-1---(1)]]>i＝1....N，其中，fsi是第i個子頻帶的抽樣速率，fui是第i個子頻帶的頻率上限，fli是第i個子頻帶的頻率下限，并且ri是一個滿足不等式1≤ri≤int{fuifui-fli}]]>的整數。通常，這樣選擇ADC抽樣速率以便避免混疊是優選的，盡管對于某些類型的接收信號來說一定量的混疊是可以容許的。在以下描述中，假設混疊被避免。
可選地，可以選擇rI從而使多個子頻帶共享公共抽樣速率，其簡化抽樣速率時鐘產生。例如，對于圖3中所示的5個子頻帶的實施例，并且表示第i個子頻帶的帶寬為Wi，其中，Wi=fui-fli]]>，給出子頻帶1對于r1＝1，2W1≤fs1≤∞---(2)]]>子頻帶2對于r2＝1，2(W1+W2)≤FS2≤∞---(3)]]>子頻帶3對于r3＝2，(W1+W2+W3)≤fs3≤2(W1+W2)---(4)]]>子頻帶4對于r4＝2，(W1+W2+W3+W4)≤fs4≤2(W1+W2+W3)---(5)]]>子頻帶5對于r5＝3，23(W1+W2+W3+W4+W5)≤fs5≤(W1+W2+W3+W4)---(6)]]>
在這種情況下，滿足不等式(3)的公共抽樣速率可以被用于子頻帶1和2。
對于ri和子頻帶帶寬Wi的特定值，可以確定公共抽樣速率的其它可能性。
共享公共抽樣速率的子頻帶可以可選地具有公共帶寬。例如，如果W1＝W3＝B，只要它滿足不等式3B≤f3≤4B，則公共抽樣速率能被用于子頻帶1和3。作為另一個示例，如果W2＝W4＝B，則只要它滿足不等式4B≤f4≤6B，公共抽樣速率能被用于子頻帶2和4。
特別有利的抽樣速率可以通過對所有的i值設置ri=[i+12]]]>和Wi＝B被導出，即所有子頻帶的公共帶寬。在這種情況下，只需要兩個不同的抽樣速率；第一公共抽樣速率可以被用于所有的奇數子頻帶，只要對于最高的奇數子頻帶它滿足不等式(1)，第二不同的公共抽樣速率可以被用于所有的偶數子頻帶，只要對于最高的偶數子頻帶它滿足不等式(1)。對于圖3中示出的實施例和所有子頻帶的公共帶寬B＝200MHz，第一公共抽樣速率必須滿足不等式103B≤fS5≤4B,]]>從而值733MHz將便利地處于容許范圍的中心，而第二不同的公共抽樣速率必須滿足不等式4B≤fs4≤6B]]>，從而值1GHz將便利地處于容許范圍的中心。
奇數子頻帶的第一公共抽樣速率和偶數子頻帶的不同的公共抽樣速率的其它可能性可以被確定用于子頻帶帶寬Wi的特定值，其中，子頻帶帶寬是不相等的。
不等式(1)表示的抽樣速率值的容許范圍定義每個抽樣速率可能有的頻率誤差的可接受限制。選擇大約處于它們相應的可接受范圍中心的抽樣速率是優選的。對于圖3中示出的實施例和具有B＝200MHz，第一公共抽樣速率733MHz上的容許誤差大約是±9％，第二公共抽樣速率1GHz上的容許誤差大約是±20％。可替換地，對于選定的抽樣速率fsi，不等性(1)可以被用來定義濾波器組30提供的相應子頻帶的fli和fui的可接受容許誤差限制。當然，抽樣速率的容許誤差可以交換為fli和fui的容許誤差。
ADC 41-45遞送的數字化的子頻帶信號包括以抽樣速率整數倍復制的子頻帶頻譜的復制。因此，FFT裝置51-55包括用于選擇單個子頻帶頻譜的濾波裝置。圖5說明被分成子頻帶200MHz寬的0-1GHz的信號的子頻帶頻譜(幅度A對比頻率f)。
圖5的曲線圖5(a)說明在0-200MHz，抽樣速率為fs1=733MHz]]>的第一子頻帶頻譜。復制頻譜都超出200MHz并且通過FFT裝置51被濾出；它們沒有在曲線圖(a)中示出。
曲線圖(b)說明在200-400MHz，抽樣速率為fs2=1GHz]]>的第二子頻帶頻譜。復制頻譜都超出400MHz并且通過FFT裝置52被濾出它們沒有在曲線圖(b)中示出。
曲線圖(c)說明在400-600MHz以733MHz的抽樣速率抽樣的第三子頻帶頻譜。該抽樣過程在133-333MHz產生子頻帶頻譜的復制品，它被倒置從而使得抽樣之前較低的子頻帶頻率現在表現為133-333MHz的復制品的較高頻率。在圖5中，復制品子頻帶頻譜的包絡用虛線表示。FFT裝置53包括用于選擇133-333MHz的復制品子頻帶頻譜的裝置以及倒置其頻譜以恢復其頻率分量的次序。
曲線圖(d)說明在600-800MHz以1GHz的抽樣速率抽樣的第四子頻帶頻譜。該抽樣過程在200-400MHz產生子頻帶頻譜的復制品，它被倒置從而使得抽樣之前較低的子頻帶頻率現在表現為200-400MHz的復制品的較高頻率。FFT裝置54包括用于在200-400MHz選擇復制品子頻帶頻譜的裝置以及倒置其頻譜以恢復其頻率分量的次序。
曲線圖(e)說明在800-1000MHz以733mhz的抽樣速率抽樣的第五子頻帶頻譜。該抽樣過程在67-267MHz產生頻譜的復制品而沒有任何倒置。FFT裝置55包括用于在133-333MHz選擇復制品子頻帶頻譜的裝置。
頻移裝置61-65被用來把每個選擇的子頻帶頻譜頻移到DC。對于該示例，正如圖5中所說明的，子頻帶2、3、4和5所需的頻移分別是200MHz、133MHz、200MHz、和67MHz。該頻移可以通過再標記頻譜分量的頻率而被實現。可選地，復制品子頻帶頻譜的倒置可以通過用頻移裝置而不是FFT裝置來執行。
通過在存儲裝置70中級聯被頻移的子頻帶信號，接收信號在頻域中被重建。級聯處理在頻域中將第i個子頻帶信號，i＝2、N，頻移到相應的頻率fli，i＝2、N，其在圖5中被說明的示例中是200、400、600和800MHz。通過在存儲裝置70的輸出端被遞送的頻譜的草圖79，在圖3中說明了被重建的頻譜。FFT裝置51-55的分辨率取決于相應ADC41-45的抽樣速率；高抽樣速率產生比低抽樣速率更密集的頻率分量。因為每個FFT裝置51-55的分辨率不相等，所以被重建的頻譜的頻率分量不是均勻間隔的。這個不均勻性在重建頻譜的草圖79中沒有被說明。存儲在參考信號存儲器85中的參考信號被指定為與被重建頻譜相同的非均勻間隔的頻率值。用于執行IDFT到裝置90能夠用不均勻間隔的頻率值來操作。
參見說明本發明第二實施例的圖4，同樣的參考數字已經被用于與圖3中說明的實施例相同或類似的元件。圖4中元件的差別被描述如下。如果接收機將被用來接收在任何一個瞬時只占據一個子頻帶的信號，比如跳頻信號或啁啾信號，則可以使用圖4中說明的實施例。單個ADC 41、FFT裝置51和頻移裝置61被使用。隨后借助于第一換向(commutating)切換裝置100，單個ADC 41的輸入端被依次切換到濾波器組30的每個輸出，并且隨后借助于第二換向切換裝置101，單個頻移裝置61的輸出端被依次切換到每個存儲部分71-75。第一和第二換向切換裝置100、101的切換通過同步裝置(SYNC)99而被同步。子頻帶被被選擇用于處理的次序被預先決定以匹配傳輸信號的已知跳頻序列或已知啁啾方案(chirp profile)。時鐘產生器(CLK)98產生ADC41所需的抽樣速率以用于依次數字化每個子頻帶并且選擇切換裝置102通過同步裝置99被同步以選擇每個子頻帶所需的抽樣速率。圖4中的選擇切換裝置102提供用于在兩個抽樣速率之間選擇，但是可以提供任何所需的選擇數目。同步裝置99還被連接到FFT裝置51以同步適合于當前子頻帶信號的濾波和倒置功能的切換。
如果第一和第二換向切換裝置100、101的切換，選擇切換裝置102，和FFT裝置51的濾波和頻譜倒置沒有同步到在任何一個瞬時接收信號占據的子頻帶，則在一個換向周期之后存儲裝置70不會包括整套子頻帶信號從而接收信號不會完全地在存儲裝置70中被重建并且在輸出端95提供的互相關函數將呈現弱相關。輸出端95被連接到同步裝置99的輸入端，同步裝置99調整換向切換裝置100、101，選擇切換裝置102，以及FFT裝置51的濾波和倒置的相位，直到在輸出端95呈現最大相關。可選地，用于在每個子頻帶中檢測信號強度的裝置可以被包括來提供一個指示到同步裝置99以指示接收信號當前的頻率占用，從而幫助同步裝置99用接收信號來同步換向循環、選擇切換裝置102和FFT裝置51。
盡管本發明已經借助于無線接收機的示例被描述，但是本發明同樣適用于經由例如電線或光學的不同媒介接收信號的接收機。
盡管本發明已經借助于適用于接收寬帶或超寬帶信號的接收機示例被描述，但是本發明也可以被用于接收具有窄帶寬的信號。
可選地，不同于在此描述的解調過程可以被應用于解調被數字化的接收信號。
可選地，接收機可以包括省電方案，其中，一部分或所有的接收機元件采用省電模式并且每隔一段時間被激活來接收信號。例如，如果接收機將被用來接收忙閑度小于一的信號，則ADC組也可以用小于一的忙閑度來操作，只在信號期望存在的期間抽樣。
在本說明書和權利要求書中，元件前的單詞“一個”不排除多個這類元件的存在。此外，單詞“包括”不排除在那些被列出之外的其它元件或步驟的存在。
通過閱讀本公開內容，其它修改對所屬領域技術人員將是顯而易見的。這類修改可以包括其它在信號接收機的設計、制造和使用中所已知的特征，并且可以代替在此描述的特征或除了在此描述的特征之外被使用。
權利要求
1.一種信號接收機，包括用于把接收信號數字化的數字化裝置和用于提取數字化接收信號的信息內容的解調裝置(80、85、90、96)，其中，數字化裝置包括濾波裝置(30)，用于把接收信號分成多個頻率子頻帶，模數轉換裝置(41、45)，用于把每個子頻帶中的信號數字化，變換裝置(51-55)，用于把每個子頻帶中的數字化信號變換到頻率域中，和重建裝置(51-55、61-65、70)，用于在頻域中級聯每個子頻帶中的數字化信號從而重建接收信號的頻譜。
2.權利要求2的接收機，其中，重建裝置(51-55、61-65、70)在一個比接收信號在被分成子頻帶之前的頻譜頻率低的頻率重建接收信號的頻譜。
3.權利要求1或2的接收機，其中，模數轉換裝置(41-45)包括用于以范圍2fuiri≤fsi≤2fliri-1]]>中的抽樣頻率fsi抽樣第i個子頻帶中信號的裝置，其中，fui是子頻帶的頻率上限和fli是第i個子頻帶的頻率下限，以及ri是滿足不等式1≤ri≤int{fuifui-fli}]]>的一個整數。
4.權利要求3的接收機，其中，模數轉換裝置(41-45)包括用于以公共抽樣速率抽樣多個子頻帶中的信號的裝置。
5.權利要求3的接收機，其中，模數轉換裝置(41-45)包括用于以第一抽樣速率抽樣子頻帶的第一子集中的信號，以第二抽樣速率抽樣子頻帶的第二子集中的信號的裝置，其中，相鄰子頻帶中的信號以不相等的抽樣速率被抽樣。
6.權利要求4或5的接收機，其中，具有公共抽樣速率的多個子頻帶具有公共帶寬。
7.權利要求1到6中任何一個的接收機，其中，模數轉換裝置包括用于按順序數字化多個子頻帶的裝置41。
8.權利要求7的接收機，其中，變換裝置包括用于按順序變換多個子頻帶中的數字化信號的裝置(51)。
9.權利要求1到8中任何一個的接收機，其中，重建裝置包括用于選擇子頻帶信號的復制品頻譜的裝置(51-55)，和用于如果復制品頻譜被倒置，則再倒置復制品頻譜的裝置(51-55或61-65)。
10.權利要求1到9中任何一個的接收機，其中，解調裝置包括用于在頻域中以非均勻間隔的頻率用重建的接收信號乘以參考信號的裝置(80)。
11.權利要求1到9中任何一個的接收機，包括在數字化裝置之前的下變頻裝置，用于把接收信號從發射頻率下變頻到較低頻率。
全文摘要
一種信號接收機，適用于數字化具有寬帶寬的信號，其包括濾波器組(30)，用于把接收信號分成多個頻率子頻帶；用于用低抽樣速率來數字化每個子頻帶的裝置(41－45)；用于把每個數字化的子頻帶信號變換成頻率域的裝置(51)；用于級聯頻率域子頻帶信號以重建接收信號的頻譜的裝置(61－65、70)。對于在任何一個瞬時只占據一個子頻帶的信號，例如跳頻信號或啁啾信號，可以用單個模數轉換器依次數字化每個子頻帶，并且到頻率域的變換可以對每個子頻帶依次執行。
文檔編號H04B1/713GK1663137SQ03814666
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月12日 優先權日2002年6月25日
發明者M·S·維爾科克期 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司