CN101944924B - 用于下一代无线通信网络的宽带mimo射频收发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种用于下一代无线通信网络的宽带MIMO射频收发系统，包括接收模块、本振模块和发射模块，另外还包括电源模块和控制模块。本发明采用了100MHz信道带宽，6发6收的MIMO配置，实现了超过10bit/Hz的频谱利用效率，现场测试表明本发明可以支持超过1Gbit/s的数据传输率，满足国际电信联盟对下一代数字移动通信系统（4G）的要求。本发明充分结合、利用超外差结构和零中频结构的优点，采用不对称的结构，在发射模块采用零中频结构，在接收模块采用超外差结构。这种方式在保证了系统性能的同时，降低了电路的复杂度，减少了系统的成本。本发明的本振模块采用了创新的设计，降低了系统的成本和电路的复杂程度。

Description

用于下一代无线通信网络的宽带MIMO射频收发系统

技术领域

本发明涉及一种微波无线通信收发系统，尤其是满足IMT-Advanced系统要求，并且可应用与下一代无线通信系统的宽带MIMO收发系统。  

背景技术

移动通信技术与产业在过去的十年间得到迅猛的发展，目前已经在世界范围内建立了完善的服务网络，为人们提供了便捷、高质量的通信服务，改变了人们的生活方式，同时也创造了巨大的经济效益。近年来随着流媒体、社交网络、网络下载等新型社交与娱乐方式对生活的影响日益加深，人们对移动业务的数据传输率要求越来越高，传统的基于电路交换的第二代数字移动通信网络如GSM、CDMA等根本无法满足要求。目前在世界各地正在迅速普及的第三代移动通信网络采用如WCDMA、CDMA2000、TDS-CDMA等标准，提供了比较高的数据传输率，其长期演进（LTE）项目目前可以支持的峰值数据传输率更是超过了300Mbit/s。根据国际电信联盟对于第四代数字移动通信网络（即IMT-Advanced）的定义，下一代无线通信系统必须在高速移动环境下提供超过100Mbit/s的数据传输率，同时在低速移动的条件下要提供超过1Gbit/s的数据传输率，现有的标准均无法达到要求，目前LTE-Advanced和Mobile Wimax作为第四代数字移动通信网络的候选标准，正在积极制定与完善中。

提高系统的数据传输率一般有两种方法，一种是增加信道带宽，第二种是提高频谱利用率。通过增加信道带宽来提高数据传输率是显而易见的，目前LTE的最大信道带宽已经从WCDMA网络的5MHz提高到了20MHz。但是由于频谱资源的限制，信道带宽没有办法无限制的增加，因此就需要在增加信道带宽的情况下，尽量提高频谱利用率。目前提高频谱利用率的技术手段主要有采用高阶的数字调制技术以及采用多入多出（MIMO）技术即多天线技术。目前采用4发4收配置的LTE系统可以达到下行峰值传输率326.4Mbit/s的水平。

射频收发信机是移动通信网络的关键组成部分，它的主要作用是将基带子系统生成的模拟基带信号调制到载频上，并通过天线辐射出去，同时将接收到的射频信号解调为模拟基带信号提供给基带子系统进行处理，射频收发信机的性能指标影响着整个无线通信网络的服务质量。目前射频收发信机广泛应用的构架主要有两种，一种是超外差结构，另外一种是零中频或直接变频结构。其中超外差结构应用的最早最为广泛，图1为采用正交调制的超外差接收机的结构框图。采用超外差结构可以得到最好的性能，可是带来的缺点就是电路复杂度较高，器件数较多，成本较高，体积较大，不易于集成。图2为零中频结构发射机的结构框图，零中频结构由于其结构简单，成本较低且易于集成，因此受到越来越多的关注。但是由于零中频结构本身存在各种技术问题如直流偏移、闪烁噪声等，其所能达到的性能指标没有超外差结构高。

如上所述，由于国际电信联盟对下一代数字移动通信系统的要求远远超过现有的标准，目前没有商用的射频收发信机可以满足要求。

发明内容

本发明是一种宽带多入多出（MIMO）射频收发系统，解决了现有技术中存在的上述问题，满足国际电信联盟对下一代数字移动通信网络的要求。通过采用6发6收的多入多出（MIMO）工作方式，实现了超过10bit/Hz的频谱效率，现场测试表明其完全可以支持超过1Gbit/s的数据传输率。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明所述的用于下一代无线通信网络宽带MIMO射频收发系统，工作载频为3.45GHz，采用时分双工（TDD）工作方式。为了满足IMT-Advanced系统要求，采用100MHz信道带宽，同时采用6发6收的MIMO配置，即包括6块独立的射频收发信机，每一块射频收发信机均实现完整的射频收发功能。除6块射频收发信机外，本发明所述宽带MIMO射频收发系统还包括一块电源板和一块控制板。

上述射频收发信机由本振模块、发射模块和接收模块组成。为了减少系统的复杂度与成本，同时兼顾系统的性能，本发明对发射模块和接收模块采用不同的系统构架，其中发射模块采用零中频结构。接收模块采用超外差结构，中频设定在1.15GHz。

本振模块要同时支持零中频与超外差结构，并且为了减少系统成本、体积和不必要的干扰，本振模块采用一个VCO，振荡频率为2.3GHz，然后通过二分频以及混频得到用于零中频发射机的3.45GHz本振，这种方案同时避免了频率牵引的问题。接收模块的第一本振由2.3GHz的VCO直接产生，第二本振由二分频器产生。

发射模块采用零中频结构，包括运算放大器、正交调制器、滤波器、射频开关、数控衰减器、放大器、功率放大器、发射功率检测电路、发射电源模块等。发射模块的输入来自基带系统产生的模拟基带信号，采用差分的工作模式，这种方式不但增强了系统的抗共模干扰能力，同时减少了正交解调器的偶次谐波分量的产生。输入的模拟基带信号经过运算放大器放大并得到一个电压偏置后输入到正交调制器，正交调制器将模拟基带信号直接调制到3.45GHz的载频上。然后射频信号经过滤波与放大后输入到射频开关，射频开关由基带产生的收发控制信号进行控制。此开关可以增加发射模块与接收模块之间的隔离度。发射模块需要的增益控制由两个数控衰减器来实现，共可以提供大于60dB的增益控制。射频信号最终经功率放大器放大后输入到射频开关，此射频开关取代了传统时分双工（TDD）工作所需的环流器和隔离器，简化了电路设计，减小了体积，降低了成本。射频开关由基带产生的收发控制信号控制，在发射状态下，经放大的射频信号通过射频开关输出到天线，同时发射功率检测电路随发射功率的大小产生相应的直流电平输出到控制板。发射模块的线性输出功率为20dBm。

接收模块采用超外差结构，包括低噪声放大器、镜像抑制滤波器、射频放大器、下变频器、中频放大器、中频滤波器、数控衰减器、射频开关、正交解调器、运算放大器、接收功率检测电路、收发控制电路、接收电源模块等。通过天线接收到的射频信号输入到射频开关，射频开关由基带产生的收发控制信号控制，在接收状态下，接收的射频信号输入到低噪声放大器，经过放大的射频信号输出到镜像抑制滤波器，镜像抑制滤波器的输出端接射频放大器，经射频放大的信号输出到下变频器的输入端。下变频器采用无源混频器，提高了系统的线性度同时减小了噪声系数。中频滤波器采用两个介质腔体滤波器，因其体积小且性能出众。接收增益控制采用两级数控衰减器实现，共提供大于60dB的增益控制。中频信号经放大和滤波后输入到正交解调器。正交解调器将中频信号解调为差分的IQ模拟基带信号，得到的模拟基带信号经过运算放大器的放大并实现差分信号转单端信号的变换，输出给基带系统处理。

本振模块，包括压控振荡器（VCO）、频率合成器、放大器、3dB电桥、10dB定向耦合器、二分频器、混频器、滤波器、电源模块等。由VCO产生的频率为2.3GHz的射频信号，一路输入到一个放大器，另外一路输入到频率合成器的射频输入端进行鉴相。经过放大器放大的信号通过10dB定向耦合器输入到一个3dB电桥，3dB电桥的一路接一个放大器，经过放大的2.3GHz信号作为接收模块的第一本振信号输入到下变频器中。10dB定向耦合器的耦合端输入到二分频器中，经过二分频器分频产生的1.15GHz信号输出到一个功分器的输入端，功分器的其中一路输出到一个放大器的输入端，经放大过后的信号作为第二本振输入到接收模块正交解调器的本振输入端。上述功分器的第二路输出信号经过一个放大器的放大，输入到混频器的中频输入端，上述3dB电桥的另一路输出的2.3GHz信号经过一个放大器输入到此混频器的本振输入端，由此混频器产生的3.45GHz信号输出到一个滤波器滤除混频产生的杂散信号，滤波器的输出连接放大器，经过放大的3.45GHz信号连接发射模块的正交调制器的本振输入端。外接的10MHz参考信号经过一个放大器放大后输入到频率合成器的参考输入端，频率合成器的电荷泵端连接环路滤波器，环路滤波器的输出端连接到VCO的电压调整端。本振模块的控制通过基带系统产生的串行控制信号控制，此串行信号包括串行时钟、串行数据和使能信号，分别连接频率合成器的串行控制端。

与现有技术相比，本技术方案的有益效果为：

1、采用了100MHz信道带宽，6发6收的MIMO配置，实现了超过10bit/Hz的频谱利用效率，现场测试表明本发明可以支持超过1Gbit/s的数据传输率，满足国际电信联盟对下一代数字移动通信系统（4G）的要求。

2、充分结合、利用超外差结构和零中频结构的优点，采用不对称的结构，在发射模块采用零中频结构，在接收模块采用超外差结构。这种方式在保证了系统性能的同时，降低了电路的复杂度，减少了系统的成本。

3、本振模块采用了创新的设计，降低了系统的成本和电路的复杂程度。

附图说明

图1是现有技术中超外差接收机的系统框图。

图2是现有技术中零中频发射机的系统框图。

图3是本发明中发射模块的系统框图。

图4是本发明中接收模块的系统框图。

图5是本发明中本振模块的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的核心-射频收发信机作进一步的详细阐述。

本发明所含射频收发信机由本振模块、发射模块和接收模块组成。

其中发射模块采用零中频结构，如图3所示，包括运算放大器、正交调制器、滤波器、射频开关、数控衰减器、放大器、功率放大器、发射功率检测电路、发射电源模块等。基带系统输出的差分模拟基带信号（I/Q）经过运算放大器放大并得到一个电压偏置后输入到正交调制器，正交调制器将模拟基带信号直接调制到3.45GHz的载频上并输出到滤波器的输入端，滤波器的输出接放大器，经过放大的射频信号输入到射频开关，射频开关由基带产生的收发控制信号进行控制。在发射状态下，经放大射频信号通过射频开关输入到数控衰减器，数控衰减器的输出接第二放大器，经放大后的射频信号输出到第二数控衰减器的输入端，第二数控衰减器的输出接功率放大器，经功率放大器放大的射频信号输入到射频开关，射频开关由基带产生的收发控制信号控制，在发射状态下，经放大的射频信号通过射频开关输出到天线，同时接收功率检测模块随发射功率的大小产生相应的直流电平输出到控制板。

接收模块采用超外差结构，如图4所示，包括低噪声放大器、镜像抑制滤波器、射频放大器、下变频器、中频放大器、中频滤波器、数控衰减器、射频开关、正交解调器、运算放大器、接收功率检测模块、收发控制模块、接收电源模块等。通过天线接收到的射频信号输入到射频开关，射频开关由基带产生的收发控制信号控制，在接收状态下，接收的射频信号输入到低噪声放大器，经过放大的射频信号输出到镜像抑制滤波器，镜像抑制滤波器的输出端接射频放大器，经射频放大的信号输出到下变频器的输入端。射频信号经过下变频器变频后得到的中频信号输出到中频放大器，经放大的中频信号输入到中频滤波器，中频信号经中频滤波器后输入到数控衰减器，数控衰减器的输出接中频放大器，经过放大后的中频信号输入到第二数控衰减器，第二数控衰减器的输出端接中频放大器，中频放大器的输出接射频开关，射频开关由基带信号产生的收发控制信号控制，在接收状态下，中频信号通过射频开关输入到第二中频滤波器，第二中频滤波器的输出端接正交解调器。正交解调器将中频信号解调为差分的IQ模拟基带信号，得到的模拟基带信号经过运算放大器的放大并实现差分信号转单端信号的变换，输出给基带系统处理。

如图5所示，本振模块包括压控振荡器（VCO）、频率合成器、放大器、3dB电桥、10dB定向耦合器、二分频器、混频器、滤波器、电源模块等。由VCO产生频率为2.3GHz的射频信号，一路输入到一个放大器，另外一路输入到频率合成器的射频输入端进行鉴相。经过放大器放大的信号通过10dB定向耦合器输入到一个3dB电桥，3dB电桥的一路接一个放大器，经过放大的2.3GHz信号作为接收模块的第一本振信号输入到下变频器中。10dB定向耦合器的耦合端输入到二分频器中，经过二分频器分频产生的1.15GHz信号输出到一个功分器的输入端，功分器的其中一路输出到一个放大器的输入端，经放大过后的信号作为第二本振输入到接收模块正交解调器的本振输入端。上述功分器的第二路输出信号经过一个放大器的放大，输入到混频器的中频输入端，上述3dB电桥的另一路输出的2.3GHz信号经过一个放大器输入到此混频器的本振输入端，由此混频器产生的3.45GHz信号输出到一个滤波器滤除混频产生的杂散信号，滤波器的输出连接放大器，经过放大的3.45GHz信号输出到发射模块的正交调制器的本振输入端。外接的10MHz参考信号经过一个放大器放大后输入到频率合成器的参考输入端，频率合成器的电荷泵端连接环路滤波器，环路滤波器的输出端连接到VCO的电压调整端。本振模块的控制通过基带系统产生的串行控制信号控制，此串行信号包括串行时钟、串行数据和使能信号，分别连接频率合成器的串行控制端。

Claims (3)

1.一种用于下一代无线通信网络的宽带多入多出（MIMO）射频收发系统，其特征在于采用6块独立的射频收发信机、电源板和控制板；所述电源板把外接电源转换为本系统所需电压，为本系统供电；所述控制板控制本系统的工作；

所述射频收发信机工作载频为3.45GHz，信道带宽为100MHz，工作方式为时分双工；射频收发信机包括发射模块、接收模块和本振模块，其中发射模块采用零中频结构，接收模块采用超外差结构，中频设定在1.15GHz；

所述本振模块采用一个压控振荡器（VCO），振荡频率为2.3GHz；

所述压控振荡器产生的2.3GHz信号通过二分频后得到两路1.15GHz信号，其中一路为接收模块的1.15GHz本振信号，另一路再与所述的2.3GHz信号混频得到用于零中频发射机的3.45GHz本振信号；

所述本振模块，包括压控振荡器（VCO）、环路滤波器、频率合成器、放大器、3dB电桥、10dB定向耦合器、二分频器、混频器、滤波器、电源模块等。

由VCO产生频率为2.3GHz的射频信号，该信号分为A、B两路输出：

1）A路输出信号经放大器放大后，通过10dB定向耦合器输入到3dB电桥，3dB电桥的一路输出经过放大得到2.3GHz本振信号，另一路经放大后输出给混频器；

所述10dB定向耦合器的耦合端输入到二分频器中，经过二分频器分频产生1.15GHz信号；该信号经过功分器后分为两路输出，其中一路输出经放大后得到1.15GHz的本振信号，另一路经放大后输出到所述混频器；所述混频器的输出即为3.45GHz信号，该信号经滤波放大后得到3.45GHz的本振信号；

2）外接的10MHz参考信号经过一个放大器放大后输入到频率合成器的参考输入端，频率合成器的电荷泵端输入到环路滤波器，环路滤波器的输出端连接到VCO的电压调整端；所述B路输出信号输入到频率合成器的射频输入端进行鉴相；所述频率合成器的控制端用来连接基带系统的控制信号输出端。

2.根据权利要求1所述的用于下一代无线通信网络的宽带多入多出（MIMO）射频收发系统，其特征是所述发射模块，包括运算放大器、正交调制器、滤波器、射频开关、数控衰减器、射频放大器、功率放大器和发射功率检测电路；

发射模块的输入来自基带系统产生的模拟基带信号，采用差分的工作模式，输入的模拟基带信号经过运算放大器放大并得到一个电压偏置后输入到正交调制器；正交调制器通过来自本振模块的3.45GHz信号，将模拟基带信号调制到3.45GHz的载频上输出；该射频信号经过滤波与放大后输入到射频开关；射频开关由基带产生的收发控制信号进行控制；射频开关的输出依次连接两个数控衰减器，两个数控衰减器之间设有射频放大器；后级数控衰减器的输出信号经过功率放大器放大，再经过射频开关输出到天线，该射频开关由基带产生的收发控制信号控制；所述功率放大器的输出功率还由发射功率检测电路进行检测；发射功率检测电路随发射功率的大小产生相应的直流电平输出。

3.根据权利要求1所述的用于下一代无线通信网络的宽带多入多出（MIMO）射频收发系统，其特征是所述接收模块，包括低噪声放大器、镜像抑制滤波器、射频放大器、下变频器、中频放大器、中频滤波器、数控衰减器、射频开关、正交解调器、运算放大器、接收功率检测电路、收发控制电路、接收电源模块；

通过天线接收到的射频信号输入到射频开关，射频开关由基带产生的收发控制信号控制；射频开关的输出端连接低噪声放大器，经过放大的射频信号输出到镜像抑制滤波器，镜像抑制滤波器的输出端接射频放大器，经放大的射频信号输出到下变频器的输入端；下变频器采用无源混频器，其本振信号为2.3GHz；下变频器的输出信号经中频放大器放大和中频滤波器滤波后，进行接收增益控制，接收增益控制采用两级数控衰减器实现，两级数控衰减器之间设有中频放大器；得到的中频信号输入到射频开关；射频开关由基带产生的收发控制信号进行控制；射频开关的输出信号再通过一级中频滤波器滤波后输入到正交解调器；

正交解调器通过1.15GHz本振信号将中频信号解调为差分的IQ模拟基带信号，模拟基带信号经过运算放大器实现差分信号到单端信号的转换然后输出。

Images