CN102577357B - 射频前端和频谱传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端包括连接到信号加法器的第一多个自适应匹配网络，所述信号加法器将由分别连接到第一多个自适应匹配网络的第一多个天线接收到的信号进行组合，并将组合信号输出到第二多个降频转换器/调谐器中的每一个。降频转换器/调谐器分别地或共同地连接到模数转换器，该模数转换器将第二多个降频转换器/调谐器的输出转换成至少一个数字信号，该至少一个数字信号被输出到电视频带接收器和频谱传感器。

Description

射频前端和频谱传感器
发明领域
本发明一般涉及一种认知无线电，尤其涉及一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，其确定VHF/UHF TV带谱中的空带(空白区)。
发明背景
为未经授权的TV频带设备所使用而开发未使用的TV带谱造成了对能够动态识别VHF/UHF TV带谱中的空白区的电视带谱的需求。
感测VHF/UHF TV带谱中的空白区对于未经授权的TV频带设备的操作来说是一个重要的问题。对授权的主导营运商例如DTV广播公司和无线麦克风营运商的保护由联邦通信委员会(FCC)批准。FCC所批准的感测要求是相当严格的，并且要求TV频带设备被提供有关可获得的空白区的品质的信息，以允许TV频带设备高效地使用该空白区。由于FCC严格的感测临界值(-114dB)，所以以合理的成本来实现感测可获得的空白区的电视带谱是极具挑战性的任务。现有的低成本的技术，例如标准电视调谐，不能满足FCC感测临界值。
因此需要一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，用于识别VHF/UHF TV带谱中的空白区。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，以识别VHF/UHF TV带谱中的空白区。
因此，本发明提供了一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，其包括：适合于分别连接到第一多个天线中的相应的一个天线的第一多个自适应匹配网络；连接到所述第一多个自适应匹配网络的第二多个降频转换器/调谐器；以及将所述第二多个降频转换器/调谐器的输出转换成数字信号的至少一个模数转换器。
本发明还提供了一种用于射频前端的自适应匹配网络，其包括：适合于将第一多个天线中的一个的阻抗变换成相应的不同的阻抗的阻抗变换电路；被控制以衰减由所述多个天线中的所述一个接收的强信号的pin二极管衰减器；抑制接收到的所关注的信号带分流到接地的并联谐振电路；以及提升接收到的所关注的信号带的串联谐振电路。
本发明另外还提供了一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，其包括：适合于分别连接到相应的天线的至少两个自适应匹配网络；组合接收到的由所述至少两个自适应匹配网络输出的信号并输出组合信号的信号加法器；分别接收所述组合信号的至少两个降频转换器/调谐器；以及将至少两个相应的降频转换器/调谐器中的一个的输出分别转换成传递给所述电视频带接收器和频谱传感器的数字信号的至少两个模数转换器。
本发明还提供了一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，其包括：至少两个天线；组合由所述至少两个天线接收的信号并输出组合信号的第一信号加法器；分别接收所述组合信号的至少两个降频转换器/调谐器；将所述至少两个降频转换器/调谐中的每一个的输出组合成组合的调谐器信号的第二信号加法器；以及将所述组合的调谐器信号转换成传递给所述电视频带接收器和频谱传感器的数字信号的模数转换器。
本发明还提供了一种感测电视频带的空白区的方法，所述方法包括：动态地调谐第一多个天线中的每一个以选择性地接收电视带谱中的预定片段；将电视带谱中的片段传递到接收电视带谱中的片段的第二多个降频转换器/调谐器；将所述第二多个降频转换器/调谐器中的每一个的输出转换成数字信号；以及将所述数字信号传递给频谱传感器，所述频谱传感器搜寻所述数字信号中的空白区。
附图简述
在这样一般性地描述了本发明的性质之后，现将参考附图，其中：
图1a是依据本发明的射频前端的一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图1b是依据本发明的射频前端的另一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图2是依据本发明的射频前端的又一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图3是依据本发明的射频前端的又一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图4是依据本发明的射频前端的另一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图5是依据本发明的射频前端的另一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图6是依据本发明的射频前端的另一个实施方案的示意图，其用于与传感器一起提供的电视频带接收器，以识别电视频带空白区；
图7是示于图5中的射频前端的一个实施方式的示意图；以及
图8是示于图7中的射频前端的自适应匹配网络的一个实施方式的示意图。
优选实施方案的详述
本发明提供了一种用于电视频带接收器的射频前端，其与电视频带接收器和频谱传感器一起被提供，以识别电视频带空白区。射频前端具有至少两个天线自适应匹配网络，每一个网络都连接到相应的天线。自适应匹配网络共同连接到信号加法器，该信号加法器将每个自适应匹配网络的输出组合成组合信号，该组合信号被分配到两个或更多个并联降频转换器/调谐器(DC/调谐器)。控制每个DC/调谐器以选择组合信号的不同片段。每个DC/调谐器输出的中频可被馈送给相应的模数(A/D)转换器或组合并馈送给单独A/D转换器。A/D转换器输出的数字信号被传递给电视频带接收器和频谱传感器，其识别所选频谱段中的电视频带空白区。
图1a是依据本发明的用于电视频带接收器的射频前端20a的一个实施方案的示意图，其与电视频带接收器和频谱传感器56一起被提供，以识别电视频带空白区。依据本发明，射频(RF)前端20a连接到多个天线30a-30n。如本领域普通技术人员所理解的，天线30a-30n的数量取决于将被搜寻空白区的频谱的范围，可以是50-700MHz范围的全部或任何部分。另外如本领域普通技术人员所理解的，每个天线30a-30n的类型和配置均基于所关注的频谱以及设计选择，如将参考图7在下面更详细地解释的。
每个天线30a-30n连接到RF前端20的相应自适应匹配网络40a-40n。每个自适应匹配网络40a-40n可以通过RF前端控制58，使用信号线60a-60n，来选择性地并动态地调谐到相应天线30a-30n的接收器范围内的期望频率，如下面参考图8更详细地解释的。RF前端控制58对从电视频谱传感器56接收的指示进行回应，这可以用本领域已知的许多方法中的任一方法来实现。电视带谱传感器56不在本发明的范围内。
来自每个自适应匹配网络40a-40n的输出经由相应的连接41a-41n传递到自动增益控制器(AGC)和低噪声放大器(LNA)电路42a-42n。如下面将参考图7进一步解释的，AGC/LNA电路42a-42n的用途是平衡相应的天线30a-30n所接收的信号，以使弱信号(例如无线麦克风和其他窄带信号)不被强信号(例如紧邻RF前端20产生的DTV广播)淹没。自动增益控制器通过自动增益控制临界电压进行调整，该电压通过RF前端控制58经由相应的控制电路62a-62n提供给AGC/LNA电路42a-42n，如也将参考图7在下面更详细地解释的。每个AGC/LNA电路42a-42n的输出经由相应的连接43a-43n传递到信号加法器(组合器)44，这可例如实现为本领域公知的电阻网络。组合的信号经由相应的连接46a-46m输出到多个降频转换器/调谐器(DC/调谐器)48a-48m。DC/调谐器48a-48m的数量不依赖于自适应匹配网络40a-40n的数量，且不要求两者间一一对应。在本发明的一个实施方案中，DC/调谐器48a-48m是可从Infineon Technologies AG以零件号TUA-8045获得的DTV调谐器集成电路(IC)。
每个DC/调谐器48a-48m由RF前端控制58经由连接64a-64m来控制，以选择(调谐到)一般具有约6-8MHz带宽的特定RF频率。每个DC/调谐器48a-48m将选择的RF频率由电视带谱传感器56指导，并通过RF前端控制58经由信号连接62a-62n被传送到DC/调谐器48a-48m。DC/调谐器48a-48m将RF频率以本领域众所周知的方式下变频至适合于数字化的中频(IF)。DC/调谐器48a-48m输出的IF经由相应的连接50a-50m引导至模数(A/D)转换器52a-52m。IF由相应的A/D转换器52a-52m以预定的取样率(一般是ATSC符号率的24倍)进行取样，以产生IF信号的数字表示，其经由相应的连接54a-54m输出到电视带谱传感器56。
图1b是依据本发明的射频前端20b的另一个实施方案的示意图。在此实施方案中，降频转换器/调谐器46a-n的数量等于自适应匹配网络40a-n的数量。因此，不需要以上参考图1a描述的信号加法器44，且在每个AGC/LNA电路42a-42n和相应的降频转换器/调谐器48a-48n之间有直接连接。另外，射频前端20b等同于以上参考图1a所描述的射频前端。应理解，尽管这种结构不是以下参考图2-6所描述的每种实施方案的重复，但那些实施方案中的任一实施方案都可按图1b中显示的被构建，只要降频转换器/调谐器的数量等于自适应匹配网络的数量，且因此等于连接到RF前端的天线的数量。
图2是依据本发明的射频前端22的另一个实施方案的示意图。RF前端22等同于以上参考图1a描述的实施方案，只不过DC/调谐器48a-48m的输出经由相应的连接49a-49m被路由到IF加法器(IF组合器)51，其可以与以上参考图1a所描述的信号加法器44相同的方式来实现。组合的IF信号经由连接53被传递到A/D转换器52，其以预定的取样率对组合的IF信号进行取样，并经由连接54向电视带谱传感器56输出组合的IF信号的数字表示。
图3是依据本发明的射频前端24的又一个实施方案的示意图。RF前端24等同于以上参考图1a描述的实施方案，只不过因电视带谱传感器56所决定的多个原因中的任何一个或多个原因，来自天线30a-30n的每一个的输出可通过相应的开关70a-70n被分流到接地(被禁用)。开关70a-70n通过以下方式被控制：RF前端控制58在电视带谱传感器56的指导下，使用相应的连接72a-72n来以本领域已知的方式施加控制电压。
图4是依据本发明的射频前端26的又一个实施方案的示意图。RF前端26等同于以上参考图3描述的实施方案，只不过DC/调谐器48a-48m的输出被路由至IF信号加法器51并通过A/D转换器52被数字化，如以上参考图2所描述的。
图5是依据本发明的射频前端28的又一个实施方案的示意图。RF前端28等同于以上参考图4描述的实施方案，只不过相应的DC/调谐器48a-48m的操作通过添加IF滤波器和IF滤波器选择器78a-78m而被进一步增强。每组IF滤波器和相关的IF滤波器选择器78a-78m接收由相关的DC/调谐器48a-48m输出的IF信号，并将IF信号传递通过所选的IF滤波器，如下面将参考图7更加详细地解释的。滤波的IF信号路由回DC/调谐器48a-48m，其可进一步在IF信号被传递至相关的A/D转换器52a-52m之前对IF信号进行下变频，如参考图1a在以上所描述的那样。IF滤波器选择器对适当IF滤波器的选择通过RF前端控制58在电视带谱传感器56的指导下使用信号连接80a-80m来控制。
图6是依据本发明的射频前端32的又一个实施方案的示意图。RF前端32等同于以上参考图5描述的实施方案，只不过DC/调谐器48a-48m的输出被路由至IF信号加法器51并通过A/D转换器52被数字化，如以上参考图2所描述的。
图7是示于图5的射频前端28的一个实施方式的示意图。在此实施方式中，RF前端28连接到三个天线100a、100b和100c。天线100a和100b是本领域众所周知的盘锥天线(disc-cone antenna)。例如，天线100a可被动态地调谐，以接收50MHz-150MHz范围内的信号。例如，天线100b可被动态地调谐，以接收150MHz-350MHz范围内的信号。例如，天线100c是简单的环形天线，其可被动态地调谐，以接收350MHz-700MHz范围内的信号。相应的天线100a-100c被连接到相应的平衡-不平衡转换器102a-102c，其以本领域公知的方式将平衡的天线输出转变为不平衡的信号。每个平衡-不平衡转换器102a-102c经由连接器104a-104c被耦合到RF前端28的相应自适应匹配网络40a-40c。自适应匹配网络40a-40c分别包括可调谐的匹配网络106a-106c和pin二极管衰减器114a-114c，自适应匹配网络40a-40c示例性的结构和功能将在以下参考图8来描述。
如将参考图8在以下所解释的，每个可调谐匹配网络106a-106c通过经由控制线112a-112c由数字电位计110施加的控制电压而被动态地调谐，所述数字电位计的构造和功能是本领域已知的。数字电位计110经由电荷隔离器108被耦合到耦合于RF前端控制58的数据线(SDA)和数据时钟线(SCL)。RF前端控制58提供数据给数字电位计110，以调整提供给可调谐匹配网络106a-106b的相应的控制电压。来自自适应匹配网络40a-40c的输出流向相应的低噪声放大器(LNA)116a-116c，其向输出信号提供20-30dB的增益。相应的LNA116a-116c的输出通过相应的二极管118a-118c反馈回自动增益控制器(AGC)120a-120c，其比较反馈与通过数字电位计124经由控制线126a-126c施加的AGC临界电压。数字电位计124通过到数据线(SDA)和数据时钟线(SCL)的电荷隔离器122，耦合到RF前端控制58。RF前端控制58向数字电位计124提供数据，以控制每个AGC临界电压126a-126c。电荷隔离器108、122使控制电路与接收器电路隔离，以最小化电子噪声传递。电荷隔离器108、124可以例如是本领域公知的光隔离器。AGC 120a-120c依赖于通过二极管118a-118c反馈回的信号和经由控制线126a-126c施加的相应的AGC临界电压之间的功率差异，向pin二极管衰减器114a施加控制电压，以使得强信号通过pin二极管衰减器114a-114c衰减。
来自LNA 116a-116b的输出通过信号加法器电路44组合，信号加法器电路的例子在本领域是众所周知的。组合信号经由连接128a和128b被平行馈送到相应的DC/调谐器(例如DTV调谐器IC)130a-130b。如上所述，DC/调谐器130a和130b例如为InfineonTechnologies的TUA-6045DTV调谐器IC。组合信号以本领域公知的方式由相应的DC/调谐器130a、130b向下取样，以提供中频(IF)信号，该中频信号经由相应的连接131a和131b输出到相应的开关对132a-134a以及132b-134b。开关对132a-134a以及132b-134b通过RF前端控制58分别经由信号线136a(调谐器滤波器1)和136b(调谐器滤波器2)被同时控制，以选择IF滤波器，或以旁路IF滤波器。此实施例中，开关对132a-134a和132b-134b为用于分别选择两个IF滤波器138或140以及142或144中的一个的三极开关。IF滤波器可通过将向开关对132a和134a或132b和134b移动到中心位置以选择相应的滤波器旁路线135a和13513而被旁路。IF滤波器138-11/1被静态地执行，以滤出除了组合信号的所选片段外的所有信号，以便降低相应的DC/调谐器130a和130b中的噪声。相应的滤波器由RF前端控制58基于所关注的频谱段来选择。尽管在此示例性实施方案中，2个IF滤波器与DC/调谐器130a和130b中的每一个相关联，但应该理解，本发明不限于此示例性的实施方式。来自相应的开关134a和134b的输出经由连接137a和137b被反馈回相应的DC/调谐器130a和130b。
每个DC/调谐器130a和130b的调谐功能经由相应的数据线(SDA)和数据时钟线(SCL)受RF前端控制58控制，以将相应的DC/调谐器调谐到经由连接137a和137b返回的IF信号的特定片段。由晶体振荡器(XTAL)152输出的定时信号由相应的DC/调谐器130a、130b使用，用于以本领域公知的方式的调谐功能。来自相应的DC/调谐器130a和130b的输出通过相应的平衡-不平衡转换器154a和154b传递到相应的模数(A/D)转换器156a和156b，所述模数转换器以本领域公知的方式将DC/调谐器130a和130b所输出的相应的模拟信号转变成输出的数字表示。数字信号被输出到电视带谱传感器56，其依照已知的空白区传感器演算法处理数字信号，以检测电视频带空白区。
图8是示于图7中的射频前端的自适应匹配网络40a的一个实施方式的示意图。天线100a在300连接到自适应匹配网络40a。旁路连接器302允许自适应匹配网络40a被旁路。通过RF前端控制58经由调谐器旁路350控制的单刀双掷开关(SPDTS)304被用来选择来自自适应匹配网络40a或旁路连接器302的输出，如将在以下详细说明的。
在本实施方案中，自适应匹配网络40a包括阻抗变换器和低通滤波器304、pin二极管衰减器114a、并联谐振块326和串联谐振块338。并联谐振块326和串联谐振块338共同形成示于图5中的可调谐匹配网络106a。阻抗变换器和低通滤波器304将天线100a的阻抗转变为不同的阻抗用于最大信号功率传递。阻抗变换器和低通滤波器304包括串联连接的电容器306和感应器308以及接地的支路电容器310，其每一个的值都以本领域中公知的方式选择，以执行期望的阻抗转变。Pin二极管衰减器114a通过AGC 120a输出到控制线121a的控制电压来控制。控制电压被施加到互连的电阻314a、314b和电容器/接地316a、316b电路，其分别连接到阻止电流流向AGC 120a的二极管318a和318b。控制电压被施加到电容器320、电阻器322和感应器324的相对的端子，以衰减或提升接收到的信号，如所期望的那样。pin二极管衰减器114a的输出流向并联谐振块326，该并联谐振块阻止接收到的信号分流到接地。
并联谐振块326包括电容器328，电容器的输出端子连接到平行连接的感应器330和变容器332。变容器332的电容受控制电压的控制，所述控制电压由RF前端控制58施加到连接到电阻334的调谐器频带导体(Tuner Band conductor)336。串联谐振块338提升所接收的信号。串联谐振块338包括与感应器344串联连接的变容器340。调谐器频带336控制电压通过电阻器342被施加，以控制变容器340的电容。调谐器频带336控制电压通过RF前端控制58使用例如查找表(未示出)来选择，以将天线100a动态地调谐到电视带谱的期望片段。并联谐振块326和串联谐振块338的元件的元件值例如以本领域中公知的方式使用Smith Chart来选择。
如以上所说明的，对自适应匹配网络40a或旁路302的选择受RF前端控制58的控制，其向连接到串联连接的反向器352a和352b的调谐器旁路MO施加控制电压。反向器352a耦合到电容器354。当调谐器旁路350被驱动为低时，反向器352a驱动线路356和358为高，而反向器352b驱动线路360为低，这使SPDTS 304将自适应匹配网络40a的输出转成RF_Out 362。当调谐器旁路350被驱动为高时，反向器352a驱动线路356和358为低，而反向器352b驱动线路360为高，这使SPDTS 304将旁路302的输出转成RF_Out 362。因而，RF前端控制58被给予了自适应匹配网络40a的完全控制。
以上描述的发明的实施方案意指依据本发明的电视频带接收器和频谱传感器的射频前端仅是示例性的。因此，意味着本发明的范围仅由所附权利要求的范围所限制。

Claims (20)

1.一种用于电视频带接收器和频谱传感器的射频前端，其包括：
多个天线，每一个所述天线具有相关接收器频率范围；
第一多个自适应匹配网络，其适合于分别连接到所述多个天线中的相应的一个天线，并且能够选择性地并动态地被调谐到所述相应天线的所述接收器范围内的期望频率；
第二多个降频转换器/调谐器，其连接到所述第一多个自适应匹配网络，并且能够提供从所述第一多个自适应匹配网络接收的信号的中频信号的输出；
至少一个模数转换器，其将所述第二多个降频转换器/调谐器的输出转换成数字信号；以及
射频前端控制，其向所述第一多个自适应匹配网络中的每一个施加控制信号，以将所述第一多个自适应匹配网络中的每一个调谐到期望频率。
2.如权利要求1所述的射频前端，还包括连接在所述第一多个自适应匹配网络和所述第二多个降频转换器/调谐器之间的信号加法器，其中自适应匹配网络的数量不同于降频转换器/调谐器的数量。
3.如权利要求1所述的射频前端，还包括信号加法器，所述信号加法器将所述第二多个降频转换器/调谐器的输出组合并将组合的输出馈送到一个模数转换器。
4.如权利要求1所述的射频前端，其中所述第一多个自适应匹配网络中的每一个包括串联连接的pin二极管衰减器和可调谐的匹配网络。
5.如权利要求1所述的射频前端，还包括串联连接在每个所述自适应匹配网络和所述降频转换器/调谐器之间的低噪声放大器。
6.如权利要求5所述的射频前端，还包括与所述低噪声放大器并联连接的自动增益控制器，所述自动增益控制器从所述低噪声放大器的输出接收反馈。
7.如权利要求6所述的射频前端，其中所述自动增益控制器比较来自所述低噪声放大器的所述反馈与自动增益控制临界电压，并产生自动增益控制电压。
8.如权利要求7所述的射频前端，其中所述第一多个自适应匹配网络中的每一个包括串联连接的pin二极管衰减器和可调谐的匹配网络，并且其中所述自动增益控制电压被施加到所述pin二极管衰减器。
9.如权利要求1所述的射频前端，还包括连接到所述降频转换器/调谐器中的每一个的中频输出的中频滤波器选择器。
10.如权利要求9所述的射频前端，其中所述中频滤波器选择器包括成对的开关，用于选择至少两个中频滤波器中的一个。
11.如权利要求10所述的射频前端，还包括中频旁路，所述中频旁路可由所述成对的开关选择以将所述至少两个中频滤波器旁路。
12.如权利要求10所述的射频前端，其中所述中频选择器的输出被反馈回所述中频选择器所连接的所述第二多个降频转换器/调谐器中的一个。
13.如权利要求1所述的射频前端，还包括第一多个开关，用于将相应的自适应匹配网络的任一个的输出分别分流到接地。
14.如权利要求1所述的射频前端，还包括控制所述降频转换器/调谐器中的每一个的调谐功能的射频前端控制。
15.如权利要求14所述的射频前端，还包括指导所述射频前端控制的电视频谱传感器。
16.如权利要求1所述的射频前端，其中每个所述降频转换器/调谐器分别包括数字电视调谐器集成电路。
17.如权利要求1所述的射频前端，其中所述第一多个自适应匹配网络中的每一个包括：
阻抗变换电路，其适合于将所述多个天线中的一个的阻抗变换成相应的不同的阻抗；
pin二极管衰减器，其被控制以衰减由所述多个天线中的所述一个接收的强信号；
并联谐振电路，其抑制接收到的所关注的信号带分流到接地；以及
串联谐振电路，其用于提升接收到的所关注的信号带。
18.如权利要求17所述的射频前端，其中所述第一多个自适应匹配网络中的每一个还包括旁路电路，用于使所述阻抗变换电路、所述pin二极管衰减器、所述并联谐振电路以及所述串联谐振电路旁路。
19.如权利要求17所述的射频前端，其中所述第一多个自适应匹配网络中的每一个还包括开关，所述开关由射频前端控制来控制，以选择性地转换到所述旁路电路。
20.如权利要求1所述的射频前端，其还包括：
第一信号加法器，其组合由所述至少两个天线通过所述第一多个自适应匹配网络接收的信号并输出组合信号；
第二信号加法器，其将所述第二多个降频转换器/调谐器中的每一个的输出组合成经组合的调谐器信号。
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