CN109474288B - 基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，包括预选滤波器模块，用于滤除本机之外的信号；检测接收通道模块，用于提取通道内的强信号；抵消通道模块，用于产生抵消信号；接收机通道模块，用于处理经过通道的信号。采用了本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，通过射频信号抵消的方法，实现强干扰情况下，小信号接收的有效性。具有以下优点：通过抵消机制，可以有效抑制通道中存在的强干扰信号，从而实现了小信号的测量分析等，相同的电路结构，大大提高了***的线性动态范围，通过这个方法，至少改善***动态范围20dB，经过精细校准后可达30～35dB。
Description
技术领域
本发明涉及信号分析领域，尤其涉及接收机信号分析技术领域，具体是指一种基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构。
背景技术
接收机是中广泛使用的设备，其作用是接收信号，进行信号的分析、测量、信息还原等。根据接收机的技术架构，可分为超外差接收机和零中频接收机等。其中，最常用的是超外差接收机，其特点是工作频段宽、灵敏度高。典型的接收机架构如图1所示。
其工作原理是将输入信号进行下变频到一个固定中频信号上，后续进行ADC和相关信号处理，已提取相关信息。这种超外差结构因***的工作频段、带宽等因素的考虑，变频级数会有1～4级不等。随着级数的增多，内部的放大、滤波电路也需要相应增加，电路结构非常复杂。大量模拟器件的加入，使***的动态范围设计比较困难。在某些应用场合下，***需要接收和分析的有用信息是一些微弱信号，而这些微弱信号的频段周围又存在一些强信号，而强信号是***不关心的。比如，雷达多普勒反射波寄存在大功率发射信号的边带上，高灵敏度的无线通信模块周围存在高强度的其它运营商基站信号等。
为了能够实现以上场景下的信号接收，现有的各种接收机技术方案主要从模拟射频通道入手，采用了一些手段和措施，主要有：
(1)***前端通过滤波器进行大、小信号的分离。这种方式最直接，但对滤波器的要求较高，尤其是信号频率间隔很近的情况下，此方法是无效的。
(2)优化硬件电路设计，进行合理增益分配，对放大器、混频器等电路进行优化设计，改善线性度的性能指标，但这种方式的硬件设计难度大，且优化程度有限。
综上所述，现有接收机的技术方案，对存在与小信号频率附近的强干扰信号，如果这种强干扰信号的幅度达到了***非线性工作范围，通道将产生各种非线性产物，从而影响小信号的解析。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足自动跟踪、自动抵消、适用范围广的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构。
为了实现上述目的，本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构如下：
本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其主要特点是，所述的电路结构包括：
预选滤波器模块，所述的预选滤波器模块的输出端与功分器相连接，用于滤除本机之外的信号；
检测接收通道模块，所述的检测接收通道模块的输入端与所述的预选滤波器模块的输出端相连接，用于提取通道内的强信号；
抵消通道模块，所述的抵消通道模块的输入端与所述的检测接收通道模块的输出端相连接，用于产生抵消信号；
接收机通道模块，所述的接收机通道模块的输入端与所述的预选滤波器模块和抵消通道模块的输出端相连接，用于处理经过通道的信号。
较佳地，所述的检测接收通道模块包括：
第一混频器，所述的第一混频器的输入端与所述的功分器的输出端相连接，用于将射频信号变频到中频信号；
第一带通滤波器，所述的第一带通滤波器的输入端与所述的第一混频器的输出端相连接，用于进行抗混叠；
第一模数变换器，所述的第一模数变换器的输入端与所述的第一带通滤波器的输出端相连接，用于将模拟中频信号变换成数字信号；
第一数字下变频器，所述的第一数字下变频器的输入端与所述的第一模数变换器的输出端相连接，用于将信号变换成I/Q信号；
第一带宽控制单元，所述的第一带宽控制单元的输入端与所述的第一数字下变频器的输出端相连接，所述的第一带宽控制单元的输出端与所述的抵消通道模块相连接，用于选择拟抵消信号的带宽和频率。
较佳地，所述的抵消通道模块包括：
数字上变频器，所述的数字上变频器的输入端与所述的检测接收通道模块的输出端相连接，用于将信号变换成数字中频信号；
数字延迟电路单元，所述的数字延迟电路单元的输入端与所述的数字上变频器的输出端相连接，用于精细调控信号相位；
数模变换器，所述的数模变换器的输入端与所述的数字延迟电路单元的输出端相连接，用于将数字信号转换成模拟信号；
低通滤波器，所述的低通滤波器的输入端与所述的数模变换器的输出端相连接，用于滤除高频时钟信号，并产生与原始信号大小相等且相位相反的中频模拟信号。
较佳地，所述的抵消通道模块还包括第二混频器，所述的第二混频器的输入端与所述的低通滤波器的输出端相连接，用于将信号变换到射频频段上。
较佳地，所述的接收机通道模块包括：
延时电路单元，所述的延时电路单元的输入端与所述的功分器的输出端相连接，用于对模拟信号进行延时；
求和电路单元，所述的求和电路单元的输入端与所述的延时电路单元的输出端和抵消通道模块的第二混频器的输出端相连接，用于对原始的接收信号和变换后的信号进行求和操作；
第三混频器，所述的第三混频器的输入端与所述的求和电路单元的输出端相连接，用于对射频信号进行变频；
第二带通滤波器，所述的第二带通滤波器的输入端与所述的第三混频器的输出端相连接，用于进行抗混叠；
第二模数变换器，所述的第二模数变换器的输入端与所述的第二带通滤波器的输出端相连接，用于将模拟信号变换成数字信号；
第二数字下变频器，所述的第二数字下变频器的输入端与所述的第二模数变换器的输出端相连接，用于将信号变换成I/Q信号。
较佳地，所述的第一带宽控制单元的带宽由电路结构控制。
较佳地，所述的检测接收通道模块和接收机通道模块共用本振信号。
较佳地，所述的第一数字下变频器和第二数字下变频器的频率差值为强弱信号的频率差值。
较佳地，所述的检测接收通道模块还包括第一本振单元，所述的第一本振单元的输出端与所述的第一混频器的输入端相连接。
较佳地，所述的抵消通道模块还包括第二本振单元，所述的第二本振单元的输出端同时与所述的第二混频器的输入端和第三混频器的输入端相连接。
较佳地，所述的第一本振单元的输出端还与所述的第三混频器的输入端相连接。
采用了本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，通过射频信号抵消的方法，实现强干扰情况下，小信号接收的有效性。具有以下优点：(1)通过抵消机制，可以有效抑制通道中存在的强干扰信号，从而实现了小信号的测量分析等，相同的电路结构，大大提高了***的线性动态范围，通过这个方法，至少改善***动态范围20dB，经过精细校准后可达30～35dB。(2)此方法尤其适合信号频率间隔很近的信号处理，而此前，对于这种带内的干扰信号处理是非常困难甚至无法实现的。(3)抵消信号的间隔和带宽都是可程控和自动跟踪的，使用方便。(4)本方案具有一定可扩展性，可增加检测通道数量，已实现过个强干扰信号存在的应用场合。
附图说明
图1为现有技术的典型超外差接收机框图。
图2为本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构的示意图。
图3为本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构的监测和接收通道的信号处理示意图。
图4为本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构的实施例一的方案改进后的宽带抵消方案示意图。
图5为本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构的实施例二的使用高速DAC产生抵消信号的改进方案示意图。
附图标记：
Mixer1 第一混频器
BPF1 第一带通滤波器
ADC1 第一模数变换器
DDC1 第一数字下变频器
BWC 第一带宽控制单元
DUC 数字上变频器
DDL 数字延迟电路单元
LPF 低通滤波器
Mixer3 第二混频器
DL 延时电路单元
Mixer2 第三混频器
BPF2 第二带通滤波器
ADC2 第二模数变换器
DDC2 第二数字下变频器
LO1 第一本振单元
LO2 第二本振单元
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其中，所述的电路结构包括：
预选滤波器模块，所述的预选滤波器模块的输出端与功分器相连接，用于滤除本机之外的信号；
检测接收通道模块，所述的检测接收通道模块的输入端与所述的预选滤波器模块的输出端相连接，用于提取通道内的强信号；
抵消通道模块，所述的抵消通道模块的输入端与所述的检测接收通道模块的输出端相连接，用于产生抵消信号；
接收机通道模块，所述的接收机通道模块的输入端与所述的预选滤波器模块和抵消通道模块的输出端相连接，用于处理经过通道的信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的检测接收通道模块包括：
第一混频器Mixer1，所述的第一混频器Mixer1的输入端与所述的功分器的输出端相连接，用于将射频信号变频到中频信号；
第一带通滤波器BPF1，所述的第一带通滤波器BPF1的输入端与所述的第一混频器Mixer1的输出端相连接，用于进行抗混叠；
第一模数变换器ADC1，所述的第一模数变换器ADC1的输入端与所述的第一带通滤波器BPF1的输出端相连接，用于将模拟中频信号变换成数字信号；
第一数字下变频器DDC1，所述的第一数字下变频器DDC1的输入端与所述的第一模数变换器ADC1的输出端相连接，用于将信号变换成I/Q信号；
第一带宽控制单元BWC，所述的第一带宽控制单元BWC的输入端与所述的第一数字下变频器DDC1的输出端相连接，所述的第一带宽控制单元BWC的输出端与所述的抵消通道模块相连接，用于选择拟抵消信号的带宽和频率。
作为本发明的优选实施方式，所述的抵消通道模块包括：
数字上变频器DUC，所述的数字上变频器DUC的输入端与所述的检测接收通道模块的输出端相连接，用于将信号变换成数字中频信号；
数字上变频器DDL，所述的数字上变频器DDL的输入端与所述的数字上变频器DUC的输出端相连接，用于精细调控信号相位；
数模变换器，所述的数模变换器的输入端与所述的数字上变频器DDL的输出端相连接，用于将数字信号转换成模拟信号；
低通滤波器LPF，所述的低通滤波器LPF的输入端与所述的数模变换器的输出端相连接，用于滤除高频时钟信号，并产生与原始信号大小相等且相位相反的中频模拟信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的抵消通道模块还包括第二混频器Mixer3，所述的第二混频器Mixer3的输入端与所述的低通滤波器LPF的输出端相连接，用于将信号变换到射频频段上。
作为本发明的优选实施方式，所述的接收机通道模块包括：
延时电路单元DL，所述的延时电路单元DL的输入端与所述的功分器的输出端相连接，用于对模拟信号进行延时；
求和电路单元，所述的求和电路单元的输入端与所述的延时电路单元DL的输出端和抵消通道模块的第二混频器Mixer3的输出端相连接，用于对原始的接收信号和变换后的信号进行求和操作；
第三混频器Mixer2，所述的第三混频器Mixer2的输入端与所述的求和电路单元的输出端相连接，用于对射频信号进行变频；
第二带通滤波器BPF2，所述的第二带通滤波器BPF2的输入端与所述的第三混频器Mixer2的输出端相连接，用于进行抗混叠；
第二模数变换器ADC2，所述的第二模数变换器ADC2的输入端与所述的第二带通滤波器BPF2的输出端相连接，用于将模拟信号变换成数字信号；
第二数字下变频器DDC2，所述的第二数字下变频器DDC2的输入端与所述的第二模数变换器ADC2的输出端相连接，用于将信号变换成I/Q信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一带宽控制单元BWC的带宽由电路结构控制。
作为本发明的优选实施方式，所述的检测接收通道模块和接收机通道模块共用本振信号。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一数字下变频器DDC1和第二数字下变频器DDC2的频率差值为强弱信号的频率差值。
作为本发明的优选实施方式，所述的检测接收通道模块还包括第一本振单元LO1，所述的第一本振单元LO1的输出端与所述的第一混频器Mixer1的输入端相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的抵消通道模块还包括第二本振单元LO2，所述的第二本振单元LO2的输出端与所述的第二混频器Mixer3的输入端和第三混频器Mixer2的输入端相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述的第一本振单元LO1的输出端还与所述的第三混频器Mixer2的输入端相连接。
本发明的具体实施方式中，本发明的***框图和连接关系如图2所示，接收机的射频输入首先经过预选滤波器模块，滤除本机之外的信号，然后进入一个功分器，之后，***分成3个通道，分别是检测接收通道模块、接收机通道模块以及产生抵消信号的抵消通道模块。功分器的一路输出进入检测接收通道模块，该通道模块主要是提取通道内的强信号，与接收机通道模块的处理流程类似，首先是经过混频器Mixer变换成中频信号，经过带通滤波器BPF后进入模数变换器ADC，经过数字下变频器DDC变换成I/Q信号，经过第一带宽控制单元BWC对拟抵消信号的带宽和频率进行选择，其带宽是可以通过控制的。
附图中Pre Filter为预选滤波器模块，Detect Channel为检测接收通道模块，Receive Channel为接收机通道模块，Cancel Channel为抵消通道模块。
检测接收通道模块的I/Q输出信号进入抵消通道模块，经过数字上变频DUC变换成数字中频，然后经过数字延迟电路DDL，该数字延迟电路可精细调控信号相位，然后送往数模变换器DAC，变换成模拟信号，经低通滤波器滤除高频时钟信号后产生与原始信号大小相等，相位相反的中频模拟信号，在经过上混频器Mixer3变换到射频频段上，进入接收机通道，与原始的接收信号求和，再进入混频器。此时，进入混频器的信号将只含有小信号，而大信号因相位相反，已经抵消。降低了后面混频器和放大器电路的线性度要求。接收机通道中的延时电路DL对模拟信号进行延时，以保证抵消信号产生的时间与本通道一致。***设计中，对ADC的采样率尽可能提高，否则计算延迟过大，会使***失效。
附图2中检测接收通道模块和接收机通道模块，共用一个本振信号，这种设计可以实现中频通带带宽内的干扰消除，如图3所示，该图给出了两路数字下变频DDC电路的实现方法。其架构基本一致，主要是由乘法器、FIR滤波器、半带滤波器HB、数字振荡器NCO构成，二者有两个区别，两个数字振荡器的频率不同，图中可以看出，两个频率相差Δf，这个Δf就是强弱信号的频率差，该频差由***测量获得后反馈输入。另外检测通道需要一个带宽控制电路，其目的是控制抵消信号的带宽，由一组滤波因此可重组的数字滤波器构成。
附图2和附图3构成的***，可以对中频带内的信号进行抵消，此时大小信号的频率间隔较近，在射频端用滤波器难以分离。
本发明的实施例一也可用于一些宽带接收机和信号频率间隔较宽的场合，如附图4所示。与附图2相比，检测通道使用了独立的本振单元，而不是与接收机通道共用本振，这个***的适应性更强，不但可以抵消近端的信号，而且可以抵消频率更远的信号。只是硬件***会提高，结构会复杂。此时，两个本振第频差将设置到接收机通道与干扰信号的频差上。
对于抵消信号的产生，目前的高速DAC已经开始成熟并提供商用，直接通过DAC即可输出宽带射频信号。本发明的实施例二给出了一种直接通过DAC产生抵消信号的方案，如附图5所示，该方案由于减少了上变频的流程，对抵消通道的复杂度大大降低。
由于本发明的该基于射频抵消机制的***方案，可有效降低大信号对***的影响，通过监测感兴趣信号周边频谱的实际功率，实时产生与该信号功率相等、相位相反的信号，在射频通道中抵消打信号，从而为提升接收机***实际动态范围，并且具有自动跟踪、自动抵消，非常适合微弱信号接收机的应用。
采用了本发明的上述基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，通过射频信号抵消的方法，实现强干扰情况下，小信号接收的有效性。具有以下优点：(1)通过抵消机制，可以有效抑制通道中存在的强干扰信号，从而实现了小信号的测量分析等，相同的电路结构，大大提高了***的线性动态范围，通过这个方法，至少改善***动态范围20dB，经过精细校准后可达30～35dB。(2)此方法尤其适合信号频率间隔很近的信号处理，而此前，对于这种带内的干扰信号处理是非常困难甚至无法实现的。(3)抵消信号的间隔和带宽都是可程控和自动跟踪的，使用方便。(4)本方案具有一定可扩展性，可增加检测通道数量，已实现过个强干扰信号存在的应用场合。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (9)
1.一种基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括：
预选滤波器模块，所述的预选滤波器模块的输出端与功分器相连接，用于滤除本机之外的信号；
检测接收通道模块，所述的检测接收通道模块的输入端与所述的预选滤波器模块的输出端相连接，用于提取通道内的强信号；
抵消通道模块，所述的抵消通道模块的输入端与所述的检测接收通道模块的输出端相连接，用于产生抵消信号；
接收机通道模块，所述的接收机通道模块的输入端与所述的预选滤波器模块和抵消通道模块的输出端相连接，用于处理经过通道的信号；
所述的检测接收通道模块包括：
第一混频器(Mixer1)，所述的第一混频器(Mixer1)的输入端与所述的功分器的输出端相连接，用于将射频信号变频到中频信号；
第一带通滤波器(BPF1)，所述的第一带通滤波器(BPF1)的输入端与所述的第一混频器(Mixer1)的输出端相连接，用于进行抗混叠；
第一模数变换器(ADC1)，所述的第一模数变换器(ADC1)的输入端与所述的第一带通滤波器(BPF1)的输出端相连接，用于将模拟中频信号变换成数字信号；
第一数字下变频器(DDC1)，所述的第一数字下变频器(DDC1)的输入端与所述的第一模数变换器(ADC1)的输出端相连接，用于将信号变换成I/Q信号；
第一带宽控制单元(BWC)，所述的第一带宽控制单元(BWC)的输入端与所述的第一数字下变频器(DDC1)的输出端相连接，所述的第一带宽控制单元(BWC)的输出端与所述的抵消通道模块相连接，用于选择拟抵消信号的带宽和频率；
所述的第一带宽控制单元(BWC)的带宽由电路结构控制。
2.根据权利要求1所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的抵消通道模块包括：
数字上变频器(DUC)，所述的数字上变频器(DUC)的输入端与所述的检测接收通道模块的输出端相连接，用于将信号变换成数字中频信号；
数字上变频器(DDL)，所述的数字上变频器(DDL)的输入端与所述的数字上变频器(DUC)的输出端相连接，用于精细调控信号相位；
数模变换器，所述的数模变换器的输入端与所述的数字上变频器(DDL)的输出端相连接，用于将数字信号转换成模拟信号；
低通滤波器(LPF)，所述的低通滤波器(LPF)的输入端与所述的数模变换器的输出端相连接，用于滤除高频时钟信号，并产生与原始信号大小相等且相位相反的中频模拟信号。
3.根据权利要求2所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的抵消通道模块还包括第二混频器(Mixer3)，所述的第二混频器(Mixer3)的输入端与所述的低通滤波器(LPF)的输出端相连接，用于将信号变换到射频频段上。
4.根据权利要求3所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的接收机通道模块包括：
延时电路单元(DL)，所述的延时电路单元(DL)的输入端与所述的功分器的输出端相连接，用于对模拟信号进行延时；
求和电路单元，所述的求和电路单元的输入端与所述的延时电路单元(DL)的输出端和抵消通道模块的第二混频器(Mixer3)的输出端相连接，用于对原始的接收信号和变换后的信号进行求和操作；
第三混频器(Mixer2)，所述的第三混频器(Mixer2)的输入端与所述的求和电路单元的输出端相连接，用于对射频信号进行变频；
第二带通滤波器(BPF2)，所述的第二带通滤波器(BPF2)的输入端与所述的第三混频器(Mixer2)的输出端相连接，用于进行抗混叠；
第二模数变换器(ADC2)，所述的第二模数变换器(ADC2)的输入端与所述的第二带通滤波器(BPF2)的输出端相连接，用于将模拟信号变换成数字信号；
第二数字下变频器(DDC2)，所述的第二数字下变频器(DDC2)的输入端与所述的第二模数变换器(ADC2)的输出端相连接，用于将信号变换成I/Q信号。
5.根据权利要求1所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的检测接收通道模块和接收机通道模块共用本振信号。
6.根据权利要求5所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的第一数字下变频器(DDC1)和第二数字下变频器(DDC2)的频率差值为强弱信号的频率差值。
7.根据权利要求4所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的检测接收通道模块还包括第一本振单元(LO1)，所述的第一本振单元(LO1)的输出端与所述的第一混频器(Mixer1)的输入端相连接。
8.根据权利要求4所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的抵消通道模块还包括第二本振单元(LO2)，所述的第二本振单元(LO2)的输出端同时与所述的第二混频器(Mixer3)的输入端和第三混频器(Mixer2)的输入端相连接。
9.根据权利要求7所述的基于反相抵消机制提高接收机动态范围的电路结构，其特征在于，所述的第一本振单元(LO1)的输出端还与所述的第三混频器(Mixer2)的输入端相连接。
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