专利名称：处理用于模拟传送的数字信号的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字信号处理，特别是一种处理用于随后的模拟传送的数字信号的改进方法和系统。
由于蜂窝电话、手持可携式摄像机、便携计算机和机顶有线电视盒的复杂性增加，D/A和A/D电路的要求或性能标准也已经提高。这些和其它相似应用通常具有低功率和长电池寿命要求。它们可能还具有高速和高分辨率要求。
应用高性能数模转换器(DAC)的一个实例是，把代表数字发射机中希望的调制输出信号的数字信号转换为具有较高中频的模拟信号。较高中频是需要的，有了较高中频，就可以在模拟信号被混频到最终射频之后容易地对随后的混频器镜像进行滤波。
过去，很难从低成本DAC中获得有用的、高中频信号，因为DAC抽样保持功能的典型sinx/x滤波特性曲线减小了具有较高中频信号的信号的幅度。
图1示出了用来将一个调制的数字中频信号转换成适合于传送(比如射频传送)的模拟信号的一个DAC的现有技术应用。如图1所示，数字信号源20提供一个代表待传送的数据的已调制数字中频信号。这种数据可以代表声频、视频或可能是软件的数据文件或诸如资料的某种用户数据。已调制数字中频信号通常是数字比特的串行流，包括已经被处理以在信道上传送的码元。这种处理可以包括为改善信道传送效率而进行的交织和错误编码。
数字信号源20的输出被耦合到数模转换器(DAC)22。DAC 22将数字码转换成具有离散模拟电压的信号。
DAC 22的输出被耦合到低通滤波器24的输入，在此衰减DAC 22输出的模拟信号中除第一基带镜像外的所有其它信号。低通滤波器24可以用已知的声表面波器件或其它频率选择器件来实现。
具有来自频率为FL01的本地振荡器的一个输入的混频器26将滤波器24输出的模拟信号混频到中频(IF)。需要说明的是该混频功能可以被看作“频率变换功能”，因为可以将信号分量的频率向上或向下变换成一个新频率。在一个实施例中，使用近似200MHz的IF(本地振荡器频率FL01)。混频器26可以用市售的器件号JYM-20H的集成电路来实现，该集成电路可以从Mini-Circuits,Brooklyn,NY得到。
混频器26后面是带通滤波器27和第二混频器28。第二混频器28将混频器26输出的中频混频到可能是射频(RF)的最终发送频率。在一个实施例中，使用近似2GHz的RF(本地振荡器频率FL02)。混频器28也可以用可从Mini-Circuits得到的器件号为JYM-20H的集成电路来实现。带通滤波器27选择或通过由混频器26产生的混频产物信号之一。
使用其第一级IF为200MHz的两个混频级在混频器28的输出端提供混频产物信号对之间的400MHz频率间隔。该相当大的间隔允许使用混频器28之后的经济的低阶滤波器(未示出)来选择混频器镜像对中的一个信号用于最终放大和发送。
混频器28的输出传递给一个放大器(未示出)，该放大器把一个信号放大到可以在信道上发送的电平。信道可以是射频信道，在该信道上信号被从发射机无线发送到一个接收机。另一方面，该信道可以在另一个媒介中，比如同轴电缆或光纤。在这种可替换的媒介中，DAC 22输出的信号可以仍然被上变换到用于频分复用目的的另一个频率上。
参见图2，该图示出了DAC 22输出的模拟信号中呈现的频率分量和其振幅的曲线图。
在曲线图40中，对照频率描绘振幅。在频率轴上，FL是数字信号源20的抽样频率。包括基带信号分量42和混叠信号分量44的多个信号分量以不同频率显示。每个信号分量位于一个分离的奈奎斯特频段上。第一奈奎斯特频段被显示在参考标号46上，并且包含基带信号分量42。如果数字信号源20提供一个复合数字信号，则第一奈奎斯特频段46为两倍那样大，从零扩展到抽样频率FL。其频率比第一奈奎斯特频段的频率高的奈奎斯特频段被称作“超奈奎斯特频段”。这些超奈奎斯特频段被显示在参考标号48上。
混叠信号分量44的振幅由DAC 22的滤波特性确定。滤波特性50在图2中被显示为虚线，它具有数学函数sinx/x的形状。这种滤波函数是具有抽样保持输出信号的DAC的典型函数。因此，混叠信号分量44的振幅由混叠信号分量的特定频率上的滤波特性函数的值确定。
尽管在曲线图40中，信号分量42至44被显示为具有单频，但这些信号分量可以具有某个有限带宽，因为这些信号可以有在这样一个带宽上分布的若干频率分量。
在现有技术的一个实施例中，FL可能等于100MHz。在DAC 22的输出，低通滤波器24选择基带信号42并滤除混叠信号分量44。混频器26和28共同把基带信号42上混频到2GHz频率，它可能是FL的频率的20倍。通常需要两个混频器，因为在发送频率上，需要从发送信号中滤除混频器镜像，并且当其频率接近发送信号的频率时很难滤除这种混频器镜像。通过使用两个混频器并按两级进行混频，发送信号和其混频器镜像可以在频率上被分隔，使混频器镜像滤波器更容易实现，因为可以用更少的极点设计滤波器。
由于具有更多极点的滤波器较难设计和实现，因此，在DAC之前可以使用一个上抽样器，以便将基带信号与混叠信号分量分离。这样就允许使用较少极点的滤波器从基带信号中滤除混叠信号分量。
如图3所示，数字信号源20输出的信号在输入到DAC 66之前，由上抽样器60和低通数字滤波器62处理。上抽样器60执行“零填充”功能，其中一个数字码元被输入给上抽样器60并且，例如，从上抽样器60输出三个数字码元。在这些输出码元中，一个码元是原始输入码元，其后的码元是零值码元。在图3和图4所示的实例中，上抽样器60用M因数进行上抽样，其中M等于三。
在新的较大的第一奈奎斯特频段64中，低通数字滤波器62滤除由上抽样器60输出的混叠信号分量。需要说明的是，由于上抽样功能，图4中的奈奎斯特频段是较大的或较宽的。
低通数字滤波器62的输出被输入给DAC 66，在该实例中，DAC 66在比图1所示的DAC 22快三倍的抽样频率FH上进行工作。图4所示的曲线图示出了DAC 66输出的频率分量。基带信号分量44位于第一奈奎斯特频段64中。混叠信号分量44位于超奈奎斯特频段68中，需要说明的是，图4中的奈奎斯特频段三倍于图2所示的奈奎斯特频段的宽度。较宽的奈奎斯特频段是上抽样器60和DAC 66按三倍快的速率操作的结果。
DAC 66的输出由低通滤波器70滤波，以便在超奈奎斯特频段68中消除混叠信号分量44。后面的低通滤波器70、混频器26和28将基带信号分量42向上频率变换到希望的发送频率。需要说明的是，低通滤波器70可以用其极点少于低通滤波器24(参见图1)极点的滤波器来实现。这样使低通滤波器70更加便宜以及更容易制作。如图2与图4的差异所示，由于基带信号42在频率上进一步与混叠信号分离44分隔，因此需要较少的极点。
尽管图3所示的数字信号处理在DAC的输出提供了较简单的低通滤波器，但是图3中的电路仍然需要两个混频器，以便将DAC输出变换到希望的发送频率。因此，现有技术中存在改进处理用于模拟频率发送的数字信号的方法和系统的需要，其中，消除了对用于将DAC输出向上混频到希望的发送频率的两个混频器的需要，并且允许使用简单的低阶滤波器来对滤混频器镜像进行滤波，以产生用于发送的信号。
本发明的详细说明参见图5，图5示出了根据本发明的方法和系统的处理用于模拟发送的数字信号的一种系统。如图所示，数据源20输出已调制数字中频信号，其包括代表已调制波形的电压抽样的码元序列。数据源20的码元速率是FL。数字信号源20的码元输出被耦合到按因数M对信号上抽样的上抽样器60。该上抽样功能通常接收单个码元并输出其后是M-1个零值码元的该码元，如上面参照现有技术讨论的一样。上抽样码元速率是FH。
上抽样器60的输出被耦合到超奈奎斯特镜像处理器80的输入，处理器80输出一修改的数字信号。该修改的数字信号将在下面进行详细讨论。
超奈奎斯特镜像处理器80的输出被耦合到DAC 66的输入，DAC66按上抽样器60输出的相同速率将数字信号输入转换到模拟信号输出。DAC 66可以用市售的由Tucson，Arizona的Burr-Brown生产的器件号为DAC600的集成电路来实现。
DAC 66的输出被耦合到带通滤波器27。带通滤波器27的目的是选择一个混叠信号分量84(参见图6)，它是基带信号分量86的镜像。带通滤波器27的带宽应当小得足以在一个超奈奎斯特频段68中选择单个混叠信号分量84。
带通滤波器27的输出耦合到混频器28，混频器28将选择的混叠信号分量上混频到发送频率。该混频还可以称作频率变换。混频器28具有来自一个以频率FL02工作的本地振荡器的输入。
参见图6，该图示出了显示DAC 66输出的模拟信号的信号分量的频率的曲线图。这些信号分量包括第一奈奎斯特频段64中所示的基带信号分量86，和其每个都具有比第一奈奎斯特频段64高的频率的不同超奈奎斯特频段68中所示的混叠信号分量84。基带信号分量86和混叠信号分量84都具有由DAC 66的滤波特性72确定的振幅。需要说明的是滤波特性72具有如分别由参考标号88和90所指示的频率上所示的峰值振幅和零振幅。这里所用的术语“零”是指代表数模转换器的滤波特性72的图形或曲线图内的局部最小值。
尽管已经参照使用真实数字信号的实例说明了本发明，但本发明还可以用来处理复数数字信号。当使用复数数字信号时，第一奈奎斯特频段是两倍之大，从零扩展到抽样频率。
再参见图5中超奈奎斯特镜像处理器80所执行的功能，该功能可以被描述为，在一个频率上输出所选择的信号分量，在这个频率上将使后面的诸如DAC 66的数模转换器输出一个位于超奈奎斯特频段中的混叠信号分量，该混叠信号分量比由基带信号分量42建立的在相同超奈奎斯特频段中的混叠信号分量更接近DAC 66的滤波特性72的预期峰值振幅。
如参照图4所示和所讨论的那样，DAC 66从基带镜像分量42中输出混叠镜像分量44，该混叠信号分量44位于滤波特性72中的零点附近，或者远离峰值。如图4所示，滤波特性72是典型的sinx/x滤波函数，是作为抽样保持输出信号的结果出现在一个DAC中的。根据本发明的的一个重要方面，超奈奎斯特镜像处理器80输出的信号分量更靠近滤波特性72的超奈奎斯特频段68中的峰值88(参见图6)。与此相反，输入到图3的DAC 66的频率分量在图4中示出，它更接近滤波特性72中的零点(即，频率FH和2FH…)。
参见图7，该图示出了根据本发明的方法和系统的处理用于模拟发送的数字信号的系统的第二实施例。如图所示，图7包括连接上抽样器60的数字信号源20。上抽样器60的输出耦合到超奈奎斯特镜像处理器80。镜像处理器80包括连接数字混频器94的数字低通滤波器62。数字混频器94具有来自频率为FD1的本地振荡器的一个输入。在该实施例中，低通数字滤波器62选择基带信号分量，比如图2所示的基带信号分量42，这样它可以被频率变换到一个较高频率上，使DAC66的输出产生接近于DAC滤波特性的预期峰值的超奈奎斯特频段内的混叠信号分量。以此方式，超奈奎斯特镜像处理器80在一个频率上输出多个信号分量的一个被选择信号分量，其中在这个频率上将使数模转换器输出一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比由基带信号分量建立的一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅。换句话说，把基带信号分量频率变换到较高频率上，使新建立的混叠信号分量更接近于DAC滤波函数的峰值位置。
施加给数字混频器94的频率变换信号的频率FD1最好等于上抽样码元速率FH的一半。通过选择该频率，施加给数字混频器94的数字变换信号包括序列{1，-1，1，-1，1，-1…}。该序列明显减少了实现数字混频器96所需的电路。
在另一个实施例中，FD1等于上抽样码元速率FH的四分之一。利用该选择，施加到数字混频器94的数字变换信号包括序列{1，0，-1，0，1，0，-1，0，1，...}。
参见图8，该图示出了根据本发明的方法和系统的处理用于模拟发送的数字信号的系统的第三实施例。如图所示，除了超奈奎斯特镜像处理器80的实施例之外，该系统与图7所示的系统相似。在该实施例中，超奈奎斯特镜像处理器80通过使用数字带通滤波器96选择和输出一个信号分量，该带通滤波器96具有中心频率FD，用于选择第一奈奎斯特频段内的混叠信号分量，并把选择的分量输出给DAC66。需要说明的是，选择第一奈奎斯特频段64中的任何混叠信号分量将导致DAC输出的混叠信号分量比如果基带信号分量42已经被直接输入DAC 66时将输出的一个混叠信号分量更接近于滤波特性72的峰值。
超奈奎斯特镜像处理器80的好处是，DAC产生一个包括混叠信号分量的输出，所述的混叠信号分量的振幅具有可以被上混频到发送频率的信噪比。也就是，该混叠信号分量是有用的信号，因为它们具有比图4所示的现有技术中的信噪比更高的信噪比，使得它们适于发送。
除了混叠信号分量的更高信噪比之外，混叠信号分量出现在比基带信号分量42更高的频率上，使其更容易从RF混频器28输出的混频镜像对中选择或过滤一个发送信号。在混频器产物对之间具有更大的距离意味着可以使用更低阶的滤波器来选择一个分量用于发送。
因此，在图7所示的实施例包括选择一个信号分量并移动它。当数字低通滤波器用来选择信号分量时，选择和移动基带信号分量。另一方面，第一奈奎斯特频段中的混叠信号分量可以通过使用图8所示的带通滤波器来选择，并且通过频率变换来移动。
总之，本发明具有数字地处理信号的好处，所以DAC在一个频率上输出具有足够信噪比的信号，其中在这个频率上的信号可以用单级混频器进行混频，并进行滤波以产生模拟发送信号。
本发明的优选实施例的上述说明是用于示范性说明目的的。该说明不是详尽的，或者不是将本发明限制到所公开的精确结构上。很明显，依据上述教导，各种修改或变化都是可能的。选择和说明实施例是为了提供本发明的原理和实际应用的最佳例证，并且使本领域的普通熟练人员能够以不同实施例和各种修改利用本发明，以适合于所构想的特定使用。所有这些修改和变化均落入本发明的范围。本发明的范围根据所附带的权利要求在公正合法的范围内确定。
权利要求
1.一种处理用于模拟发送的数字信号的方法，该方法包括以下步骤上抽样一个数字信号以产生一个数字上抽样信号，该数字上抽样信号具有在多个奈奎斯特频段内的信号分量，这些奈奎斯特频段包括第一奈奎斯特频段和其频率比第一奈奎斯特频段的频率更高的多个超奈奎斯特频段，其中第一奈奎斯特频段包括一个基带信号分量和多个混叠信号分量；从数字上抽样信号中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个；和在一个频率上输出多个信号分量中的被选择的一个信号分量，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅。
2.根据权利要求1所述的处理数字信号的方法，还包括以下步骤将所述的多个信号分量中的被选择的一个信号分量频率变换到一个频率上，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅，其中产生一个频率变换信号分量；和输出该频率变换信号分量。
3.根据权利要求2所述的处理数字信号的方法，其中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个的步骤还包括选择基带信号分量。
4.根据权利要求3所述的处理数字信号的方法，其中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个的步骤还包括对基带信号分量进行低通滤波。
5.根据权利要求1所述的处理数字信号的方法，其中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个的步骤还包括选择一个混叠信号分量。
6.根据权利要求5所述的处理数字信号的方法，其中选择第一奈奎斯特频段内的一个混叠信号分量的步骤还包括对多个混叠信号分量中的一个进行带通滤波。
7.根据权利要求2所述的处理数字信号的方法，其中将所述的多个信号分量中的被选择的一个信号分量频率变换到一个频率上，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅，其中产生一个变换信号分量，上述步骤还包括将多个信号分量中的被选择的一个信号分量混频到一个频率上，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅，从而产生一个频率变换的信号分量。
8.根据权利要求7所述的处理数字信号的方法，其中混频多个信号分量中的被选择的一个信号分量的步骤还包括将多个信号分量中的被选择的一个信号分量与具有等于该多个信号分量中的被选择的该一个信号分量的抽样率一半的频率的信号相混频，以产生一个频率变换信号分量。
9.根据权利要求7所述的处理数字信号的方法，其中对多个信号分量中的被选择的一个信号分量进行混频的步骤还包括将多个信号分量中的被选择的一个信号分量与具有等于该多个信号分量中的被选择的该一个信号分量的抽样率的四分之一的频率的信号相混频，以产生一个频率变换信号分量。
10.一种处理用于模拟发送的数字信号的系统，包括上抽样装置，用于上抽样一个数字信号以产生一个数字上抽样信号，该数字上抽样信号具有在多个奈奎斯特频段内的信号分量，这些奈奎斯特频段包括第一奈奎斯特频段和其频率比第一奈奎斯特频段的频率更高的多个超奈奎斯特频段，其中第一奈奎斯特频段包括一个基带信号分量和多个混叠信号分量；选择装置，用于从数字上抽样信号中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个；和输出装置，用于在一个频率上输出多个信号分量中的被选择的一个信号分量，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅。
11.根据权利要求10所述的处理数字信号的系统，还包括频率变换装置，将所述的多个信号分量中的被选择的一个信号分量频率变换到一个频率上，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅；和用于输出该频率变换信号分量的装置。
12.根据权利要求11所述的处理数字信号的系统，其中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个的装置还包括用于选择基带信号分量的装置。
13.根据权利要求12所述的处理数字信号的系统，其中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个的装置还包括用于对基带信号分量进行低通滤波的装置。
14.根据权利要求10所述的处理数字信号的系统，其中选择第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个的装置还包括用于选择一个混叠信号分量的装置。
15.根据权利要求14所述的处理数字信号的系统，其中选择第一奈奎斯特频段内的一个混叠信号分量的装置还包括用于对多个混叠信号分量中的一个进行带通滤波的装置。
16.根据权利要求11所述的处理数字信号的系统，其中频率变换装置将所述的多个信号分量中的被选择的一个信号分量频率变换到一个频率上，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅，其中产生一个变换信号分量，该频率变换装置还包括混频装置，将多个信号分量中的被选择的一个信号分量混频到一个频率上，这个频率将使一个数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由基带信号分量建立的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅，从而产生一个频率变换的信号分量。
17.根据权利要求16所述的处理数字信号的系统，其中用于混频多个信号分量中的被选择的一个信号分量的装置还包括一个装置，用于将多个信号分量中的被选择的一个信号分量与具有等于该多个信号分量中的被选择的一个信号分量的抽样率一半的频率的信号相混频，以产生一个频率变换信号分量。
18.根据权利要求16所述的处理数字信号的系统，其中用于对多个信号分量中的被选择的一个信号分量进行混频的装置还包括一个装置，用于将多个信号分量中的被选择的一个信号分量与具有等于该多个信号分量中的被选择的一个信号分量的抽样率的四分之一的频率的信号相混频，以产生一个频率变换信号分量。
19.一种信号处理系统，用于在数字信号被转换到用于发送的模拟信号之前处理数字信号，该系统包括上抽样器，用于上抽样数字信号以产生一个数字上抽样信号，该数字上抽样信号具有包括一个基带信号分量和多个混叠信号分量的多个信号分量；耦接数字上抽样频率的信号分量和频率选择器，用于在一个频率上选择多个信号分量中的一个被选择信号分量和输出该选择的信号分量，这个频率将使处理该选择信号分量的数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由处理基带信号分量的数模转换器输出的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅。
20.根据权利要求19所述的信号处理系统，其中信号分量和频率选择器还包括用于选择基带信号分量的低通滤波器；和数字混频器，将基带信号分量频率变换到一个频率上，这个频率将使处理被选择信号分量的数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由处理基带信号分量的数模转换器输出的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于该数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅。
21.根据权利要求19所述的信号处理系统，其中信号分量和频率选择器还包括带通滤波器，用于选择具有一个频率的一个信号分量，这个频率将使处理被选择信号分量的数模转换器输出一个位于一个超奈奎斯特频段内的混叠信号分量，该混叠信号分量比将由处理基带信号分量的数模转换器输出的该超奈奎斯特频段中的一个混叠信号分量更接近于该数模转换器的滤波特性的预期峰值振幅。
全文摘要
在用于数模转换的数字处理系统中,上抽样(60)数字信号以产生第一奈奎斯特频段和其频率比第一奈奎斯特频段的频率更高的多个超奈奎斯特频段,其中第一奈奎斯特频段包括一个基带信号分量和多个混叠信号分量。此后从数字上抽样信号中选择(80)第一奈奎斯特频段内的多个信号分量中的一个。最后,在一个频率上输出一个被选择的信号分量,这个频率将使数模转换器(66)输出一个混叠信号,该混叠信号接近将通过处理基带信号分量而输出的预期峰值振幅。
文档编号H03D7/00GK1348629SQ00806709
公开日2002年5月8日 申请日期2000年4月4日 优先权日1999年4月24日
发明者保罗·菲尔丁·史密斯, 凯文·迈克尔·莱尔德, 丹尼·托马斯·平克利 申请人:摩托罗拉公司