МНОГОРЕЖИМНЫЙ ПРИЕМНИК ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК H04B1/30 

Изобретение вообще относится к многодиапазонным устройствам и системам беспроводной связи. Более конкретно, настоящее изобретение относится к многодиапазонным устройствам и системам беспроводной связи, содержащим прямое преобразование, а не супергетеродинные схемы.

В связи с тем что область беспроводной связи продолжает развиваться быстрыми темпами, все большее число применяемых систем и частотных диапазонов вступают в противоречие с требованием пользователей о повышении мобильности. То есть, возникает проблема, когда различные пользователи становятся абонентами систем беспроводной связи, использующих различные технические стандарты. Чтобы избежать этой проблемы, были предложены глобальные стандартизированные системы, в которых один и тот же частотный диапазон используется всеми системами беспроводной связи.

Однако это решение не практично, потому что системы беспроводной связи являются коммерческими предприятиями, которые стремятся получить как можно больше прибыли от своих капиталовложений во многие уже существующие различные системы или уже разрабатываемые системы. История также подсказывает, что чрезвычайно трудно всем производителям согласится на одну стандартизированную систему.

Альтернативным решением проблемы максимального увеличения мобильности в тех случаях, когда существует много систем беспроводной связи, является введение двух- или многорежимной способности в устройство беспроводной связи, чтобы обеспечить возможность абоненту осуществлять связь в различных системах беспроводной связи. Это решение особенно желательно там, где различные системы беспроводной связи работают на разных несущих частотах или частотных диапазонах, но используют один и тот же способ модуляции и один и тот же способ обработки сигналов в основной полосе частот. Именно такое сходство имеют хорошо известные Глобальная система мобильной связи (ГСМС), система Услуг персональной связи (УПС) и Цифровая система связи (ЦСС).

Однако почти все известные устройства беспроводной связи относятся к однодиапазонному типу, так как трудно встроить многодиапазонную способность в устройство беспроводной связи при существующих ограничениях в отношении габаритов и стоимости типичных устройств. В большинстве устройств беспроводной связи также используются приемники, которые содержат супергетеродинную схему, в которой принятые сигналы на первой частоте преобразуются в одну или более вторые промежуточные частоты для обработки приемником. Промежуточные частоты могут отличаться существенно от первой частоты. Примерный известный супергетеродинный приемник показан на фиг.1, в котором сигналы принимаются антенной 10, фильтруются полосовым фильтром 12, усиливаются усилителем 14, преобразуются в первую промежуточную частоту гетеродином L01 и смесителем 16. Сигнал на первой промежуточной частоте затем обрабатывается полосовым фильтром 18 и усилителем 20 и преобразуется во вторую промежуточную частоту гетеродином L02 и смесителем 22. Этот сигнал второй промежуточной частоты фильтруется полосовым фильтром 24 и обрабатывается другими схемами (не показаны). В связи с тем что супергетеродинный приемник обрабатывает сигналы на многих частотах, трудно обеспечить многодиапазонную способность без удвоения числа многих электронных компонентов приемника.

В соответствии с этим было бы желательно, чтобы устройство беспроводной связи могло принимать сигналы на многих частотных диапазонах при одновременном уменьшении до минимума числа электронных компонентов приемника.

Настоящее изобретение позволяет решить вышеуказанные проблемы и создать дополнительные преимущества, обеспечивая устройство беспроводной связи, которое может принимать сигналы во многих частотных диапазонах без необходимости в значительном увеличении числа электронных компонентов. Для достижения этого результата в устройстве беспроводной связи в соответствии с настоящим изобретением применяется прямое преобразование, в котором использование промежуточных частот или исключается, или любое прямое преобразование ограничивается частотами в пределах ширины полосы пропускания принятых сигналов.

В соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения многодиапазонный связной приемник содержит антенну или другое приемное средство для приема связных сигналов в одном из большого числа частотных диапазонов, один или более полосовых фильтров для фильтрации связных сигналов в каждом из большого числа частотных диапазонов, усилители для избирательного усиления фильтрованных связных сигналов в одном из большого числа частотных диапазонов, один или больше квадратурных генераторов для генерации синфазных и квадратурных сигналов из усиленных сигналов, фильтры нижних частот для фильтрации синфазных и квадратурных сигналов и монополосные схемы обработки для обработки синфазных и квадратурных сигналов после фильтров нижних частот. Квадратурные сигналы находятся в пределах частотного диапазона принимаемых сигналов.

В соответствии с изобретением некоторые части схемы приемника повторно используются, чтобы упростить схему. Таким образом, раскрываются другие варианты реализации изобретения, в которых малошумящие усилители разделены на усилительные участки определенной частоты и общие усилительные участки и в которых повторно используются смесители, квадратурные генераторы и/или генераторы, управляемые напряжением. В связи с тем что применяются принципы прямого преобразования, могут быть использованы фильтры нижних частот для фильтрации квадратурных сигналов вместо полосовых фильтров, требующихся для типичного супергетеродинного приемника. Так как фильтры нижних частот изготовить легче, чем полосовые фильтры, схема приемника может быть еще больше упрощена.

Более полное понимание настоящего изобретения может быть получено при чтении следующего подробного описания предпочтительных вариантов реализации вместе с приложенными чертежами, в которых используются одинаковые цифровые ссылки для обозначения аналогичных элементов и в которых:
фиг.1 - блок-схема типичного супергетеродинного приемника;
фиг.2 - блок-схема приемника прямого преобразования в соответствии с первым предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 3 - блок-схема приемника прямого преобразования в соответствии с вторым предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 4 - блок-схема приемника прямого преобразования в соответствии с третьим предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения; и
фиг.5 - блок-схема приемника прямого преобразования в соответствии с четвертым предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения.

На фиг.2 показана блок-схема приемника прямого преобразования в соответствии с первым предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения. Приемник содержит антенну 10 для приема сигналов и делитель 30 полосы частот для разделения принятых сигналов на первый и второй диапазоны. Первый и второй полосовые фильтры 12а и 12b фильтруют разделенные сигналы соответственно на первый и второй диапазоны. Эти полосовые фильтры рассчитаны на определенную частоту (диапазон) и могут быть исключены, если линейность приемника сравнительно высока. Можно также отказаться от делителя 30 полосы частот, если используются полосовые фильтры. В большинстве случаев желательны полосовые фильтры, чтобы свести к минимуму потребляемую мощность. В качестве другой альтернативы один многодиапазонный фильтр, имеющий один вход и много выходов (один выход на диапазон), может заменить делитель 30 полосы частот и полосовые фильтры 12а и 12b. Выходные фильтрованные сигналы от фильтров 12а и 12b подаются на обрабатывающие компоненты 32а и 32b соответственно, которые преобразуют сигналы, фильтрованные полосовыми фильтрами, в монополосные сигналы для дальнейшей обработки. Обрабатывающие компоненты 32а и 32b генерируют синфазные и квадратурные составляющие сигналов в первом частотном диапазоне или во втором частотном диапазоне, в зависимости от которых выбирается диапазон. Выбор диапазона может быть осуществлен абонентом или с помощью управляющего сигнала, подаваемого вместе с принимаемым связным сигналом. В обрабатывающие компоненты 32а и 32b введены малошумящие усилители соответственно 34а и 34b и смесительные схемы. Так как смесительные схемы каждого обрабатывающего компонента 32а и 32b по существу одинаковы, будет описана только смесительная схема обрабатывающего компонента 32а. Смесительная схема обрабатывающего компонента 32а содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН) 36а для генерации генераторного сигнала, квадратурный генератор 38а для разделения генераторного сигнала на синфазную составляющую (I) и квадратурную составляющую (Q), т.е. сигналы, разделенные по фазе на 90^o, и смесители 40а и 41а для смешивания сигнала I и сигнала Q соответственно с усиленным выходным сигналом от усилителя 34а. Смесительная схема обрабатывающего компонента 32b аналогичным образом формирует выходные сигналы I и Q в одинаковом частотном диапазоне. Квадратурные генераторы 38а и 38b генерируют квадратурные сигналы, которые управляют смесителями.

В соответствии с принципом прямого преобразования частоты сигналов, подаваемых смесителями 40а, b и 41а, b, находятся в пределах того же частотного диапазона, как и полоса пропускания принимаемых сигналов. Таким образом, генераторы 36а и 36b работают в том же частотном диапазоне, как и принимаемые сигналы, хотя первый и второй диапазоны могут иметь различную ширину полосы пропускания. В результате применения принципа прямого преобразования многие электронные компоненты приемника могут применяться повторно, так как не осуществляется преобразование сигналов в промежуточную частоту вне частотного диапазона полосы пропускания принимаемых сигналов. В варианте реализации, показанном на фиг.2, повторно используются фильтры нижних частот 42а и 42b.

Выходные синфазные сигналы I и квадратурные сигналы Q подаются выбранным обрабатывающим компонентом соответственно на синфазный фильтр 42а нижних частот и квадратурный фильтр 42b нижних частот. Эти фильтры 42а и 42b имеют предпочтительно программируемую ширину полосы пропускания, чтобы приемник мог размещать два диапазона, имеющие разную ширину полосы пропускания. Фильтрованные сигналы I и Q затем подаются на монополосную схему 44 обработки, которой может быть обычная монополосная обрабатывающая схема, хорошо известная в данной области техники. Следует учесть, что в связи с тем что прямое преобразование избегает использования промежуточных частот вне полосы частот принимаемых сигналов, выходные сигналы от обрабатывающих компонентов 32а и 32b могут фильтроваться в фильтрах нижних частот, а не в полосовых фильтрах. В противоположность этому, в связи с тем что супергетеродинный приемник использует промежуточные частоты, находящиеся вне полосы частот принимаемых сигналов, необходимы полосовые фильтры. Это различие обеспечивает значительное преимущество, так как фильтры нижних частот могут быть реализованы более легко, чем полосовые фильтры, и программируемые фильтры нижних частот создаются более легко, чем программируемые полосовые фильтры. В связи с тем что фильтрация для выбора канала может осуществляться программируемыми фильтрами нижних частот, можно создать двухдиапазонный приемник с двумя диапазонами, имеющими различную ширину полосы пропускания. Фильтр нижних частот может быть спроектирован сравнительно легко с программируемой шириной полосы пропускания, если он интегрирован в виде аналогового или цифрового фильтра. В противоположность этому полосовые фильтры являются обычно дискретными фильтрами, которые не могут программироваться на различную ширину полосы пропускания. Кроме того, сравнительно простая архитектура приемника прямого преобразования, показанного на фиг.2, упрощает планирование частот в устройстве беспроводной связи. Следует учесть, что, хотя показан двухдиапазонный приемник, принципы изобретения могут быть применимы для проектирования приемника, имеющего три или более диапазонов.

На фиг. 3 показана блок-схема второго варианта реализации настоящего изобретения. В этом варианте реализации используется одна смесительная схема с одним генератором, управляемым напряжением (ГУН) 36 и смесителями 40 и 41 для микширования усиленных сигналов, генерированных в каждом частотном диапазоне. Смесительная схема генерирует синфазные I и квадратурные сигналы Q, которые фильтруются в фильтрах 42а и 42b нижних частот. В этом варианте реализации ГУН 36 должен иметь сравнительно большую ширину полосы пропускания, достаточную для включения всех частотных диапазонов, которые приемник может принимать. ГУН 36 можно также переключать между многими частотами генерации. Квадратурный генератор 38 может быть также заменен делителем частоты, который генерирует квадратурные гетеродинные L0 сигналы из генераторного сигнала, сформированного ГУН 36. Делением частоты сигнала на два можно получить два квадратурных сигнала. Разностный сигнал на частоте 2f делится на два, и поднимающийся фронт каждого сигнала управляет фронтом у разделенного сигнала. В связи с тем что одна половина длины волны на 2f равна четверти длины волны на частоте f, результирующие сигналы являются квадратурными сигналами. Если используется делитель частоты, ГУН 36 должен работать на частоте, соответствующей кратному числу требуемой L0 частоты, например для квадратурного генератора, работающего на одной или двух частотах, делитель частоты делит частоту на 2 или соответственно на 2 и 4. Этот подход может требовать лучшей полупроводниковой технологии с более высокой f или с более высоким потреблением тока, однако он обеспечивает надежную реализацию широкополосных устройств и может снизить паразитные излучения. Хотя этот вариант реализации иллюстрирует применение одного квадратурного генератора и одного ГУН, следует учесть, что многие ГУН (с соответствующим коммутирующим средством) могут быть использованы с одним квадратурным генератором, или многие ГУН могут быть использованы со многими квадратурными генераторами, или один ГУН может быть использован со многими квадратурными генераторами.

На фиг.4 показана блок-схема третьего варианта реализации настоящего изобретения. Этот вариант по существу аналогичен варианту на фиг.3 за исключением того, что делится усилительное средство. В частности, малошумящие усилители 34а и 34b предназначены для определенных диапазонов и имеется малошумящий усилитель 34с, который является общим для двух или более диапазонов или который содержит участок малошумящего усилителя, так что комбинация усилителей 34а и 34с образует законченный малошумящий усилитель (другими словами, участок малошумящего усилителя может быть общим для многих диапазонов). Разделение малошумящего усилительного средства на компоненты для определенных диапазонов и общие компоненты позволяет первому участку малошумящего усилительного средства (усилители 34а и 34b) обеспечивать функцию выбора диапазона и уменьшает общую схемотехническую сложность за счет повторного использования участка малошумящих усилительных схем. Если многодиапазонный приемник должен принимать сигналы ГСМС и ЦСС, то желательно использовать малошумящие усилители (МШУ) на определенные частотные диапазоны для каждого диапазона, так как потребление тока усилителем может быть снижено за счет использования разделенного усилителя.

На фиг. 5 показана блок-схема четвертого варианта реализации настоящего изобретения. Показанный на фиг.5 вариант является трехдиапазонным приемником для приема сигналов в трех диапазонах (например, в системах ГСМС, УПС и ЦСС). Этот вариант объединяет в себе отличительные особенности вариантов реализации на фиг.2 и фиг.3, но следует учесть, что могут быть сконструированы и другие комбинации. В этом варианте реализации делитель 30 частотного диапазона делит принятый сигнал на три диапазона, и полосовые фильтры 12a, 12b и 12с фильтруют разделенные сигналы, как подлежит, для трех диапазонов (в этом примере соответственно для систем ГСМС, УПС к ЦСС). Ветвь ГСМС сигнала содержит обрабатывающий компонент 32а, который по существу такой же, как и аналогичным образом обозначенный компонент на фиг.2. Обрабатывающий компонент 32а формирует выходные синфазные (I) и квадратурные (Q) сигналы, подаваемые на синфазные и квадратурные фильтры нижних частот соответственно 42а и 42b. Ветви систем УПС и ЦСС по этой схеме содержат отдельные малошумящие усилители 34b и 34d и один смесительный схемный компонент, который содержит настраиваемый, программируемый или коммутируемый ГУН 36 с высокой полосой пропускания, как описано выше по отношению к фиг.4. Общий смесительный схемный компонент формирует синфазные и квадратурные сигналы и подает эти сигналы соответственно на квадратурные фильтры нижних частот 42а и 42b.

Следует учесть, что многие схемные комбинации, помимо описанных выше, могут быть спроектированы в соответствии с принципами настоящего изобретения. Например, вариант реализации на фиг.5 может быть легко модифицирован для включения в него малошумящих усилителей на определенные диапазоны и общие малошумящие усилители для ветвей, делящих между собой одну смесительную схему и ГУН. Обеспечивая сравнительно малое число операций по преобразованию частоты, каждая из которых завершается частотой в пределах частотного диапазона полосы пропускания принимаемых сигналов (т.е. прямое преобразование), могут быть достигнуты значительные преимущества при обработке сигналов. В частности, многодиапазонный связной приемник может быть значительно упрощен при повторном использовании таких компонентов, как МШУ, квадратурные генераторы, ГУНы и фильтры нижних частот. Также при использовании принципа прямого преобразования могут использованы фильтры нижних частот вместо полосовых фильтров, обычно требующихся для супергетеродинной схемы. В связи с тем что программируемые фильтры нижних частот легче реализуются, чем полосовые фильтры, схема приемника может быть еще больше упрощена.

Хотя предшествующее описание содержит многочисленные детали и подробности, следует понять, что они приведены только для целей объяснения. Многие модификации будут вполне очевидны для обычных специалистов в данной области, и они вполне в пределах существа и объема изобретения, определяемых формулой изобретения и ее законным эквивалентам.

Многорежимный приемник, включающий антенну, обеспечивающую прием сигналов, полосовые фильтры, обеспечивающие фильтрацию сигналов в каждом из частотных диапазонов, усилительное средство для избирательного усиления сигналов, квадратурное генерирующее средство для генерации синфазных и квадратурных сигналов, средство фильтрации нижних частот для фильтрации синфазных и квадратурных сигналов и монополосное обрабатывающее средство для обработки отфильтрованных синфазных и квадратурных сигналов. Многорежимный приемник осуществляет прямое преобразование принятых сигналов с использованием промежуточных частот в том же частотном диапазоне, как и ширина полосы пропускания принимаемых сигналов, что позволяет уменьшить количество электронных компонентов приемника. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Многодиапазонный связной приемник, включающий в себя приемное средство для приема связных сигналов в любом одном из множества частотных диапазонов, при этом принимаемые связные сигналы имеют полосу пропускания, усилительное средство для избирательного усиления принимаемых связных сигналов в одном из множества частотных диапазонов, при этом усилительное средство содержит по меньшей мере один усилитель на определенный частотный диапазон для каждого из множества частотных диапазонов, квадратурное генерирующее средство для генерации синфазных и квадратурных сигналов из усиленных сигналов, средство фильтрации нижних частот для фильтрации синфазных и квадратурных сигналов и монополосное обрабатывающее средство для обработки фильтрованных синфазных и квадратурных сигналов, при этом многодиапазонный связной приемник использует прямое преобразование для преобразования всех принятых связных сигналов в любом одном из множества частотных диапазонов. 2. Приемник по п.1, также включающий в себя полосовое фильтрующее средство для фильтрации связных сигналов в каждом из большего числа частотных диапазонов. 3. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит смесительное средство для смешивания усиленных сигналов с синфазными и квадратурными генераторными сигналами, при этом синфазные и квадратурные генераторные сигналы имеют частоту в пределах полосы пропускания принимаемых связных сигналов. 4. Приемник по п.1, в котором средство фильтрации нижних частот содержит фильтр нижних частот, имеющий программируемую ширину полосы пропускания. 5. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит один генератор, управляемый напряжением. 6. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит несколько генераторов, управляемых напряжением. 7. Приемник по п.1, в котором усилительное средство также содержит по меньшей мере один общий усилитель для усиления сигналов, выдаваемых малошумящими усилителями на определенные частотные диапазоны. 8. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит квадратурный генератор, разделенный между двумя или более из множества частотных диапазонов. 9. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит множество квадратурных генераторов. 10. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит по меньшей мере один генератор, имеющий избирательную частоту генерации. 11. Приемник по п.1, в котором квадратурное генерирующее средство содержит по меньшей мере один генератор и средство разделения частоты для деления сигнала, генерируемого одним из по меньшей мере одного генератора. 12. Приемник по п.1, в котором множество частотных диапазонов, при этом каждый из них имеет различную ширину полосы пропускания. 13. Способ для приема связного сигнала, включающий в себя этапы, при которых осуществляется прием связного сигнала в любом одном из множества частотных диапазонов, при этом связной сигнал имеет полосу пропускания, осуществляют полосовую фильтрацию принятого связного сигнала, усиливают сигнал, подвергнутый полосовой фильтрации, осуществляют смешивание сигнала, подвергнутого полосовой фильтрации, с синфазным и квадратурным генераторными сигналами для генерации синфазного и квадратурного принятого сигнала и осуществляют фильтрацию нижних частот синфазного принятого сигнала и квадратурного принятого сигнала в синфазном фильтре нижних частот и квадратурном фильтре нижних частот соответственно, в котором используется прямое преобразование для преобразования всех принятых связных сигналов в любом одном из множества частотных диапазонов. 14. Способ по п.13, в котором синфазный принятый сигнал и квадратурный принятый сигнал находятся в пределах ширины полосы пропускания связного сигнала. 15. Способ по п.13, в котором синфазный фильтр нижних частот и квадратурный фильтр нижних частот имеют программируемые полосы пропускания, которые могут быть изменены для согласования связных сигналов с различной шириной полосы пропускания. 16. Способ по п.13, также включающий в себя этап генерации синфазного и квадратурного генераторного сигналов от генератора, имеющего переменную частоту генерации перед этапом смешивания. 17. Способ по п.13, в котором этап усиления осуществляют первым усиливающим полосовым фильтрованным сигналом в малошумящем усилителе определенной частоты и последующим усилением первого усиленного сигнала в общем малошумящем усилителе, способном усиливать сигналы, имеющие различные частотные диапазоны. 18. Способ по п.13, также включающий в себя этапы генерации первого генераторного сигнала и деления частоты первого генераторного сигнала для генерации синфазных и квадратурных генераторных сигналов перед этапом смешивания.