CN102118176A - 时分双工系统的数字收发信机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TDD系统的数字收发信机，其中，该数字收发信机的一种结构包括：数字信号处理模块、发射电路模块、射频前端模块，还包括：接收复用电路模块，用于接收来自射频前端模块的反馈信号以及接收信号，实现接收电路和反馈电路的复用；控制电路模块，用于根据收发时隙控制接收复用电路模块分别实现接收电路功能和反馈电路功能，并对接收复用电路模块分时供电。通过本发明，节省了电路开销，降低了成本，并降低了系统功耗。

Description

时分双工系统的数字收发信机

技术领域

本发明涉及通讯领域，尤其涉及一种时分双工(Time Division Duplex，简称为TDD)系统的数字收发信机。

背景技术

随着无线通信的发展，越来越多的通信技术都在朝着高频谱利用率的高阶线性调制技术演进，如正交频分复用多址(OFDMA)调制。这种由多子载波调制组成的非恒包络的信号具有很高的峰均比，如果采用传统的功率回退方法，那么功率放大器(Power Amplifier，简称为PA)的效率会进一步减低(小于10％)，成本进一步增加。

为提高PA效率，现在通常的做法就是使用削峰和预失真。削峰(CrestFactor Reduction，简称为CFR)是在数字域降低信号的峰均比，会对信号失真产生一定的影响；预失真是获得功率放大器的非线性特性，对输出信号做一个反向的补偿以抵消功率放大器的非线性失真。而数字预失真是其中比较成熟的一种方法。

数字预失真(Digital Pre-Distortion，简称为DPD)通常是在中频部分的DUC(数字上变频)模块和DAC(数模转换)模块之间级联一个模块，它将根据功放的失真特性在数字域对发射信号做一个补偿，补偿后的信号经过PA放大后正好补偿了非线性带来的失真，提高了系统的线性范围，也就是降低了PA的成本。

由于射频链路的器件尤其是PA受频率和温度特性影响，并且随着时间的推移会慢慢老化。DPD需要提供一个反馈信号来自适应调节失真补偿系数，以保证不同功率和频率以及环境条件下的线性化效果。一个完整的DPD系统通常包括接收、发射、反馈3个模拟通路以及基带、数字中频、DPD的处理部分，参考图1。

在TDD系统中，发射通道和反馈通道是在发射时隙工作，而与反馈通路具有类似的电路结构的接收通路却是空闲的；并且，在现行的通信技术中，为提高系统容量和可靠性，大量采用MIMO技术，更多的发射通路意味着更多的反馈通路。这些措施增加了系统的开销和电路的复杂度，不利于单板的散热和集成度的提高。

综上所述，可知现有技术中长期以来一直存在现有的数字收发信机结构复杂及功耗较高的问题，因此有必要提出改进的技术手段，来解决此问题。

发明内容

有鉴于现有技术存在现有的数字收发信机控制复杂及功耗较高问题而做出本发明，为此本发明的主要目的在于提供一种TDD系统的数字收发信机，其中：

本发明提供一种TDD系统的数字收发信机，包括：数字信号处理模块、发射电路模块、射频前端模块，还包括：

接收复用电路模块，用于接收来自射频前端模块的反馈信号以及接收信号，实现接收电路和反馈电路的复用；控制电路模块，用于根据收发时隙控制接收复用电路模块分别实现接收电路功能和反馈电路功能，并对接收复用电路模块分时供电。

本发明还提供一种TDD系统的数字收发信机，用于MIMO系统，包括：数字信号处理模块、发射电路模块、射频前端模块，还包括：

反馈选择模块，用于在发射时隙选择来自多个通道其中之一的反馈信号；接收复用电路模块，用于接收来自反馈选择模块的反馈信号以及射频前端模块的接收信号，实现接收电路和反馈电路的复用；控制电路模块，用于根据收发时隙控制接收复用电路模块分别实现接收电路功能和反馈电路功能，并对接收复用电路模块分时供电。

与现有技术相比，根据本发明的上述技术方案，通过简单的控制实现接收电路和反馈电路的复用，达到了降低电路的复杂度的目的，因此，节省了电路开销，降低了成本；另外，通过分时供电的方式降低了系统功耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据现有技术的带DPD功能的TDD系统结构示意图；

图2是根据本发明实施例的数字收发信机的结构框图；

图3是根据本发明实施例的数字收发信机系统的一种优选结构示意图；

图4是根据本发明实施例的数字收发信机系统的另一优选结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

根据本发明的实施例，提供了一种TDD系统的数字收发信机。

图2是根据本发明实施例的数字收发信机的结构框图，如图2所示，该数字收发信机包括：数字信号处理模块10、发射电路模块30、接收复用电路模块40、射频前端模块60、控制电路模块70，其中：

接收复用电路模块40，用于接收来自射频前端模块60的反馈信号以及接收信号，实现接收电路和反馈电路的复用；

控制电路模块70，用于根据收发时隙控制接收复用电路模块40分别实现接收电路功能和反馈电路的功能，并对接收复用电路模块分时供电。

并且，该数字收发信机还包括：中频选择模块20，连接在接收复用电路模块40和数字信号处理模块10之间，中频选择模块包括：第一选择开关，用于分离切换接收信号和反馈信号。

通过上述结构，将接收电路和反馈电路复用，按照系统的TDD时序在接收时隙控制接收复用电路模块实现常规的接收电路功能；在发射时隙，控制接收复用电路模块实现反馈电路功能，节省了电路的开销，降低了成本。并且，对接收电路和反馈电路的非共用部分采用收发时隙分时供电的方式，有效地增加了接收信号和反馈信号的隔离度，并降低了单板的功耗和温度。

参考图3和图4，详细描述根据本发明实施例的收发信机的具体结构。

数字信号处理模块10，在发射时隙基带过来的信号做数字上变频(DUC)和CFR处理，再经过DPD处理变成加预失真的数字信号送给发射电路模块30；同时在接收时隙，经过中频选择模块20过来的数字信号经过数字信号处理模块10，做数字下变频(DDC)到零频后交给基带处理。如图所示，数字信号处理模块10主要包括：基带处理器11、发射数字中频处理模块12、DPD处理模块13以及接收数字中频处理模块14。具体地，在发射时隙，基带处理器11与发射数字中频处理模块12相连，用于基带数字信号处理。发射数字中频处理模块12与基带处理器11和DPD处理模块13相连，用于将来自基带处理器11的基带信号变频到数字中频信号，并做峰值抑制处理(CFR处理)。DPD处理模块13与发射数字中频处理模块12和发射电路模块30中的数模转换器(DAC)模块31及中频选择模块20相连，根据反馈回的带失真信息的中频信号做预失真分析，并将来自发射数字中频处理模块12的数字中频信号变成数字预失真信号。在接收时隙，接收数字中频处理(DDC)模块14与中频选择模块20和基带处理器11相连，用于将接收信号做数字下变频成基带信号，送给基带处理器11处理。

中频选择模块20，主要由两组选择开关构成，一组选择开关(第一选择开关)为接收反馈选择模块21，完成接收和反馈信号的分离切换，另一组选择开关(第二选择开关)为反馈通道选择22，负责将反馈信号切换到对应的前向DPD处理模块完成闭环的DPD过程。中频选择模块20在发射时隙分别与接收复用电路模块40中的ADC模块45和数字信号处理模块10中的DPD处理模块13相连，用于将ADC模块45输出的反馈信号送给对应通道的DPD处理模块13；在接收时隙分别与接收复用电路模块40中的ADC模块45和数字信号处理模块10中的接收中频数字信号处理模块14相连，用于将ADC模块45输出的接收信号送给接收中频数字信号处理模块14做数字下变频处理。中频选择模块20和反馈选择模块50共同完成反馈通道选择。

发射电路模块30，用于将来自数字信号处理模块10的预失真信号经过数模转换转换为模拟信号，再经过混频器转变成射频信号，放大和滤波处理后送到射频前端电路最后从天线端发射出去。发射电路模块30与数字信号处理模块10中的DPD处理模块13和射频前端模块60的定向耦合模块61相连，发射电路模块30主要包括：DAC模块31，发射中频滤波模块32、调制模块33、发射放大滤波模块34。DAC模块31与DPD处理模块13和发射中频滤波模块32相连，用于将数字中频IQ信号转变成模拟中频IQ信号。发射中频滤波模块32与DAC模块31和调制模块33相连，用于对中频模拟信号进行滤波。调制模块33与发射中频滤波模块32和发射放大滤波模块34相连，用于将中频信号调制为射频信号。发射放大滤波模块34与调制模块33及射频前端模块60的定向耦合模块61相连，用于对射频信号进行放大和滤波。

接收复用电路模块40，在接收时隙将天线接收的接收信号经过射频前端再放大滤波，并混频到中频，由模数转换器变成数字中频信号送给数字信号处理模块处理；在发射时隙将反馈回来的放大器的失真信号(反馈信号)做增益控制，并混频到中频，由模数转换器件转变成数字中频信号送给数字部分的中频选择模块。接收复用电路模块40与射频前端模块60、反馈选择模块50及中频选择模块20相连。接收复用电路模块40主要包括：接收电路模块和反馈电路模块，接收电路模块主要包括：接收放大滤波模块41、接收混频模块42、接收中频滤波模块43、复用中频放大滤波模块44，模数转换(ADC)模块45；反馈电路模块主要包括：反馈增益调整模块46、反馈混频模块47、反馈中频滤波模块48、复用中频放大滤波模块44，模数转换(ADC)模块45。接收电路模块和反馈电路模块复用复用中频放大滤波模块44和ADC模块45。在接收时隙，接收复用电路模块40由射频前端模块60中的收发切换模块62输入接收信号，依次经过接收放大滤波模块41、接收混频模块42、接收中频滤波模块43、复用中频放大滤波模块44和ADC模块45，最后送给中频选择模块20。接收放大滤波模块41与射频前端模块60中的收发切换模块62和接收混频模块42相连，用于将接收信号放大滤波。接收混频模块42与接收放大滤波模块41和接收中频滤波模块43相连，用于对接收的射频信号下变频到中频。接收中频滤波模块43与接收混频模块42和复用中频放大滤波模块44相连，用于混频后的中频信号滤波。复用中频放大滤波模块44与接收中频滤波模块43和ADC模块45相连，用于接收中频信号的放大和滤波。ADC模块45与复用中频放大滤波模块44和中频选择模块20相连，用于将接收中频信号转变成数字信号。在发射时隙，接收复用电路模块40由反馈选择模块50输入反馈信号，依次经过反馈增益调整模块46、反馈混频模块47、和反馈中频滤波模块48、复用中频放大滤波模块44和ADC模块45，最后送给中频选择模块20。反馈增益调节模块46与反馈选择模块50和反馈混频模块47相连，用于调节反馈信号大小，保证进入反馈混频模块47的信号不会太大。反馈混频模块47与反馈增益调节模块46和反馈中频滤波模块48相连，用于将反馈信号混频成中频信号。反馈中频滤波模块48与反馈混频模块47和复用中频放大滤波模块44相连，用于将混频后的反馈中频信号放大和滤波。复用中频放大滤波模块44与反馈中频滤波模块48和ADC模块45相连，用于反馈中频信号的放大和滤波。ADC模块45与复用中频放大滤波模块44和中频选择模块20相连，用于将反馈中频信号转变成数字信号。

反馈选择模块50，其与定向耦合模块61和接收复用电路模块40中的反馈增益调整模块46相连，在多通道MIMO系统中，反馈选择模块50用于选择进行DPD训练的通道对应的反馈信号。在发射时隙将不同发射通道过来的耦合信号进行多选一操作，以选择需要进行DPD自适应训练的通道。其他没有被选择的通道，其预失真信号参数应该保持在前一次状态。反馈选择模块50要配合中频选择模块20一起将选择的通道形成DPD的闭环反馈。反馈选择模块50可以由一个多选一开关实现，由控制电路模块70中的反馈控制单元控制。

射频前端模块60，用于完成收发信号的切换和信号滤波并连接天线，发射时还要将PA的信号耦合部分送给模拟部分的反馈电路。射频前端模块60主要包括：定向耦合模块61、收发切换模块62和前端滤波模块63，其中，定向耦合模块61与发射电路模块30中的发射放大滤波模块34和反馈选择模块50、收发切换模块62相连，用于从发射输出信号中耦合一个小信号给反馈通路用于DPD自适应训练。收发切换模块62与定向耦合模块61和接收放大滤波模块41、前端滤波模块63相连，用于发射和接收之间的信号切换隔离。前端滤波模块63(前端带通滤波器)与收发切换模块62和天线相连，用于对发射和接收信号的滤波。

控制电路模块70，主要完成接收和发射的增益控制、收发控制、通道选择以及电源控制。控制电路模块70主要包括：电源控制模块71，反馈控制模块72，增益控制模块73，收发控制模块74。其中，电源控制模块71在接收时隙关掉发射电路和反馈电路的电源，例如：调制器、发射前级放大器、数控衰减器、PA以及反馈混频器；在发射时隙关掉接收电路的电源，例如：LNA和接收混频器，以降低单板的温度，并降低系统功耗。同时，由于切换都在收发转换的时隙进行，切换带来的TDD频率也不会干扰到发射和接收信号。反馈控制模块72控制反馈通道的多路选择开关，具体选择哪一个通道的DPD模块进行训练，控制反馈选择模块50和中频选择模块20进行一致的反馈通道选择。增益控制模块73主要是控制发射通路的DATT以调节空口的发射功率，控制接收复用通路的DVGA，在发射时隙调整反馈信号大小，使到达DPD处理模块的信号最佳，在接收时隙调整为接收所需要的增益，保证灵敏度。收发控制模块74主要是按照系统的TDD时序在接收时隙控制收发切换模块62和中频选择模块20的接收反馈选择模块21，使接收复用通道完成常规的接收信号功能，接收信号顺利到达基带处理器。发射时隙断开接收开关，并将通过接收反馈选择模块21的信号送到中频选择模块20，即将接收复用通道置在反馈通道模式以完成信号反馈。

根据本发明实施例的收发信机适用于多通道MIMO(多入多出)系统，为便于说明，下面以2×2MIMO系统为例描述。主要工作原理为：根据TDD系统的时分特性，接收通路和反馈通路分别占用接收和发射时隙，对接收和反馈通道进行复用；根据发射通道PA的失真缓慢变化的特点，对两个反馈通道进行复用，不同通路的DPD处理模块分时训练，非训练时间DPD处理模块对当前状态进行保持。

参考图3和图4，根据本发明实施例的数字收发信机包括：数字信号处理模块，中频选择模块，发射电路模块，接收复用电路模块，反馈切换模块，射频前端模块及天线，控制电路。

对于2×2MIMO系统，如果其中一组收发通道采用本发明所述的结构，那么另外一组收发通道就只有常规的接收和发射电路，完全节省一个反馈通道，大大简化了电路结构，如图4所示的通道2，本文中不再详述其具体结构，以下的结构均指图4中所示的通道1。下面分别根据TDD系统时隙描述具体工作流程。

一、发射时隙

1、发射信号

在发射时隙，发射信号流向依此为数字信号处理模块中的基带处理器、DUC单元、CFR单元、DPD单元，发射电路模块中的DAC单元、发射中频低通滤波器单元、调制器单元、发射前级放大器单元、发射射频带通滤波器、数控增益衰减器、功率放大器，射频前端模块中的定向耦合单元、环形器单元、前端滤波器单元，最后到达天线。

发射时隙基带处理器将数据流处理为基带信号，送给数字上变频单元变频到中频信号，同时完成成型滤波和增益补偿，CFR单元对数字信号进行峰值抑制，以降低信号的峰均比，DPD模块根据反馈回来的失真信息对发射的信号做预失真处理，预失真信号经过DAC的数模转换，变成模拟中频IQ信号，之后的发射中频低通滤波器对DAC输出的数据进行滤波，主要是滤掉高频的干扰。模拟IQ信号由调制器再变成射频信号。通常这个射频信号比较小，还需要经过一个射频前级放大器进行放大，之后有一个带通滤波器，对放大器输出的信号进行滤波，主要是去除调制器带来的本振泄露和镜像泄露信号。数控增益衰减器用于对发射信号的大小进行调节，保证最终输出信号的发射动态范围。通常功率放大器有比较高的增益，能将射频信号进一步放大。PA输出的大信号经过一个定向耦合器耦合出一个小信号给反馈通路(如发射功率为40dBm，耦合信号为0dBm)，这个耦合信号具有发射信号全部的失真信息，用于DPD的预失真计算。发射信号继续经过环形器，到达前端滤波器，环形器具有方向性，它保证了发射信号只能是从定向耦合器到前端滤波器，而不会到达接收通路。前端滤波器通常按照运营商所使用的频段定制，以最大可能的滤掉功率放大器带来的杂散和噪声。

2、反馈信号

发射时隙反馈信号流向依次为射频前端模块中的定向耦合单元，反馈选择模块，接收复用电路模块中的衰减器单元、反馈混频器单元、反馈中频带通滤波器单元、合路器单元。数控可变增益放大器单元、复用中频带通滤波器单元、ADC单元，中频选择模块，数字信号处理模块中的DPD单元。

在发射时隙，反馈信号由定向耦合器耦合出来的信号送到反馈选择单元，在当前通路DPD训练时隙，这个信号会通过反馈选择单元到达接收复用电路，经过衰减器送到混频器。通常这个反馈信号相对于接收信号不会很小，不需要进行增益放大，反而可以用一个衰减器控制好进入混频器的射频信号大小，使其不要超过混频器的输入压缩点。混频器输出为中频信号要经过一个中频带通滤波器。通常DPD信号需要得到功放至少5阶交调以内的失真信息，即发射信号的5倍带宽内的信号。因此反馈的射频信号可以不添加滤波器，而在混频器之后加一个5倍信号带宽的中频滤波器就可以了。例如信号带宽为20MHz，则中频滤波器带宽至少选择100MHz带宽。反馈中频信号经过合路器进入可变增益放大器进行增益调整，使最终进入ADC和DPD的信号为最佳大小。可变增益放大器后面的中频滤波器可以根据反馈通道中频滤波器带宽来选择。中频信号放大和滤波后经过ADC采样成数字中频信号，这个信号在中频选择模块中按照当前的DPD训练通道会送至相应的DPD单元，完成反馈信号的闭环反馈。

二、接收时隙

在接收时隙，接收信号流向依次为天线，射频前端模块中的前端滤波器单元，环形器单元、切换开关单元，接收复用电路模块中的低噪声放大器单元、接收射频带通滤波器单元、接收混频器单元、接收中频带通滤波器单元、合路器单元、数控可变增益放大器单元、复用中频带通滤波器单元、ADC单元，中频选择模块，数字信号处理模块中的DDC单元、基带处理单元。

接收时隙，天线接收的信号经过最前端的滤波器滤除远端的噪声和杂散，由于环形器的方向性，信号经过环形器到达接收开关，接收开关在发射时是断开的，在接收时是导通的，开关不是直接用在收发切换而是接在环形器之后，可以大大降低开关管对功率的要求，同时进一步增加了收发隔离度。接收的信号通常是小信号，需要经过多级的低噪声放大器进行放大。放大后的信号通过带通滤波器滤波后送到混频器进行混频，接收中频低通滤波器带宽与信号带宽一致，用于滤除的带外干扰，避免ADC采样后产生混叠。接收中频信号经过合路器进入可变增益放大器进行增益放大，使整个接收通路能够满足接收灵敏度的要求，最终进入ADC的信号信噪比至少满足解调门限。可变增益放大器后面的中频滤波器考虑到复用，按照信号的5倍带宽设计。中频信号放大和滤波后经过ADC采样成数字中频信号，这个信号在DDC模块中完成IQ信号分离和数字下变频处理，最后送到基带处理器。

需要说明，其他更多通道的MIMO系统与上述系统类似，此处不赘述。

综上所示，根据本发明上述技术方案，与现有技术相比较，节省了反馈通路开销，硬件方面只需要增加一个多选一开关，在FPGA里面增加一个数据的多路选择模块，更加适合MIMO系统中的使用。同时增加了供电控制，进一步降低了单板功耗。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种TDD时分双工系统的数字收发信机，包括：数字信号处理模块、发射电路模块、射频前端模块，其特征在于，还包括：

接收复用电路模块，用于接收来自所述射频前端模块的反馈信号以及接收信号，实现接收电路和反馈电路的复用；

控制电路模块，用于根据收发时隙控制所述接收复用电路模块分别实现接收电路功能和反馈电路功能，并对所述接收复用电路模块分时供电。

2.根据权利要求1所述的数字收发信机，其特征在于，所述接收复用电路模块包括：接收电路模块和反馈电路模块，所述接收电路模块和所述反馈电路模块复用中频放大滤波模块和模数转换ADC模块。

3.根据权利要求2所述的数字收发信机，其特征在于，进一步包括：

中频选择模块，连接在所述接收复用电路模块和所述数字信号处理模块之间，所述中频选择模块包括：

第一选择开关，用于分离切换所述接收信号和所述反馈信号。

4.根据权利要求1所述的数字收发信机，其特征在于，所述控制电路模块进一步包括：

收发控制模块，用于在接收时隙，控制所述接收复用电路模块实现接收电路功能；在发射时隙，控制所述接收复用电路模块实现反馈电路功能；

电源控制模块，用于在接收时隙，关闭所述发射电路模块以及所述接收复用电路模块的反馈电路模块；在发射时隙，关闭所述接收复用电路模块的接收电路模块。

5.根据权利要求1所述的数字收发信机，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：数字预失真DPD处理模块，用于根据所述反馈信号进行预失真分析。

6.一种TDD系统的数字收发信机，用于MIMO多入多出系统，包括：数字信号处理模块、发射电路模块、射频前端模块，其特征在于，还包括：

反馈选择模块，用于在发射时隙选择来自多个通道其中之一的反馈信号；

接收复用电路模块，用于接收来自所述反馈选择模块的反馈信号以及所述射频前端模块的接收信号，实现接收电路和反馈电路的复用；

控制电路模块，用于根据收发时隙控制所述接收复用电路模块分别实现接收电路功能和反馈电路功能，并对所述接收复用电路模块分时供电。

7.根据权利要求6所述的数字收发信机，其特征在于，所述数字信号处理模块包括：DPD处理模块，用于根据所述反馈信号进行预失真分析。

8.根据权利要求6所述的数字收发信机，其特征在于，进一步包括：

中频选择模块，连接在所述接收复用电路模块和所述数字信号处理模块之间，所述中频选择模块进一步包括：

第一选择开关，用于分离切换所述接收信号和所述反馈信号。

第二选择开关，用于将所述反馈信号切换到对应的通道的DPD处理模块以进行DPD预失真分析。

9.根据权利要求6所述的数字收发信机，其特征在于，所述控制电路模块进一步包括：

反馈控制模块，用于控制所述反馈选择模块选择所述多个发射通路其中之一以进行DPD自适应训练；

收发控制模块，用于在接收时隙，控制所述接收复用电路模块实现接收电路功能；在发射时隙，控制所述接收复用电路模块实现反馈电路功能；

电源控制模块，用于在接收时隙，关闭所述发射电路模块以及所述接收复用电路模块的反馈电路模块；在发射时隙，关闭所述接收复用电路模块的接收电路模块。

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