用於寬帶信號生成的頻率交織方法

2023-05-10 15:00:36

專利名稱：用於寬帶信號生成的頻率交織方法
技術領域：
本發明一般地涉及寬帶信號生成，更具體地涉及使用頻率交織來生成 寬帶信號的系統和方法。
背景技術：
當前的通信系統展現了趨於更高的發送和接收信號帶寬的趨勢。這樣
的帶寬提供了更大的數據率(像在WiMAX中一樣，以下將論述)，或者 允許通信表現為不幹擾預先存在的無線系統(像在UWB中一樣，以下將 論述)的背景噪聲。這些帶寬需求經常超過現有技術信號生成和數位化解 決方案的能力。不用奇怪，測試和測量儀器跟隨相同的趨勢，趨於生成和 數位化越來越寬帶寬的信號，通常伴有對相對於商業系統提高了的動態範 圍的額外需求。
WiMAX (微波接入全球互連)是旨在以各種方式(從點到點鏈路到 全移動蜂窩類型接入)經長距離提供無線數據的電信技術。WiMAX基於 IEEE 802.16標準，該標準也稱為WirelessMAN。 WiMAX允許用戶例如在
膝上型計算機上瀏覽網際網路，而無需將膝上型計算機物理連接到牆上插 座。
超寬帶(UWB)是用於發送延展巨大帶寬(>500MHz)的信息的技 術，在理論上並且在正確的情形下，所述信息應當能夠與其它用戶共享頻 譜。FCC已經授權UWB在3.1-10.6 GHz中的無證使用，這意圖提供對匱 乏的無線電帶寬的有效使用，同時既使能高數據率個人區域網路(PAN) 無線連通又使能更大範圍、低數據率的應用，以及雷達和成像系統。高數 據率UWB可以使能無線監視器、對來自數字可攜式攝像機的數據的有效 傳送、對來自相機的數碼照片的無線列印而無需介入個人計算機，以及在 手機和以個人數字音視頻播放器為例的其它手持式設備之間的文件傳送。
經常出現對生成寬帶數位訊號的需要。在現有技術信號發生器中，信
號帶寬受到數模轉換器(DAC)採樣速率、I/Q調製器帶寬、和信號路徑 上的其它模擬組件的帶寬的限制。通常，DAC的採樣速率是對所生成的信 號帶寬的主要限制。例如，圖1示出了現有技術信號發生系統10的框 圖，該信號發生系統IO普遍用於生成射頻(RF)信號17。系統10包括同 相(I) DAC ll和正交(Q) DAC 12，分別用於I和Q信道。為了試圖生 成寬帶信號，可以實現帶寬儘可能寬的DAC。因此，諸如圖l所示的之類 的系統通常使用I DAC 11和Q DAC 12， I DAC 11和Q DAC 12被調整在 最大可能採樣速率。各個信道可以通過重建濾波器13、 14，重建濾波器 13、 14去除了轉換後的信號中的高階頻譜鏡像。通常，這些鏡像是不需要 的，並且"扭曲"所需的DAC輸出。各個信道隨後經IQ調製器15調 制，其中，I和Q信道的輸出被求和電路16相加從而生成中心頻率為to (其中，"LO"指的是本地振蕩器)的上變頻寬帶信號輸出17。 S卩，IQ 調製器15接收I和Q信道，並將I和Q信道調製為正弦90度異相。以這 種方式利用正交載波的調製相當有效，並且在今日的通信系統中是很普遍 的。
對復基帶和通帶信號的標準表示如下所示。基帶信號表示為Xe(t)並且 被稱為復包絡。通帶信號表示為xz(t)，並且是上變頻後的基帶信號。
formula see original document page 6其中x^)和xg(,)是實信號。
formula see original document page 6
在圖1的示例系統IO所採用的技術中，DAC採樣速率是限制信號發 生器帶寬的主要因素。公知的耐奎斯特(Nyquist)準則指明了轉換後的模 擬信號的帶寬不可能大於DAC採樣速率的一半(1/2)。因此，當兩個 DAC 11、 12饋入一個I/Q調製器15時(像在圖1的情況中一樣)，上變 頻後的輸出17具有不大於各個輸入路徑的兩倍(2x)的信號帶寬。因 此，圖1的示例信號生成技術局限於帶寬不大於I DAC 11或Q DAC 12的 帶寬的2倍的信號17的RF信號合成。
另外，如圖2A和2B的示例所示，對多個信號發生器的輸出求和是創
建多載波無線信號的普通技術。例如，在圖2A的信號發生系統20中可以
採用諸如圖1所示的示例信號發生器IO之類的多個信號發生器，圖2A示 出了分別生成RF信號17A、 17B、 17C、 17D和17E的這種信號發生器 IOA、 IOB、 IOC、 IOD和IOE。這些信號17A-17E被求和電路21相加以 生成多載波無線信號22。但是，如圖2B所示，因為該多載波無線信號22 在頻譜中包含"缺口 (hole)"，並且子載波不必然共享固定的幅度和相 位關係，所以多載波無線信號22不是真正的寬帶。例如，如圖2B所示， 所生成的信號22包含多個求和後的信號17A-17E，其間散布有缺口 23A、 23B、 23C和23D。因此，圖2A-2B的示例性求和技術無法生成免於帶內 頻譜不連續性的寬帶信號。位於頻譜缺口 23A、 23B、 23C和23D內的頻 率無法利用上述技術來組合。
雖然圖2A-2B的多載波技術可以生成在給定帶寬的許多位置處具有能 量的信號22，但是這些信號具有頻率"缺口"(例如，缺口23A-23D)。 這些缺口是有意存在的，以使得在一個載波頻率處的信息內容不幹擾相鄰 載波。這種將較大帶寬細分為子帶的方法對於給定多信道通信格式而言是 很有效的。但是，這種方法對例如"軟體無線電"信號生成所需的通用帶 寬而言是不靈活且不切實際的。在通信領域中，通用收發機通常被稱為 "軟體無線電"。諸如高保真寬帶雷達線性調頻(radar chirp)之類的其它 信號是無法使用上述示例性多載波技術來重新創建的。
因此，需要用於生成寬帶信號的改進型系統和方法。

發明內容
本發明定位於採用頻率交織來生成寬帶信號的系統和方法。根據本發 明的實施例，提供了一種一般性方法，用以通過對較窄帶寬的多個(即， 至少2個)數字合成信號源進行頻率交織來增大數字合成信號的帶寬。頻 率交織通過將頻率交疊的多個窄帶信號相加來創建連續的寬帶信號(即， 沒有諸如圖2B的示例性多載波信號22中的缺口 23A-23D之類的缺口的寬 帶信號)。根據特定實施例，數位訊號處理(DSP)和模擬混頻被用於創 建多個窄帶信號，以使得當這多個窄帶信號被相加時生成高保真、連續的 寬帶信號。
根據一個實施例，採用信號生成技術來生成多個窄帶信號。例如，可 以採用諸如圖1的示例性信號發生器之類的多個信號發生器來各自生成信 號。因此，可以生成各自具有最大可能帶寬的多個信號(例如，使用現有 技術)。本發明的此實施例然後對這多個信號採用頻率交織，以生成寬帶 信號。即，信號發生系統對各自具有頻率偏移的多個信號進行交織，以使 得這些信號在頻域交疊。
因此，根據本實施例，利用相同的信號生成技術(例如，圖1的示例 性信號生成技術)來各自生成多個信號，並且這些信號隨後被頻率交織。 因此，本實施例的示例性信號發生系統不受可以用於生成多個信號中的每 一個的市場上可得DAC的採樣速率的限制。
正常地，對頻率交疊的頻帶求和被本領域普通技術人員認為是很糟糕 的，因為各個信道將與相鄰信道交疊並產生幹擾。但是，通過精心的系統 設計，可以將頻率交疊頻帶相加，補償任何幹擾，並生成所需的寬帶信 號。減輕這種幹擾問題的一種方式是對各個頻帶進行濾波，以去除不想要 的頻譜洩漏。根據本發明的特定實施例，對信號進行濾波的負荷被分給模 擬域和數字域，以允許信道組合和交疊。
模擬濾波器通常用於去除不想要的頻譜分量(這些濾波器包括一般跟
隨DAC之後的重建濾波器，以及去除隨混頻而來的不想要分量的RF濾波 器)。另外，模擬濾波器可以用於"整形"所生成的信號的響應，以使得 通帶內的信號不被衰減，而阻帶內的信號被衰減。通常，結合模擬濾波器 使用的數字濾波提高了所需的濾波器響應，並補償了模擬濾波器的典型缺 陷。這些缺陷包括非線性相位、通帶不平坦、慢滾降、和不足的阻帶衰
5根據一個實施例，在模擬域可以執行以下動作
a) 使用分立的信號發生電路來合成兩個或更多個信號；
b) 可以將這些信號上變頻(使用稱為混頻器的設備)到所需的中心 頻率；
c) 對這些信號進行濾波以去除不想要的頻譜分量；
d) 在信號發生電路之間分布頻率參考，以確保固定的頻率和相位關 系；以及
e) 校準過程確定各個信號發生電路的頻率響應、以及相位偏移量 (並且可能確定頻率偏移量，如果頻率偏移量不是精確已知的話)。
根據一個實施例，在數字域可以執行以下動作-
a) 對所需寬帶信號的輸入數字表示進行濾波，以將所需的聚合寬帶 信號分離成多個較窄帶分量信號；
b) 對各個分量信號進行濾波，以補償信號發生電路中的缺陷(例 如，DAC中的正弦滾降(sincrolloff));
c) 對各個分量信號進行數字旋轉，以補償多個信號發生電路之間的 上變頻器(或I/Q調製器)頻率和相位失配；
d) 對各個分量信號進行濾波，以補償I/Q調製器的缺陷；以及
e) 對各個分量信號進行濾波，以補償多個信號發生電路之間的頻率 響應失配。
以上標識的操作順序僅僅是一個示例。另外，根據本發明一個實施 例，可以將多個級聯數字濾波器摺疊為單個濾波器以用於更複雜的實現方 式。另外，可能需要在數字域應用非線性轉換，以補償用於信號生成或上 變頻的任何模擬組件的非線性缺陷。
根據本發明的特定實施例，經由各個生成路徑來生成多個窄帶信號， 並且這些路徑被聯繫在一起，以使得各自知道彼此。因此，例如，當基帶 信號被頻率轉換成中頻或RF頻率信號時，存在被採用的本地振蕩器，其 中，該本地振蕩器具有頻率和相位。因此，在多個生成路徑中，如果相對 頻率和相位被鎖在一起(即，它們可以以通過參考用於設置它們各自的頻 率和相位的公共本地振蕩器的方式來"鎖在一起")，則這多個信號的頻 率或相位將不會相互偏移。
此外，根據本發明的特定實施例，信號發生系統考慮到了以下情況
實踐中，在各個信號生成路徑上存在延遲。例如，在多個窄帶生成路徑之 間可能存在增益不平衡或幅度響應差異。特定實施例的信號發生系統在信
號發生部分之前使用DSP來去除信號生成路徑之間的那些差異，以使得在這些信號通過各條路徑上的各種缺陷之後，各個點處的輸出完全相同。在 以下這一點上輸出被稱為是"完全相同"的所述多個窄帶信號中的每一 個維持鎖在一起的相對頻率和相位，而不是輸出信號是彼此的複製。數字 信號處理(DSP)旨在均衡路徑之間的幅度、相位、1/Q不平衡、非線性、 和其它失配。因此，來自多個信號生成路徑的輸出可以被加在一起，以生 成高保真、連續的寬帶信號。
因此，本發明特定實施例的寬帶信號發生系統和方法使得可以生成帶 寬比利用傳統現有技術生成技術可能生成的帶寬大的信號。另外，本發明 特定實施例所採用的頻率交織方法生成了連續的寬帶信號，因而避免了在
特定的多載波信號生成技術(例如，以上結合圖2A-2B來論述的那些)中 出現的"頻譜缺口"。
另外，為了提高信號保真度(提高交織鏡像抑制)，在本發明特定實 施例中採用了針對頻率交織的數字方法，其以比傳統方法可實現的精確度 更高的精確度來對信道進行數字匹配。雖然類似的濾波技術可以用在特定 現有技術系統中，但是它們尚未被用在頻率交織的上下文中。
以上已經相當寬泛地概述了本發明的特徵和技術優點，以使得可以更 好地理解隨後的具體實施方式
。以下將描述本發明的其它特徵和優點，這 些特徵和優點形成了本發明的權利要求的主體。本領域技術人員應當了 解，所公開的概念和具體實施例可以很容易地用作修改或設計用於執行本 發明的相同目的的其它結構的依據。本領域技術人員還應當意識到，這些 等同構造並不脫離所附權利要求所給出的本發明的精神和範圍。當結合附 圖來考慮以下描述時，將從中更好地理解新穎特徵(這些新穎特徵相信是 本發明的關於其組織結構和操作方法的特性)以及其它目的和優點。但 是，顯然應當了解，各幅圖僅僅是用於例示和說明的目的的，並且不意圖 限定本發明。


為了更完整地理解本發明，現在將結合附圖來參考以下描述，在附圖
中
圖1示出了用於生成信號的示例性現有技術系統，其中，所生成的信
號的帶寬局限於不大於系統所採用的數模轉換器(DAC)的帶寬的兩倍；
圖2A-2B示出了用於生成信號的另一個示例性現有技術系統，其將多 個信號發生器的輸出相加以創建在頻譜中包含"缺口"的多載波無線信
號
圖3示出了圖示出頻率交疊頻帶的示意圖，其中，各個信號信道與相 鄰信道交疊；
圖4示出了根據本發明一個實施例的寬帶信號發生器的示例性框圖； 圖5示出了根據本發明一個實施例的寬帶信號發生器的示例性操作流 程圖6示出了圖示出根據本發明一個實施例、在頻域中被縫合在一起以 得到連續的寬帶信號的多個源的示圖，所述連續寬帶信號包括其間不具有 "缺口"的多個相鄰信道；
圖7示出了根據本發明實施例可以採用的示例性信號生成體系結構， 其中，信號發生器使用1/Q調製來生成頻率交織RF信號；
圖8示出了根據本發明實施例可以採用的另一個示例性信號生成體系 結構，其中，信號發生器利用外差式上變頻來提供頻率交織RF信號；
圖9示出了根據本發明實施例可以採用的另一個示例性信號生成體系 結構，其中，信號發生器使用操作在不同耐奎斯特頻帶內的多個DAC來 提供頻率交織RF信號；以及
圖10示出了在本發明實施例的寬帶信號發生器內可以實現的數字信 號處理(DSP)流程的示例性框圖，該數位訊號處理流程用於提供數字濾 波(頻率響應均衡)、I/Q失配校正、本地振蕩器頻率和相位失配校正、 以及非線性校正。
具體實施例方式
根據本發明實施例的頻率交織通過將多個頻率交疊的較窄帶信號相加 來創建連續寬帶信號。根據特定實施例，頻率交織技術使用數位訊號處理 (DSP)和模擬混頻來創建這些較窄帶信號，以使得在相加之後它們創建
得到高保真、連續的寬帶信號。
作為示例，圖3示出了來自多個頻帶的信息內容可以被組合以創建具 有任意頻譜內容的連續寬帶信號。在實踐上，在各個所生成的信號中將存 在一些冗餘信息。交疊消除了該冗餘信息。根據本發明的特定實施例，濾 波操作均衡了求和後的路徑之間的幅度和相位差。濾波操作還將頻率內容 分配給各個信號發生器。
正常地，和頻率交疊的頻帶將被本領域普通技術人員視為是很糟糕 的，因為各個信號信道將與相鄰信道交疊並導致幹擾，例如如圖3所示。 避免這種問題的一種方式是對信號濾波。需要不具有過渡帶(磚牆式)的
理想濾波器以將來自一個DAC的頻率內容與另一個DAC的頻率內容緊挨 著放置而不產生幹擾。不幸的是，這種模擬濾波器在實踐中是無法實現 的。
本發明的實施例因而分解了模擬和數字域之間的負荷，以允許信道組 合和交疊。根據一個實施例，信號被劃分給多個上變頻信道，這些信道的 頻率響應是匹配的，並且上變頻器的本地振蕩器相位被使用數字濾波來匹 配。DAC的輸出被使用標準模擬技術來上變頻並選擇性地濾波。在特定實 施例中，系統的數字塊也可以執行絕對校準(將輸出信號校準到已知水平 和相位)。
轉向圖4，根據本發明一個實施例的寬帶信號發生器40的示例框圖被 示出。如圖所示，寬帶信號發生器40包括數字處理塊43和模擬處理塊 44。數字處理塊43和模擬處理塊44對諸如信號41和42之類的多個較窄 帶寬信號進行處理，以對多個信號41、 42執行頻率交織從而生成帶寬信 號45。這裡將進一步論述，所生成的寬帶信號45因為其中所包含的信號 之間沒有諸如圖2B所示的缺口 23A-23D之類的"缺口"，所以被稱為是 "連續的"。
根據特定實施例，在信號發生器40內採用信號生成技術來生成多個 較窄帶寬信號41、 42。例如，可以採用諸如圖l的示例性信號發生器之類 的多個信號發生器來各自生成信號41和42中的一個。因此，可以生成具 有最大可能帶寬的多個信號中的每一個(例如，使用現有技術)。信號發
生器40隨後對多個信號41、 42採用頻率交織以生成寬帶信號45。即，信 號發生器40對多個信號41、 42進行交織，其中，這些信號頻率偏置以使 得這些信號在頻域中交疊。因此，本實施例的示例性信號發生器40不受 市場上有售的可能用於生成多個信號41、 42中的各個的DAC的採樣速率 的限制。
如上所述，通常信號發生器生成帶寬為W,的任意波形，其中，在單 個DAC系統中Wt小於Fs/2，其中，Fs是採樣速率。具有I/Q調製器的信 號發生器可以生成帶寬為W2的信號，其中，W2小於Fs/2的兩倍(換而言 之，W—j、於Fs)。這是因為兩個DAC的帶寬被使用1/Q調製器來組合， 例如，在圖l的示例性系統中。
但是，根據本發明的一個實施例，使用M個DAC來生成帶寬為W3 的寬帶信號的信號發生器(例如，圖4的信號發生器40)採用頻率交織方 法。帶寬W3小於M* Fs/2，但是因為信號發生器所採用的DAC的數目M 潛在地可以大於2，所以可以創建比利用先前的現有技術信號發生器可實 現的帶寬更寬的信號。例如，根據特定實施例，採用了至少3個DAC。
如上所述，因為各個信號信道將與相鄰信道交疊並導致幹擾，所以和 頻交疊頻帶通常會被本領域普通技術人員視為是糟糕的。但是，通過小心 的系統設計，可以對頻率交疊頻帶求和，補償任何幹擾，並生成所需的寬 帶信號。減輕此幹擾問題的一種方式是由信號發生器40對各個頻帶進行 濾波，以去除不想要的頻譜洩漏。根據本發明特定實施例，對信號進行濾 波的負荷被分給模擬域44和數字域43，以允許對各個信道進行組合和重
經常使用模擬濾波器來去除不想要的頻譜分量(這些濾波器包括通常 跟隨在DAC之後的重建濾波器、以及去除隨混頻而來的不想要的分量的 RF濾波器)。另外，模擬濾波器可以用於對所生成的信號的響應進行 "整形"，以使得通帶內的信號不被衰減，而阻帶內的信號被衰減。通 常，與模擬濾波器結合使用的數字濾波提高了所需的濾波器響應，並補償 了模擬濾波器的典型缺陷。這些缺陷包括非線性相位、通帶不平坦、慢滾 降、以及阻帶衰減的不足。
在本示例性實施例中，可以在數字處理塊43和模擬處理塊44中執行 各種操作。例如，在數字處理塊43中，可以執行諸如濾波(FIR或 IIR)、相位旋轉、頻率轉換、和選擇性非線性校正之類的操作，而在模擬 處理塊44中，可以執行諸如數模轉換、鏡像抑制濾波、混頻、上變頻、 1/Q調製、放大、和任何其它濾波之類的操作。
圖5示出了本發明一個實施例的寬帶信號發生器的示例性操作流程 圖。在操作塊51中，寬帶信號發生器接收各自具有帶寬的多個信號。例 如，如圖4所示，可以接收信號41和42。在特定實施例中，如子操作塊 501所示，信號發生器生成這些信號，從而作為生成它們的結果而接收它 們。各個信號41和42具有比寬帶信號發生器40所生成的寬帶信號45窄 的帶寬。
在操作塊52中，寬帶信號發生器40對多個信號41、 42執行頻率交織 以生成連續的寬帶信號45。如子操作塊502和503所示，可以對這多個信 號執行數字和模擬處理，以生成高保真、連續的寬帶信號45。如上結合圖 4的描述，可以在數字處理塊43和模擬處理塊44中執行各種操作。例 如，在數字處理塊43中，可以執行諸如濾波(FIR或IIR)、相位旋轉、 頻率轉換、和選擇性非線性校正之類的操作，而在模擬處理塊44中，可 以執行諸如數模轉換、鏡像抑制濾波、混頻、上變頻、I/Q調製、放大、 和任何其它濾波之類的操作。
根據一個實施例，在模擬處理子操作塊502中，寬帶信號發生器40 可以執行以下示例性操作(通過圖4的模擬處理塊44):
a) 使用分立的信號發生電路來合成兩個或更多個信號；
b) 可以將這些信號上變頻(使用稱為混頻器的設備)到所需的中心 頻率；
c) 對這些信號進行濾波以去除不想要的頻譜分量；
d) 頻率參考分布在信號發生電路之間，以確保固定的頻率和相位關 系；以及
e) 校準過程確定各個信號發生電路的頻率響應、以及頻率偏移量 (並且可能確定頻率偏移量，如果頻率偏移量不是精確已知的話)。
根據一個實施例，在數字處理子操作塊503中，寬帶信號發生器寬帶 信號發生器40可以執行以下示例性操作(通過圖4的數字處理塊43):
a) 對所需寬帶信號的輸入數字表示進行濾波，以將所需的聚合寬帶 信號分離成多個較窄帶分量信號；
b) 對各個分量信號進行濾波，以補償信號發生電路中的缺陷(例 如，DAC中的正弦滾降)；
c) 對各個分量信號進行數字旋轉，以補償多個信號發生電路之間的 上變頻器(或I/Q調製器)頻率和相位失配；
d) 對各個分量信號進行濾波，以補償I/Q調製器的缺陷；
e) 對各個分量信號進行濾波，以補償多個信號發生電路之間的頻率 響應失配；以及
f) 選擇性地應用數字域中的非線性轉換，以補償用於信號生成或上變 頻的任何模擬組件的非線性缺陷。
上述模擬和數字處理子塊502-503的操作順序僅僅是示例性的。另 外，在用於更複雜實現方式的特定實施例中，可以將多個級聯數字濾波器 摺疊放入單個濾波器。
根據一個實施例，每個信道包括一個或多個DAC以及一個上變頻電 路。例如，在信號發生系統的一個示例性實現方式中，每個信道包括I和 Q DAC，後跟重建濾波器，後跟I/Q調製器。因此，每個信道可以實現為 上述圖1的系統10，其中，每個信道包括I DAC 11、 Q DAC 12、重建濾 波器13和14、和用於生成信號17的I/Q調製器15。可替代地，在特定實 施例中，每個信道可以具有單個DAC，後跟重建濾波器，再跟具有可選濾 波器的混頻器。
可替代地，在特定實施例中，每個信道可以具有DAC和重建濾波 器。在這種情況下，DAC模式通過在第1、第2、第3、…耐奎斯特區中 操作來提供頻率轉換。注意，第2、第3等耐奎斯特區描述了可以以多個 耐奎斯特速率(Fs/2)提供重要的頻率內容的DAC。例如，在第2耐奎斯 特具有能量的DAC能夠生成在Fs/2和Fs之間的頻率內容，其中，Fs是採 樣速率。各個模塊由提供以下功能的一個DSP塊來驅動信道化、信道匹
配和必要的校準。DSP塊可以包含FIR、 IIR和頻率轉換組件。
各個信道的輸出被使用公知技術來求和。 一個慣用求和電路是阻性功
率合併器(resistive power combiner)。注意，即使阻性合併器也不會理想 地平衡，或者具有平坦的頻率響應。因此，優選地對各條路徑(對系統的 各條信道，以及對功率合併器自身)採用校準，以允許各自具有帶寬M的 N條信道作為帶寬接近N*M的單條信道操作。
根據信號發生器的一個實施例，DAC採樣時鐘和混頻器LO是鎖相且 低抖動的，以創建高信噪比(SNR)信號。因此，LO的相位優選地是己 知且穩定的。校準可以利用各個並行信號路徑上的導頻音(pilot tone)來 提取相對於採樣時鐘的LO相位。
根據本發明的實施例，兩個或更多個基帶信號(通常利用DAC來生 成)是頻率交織的。以下將論述的圖6-9圖示了使用各種頻率轉換技術、 採用4個頻率交織DAC的示例性技術。雖然在這些技術中出於例示的目 的採用了 4個頻率交織DAC，但是應當了解，這裡所描述的概念並不限於 4個這種頻率交織，而可以類似地擴展到可能需要的任意數目的頻率交 織。圖6圖示了在頻域中將多個源"縫合在一起"的概念。可見，圖6圖 示了示例性連續寬帶信號60，該連續寬帶信號60包括其間沒有頻譜"缺 口"的多個相鄰信道。如此，聚合帶寬是包括多個頻率交織的較窄帶信號 的連續寬帶。
圖7-9示出了不同信號發生體系結構的示例性框圖，這些信號發生體 繫結構可以用於採用頻率交織概念來生成諸如圖6的信號60之類的連續 寬帶信號。這些示例性體系結構包括1/Q調製器上變頻(圖7)，外差式/ 零差式上變頻(圖8)，和在不同耐奎斯特區中操作的交織DAC (圖 9)。
雖然沒有顯式地示出，但是應當清楚，在現在結合圖7-9來描述的示 例性信號發生系統中，所有時鐘和本地振蕩器都是鎖相的。這確保了信道 之間的頻率關係(和作為結果的採樣關係)保持固定。另外，圖7-9的示 例性體系結構中的數位訊號處理(DSP)塊使得各個信道可以更加完美地 匹配。這個步驟對頻率交織的方法而言並不是必須的。但是，其通過減少
來自相鄰信道的不想要的幹擾而提高了信號保真度。對於某些應用，通過 頻率交織創建的信號可能在沒有受DSP支持的信道匹配的情況下是不可用 的(低保真度)。
圖7示出了根據本發明實施例可以採用的一個示例性信號發生體系結
構。圖7的示例性信號發生器70使用I/Q調製來生成頻率交織RF信號。 在此示例中，信號發生器70包括兩個信道，其中，每個信道都包括兩個 DAC和一個上變頻電路。例如，在此示例中，每個信道都包括I和Q DAC，後跟重建濾波器，再後跟I/Q調製器。例如，信號發生器70的第一 信道包括I DAC IIA、 Q DAC 12A、重建濾波器13A和14A、以及I/Q調 制器15A;而信號發生器70的第二信道包括I DAC IIB、 Q DAC 12B、重 建濾波器13B和14B、以及I/Q調製器15B。信號發生器70還包括DSP 72，和求和邏輯(例如，阻性功率合併器)73。稍後將論述，信號發生器 70可操作用於生成連續的寬帶信號60，例如上述圖6的寬帶信號。
在操作時，DSP 71接收Data—In信號71。數位訊號處理(DSP)塊71 可以使用例如本領域己知的數位訊號處理器(例如，可以從Texas Instruments禾n Analog Devices得到的那些)、稱為現場可編程門陣列 (FPGA)的可重配置邏輯器件、或者稱為專用集成電路(ASIC)的定製 邏輯來實現。各種實現平臺都具有其優點和缺點。對一個平臺的選擇取決 於諸如性能、功率、預算之類的因素。
本示例中的Data—In信號71指的是輸出的所需寬帶信號的數字表示。 本示例中的DSP 72塊指的是隨後在轉換到模擬形式之前在數字域中對該 信號的所有處理。在本示例性實施例中，所述處理包括
a) 對所需寬帶信號的輸入數字表示進行濾波，以將所需的聚合寬帶 信號分離成多個較窄帶分量信號；
b) 對各個分量信號進行濾波，以補償信號發生電路中的缺陷(例 如，DAC中的正弦滾降)；
c) 對各個分量信號進行數字旋轉，以補償多個信號發生電路之間的 上變頻器(或I/Q調製器)頻率和相位失配；
d) 對各個分量信號進行濾波，以補償I/Q調製器的缺陷；
e) 對各個分量信號進行濾波，以補償多個信號發生電路之間的頻率
響應失配；以及
f) 選擇性地應用數字域中的非線性轉換，以補償用於信號生成或上變 頻的任何模擬組件的非線性缺陷。
同樣，DSP塊72的上述操作順序僅僅是一個示例。另外，在用於更 複雜實現方式的特定實施例中，多個級聯數字濾波器可以摺疊為單個濾波 器。
DSP 72輸出4個分立信號(經由圖7的示例所示的輸出yo、 yi、 y2、 和y》。來自yo和y^勺輸出被IDAC IIA和QDAC 12A接收，並被通過 這些DAC IIA禾B 12A、重建濾波器13A和14A、以及I/Q調製器15A以
像上述結合圖1的示例一樣的傳統方式來處理，以生成信號17A。類似 地，來自DSP 72的》和y3的輸出被I DAC IIB和Q DAC 12B接收，並 被通過這些DAC 11B和12B、重建濾波器13B和14B、以及I/Q調製器 15B以像上述結合圖1的示例一樣的傳統方式來處理，以生成信號17B。
信號17A和17B隨後被求和電路73相加以生成連續的、頻率交織的 寬帶信號60。在特定實施例中，可以提供從輸出60到輸入71的校準路徑 74，以執行用於確定各條路徑(IIA和12A、 IIB禾B 12B等，直到17A和 17B)之間的失配的校準。
圖8示出了根據本發明實施例可以採用的另一個示例性信號發生體系 結構。圖8的示例性信號發生器80提供了利用外差式上變頻的頻率交織 RF信號生成。與上述圖7的示例一樣，信號發生器80包括兩條信道，其 中，每條信道都包括兩個DAC和一個上變頻電路。例如，在本示例中， 每條信道都包括I和Q DAC，後跟重建濾波器，再後跟I/Q調製器。例 如，信號發生器80的第一信道包括I DAC IIA、 Q DAC 12A、重建濾波 器13A和14A、以及1/Q調製器15A;而信號發生器70的第二信道包括I DAC IIB、 Q DAC 12B、重建濾波器13B和14B、以及I/Q調製器15B。 此外，像上述圖7的信號發生器70—樣，信號發生器80還包括DSP 72， 和求和邏輯(例如，阻性功率合併器)73。
在操作時，DSP 72接收Data—In信號71。 DSP 72對所接收的信號進
行處理，如以上結合圖7進行論述的一樣。此外，以以上結合圖7進行論
述的方式，來自DSP 72的各條信道的輸出被DAC IIA、 12A、 IIB、 12B，重建濾波器13A、 14A、 13B、 14B，以及I/Q調製器15A和15B處 理以生成信號17A和17B。
在本示例性實施例中，fL0J) = flo—1D S卩，用於I/Q調製器15A和I/Q 調製器15B的中心頻率是相等的。在這種情況下，各個信號17A和17B 處於同一中心頻率。放大器81A和81B對信號進行放大，並且中頻(IF) 帶通濾波器82A和82B去除作為1/Q調製器的副產品的任何不想要的雜散 (spur)和鏡像。混頻器83A和83B將信號從中頻fLo混頻為最終的RF頻 率。通過適當的選擇&0_2和flX)—3，這兩個信號在頻域中交疊。利用求和 電路73來將它們相加。再次地，使用可選帶通濾波器84來濾除由混頻處 理生成的任何不想要的頻譜鏡像或雜散。對這種濾波器的需要取決於混頻 器選擇以及應用需求。
在fLoj)不等於fuu的實現方式中，則圖8的示例性實施例可以通過 下述方式來簡化為1/Q調製器15A和1/Q調製器15B選擇這些初始載波 頻率，以使得它們的輸出信號在頻率上適當地相互交疊。這完全等同於圖 7的示例性實施例。然後，求和電路73將直接跟隨IF帶通濾波器82A和 82B之後。混頻器(例如，混頻器83A或83B)於是將被置於求和電路73 之後，以使得可以將寬帶信號轉換為更高頻。再次地，使用可選帶通濾波 器84來濾除由混頻處理生成的任何不想要的頻譜鏡像或雜散。這種第二 情形完全是上述圖7的頻率轉換。
圖9示出了根據本發明實施例可以採用的另一個示例性信號發生體系 結構。圖9的示例性信號發生器90使用在不同耐奎斯特頻帶內操作的多 個DAC來提供頻率交織RF信號生成。與上述圖7的示例一樣，信號發生 器90包括兩條信道，其中，每條信道包括兩個DAC。例如，在本示例 中，每條信道都包括I和QDAC。例如，信號發生器90的第一信道包括I DAC 11A和Q DAC 12A;而信號發生器90的第二信道包括I DAC 1 IB和 Q DAC 12B。也與上述圖7的信號發生器70 —樣，信號發生器90還包括 DSP72和求和邏輯(例如，阻性功率合併器)73。在操作時，DSP 72接收Data—In信號71。 DSP 72對所接收的信號進 行處理，如以上結合圖7進行論述的。此外，來自DSP 72的各條信道的 輸出被DAC11A、 12A、 11B、 12B處理。在本示例中，DAC11A、 12A、 IIB和12B操作在不同耐奎斯特頻帶內。例如，DAC IIA操作在第一耐奎 斯特區，DAC 12A操作在第二耐奎斯特區，DAC 11B操作在第三耐奎斯 特區，並且DAC 12B操作在第四耐奎斯特區。因此，圖9圖示了操作在 第一、第二、第三和第四耐奎斯特區的多個DAC的交織示例。注意 DAC可以生成中心位於除DC和Fs/2之間之外的頻率處的重要頻譜能量。 市場上可得的各種DAC操作在多個耐奎斯特區，例如，MAX19692 DAC。
這通常稱為第一耐奎斯特區。作為一個示例，如果在DAC輸出處使 用雙重生成電路而不是典型的零階保持器，則重要能量被置於第二耐奎斯 特區。這種輸出脈衝整形利用2倍採樣速率的信號來調製DAC輸出，從 而將輸出信號上變頻到中心位於Fs。出於實踐的考慮，在特定實施例中可 能需要修改分量DAC的採樣頻率，以使得它們的輸出在頻域上重疊。
圖9的示例性實施例所包括的模擬濾波器91-94用於在DAC的輸出被 求和之前去除多耐奎斯特DAC中的額外頻譜鏡像。例如，低通濾波器91 衰減了 Fs/2以上(第一耐奎斯特區以上)的所有鏡像。帶通濾波器92衰 減了不在Fs/2和Fs之間(第二耐奎斯特區)的所有鏡像。帶通濾波器93 衰減了不在Fs和3*Fs/2之間(第三耐奎斯特區)的所有鏡像。帶通濾波 器94衰減了不在3申Fs/2和2fFs之間(第四耐奎斯特區)的所有鏡像。在 特定實施例中，可以執行頻率交織而不使用這些濾波器。在適當選擇DAC 採樣時鐘的相位的情況下，這些濾波器可能變得冗餘。因此，在不使用濾 波器91-94的情況下可以實現模擬頻率交織方法，但是，使用模擬濾波器 91-94可以簡化在塊72中應用的數字濾波器。
如上所論述的，DSP72可以實現數字濾波器。根據一個實施例，這種 DSP 72的示例性框圖在圖IO中示出。如圖所示，DSP72可以被配置為實 現數字濾波器100。該數字濾波器100例如可以包括(但不限於)去交織 輸入邏輯101、信道匹配邏輯102、鏡像抑制邏輯103、和絕對校準邏輯
104。去交織(信道化)濾波器101將輸入信號劃分成子帶。這是通過對 輸入信號進行低通、帶通、或高通濾波來實現的。各個子帶具有比原始信 號窄的帶寬。各個子帶共享其相鄰頻帶內的一些頻率內容(交疊)。各個 子帶被合成為分立信號發生信道中的模擬波形。
信道匹配邏輯102所提供的信道匹配功能用於均衡系統中的各條數模 轉換和上變頻路徑(例如，由圖7-9中的DSP72的y。、 yi、 y2和y3輸出的 路徑)之間的幅度和相位。這種信道匹配可能是去除輸出信號中的諸如信 號混疊之類的產物的必要前提。通常，這被實現為數字濾波器。去除測量 得到的多個信道的頻率響應(H。、 H2、 H3)之間的失配的一種方法是 計算平均頻率響應(Havg = (Ho+Ht+H2+H3)/4)，然後計算將測量得到的 頻率響應轉換為平均的信道匹配濾波器。例如，用於信道0的信道匹配濾 波器將為G。 = Havg/Ho。
由鏡像抑制邏輯103提供的鏡像抑制功能充當混合數/模濾波器，用以 乾淨利索地將各條輸出信道中的信息縫合在一起，即使原始模擬信號可能 具有交疊頻率也是如此。
絕對校準步驟104是可選的，並且可以用於將信號輸出功率(例如) 校準到外部參考水平。這個補償通常需要用於校準目的的外部信號參考。
數字塊(即，DSP 72)也可以包括用於去除I/Q失配的功能。這些失 配可能是由模擬正交信號之間的不平衡造成的。在I和Q路徑之間可能存 在模擬濾波、放大、或PCB布圖相關的差異。在DAC轉換之前對I/Q數 據進行預校正可以確保頻率響應失配是最小的，並將I和Q信道恢復為90 度(正交)關係。
根據一個實施例，使用以下過程來設計數字濾波器100:
1) 測量各個信道的頻率響應函數；
2) 計算校正濾波器(FIR/IIR);
3) [可選]與所需的響應合併；
4) [可選]計算低階校正濾波器；以及
5) [可選]迭代
在以上過程中，各條信道的頻率響應函數首先被測量得到。校正濾波
器(例如，FIMIR)隨後被計算得到。在特定實施例中，"合併"步驟將 校正濾波器與可選的所需信道響應組合起來。該可選的所需信道響應可以 是用以匹配外部參考功率水平(例如)的校正。"計算低階校正濾波器" 步驟指的是以下情況通常，用於為步驟2或3的濾波器確定濾波器抽頭 的算法會產生具有過多抽頭的濾波器。減少濾波器抽頭通常降低了實現方 式的成本和複雜度。步驟4通過使用低階近似先前計算得到的"理想"濾 波器來減少濾波器抽頭的數目。
可替代地，在特定實施例中，因為均衡係數可能隨時間和/或溫度而改 變，所以在信號發生器內採用自適應濾波。
雖然已經詳細地描述了本發明及其優點，但是應當了解，在不脫離由 所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以在這裡進行各種 改變、替代和變更。此外，本發明的範圍並不意圖限制於在說明書中描述 的處理、機器、產品、物的組合、裝置、方法和步驟的特定實施例。本領 域普通技術人員從本發明的公開內容中將很容易獲悉，根據本發明，執行 與這裡所描述的相應實施例實質上相同的功能或實現實質上相同的結果 的、現在已存在或以後將開發的處理、機器、產品、物的組合、裝置、方 法或步驟可以被利用。因此，所附權利要求意圖在它們的範圍內包括這樣 的處理、機器、產品、物的組合、裝置、方法或步驟。
權利要求
1.一種方法，包括通過寬帶信號發生器來接收多個信號；以及通過所述寬帶信號發生器來對所述多個信號進行頻率交織，以生成連續的寬帶信號。
2. 如權利要求l所述的方法，其中，所述接收包括 通過所述寬帶信號發生器來生成所述多個信號。
3. 如權利要求1所述的方法，其中，所述多個信號各自具有小於所 述連續寬帶信號的帶寬。
4. 如權利要求l所述的方法，其中，所述頻率交織包括交疊所述多個信號的頻率。
5. 如權利要求l所述的方法，其中，所述頻率交織包括將所述多個信號的頻率排列成相互緊鄰。
6. 如權利要求1所述的方法，其中，所述頻率交織包括對所接收的多個信號進行數位訊號處理和模擬處理。
7. 如權利要求6所述的方法，其中，所述模擬處理包括 使用分立的信號發生電路來合成所述多個信號； 將所述多個信號上變頻為所需的中心頻率； 對所述多個信號進行濾波以去除不想要的頻譜分量； 通過所述分立的信號發生電路來採用頻率參考，以確保所述多個信號之間的固定的頻率和相位關係；以及採用校準來確定各個所述信號發生電路的頻率響應。
8. 如權利要求6所述的方法，其中，所述數字處理包括 對所需寬帶信號的輸入數字表示進行濾波，以將所需寬帶信號分割成多個較窄帶的分量信號；對各個分量信號進行濾波；以及 對各個分量信號進行數字旋轉。
9. 如權利要求8所述的方法，其中，所述對各個分量信號進行濾波包括以下步驟中的至少一個對各個分量信號進行濾波，以補償生成該分量信號的信號發生電路中 的缺陷；對各個分量信號進行濾波，以補償I/Q調製器的缺陷；以及 對各個分量信號進行濾波，以補償用於生成所述多個所接收的信號的 多個信號發生電路之間的頻率響應失配。
10. 如權利要求8所述的方法，其中，所述數字旋轉包括 數字旋轉各個分量信號，以補償用於生成所述多個所接收的信號的多個信號發生電路之間的頻率和相位失配。
11. 如權利要求8所述的方法，其中，所述數字處理還包括 應用非線性轉換以補償用於信號生成或上變頻的任何模擬組件的非線性缺陷。
12. —種寬帶信號發生器，包括用於接收多個信號的裝置；以及用於對所述多個信號進行頻率交織以生成連續的寬帶信號的裝置。
13. 如權利要求12所述的寬帶信號發生器，其中，所述用於接收的裝置包括用於生成所述多個信號的裝置。
14. 如權利要求12所述的寬帶信號發生器，其中，所述多個信號各自具有小於所述連續寬帶信號的帶寬。
15. 如權利要求12所述的寬帶信號發生器，其中，所述用於頻率交織的裝置包括用於交疊所述多個信號的頻率的裝置。
16. 如權利要求12所述的寬帶信號發生器，其中，所述用於頻率交織的裝置包括數字處理裝置；以及模擬處理裝置。
17. 如權利要求12所述的寬帶信號發生器，包括用於生成所述多個信號的模擬處理塊，所述多個信號具有交疊的頻率；用於對所述多個信號進行數字濾波的數字處理塊；以及用於將所述多個具有交疊的頻率的信號合併成連續的寬帶信號的求和 邏輯。
18. —種系統，包括至少三個各自具有採樣速率(Fs)的數模轉換器(DAC)，用於生成 多個信號；以及寬帶信號發生器，用於接收所述多個信號，並對所述多個信號進行頻 率交織，以形成具有大於所述DAC的採樣速率(Fs)的帶寬的連續寬帶 信號。
19. 如權利要求18所述的系統，其中，所述多個DAC包括M個 DAC，其中，M至少為3，並且其中，所述連續寬帶信號具有M*Fs/2的 帶寬W3。
20. 如權利要求18所述的系統，其中，所述寬帶信號發生器包括 數字處理塊，用於執行濾波、相位旋轉、頻率轉換、和非線性校正中的至少一個；以及模擬處理塊，用於執行數模轉換、鏡像抑制濾波、混頻、上變頻、I/Q
全文摘要
本發明提供了寬帶信號發生系統和方法，該系統和方法採用頻率交織來生成寬帶信號。一個一般性方法通過對窄帶寬的多個數字合成信號源進行頻率交織來增大數字合成信號的帶寬。頻率交織通過將頻率交疊的多個窄帶信號相加來創建連續寬帶信號。根據特定實施例，數位訊號處理(DSP)和模擬混頻用於創建多個窄帶信號，以使得當這多個窄帶信號被相加時生成高保真、連續的寬帶信號。
文檔編號H04L29/02GK101373984SQ20081013474
公開日2009年2月25日 申請日期2008年7月23日 優先權日2007年8月23日
發明者安德魯·D·費爾南德茨 申請人:安捷倫科技有限公司