CN102170715B - 一种采用软件无线电技术的移动通信基站收发信机及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用软件无线电技术的移动通信基站收发信机，应用于基于TD/FDMA多址技术的移动通信系统，它包括以下三个组成部分：多模式控制装置、射频前端、数字信号处理装置。本发明还提供了上述收发信机的实现方法。本发明灵活适应单载波到多载波基站的信号收发，且支持多路分集接收；本发明采用宽带发射机，不仅灵活适应频率不规则分布的多载波发射，还避免了多载波合路时的功率损失；本发明采用多个窄带射频接收通道，能够满足接收信号的高动态要求和高抗阻塞性能要求；采用本发明，可以实现低功耗、小型化、高性能且灵活配置的移动通信基站。

Description

一种采用软件无线电技术的移动通信基站收发信机及信号处理方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，具体为一种采用软件无线电技术的移动通信基站的收发信机装置及信号处理方法。

背景技术

软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。自二十世纪九十年代以来，软件无线电技术已经在无线电通信领域得到了广泛的应用，在移动通信领域也有了长足的进展。

移动通信系统包括公用移动通信系统和专用移动通信系统。前者通常是指公用陆地移动通信系统(PLMN)；而后者的范围广泛得多，通常意义下，无线集群通信系统是各类专用移动通信系统中应用最为广泛的。

无论公用移动通信系统还是专用移动通信系统，目前的技术都已经进入数字化时代，其中很多种系统的标准采用TD/FDMA的多址技术。比如公用移动通信系统中的GSM标准、专用移动通信系统中的TETRA标准等等。

采用TD/FDMA多址技术的通信系统的基站收发信机，传统的基带数字化解决方案主要有以下缺点：

1) 对于不同载频的信道，均需占用一套单独的射频收发信机和基带处理设备接收，基站的硬件结构复杂，不利于维护和降低成本；

2) 采用基带数字化收发信机设计，由于模拟正交解调器或解调器固有的同相和正交支路幅度和相位不平衡性，会导致相应的系统性能损失；

3) 系统的数字化和软件化程度较低，灵活性较差，不易于系统功能扩展和升级；

4) 专用化、硬件化的设计不利于不同通信系统间的互联互通。

为此，中国专利申请CN101388681A提出了一种采用软件无线电技术的宽带数字中频收发信机来作为TETRA集群系统基站的收发信机。其主要技术方案为：收发信机包括宽带射频前端部件和载波处理板，宽带射频前端部件包括接收通道和发射通道，接收通道包括依次联接的射频接收滤波器、低噪声放大器、下变频器、接收用中频滤波器和中频自动增益控制放大器；发射通道包括依次联接的发射用中频滤波器、中频放大器、上变频器、射频发射滤波器和射频功率放大器；所述的载波处理板包括模数转换模块、数模转换模块，现场可编程门阵列器件和数字信号处理器和时钟单元。

上述方案虽然具有较高的性能、较高的灵活性、对信号变化适应较强、系统硬件结构易于模块化、结构化设计，硬件平台结构简单、并且具有很高的通用性、易于系统功能的扩展和升级等特点，克服了传统基带数字化解决方案的缺陷，但在以下几个方面仍存在不足：

1) 现有基站的收发信机仅完成单载波信号的收发功能，而多载波基站系统是由多个收发信机并行工作来完成多载波信号收发功能的。各个收发信机的发射信号需要经过合路器，合成一路传输到双工器及天馈系统。发射信号经过合路器，会造成输出信号功率损失，进而使得信号覆盖范围缩小； 

2) 现有移动通信系统中软件无线电多载波收发技术往往采用载波频率规则分布的实现方法，无法实现信道的灵活配置；

3) 现有基站为了提高抗衰落性能，往往采用空间分集接收的实现方法。将不同天线接收到的移动台信号送入多路相同的接收通道进行信号处理。那么，在基站系统不采用分集接收的时候，接收到的移动台信号只送入其中一路接收通道进行信号处理，其余的接收通道却不能用作其他载波信号的接收，显然是一种资源浪费；

4) 现有软件无线电多载波接收技术，受限到ADC动态范围的限制，在接收多载波信号时难以满足集群基站的抗阻塞性能，并且难以同时满足各载波的动态范围；

5) 现有的多载波基站由多个信道机完成多载波信号的收发功能，不仅在信号合路的时候造成了功率损失，而且多载波基站的小型化、低成本等性能不容易实现。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种采用软件无线电技术、适应单载波到多载波、并在单载波或多载波工作时支持分集接收的采用软件无线电技术的移动通信基站收发信机。为此，本发明采用以下技术方案：一种采用软件无线电技术的移动通信系统基站收发信机，应用于基于TD/FDMA多址技术的移动通信系统，它包括以下三个组成部分：

1-a) 多模式控制装置，其作用是通过和数字信号处理装置间的接口自动加载不同工作模式的数字信号处理软件，通过和射频前端之间的接口控制接收通道的本振源产生相应的本振信号，使收发信机能够工作于不同的工作模式，

本发明中收发信机可以支持单载波到多载波工作，其中各个载波又可以采用或不采用分集接收，这样就形成了收发信机的多个不同的工作模式。

1-b) 射频前端，其作用是通过一个宽带的射频发射通道发射多路下行信号，通过多个窄带的射频接收通道来灵活接收多路上行信号，

所述宽带射频发射通道，其输入信号来源于数字信号处理装置，所述宽带射频发射通道包含依次相连的一个数模转换器DAC、一个模拟中频滤波器和发射混频器构成的电路和一个宽带线性功放，还包含向发射混频器提供本振信号的一个发射本振源，

所述多个窄带射频接收通道，其接收信号后续输出给数字信号处理装置，每一个所述窄带射频接收通道包含依次相连的一个接收混频器、一个窄带滤波器、一个模数转换器ADC，每一个所述窄带射频接收通道还包含向接收混频器提供本振信号的一个独立接收本振源；

1-c) 数字信号处理装置，其作用是实现数字中频信号和基带信号的收发，所述数字信号处理装置包括一个支持多路信号合并的发射支路和一个支持多路接收的接收支路，

所述发射支路，包含多个基带信号发射处理装置、和所述多个基带信号发射处理装置一一对应相连的多个数字中频处理装置和后续的一个支持上变频的多载波合成装置， 

所述接收支路，包含多个数字中频处理装置和后续的一个基带信号接收处理装置，最终由基带信号接收处理输出的信号，可以是多路信号，也可以是分集合并之后的单路信号，由收发信机的工作模式决定。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述宽带射频发射通道的带宽涵盖整个发射频段，支持多载波同时发射，且支持不同载波的频率在发射频带的任意分布。

所述多路窄带射频接收通道可以同时实现多路大动态信号的接收。

所述多个窄带射频接收通道和数字信号处理装置中的接收支路，用于接收和处理来自天线方向的多路大动态信号，所接收和处理的多路大动态信号，或者是频率不同的多个载波信号，或者是来自多根天线接收的相同载波的信号，以支持分集接收。

所述多模式控制装置，可以加载不同的软件版本使收发信机工作在如下工作模式：

5-a) 无分集模式，一个或者多个载波进行工作，都不进行分集接收；

5-b) 纯分集模式，单个载波进行工作，使用多个接收通道用于分集接收；

5-c) 两两分集模式，半数载波进行工作，每个载波进行二分集接收。

所述多模式控制装置，可以加载不同的软件版本使收发信机工作在如下更多的模式：

6-a) 无分集模式，一个或者多个载波进行工作，都不进行分集接收；

6-b) 全分集模式，一个或者多个载波进行工作，使用所有接收通道用于分集接收；

6-c) 混合分集模式，多个载波进行工作，部分载波进行分集接收，部分载波不进行分集接收；

6-d) 部分分集模式，一个或者多个载波进行工作，使用部分接收通道用于分集接收。

所述多模式控制装置，可以按照以下方法控制射频前端接收通道的接收本振源产生本振信号：

7-a) 多路本振源分别产生和载波数量相同的本振频率；

7-b) 根据各个载波的分集情况，将对应的本振频率分路成所需数量的本振信号。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种应用于基于TD/FDMA多址技术的移动通信系统的如上所述的采用软件无线电技术的移动通信系统基站收发信机的实现方法，为此，本发明采用以下技术方案：它包括下列步骤：

8-a) 在发信通道，首先是进行数字信号处理装置发射支路的处理，具体为对需发射的一路或多路源信号分别用基带信号发射处理装置进行基带信号发射处理，其次用数字中频处理装置对各路信号进行独立的数字中频处理，然后再由多载波合成装置上变频得到合成为一路的宽带数字中频信号，这个宽带数字中频信号在射频前端的宽带射频发射通道经过数模转换器DAC成为宽带模拟中频信号，再由模拟中频滤波器和发射混频器进行滤波、混频和增益控制，得到射频发射信号，经过宽带线性功放进行放大后发射输出，上述宽带模拟中频信号在发射混频器中混频时，本振信号由发射本振源提供；

8-b) 在收信通道，各路接收信号在射频前端的每路窄带射频接收通道首先经过独立的接收混频器进行混频，其次由独立的窄带滤波器进行滤波，再由模数转换器ADC转换成多路数字中频信号，进入数字处理装置的接收支路，分别由每个数字中频处理装置进行下变频成为多路基带信号，然后在基带信号接收处理装置进行基带处理，得到最终的各路输出信号；

上述接收信号分别在独立的接收混频器中进行混频时，本振信号分别由独立的接收本振源提供，

上述基带处理，包括下列分步骤：

8-b-1) 对多路数字基带信号分别进行位同步和帧同步，

8-b-2) 根据位同步和帧同步结果，结合均衡器进行分集合并处理，获得一路或几路基带信号，

8-b-3) 分别进行基带解调，

8-b-4) 分别进行信道解码，得到最终的各路输出信号。

所述独立的意思是指一对一，处理每一路信号的各个环节的器件都是只针对该路信号，不和其他路信号混着用。

本发明所述数字信号处理装置可以使用FPGA、DSP等不同数字信号处理器件实现。

本发明所述宽带线性功放可以采用诸如前馈、插入导频、数字预失真DPD等不同技术实现。

本发明所述分集合并方法，可以是选择合并、等增益合并和最大比合并的方法；所述均衡器，可以采用最大似然序列估计算法MLSE，也可以采用判决反馈均衡算法DFE。

本发明所述的基站收发信机方案，利用软件无线电技术灵活适应多种模式的优点，并利用窄带接收机更加容易实现大动态接收的特点，是一种在发射支路应用软件无线电宽带数字中频技术以适应不同数目载波发射、在接收支路应用多个窄带下变频通道配合灵活的多路数字中频和基带接收机电路以支持不同数目载波的灵活的分集接收的移动通信基站收发信机实现方法，可在基于TD/FDMA多址技术的不同移动通信系统内应用，可以实现小型化多用途基站。与现有技术相比，本发明灵活适应单载波到多载波基站的信号收发，且支持多路分集接收；本发明采用宽带发射机，不仅灵活适应频率不规则分布的多载波发射，还避免了多载波合路时的功率损失；本发明采用多个窄带射频接收通道，能够满足接收信号的高动态要求和高抗阻塞性能要求；采用本发明，可以实现低功耗、小型化、高性能且灵活配置的移动通信基站。

附图说明

图1为本发明所述基站收发信机的概要框图。

图2为本发明所述基站收发信机的详细框图。

图3为本发明所述基站收发信机的发信工作流程图

图4为本发明所述基站收发信机的收信工作流程图。

具体实施方式

为了充分理解本发明的技术内容，下面给出具体实施例，结合附图对本发明的技术方案进行较为详细的介绍和说明。

图1所示为采用本发明方案的一种TETRA集群基站收发信机框图，最大支持四载波接收，其组成包括多模式控制装置11、射频前端12和数字信号处理器13。

进一步的详细框图如图2所示，多模式控制装置11包含一个本地的软件存储区111；射频前端12包含四路相同的接收混频器121、四路相同的窄带滤波器122、四路相同的模数转换器ADC 123、四路相同的接收本振源127、一路发射本振源128、一路数模转换器DAC 124、一个由滤波器和混频器125组成的电路、一个宽带线性功放126；数字信号处理器13包含四路相同的基带信号发射处理装置131、四路相同的发射数字中频处理装置132、一个多载波合成装置133、四路相同的接收数字中频处理装置134、一个支持四路信号独立处理的基带信号接收处理装置135。

所述多模式控制装置11具备远程软件获取端口、对射频前端12的控制接口和数字信号处理器13的加载接口。

收发信机的工作模式可以事先设定，分为以下十一种：

1)      单载波工作，无分集；

2)      单载波工作，二分集合并；

3)      单载波工作，三分集合并；

4)      单载波工作，四分集合并；

5)      双载波工作，双载波都无分集；

6)      双载波工作，一载波二分集合并，另一载波无分集；

7)      双载波工作，一载波三分集合并，另一载波无分集；

8)      双载波工作，两个载波各自二分集合并；

9)      三载波工作，三载波都无分集；

10)  三载波工作，一载波二分集合并，其余载波无分集；

11)  四载波工作，四载波都无分集。

所述射频前端控制接口用作控制接收机本振频率。根据收发信机的工作模式，多模式控制装置11通过该接口按照如下方式配置射频前端12部分的四路接收本振源：

1) 单载波工作，四路接收本振中只有一路工作，根据单载波所需要的分集信号数量来分路输出本振信号。

2) 二载波工作，四路接收本振中有二路工作，根据两个载波各自需要的分集信号数量来分路对应输出本振信号。

3) 三载波工作，四路接收本振中有三路工作，根据三个载波各自需要的分集信号数量来分路对应输出本振信号。

4) 四载波工作，四路接收本振全部工作，本振信号分别与四个载波频率对应。

所述数字信号处理器加载接口用作根据不同工作模式加载不同的数字信号处理软件版本。按照收发信机的工作模式，多模式控制装置11通过该接口自动加载相应的软件版本：

1) 单载波、二载波、三载波和四载波无分集工作模式，无论接收几个载波，接收机不支持分集合并。

2) 单载波分集工作模式，接收机最多支持四分集合并。

3) 二载波两两分集工作模式，接收机支持各自二分集合并的二载波接收。

4) 混合工作模式，接收机支持二或三载波接收，其中一个载波最多三分集合并，其余载波无分集合并。

这些软件版本存储在多模式控制装置本地的软件存储区111中，或者通过多模式控制装置的远程软件获取端口获取。

完整的信号处理流程如下：

如图3所示，对于发信通道，需要发射的数据根据多模式控制装置11所设置的工作模式在数字信号处理器13进行如下处理：

首先是对需发射的源信号进行基带信号发射处理301。单载波工作时，四路基带信号发射处理装置131中只有一路工作；二、三、四载波工作时，四路基带信号发射处理装置中则分别有二、三、四路工作。在基带信号发射处理装置131中进行的是信道编码和基带调制处理，各路信道编码和基带调制都是独立的。

基带信号发射处理所得到的一路或几路基带调制信号使用四路发射数字中频处理装置132中的一路或几路进行独立的数字中频处理302。

上述数字中频处理之后的窄带数字中频信号再由多载波合成装置133上变频得到宽带数字中频信号303。此时的信号已经合成为一路。

此后的信号处理过程在数字前端12中进行。

所述的宽带数字中频信号，经过DAC 124变换得到模拟中频信号304。

模拟中频信号经过滤波器和混频器125，进行滤波、混频和增益控制，得到射频发射信号305。其中混频器使用的本振频率来自发射本振源128。

射频发射信号经过宽带线性功放126进行放大后发射输出306。

如图4所示，对于收信通道，各路接收信号首先在射频前端12经过四路独立的混频器121进行下变频401。四路独立混频器使用的接收本振频率来自四路独立的接收本振源127，其各自的频率如前所述通过多模式控制装置11进行设置。

下变频后的多路信号分别由四路独立的窄带滤波器122进行滤波402。

窄带滤波之后的多路信号经过ADC 123变换得到多路数字中频信号403。本实施例中，窄带滤波结合高分辨率ADC的处理方法，即能够满足分集接收或者多载波接收时对于接收机动态范围、灵敏度、和抗扰性的要求。

所得的多路数字中频信号被送入数字信号处理器13，首先进行数字中频处理，即进行下变频到基带404。所述数字中频处理装置134中使用到的数字控制振荡器采用四路相同的频率。

下变频得到的多路基带信号，根据多模式控制装置11所设置的工作模式，在基带信号接收处理装置135中进行如下处理：

对多路数字基带信号分别进行位同步和帧同步405；

根据位同步和帧同步结果，结合均衡器进行分集合并处理406。根据不同的工作模式，可以支持不分集、二分集、三分集或四分集合并；

分集合并之后获得一路或几路基带信号，分别进行基带解调407；

分别进行信道解码408，得到最终的各路输出信号。

应当理解的是，以上所述从具体实施例的角度对本发明的技术内容进一步地披露，其目的在于让大家更容易了解本发明的内容，但不代表本发明的实施方式和权利保护局限于此。本发明保护范围阐明于所附权利要求书中，凡是在本发明的宗旨之内的显而易见的修改，亦应归于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种采用软件无线电技术的移动通信系统基站收发信机，应用于基于TD/FDMA多址技术的移动通信系统，其特征在于，包括以下三个组成部分：

1-a) 多模式控制装置，其作用是通过和数字信号处理装置间的接口自动加载不同工作模式的数字信号处理软件，通过和射频前端之间的接口控制接收通道的本振源产生相应的本振信号，使收发信机能够工作于不同的工作模式，

1-b) 射频前端，其作用是通过一个宽带的射频发射通道发射多路下行信号，通过多个窄带的射频接收通道来灵活接收多路上行信号，

所述宽带射频发射通道，其输入信号来源于数字信号处理装置，所述宽带射频发射通道包含依次相连的一个数模转换器DAC、一个模拟中频滤波器和发射混频器构成的电路和一个宽带线性功放，还包含向发射混频器提供本振信号的一个发射本振源，

所述多个窄带射频接收通道，其接收信号后续输出给数字信号处理装置，每一个所述窄带射频接收通道包含依次相连的一个接收混频器、一个窄带滤波器、一个模数转换器ADC，每一个所述窄带射频接收通道还包含向接收混频器提供本振信号的一个独立接收本振源；

1-c) 数字信号处理装置，其作用是实现数字中频信号和基带信号的收发，所述数字信号处理装置包括一个支持多路信号合并的发射支路和一个支持多路接收的接收支路，

所述发射支路，包含多个基带信号发射处理装置、和所述多个基带信号发射处理装置一一对应相连的多个数字中频处理装置和后续的一个支持上变频的多载波合成装置， 

所述接收支路，包含多个数字中频处理装置和后续的一个基带信号接收处理装置，最终由基带信号接收处理装置输出的信号是多路信号或者是分集合并之后的单路信号，由收发信机的工作模式决定。

2.根据权利要求1所述的基站收发信机，其特征在于，所述宽带射频发射通道的带宽涵盖整个发射频段，支持多载波同时发射，且支持不同载波的频率在发射频带的任意分布。

3.根据权利要求1所述的基站收发信机，其特征在于，所述多个窄带射频接收通道可以同时实现多个大动态信号的接收。

4.根据权利要求1所述的基站收发信机，其特征在于，所述多个窄带射频接收通道和数字信号处理装置中的接收支路，用于接收和处理来自天线方向的多路大动态信号，所接收和处理的多路大动态信号，或者是频率不同的多个载波信号，或者是来自多根天线接收的相同载波的信号，以支持分集接收。

5.根据权利要求1所述的基站收发信机，其特征在于，所述多模式控制装置，可以加载不同的软件版本使收发信机工作在如下工作模式：

5-a) 无分集模式，一个或者多个载波进行工作，都不进行分集接收；

5-b) 纯分集模式，单个载波进行工作，使用多个接收通道用于分集接收；

5-c) 两两分集模式，半数载波进行工作，每个载波进行二分集接收。

6.根据权利要求5所述的基站收发信机，其特征在于，所述多模式控制装置，可以加载不同的软件版本使收发信机工作在如下更多的模式：

6-a) 无分集模式，一个或者多个载波进行工作，都不进行分集接收；

6-b) 全分集模式，一个或者多个载波进行工作，使用所有接收通道用于分集接收；

6-c) 混合分集模式，多个载波进行工作，部分载波进行分集接收，部分载波不进行分集接收；

6-d) 部分分集模式，一个或者多个载波进行工作，使用部分接收通道用于分集接收。

7.根据权利要求1所述的基站收发信机，其特征在于，所述多模式控制装置，可以按照以下方法控制射频前端接收通道的接收本振源产生本振信号：

7-a) 多路本振源分别产生和载波数量相同的本振频率；

7-b) 根据各个载波的分集情况，将对应的本振频率分路成所需数量的本振信号。

8.一种应用于基于TD/FDMA多址技术的移动通信系统的如权利要求1所述的采用软件无线电技术的移动通信系统基站收发信机的信号处理方法，其特征在于，包括下列步骤：

8-a) 在发信通道，首先是进行数字信号处理装置发射支路的处理，具体为对需发射的一路或多路源信号分别用基带信号发射处理装置进行基带信号发射处理，其次用数字中频处理装置对各路信号进行独立的数字中频处理，然后再由多载波合成装置上变频得到合成为一路的宽带数字中频信号，这个宽带数字中频信号在射频前端的宽带射频发射通道经过数模转换器DAC成为宽带模拟中频信号，再由模拟中频滤波器和发射混频器进行滤波、混频和增益控制，得到射频发射信号，经过宽带线性功放进行放大后发射输出，上述宽带模拟中频信号在发射混频器中混频时，本振信号由发射本振源提供；

8-b) 在收信通道，各路接收信号在射频前端的每路窄带射频接收通道首先经过独立的接收混频器进行混频，其次由独立的窄带滤波器进行滤波，再由模数转换器ADC转换成多路数字中频信号，进入数字信号处理装置的接收支路，分别由每个数字中频处理装置进行下变频成为多路基带信号，然后在基带信号接收处理装置进行基带处理，得到最终的各路输出信号；

上述接收信号分别在独立的接收混频器中进行混频时，本振信号分别由独立的接收本振源提供，

上述基带处理，包括下列分步骤：

8-b-1) 对多路数字基带信号分别进行位同步和帧同步，

8-b-2) 根据位同步和帧同步结果，结合均衡器进行分集合并处理，获得一路或几路基带信号，

8-b-3) 分别进行基带解调，

8-b-4) 分别进行信道解码，得到最终的各路输出信号。

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