一种多频段毫米波接收机及方法.pdf

本发明公开了一种多频段毫米波接收机及方法，采用多个处理电路对不同频段的信号使用正交混频变频，得到固定中心频率的复数中频信号，通过复数带通滤波器将作为负频率分量的镜像信号去除，实现镜像抑制，再将模拟中频信号通过模数转换器，依据带通采样定理，完成数字化的同时实现下变频，再经过后续数字信号处理恢复出发射端的原始信号。采用本发明可提高镜像抑制性能，简化系统结构，使之更易实现及集成。

权利要求书
1.   一种多频段毫米波接收机，其特征在于包括：
一个天线接收装置（1），其频率接收范围覆盖多频段毫米波接收机支持的所有频段xi,1≤i≤X，X为多频段毫米波接收机支持的频段数量；用于接收毫米波信号，并将毫米波信号发送给控制模块（2）；
一个控制模块（2），用于接收天线接收装置（1）传来的毫米波信号，根据毫米波信号所属的频段xi将毫米波信号发送到对应频段处理电路的信号放大器（5）；并根据毫米波信号的中心频率fRF向频率合成器（3）发送本振信号生成的控制信号；
一个频率合成器（3），用于根据控制模块（2）传送的控制信号合成本振信号L(t)，将本振信号传送给正交耦合器（4）；
一个正交耦合器（4），用于将本振信号分为两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)，并分别传送给X个N次谐波混频器组（7）；
X个信号放大器（5），用于将对应频段的毫米波信号放大，第i个信号放大器的接收频段为xi；
X个信号分路器（6），用于将放大的毫米波分为相同的两路毫米波信号X(t)，分别传送给对应的混频器组（7）；
X个N次谐波混频器组（7），用于将毫米波信号与本振信号进行N次混频，第i个N次谐波混频器组的处理频段为xi；每个N次谐波混频器组包括：
一个N次谐波混频器（71），用于将一路毫米波信号X(t)和一路本振信号LI(t)进行N次混频，得到中频信号输出YI(t)并传送给复数带通滤波器（8）；
一个N次谐波混频器（72），用于将另一路毫米波信号X(t)和另一路本振信号LQ(t)进行N次混频，得到中频信号输出YQ(t)并传送给复数带通滤波器（8）；
一个复数带通滤波器（8），其中心频率fBPF＝fif，滤波带宽BBPF＞BRF，BRF为毫米波信号带宽；用于对中频信号输出YI(t)与YQ(t)组合成的复数信号Y(t)＝YI(t)+jYQ(t)进行滤波，去除镜像信号，得到有用信号，输出两个有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)；
两个模数转换器（11），用于分别对有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)进行带通采样，将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)转换为两路数字信号WI(t)和WQ(t)，采样频率且fs≥n×2B，同时实现信号下变频，使数字信号WI(t)和WQ(t)成为基带信号；
一个数字信号处理模块（12），用于对两路数字信号WI(t)和WQ(t)进行数字信号处理，包括数字低通滤波、解调，恢复出发射端发射的信号。

2.   根据权利要求1所述的多频段毫米波接收机，其特征在于，所述的天线接收装置（1）为自适应阵列天线接收装置。

3.   根据权利要求1所述的多频段毫米波接收机，其特征在于，所述的放大器（5）为低噪声放大器。

4.   根据权利要求1所述的多频段毫米波接收机，其特征在于，所述的N次谐波混频器采用管对式N次谐波混频电路。

5.   根据权利要求1所述的多频段毫米波接收机，其特征在于，所述的N次谐波混频器的混频次数N＝4。

6.   根据权利要求1至5任一所述的多频段毫米波接收机，其特征在于，还包括：
两个可变增益放大器（9），用于分别将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)放大并稳定功率；
一个复数带通滤波器（10），用于将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)组成的复数信号进行滤波，去除有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)中的噪声。

7.   一种多频段毫米波接收方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、多频段毫米波接收机支持的频段数量记为X，各频段分别表示为xi,1≤i≤X，通过天线接收装置接收某一频段的毫米波信号，并传送给控制模块；
（2）、根据毫米波信号的频段xi将毫米波信号转发至对应频段的处理电路，并向频率合成器发送本振信号生成的控制信号，包括本振信号的本振频率fif为N次谐波混频器设置的固定输出中频频率，N为N次谐波混频器组的次数；频率合成器根据控制信号生成对应的本振信号L(t)，再通过正交耦合器将本振信号分为两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)；
（3）、对应处理电路的信号放大器对毫米波信号进行放大，并将放大后的毫米波信号分为两路相同的信号X(t)；
（4）、第i对N次谐波混频器组分别对两路毫米波信号X(t)与两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)进行正交混频，得到两路中频信号输出YI(t)与YQ(t)；
（5）、采用中心频率fBPF＝fif，滤波带宽BBPF＞BRF的复数带通滤波器对两路中频信号输出YI(t)与YQ(t)组成的复数中频信号Y(t)＝YI(t)+jYQ(t)进行滤波，复数信号Y(t)可表示为其中为有用信号，为镜像信号，ωif＝2πfif表示中频信号角频率，t表示时间；经过复数带通滤波器后，正的频率分量通过，负的频率分量被抑制，得到两路有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)；
（6）、对有用信号分量进行数字化，采样频率且fs≥n×2B，其中k和n分别为正整数，B为发送端信源的基带信号带宽，采样后得到的数字化信号会同时由中频下变频到基带，得到两路数字信号WI(t)和WQ(t)；
（7）、对数字信号WI(t)和WQ(t)后续处理，包括数字低通滤波、解调，恢复出发射端的原始传输信号。

8.   根据权利要求7所述的多频段毫米波接收处理方法，其特征在于，所述的本振信号为分成的两路正交的本振信号分别为cos2πfLOt、sin2πfLOt。

9.   根据权利要求7或8所述的多频段毫米波接收方法，其特征在于，还包括以下步骤：在有用信号分量数字化前，采用可变增益放大器对有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)进行放大并稳定功率，再通过复数带通滤波去除有用信号分量中的噪声。

说明书一种多频段毫米波接收机及方法
技术领域
本发明属于光载无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种多频段毫米波接收机及方法。
背景技术
ROF（Radio over Fiber，光载无线接入）技术是新兴的研究领域，它结合光纤通信和无线通信两大技术，充分利用了光纤传输的高带宽、高可靠性、低损耗，又同时具有无线通信的可移动性、点对多点接入等特点，适用于不同的调制方式以及不同的载波频率，可广泛应用于室内覆盖、移动基站客栈、宽带无线接入、车载移动通信、有线电视以及“无处不在的网络社会”的构成等方面，为用户提供灵活的多种业务的接入服务。
ROF技术的主要思想是在中心局就将射频信号调制在光上，然后直接将光信号传送到远端基站，在基站端只需进行简单的光电变换就能直接将光信号转换为射频信号，放大后通过天线发射出去，用户终端将信号接收解调得到所需的有用信号。目前，日本的ROF技术在1～2GHz频段己达到实用，主要用于解决射频无线信号无法接收或极弱的地带(如隧道、地铁、巨型建筑物内)。美国乔治亚理工大学的研究人员研发出了40GHz毫米波段的ROF传输测试平台，终端设备能够接收到清晰稳定的电视信号。美国IBM公司于2006年发布了60GHz收发器集成芯片，集成了无线通信的大部分RF和模拟器件。国内在ROF技术的研究上也取得了一定的进展，但在ROF技术的关键集成器件及其应用技术方面，距离其它国家仍有一定的差距。
多频段毫米波无线通信接收机是ROF技术领域的一种重要设备。目前，常见的多频段毫米波接收机前端一般采用外差式或零中频式接收结构。在毫米波接收机的研究与设计（沈育蓉.毫米波接收机的研究与设计[J].无线电工程，2008，38（9）：62‑64）中，主要采用了传统的外差式接收结构，先将毫米波信号变频至中频信号，再进行后续处理。而外差式接收结构射频前端必须设置镜频抑制滤波，以达到对镜像信号的抑制，但是设计一个几十GHz以上频段的高Q滤波器难度很大，造价很高，且难以集成。在多频带RF接收机（王建钦.多频带RF接收机[P].中国专利：CN101241179，2008‑08‑13）中，每个RF（射频）接收通路在基本电路结构上采用的也是外差式接收结构，存在同样问题，且由于高频段的镜像抑制滤波器需要多个，难度更大。在用于60Ghz无线通信的直接变频接收机(李志强，张海英.用于60Ghz无线通信的直接变频收发机[P].中国专利：CN102611475A，2012‑07‑25)中，采用一次变频的方法，直接将59至64Ghz的射频信号变频至0至1.08Ghz和0至540Ghz的模拟基带信号。此种零中频结构的接收机对镜像抑制有一定的改善作用，但因本振信号频率接近射频频率，本振信号容易泄露到射频发射端发射出去，改变了发射端的信号频谱，又存在本振泄露问题。而且，上述接收机均采用传统的基带混频，本振频率很高，会增加制造难度和成本。此外，在传统毫米波接收机的数字信号处理部分中，数字下变频一般采用数字正交混频下变频或者基于多相滤波器的数字下变频方式以得到数字基带信号，在一定程度上增加了接收机信号处理的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多频段毫米波接收机及方法，采用正交混频与复数带通滤波结合，提高镜像抑制性能，简化系统结构，使之更易实现及集成。
为实现上述发明目的，本发明多频段毫米波接收机，其特征在于包括：
一个天线接收装置，其频率接收范围覆盖多频段毫米波接收机支持的所有频段xi,1≤i≤X，X为多频段毫米波接收机支持的频段数量；用于接收毫米波信号，并将毫米波信号发送给控制模块；
一个控制模块，用于接收天线接收装置传来的毫米波信号，根据毫米波信号所属的频段xi将毫米波信号发送到对应频段处理电路的信号放大器；并根据毫米波信号的中心频率fRF向频率合成器发送本振信号生成的控制信号，包括本振频率fif为N次谐波混频器组设置的固定输出中频频率，N为N次谐波混频器组的混频次数；
一个频率合成器，用于根据控制模块传送的控制信号合成本振信号L(t)，将本振信号传送给正交耦合器；
一个正交耦合器，用于将本振信号分为两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)，并分别传送给X个N次谐波混频器组；
X个信号放大器，用于将对应频段的毫米波信号放大，第i个信号放大器的接收频段为xi；
X个信号分路器，用于将放大的毫米波信号分为相同的两路毫米波信号X(t)，分别传送给对应的N次谐波混频器组；
X个N次谐波混频器组，用于将毫米波信号与本振信号进行N次混频，N根据实际情况选择，第i个N次谐波混频器组的处理频段为xi；每个N次谐波混频器组包括：
一个N次谐波混频器，用于将一路毫米波信号X(t)和一路本振信号LI(t)进行N次混频，得到中频信号输出YI(t)并传送给复数带通滤波器；
一个N次谐波混频器，用于将另一路毫米波信号X(t)和另一路本振信号LQ(t)进行N次混频，得到中频信号输出YQ(t)并传送给复数带通滤波器；
一个复数带通滤波器，其中心频率fBPF＝fif，滤波带宽BBPF＞BRF，BRF为毫米波信号带宽；用于对中频信号输出YI(t)与YQ(t)组合成的复数信号Y(t)＝YI(t)+jYQ(t)进行滤波，去除镜像信号，得到有用信号，输出两个有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)；
两个模数转换器，用于分别对有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)进行带通采样，将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)转换为两路数字信号WI(t)和WQ(t)，采样频率且fs≥n×2B，B为发射端信源的基带信号带宽，同时实现信号下变频，使数字信号WI(t)和WQ(t)成为基带信号；
一个数字信号处理模块，用于对两路数字信号WI(t)和WQ(t)进行数字信号处理，包括数字低通滤波、解调，恢复出发射端发射的原始传输信号。
其中，天线接收装置为自适应阵列天线接收装置。
其中，放大器为低噪声放大器。
其中，N次谐波混频器采用管对式N次谐波混频电路。
其中，N次谐波混频器的混频次数N＝4。
进一步地，还包括：
两个可变增益放大器，用于分别将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)放大并稳定功率；
一个复数带通滤波器，用于将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)组成的复数信号进行滤波，去除有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)中的噪声，并将滤波后的有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)分别传送给模数转换器。
为实现发明目的，本发明多频段毫米波接收方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、多频段毫米波接收机支持的频段数量记为X，各频段分别表示为xi,1≤i≤X，通过天线接收装置接收某一频段的毫米波信号，并传送给控制模块；
（2）、根据毫米波信号的频段xi将毫米波信号转发至对应频段的处理电路，并向频率合成器发送本振信号生成的控制信号，包括本振信号的本振频率fif为N次谐波混频器设置的固定输出中频频率，N为N次谐波混频器组的次数；频率合成器根据控制信号生成对应的本振信号L(t)，再通过正交耦合器将本振信号分为两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)；
（3）、对应处理电路的信号放大器对毫米波信号进行放大，并将放大后的毫米波信号分为两路相同的信号X(t)；
（4）、第i对N次谐波混频器组分别对两路毫米波信号X(t)与两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)进行正交混频，得到两路中频信号输出YI(t)与YQ(t)；
（5）、采用中心频率fBPF＝fif，滤波带宽BBPF＞BRF的复数带通滤波器，BRF为毫米波信号带宽，对两路中频信号输出YI(t)与YQ(t)组成的复数中频信号Y(t)＝YI(t)+jYQ(t)进行滤波，复数信号Y(t)可表示为其中为有用信号，为镜像信号，A表示信号强度，ωif＝2πfif表示中频信号角频率，t表示时间；经过复数带通滤波器后，正的频率分量通过，负的频率分量被抑制，得到两路有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)；
（6）、对有用信号分量进行数字化，采样频率且fs≥n×2B，其中k和n分别为正整数，B为发射端信源的基带信号带宽，采样后得到的数字信号会同时由中频下变频到基带，得到两路数字信号WI(t)和WQ(t)；
（7）、对数字信号WI(t)和WQ(t)后续处理，包括数字低通滤波、解调，恢复出发射端的原始传输信号。
其中，本振信号为分成的两路正交的本振信号分别为cos2πfLOt、sin2πfLOt。
进一步地，还包括以下步骤：在有用信号分量数字化前，采用可变增益放大器对有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)进行放大并稳定功率，再通过复数带通滤波去除有用信号分量中的噪声，提高有用信号分量的信号质量。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明多频段毫米波接收机及方法，采用多个处理电路对不同频段的信号使用正交混频变频，得到固定中心频率的复数中频信号，通过复数带通滤波器将作为负频率分量的镜像信号去除，实现镜像抑制，再将模拟中频信号通过模数转换器，依据带通采样定理，完成数字化的同时实现下变频，再经过后续数字信号处理恢复出发射端的原始信号。
本发明多频段毫米波接收机及方法具有以下有益效果：
①、采用N次谐波混频，降低了本振信号的频率，此外选取频率合成器作为本振，通过CPU控制合成相应频率，既解决了设计制造困难的问题，也增加了多频段毫米波信号接收的灵活性。
②、一般系统需要高品质射频带通滤波器去抑制镜像频率，而高品质射频滤波器设计困难，且需要阶数高不易于集成，本发明采用正交混频与复带通滤波器，实现毫米波信号变频的同时解决了镜像抑制问题，无需射频滤波器，简化了系统的设计难度，提高系统集成度。
③、本发明采用固定中心频率的混频器，从而可以通过带通采样达到模拟信号数字化并使得信号下变频，得到所需基带信号，简化了接收端结构。固定中心频率的混频使得后续中频信号处理电路无需改变，节约成本。
附图说明
图1是本发明多频段毫米波接收机一种具体实施方式的系统构架图；
图2是本发明多频段毫米波接收方法的一种具体实施方式流程图；
图3是本发明中正交混频的示意图；
图4是本发明中复数带通滤波的示意图；
图5是采用本发明在复数域下单路毫米波信号接收处理的频谱分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明多频段毫米波接收机一种具体实施方式的系统构架图。如图1所示，本发明多频段毫米波接收机主要包括多频段射频接收匹配模块、本振模块、镜像抑制谐波混频模块、带通采样下变频模块。
多频段射频接收匹配模块包括：
一个天线接收装置1，其频率接收范围覆盖多频段毫米波接收机支持的所有频段xi,1≤i≤X，X为多频段毫米波接收机支持的频段数量；用于接收毫米波信号，并将毫米波信号发送给控制模块2。
本实施例中，天线接收装置1采用自适应阵列天线接收装置。
一个控制模块2，用于接收天线接收装置1传来的毫米波信号，根据毫米波信号所属的频段xi将毫米波信号发送到对应频段处理电路的信号放大器5；并根据毫米波信号的中心频率fRF向频率合成器3发送本振信号生成的控制信号，包括本振频率fif为N次谐波混频器组7设置的固定输出中频频率，N为N次谐波混频器组7的混频次数。
本振模块包括：
一个频率合成器3，用于根据控制模块2传送的控制信号合成本振信号L(t)，将本振信号传送给正交耦合器4。
一个正交耦合器4，用于将本振信号分为两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)，并分别传送给X个N次谐波混频器组7。
镜像抑制谐波混频模块包括：
X个信号放大器5，用于将对应频段的毫米波信号放大，第i个信号放大器的接收频段为xi。
本实施例中，信号放大器采用低噪声放大器（LNA，Low Noise Amplifier）。
X个信号分路器6，用于将放大的毫米波信号分为相同的两路毫米波信号X(t)，分别传送给对应的N次谐波混频器组7。
X个N次谐波混频器组7，用于将毫米波信号与本振信号进行N次混频，N根据实际情况选择，第i个N次谐波混频器组的处理频段为xi；每个N次谐波混频器组包括：
一个N次谐波混频器71，用于将一路毫米波信号X(t)和一路本振信号LI(t)进行N次混频，得到中频信号输出YI(t)并传送给复数带通滤波器（BPF，Band Pass Filter）8。
一个N次谐波混频器72，用于将另一路毫米波信号X(t)和另一路本振信号LQ(t)进行N次混频，得到中频信号输出YQ(t)并传送给复数带通滤波器（BPF）8。
本实施例中，N次谐波混频器71与N次谐波混频器72均采用管对式N次谐波混频电路，其本振工作频率为基波混频器本振工作频率的混频次数N＝4。
一个复数带通滤波器（BPF）8，其中心频率fBPF＝fif，滤波带宽BBPF＞BRF，BRF为毫米波信号带宽；用于对中频信号输出YI(t)与YQ(t)组合成的复数信号Y(t)＝YI(t)+jYQ(t)进行滤波，去除镜像信号，得到有用信号，输出两个有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)。
两个可变增益放大器（VGA，Variable Gain Amplifier）9，用于分别将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)放大并稳定功率。
一个复数带通滤波器（BPF）10，用于将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)组合成一路复数信号进行滤波，去除有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)中的噪声，并将滤波后的有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)分别传送给模数转换器（ADC，Analog‑to‑Digital Converter）10。
可变增益放大器9与复数带通滤波器10为可选模块，其主要作用为提高有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)的信号质量。
带通采样下变频模块包括：
两个模数转换器（ADC）10，用于分别对有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)进行带通采样，将有用信号分量ZI(t)和ZQ(t)转换为两路数字信号WI(t)和WQ(t)，采样频率且fs≥n×2B，其中k和n分别为正整数，B为发射端信源的基带信号带宽，同时实现信号下变频，使数字信号WI(t)和WQ(t)成为基带信号。
一个数字信号处理模块，用于对两路数字信号WI(t)和WQ(t)进行数字信号处理，包括数字低通滤波、解调，恢复出发射端发射的原始传输信号。
图2是本发明多频段毫米波接收方法的一种具体实施方式流程图。如图2所示，本发明多频段毫米波接收方法包括以下步骤：
步骤S201：多频段毫米波接收机支持的频段数量记为X，各频段分别表示为xi,1≤i≤X，天线接收装置接收某一频段的毫米波信号，并传送给控制模块。
本实施例中，多频段毫米波接收机支持中心频率为40GHz、50GHz、60GHz，带宽BRF为300MHz的三种频段毫米波信号。
步骤S202：控制模块根据毫米波信号的频段xi将毫米波信号转发至对应频段的处理电路，并向频率合成器发送本振信号生成的控制信号，包括本振信号的本振频率fif为N次谐波混频器设置的固定输出中频频率，N为N次谐波混频器组的次数；频率合成器根据控制信号生成对应的本振信号L(t)，再通过正交耦合器将本振信号分为两路正交的本振信号LI(t)、LQ(t)。
以中心频率为60GHz带宽300MHz的毫米波信号为例，控制模块接收到由自适应阵列天线传来的毫米波信号，先控制频率合成器合成60GHz毫米波变频所需的本振频率。本实施例采用4次谐波混频，设定4次谐波混频器的固定输出中频为400MHz，则