CN101115037B - 一种数字接收机及其本振频率初始误差校准的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字接收机及其本振频率初始误差校准的方法。所述方法包括如下步骤：A、利用信号发生器产生参考单音信号，并输出到所述数字接收机；B、所述数字接收机将本振信号和所述参考单音信号进行混频，对混频信号进行低通滤波后采样，并对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率；C、根据所述数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率；D、根据所述本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频率初始误差校准。本发明的数字接收机及其本振频率初始误差校准的方法能够有效地提高校准速度，降低校准成本。

Description

一种数字接收机及其本振频率初始误差校准的方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别是涉及一种数字接收机及其本振频率初始误差校准的方法。 

背景技术

在无线通信***中，数字接收机为了保证接收信号的解调质量，需要保证接收机本振频率和信号载波的频率误差小于一定范围，这一范围在不同的***中有不同的要求。在已经处于正确接收状态时，接收机可以通过信道估计的方法计算出本振信号和接收信号的频率偏差并及时进行调整，使本振频率和接收信号载波频率的偏差满足***设计要求。 

对于刚开始建立接收状态的接收机来说，本振频率和接收信号载波频率的频率偏差也必须小于一定的设计要求才能使接收机正确估计接收信号频偏并进入正确的接收状态。由于器件工艺水品和器件不一致性的影响，接收机振荡器输出信号的初始频率和其标称值有一定偏差。为了使本振信号频率和其标称频率的初始频偏满足***设计要求，接收机通常需要在出厂前进行校准，使其误差范围符合***设计要求。 

现有接收机本振频率初始误差校准的方法，通常是使用频谱分析仪直接或间接测量本振信号的频率，然后根据测量频率和其标称频率进行校准，计算出标称频率对应的频率控制字，并将得到的频率控制字写入到接收机中。这样，接收机启动时，对频率控制字进行数模转换后产生振荡器的控制电压，控制振荡器输出信号的频率为其标称频率，从而使调整后的本振频率满足***设计要求。这种方法的缺点在于要使用价格比较昂贵的频谱仪，并且校准速度较慢，校准数据还需要通过其他方法写入到接收机中，***构造比较复杂。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种数字接收机及其本振频率初始误差校准的方法，以提高校准速度，降低校准成本。 

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下： 

一种数字接收机本振频率初始误差校准的方法，包括如下步骤： 

A、利用信号发生器产生参考单音信号，并输出到所述数字接收机； 

B、所述数字接收机将本振信号和所述参考单音信号进行混频，对混频信号进行低通滤波后采样，并对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率； 

C、根据所述数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率； 

D、根据所述本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频率初始误差校准。 

较佳地，所述步骤C中，在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据 $f_o=\frac{f_{\mathrm{ref}}\·\stackrel{\‾}{f_o}}{\stackrel{\‾}{f_o}+\hat{f}}$ 计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据 $f_o=\frac{f_{\mathrm{ref}}\·\stackrel{\‾}{f_o}}{\stackrel{\‾}{f_o}-\hat{f}}$ 计算得到本振信号频率，其中，f_o为本振信号频率，f_ref为参考单音信号频率，f_o为本振信号标称频率， 为数字基带信号频率。 

较佳地，所述步骤C中，在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据 $f_o=f_{\mathrm{ref}}-\hat{f}$ 计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据 $f_o=f_{\mathrm{ref}}+\hat{f}$ 计算得到本振信号频率，其中，f_o为本振信号频率，f_ref为参考单音信号频率， 

为数字基带信号频率。 

较佳地，所述步骤D具体包括： 

根据 $k=\frac{f_{o,c_2}-f_{o,c_1}}{c_2-c_1}$ 计算得到频率控制系数，其中，k为频率控制系数，f_o，c1为频率控制字c₁对应的本振信号频率，f_o，c2为频率控制字c₂对应的本振信号频率； 

根据 $\stackrel{\‾}{c}=\left[\frac{{\stackrel{\‾}{f}}_o-f_{o,c_1}}{k}\right]+c_1$ 计算得到本振信号标称频率对应的频率控制字，其中， c为本振信号标称频率对应的频率控制字，f_o为本振信号标称频率，[]为取整运算。 

较佳地，所述步骤A中，所述参考单音信号进一步通过功率分配器输出 到多个数字接收机。 

一种数字接收机，包括压控振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器、傅立叶变换器、本振信号频率计算器、误差校准器、数模转换器，其中： 

压控振荡器，用于产生本振信号； 

混频器，用于接收本振信号和信号发生器输出的参考单音信号，并将本振信号和参考单音信号进行混频； 

低通滤波器，用于对混频信号进行低通滤波； 

模数转换器，用于对滤波后的信号进行采样； 

傅立叶变换器，用于对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率； 

本振信号频率计算器，用于根据数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率； 

误差校准器，用于根据本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频率初始误差校准； 

数模转换器，用于对校准得到的频率控制字进行数模转换后产生压控振荡器的控制电压。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

设备投资少：同现有方法相比，本发明省去了价格昂贵的频谱分析仪，只用一台价格相对低廉的单音信号发生器就可以实现多接收机的本振频率初始误差校准； 

校准速度快：在本发明中，接收机在对基带信号做FFT变换后利用简单的公式就可计算出本振信号的实际频率，对于绝大多数数字接收机来讲，这个过程可以在几个毫秒内完成，而现有校准***在利用频谱仪做校准时，通常需要数秒才能完成一个接收机的校准，相比之下本发明可以显著提高校准的速度； 

支持多终端校准：本发明可以支持多部接收机同时校准，理论上讲，本发明所支持的接收机数量只受信号发生器输出功率的限制； 

校准成本低：由于设备投资减少和校准效率提高，使接收机的校准的时间和仪器设备成本得到大幅缩减。 

附图说明 

图1为本发明较佳实施例的数字接收机本振频率初始误差校准的方法流程图； 

图2为数字接收机射频端口输入信号示意图； 

图3为变频后的模拟基带信号示意图； 

图4为本发明较佳实施例的数字接收机结构示意图； 

图5为利用本发明的方法对多个数字接收机同时进行校准的一个应用实例。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。 

本发明利用信号发生器产生参考单音信号，数字接收机接收到该参考单音信号后在数字基带测量变频后信号的频率，根据测量得到的数字基带信号频率和参考单音信号频率计算接收机本振信号频率，根据所述本振信号频率和本振信号标称频率进行校准，使本振频率的初始误差达到***设计的要求。 

请参照图1，本发明较佳实施例的数字接收机本振频率初始误差校准的方法，包括如下步骤： 

步骤101、利用信号发生器产生参考单音信号，并输出到数字接收机； 

设S_ref是由信号发生器产生的正弦波信号，其频率是f_ref；接收机的本振信号为S_o，其频率是f_o，且满足关系f_o＜f_ref；接收机的信道带宽为BW，且满足关系： 

$f_{\mathrm{ref}}-f_o<\frac{1}{2}\mathrm{BW}---\left(1\right)$

步骤102、数字接收机将本振信号和参考单音信号进行混频，对混频信号进行低通滤波后采样，并对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率； 

在数字接收机混频器输入端，参考单音信号和本振信号的关系如图2所示。在混频器内部，两路输入信号做乘法操作，实现频谱搬移。在接收机模拟基带，信号的频谱如图3所示。在数字基带，对接收信号做傅立叶变换，可得到数字基带信号频率 

这里需要说明的是，f_o＜f_ref的限定只是为了后继公式推导过程的方便所做 的假设，实际上本方法也完全适用于f_o＞f_ref的情况，只是公式推导过程和结果会稍有不同。 

步骤103、根据数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率； 

输入到数字接收机的参考单音信号S_ref可以表示为： 

接收机本振信号，可以表示为： 

S_o＝Bcos(2πf_ot+θ)    (3) 

在混频器中，参考单音信号和本振信号相乘，产生新的频谱分量S_abb： 

$S_{\mathrm{abb}}=S_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;S_o$

对于模拟基带信号，由于低通滤波器的作用，高频项被滤除，因此上式可进一步简化表示为： 

                  (5) 

$=\frac{1}{2}\mathrm{AB}\cos [2\mathrm{\&pi;f}\&CenterDot;t+\mathrm{\&phi;}]$

其中，f＝f_ref-f_o； f即为模拟基带信号频率。 

至此，接收机本振信号的频率可以表示为： 

f_o＝f_ref-f    (6) 

设本地振荡器输出信号标称频率为f_o，则本地振荡器输出信号频率误差系数k_err可以表示为： 

$k_{\mathrm{err}}=\frac{f_o-{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o}{{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o}---\left(7\right)$

即，f_o＝(1+k_err)·f_o。 

对于模拟基带信号，其实际频率为f，根据公式(6)有： 

f＝f_ref-f_o    (8) 

在数字接收机***中，射频和基带电路的工作时钟通常都是由同一个振荡器输出信号通过锁相环电路产生的，因此在***时钟被准确较正以前，***中的采样时钟频率有着和压控振荡器输出信号频率相同的误差系数。由于采样时钟存在误差，因此通过傅立叶变换得到的数字基带信号频率 

也存在着和采样时钟频率相同的误差系数，但是符号相反。即采样频率如果因为误差升高α倍，则经傅立叶变换得到的数字基带信号频率会降低α倍。 

由此，数字基带信号的频率值可以表示为(此处忽略有限采样点带来的频率计算误差)： 

$\hat{f}=\frac{f}{1+k_{\mathrm{err}}}---\left(9\right)$

即： 

$f=(1+k_{\mathrm{err}})\hat{f}---\left(10\right)$

据式(8)和式(10)有： 

$(1+k_{\mathrm{err}})\hat{f}=f_{\mathrm{ref}}-f_o---\left(11\right)$

对上式变换可得： 

$k_{\mathrm{err}}=\frac{f_{\mathrm{ref}}-{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o-\hat{f}}{{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o+\hat{f}}---\left(12\right)$

至此，本振信号频率f_o可以表示为： 

$f_o=\frac{f_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{f_o}}{\stackrel{\&OverBar;}{f_o}+\hat{f}}---\left(13\right)$

根据式(11)，本振信号频率又可表示为： 

$f_o=f_{\mathrm{ref}}-(1+k_{\mathrm{err}})\hat{f}---\left(14\right)$

当k_err＜＜1时，数字接收机本振信号频率f_o可近似表示为： 

$f_o=f_{\mathrm{ref}}-\hat{f}---\left(15\right)$

当频率误差系数远远小于1时，其本振频率误差可以近似地表示为式(15)。和式(13)相比，式(15)的计算方法由于无除法运算，可以有效减少运算量，而其带来的近似误差可以忽略不计。举例来说，如果f_o＝900.000000MHz，f_ref=900.050000MHz， $\hat{f}=0.040000\mathrm{MHz},$ 根据公式(13)计算，f_o＝900.0099996MHz，而根据公式(15)计算，f_o＝900.010000MHz，两者相比可以看出，两式的计算误差小于0.5Hz。

类似地，对于f_o＞f_ref的情况，式(13)和(15)分别变化为： 

$f_o=\frac{f_{\mathrm{ref}}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{f_o}}{\stackrel{\&OverBar;}{f_o}-\hat{f}}---\left(13^{,}\right)$

$f_o=f_{\mathrm{ref}}+\hat{f}---\left({15}^{,}\right)$

步骤104、根据本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频率初始误差校准。 

在计算出本振信号频率后，就可以根据本振信号频率和其标称频率进行校准，计算出标称频率对应的频率控制字，并将得到的频率控制字进行保存。这样，接收机启动时，对频率控制字进行数模转换后产生振荡器的控制电压，控制振荡器输出信号的频率为其标称频率，从而使调整后的本振频率满足***设计要求。 

在数字接收机中，通常使用压控振荡器产生***基本时钟，然后使用锁相环电路产生各个子***工作所需的时钟信号(包括接收机的本振信号)。由于锁相环电路在锁定状态时其输出时钟的频率和输入时钟的频率保持恒定的比例关系，因此我们可以忽略锁相环电路的存在，直接建立控制信号和本振信号频率之间的关系。根据所述本振信号频率和本振信号标称频率，调整频率控制字c，频率控制字c通过数模转换后产生振荡器的控制电压，控制振荡器的输出信号频率。 

对压控振荡器来说，其输出信号频率和输入电压存在一一对应的关系，并且这种关系在其控制电压允许范围内通常可以用一阶方程近似表示，即： 

$f_{o,c}=k\&CenterDot;\left({c-c}_{\min }\right)+f_{o,c_{\min }}(c_{\min }\&le;c{\&le;c}_{\max })---\left(16\right)$

其中k表示频率控制系数，f_o，c表示频率控制字c对应的接收机本振频率。c_max和c_min是频率控制字的最大和最小值，其由压控振荡器类型和数模转换器的转换关系确定。 

在实际校准过程中，可以通过两次校准的方法获得频率控制系数k。即先设置频率控制字为c₁，通过上述步骤101～103得到其对应的本振信号频率 

然后设置频率控制字为c₂，同样通过上述步骤101～103得到其对应的本振信号频率 

则频率控制系数可以表示为： 

$k=\frac{f_{o,c_2}-f_{o,c_1}}{c_2-c_1}---\left(17\right)$

计算得到频率控制系数后，压控振荡器的标称频率所对应的控制字c可以表示为： 

$\stackrel{\&OverBar;}{c}=\left[\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o-f_{o,c_1}}{k}\right]+c_1---\left(18\right)$

其中[]表示取整。 

请参照图4，为实现上述方法的一种数字接收机的结构示意图。所述数字接收机包括压控振荡器10、混频器20、低通滤波器30、模数转换器40、傅立叶变换器50、本振信号频率计算器60、误差校准器70和数模转换器80。其中： 

压控振荡器10，用于产生本振信号。 

混频器20，用于接收本振信号和信号发生器90输出的参考单音信号，并将本振信号和参考单音信号进行混频。 

低通滤波器30，用于对混频信号进行低通滤波，对于模拟基带信号，由于低通滤波器30的作用，高频项被滤除。 

模数转换器40，用于对滤波后的信号进行采样。 

傅立叶变换器50，用于对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率。 

本振信号频率计算器60，用于根据数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率。 

在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据式(13)计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据式(13’)计算得到本振信号频率。 

如前所述，为了减少运算量，当频率误差系数远远小于1时，也可以通过近似计算得到本振信号频率。即：在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据式(15)计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据式(15’)计算得到本振信号频率。 

误差校准器70，用于根据本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频 率初始误差校准。 

在计算出本振信号频率后，就可以根据本振信号频率和其标称频率进行校准，计算出标称频率对应的频率控制字，并将得到的频率控制字进行保存。误差校准器70首先根据式(17)计算得到频率控制系数，再根据式(18)计算得到压控振荡器的标称频率所对应的控制字。 

数模转换器80，用于对频率控制字进行数模转换后产生压控振荡器10的控制电压，控制振荡器10输出信号的频率为其标称频率，从而使调整后的本振频率满足***设计要求。 

从上述数字接收机本振频率初始误差校准的过程可知，在整个校准过程中，信号发生器产生的参考单音信号一直保持不变，所有的校准运算都是在数字接收机内部完成。利用这一特点，可实现对多个数字接收机利用同一信号发生器同时进行校准。 

以下介绍一个利用本发明的方法对多个数字接收机同时进行校准的应用实例。 

请参照图5，对多个接收机同时进行本振频率初始误差校准的***主要由控制主机、信号发生器、功率分配器、校准工装和待校准数字接收机组成。信号发生器用来产生校准参考信号S_ref，S_ref经过功率分配器后进入到数字接收机。控制主机主要用来控制信号发生器的工作状态，并且控制数字接收机启动和停止校准过程以及校准数据存储等工作。 

多接收机的校准过程大体可分为工位检测、启动信号发生器、校准过程、数据存储四个步骤。 

工位检测：工位检测过程主要是判断各个工位是否有待校准的数字接收机存在，并且把参考信号的频率信息等信息发送给数字接收机，以便数字接收机实现本振信号频率的计算。 

启动信号发生器：启动信号发生器主要是控制主机配置信号发生器，使其产生出校准所需的参考信号S_ref。 

校准过程：在信号发生器进入正常工作状态后，控制主机即可通知数字接收机开始频率校准过程。在校准过程结束后，接收机就可把校准获得的数据发送给控制主机，然后等待控制主机的的指令。控制主机可以根据历史数据判断 本次校准数据的有效性，从而确定下一步的动作。 

数据存储：如果控制主机经过检查后认为此次校准数据有效，就可以通知接收机存储本次校准的数据。 

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (7)

1.一种数字接收机本振频率初始误差校准的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、利用信号发生器产生参考单音信号，并输出到所述数字接收机；

B、所述数字接收机将本振信号和所述参考单音信号进行混频，对混频信号进行低通滤波后采样，并对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率；

C、根据所述数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率；

D、根据所述本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频率初始误差校准；

所述步骤C中，在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据

计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据

计算得到本振信号频率，其中，f_o为本振信号频率，f_ref为参考单音信号频率，

为本振信号标称频率，

为数字基带信号频率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

当频率误差系数k_err远远小于1时，则所述步骤C中，在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据计算得到本振信号频率，其中， $k_{\mathrm{err}}=\frac{f_o-{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o}{{\stackrel{\&OverBar;}{f}}_o}.$

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：

根据

计算得到频率控制系数，其中，k为频率控制系数，f_o，c1为频率控制字c₁对应的本振信号频率，f_o，c2为频率控制字c₂对应的本振信号频率，c₁、c₂为校准过程中设置的两个频率控制字；

根据计算得到本振信号标称频率对应的频率控制字，其中，

为本振信号标称频率对应的频率控制字，

为本振信号标称频率，[ ]为取整运算；

将所述本振信号标称频率对应的频率控制字进行保存，以供所述数字接收机启动时，对所述本振信号标称频率对应的频率控制字进行数模转换后产生振荡器的控制电压。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤A中，所述参考单音信号进一步通过功率分配器输出到多个数字接收机。

5.一种数字接收机，包括压控振荡器、混频器、低通滤波器、模数转换器、傅立叶变换器、数模转换器，其特征在于，还包括本振信号频率计算器、误差校准器，其中：

压控振荡器，用于产生本振信号；

混频器，用于接收本振信号和信号发生器输出的参考单音信号，并将本振信号和参考单音信号进行混频；

低通滤波器，用于对混频信号进行低通滤波；

模数转换器，用于对滤波后的信号进行采样；

傅立叶变换器，用于对采样信号进行傅立叶变换，得到数字基带信号频率；

本振信号频率计算器，用于根据数字基带信号频率和参考单音信号频率，计算得到本振信号频率；

误差校准器，用于根据本振信号频率和本振信号标称频率进行本振频率初始误差校准；

数模转换器，用于对校准得到的频率控制字进行数模转换后产生压控振荡器的控制电压；

所述本振信号频率计算器进一步用于：

在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据

计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据

计算得到本振信号频率，其中，f_o为本振信号频率，f_ref为参考单音信号频率，

为本振信号标称频率，

为数字基带信号频率。

6.如权利要求5所述的数字接收机，其特征在于，当频率误差系数k_err远远小于1时，则所述本振信号频率计算器进一步用于：

在参考单音信号频率大于本振信号频率时，根据

计算得到本振信号频率，在参考单音信号频率小于本振信号频率时，根据

计算得到本振信号频率，其中，

7.如权利要求5所述的数字接收机，其特征在于，所述误差校准器进一步用于：

根据计算得到频率控制系数，其中，k为频率控制系数，f_o，c1为频率控制字c₁对应的本振信号频率，f_o，c2为频率控制字c₂对应的本振信号频率，c₁、c₂为校准过程中设置的两个频率控制字；

根据计算得到本振信号标称频率对应的频率控制字，其中，

为本振信号标称频率对应的频率控制字，

为本振信号标称频率，[ ]为取整运算。

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