СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И СПОСОБ РЕКОНФИГУРАЦИИ СИГНАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК H03H17/02 H04L27/26 

РОДСТВЕННАЯ ЗАЯВКА

В настоящей заявке испрашивается конвенционный приоритет по дате подаче патентной заявки US 12/254,332, поданной 20 октября 2008 г., содержание которой вводится ссылкой в настоящую заявку.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к цифровым системам связи, в частности к системам преобразования сигналов с повышением частоты.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Традиционно преобразование полосы модулирующих сигналов в высокочастотные сигналы выполняется аналоговыми средствами с использованием одной из трех схем: с использованием гетеродина, с использованием супергетеродина или прямое преобразование.

В схемах с гетеродином или с супергетеродином полосовой сигнал может быть комплексным, использующим аналоговую квадратурную модуляцию, или действительным, использующим цифровую квадратурную модуляцию, для модуляции полосового сигнала на низкую промежуточную частоту. В схеме с прямым преобразованием полосовой сигнал комплексный, и в этом случае используется аналоговая квадратурная модуляция.

Аналоговое преобразование с повышением частоты и цифровое преобразование, попытки которого предпринимались, как правило, являются частотнозависимыми процессами, то есть схемы такого преобразования работают в узкой частотной полосе. Поэтому схема, разработанная для одного частотного диапазона, не будет эффективна для работы в другом частотном диапазоне. Например, преобразователь с повышением частоты, разработанный для работы на частоте 800 МГц, не будет работать должным образом на частотах 450 МГц, 1,5 ГГц или 1,9 ГГц.

Один из недостатков аналогового преобразования заключается в том, что в нем возникают проблемы, связанные с нестабильностью аналоговых схем, обусловленной разбросом характеристик компонентов, температурными уходами, зависимостью от напряжения и уходами, вызываемыми старением компонентов. Другим недостатком аналогового преобразования является отсутствие гибкости (универсальности), поскольку схемы аналоговых преобразователей должны разрабатываться для конкретных частотных диапазонов. Поэтому задачу использования радиоприемного устройства для работы в другом частотном диапазоне трудно решить без замены в этом устройстве преобразователя с повышением частоты, а также других частотнозависимых компонентов, другим преобразователем, разработанным для этого другого частотного диапазона, или же необходимо иметь в составе радиоустройства набор преобразователей, каждый из которых может работать в определенном частотном диапазоне. Указанные варианты увеличивают стоимость системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагается способ цифрового преобразования дискретизированного полосового сигнала с повышением частоты до необходимой величины, включающий: задание фиксированной эффективной частоты F_s дискретизации для цифроаналогового преобразователя (ЦАПа), используемого для преобразования дискретизированного по времени полосового сигнала с повышением частоты; выполнение комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для получения комплексного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала, который смещается в частотной области; увеличение частоты дискретизации в N раз, где N>=2, для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, представление которого в частотной области содержит множество спектров сигнала, расположенных на равных расстояниях друг от друга; фильтрацию дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения по меньшей мере одного спектра из множества спектров дискретизированного по времени сигнала для получения отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала; преобразование отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, который содержит по меньшей мере один спектр сигнала, в непрерывный сигнал с использованием ЦАПа; и фильтрацию непрерывного сигнала для выделения спектра сигнала, расположенного на нужной частоте в частотной области; причем величина перестройки, используемая для выполнения стадии комплексной перестройки сигнала, и коэффициенты фильтрации, используемые на стадии фильтрации дискретизированного по времени сигнала, определяются в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа и требуемой повышенной частоты преобразования.

В некоторых вариантах способ также содержит: определение величины комплексной перестройки сигнала для выполнения стадии комплексной перестройки сигнала и определение коэффициентов фильтрации, используемых на стадии фильтрации дискретизированного по времени сигнала.

В некоторых вариантах способ также содержит: выполнение квадратурной модуляции после комплексной перестройки сигнала.

В некоторых вариантах выполнение квадратурной модуляции после перестройки комплексного сигнала включает: выполнение цифровой квадратурной модуляции перед преобразованием отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала в непрерывный сигнал; или выполнение аналоговой квадратурной модуляции после преобразования отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала в непрерывный сигнал.

В некоторых вариантах выполнение квадратурной модуляции после комплексной перестройки сигнала включает: выполнение цифровой квадратурной модуляции после фильтрации дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации.

В некоторых вариантах фильтрация непрерывного сигнала включает: выделение спектра сигнала из непрерывного сигнала, расположенного на частоте между 0 и F_s; или выделение спектра сигнала из непрерывного сигнала, расположенного на частоте, превышающей F_s.

В некоторых вариантах увеличение в N раз частоты дискретизации дискретизированного сигнала и фильтрация дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации содержит дискретизацию и фильтрацию с использованием полифазной обработки сигнала.

В некоторых вариантах увеличение в N раз частоты дискретизации дискретизированного по времени сигнала и фильтрация дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации содержит дискретизацию и фильтрацию с использованием полифазной обработки сигнала, причем: выполнение цифровой квадратурной модуляции содержит использование частоты квадратурной модуляции, которая равна фиксированной эффективной частоте дискретизации ЦАПа, разделенной на целое число.

В некоторых вариантах это целое число содержится в N целое число раз.

В некоторых вариантах выполнение комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала включает: последовательное выполнение M раз, где M>=2, причем первый раз дискретизированного по времени группового сигнала и каждый следующий раз дискретизированного по времени сигнала, полученного при предыдущем выполнении: комплексной перестройки дискретизированного по времени сигнала для получения промежуточного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; увеличения частоты дискретизации промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала для получения этого сигнала с увеличенной частотой дискретизации; фильтрации промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения спектров сигнала и получения отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала; выполнения комплексной настройки на M-й отфильтрованный промежуточный перестроенный, дискретизированный по времени, сигнал для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации.

В некоторых вариантах способ также содержит: повторную дискретизацию по меньшей мере одного из сигналов: дискретизированного по времени полосового сигнала, комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала, дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации и отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, с частотой, которая в целое число раз меньше фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа.

Предлагается также устройство для цифрового преобразования дискретизированного полосового сигнала с повышением частоты до необходимой величины, содержащее: цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с фиксированной эффективной частотой дискретизации, равной F_s; комплексный тюнер, предназначенный для перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для получения комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации, где N>=2, для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, представление которого в частотной области содержит множество спектров сигнала, расположенных на равных расстояниях друг от друга; фильтр выделения спектров сигнала, предназначенный для выделения по меньшей мере одного спектра из множества спектров сигнала и формирования отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, которые преобразуется ЦАПом в непрерывный во времени сигнал; фильтр после ЦАПа, предназначенный для приема непрерывного во времени сигнала и выделения спектра, расположенного на нужной частоте в частотной области; причем величина перестройки, используемая в комплексном тюнере, и коэффициенты фильтрации, используемые в фильтре выделения спектров, определяются в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа и требуемой повышенной частоты преобразования.

В некоторых вариантах комплексный тюнер и фильтр выделения спектров могут настраиваться (конфигурироваться) путем изменения рабочих параметров для цифрового преобразования с повышением частоты дискретизированного по времени полосового сигнала до необходимой величины в одном из множества диапазонов радиосвязи.

В некоторых вариантах цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации и фильтр выделения спектров реализуются в форме полифазной обработки сигнала.

В некоторых вариантах устройство содержит также квадратурный модулятор для выполнения квадратурной модуляции после комплексного тюнера.

В некоторых вариантах квадратурный модулятор может быть: цифровым квадратурным модулятором, предназначенным для выполнения цифровой квадратурной модуляции перед ЦАПом; или аналоговым квадратурным модулятором, предназначенным для выполнения аналоговой квадратурной модуляции после ЦАПа.

В некоторых вариантах цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации и фильтр выделения спектров реализуются в форме полифазной обработки сигналов, и квадратурный модулятор настроен для работы на частоте квадратурной модуляции, снижающей сложность реализации устройства.

В других вариантах комплексный тюнер является распределенным устройством, содержащим M (M>=2) комплексных тюнеров полосовых сигналов, M-1 цифровых устройств увеличения частоты дискретизации и M-1 фильтров выделения спектров сигнала, причем M-1 из M тюнеров полосового сигнала, M-1 цифровых устройств увеличения в K раз частоты дискретизации и M-1 фильтров выделения спектров сигнала организованы в группы, каждая из которых содержит тюнер полосового сигнала, цифровое устройство увеличения частоты дискретизации и фильтр выделения спектров сигнала, и каждая группа предназначена для: комплексной перестройки дискретизированного по времени сигнала для получения промежуточного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; увеличения частоты дискретизации промежуточного перестроенного дискретизированного по времени сигнала для получения этого сигнала с увеличенной частотой дискретизации; и фильтрации промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения спектров сигнала и получения отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала; причем первая группа осуществляет обработку дискретизированного по времени полосового сигнала, и каждая следующая группа осуществляет обработку отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала с выхода каждой предыдущей группы; и M-й комплексный тюнер настроен для: приема M-го отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала; и выполнения комплексной перестройки M-1-го отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала для получения комплексного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала.

В других вариантах устройство содержит также компонент изменения частоты дискретизации для повторной дискретизации по меньшей мере одного из сигналов:

дискретизированного по времени полосового сигнала, комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала, дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации и отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, с частотой, которая в целое число раз меньше фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа.

Также предлагается способ перенастройки цифрового преобразователя для работы в другом частотном диапазоне, включающий: определение частоты перестройки для использования при осуществлении комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для получения комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; определение коэффициентов фильтра для использования при фильтрации дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения по меньшей мере одного спектра в частотной области из множества спектров дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации и получения отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, причем дискретизированный по времени сигнал с увеличенной частотой дискретизации получают путем увеличения частоты дискретизации комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; причем частота перестройки и коэффициенты фильтра определяются в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации цифроаналогового преобразователя (ЦАПа), используемого в цифровом преобразователе с повышением частоты, и требуемой повышенной частоты преобразования дискретизированного по времени полосового сигнала.

В некоторых вариантах способ также содержит: замену текущей частоты перестройки и текущих коэффициентов фильтра, используемых в цифровом преобразователе, частотой перестройки и/или коэффициентами фильтра, полученными на предыдущих стадиях.

Другие особенности и признаки настоящего изобретения станут очевидными специалистам в данной области техники после ознакомления с нижеприведенным описанием конкретных вариантов осуществления изобретения вместе с прилагаемыми фигурами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения описываются ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

фигура 1 - блок-схема устройства цифрового преобразования сигнала с повышением частоты в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

фигуры 2A-2F - иллюстрации частотного преобразования сигнала в одном из вариантов осуществления изобретения;

фигура 3 - графическое сравнение частотных характеристик для различных режимов работы цифроаналогового преобразователя, используемого в вариантах осуществления изобретения;

фигура 4 - вид блок-схемы распределенного тюнера комплексного полосового сигнала в соответствии с одним из вариантов;

фигура 5 - блок-схема алгоритма осуществления способа в соответствии с одним из вариантов;

фигура 6 - блок-схема алгоритма осуществления другого способа в соответствии с одним из вариантов;

фигура 7A и 7B - блок-схемы устройства цифрового преобразования сигнала с повышением частоты в соответствии с разными вариантами осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящем описании раскрываются способы и устройство, в которых используется перестройка комплексного сигнала, принципиально повторяющийся характер дискретных сигналов и программируемая цифровая фильтрация для создания гибкой системы преобразования сигналов с повышением частоты, содержащей цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с фиксированной частотой дискретизации, которую более точно следует называть частотой обновления, поскольку это скорость, с которой изменяется или обновляется информация ЦАП и выходной сигнал, и в то же время обеспечивается возможность перестройки в широкой полосе частот.

Способы и устройство, рассмотренные в настоящем описании, используют положительные качества дискретного характера цифровых сигналов. А именно при цифровом представлении сигнала с использованием частоты дискретизации F_s частотный спектр от 0 до F_s повторяется бесконечное число раз в обоих направлениях: в направлении положительных частот между F_s и 2F_S, 2F_S и 3F_S и т.д., и в направлении отрицательных частот между 0 и -F_s, -F_s и -2F_S, -2F_S и -3F_S и т.д. Аналогичное повторение спектра сигнала происходит при увеличении частоты дискретизации или при преобразовании сигнала из цифровой формы в аналоговую форму.

Хотя природа систем с дискретизацией данных хорошо изучена, в предлагаемых в изобретении способах и устройстве используются положительные качества таких систем для создания цифрового перестраиваемого преобразователя сигнала с повышением частоты, в котором возможна перестройка в широкой полосе частот с выдерживанием фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАП такого преобразователя.

Возможность цифровой перестройки частоты в преобразователе сигнала с повышением частоты, который содержит ЦАП с постоянной эффективной частотой F_s дискретизации, необходима по нескольким причинам. Разработка аналогового радиоприемного устройства с изменяемой частотой дискретизации ЦАП представляет собой трудную задачу из-за сложности отслеживания различных результирующих колебаний, возникающих в связи с перестраиваемой частотой дискретизации ЦАП, что необходимо для подавления помех, которые создаются нежелательными результирующими колебаниями в рабочей полосе частот. С другой стороны, использование ЦАП с постоянной частотой дискретизации дает возможность упростить общую конструкцию радиоприемного устройства, отчасти благодаря выбору эффективной частоты дискретизации ЦАП для минимизации влияния нежелательных боковых полос частот. Кроме того, разработка аналогового устройства с изменяемой частотой дискретизации ЦАП обычно приводит к нежелательным компромиссам, на которые приходится идти в связи с перерасчетами радиоприемного устройства для каждого нового диапазона частот.

Спектры, возникающие при увеличении частоты дискретизации, принципиально присущи системам с дискретизацией данных, однако расположение этих спектров не всегда будет оптимальным или подходящим. Путем объединения перестройки комплексного сигнала в основной полосе частот и увеличения частоты выборки в N раз с программируемым полосовым фильтром, устроенным таким образом, чтобы он выделял по меньшей мере один из N спектров сигнала в заданной рабочей полосе частот радиоприемного устройства, возникающих в результате увеличения частоты дискретизации, можно переносить входной полосовой сигнал в широкий диапазон частот выше или ниже F_s, например, в частотном спектре от 0 до F_s, F_s до 2F_S, 2F_S до 3F_S и т.д., без изменения фиксированной частоты дискретизации ЦАП.

Далее описывается пример устройства, обеспечивающего преобразование полосового сигнала с повышением частоты до необходимой величины, со ссылками на фигуру 1, и представление сигнала в частотной области на фигурах 2A-2F, которые иллюстрируют, как сигнал, поступающий в устройство, преобразуется на определенных стадиях внутри этого устройства.

На фигуре 1 представлена блок-схема, содержащая тюнер 110 комплексного полосового сигнала, цифровое устройство 120 увеличения частоты дискретизации, фильтр 130 выделения спектров, цифровой квадратурный модулятор 140, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 150 и фильтр 160 на выходе ЦАП.

Сигналы, обрабатываемые компонентами 110, 120, 130, 140 и 150, являются дискретизованными по времени сигналами, а сигнал на выходе ЦАП 150, обрабатываемый фильтром 160, представляет собой сигнал, непрерывный во времени. На вход тюнера 110 поступает комплексный сигнал в основной полосе частот (комплексный полосовой сигнал), имеющий частоту F_s/N дискретизации, которая используется в качестве входной частоты, переносимой на требуемую частоту, где F_s - это эффективная частота дискретизации ЦАП 150 и N - коэффициент увеличения частоты дискретизации, используемый цифровым устройством 120 увеличения частоты дискретизации. В некоторых вариантах комплексный полосовой сигнал может не иметь частоту F_s/N дискретизации, однако может быть выполнена дискретизация сигнала с этой частотой F_s/N, как это будет описано ниже. На фигуре 2А приведено представление в частотной области полосового сигнала 210, расположенным симметрично относительно частоты 0 МГц (DC) до перестройки на другую частоту. Комплексный полосовой сигнал может состоять из инфазной (I) и квадратурной (Q) цифровых составляющих, каждая из которых является потоком дискретных величин, представляющих по меньшей мере одно цифровое значение. Тюнер 110 комплексного полосового сигнала выполняет настройку на комплексный полосовой сигнал для формирования выделенного комплексного сигнала. Перестройка по существу представляет перенос частоты полосового сигнала внутри ограниченного диапазона между -F_s/2N и F_s/2N. Например, перестройка в ее наиболее простой форме выполняется путем смешивания комплексного полосового сигнала с переменным сдвигом фазы за заданный интервал времени. На фигуре 2В приведено представление в частотной области полосового сигнала 220 после его перестройки на другую частоту.

В некоторых вариантах тюнер 110 комплексного полосового сигнала является программируемым, так что задание в нем других рабочих параметров обеспечивает работу тюнера в другом режиме. Например, когда в тюнере комплексного полосового сигнала задаются другие рабочие параметры, он может перестраивать входной сигнал на другую частоту, отличающуюся от предыдущей частоты, на которую он был настроен ранее.

Тюнер комплексного полосового сигнала может быть спроектирован для обработки сигналов с использованием параметров полосы частот и возможности перестройки, которые определяются его реализацией. В более общем смысле, полосовой сигнал может быть перестроен в частотной области в диапазоне между -F_s/2N и F_s/2N. Поскольку входной полосовой сигнал является комплексным, то не возникает никаких проблем, если сигнал будет смещен по частоте между -F_s/2N и F_s/2N.

Конкретный пример тюнера комплексного полосового сигнала описан в патентной заявке US 12/214,856 "Тюнер комплексного сигнала, работающий по алгоритму Волдера, с точным разрешением по частоте", поданной 23 июня 2008 г., которая уступлена правопреемнику по настоящей заявке, и полное содержание которой вводится в нее ссылкой.

В этом примере цифровое устройство 120 увеличения частоты дискретизации увеличивает частоту дискретизации выходного сигнала тюнера 110 комплексного полосового сигнала в N раз, где N>=1. Увеличение в N раз частоты дискретизации перестроенного комплексного полосового сигнала обеспечивает дискретизированный по времени сигнал с частотой дискретизации F_s, равной частоте дискретизации ЦАП. Представление комплексного полосового сигнала в частотной области содержит N боковых спектров, отстоящих на одинаковом расстоянии друг от друга между DC и фиксированной частотой F_s дискретизации ЦАП, как показано на фигуре 2C. Как показано на фигуре 2C, N равно 8, что дает 8 спектров сигнала, исходного принятого полосового сигнала 220 и 7 спектров-копий 230 между DC и F_s. В некоторых вариантах увеличение частоты дискретизации выполняется введением N-1 нулей между дискретизированными отсчетами выделенного комплексного сигнала для формирования повторений в частотной области. Однако увеличение частоты дискретизации не ограничивается способом введения N-1 нулей между отсчетами. В других вариантах могут использоваться другие технологии увеличения частоты дискретизации.

Фильтр 130 выделения спектров предназначен для приема выходного сигнала цифрового устройства 120 увеличения частоты дискретизации и выделения одного из спектров перестроенного комплексного полосового сигнала на выходе устройства 120. Фильтр 130 выделения спектров принимает дискретизированный по времени сигнал с эффективной частотой F_s дискретизации. Рассматривая представление сигнала в частотной области, можно сказать, что фильтр 130 выделяет необходимый спектр в частотной области путем подавления всех ненужных спектров. В некоторых вариантах входной сигнал является комплексным, и фильтр 130 выделения спектров устроен таким образом, что он обрабатывает комплексный сигнал, так что в этом случае будет отсутствовать симметрия сигнала в частотной области относительно F_s/2, которая может вызывать помехи.

Фильтр выделения спектров сигнала может быть фильтром обработки действительного или комплексного сигнала. Выполнение фильтра выделения спектров сигнала в форме фильтра комплексных или действительных сигналов зависит от конкретных условий, однако следует понимать, что соответствующие типы фильтров (для комплексных или действительных сигналов) имеют различные характеристики работы, которые должны приниматься во внимание при выборе типа фильтра. Например, на фигуре 2D показана частотная область между DC и F_s, на которой видно, что выделен второй спектр 240 из N спектров между 0 F_s, а остальные спектры подавлены.

В некоторых вариантах фильтр 130 выделения спектров является программируемым, так что задание других коэффициентов фильтрации фильтра 130 обеспечивает изменение обработки сигналов. Например, когда в фильтре выделения спектров выбираются другие коэффициенты фильтрации, которые задают другую частотную характеристику фильтра, он сможет выделять спектр в другом месте диапазона частот.

Цифровой квадратурный модулятор 140 получает сигнал, дискретизированный по времени, с выхода фильтра 130 выделения спектров и осуществляет квадратурную модуляцию сигнала. В частотной области этот процесс приводит к переносу выделенного спектра сигнала, дискретизированного по времени, с выхода фильтра 130 выделения спектров и преобразованию комплексного сигнала в действительный сигнал. На фигуре 2Е представлен пример области частот на выходе цифрового квадратурного модулятора 140, когда квадратурная модуляция применяется к сигналу, дискретизированному по времени, включая выделенный второй спектр, показанный на фигуре 2D. Частота f_qmod модуляции, использованная в иллюстративном примере, представленном на фигуре 1, равна F_s/4. В результате выделенный второй спектр сигнала, показанный на фигуре 2D, сдвигается по частоте на F_s/4 (указано ссылочным номером 250), как показано на фигуре 2Е. Кроме того, поскольку квадратурная модуляция обеспечивает получение действительного сигнала, то формируется обращенный спектр, отражение смещенного спектра, полученного в результате квадратурной модуляции, указанный ссылочным номером 260.

Зона Найквиста определяется как зона, имеющая ширину полосы, равную F_s/2, и частотный спектр содержит неограниченное число таких зон. Например, в положительной частотной области первая зона Найквиста занимает часть частотного спектра от DC до F_s/2, вторая зона Найквиста занимает часть от F_s/2 до F_s, третья зона Найквиста занимает часть от F_s до 3F_s/2, четвертая зона Найквиста занимает часть от 3F_s/2 to 2F_s и т.д. Как показано на фигуре 2Е, смещенный спектр 250 сигнала находится в первой зоне Найквиста, и обращенный спектр 260 сигнала находится во второй зоне Найквиста.

Хотя цифровой квадратурный модулятор может быть предпочтительным по причине меньшей сложности, однако может также использоваться и аналоговый квадратурный модулятор, как этот будет описано ниже.

ЦАП 150 имеет эффективную фиксированную скорость F_s дискретизации. Термин "эффективный", используемый в описании, означает, что ЦАП может принимать один входной сигнал с частотой дискретизации F_s или же может принимать сигналы с параллельных входов Р, частота дискретизации каждого из которых равна F_s/P, так что суммарная скорость дискретизации сигналов, обрабатываемых ЦАП, равна F_s. ЦАП 150 принимает дискретизированный по времени сигнал с выхода квадратурного модулятора 140 и преобразует его в непрерывный во времени сигнал. При этом в частотной области формируются спектры сигнала в диапазоне частот между DC и F_s, аналогичным образом повторяющиеся в направлении положительных и отрицательных частот. Диапазон частот от DC до F_s повторяется в направлении положительных частот между F_s и 2F_S, 2F_S и 3F_S и т.д., и в направлении отрицательных частот между 0 и -F_s, -F_s и -2F_S, -2F_S и -3F_S и т.д.

ЦАП 150 может работать в режиме прямой передачи, если необходимо преобразовать сигнал с повышением частоты в первую зону Найквиста. ЦАП, работающий в режиме прямой передачи, имеет частотную характеристику, обеспечивающую полезный выход в первой зоне Найквиста. Если ЦАП поддерживает ВЧ-режим, то цифровой преобразователь с повышением частоты может использоваться для преобразования с повышением частоты во второй или в третьей зоне Найквиста. В некоторых вариантах ЦАП, поддерживающий ВЧ-режим, может осуществлять его с помощью перестраиваемой выходной ступени, предназначенной для модификации частотной характеристики ЦАП во второй и третьей зонах Найквиста, которая обеспечивает работу в этих зонах. Нужная зона будет зависеть от одного или нескольких факторов, таких как, например, требуемая частота преобразования с повышением частоты, максимальная частота дискретизации ЦАП, технические характеристики ЦАП и необходимая общая производительность преобразователя с повышением частоты. На фигуре 3 иллюстрируется пример нормализованного сравнения частотных характеристик ЦАП, работающего в режиме прямой передачи (сплошная линия), и ЦАП, работающего в ВЧ-режиме (прерывистая линия).

На фигуре 2F иллюстрируется частотный спектр на выходе ЦАП 150, в котором выходной сигнал (спектры 250, 260 сигнала) цифрового квадратурного модулятора 140 (фигура 2Е) на интервале между DC и F_s повторяется на интервале между F_s и 2F_s (спектры 270, 280 сигнала). На более высоких частотах появляются дополнительные спектры сигнала, но они на фигурах не показаны. Необходимо отметить, что спектры 260, 280 сигнала во второй и четвертой зонах Найквиста являются обращенными спектрами исходного полосового сигнала.

Непрерывный во времени сигнал с выхода ЦАП 150 поступает в фильтр 160. Фильтр 160, подключенный к выходу ЦАП, "очищает "непрерывный сигнал, так чтобы спектр сигнала, расположенный в частотной области на требуемой повышенной частоте, используемой при преобразовании с повышением частоты, был выделен, а другие мешающие спектры были подавлены. Выделенный спектр сигнала на требуемой частоте может быть расположен в диапазоне частот, находящихся ниже частоты F_s дискретизации ЦАП, например, в первой или во второй зоне Найквиста, или выше частоты F_s дискретизации, то есть в третьей зоне Найквиста или в зонах Найквиста с более высокими номерами.

В некоторых вариантах фильтр 160 после ЦАП представляет собой аналоговый фильтр для выделения и подавления частот выходного сигнала ЦАП 150 для снижения помех сигналу со стороны других спектров комплексного полосового сигнала.

В некоторых вариантах выполняется повторная дискретизация для модификации частоты дискретизации входного комплексного полосового сигнала с целью задания частоты, которая является делителем частоты дискретизации ЦАП, путем введения фильтра изменения частоты дискретизации в цепь компонентов 110, 120, 130, 140. Например, частота дискретизации входного полосового сигнала может быть такой, что целочисленный коэффициент увеличения частоты дискретизации не дает такую частоту, которая обеспечивала бы оптимальную обработку преобразователем ЦАП. Для получения частоты F_s дискретизации, которая была бы предпочтительной для ЦАП, фильтр изменения частоты дискретизации обеспечивает изменение входного полосового сигнала в соответствии с целочисленным коэффициентом, который позволяет получить фиксированную эффективную частоту дискретизации ЦАП, перед подачей сигнала в ЦАП. Целочисленная величина коэффициента может быть равна или больше 1. В отличие от расположения фильтра изменения частоты дискретизации перед тюнером комплексного полосового сигнала он может быть расположен в любой точке цепи компонентов, показанных на фигуре 1. Фильтр изменения частоты дискретизации может быть расположен в следующих точках схемы, представленной на фигуре 1: после тюнера 110 комплексного полосового сигнала, после цифрового устройства 120 увеличения частоты дискретизации, после фильтра 130 выделения спектров сигнала, после цифрового квадратурного модулятора 140 или перед ЦАПом 150. В некоторых вариантах может использоваться несколько фильтров изменения частоты дискретизации, так что сочетание таких фильтров будет повышать частоту дискретизации полосового сигнала, дискретизированного по времени, в целое число раз для получения частоты, кратной фиксированной эффективной частоте дискретизации ЦАП до поступления в него сигнала, причем это целое число может быть равно или больше 1. Если фильтр изменения частоты дискретизации расположен в любом месте схемы, представленной на фигуре 1, он может быть более сложным для реализации, поскольку изменение частоты дискретизации сигнала может давать более высокую частоту, чем частота дискретизации входного полосового сигнала. В конечном счете, если сигнал на входе ЦАП имеет фиксированную частоту F_s дискретизации ЦАП, частоты дискретизации в любой точке схемы, представленной на фигуре 1, не должны быть равны тем, которые указаны выше в отношении фигур 1 и 2.

Кроме того, в то время как выше описываются выходные сигналы каждого из компонентов 110, 120, 130, 140, 150 схемы, представленной на фигуре 1, которые поступают на вход последующего компонента схемы, необходимо понимать, что в схему могут быть включены и другие компоненты, например, фильтр изменения частоты дискретизации, и такое включение других компонентов будет находиться в пределах объема изобретения. В некоторых вариантах компоненты могут следовать в другом порядке, отличном от порядка, показанного на фигуре 1, как это будет описано ниже более подробно.

В некоторых вариантах некоторые или все компоненты в вышеописанном цифровом преобразователе с повышением частоты, а именно тюнер комплексного полосового сигнала, цифровое устройство повышения частоты дискретизации, фильтр выделения спектров и/или модулятор, реализуются с использованием программируемых пользователем логических микросхем (). Микросхемы FPGA - это всего лишь один из примеров возможной реализации компонентов цифрового преобразователя с повышением частоты, и для них могут быть использованы и другие технологии цифровой обработки. В некоторых вариантах технология FPGA может использоваться для реализации некоторых компонентов, и другие технологии могут использоваться для реализации других компонентов. В некоторых вариантах компоненты могут быть реализованы в форме отдельных устройств, которые собраны вместе (каскадная схема). В других вариантах компоненты могут быть реализованы таким образом, что два или более компонентов реализуются вместе, на одной микросхеме, и две или более таких групп компонентов собираются вместе (каскадная схема).

Учитывая известные величины требуемой частоты преобразования и фиксированной частоты дискретизации ЦАП в качестве отправной точки для использования в цифровом преобразователе с повышением частоты, можно определить рабочие параметры тюнера комплексного полосового сигнала и фильтра выделения спектров, которые обеспечивают возможность настройки (конфигурирования) этих компонентов для получения спектра сигнала на требуемой частоте, которая должна использоваться в качестве преобразованного варианта входного полосового сигнала. В том случае, когда входной полосовой сигнал имеет частоту F_s/N дискретизации, знание частоты преобразования дает возможность определить величину перестройки, которая обеспечит смещение выделенного полосового сигнала в то положение, в котором должен находиться спектр сигнала после увеличения частоты дискретизации в N раз. Кроме того, определение спектра сигнала, которое должно быть выделено фильтром выделения спектров, дает возможность определить коэффициенты фильтра, обеспечивающие выделение нужного спектра сигнала и подавление мешающих спектров. После определения величины перестройки и коэффициентов фильтра, тюнеру комплексного полосового сигнала и фильтру выделения спектров могут быть заданы рабочие параметры для их настройки. Таким образом, тюнер комплексного полосового сигнала будет использоваться для смещения положения входного полосового сигнала в диапазоне от -F_s/2N до F_s/2N. После увеличения частоты дискретизации цифровым устройством увеличения частоты дискретизации фильтр выделения спектров выделяет соответствующий спектр сигнала в соответствии с заданными коэффициентами фильтра. Затем осуществляется дальнейшая необходимая обработка, включая модуляцию выделенного спектра сигнала, преобразование комплексного сигнала в действительный, преобразование дискретного сигнала в непрерывный во времени сигнал и выделение изображения на требуемой повышенной частоте.

В одном из вариантов, который включает квадратурный модулятор, имеющий частоту квадратурной модуляции f_qmod, если f_target является требуемой центральной частотой, и F_s является частотой дискретизации ЦАП, то Уравнение 1 и Уравнение 2, или Уравнение 3 и Уравнение 4 могут использоваться для расчета требуемой частоты перестройки низкочастотного фильтра (f_fiitertuning), чтобы обеспечить выделение спектра сигнала и расчет частоты перестройки комплексного полосового сигнала (f_BBtune).

$$\begin{array}{c}\text{if}\left({\text{f}}_{\text{target}}-{\text{f}}_{\text{qmod}}\right)\ge \text{0}\\ {\text{f}}_{\text{filtertuning}}=\text{mod}\left({\text{f}}_{\text{target}}-{\text{f}}_{\text{qmod}}{\text{,F}}_{\text{s}}\right)\end{array}\text{Eg}\text{.1}$$

$$\begin{array}{c}\text{if}{\text{f}}_{\text{filtertuning}}\ge \text{0}\\ {\text{f}}_{\text{BBtune}}=\text{mod}\left({\text{f}}_{\text{filtertuning}}\text{,}\frac{{\text{F}}_{\text{s}}}{\text{N}}\right)\end{array}\text{Eg}\text{.2}$$

$$\begin{array}{c}\text{if}\left({\text{f}}_{\text{target}}-{\text{f}}_{\text{qmod}}\right)<\text{0}\\ {\text{f}}_{\text{filtertuning}}=\left(\text{mod}\left({\text{f}}_{\text{target}}-{\text{f}}_{\text{qmod}}+{\text{F}}_{\text{s}}{\text{,F}}_{\text{s}}\right)\right)-{\text{F}}_{\text{s}}\end{array}\text{Eg}\text{.3}$$

$$\begin{array}{c}\text{if}{\text{f}}_{\text{filtertuning}}<\text{0}\\ {\text{f}}_{\text{BBtune}}=\left(\text{mod}\left({\text{f}}_{\text{filtertuning}}+\frac{{\text{F}}_{\text{s}}}{\text{N}}\text{,}\frac{{\text{F}}_{\text{s}}}{\text{N}}\right)\right)-\frac{{\text{F}}_{\text{s}}}{\text{N}}\end{array}\text{Eg}\text{.4}$$

Тюнеры комплексных сигналов на практике выполняются с возможностью перестройки в диапазоне от -F_sample/2 до F_sample/2, где F_sample - рабочая частота тюнера комплексных сигналов. Если величина, полученная по Уравнению 2 или Уравнению 4, превышает abs (F_sample/2), она может быть смещена в вышеуказанный диапазон путем вычитания F_sample.

В некоторых вариантах цифровое устройство увеличения частоты дискретизации и фильтр выделения спектров реализуются вместе как полифазный цифровой фильтр, эффективно выполняющий функции увеличения частоты дискретизации и фильтрации.

Полифазный фильтр обеспечивает разделение входного сигнала на L фаз (величина L равна коэффициенту N увеличения частоты дискретизации). L входов фильтруются с использованием L разных "подфильтров" или "фаз фильтра", содержащихся в фильтре, который в противном случае использовался бы для осуществления фильтрации сигнала в целом. В некоторых вариантах общее число Т выводов фильтра является множителем L, и обычно число выводов на подфильтр равно трем или больше трех. Однако для обеспечения нужной функции фильтрации может использоваться любое число выводов. Коэффициенты каждого субфильтра определяются пропуском каждого L-го коэффициента, начиная с коэффициента 0 до L-1. Выход полифазного фильтра может быть сформирован путем объединения заново составляющих выходов L фаз для получения выхода на увеличенной частоте дискретизации (величина L, умноженная на частоту дискретизации входного сигнала), или же составляющие выходы L фаз могут быть раздельными параллельными трактами. Предполагается, что значения для L, число выводов каждого субфильтра и выбор коэффициентов, которые используются в полифазном фильтре, являются параметрами, зависящими от реализации.

Конкретный пример способа полифазной фильтрации, при котором выходы составляющих L фаз остаются раздельными параллельными трактами, описан в патенте US 6,987,953, уступленном правопреемнику по настоящей заявке, полное содержание которого вводится ссылкой в настоящую заявку. В целях настоящего изобретения также могут использоваться и другие технологии полифазной фильтрации, помимо описанной в патенте US 6,987,953, например технология, при которой выходы составляющих L фаз снова объединяются.

В некоторых вариантах цифровой квадратурный модулятор может быть реализован после полифазного фильтра, и вместе с ним. Такой вариант реализации обеспечивает дальнейшее упрощение аппаратных средств, если выбирается частота квадратурной модуляции, равная частоте дискретизации ЦАП, деленной на целое число (например, F_s/4). Дальнейшего упрощения аппаратных средств можно добиться, если указанное целое число (например, 4) содержится целое число раз в коэффициенте увеличения дискретизации (например, N=4, 8 и т.п.). Это ограничение существенно снижает общую сложность полифазного фильтра, скомплексированного с квадратурным модулятором, причем гибкость перестройки в этом случае не затрагивается. Конкретный пример такого полифазного фильтра, скомплексированного с квадратурным модулятором, также описывается в патенте US 6,987,953.

В некоторых вариантах комбинация компонентов, формирующих преобразователь с повышением частоты, может отличаться от конкретной схемы, представленной на фигуре 1. Например, в некоторых вариантах цифровой квадратурный модулятор 140 может быть расположен не между фильтром 130 выделения спектров сигнала и ЦАПом 150, а между тюнером 110 комплексного полосового сигнала и цифровым устройством 120 увеличения частоты дискретизации. В этом случае f_qmod будет пониженной частотой, однако все же может быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить упрощение реализации аппаратных средств преобразователя с повышением частоты. На фигуре 7А представлен пример такой реализации, в которой цифровой модулятор 140 передает в цифровое устройство 120 увеличения частоты дискретизации только один поток данных, и цифровое устройство 120 увеличения частоты дискретизации также передает в фильтр 130 выделения спектров сигнала один поток данных с частотой дискретизации, увеличенной в N раз.

Кроме того, в некоторых вариантах в преобразователе с увеличением частоты вместо цифрового квадратурного модулятора может использоваться аналоговый квадратурный модулятор. Такой аналоговый квадратурный модулятор будет расположен после ЦАПа, чтобы осуществлять аналоговую квадратурную модуляцию непрерывного во времени выходного сигнала ЦАПа. В этом случае потребуется использовать два ЦАПа, для инфазного и квадратурного потоков на выходе фильтра выделения спектров сигнала, а также два фильтра после ЦАПа, по одному для каждого из потоков. На фигуре 7В представлен вариант схемы преобразователя, в котором выходной сигнал каждого фильтра 130 выделения спектров поступает в соответствующий ЦАП 153, 155. Выходные сигналы соответствующих ЦАПов 153, 155 подаются на соответствующие фильтры 163, 165. Выходные сигналы соответствующих фильтров 163, 165 после ЦАПов представляют собой инфазный и квадратурный потоки данных, поступающих в один аналоговый квадратурный модулятор.

В некоторых вариантах тюнер комплексного полосового сигнала представляет собой распределенное устройство. Ниже дается описание распределенного тюнера комплексного полосового сигнала со ссылками на фигуру 4. Распределенный тюнер комплексного полосового сигнала, в целом указываемый ссылочным номером 410, реализуется в форме схемы, состоящей из компонентов, каждый из которых представляет собой тюнер комплексного полосового сигнала, цифровое устройство увеличения частоты дискретизации или фильтр выделения спектров сигнала. Каждое из цифровых устройств увеличения частоты дискретизации, показанных на фигуре 4, обеспечивает увеличение частоты дискретизации в 2 раза. В общем случае каждое из цифровых устройств увеличения частоты дискретизации в распределенном тюнере комплексного полосового сигнала может увеличивать частоту дискретизации в N раз, где N>=2. После каждого устройства увеличения частоты дискретизации расположен соответствующий фильтр выделения спектров сигнала, который используется для выделения требуемого спектра сигнала в частотной области из множества спектров, которые возникают при увеличении частоты дискретизации. В некоторых вариантах такой фильтр выделения спектров сигнала может таким же фильтром, который был уже рассмотрен в настоящем описании. Например, фильтр выделения спектров сигнала может быть программируемым фильтром, в котором могут быть заданы параметры его работы.

На фигуре 4 первый тюнер 420 комплексного полосового сигнала принимает входной комплексный сигнал и передает выходной сигнал в первое устройство 422, повышающее частоту дискретизации в 2 раза. Выходной сигнал первого устройства 422 увеличения частоты дискретизации подается в первый фильтр 423 выделения спектров сигнала. Второй тюнер 424 комплексного полосового сигнала принимает выходной сигнал из первого фильтра 423 и передает выходной сигнал во второе устройство 426, увеличивающее частоту дискретизации в 2 раза. Выходной сигнал второго устройства 426 увеличения частоты дискретизации подается во второй фильтр 427 выделения спектров сигнала. Третий тюнер 428 комплексного полосового сигнала принимает выходной сигнал из второго фильтра 427 и передает выходной сигнал в устройство, повышающее частоту дискретизации в N раз, которое аналогично устройству 120 на фигуре 1.

В процессе работы выходной сигнал каждого из устройств 422, 426 увеличения частоты дискретизации в 2 раза подается на вход соответствующего фильтра 423, 427 выделения спектров сигнала, в котором подавляются мешающие спектры в частотной области. Выходной сигнал каждого из фильтров 423, 427 выделения спектров сигнала подается на вход соответствующего тюнера 424, 428 комплексного полосового сигнала. В рассматриваемом примере тюнеры 420, 424, 428 комплексного полосового сигнала обеспечивают промежуточное повышение частоты, которые совместно обеспечивают действие, эквивалентное повышению частоты на выходе тюнера 110 комплексного полосового сигнала фигуры 1. Такая реализация может обеспечить достижение в цифровом преобразователе улучшенного разрешения на пониженных частотах дискретизации с меньшим уровнем сложности схемы. В некоторых вариантах частота дискретизации выходного сигнала распределенного тюнера комплексного полосового сигнала может не быть равна F_s/N, как это имеет место в схеме, представленной на фигуре 1. В таком случае частота дискретизации выходного сигнала может быть вновь изменена для получения требуемого значения.

Пример на фигуре 4 представляет собой конкретный вариант осуществления изобретения, приведенный в целях его иллюстрации. Число тюнеров комплексного полосового сигнала, цифровых устройств увеличения частоты дискретизации и фильтров выделения спектров сигнала зависит от реализации. В более общем случае, распределенный тюнер комплексного полосового сигнала содержит M (M>=2) тюнеров, M-1 цифровых устройств увеличения частоты дискретизации и M-1 фильтров выделения спектров сигнала. М-1 из М тюнеров комплексного полосового сигнала, М-1 цифровых устройств увеличения частоты дискретизации и М-1 фильтров выделения спектров сигнала организованы в группы, каждая из которых содержит тюнер комплексного полосового сигнала, цифровое устройство увеличения частоты дискретизации и фильтр выделения спектров сигнала. Каждая группа обеспечивает прием дискретизированного по времени комплексного сигнала с формированием промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала, увеличение частоты дискретизации промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала с формированием промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала с увеличенной частотой дискретизации и фильтрацию этого сигнала для выделения спектров сигнала и получения отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала. Первая группа осуществляет обработку входного дискретизированного по времени полосового сигнала, и каждая следующая группа осуществляет обработку отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала, каждой предыдущей группы. M-й тюнер комплексного сигнала предназначен для приема M-1-го отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала и осуществления перестройки этого сигнала для получения комплексного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала.

В некоторых вариантах коэффициент увеличения частоты дискретизации, используемый в цифровом устройстве увеличения частоты дискретизации каждой группы, может быть одинаковым во всех группах. В некоторых вариантах коэффициент увеличения частоты дискретизации может быть одинаковым в некоторых группах, а в других группах он может быть другим. В некоторых вариантах в разных группах используются разные коэффициенты увеличения частоты дискретизации.

Далее основной способ осуществления цифрового преобразования с повышением частоты, при котором входной полосовой сигнал имеет частоту F_s/N дискретизации, описывается со ссылками на фигуру 5. Способ выполняется для заданного комплексного полосового сигнала, для которого используется ЦАП, имеющий известную эффективную фиксированную частоту F_s дискретизации, для преобразования дискретного полосового сигнала с повышением частоты в непрерывный во времени сигнал. Параметры перестройки комплексного сигнала и коэффициенты фильтра выделения спектров сигнала могут быть определены в зависимости от нужной частоты преобразования для комплексного полосового сигнала и известной фиксированной частоты дискретизации ЦАПа.

Первая стадия 5-1 способа включает задание фиксированной эффективной частоты Fs дискретизации для цифроаналогового преобразователя (ЦАПа), используемого для преобразования дискретизированного по времени полосового сигнала с повышением частоты.

На второй стадии 5-2 дискретный комплексный полосовой сигнал перестраивают в пределах ширины основной полосы для получения перестроенного, дискретизированного по времени, комплексного полосового сигнала.

Третья стадия 5-3 включает увеличение частоты дискретизации перестроенного, дискретизированного по времени, комплексного полосового сигнала. Осуществляется увеличение частоты дискретизации перестроенного комплексного, дискретизированного по времени, сигнала в N раз, где N>=2, для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, который имеет представление в частотной области, содержащее N спектров сигнала, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга, в диапазоне частот от 0 до F_s. В этом случае в частотной области не происходит перестановка спектров дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации в результате увеличения частоты дискретизации, а только повторение представления в полосе частот перестроенного комплексного, дискретизированного по времени, сигнала в диапазоне частот между 0 и F_s, то есть в направлении положительных частот между F_s и 2F_s, 2F_s и 3F_s и т.д., и в направлении отрицательных частот между 0 и -F_s, -F_s и -2F_s, -2F_s и -3F_s, и т.д.

Четвертая стадия 5-4 включает фильтрацию дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации путем выделения по меньшей мере одного спектра дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации в частотной области для получения отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала.

Пятая стадия 5-5 включает цифровую квадратурную модуляцию отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала. В некоторых вариантах цифровая квадратурная модуляция преобразует комплексный дискретизированный по времени сигнал в действительный дискретизированный по времени сигнал.

Шестая стадия 5-6 включает преобразование действительного дискретизированного по времени сигнала в действительный непрерывный сигнал. В частотной области это преобразование приводит к возникновению дополнительных спектров сигнала, которые повторяются с частотой F_s. В некоторых вариантах преобразование осуществляется ЦАПом. Такое преобразование может быть реализовано с использованием одного или нескольких (без ограничения) процессов выборки и запоминания, возврата к нулю или других известных процессов преобразования. В некоторых вариантах ограниченная сложность (например, выборка и запоминание) процесса преобразования приводит к образованию спектров сигнала, которые подавляются частотной характеристикой ЦАПа.

Седьмая стадия 5-7 представляет собой "очистку" выходного непрерывного сигнала, которая включает выделение спектра сигнала в частотной области, расположенного на требуемой повышенной частоте преобразования. Эта повышенная частота может быть ниже или выше частоты F_s дискретизации. В некоторых вариантах такое выделение включает фильтрацию, которая подавляет мешающие спектры сигнала.

Дополнительные стадии способа включают также определение величины перестройки комплексного сигнала для выполнения стадии перестройки комплексного сигнала и определение коэффициентов фильтрации, используемых на стадии фильтрации дискретизированного по времени сигнала.

В некоторых вариантах определение величины перестройки комплексного сигнала для выполнения стадии его перестройки и определение коэффициентов фильтрации, используемых на стадии фильтрации дискретизированного по времени сигнала, осуществляется в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа и требуемой повышенной частоты преобразования.

Если частота дискретизации входного полосового сигнала не равна F_s/N, то может быть выполнена операция изменения частоты дискретизации в некоторый момент при осуществлении способа для обеспечения эффективной частоты дискретизации F_s сигнала на входе ЦАПа. Если частота дискретизации входного полосового сигнала не равна F_s/N, то в полосе частот от 0 до F_s может не быть N спектров сигнала, как это указывалось выше, и N спектров сигнала будут расположены между 0 Гц и частотой дискретизации входного полосового сигнала, умноженной на N.

В некоторых вариантах увеличение частоты дискретизации и фильтрация с выделением спектров сигнала реализуются в процессе полифазной фильтрации. В некоторых вариантах квадратурная модуляция реализуется после процесса полифазной фильтрации или вместе с ним.

Другая стадия, которая может быть включена в рассматриваемый способ, представляет собой изменение частоты дискретизации входного комплексного полосового сигнала, поступающего в тюнер комплексного сигнала, или же в другом месте схемы при выполнении стадий вышеописанного процесса перед преобразованием дискретизированного по времени сигнала в непрерывный, чтобы получить частоту дискретизации, которая является величиной, содержащейся целое число раз в фиксированной эффективной частоте дискретизации дискретизированного по времени сигнала, преобразуемого в непрерывный сигнал.

В некоторых вариантах вышеописанные стадии осуществления преобразования с повышением частоты могут выполняться в порядке, отличном от порядка, показанного на схеме фигуры 5. В некоторых вариантах цифровая квадратурная модуляция может выполняться после перестройки частоты полосового сигнала на стадии 5-1 перед увеличением частоты дискретизации на стадии 5-2 вместо после фильтрации на стадии 5-3 и перед преобразованием дискретизированного по времени сигнала в действительный непрерывный сигнал на стадии 5-4.

Кроме того, цифровая квадратурная модуляция может быть заменена аналоговой квадратурной модуляцией, выполняемой после преобразования дискретизированного по времени сигнала в действительный непрерывный сигнал. Такая реализация требует организации параллельной обработки двух потоков, инфазной и квадратурной составляющих комплексного сигнала, после осуществления фильтрации на стадии 5-4. Каждый поток преобразуется из дискретизированного по времени сигнала в непрерывный сигнал и фильтруется после этого преобразования, после чего отфильтрованные сигналы подвергаются аналоговой квадратурной модуляции.

Особенности перестройки частоты комплексного сигнала, повторяющийся характер дискретных сигналов и программируемая цифровая фильтрация, используемые в некоторых вариантах, приводят к тому, что обеспечивается гибкое цифровое преобразование с повышением частоты с возможностью перестройки в широкой полосе частот. Предлагаемый в изобретении способ с таким широким диапазоном перестройки частоты может использоваться для эффективной перестройки радиоприемного устройства с одного частотного диапазона на другой частотный диапазон, осуществляемой таким образом, который невозможен для традиционных аналоговых приемных устройств. В то время как для перевода традиционных аналоговых радиоприемных устройств на другой частотный диапазон их необходимо рассчитывать заново, радиоприемные устройства в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения могут быть легко перенастроены путем введения в них информации по изменению рабочих параметров одного или нескольких программируемых компонентов, так что после установки новых параметров радиоприемное устройство будет работать в новом частотном диапазоне. Способ может использоваться для перенастройки радиоприемного устройства, работавшего в одном диапазоне радиосвязи, для работы в другом диапазоне, без внесения существенных изменений в компоненты, осуществляющие преобразование с повышением частоты. В этом случае может эффективно осуществляться перенастройка радиоприемного устройства с одного диапазона частот радиосвязи на другой диапазон. Перенастройка может осуществляться, например, между следующими диапазонами радиосвязи: UMTS, GSM, PCS, Whitespace, 3G, 4G, MediaFlo, AMPS и DVB-H.

Некоторые варианты осуществления изобретения содержат способы перенастройки цифрового преобразователя с повышением частоты для работы в другом частотном диапазоне. Пример такого способа будет описан дальше со ссылками на фигуру 6 для преобразователя с повышением частоты, который принимает входной полосовой сигнал с частотой F_s/N дискретизации.

На основе известных величин требуемой частоты в другом частотном диапазоне, которая должна обеспечена преобразованием с повышением текущей частоты, и выбранной фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа, используемого в цифровом преобразователе, на первой стадии 6-1 определяется частота перестройки для использования при осуществлении перестройки дискретизированного по времени комплексного полосового сигнала для формирования перестроенного дискретизированного по времени комплексного сигнала.

Вторая стадия 6-2 включает определение коэффициентов фильтра для использования при фильтрации дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, который содержит N спектров (N>=2) дискретизированного по времени полосового сигнала в полосе частот от 0 и F_s, причем дискретизированный по времени сигнал с увеличенной частотой дискретизации получают путем увеличения в N раз частоты дискретизации перестроенного дискретизированного по времени комплексного сигнала, и фильтрация содержит выделение по меньшей мере одного спектра из N спектров дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации.

Третья стадия 6-3 включает замену текущей частоты перестройки и коэффициентов фильтра, используемых в цифровом преобразователе, частотой перестройки и/или коэффициентами фильтра, полученными на предыдущих стадиях.

В некоторых вариантах, поскольку эффективная частота дискретизации для ЦАПа в преобразователе фиксирована, то когда радиоприемное устройство перенастраивается для работы в другом частотном диапазоне, поддерживается фиксированная частота дискретизации ЦАПа, и частота перестройки и коэффициенты фильтра для преобразователя определяются в зависимости от фиксированной эффективной скорости дискретизации ЦАПа и необходимой частоты преобразования с увеличением частоты дискретизированного по времени полосового сигнала, поступающего в преобразователь.

Если частота дискретизации входного полосового сигнала не равна F_s/N, то может быть выполнена операция изменения частоты дискретизации в некоторый момент при осуществлении способа для обеспечения эффективной частоты дискретизации F_s сигнала на входе ЦАПа. Если частота дискретизации входного полосового сигнала не равна F_s/N, то в полосе частот от 0 до F_s может не быть N спектров сигнала, как это указывалось выше, и N спектров сигнала будут расположены между 0 Гц и частотой дискретизации входного полосового сигнала, умноженной на N.

Способы и устройство, рассмотренные в настоящем описании, могут использоваться с любым типом радиоприемного устройства, для которого может быть полезна гибкость преобразования с повышением частоты. В некоторых вариантах способы и устройство реализуются в базовой станции радиосвязи. В некоторых вариантах способы и устройство реализуются в мобильной станции. В качестве примеров мобильных станций можно указать, например, сотовый телефон, компьютер, имеющий средства беспроводной связи, в том числе карманный компьютер.

В некоторых вариантах способы и устройство, рассмотренные в настоящем описании, снижают искажения, присущие технологиям аналогового преобразования с повышением частоты, и в то же время обеспечивают гибкую платформу преобразования. Поскольку в технологии, предлагаемой в изобретении, используется цифровая обработка, то возможна значительная интеграция компонентов, которая может существенно снизить стоимость, размеры приемопередающих устройств и требования к электропитанию, по сравнению с традиционными технологиями.

Сочетание реализации возможности цифровой перестройки частоты с фиксированной частотой дискретизации ЦАПа обеспечивает возможность создания радиоприемного устройства с цифровым преобразователем в соответствии с вариантами осуществления изобретения, который можно перенастроить путем простого введения информации для выполнения перенастройки одного или нескольких программируемых компонентов радиоприемного устройства. Например, конфигурационные данные для перенастройки одного или нескольких компонентов цифрового преобразователя могут включать несколько сотен байтов. Такими компонентами могут быть, например, тюнер комплексного полосового сигнала, фильтр выделения спектров сигнала или полифазный фильтр, настроенный для осуществления увеличения частоты дискретизации и выделения спектров сигнала. Такой способ перенастройки радиоприемного устройства может обеспечивать существенное снижение расходов на изменение диапазона радиосвязи.

Предлагаемая в изобретении технология хорошо подходит для интеграции специализированных интегральных микросхем, поскольку даже после реализации радиоприемного устройства, в котором используется цифровой преобразователь с повышением частоты в соответствии с вариантами осуществления изобретения, частота работы радиоприемного устройства остается полностью программируемой. Применение предлагаемой в изобретении технологии также упрощает эффективное изменение рабочего диапазона радиоприемного устройства, как это предлагается в некоторых вариантах, и только конечные стадии (например, усиление мощности и фильтрация) требуют выполнения существенных физических изменений для осуществления перехода на другой рабочий частотный диапазон.

Конкретным примером применения способов и устройства, раскрытых в настоящем описании, является предлагаемое использование неиспользуемой части спектра частот для подавления помех между диапазонами в частях ДЦВ и УКВ спектра электромагнитных волн. Такое конкретное применение известно как Whitespace.

В проекте Whitespace, в котором различным географическим зонам внутри определенной страны или региона могут быть назначены различные части такого неиспользуемого спектра, возможность перенастройки приемопередающих устройств будет важным требованием, поскольку доступные частоты будут изменяться в зависимости от географической зоны.

Возможны различные модификации настоящего изобретения, не выходящие за рамки его существа, раскрытого в описании. Поэтому необходимо понимать, что в пределах объема прилагаемой формулы изобретения оно может быть реализовано в таких практических формах, которые отличаются от описанных выше конкретных вариантов реализации.

Изобретение относится к системам преобразования сигналов с повышением частоты и может использоваться в цифровых системах связи. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности перестройки в широкой полосе частот. Способ цифрового дискретизированного по времени полосового сигнала с повышением частоты до нужной величины включает задание фиксированной эффективной частоты дискретизации для цифроаналогового преобразования (ЦАПа), выполнение комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для его смещения в частотной области, увеличение частоты дискретизации в N раз для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, представление которого в частотной области содержит множество спектров сигнала, фильтрацию для выделения по меньшей мере одного спектра, преобразование его в непрерывный сигнал с использованием ЦАПа, фильтрацию непрерывного сигнала для выделения спектра сигнала, расположенного на нужной частоте в частотной области. Устройство цифрового преобразования с повышением частоты дискретизированного по времени полосового сигнала до необходимой величины содержит ЦАП, комплексный тюнер, цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации, фильтр выделения спектра сигнала, фильтр после ЦАПа. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ цифрового преобразования дискретизированного по времени полосового сигнала с повышением частоты до нужной величины, включающий: задание фиксированной эффективной частоты F_s дискретизации для цифроаналогового преобразователя (ЦАПа), используемого для преобразования дискретизированного по времени полосового сигнала с повышением частоты; выполнение комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для получения комплексного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала, который смещается в частотной области; увеличение частоты дискретизации в N раз, где N>=2, для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, представление которого в частотной области содержит множество спектров сигнала, расположенных на равных расстояниях друг от друга; фильтрацию дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения по меньшей мере одного спектра из множества спектров дискретизированного по времени сигнала для получения отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала; преобразование отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, который содержит по меньшей мере один спектр сигнала, в непрерывный сигнал с использованием ЦАПа; и фильтрацию непрерывного сигнала для выделения спектров сигнала, расположенного на нужной частоте в частотной области; причем величина перестройки, используемая для выполнения стадии комплексной перестройки сигнала, и коэффициенты фильтрации, используемые на стадии фильтрации дискретизированного по времени сигнала, определяются в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа и требуемой повышенной частоты преобразования.

2. Способ по 1, включающий также: определение величины комплексной перестройки сигнала для выполнения стадии перестройки; определение коэффициентов фильтра, используемых при фильтрации дискретизированного по времени сигнала.

3. Способ по п.2, который включает также выполнение квадратурной модуляции после комплексной перестройки сигнала.

4. Способ по п.3, в котором выполнение квадратурной модуляции после комплексной перестройки сигнала включает: выполнение цифровой квадратурной модуляции перед преобразованием отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала в непрерывный сигнал или выполнение аналоговой квадратурной модуляции после преобразования отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала в непрерывный сигнал.

5. Способ по п.3, в котором выполнение квадратурной модуляции после комплексной перестройки сигнала включает выполнение цифровой квадратурной модуляции после фильтрации дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором фильтрация непрерывного сигнала включает: выделение спектра сигнала из непрерывного сигнала, расположенного на частоте между 0 и F_s; или выделение спектра сигнала из непрерывного сигнала, расположенного на частоте, превышающей F_s.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором увеличение в N раз частоты дискретизации дискретизированного по времени сигнала и фильтрация дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации содержит дискретизацию и фильтрацию с использованием полифазной обработки сигнала.

8. Способ по п.5, в котором увеличение в N раз частоты дискретизации дискретизированного по времени сигнала и фильтрация дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации содержит дискретизацию и фильтрацию с использованием полифазной обработки сигнала и выполнение цифровой квадратурной модуляции содержит использование частоты квадратурной модуляции, которая равна фиксированной эффективной частоте дискретизации ЦАПа, разделенной на целое число.

9. Способ по п.8, в котором указанное целое число содержится в N целом числе раз.

10. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором выполнение комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала включает: последовательное выполнение М раз, где М>=2, причем первый раз дискретизированного по времени полосового сигнала и каждый следующий раз дискретизированного по времени сигнала, полученного при предыдущем выполнении: комплексной перестройки дискретизированного по времени сигнала для получения промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала; увеличение частоты дискретизации промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала для получения этого сигнала с увеличенной частотой дискретизации; фильтрацию промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения спектров сигнала в частотной области и получения отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала; выполнение комплексной настройки на М-й отфильтрованный промежуточный перестроенный, дискретизированный по времени сигнал для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации.

11. Способ по любому из пп.1 и 2, содержащий также повторную дискретизацию по меньшей мере одного из сигналов: дискретизированного по времени полосового сигнала, комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала, дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации и отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала с частотой, которая в целое число раз меньше фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа.

12. Устройство цифрового преобразования с повышением частоты дискретизированного по времени полосового сигнала до необходимой величины, содержащее: цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) с фиксированной эффективной частотой дискретизации, равной F_s;
комплексный тюнер, предназначенный для перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для получения комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала;
цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации, где N>=2, для получения дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации, представление которого в частотной области содержит множество спектров сигнала, расположенных на равных расстояниях друг от друга;
фильтр выделения спектров сигнала, предназначенный для выделения по меньшей мере одного спектра из множества спектров сигнала и формирования отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, который преобразуется ЦАПом в непрерывный во времени сигнал;
фильтр после ЦАПа, предназначенный для приема непрерывного во времени сигнала и выделения спектра, расположенного на нужной частоте в частотной области; причем величина перестройки, используемая в комплексном тюнере, и коэффициенты фильтрации, используемые в фильтре выделения спектров, определяются в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа и требуемой повышенной частоты преобразования.

13. Устройство по п.12, в котором комплекснй тюнер и фильтр выделения спектров могут настраиваться путем изменения рабочих параметров для цифрового преобразования с повышением частоты дискретизированного по времени полосового сигнала до необходимой величины в одном из множества диапазонов радиосвязи.

14. Устройство по п.12 или 13, в котором цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации и фильтр выделения спектров реализуются в форме полифазной обработки сигнала.

15. Устройство по любому из пп.12 и 13, содержащее также квадратурный модулятор для выполнения квадратурной модуляции после комплексного тюнера.

16. Устройство по п.15, в котором квадратурный модулятор может быть:
цифровым квадратурным модулятором, предназначенным для выполнения цифровой квадратурной модуляции перед ЦАПом; или аналоговым квадратурным модулятором, предназначенным для выполнения аналоговой квадратурной модуляции после ЦАПа.

17. Устройство по п.15, в котором цифровое устройство увеличения в N раз частоты дискретизации и фильтр выделения спектров реализуются в форме полифазной обработки сигналов и квадратурный модулятор представляет собой цифровой квадратурный модулятор, предназначенный для выполнения цифровой квадратурной модуляции перед ЦАПом, который работает на частоте квадратурной модуляции, снижающей сложность реализации устройства.

18. Устройство по любому из пп.12 и 13, в котором комплексный тюнер представляет собой распределенный тюнер, в состав которого входят М комплексных тюнеров полосового сигнала, где M>=2, M-1 цифровых устройств увеличения частоты дискретизации и M-1 фильтров выделения спектров сигнала: причем M-1 из M тюнеров полосового сигнала, M-1 цифровых устройств увеличения частоты дискретизации и M-1 фильтров выделения спектров сигнала организованы в группы, каждая из которых содержит тюнер полосового сигнала, цифровое устройство увеличения частоты дискретизации и фильтр выделения спектров сигнала, и каждая группа предназначена для: комплексной перестройки дискретизированного по времени сигнала для получения промежуточного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; увеличения частоты дискретизации промежуточного перестроенного дискретизированного по времени сигнала для получения этого сигнала с увеличенной частотой дискретизации и фильтрации промежуточного перестроенного дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения спектров сигнала и получения отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала; причем первая группа осуществляет обработку дискретизированного по времени полосового сигнала и каждая следующая группа осуществляет обработку отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала с выхода каждой предыдущей группы; и комплексный M-й тюнер предназначен для: приема (M-1)-го отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени, сигнала; и выполнения комплексной перестройки (M-1)-го отфильтрованного промежуточного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала для получения комплексного перестроенного, дискретизированного по времени сигнала.

19. Устройство по любому из пп.12 и 13, содержащее также компонент изменения частоты дискретизации для повторной дискретизации по меньшей мере одного из сигналов: дискретизированного по времени полосового сигнала, комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала, дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации и отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала с частотой, которая в целое число раз меньше фиксированной эффективной частоты дискретизации ЦАПа.

20. Способ реконфигурации сигналов цифрового преобразователя с повышением частоты для обеспечения работы в другом диапазоне частот, включающий: определение частоты перестройки для использования при осуществлении комплексной перестройки дискретизированного по времени полосового сигнала для получения комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; определение коэффициентов фильтра для использования при фильтрации дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации для выделения по меньшей мере одного спектра в частотной области из множества спектров дискретизированного по времени сигнала с увеличенной частотой дискретизации и получения отфильтрованного дискретизированного по времени сигнала, причем дискретизированный по времени сигнал с увеличенной частотой дискретизации получают путем увеличения частоты дискретизации комплексного перестроенного дискретизированного по времени сигнала; причем частота перестройки и коэффициенты фильтра определяются в функции от фиксированной эффективной частоты дискретизации цифроаналогового преобразователя (ЦАПа), используемого в цифровом преобразователе с повышением частоты, и требуемой повышенной частоты преобразования дискретизированного по времени полосового сигнала.

21. Способ по 20, включающий также замену текущей частоты перестройки и текущих коэффициентов фильтра, используемых в цифровом преобразователе, частотой перестройки и/или коэффициентами фильтра, полученными на предыдущих стадиях.