專利名稱：一種接收和解調(diào)無線信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接收和解調(diào)無線信號的方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著互補(bǔ)金屬氧化物(以下簡稱CMOS)工藝技術(shù)的迅速發(fā)展，片上系統(tǒng)(system-on-chip，以下簡稱SOC)以其低功耗、低成本和體積小等優(yōu)點(diǎn)正在成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)計的主流技術(shù)。其中射頻(radio frequency，以下簡稱RF)CMOS無線收發(fā)器作為SOC系統(tǒng)芯片的無線接口正在成為研究熱點(diǎn)，而為了使同一接收機(jī)滿足多種接收制式要求以適應(yīng)軟件定義的無線電系統(tǒng)的需要，研制可編程能力強(qiáng)的RF CMOS無線收發(fā)器也非常重要。
就現(xiàn)有的RF CMOS無線收發(fā)器而言，其中的無線接收都采用超外差方法。采用超外差方法的無線接收機(jī)主要分為中頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)和零中頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)。
傳統(tǒng)的中頻結(jié)構(gòu)無線接收機(jī)是非常適合采用分離元件實(shí)現(xiàn)的，因為中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)需要用中頻濾波器濾除中頻信號的鏡頻干擾，而中頻濾波器的濾波特性往往要求很高，因此需要品質(zhì)因數(shù)很高的電感和電容元件來實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的CMOS工藝很難實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的電抗元件，無論是CMOS電感還是電容其品質(zhì)因數(shù)都很低，無法滿足中頻結(jié)構(gòu)的濾波需求，這使得RF CMOS無線接收機(jī)的集成度無法進(jìn)一步提高；如果采用分離元件實(shí)現(xiàn)中頻濾波，不僅降低了RF CMOS無線接收機(jī)的集成度，而且由于片外元件的輸入阻抗很低，故需要很高的驅(qū)動電流，所以增加了電路的功耗。
為了提高RF CMOS無線接收機(jī)的集成度，現(xiàn)有的很多設(shè)計都采用零中頻結(jié)構(gòu)。零中頻接收機(jī)由于沒有中頻濾波器，所以可以提高RF CMOS無線接收機(jī)的集成度。雖然零中頻接收機(jī)取消了中頻濾波，但是電路結(jié)構(gòu)中需要兩路或多路特性嚴(yán)格對稱的信號通路，而且對稱性的好壞直接決定接收機(jī)的性能，而CMOS工藝能夠?qū)崿F(xiàn)的對稱程度有限，所以給電路的設(shè)計帶來了很大的困難；又由于零中頻接收機(jī)的本振信號頻率與射頻載波信號頻率相同，本振信號的泄露很容易造成混頻輸出信號的直流漂移，雖然可以通過后面的信號處理進(jìn)行漂移補(bǔ)償，但是增加了信號處理電路的復(fù)雜性和功耗。
通過上述分析可知，現(xiàn)有的RF CMOS無線接收機(jī)結(jié)構(gòu)存在如下問題(1)由于中頻結(jié)構(gòu)需要嚴(yán)格的中頻濾波，而CMOS工藝無法實(shí)現(xiàn)特性良好的電抗元件，所以采用中頻結(jié)構(gòu)使RF CMOS接收機(jī)的集成度受到限制；(2)如果中頻濾波器采用片外元件，且由于片外元件的輸入阻抗很低需要較大的驅(qū)動電流，所以電路的功耗大；(3)零中頻接收機(jī)需要兩路或多路特性嚴(yán)格對稱的信號通路，而且對稱性的好壞直接決定接收機(jī)的性能，給CMOS電路的設(shè)計帶來了很大的困難；(4)雖然零中頻結(jié)構(gòu)的接收機(jī)可以避開中頻濾波的問題，可以提高電路的集成度，但是由于自身結(jié)構(gòu)中存在的直流漂移問題，使后續(xù)的數(shù)字信號處理電路的復(fù)雜性和功耗都大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對以上現(xiàn)有無線接收機(jī)所采用的方法存在的問題，提出了一種接收和解調(diào)無線信號的方法，如圖1所示，具體過程如下首先把天線接收的無線信號進(jìn)行低噪聲放大，得到信號F，然后把F與頻率和無線信號載波頻率相同的兩路正交本振信號OI和OQ相乘，得到FI和FQ，如公式1和公式2所示，F(xiàn)·OI＝FI公式1F·OQ＝FQ公式2對FI和FQ進(jìn)行積分，得到TI和TQ，如公式3和公式4所示，TI＝∫FIdt 公式3TQ＝∫FQdt 公式4將積分后的結(jié)果TI和TQ進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，得到DI和DQ，在這里當(dāng)進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換時，其采樣周期為無線信號載波周期的大于1的正整數(shù)倍且不大于基帶調(diào)制信號的奈奎斯特采樣周期，即滿足公式5TD＝n·Tc≤TN公式5其中，TD為本發(fā)明中模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換周期，Tc為無線信號載波周期，TN為基帶調(diào)制信號的奈奎斯特采樣周期，n為大于1的正整數(shù)。最后將轉(zhuǎn)換后的兩路結(jié)果進(jìn)行如下的數(shù)字信號處理首先用每路當(dāng)前采樣值減去該路的前一個采樣值，得到兩路數(shù)字信號，當(dāng)進(jìn)行AM信號的接收時，首先把兩路數(shù)字信號求平方和，然后開方，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號；當(dāng)進(jìn)行PM信號接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號；當(dāng)進(jìn)行FM信號的接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，再將當(dāng)前反正切運(yùn)算結(jié)果減去上一個反正切運(yùn)算結(jié)果，得到的差值為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號。
本發(fā)明提出的方法的數(shù)學(xué)原理如下基帶信號對無線載波信號的調(diào)制方式有三種，即AM、PM和FM。當(dāng)對載波進(jìn)行AM調(diào)制后，無線載波信號的幅度按照基帶信號的變化規(guī)律變化；當(dāng)對載波進(jìn)行PM調(diào)制后，無線載波信號的相位按照基帶信號的變化規(guī)律變化；當(dāng)對載波進(jìn)行FM調(diào)制后，無線載波信號的頻率按照基帶信號的變化規(guī)律變化。無線信號的接收和解調(diào)的任務(wù)就是從經(jīng)過調(diào)制的無線載波信號中還原基帶信號。
假設(shè)f(t)為某個已經(jīng)調(diào)制了的射頻信號，如果把t0到t0+T1時間內(nèi)的波形做周期為T1的延拓得到f(t)T1，當(dāng)f(t)T1滿足狄義赫利條件時，它可以展成三角形式的傅立葉級數(shù)，即f(t)T=a0+a1cosw1t+b1sinw1t+a2cos2w1t+b2sin2w1t+...]]>+ancosnw1t+bnsinnw1t+...]]>=a0+Σn=1∞(ancosnw1t+bnsinnw1t)]]>公式6=a0+Σn=1∞cnsin(nw1t+θn)]]>其中直流分量a0=1T1∫t0t0+T1f(t)dt]]>公式7余弦分量的幅度an=2T1∫t0t0+T1f(t)cosnw1tdt]]>公式8正弦分量的幅度bn=2T1∫t0t0+T1f(t)sinnw1tdt]]>公式9模為cn=an2+bn2]]>公式10相位為θn=arctg(anbn)]]>公式11其中ω1=2π1T1,n=1,2,....]]>在上述公式中，令nω1＝2πfc，其中fc為載波信號頻率，則公式10中的Cn代表載波信號幅度，而公式11中的θn代表載波信號相位，換句話說Cn為載波信號幅度的采樣值，而θn為載波信號相位的采樣值。由于當(dāng)載波信號經(jīng)過AM調(diào)制后，載波信號的幅度與基帶信號為線性關(guān)系，所以只要Cn的采樣周期小于基帶信號的奈奎斯特采樣周期TN，即公式8和公式9中的T1小于TN，則Cn就是AM調(diào)制信號中基帶信號的不失真采樣值，也就是對AM信號的解調(diào)結(jié)果；又由于當(dāng)載波信號經(jīng)過PM調(diào)制后，載波信號的相位與基帶信號為線性關(guān)系，所以只要θn的采樣周期小于基帶信號的奈奎斯特采樣周期TN，即公式8和公式9中的T1小于TN，則θn就是PM調(diào)制信號中基帶信號的不失真采樣值，也就是對PM信號的解調(diào)結(jié)果。以上討論從數(shù)學(xué)的角度說明了本方法如何得到Cn和θn，以及如何通過Cn和θn解調(diào)AM和PM信號，下面討論如何通過θn解調(diào)FM信號。
首先討論FM信號載波相位與基帶調(diào)制信號的關(guān)系，然后再說明如何通過載波相位解調(diào)FM的基帶信號。
設(shè)m(t)為基帶調(diào)制信號，kf為頻偏系數(shù)，θ(t)為載波的相位，則調(diào)頻信號SFM(t)為SFM(t)=Accos[2πfct+θ(t)]=Accos[2πfct+2πkf∫-∞tm(η)dη]]]>公式12其中Ac為載波幅度，fc為載波頻率。從公式12可以看出，載波相位θ(t)為θ(t)=2πkf∫-∞tm(η)dη]]>公式13公式12說明調(diào)頻信號SFM(t)首先可以看作是載波相位隨θ(t)變化的PM信號，而其相位θ(t)與FM調(diào)制信號m(t)的關(guān)系由公式13決定，簡單表述為對θ(t)微分即得到m(t)。
通過上面對FM信號與PM信號之間關(guān)系的分析可知，在解調(diào)FM信號時，首先按照接收PM信號的方法得到FM信號載波的相位θn，然后對θn進(jìn)行微分運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果就是解調(diào)出的FM信號的基帶調(diào)制信號。
下面討論本發(fā)明方法與數(shù)學(xué)原理分析的對應(yīng)關(guān)系在本發(fā)明方法中，公式1和公式2分別對應(yīng)數(shù)學(xué)原理中公式8和公式9中積分號內(nèi)部的乘法運(yùn)算，其中公式1和公式2中的F對應(yīng)公式8和公式9中的f(t)，公式1和公式2中的正交本振信號OI和OQ對應(yīng)公式8和公式9中的cos(nω1t)和sin(nω1t)；公式3和公式4分別對應(yīng)數(shù)學(xué)原理中公式8和公式9中積分運(yùn)算，由于在公式8和公式9中，積分號前面的系數(shù)不影響解調(diào)結(jié)果，所以在公式3和公式4中不體現(xiàn)，而在公式8和公式9中定積分的積分區(qū)間則體現(xiàn)在對積分結(jié)果進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換后，在數(shù)字信號處理過程中首先進(jìn)行的用每路當(dāng)前采樣值減去該路的前一個采樣值，得到兩路數(shù)字信號過程中。
本發(fā)明方法當(dāng)進(jìn)行AM信號的接收時，首先把兩路數(shù)字信號求平方和，然后開方，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號。這種運(yùn)算得到數(shù)學(xué)原理中公式10的結(jié)果；當(dāng)進(jìn)行PM信號接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號。這種運(yùn)算得到數(shù)學(xué)原理中公式11的結(jié)果；當(dāng)進(jìn)行FM信號的接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，再將當(dāng)前反正切運(yùn)算結(jié)果減去上一個反正切運(yùn)算結(jié)果，得到的差值為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號。
該方法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)由于沒有混頻，所以不需要中頻濾波器，不需要品質(zhì)因數(shù)很高的電抗元件，有利于RF CMOS無線接收機(jī)提高集成度，同時降低了功耗；(2)電路的對稱性不直接決定接收性能，因此有利于CMOS電路的實(shí)現(xiàn)；(3)無直流漂移問題；(4)把本發(fā)明電路中的定積分器換成不定積分器，然后再把模數(shù)變換器的相鄰采樣值求差，只要采樣周期為T1，根據(jù)定積分的定義可知，這個差值就是定積分在T1期間的積分結(jié)果，因此本電路在實(shí)現(xiàn)時可以不用對積分器頻繁復(fù)位，大大簡化了電路的設(shè)計難度，同時也提高了計算的精度；(5)改變本振頻率并調(diào)整模數(shù)變換器的采樣周期T1，并配合相應(yīng)的數(shù)字信號處理程序就可以實(shí)現(xiàn)對任何調(diào)制方式無線接收和解調(diào)，因此本電路具有很強(qiáng)的軟件可編程能力，為軟件無線電接收機(jī)的設(shè)計提供的一種新的解決方案。


圖1為本發(fā)明提出的接收和解調(diào)無線信號方法的框圖。
具體實(shí)施例方式
假設(shè)無線信號的載波頻率為100MHz，即fc＝100MHz，則載波周期Tc為10-8S即Tc＝10-8S；并假設(shè)基帶調(diào)制信號的最高頻率分量為1KHz，則基帶調(diào)制信號的奈奎斯特采樣周期TN為5×10-4S，即TN＝5×10-4S。
對于上述應(yīng)用條件，可根據(jù)公式5確定模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換周期TD，即TD＝n·Tc≤TN，所以有公式14TD＝n·10-8≤5·10-4S公式14在這里取n＝5·104可得到TD＝5·10-4S滿足公式14。
由無線調(diào)制的原理可知，當(dāng)用最高頻率分量為1KHz的基帶調(diào)制信號對載波進(jìn)行AM調(diào)制后，載波的幅度與基帶調(diào)制信號為線性關(guān)系，因此若對AM調(diào)制后的載波幅度進(jìn)行采樣周期為TD＝5·10-4S的采樣，則可以不失真的恢復(fù)原始基帶調(diào)制信號；同理，若用上述基帶調(diào)制信號對載波進(jìn)行PM或FM調(diào)制，則載波的相位或頻率與基帶調(diào)制信號為線性關(guān)系，因此若對PM或FM調(diào)制后的載波相位或頻率進(jìn)行采樣周期為TD＝5·10-4S的采樣，則可以不失真的恢復(fù)原始基帶調(diào)制信號。
在確定了上述具體參數(shù)后，本方法的具體過程如下首先把天線接收的載波頻率為100MHz的無線信號進(jìn)行低噪聲放大，得到信號F，然后把F與頻率和無線信號載波頻率相同的兩路正交本振信號OI和OQ相乘，得到FI和FQ，然后對FI和FQ進(jìn)行積分，得到TI和TQ，將積分后的結(jié)果TI和TQ進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換周期為TD＝5·10-4S)，得到DI和DQ，然后將轉(zhuǎn)換后的兩路結(jié)果進(jìn)行如下的數(shù)字信號處理首先用每路當(dāng)前采樣值減去該路的前一個采樣值，得到兩路數(shù)字信號，當(dāng)進(jìn)行AM信號的接收時，首先把兩路數(shù)字信號求平方和，然后開方，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號；當(dāng)進(jìn)行PM信號接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號；當(dāng)進(jìn)行FM信號的接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，再將當(dāng)前反正切運(yùn)算結(jié)果減去上一個反正切運(yùn)算結(jié)果，得到的差值為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號。
權(quán)利要求
1.一種接收和解調(diào)無線信號的方法，其特征在于首先把天線接收的無線信號進(jìn)行低噪聲放大，然后把經(jīng)過低噪聲放大后的無線信號與頻率和無線信號載波頻率相同的兩路正交本振信號相乘，相乘的結(jié)果同時分別進(jìn)行積分，積分后的結(jié)果同時進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的采樣周期為無線信號載波周期的大于1的整數(shù)倍且不大于基帶調(diào)制信號的奈奎斯特采樣周期，最后將轉(zhuǎn)換后的兩路結(jié)果進(jìn)行如下的數(shù)字信號處理首先用每路當(dāng)前采樣值減去該路的前一個采樣值，得到兩路數(shù)字信號，當(dāng)進(jìn)行AM信號的接收時，首先把兩路數(shù)字信號求平方和，然后開方，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號；當(dāng)進(jìn)行PM信號接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，其結(jié)果為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號；當(dāng)進(jìn)行FM信號的接收時，首先在兩路數(shù)字信號中任意選擇一路固定為分母，另一路固定為分子，然后求出比值，再對比值進(jìn)行反正切運(yùn)算，再將當(dāng)前反正切運(yùn)算結(jié)果減去上一個反正切運(yùn)算結(jié)果，得到的差值為解調(diào)出的基帶調(diào)制信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種接收和解調(diào)無線信號的方法，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出的無線信號接收方法首先把天線接收的無線信號進(jìn)行低噪聲放大，然后把經(jīng)過低噪聲放大后的無線信號與頻率和無線信號載波頻率相同的兩路正交本振信號相乘，相乘的結(jié)果同時分別進(jìn)行積分，積分后的結(jié)果同時進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的兩路結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號處理解調(diào)出基帶調(diào)制信號。該方法不僅取消了傳統(tǒng)超外差接收方法特有的濾波問題，而且僅要兩條支路恢復(fù)傅立葉級數(shù)的系數(shù)，大大簡化了電路實(shí)現(xiàn)時的復(fù)雜程度，同時提高了無線接收機(jī)的集成度。
文檔編號H04L25/00GK1889556SQ20061008968
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月12日
發(fā)明者李金城, 衣法臻, 彭瓊, 李曉光 申請人:北京交通大學(xué)