使用雙工前端的有源分路器裝置和方法

2023-08-13 09:00:51 3

專利名稱：使用雙工前端的有源分路器裝置和方法
技術領域：
本發明涉及射頻通信，更具體地，涉及用於分路射頻信息信號的裝置 和方法。
背景技術：
射頻(RF)通信在最近幾年應用廣泛，許多RF信號源在美國和其他 國家的許多區域產生了擁塞信號(congested signal)環境。同時，數字通 信技術的出現對接收的信號的特性提出了更嚴格的要求，例如在噪聲、靈 敏度和動態範圍等方面。例如，數位電視就是這種數字通信技術之一，其 接收器需要特定的信號特徵。
隨著數位電視日益普遍，用戶需要其性能和便利性更為改善，從而才 能與從模擬電視設備到數位電視設備的轉換所需巨大投資相稱。例如，用 戶可能會希望能夠隨意地不受幹擾地接收電視信號，並且能夠方便地引入 另外的部件，例如機頂盒(STB)裝置、個人錄像機(PVR)、高清(HD) 接收器等。
性能要求和擁塞的組合給希望增強用戶使用方便性的電子設備生產 商造成了重要的問題。例如，用戶通常希望使用多個能夠接收電視信號的 裝置，例如一個和多個電視機、個人錄像機(PVR)、視頻播放接收器 (video-ready receiver)等。由於許多用戶只擁有一個天線或者其他接收裝 置，因此需要一個裝置來分路信號同時不能使信號特徵劣化至閾值要求水平之下。
傳統的信號分路方案著眼於輸入信號的功率放大。當給定功率的輸入 信號被分路為兩個結果信號，兩個結果信號中的每一個都可以具有不大於 原始輸入信號一半的功率。分路器輸出的功率減小即為通常所說的插入損 耗。如果使用放大器在分路之前增加輸入信號的功率，兩個結果信號中的 每一個也相應地具有增加的功率，從而減小或者消除由分路造成的插入損 耗。
圖l示出了這種類型的典型傳統分路器(sphtter)。來自分路器輸入101 的輸入信號由放大器102放大，然後進入變換器或者平衡-非平衡轉換器 (transformer or balun) 103。變換器或者平衡-非平衡轉換器103採用眾所 周知的電路結構，其一般採用相鄰的線圈來產生兩個結果信號，所述信號 耦合至各自的分路器輸出104和105。
圖l所示類型的傳統分路器在實際應用中具有幾個缺點。例如，放大 器102在輸入信號的整個頻率範圍上增加信號增益。這种放大增加了互調 失真效應劣化或者阻止輸入信號的接收的危險。互調失真效應與信號之間 的幹擾有關，有時會導致在有關頻帶中出現不需要的信號。例如，當頻率 為fl的第一信號與頻率為G的第二信號發生幹擾時，在頻率。二fl+f2和f4 二fl—f2會出現二階互調失真，在頻率f5二2Xfl + f2、傷二2Xfl—f2、 f7 二2Xf2 + fl和f8二2Xf2 — fl會出現三階互調失真，高階互調失真效應類似 地發生。
通過使用微分電路、特殊放大器和其他精心選擇的器件可以使互調失 真的負面效果最小化。但是，這種類型的器件價格相對較昂貴，極大地增加了複雜性並且使成本增加到超出實際應用可以承受的限度。
因此，很需要提供一種分路RF信號的裝置和方法來減小或者克服插入 損耗並同時避免互調失真效應。還希望提供一種裝置和方法，其能夠在緊 迫的地面信號環境下在數位電視系統中工作，以較低成本產生具有可以接 收的噪聲、靈敏度和動態範圍性能的信號。

發明內容
本發明涉及一種用於有源地分路RF信號的方法和裝置。具體地，所述 方法包括分離(separating)至少一個RF信號以產生包括第一組頻率的第 一信號和包括第二組頻率的第二信號。所述第一信號被放大以產生放大的 第一信號。所述第二信號被放大以產生放大的第二信號。所述放大的第一 信號和放大的第二信號被合路(combined)以產生重組信號(recombined signal)，所述重組信號包括基本上包括含第一組頻率和第二組頻率的第 三組頻率。所述重組信號被分頻以產生基本上包含第三組頻率的第一輸出 信號和基本上包含第三組頻率的第二輸出信號。
本發明的裝置涉及一種有源信號分路器(active signal splitter)，包括 用於接收至少一個輸入信號的信號分離器(signal separator)。所述信號分 離器具有用於傳送第一分離信號的第一輸出和用於傳送第二分離信號的 第二輸出。第一放大器被耦合以接收第一分離信號並具有用於傳送第一放 大分離信號的第一放大器輸出。第二放大器被耦合以接收第二分離信號並 具有用於傳送第二放大分離信號的第二放大器輸出。信號合路器(signal combiner)被耦合以接收所述第一和第二放大分離信號並具有用於傳送所 述重組信號的信號合路器輸出。信號分頻器(signal divider)被耦合以接收所述重組信號並具有用於傳送第一分路器輸出信號的第一信號分頻器 輸出和用於傳送第二分路器輸出信號的第二信號分頻器輸出。
所述信號分離器可以包括雙工器、雙工濾波器或其他用於將輸入信號 分離為不同頻率的第一和第二分離信號的裝置，在這種情況下所述信號合 路器可以包括雙工器、雙工濾波器或其他用於實現所述信號分離器的逆過
程的裝置。所述第一和第二放大器可以包括低噪聲放大器(LNA)，用於
增加信號增益並同時不過大地降低噪聲係數或靈敏度。所述信號分頻器可 以包括無源變換器或者平衡-非平衡轉換器。這些元件的組合在用於本發明 的結構中使用時，能夠基本上避免地面接收信號環境中的互調失真效應並 能夠以合理的成本製造。


圖l (現有技術)是說明本領域巳知的分路裝置的簡單框圖2是根據本發明的示例性有源分路器裝置的簡單框圖3是根據本發明另外實施例的示例性有源分路器裝置的簡單框和
圖4是根據本發明的分路信號的示例性方法的流程圖；和 圖5是根據採用本發明構建的有源分路器的示例性系統的框圖。
具體實施例方式
下面對於用於分路RF信號的裝置和方法的說明將有助於理解本發明 的特徵和優勢，其包括使用本領域公知的構建電子裝置和電路的傳統技術 來使該過程更簡便。在下面的描述中，術語"信號"包括單一頻率或者多個頻率上的模擬 或者數字信息，並且可以包括或者不包括編碼、調製、邊帶信息或者本領 域己知的信號或者波形的其他特徵。另外，當提到"接收器"、"發射器"、 "輸出"或者"輸入"時，前面的處理步驟也可以被使用以形成與這些特 徵相匹配的信號或者波形。
另外，對於下面說明的方法步驟，不需要有特別的次序，除非從邏輯 上而言需要前面步驟結果的那些步驟，例如第一和第二放大信號的重組從 邏輯上而言需要之前分離為第一和第二信號。否則，下面以示例性次序列 舉的步驟可以改變次序，例如數個放大步驟可以按照現有技術那樣重新安 排或者同時進行。
下面將參照附圖2對本發明的一個示例性實施例進行說明。雖然以來
源於地面的電視信號接收環境為例對本發明進行說明，顯然本發明也可以 被用於其他類型的射頻通信系統。與上述傳統方案不同，本發明的示例性
實施例能夠極大地減小互調失真效應，保持可接受的信號特徵，並降低成本。
附圖2示出了根據本發明一個方面的有源信號分路器(signal splitter) 200的簡化框圖。有源信號分路器200包括信號分離器(signalseparator)210、 第一放大器211、第二放大器212、信號合路器(signal combiner) 213和信 號分頻器(signal divider) 216。
信號分離器210可以是雙工器、雙工濾波器、復用器或者其他用於將 RF輸入信號分離為兩個或者多個子信號的器件，每個子信號都具有輸入信 號的子集頻率。例如，信號分離器210可用將輸入的地面電視信號分離為包括大於大約328.6MHz (艮卩UHF)頻率的第一子信號和包括小於大約 328.6MHz (即VHF)頻率的第二子信號。
第一放大器211和第二放大器212可以是低成本、低噪聲放大器，例如 本領域公知的利用超外差接收器的RF信號接收中常用的LNA。放大器211 和/或212優選應當物理上分離並且每一個可以構造為分別放大特定範圍的 頻率，例如UHF或者VHF頻率，並且基本上不產生三階互調失真效應。可 選擇地，放大器211和212可以共同位於單一封裝中，以與第二子信號分別 並獨立地放大第一子信號(例如，基本上不受由於UHF和VHF頻率的同時 放大而造成的互調失真的影響)。放大器211和212優選被構造以減小一個 或者多個特定信號特徵(例如噪聲係數、靈敏度和動態範圍)的劣化。由 放大器211和212提供的增益足以極大地減小或者克服由有源信號分路器 200施加給輸入RF信號的插入損耗。
信號合路器213可以是雙工器、雙工濾波器、復用器或者用以合路來 自放大器211和212的放大子信號的其他裝置。信號合路器213的結構可以 與信號分離器210相似並完成其逆作用。例如，示例性信號合路器213可以 用於合路包括UHF頻率的第一放大子信號和包括VHF頻率的第二放大子 信號以生成與原始RF輸入信號類似的包括UHF和VHF頻率的重組信號。可 選擇地，對於本領域普通技術人員顯而易見的是，信號合路器213可以用 來生成包括與原始RF輸入信號的頻率範圍不同頻率範圍但包括根據本發
明一個方面的第一和第二放大子信號的頻率的重組信號。
信號分頻器216可以是變換器、平衡-非平衡轉換器或者本領域公知的 用於將重組信號分為兩個分路器輸出信號的其他無源功率分路器。每個分路器輸出信號優選基本上包括所述重組信號的全部頻率並因此基本上包 括原始RF輸入信號的全部頻率。可選擇地，本領域普通技術人員顯而易見
的是，每個分路器輸出信號可以包括與原始輸入RF信號的頻率範圍不同的
頻率範圍，但是基本上包括根據本發明的所述重組信號的全部頻率。
在操作中，有源信號分路器200在輸入耦合器201接收RF輸入信號並在 輸出耦合器204和205傳送具有基本相同功率的兩個分路器輸出信號。因為 信號分離器210生成頻率分離的子信號，這兩個子信號分別在放大器211和 212放大，由在傳統分路器的放大過程中的二階互調失真造成的不良信號 條件不再存在，從而在本發明中得以避免。本領域普通技術人員可以理解， 在美國，VHR電視在54 — 217MHz運行，UHF電視在470 —801MHz運行。 相應地，在本發明的範圍之內，也可以使用其他"分路點"。
例如，對於包括211.25MHz的信道13 VHF和417.25MHz的信道14 UHF 的美國地面電視輸入信號而言，在圖l所述類型的傳統分路器適用的輸入 頻率的全部範圍上同時放大將在682.50MHz (即682.50MHz二211.25MHz 十417.25MHz)生成二階互調失真效應，其位於信道49UHF的頻率範圍內 (例如，信道49 UHF分配的頻率範圍是680MHz至686MHz),並因此可 能干擾或者阻礙信道49 UHF的接收。使用根據本發明的有源信號分路器 200，在第一放大器211中進行的UHF頻率放大與在第二放大器212中進行 的VHF頻率放大分別並獨立地進行，從而防止產生上述類型的二階互調失 真效應。對於本領域普通技術人員顯而易見的是，本發明的這些方面不局 限於將UHF頻率從VHF頻率中分離出來，許多不同頻率分離方案都可以被 選擇並獲得類似的有益效果。圖3示出了根據本發明一個方面的有源信號分路器300的可選實施例 的簡化框圖。有源信號分路器300包括信號分離器310、第一放大器311、 第二放大器312以及集成信號合路器和分頻器317。信號分離器310、第一 放大器311、第二放大器312可以與上述信號分離器210、第一放大器211、 第二放大器212分別相同或者相似，請參看附圖2中的有源信號分路器200。
集成信號合路器和分頻器317可以包括類似於集成封裝裡的信號合路 器213和信號分頻器216的離散元件。例如，集成信號合路器和分頻器317 可以包括雙工器、雙工濾波器、復用器或者用於合路來自放大器311和放 大器312的放大的分離信號的其他器件。集成信號合路器和分頻器317可以 包括結構上類似並且設計用於實現與信號分離器310相反作用的信號合路 器。例如， 一種示例性信號合路器和分頻器317可以被設計用於將包含UHF 頻率的第一放大子信號與包括VHF頻率的第二放大子信號合路以生成包 括UHF頻率和VHF頻率的重組信號。集成信號合路器和分頻器317可以是 變換器、平衡-非平衡轉換器或者本領域公知的用於將重組信號分為兩個分 路器輸出信號的其他無源功率分路器。每個分路器輸出信號基本上包括重 組信號的全部頻率。
可選擇地，集成信號合路器和分頻器317可以包括一個或者多個雙工 器/變換器電路。例如，集成信號合路器和分頻器317可以不生成隨後被用 於產生兩個分路器輸出信號的重組信號。再例如，集成信號合路器和分頻 器317可以產生多個重組信號，每個重組信號可以被用於生成單一分路器 輸出信號。
在操作中，有源信號分路器300在輸入耦合器301接收RF輸入信號並在輸出耦合器304和305傳送功率基本上相同的兩個分路器輸出信號。因為j言 號分離器310生成在單獨的放大器311和312分別放大的頻率分離的子信 號，因此根據本發明能夠消除由傳統分路器的放大過程中的二階互調失真 造成的不利信號條件。
圖4示出了根據本發明一個方面的有源分路RF信號的方法400的流程 圖。方法400包括分離步驟402、第一放大步驟403、第二放大步驟404、合 路步驟405和分頻步驟406。
方法400以步驟401開始並進入至步驟402,在步驟402中RF輸入信號被 分離為第一和第二子信號。第一子信號包括"較高"頻率組(即大於指定 分離頻率的頻率)。第二子信號包括"較低"頻率組(即小於指定分離頻 率的頻率)。可以理解，指定分離頻率無須局限於單一頻率，而是可以包 括一個頻率範圍，從而較高頻率組包括高於範圍上限的頻率，較低頻率組 包括低於範圍下限的頻率。
在步驟403，使用第一低噪聲放大器放大第一子信號。在步驟404，使 用第二低噪聲放大器放大第二子信號，該放大操作獨立於第一低噪聲放大 器進行的放大操作。第一和第二低噪聲放大器可以是與參照附圖2說明的 放大器211和/或212類似的低成本、低噪聲放大器，例如本領域公知的利用 超外差接收器的RF信號接收中常用的LNA。第一和第二低噪聲放大器每個 都可以被設計來分別放大特定範圍的頻率，例如UHF或VHF頻率，而不生 成三階互調失真效應。第一和第二低噪聲放大器每個都優選被設計用於使 一個或多個特定信號特徵(例如噪聲係數、靈敏度和動態範圍)的劣化最 小化。由第一和第二低噪聲放大器提供的增益應當足以極大地降低或者克服在方法400過程中施加在RF輸入信號上的插入損耗。
在步驟405，來自第一低噪聲放大器的第一放大子信號與來自第二低 噪聲放大器的第二子信號合路以生成重組信號。該重組信號優選包括基本 上包括第一子信號的"較高"頻率和第二子信號的"較低"頻率的頻率範 圍，與RF輸入信號類似。可選擇地，本領域普通技術人員可以理解，所述 重組信號可以包括與原始RF輸入信號的頻率範圍不同的頻率範圍，但是包 括根據本發明的第一和第二放大子信號的頻率。
在步驟406中，重組信號被分為具有基本上相同的功率的第一和第二 分路器輸出信號。可以使用變換器、平衡-非平衡轉換器或者本領域公知的 用於將重組信號分為兩個分路器輸出信號的其他無源功率分路器實現步 驟406。每個分路器輸出信號優選基本上包括重組信號的全部頻率，因此 基本上包括原始RF輸入信號的全部頻率。可選擇地，本領域普通技術人員 可以理解，每個分路器輸出信號可以包括與原始RF輸入信號的頻率範圍不 同的頻率範圍，但基本上包括根據本發明一個方面的重組信號的全部頻 率。所述方法隨後進入步驟407，在該步驟該方法結束，直至另外一個RF 輸入信號需要分路。
利用根據本發明一個方面的有源分路器方案的電視接收系統示於圖 5。電視接收系統500包括天線510、至少一個有源信號分路器和電視調諧 器530、 540。天線510例如可以是用於接收地面或者空中下載電視信號的 傳統屋頂天線，其使用連接器511耦合至有源信號分路器520。當然，顯而 易見的是，天線510並不局限於此，並且可以包括設置於地平面上的一個 或多個天線，或者所述天線也可以被設計用於接收模擬或數字地面電視信號、衛星電視信號、有線電視信號或者其他希望接收的電視信號。天線510
可以包括放大器、前置放大器或者本領域公知的其他器件。連接器511可
以是同軸電纜、光纜、帶狀電纜、高速數據傳輸線或者本領域公知的其他
信號傳輸線。有源信號分路器520包括參照附圖2說明並根據本發明所述運 轉的信號分離器521、第一放大器522、第二放大器523、信號合路器524、 信號分頻器525。來自有源信號分路器520的分路器輸出信號分別通過調諧 器連接器531和541耦合至電視調諧器530和540。電視調諧器530和540可以 包括寬屏電視調諧器、具有集成調諧器的個人錄像機、機頂盒(STB)調 諧器、可以進行網際網路瀏覽的互動電視機以及需要信號分路的其他裝置。 如上面說明書以及附圖所述，本發明的方法和裝置提供了對於現有技 術中信號分路裝置和方法的改進。本發明提供了一種有源分離器，適於在 密集地面信號的環境下使用，其利用低成本部件並生成靈敏度、動態範圍 和噪聲係數性能滿足需要的分路器輸出信號。這些改進可以提供一種有源 分路器，其能夠降低或者克服插入損耗，同時避免互調失真效應。
雖然結合目前優選實施例對本發明進行了說明，但是可以理解本發明 並不局限於公開的實施例。而且，在本發明的原理和範圍之內，可以對本 發明進行修改以引入本說明書未說明的任何變化、改變、替換或者等同設 置。因此，本發明不應被視為由上述說明來限制，而是由所附權利要求的 範圍來限定。
權利要求
1. 一種處理頻帶中多個信號的方法(400)，包括將所述頻帶分離(402)為第一組頻率和第二組頻率；和放大(403)所述第一組頻率；放大(404)所述第二組頻率；合路(405)所述第一組頻率和第二組頻率以生成重組信號。
2. 根據權利要求l所述的方法(400)，還包括分頻所述重組信號以生 成包含第三組頻率的第一輸出信號和包含第四組頻率的第二輸出信號。
3. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中所述第一組頻率包括大於 大約328.6MHz的頻率，所述第二組頻率包括小於大約328.6MHz的頻率。
4. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中所述第一組頻率包括一個 或者多個UHF信道。
5. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中所述第二組頻率包括一個 或者多個VHF信道。
6. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中在所述分離步驟(402)採 用雙工濾波器。
7. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中在所述合路步驟(405)釆 用雙工濾波器。
8. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中所述分離步驟(402)採用 雙工器。
9. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中在所述合路步驟(405)採 用雙工器。
10. 根據權利要求1所述的方法(400)，其中所述分頻步驟(406)採用 無源變換器電路。
11. 根據權利要求l所述的方法(400)，其中所述至少一個RF信號包 括多個地面發源的RF信號。
12. —種裝置(200)，包括用於接收RF輸入信號的信號分離器(210)，所述信號分離器(210) 具有用於傳送第一分離信號的第一輸出和用於傳送第二分離信號的第二 輸出；第一放大器(211)，其被耦合以接收所述第一分離信號並具有用於傳 送第一放大分離信號的第一放大器輸出；第二放大器(212)，其被耦合以接收所述第二分離信號並具有用於傳 送第二放大分離信號的第二放大器輸出；和信號合路器(213)，其被耦合以接收所述第一放大分離信號和第二放 大分離信號，所述信號合路器(213)具有用於傳送所述重組信號的信號 合路器輸出。
13. 根據權利要求12所述的裝置(200)，還包括信號分頻器(216)，該 信號分頻器(216)被耦合以接收所述重組信號，並具有用於傳送第一分 路器輸出信號的第一信號分頻器輸出(204)和用於傳送第二分路器輸出 信號的第二信號分頻器輸出(205)。
14. 根據權利要求12所述的裝置(200)，其中所述信號分離器(210) 包括雙工濾波器。
15. 根據權利要求12所述的裝置(200)，其中所述信號合路器(213)包括雙工器。
16. 根據權利要求12所述的裝置(200)，其中所述信號分頻器(216) 包括變換器。
17. 根據權利要求12所述的裝置(200),其中所述信號分頻器(216) 包括平衡-非平衡轉換器。
18. 根據權利要求12所述的裝置(200)，其中所述第一信號分頻器輸 出(204)被耦合至第一調諧器，所述第一信號分頻器輸出(205)被耦合 至第二調諧器。
19. 根據權利要求12所述的裝置(200)，其中所述分路器(200)在用 於地面接收信號環境時具有可接受的互調失真性能。
20. —種電視信號處理系統(500)，包括(a) 天線(510);(b) 耦合至所述天線(510)的信號分路器(520),所述信號分路器 (520)具有第一分路器輸出和第二分路器輸出；(c) 耦合至所述第一分路器輸出的第一調諧器(530);(d) 耦合至所述第二分路器輸出的第二調諧器(530);(e) 其中所述信號分路器(520)包括用於從所述天線(510)接 收RF輸入信號的雙工濾波器(521)，所述雙工濾波器(521)具有用於傳 送較高頻率信號的第一雙工輸出和用於傳送較低頻率信號的第二雙工輸 出；第一低噪聲放大器(522)，其被耦合以接收所述較高頻率信號並具有 用於傳送放大的較高頻率信號的第一放大器輸出；第二低噪聲放大器(523)，其被耦合以接收所述較低頻率信號並具有用於傳送放大的較低頻率信號的第二放大器輸出；雙工器(524)，其被耦合以接收所述放大的較 高頻率信號和所述放大的較低頻率信號，所述雙工器(524)具有用於傳 送重組信號的重組輸出；和變換器(525)，其被耦合以接收所述重組信號， 所述變換器(525)在所述第一分路器輸出傳送第一分路器輸出信號，並 在所述第二分路器輸出傳送第二分路器輸出信號。
全文摘要
本發明提出了一種方法和裝置用於有源分路RF信號。具體地，RF信號被頻率分離(402)以生成包含第一組頻率的第一信號和包含第二組頻率的第二信號。第一和第二信號被獨立放大(403、404)以分別生成第一和第二放大信號。第一和第二放大信號隨後被合路(405)以生成包含第三組頻率的重組信號，所述第三組頻率基本上包含第一和第二組頻率。所述重組信號被分頻(406)以生成第一和第二分路器輸出信號，每個分路器輸出信號都包含第三組頻率。附圖4所述的方法(400)減小或者克服插入損耗，同時基本上避免了地面信號環境下的互調失真，其利用低成本的部件並產生靈敏度、動態範圍和噪聲係數符合要求的分路器輸出信號。
文檔編號H03F1/42GK101416384SQ200680054169
公開日2009年4月22日 申請日期2006年4月12日 優先權日2006年4月12日
發明者克林特·艾倫·埃科夫, 麥可·安東尼·普傑 申請人:湯姆遜許可公司