CN102076120A - 基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，包括接收模块、本振模块、发射模块和控制模块。本发明的有益效果是，本射频微微蜂窝通信系统可以支持多种工作频带和工作模式：800～1000MHz(GMSK/CDMA 1X)，2.412～2.472GHz和5.0～5.8GHz(QPSK/QAM16/OFDM-QAM64).可以在飞机航行时等特殊环境，支持不同的无线网络服务：GSM(935～960MHz/890～915MHz)，CDMA(824～849MHz/869～894MHz)，802.11b/g(WLAN2.412～2.472GHz)和802.11a(WLAN 5.0～5.8GHz)通信系统。信道带宽随着操作模式的不同而变化。其中最大带宽可达20MHz，最大射频输出功率为20dBm，接收机的噪声系数小于9dB。

Description

基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统 

技术领域

本发明涉及一种基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，属于一种可适用于现行无线通信服务的射频前端子系统的技术领域。 

背景技术

随着无线通信技术的不断发展和社会需求的日益增长，包括移动电话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信得到了越来越广泛的普及和应用，并展示出广阔的市场前景。从全球范围来看，无线通信用户的年增量和增速都在持续逐年大幅度增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。射频前端系统是无线通信收发系统中的重要组成部分，一般作用为将接收到的射频信号下变频至中频信号，以便于进一步处理并回复信号；或者将中频信号上变频至微波毫米波信号，以便于其在空间传播。 

现今多种主要的无线通信系统的工作频率范围覆盖了从400MHz到6GHz的多个频段。为了实现可以兼容多种无线通信体制的设备，多模式多频带射频系统是一个关键部件。在现代社会，无线通信系统提供方便的服务，例如：蜂窝移动通信系统(CDMA、GSM、WCDMA、TD-SCDMA)，无线局域网(WLAN)，短距离通信系统(蓝牙、UWB)，在飞机上，当使用机载无线通信服务时，可能会同时使用许多不同的系统。 

现有技术存在的缺陷和不足：众所周知，许多民用无线电通信设备必须在飞机上处于关机状态，因为其许多工作频段和飞机的导航系统频段重叠的，所以这些通信设备是被禁止使用的，以免对飞机的飞行产生影响。但在飞机的导航频段外，还有很宽的频段可以被用做宽带通信使用。因此如果能充分利用这些频段，方便地提供很好的数据，音频和视频的传输服务，那么机载无线通信将是非常具有吸引力的。而现行的射频系统仍然没有应用于飞机航行时这种特殊的工作环境。 

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统。 

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案： 

本发明基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，包括GSM/CDMA系统模块、WLAN 2.4/5.0系统模块和控制模块，其中GSM/CDMA系统： 

接收模块由开关、双工器、射频前端、低噪声放大器、中频滤波器、第一可变增益放大器、放大器、第二可变增益放大器、混频器和运算放大器依次串联组成； 

发射模块中调制器的输入端接两个运算放大器输出端，调制器的输出端依次串接放大器、可控衰减器、功率放大器，开关和双工器。 

WLAN系统：

接收模块由射频滤波器、射频前端、开关、低噪声放大器、中频滤波器、第一可变增益放大器、放大器、第二可变增益放大器、混频器依次串联组成； 

发射模块中混频器的输入端接数字中频输出端，混频器的输出端依次串接放大器、可控衰减器、功率放大器，开关和射频前端。 

控制系统： 

控制模块由单片机和复杂可编程逻辑器件组成。单片机主要功能为频率选择，复杂可编程逻辑器件主要功能为增益/功率控制和开关的选择。单片机与复杂可编程逻辑器件之间的通信由八根地址线完成。 

针对现有技术的不足本发明的技术效果和有益效果为： 

现今多种主要的无线通信系统的工作频率范围覆盖了从400MHz到6GHz的多个频段。为了实现可以兼容多种无线通信体制的设备，多模式多频带射频机载微微蜂窝通信系统是一个关键部件。该射频系统能够支持多种无线通信服务，如GSM/CDMA移动通信系统，WLAN无线局域网系统等等，工作频带为GSM(935～960MHz/890～915MHz)，CDMA(824～849MHz/869～894MHz)，802.11b/g(WLAN2.412～2.472GHz)和802.11a(WLAN 5.0～5.8GHz)，信道带宽根据不同的通信工作模式是可变的，支持GMSK，CDMA2000，QPSK，QAM16/64，OFDM-QAM64等多种模式，最大的信道带宽可达20MHz。 

附图说明

图1是本发明实施例的系统原理图。 

图2是GSM/CDMA发射模块的电路原理图。 

图3是GSM/CDMA接收模块的电路原理图。 

图4是WLAN2.4/5.0发射模块的电路原理图。 

图5是WLAN2.4/5.0接收模块的电路原理图。 

图6是CDMA/GSM系统的本振部分示意图。 

图7是WLAN2.4本振部分示意图。 

图8是WLAN5.0本振部分示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明： 

如图1所示，本例的基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，包括GSM/CDMA系统模块、WLAN系统模块和控制系统，其中 

GSM/CDMA系统：

接收模块由开关、双工器、射频前端、低噪声放大器、中频滤波器、第一可变增益放大器、放大器、第二可变增益放大器、混频器和运算放大器依次串联组成； 

发射模块中调制器的输入端接两个运算放大器输出端，调制器的输出端依次串接放大器、可控衰减器、功率放大器，开关和双工器。 

WLAN系统：

接收模块由射频滤波器、射频前端、开关、低噪声放大器、中频滤波器、第一可变增益放大器、放大器、第二可变增益放大器、混频器依次串联组成； 

发射模块中混频器的输入端接数字中频输出端，混频器的输出端依次串接放大器、可控衰减器、功率放大器，开关和射频前端。 

控制系统：

控制模块由单片机和复杂可编程逻辑器件组成。单片机主要功能为频率选择，复杂可编程逻辑器件主要功能为增益/功率控制和开关的选择。单片机与复 杂可编程逻辑器件之间的通信由八根地址线完成。 

下面对各个系统逐一进行说明： 

一、GSM/CDMA系统模块： 

由于本系统的特殊性即工作频带为800MHz到6GHz，频带范围很宽，为了便于采用较小的尺寸实现，降低系统的复杂性，并且满足多模多频的要求，本系统模块发射和接收部分分别采用了数字中频直接调制到射频方式和二次变频方式。 

发射部分： 

数字中频直接调制方式中的正交调制器的功能是将I/Q数字中频信号直接搬移到射频载波信号。其主要的技术指标为：载波抑制、边带抑制和IMD₃。在实际情况下，由于集成电路内部的不平衡，调制器的载波抑制和边带抑制特性会受到影响。 

为了满足本系统高速率和宽工作频带的性能指标，必须要选用高性能的I/Q调制器。本发明选用的调制器是TI公司的TRF3703，这是一款宽带正交调制器，它的应用范围在400MHz-4GHz，并且有很好的相位噪声特性和幅度平衡特性。因此非常适用于数字中频直接调制方式电路设计。TRF3703的四个基带信号输入端(BBIP，BBIN，BBQP，and BBQN)必须由两对差分信号驱动才能获得更好的调制性能。而从基带获得的两路I/Q信号是两个单端信号，不满足条件。为了满足TRF3703的信号输入端驱动要求，本发明选用了一款运算放大器来完成这个任务，即使用两个运算放大器来把两个单端正交的数字中频信号变成两对差分信号来驱动TRF3703。同时也可以用这两个运算放大器对基带输入信号进行放大，已达到更好的调制效果。这里本发明选用的是AD公司的AD8045。AD8045是一种低成本的具有单端输入和差模输出的放大器，其具有低失真、低功耗、相位平衡等优点，它可用电阻来控制增益。AD8045有其独特的内部反馈，可以调整输出增益。当AD8045工作在5MHz时，无杂散动态范围为-101dBc，工作在10MHz时，三阶交调为43dBm。AD8045为差模信号操作方式时，可以以大地为参考电平，故而受地面噪声的影响很小。 

为了减小系统体积，并且更好地抑制镜像频率，根据TRF3703结构原理图，本发明采用2个AD8045产生幅度相同，相位正交(Q路超前90°)的数字中频信号，利用TRF3703芯片，根据式【1】推导，采用高本振方案，设计镜像抑制混频器， 镜频抑制达到-30dB。在调制器输出端接入一级低噪声放大器，本发明选用的是Avago公司的MGA53543作为功率放大器的推动级。MGA53543在800-1000MHz的增益为17dB，且输入功率1dB压缩点为19.3dBm，适合作为下一级功放的推动级。为了达到30dB的动态范围，本发明选用Peregrine公司的PE4302芯片作为可控衰减器。在PE4302输出端接入功率放大器。本发明选用的是RFMD公司的SPB2026Z，此芯片是一款高线性，低损耗和高稳定性的AB类功放。在GSM/CDMA工作频带内增益为14.8dB，1dB压缩点为33.6dBm，IM3为-46dBc。本发明发射部分没有射频滤波器，而采用双工器作为射频滤波，大大减小了系统的体积。 

$\mathrm{LO}:\cos w_{\mathrm{LO}}t\→\left\{\begin{array}{c}\cos w_{\mathrm{LO}}t\\ \cos (w_{\mathrm{LO}}t-\mathrm{\π}/2)\end{array}\right\}$

I：cosw_Bt 

Q：sinw_Bt                                        ……式1 

a：cosw_LOt×cosw_Bt＝cos(w_LO+w_B)t+cos(w_LO-w_B)t 

b：cos(w_LOt-π/2)×sinw_Bt＝-cos(w_LO+w_B)t+cos(w_LO-w_B)t 

a+b＝cos(w_LO-w_B)t 

整个发射模块实现的电路原理图如图2所示： 

通过测试发射芯片的关键性能，用信号发生器发出码率为200KHz/1.2288MHz的GMSK和CDMA2000 1X(9 channel和pilot调制方式)信号进行测试。经过调试，从整个工作频带内测得输出端口调制发射的射频信号星座图与EVM来看，CDMA和GSM系统的EVM性能分别优于3％和2％，满足基站发射系统要求。 

接收模块： 

为了便于采用较小的尺寸实现，降低系统的复杂性，并且满足多模多频的要求，在接收模块中采用了二次变频解调方式。射频信号由通用的GSM/CDMA频段首先解调至183.6MHz，然后再次搬移至数字中频36MHz。 

为了满足本系统双系统时分复用的性能指标，必须要选用高性能开关。本发明选用的开关是Hittite公司的HMC536，其应用范围在DC-6GHz，变频损耗为-0.5dB，切换时间小于15ns，射频信号经开关HMC536选择后进入射频前端芯片对信号进行增益补偿和第一次变频，本发明选用的射频前端芯片是MAX2358，其 集低噪放与下变频器功能于一体。MAX2358在GSM/CDMA频段可以提供25dB的增益，1.91dB的噪声系数，其中频输出为183.6MHz。为了消除镜频信号的干扰，本发明采用EPCOS公司的声表面滤波器B5201，其中心频率为183.6MHz，带宽1.36MHz，带内波动0.4dB，插入损耗为10dB。为了补偿前级的损耗，本发明选用Stanford Microdevices公司的放大器SGA4563，在GSM/CDMA频段提供28dB的增益。中频链路由三级放大器和两级可控增益放大器组成，可以提供-100dB到-40dB的动态范围。其可变增益由控制模块中的可编程逻辑器件控制，可以根据系统和用户的需求调节控制字来实现。在中频链路后，为了得到数字中频36MHz，本发明选用linear公司的混频器LT5517，其提供3dB的变频增益和-80dBm的本振-射频泄露。接收模块的末端采用集总元件滤除本振泄露到中频的干扰和镜像频率，整个接收模块实现的电路原理图如图5所示。 

通过测试接收芯片的关键性能，并结合最终的EVM测试对解调模块进行了细微的调整。测试时系统采用信号发生器产生800MHz-1GHz，-100～-40dBm的GMSK和CDMA2000 1x信号进行测试，从整个工作频带内测得输出端口解调接收的基带信号星座图与EVM来看，CDMA和GSM系统的EVM性能分别优于4％和2％，满足基站接收系统要求。 

本振模块： 

实际电路中，由于需要在800MHz-1GHz提供稳定、低相位噪声的本振信号，单片的锁相环频率合成器基本上不能满足以上的条件，所以使用多个锁相环频率合成器芯片组合来产生系统所需要的本振信号。本发明选用2片SiliconLaboratories公司的Si4133锁相环频率合成器芯片和一片Si4136锁相环频率合成器芯片组合来产生本振信号。 

这两款锁相环频率合成器芯片具体的频率合成范围如下：Si4136芯片提供两个射频频带：RF1：2.3GHz到2.6GHz，RF2：2025MHz到2300MHz，和一个中频频带IF：62.5MHz到1.0GHz。其中，RF1与RF2只能选择其一，但可与IF同时工作。Si4133芯片提供两个射频频带：RF1：900MHz到1800MHz，RF2：750MHz到1500MHz，和一个中频频带IF：62.5MHz到1.0GHz。其中，RF1与RF2同样只能选择其一，但也可与IF同时工作。这两款锁相环频率合成器芯片具有高度的集成度，共包括三个完整的PLL结构，包括VCO，环路滤波器，鉴相器，对参考 源信号的可编程R分频器，对VCO输出的可编程N分频器以及IF信号输出的可编程分频器完全集成在芯片内部，通过三根串行线接口进行PLL控制。CDMA/GSM系统的本振部分示意图如图6所示。 

通过对三个锁相环频率合成器的组合使用，可以得到所需的本振信号。表1显示了对三个锁相环频率合成器每个锁相环锁频范围分配情况： 

表1锁相环频率合成器频率分配表： 

二、WLAN2.4/5.0系统模块： 

本系统的工作频带为2412MHz到2472MHz，5000MHz到5800MHz，模块发射和接收部分采用二次变频方式。 

发射部分： 

36MHz的数字中频信号首先调制到374MHz，然后再次搬移至通用的WLAN2.4/5.0频段。为了满足本系统高速率和宽工作频带的性能指标，本发明选用的上/下变频器是Mini-Circuits公司的ADEX-10H，这是一款宽带变频器，它的应用范围在10MHz-1GHz，并且有很好的本振-射频隔离特性和变频损耗平坦度特性。因此非常适用于本电路设计。ADEX-10H的本振-射频隔离度可以达到55dB，在整个可应用频带内具有-7dB的变频损耗和0.35dB的平坦度波动。为了抑制由于变频器带来的镜频干扰，本系统采用了EPCOS公司的声表面滤波器B3677。此器件具有9dB的插入损耗，22MHz的带宽，0.5dB的带内平坦度和64dB 的带外抑制。很好地抑制了镜频干扰。为了达到30dB的动态范围，本发明选用的是Avago公司的MGA53543/MGA52543作为功率放大器的推动级。MGA53543/MGA52543在374MHz频段的增益分别为18dB/16dB，为了达到30dB的动态范围，本发明选用Peregrine公司的PE4302芯片作为可控衰减器。在PE4302输出端接入射频前端芯片。本发明选用的是TI公司的TRF2436，此器件是一款集低噪放，射频开关，上/下变频器和功率放大器于一体的射频前端芯片。发射与接收模块的增益典型值分别为38dB和20dB。1dB压缩点为22.5dBm。整个发射模块实现的电路原理图如图4所示： 

通过测试发射芯片的关键性能，用信号发生器发出码率为20MBit的OFDM-QAM64信号进行测试。经过调试，从整个工作频带内测得输出端口调制发射的射频信号星座图与EVM来看，WLAN系统的EVM性能优于2％，满足基站系统要求。 

接收模块： 

射频信号由通用的WLAN2.4/5.0频段首先解调至374MHz，然后再次搬移至数字中频36MHz。射频信号经射频前端芯片TRF2436放大和变频后，为了消除镜频信号的干扰，仍旧采用EPCOS公司的声表面滤波器B3677，其中心频率为374MHz，带宽22MHz，带内波动0.5dB，为了补偿前级的损耗，本发明选用放大器SGA4563，在374MHz频段提供27dB的增益。中频链路由三级放大器和两级可控增益放大器组成，可以提供-90dB到-30dB的动态范围。其可变增益由控制模块中的可编程逻辑器件控制，可以根据系统和用户的需求调节控制字来实现。在中频链路后，为了得到数字中频36MHz，本发明选用与发射模块相同的变频器芯片ADEX-10H，接收模块的末端采用集总元件滤除本振泄露到中频的干扰和镜像频率，整个接收模块实现的电路原理图如图9所示。 

通过测试接收芯片的关键性能，并结合最终的EVM测试对解调模块进行了细微的调整。测试时系统采用信号发生器产生2.4-2.5/5.0-5.8GHz，-90～-30dBm的OFDM-QAM64信号进行测试，从整个工作频带内测得输出端口解调接收的基带信号星座图与EVM来看，WLAN系统的EVM性能优于2％，满足基站系统要求。 

本振模块： 

实际电路中，由于需要在WLAN2.4/5.0提供稳定、低相位噪声的本振信号， 本发明选用1片Silicon Laboratories公司的Si4133锁相环频率合成器芯片与Hittite公司的倍频器HMC188组合和一片Si4136锁相环频率合成器芯片分别为WLAN2.4/5.0产生本振信号。WLAN2.4本振示意图如图7所示，WLAN5.0本振示意图如图8所示。 

通过对三个锁相环频率合成器的组合使用，可以得到所需的本振信号。表2显示了对三个锁相环频率合成器每个锁相环锁频范围分配情况： 

表2锁相环频率合成器频率分配 

三、控制系统： 

控制模块的作用是控制接口接收基带发出的控制指令，并且把控制信号发送至所有的子系统(WLAN2.4G/WLAN5.8G/GSM-CDMA)。对于每一个子系统，控制指令包括 

a.开关在不同通信系统间的切换控制。 

b.动态范围的控制：发射模块30dB，接收模块60dB。 

c.自动频率选择。 

基带控制字表格如表2所示，表2： 

A1

A0

B0

C1

C0

D9

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

X

本发明研制出宽带多频多模射频前端电路模块，实物采用6层PCB版制作。电路板的大小为170cm×220cm²。同时在测试过程中所用到的仪器有： 

1.矢量信号发生器：Agilent E4438C(PSG Vector Signal Generator). 

2.频谱分析仪：Agilent E4445A(PSA Series Spectrum Analyzer). 

3.网络分析仪：Agilent 5071B(S-parameter Network Analyzer). 

4.示波器：Agilent 54622D(Mixed Signal Oscilloscope). 

5.PC 。 

Claims (5)

1.一种基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，其特征是包括控制模块、GSM/CDMA子系统和WLAN 2.4/5.0子系统；

所述GSM/CDMA子系统：

发射部分——包括依次连接的I/Q调制器、放大器、可控衰减器和功率放大器；所述I/Q调制器前端皆有两个运算放大器，两个运算放大器来把两个单端正交的数字中频信号变成两对差分信号来驱动I/Q调制器；

接收部分——包括依次连接的射频前端、中频滤波器、中频链路和混频器；

本振部分——分别为接收部分的射频前端提供第一本振、接收部分的混频器提供第二本振、发射部分的调制器提供第三本振；

天线与发射部分、接收部分之间还通过选择开关设有两个双工器，两个双工器分别对应GSM和CDMA通道；两个双工器与发射部分、接收部分之间分别还设有选择开关；

所述WLAN 2.4/5.0子系统：

发射部分——包括依次连接的混频器、中频滤波器、放大器、可控衰减器和功率放大器；

接收部分——包括依次连接的中频滤波器、中频链路和混频器；

天线与发射部分和接收部分之间设有射频前端，射频前端通过选择开关分别连接发射部分和接收部分；

本振部分——为射频前端提供第一本振、为发射部分和接受部分的混频器提供第二本振；

所述控制系统：

包括单片机和复杂可编程逻辑器件；单片机输出频率选择信号给各个子系统的本振模块，以及输出控制信号给复杂可编程逻辑器件，进而由复杂可编程逻辑器件输出控制信号给两个子系统的各个选择开关和各个可控衰减器。

2.根据权利要求1所述的基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，其特征是所述GSM/CDMA子系统的接收部分中，中频链路是由两两间隔设置的三级放大器和两级可控增益放大器构成；复杂可编程逻辑器件输出两个可控增益放大器的控制信号。

3.根据权利要求1所述的基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，其特征是所述GSM/CDMA子系统的接收部分中，混频器的后端连接有低通滤波器。

4.根据权利要求1所述的基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，其特征是所述WLAN 2.4/5.0子系统的接收部分中，中频链路是由两两间隔设置的三级放大器和两级可控增益放大器构成；复杂可编程逻辑器件输出两个可控增益放大器的控制信号。

5.根据权利要求1所述的基于软件无线电的多模多频带射频机载微微蜂窝通信系统，其特征是所述WLAN 2.4/5.0子系统的接收部分中，混频器的后端连接有低通滤波器。

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