专利名称：使用△－∑调制器接收频率信号的接收机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于接收频率信号的接收机，涉及包括用于接收频率信号的接收机和发射机的系统，涉及接收机中使用的调制/滤波级，并且涉及用于接收频率信号的方法和处理器程序产品。
所述频率信号包括诸如调制后的射频信号或者调制后的中频信号等。这样的接收机的例子是用于如局域网的无线网络的接口、蓝牙接口和欧洲数字无绳通信接口等。这样的系统的例子是局域网终端、蓝牙终端、欧洲数字无绳通信终端、移动电话、音频/视频终端等。
现有技术的接收机从US 2002/0123319 A1中已知，其在图8中公开了天线(801)和两个各包括混频器(840)的分支，作为用于下述奈奎斯特(Nyquist)模数(AD)变换器的抗混淆滤波器的模拟滤波器(870)，由DC误差信号生成块(901)和数模变换器(925)组成的DC控制环，以及抽样器(910)，仅显示了其中一个分支。由于图像频率的高抑制，两个分支需要高匹配。除非在奈奎斯特直流消除环中的模数变换器的精度大幅度提高(通过为邻近信道上的信号所需的附加动态范围引入许多额外比特)并且模数变换器的采样频率和抗混淆滤波器的带宽比发送信号的带宽高得多，否则，对期望信道所在频带的滤波不能在数字域进行。这增加了功率消耗。此外，直流消除环没有将量化噪声整形到期望信道所在频带之外。
其中由于没有将量化噪声整形到期望信道所在频带之外，已知的接收机是不利的。
本发明的其中一个目的是提供一种接收机，该接收机将量化噪声整形到期望信道所在频带之外。
本发明的其中另外的目的是提供一种系统，该系统包括将量化噪声整形到期望信道所在频带之外的接收机和发射机；在将量化噪声整形到期望信道所在频带之外的接收机中使用的调制/滤波级；以及一种方法和处理器程序产品，用于接收频率信号同时将量化噪声整形到期望信道所在频带之外。
根据本发明的接收机包括-接收级，用于接收频率信号；-混频级，其连接到接收级，用于生成变频信号；-调制级，其连接到混频级，用于对变频信号进行Δ-∑(delta-sigma)调制；-滤波级，其连接到调制级，用于对Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
通过在混频级和滤波级之间引入用于对变频信号进行Δ-∑调制的调制级，量化噪声被整形到期望信道所在频带之外。此外，与包括嵌入在直流消除环中的奈奎斯特AD变换器的接收机相比，本发明的通过反馈环进行Δ-∑调制的接收机较不苛刻，这是由于那些嵌入在直流消除环中的奈奎斯特AD变换器仅反馈信号的直流分量而不反馈量化后的信号。当进行Δ-∑调制时，不是反馈直流分量，而是反馈量化后的信号。混频级将频率信号变换成变频信号，例如所述频率信号是射频信号，所述变频信号是中频信号或者基带信号，或者，例如所述频率信号是射频信号或者中频信号，所述变频信号是基带信号等。
根据本发明的接收机的第一实施例由包括Δ-∑调制器的调制级定义，该Δ-∑调制器包括-低通滤波器；-量化器，其连接到低通滤波器；以及-数模变换器，用于将量化器的输出反馈到低通滤波器的输入。
该Δ-∑调制器例如还包括减法器，用于从输入信号中减去数模变换器的输出信号，并生成提供给低通滤波器输入端的输出信号。采样器(该Δ-∑调制器需要相对较高的过采样因子)或者位于低通滤波器和量化器之间，或者构成量化器的一部分。量化器和数模变换器无需具有嵌入在直流消除环中的奈奎斯特AD变换器的高精度(仅使用少数比特)，这导致低功率消耗。与奈奎斯特AD变换器概念的抗混淆滤波器的匹配规则相比，低通滤波器的匹配规则的实现容易得多。由于该滤波器是该环路的一部分，所以仅需要处理差信号。尤其是在期望信号所在的频带内，这些差信号很小。这简化了该频带内的动态范围需求，使得I和Q支路之间的更高匹配的实现容易得多。此外，数模变换器比模数变换器更容易制作。
根据本发明的接收机的第二实施例由包括时间连续滤波器的低通滤波器定义。结果，嵌入直流消除环中的奈奎斯特AD变换器中存在的任何抗混淆滤波都不再需要。这是一个优点，因为在不同分支之间抗混淆滤波器很难匹配。
根据本发明的接收机的第三个实施例由还包括以下的接收机定义-另一混频级，其连接到滤波级，用于生成基带信号；以及-另一滤波级，其连接到该另一混频级，用于对基带信号进行信道选择性滤波。
在这种情况下，频率信号是射频信号，变频信号是中频信号。优选地，该另一滤波级是数字级，并且进一步优选地，该另一混频级也是数字级。与模拟形式相比，数字级更容易制造，提供了更多的选择，并且不依赖于模拟部件的精度变化。
根据本发明的接收机的第四个实施例由包括混频器的混频级和包括Δ-∑调制器的调制级定义。该实施例具有最低的复杂度。
根据本发明的接收机的第五个实施例由包括用于生成同相信号的第一混频器和用于生成正交信号的第二混频器的混频级和包括用于对同相信号进行Δ-∑调制的第一Δ-∑调制器和用于对正交信号进行Δ-∑调制的第二Δ-∑调制器的调制级定义。该实施例允许使用同相和正交信号。
根据本发明的系统包括发射机和接收机，该接收机包括-接收级，用于接收频率信号；
-混频级，其连接到接收级，用于生成变频信号；-调制级，其连接到混频级，用于对变频信号进行Δ-∑调制；-滤波级，其连接到调制级，用于对Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
该发射机例如包括混频级和放大级。
接收机中使用的调制/滤波级，该接收机包括-接收级，用于接收频率信号；-混频级，其连接到接收级，用于生成变频信号；-该调制/滤波级包括调制级和滤波级，其中该调制级连接到混频级，用于对变频信号进行Δ-∑调制，该滤波级连接到调制级，用于对Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
例如，滤波级首先通过低通滤波将待滤波信号的带宽减小到fs/(2K)，其中，带宽定义为从0Hz到该信号的最大频率，fs是调制级的采样频率，K是抽样因子，其次再通过获取每第K个符号来减小信号的采样率。
根据本发明的系统的实施例、根据本发明的调制/滤波级的实施例、根据本发明的方法的实施例和根据本发明的处理器编程产品的实施例与本发明的接收机的实施例一致。
本发明基于的其中一个观点是，嵌入在直流消除环中的奈奎斯特AD变换器没有将量化噪声整形到期望信道所在频带之外，并且本发明基于的其中一个基本想法是，Δ-∑调制级将量化噪声整形到期望信道所在频带之外。
本发明解决的其中一个问题是提供了一种接收机，该接收机将量化噪声整形到期望信道所在频带之外，并且本发明其中一个优点是，根据本发明的接收机较不苛刻。
通过下文中描述的实施例阐明本发明的这些和其它方面，并且本发明的这些和其它方面将显而易见。
在图中
图1以方框图的形式说明了根据本发明的接收机，该接收机包括根据本发明的具有一个Δ-∑调制器的调制/滤波级；图2以方框图的形式说明了根据本发明的接收机，该接收机包括根据本发明的具有两个用于对同相和正交信号进行Δ-∑调制的Δ-∑调制器的调制/滤波级；图3以方框图的形式说明了在根据本发明的接收机中使用的Δ-∑调制器；图4以方框图的形式说明了根据本发明的一个系统，该系统包括根据本发明的接收机和发射机；以及图5以方框图的形式说明了根据本发明的配备了时间控制环的接收机的一部分。
图1中所示的根据本发明的接收机1，例如用于如局域网的无线网络的接口、蓝牙接口或者欧洲数字无绳通信接口，包括用于经由天线9接收射频信号的接收级2。用于生成中频信号的混频级3连接到接收级2。用于对中频信号进行Δ-∑调制的调制级4连接到混频级3。用于对Δ-∑调制后的中频信号进行滤波的滤波级5连接到调制级4。用于生成基带信号的另一混频级6连接到滤波级5，用于对基带信号进行信道选择性滤波的另一滤波级7连接到该另一混频级6。变换和处理级8连接到该另一滤波级7并且生成信息符号。
接收级2例如包括天线滤波器和低噪声放大器。混频级3包括混频器32，该混频器32连接到例如包括压控振荡器和/或锁相环的振荡器31。调制级4包括Δ-∑调制器41。滤波级5例如包括用于将待滤波信号的带宽减小到fs/(2K)的抽样器，其中fs是调制级4的采样频率，K是抽样因子，然后通过获取每第K个符号来减小信号的采样率。另一混频级6包括混频器62，该混频器62连接到例如包括压控振荡器和/或锁相环的振荡器61。另一滤波级7包括信道选择性滤波器71。变换和处理级8例如包括变换器和非相干接收单元，该非相干接收单元包括微分器和均衡器。调制级4和滤波级5一起组成调制/滤波级10。
图2中所示的根据本发明的接收机11，例如用于如局域网的无线网络的接口、蓝牙接口或者欧洲数字无绳通信接口等，包括用于经由天线19接收射频信号的接收级12。用于生成中频信号的混频级13连接到接收级12。用于对中频信号进行Δ-∑调制的调制级14连接到混频级13。用于对Δ-∑调制后的中频信号进行滤波的滤波级15连接到调制级14。用于生成基带信号的另一混频级16连接到滤波级15，用于对基带信号进行信道选择性滤波的另一滤波级17连接到该另一混频级16。变换和处理级18连接到该另一滤波级17并且生成信息符号。
接收级12例如包括天线滤波器和低噪声放大器。混频级13包括用于生成同相信号的第一混频器34和用于生成正交信号的第二混频器35，这两个混频器均连接到例如包括压控振荡器和/或锁相环的振荡器33。调制级14包括连接到第一混频器34的用于对同相信号进行Δ-∑调制的第一Δ-∑调制器42和连接到第二混频器35的用于对正交信号进行Δ-∑调制的第二Δ-∑调制器43。滤波级15例如包括用于将待滤波信号的带宽减小到fs/(2K)的抽样器，其中fs是调制级14的采样频率，K是抽样因子，然后通过获取每第K个符号来减小信号的采样率。另一混频级16包括第一混频器64和第二混频器65，这两个混频器均连接到例如包括压控振荡器和/或锁相环的振荡器63。另一滤波级17包括连接到第一混频器64的第一信道选择性滤波器72和连接到第二混频器65的第二信道选择性滤波器73。变换和处理级8例如包括变换器和包括微分器和均衡器的非相干高斯频移键控接收单元，或者相移键控或正交调幅解调单元，或者相干高斯最小位移键控解调单元。调制级14和滤波级15一起组成调制/滤波级20。
通过在混频级3、13和滤波级5、15之间引入用于对中频信号进行Δ-∑调制的调制级4、14，量化噪声被整形到期望信道所在频带之外。与包括如US 2002/0123319 A1中所定义的奈奎斯特直流消除环的现有技术接收机相比，通过反馈环完成Δ-∑调制的接收机1、11较不苛刻，这是由于这些奈奎斯特直流消除环仅反馈信号的直流分量而不反馈整个信号。当进行Δ-∑调制时，不是反馈直流分量而是反馈整个信号。作为应用两个混频级3、6、13、16的替换，可以应用一个混频级，该混频级包括两个混频级或者其中之一。优选地，另一滤波级7、17是数字级，并且进一步优选地，另一混频级6、16也是数字级。现在，自动增益控制(未示出)也可以在数字域中有利地进行。
图3中所示的Δ-∑调制级90与图1和图2中所示的Δ-∑调制器41、42、43一致，并且包括低通滤波器91、经由采样频率为fs的采样器94连接到低通滤波器91的量化器92、以及经由减法器95将量化器92的输出反馈回低通滤波器91输入端的数模变换器93。减法器95从来自混频器32、34、35的输入信号中减去数模变换器93的输出信号，并且生成要提供给低通滤波器91输入端的输出信号。采样器94(Δ-∑调制器90需要相对较高的过采样因子)或者可以形成量化器92的一部分。量化器92和数模变换器93无需具有嵌入在直流消除环中的现有技术奈奎斯特模数变换器中所具有的模数变换器的高精度(仅使用少数比特)，这导致低功率消耗。
优选地，低通滤波器91包括时间连续滤波器。结果，在嵌入直流消除环的现有技术奈奎斯特AD变换器中存在的任何抗混淆滤波都不再需要。这是有利的，因为由于需要更高动态范围而匹配抗混淆滤波器是困难的。
根据本发明的系统100，例如局域网终端、蓝牙终端、欧洲数字无绳通信终端、移动电话、音频/视频终端等，包括发射机101和接收机1(或者11)。天线9(或者19)连接到双工机102的输入/输出，双工机102的输出连接到接收机1，输入连接到发射机101。接收机1的输出连接到人机接口104或mmi(man-machine-interface)104的输入，并且发射机101的输入连接到mmi 104的输出。处理器103连接到接收机1、发射机101、双工机102和用于控制的mmi 104。或者，可以使用开关等代替双工机102。又或者，接收机1和发射机101可以使用它们各自独立的天线，而不使用双工机102或开关。mmi 104例如包括显示器和/或键盘和/或扩音器和/或麦克风等。
图5中所示的根据本发明的接收机1(或者11)的一部分包括滤波级5(或者15)、另一混频级6(或者16)、另一滤波级7(或者17)以及变换和处理级8(或者18)。该部分接收机1(或者11)的配备了用于首先进行过零检测其次进行采样时间误差检测的检测器21，并且配备了时间控制环22、23，时间控制环22、23包括连接到检测器21输出端的环路滤波器22以及连接到环路滤波器22输出端和滤波级5(或者15)输入端的量化器23。
滤波级5(或者15)包括用于对由调制级4(或者14)生成的输出信号进行滤波的低通滤波器51和由量化器23生成的输出信号控制的用于对由低通滤波器51生成的输出信号进行抽样的抽样器52。仅示出了一个组合51、52，可以有两个或者多个组合。环路滤波器22包括加法器201，加法器201的第一输入构成环路滤波器22的输入，并且其输出连接到z-1块202的输入，z-1块202的输出连接到加法器201的第二输入和增益块203的输入，增益块203的输出构成环路滤波器22的输出。
在高斯频移键控情况下，变换和处理级8(或者18)计算由另一滤波级7(或者17)生成的输入信号的相位和相位的导数，并且可选地进行均衡。检测器21在由变换和处理级8(或者18)生成的输出信号内进行过零检测和采样时间误差检测。环路滤波器22平均这些采样时间误差。此外，环路滤波器22的转移函数是H(z)＝g·z/(z-1)，其中g是由增益块203生成的增益。增益g必须使得该时间控制环是稳定和收敛的。优选地，调节增益g使得对于粗估计增益g具有较大值(快但是较不精确环路)，并且对于更加精确的估计增益g具有较小值(慢但是更加精确环路)。量化器23将环路滤波器22的输出信号量化成从1到K范围内的值，其中，1与采样误差-T/(2K)相对应，K与采样误差T(0.5-1/K)相对应。如果环路滤波器22的输出信号大于T(0.5-1/K)或者小于-T/(2K)，则量化器23必须采取绕回处理而不是剪切处理(在绕回处理的情况下，当超出最大值时，量化器从最小值继续，反之亦然)。抽样器52例如包括多路复用器，该多路复用器具有K个输入端，用于接收由低通滤波器51生成的输出信号的并发采样。这些采样点相互间隔1/fs(采样频率fs)。响应于由量化器23生成的具有值1...K的输出信号，选择多路复用器的相应输入并且将其耦合到多路复用器的输出，从而产生频率为fs/K的输出信号。由于在Δ-∑调制器输出中可以得到高时间分辨率，所以利用时间控制环22、23可以数字地跟踪最佳采样时间，而不需要用于在采样点间进行内插的复杂附加硬件。
不排除其它的滤波级5(或者15)，该其它的滤波级5(或者15)例如包括低通滤波器、抽样器和另一低通滤波器。在另一种情况下，如高斯最小位移键控情况的相移键控情况或者正交调幅情况，变换和处理级8(或者18)的内容在不脱离本发明范围的情况下可能不同。
例如“对于A”和“对于B”中的措辞“对于”不排除其它“对于C”的功能也同时或者不同时进行。措辞“X连接到Y”、“X和Y之间的连接”以及“连接X和Y”等不排除在X和Y之间有一个元素Z。措辞“P包括Q”和“包括Q的P”等不排除也包括/包含元素R。
应该注意，上述的实施例说明而不是限制本发明，并且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求范围的情况下，设计出许多可替换的实施例。在权利要求中，任何圆括号内的参考标记不应该解释成限制权利要求。使用动词“包括”和其组合不排除权利要求中声明的那些元素或步骤之外的元素或步骤。元素之前的冠词“一个”不排除出现多个这样的元素。本发明可以通过包括几个相异元素的硬件的方式实现，也可以通过恰当编程后的计算机的方式实现。在列举了一些模块的装置权利要求中，这些模块中的一些可以通过同一个硬件具体实现。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施这一事实不说明不能使用这些措施的组合获得好处。
本发明基于的其中一个观点是，奈奎斯特直流消除环没有将量化噪声整形到期望信道所在频带之外，并且本发明基于的其中一个基本想法是，Δ-∑调制级将量化噪声整形到期望信道所在频带之外。
本发明解决的其中一个问题是提供了一种接收机，该接收机将量化噪声整形到期望信道所在频带之外，并且本发明其中一个优点是，根据本发明的接收机较不苛刻。
权利要求
1.接收机(1、11)，包括-接收级(2、12)，用于接收频率信号；-混频级(3、13)，其连接到所述接收级(2、12)，用于生成变频信号；-调制级(4、14)，其连接到所述混频级(3、13)，用于对所述变频信号进行Δ-∑调制；-滤波级(5、15)，其连接到所述调制级(4、14)，用于对所述Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
2.如权利要求1所定义的接收机(1、11)，其中，所述调制级(4、14)包括Δ-∑调制器(41、42、43、90)，所述Δ-∑调制器(41、42、43、90)包括-低通滤波器(91)；-量化器(92)，其连接到所述低通滤波器(91)；以及-数模变换器(93)，用于将所述量化器(92)的输出反馈到所述低通滤波器(91)的输入。
3.如权利要求2所定义的接收机(1、11)，其中，所述低通滤波器(91)包括时间连续滤波器。
4.如权利要求1所定义的接收机(1、11)，还包括-另一混频级(6、16)，其连接到所述滤波级(5、15)，用于生成基带信号；以及-另一滤波级(7、17)，其连接到所述另一混频级(6、16)，用于对所述基带信号进行信道选择性滤波。
5.如权利要求1所定义的接收机(1)，其中，所述混频级(3)包括混频器(32)，并且所述调制级包括Δ-∑调制器(41)。
6.如权利要求1所定义的接收机(11)，其中，所述混频级(13)包括用于生成同相信号的第一混频器(34)和用于生成正交信号的第二混频器(35)，并且所述调制级(14)包括用于对所述同相信号进行Δ-∑调制的第一Δ-∑调制器(42)和用于对所述正交信号进行Δ-∑调制的第二Δ-∑调制器(43)。
7.包括发射机(101)和接收机(1、11)的系统(100)，所述接收机(1、11)包括-接收级(2、12)，用于接收频率信号；-混频级(3、13)，其连接到所述接收级(2、12)，用于生成变频信号；-调制级(4、14)，其连接到所述混频级(3、13)，用于对所述变频信号进行Δ-∑调制；-滤波级(5、15)，其连接到所述调制级(4、14)，用于对所述Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
8.接收机(1、11)中使用的调制/滤波级(10、20)，所述接收机(1、11)包括-接收级(2、12)，用于接收频率信号；-混频级(3、13)，其连接到所述接收级(2、12)，用于生成变频信号；-所述调制/滤波级(10、20)包括调制级(4、14)和滤波级(5、15)，其中所述调制级(4、14)连接到所述混频级(3、13)，用于对所述变频信号进行Δ-∑调制，所述滤波级(5、15)连接到所述调制级(4、14)，用于对所述Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
9.用于接收频率信号的方法，包括以下步骤-生成变频信号；-对所述变频信号进行Δ-∑调制；以及-对所述Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
10.用于接收频率信号的处理器程序产品，包括以下功能-生成变频信号；-对所述变频信号进行Δ-∑调制；以及-对所述Δ-∑调制后的变频信号进行滤波。
全文摘要
用于接收射频信号的接收机(1、11)在混频级(3、13)和滤波级(5、15)之间配备了用于对中频信号进行△－∑调制的调制级(4、14)，以将量化噪声整形到期望信道所在频带之外。调制级(4、14)包括△－∑调制器(41、42、43、90)，其包括低通滤波器(91)、量化器(92)和具有低分辨率并因此具有低功耗的数模变换器(93)。由于通过反馈环实现△－∑调制，所以接收机(1、11)变得较不苛刻。低通滤波器(91)包括时间连续滤波器，以避免抗混淆滤波。该接收机还包括连接到滤波级(5、15)的用于生成基带信号的另一数字混频级(6、16)和连接到该另一混频级(6、16)的用于对基带信号进行信道选择性滤波的另一数字滤波级(7、17)。
文档编号H04B1/28GK1820419SQ200480019601
公开日2006年8月16日 申请日期2004年7月1日 优先权日2003年7月10日
发明者贡纳尔·韦茨勒, 多米尼克斯·M·W·利纳尔特斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司