CN102185619B - 抗干扰射频可重构收发信机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抗干扰射频可重构收发信机，其由零中频的射频接收机和零中频的射频发送机组成，射频接收机包括一个由中心频率不同的n个信道、结构相互对称的m列输入选择开关阵列和输出选择开关阵列组成的可重构信道选择阵列，每列的输入选择开关的数量是2m-1个；2m=n；第1、2个，第3、4个，……第n-1、n个信道分别连接第m列中的不同输入选择开关；第m列中的第1、2个，第3、4个，……第2^m-1-1、2^m-1个分别连接第m-1列中的不同输入选择开关；本发明通过对选择开关的状态控制实现不同频率滤波信道的选择，提高了系统的抗干扰能力，能够使主用户与次级用户共存且避免互相干扰，保证通信质量。

Description

抗干扰射频可重构收发信机

技术领域

本发明涉及射频电路系统和无线通信领域，特别是一种应用于感知无线电系统的抗干扰射频可重构收发信机。

背景技术

随着社会经济的发展，对无线通信的需求不断增加，频谱资源变得越来越紧缺，原有的固定频谱分配方式已经不能满足各种应用对频谱资源的需求，这就要求在对频谱资源持有者不产生影响的前提下，在已有的工作频段上接入新的应用，从而提高频谱利用率，也就是动态频谱资源共享。要在已有用户的前提下接入新的动态频谱共享通信系统用户，则必须考虑原有系统信号对动态频谱共享系统的干扰，同时也要保证不会对原有系统用户造成干扰，因此，应用于感知无线系统的射频收发信机必须要考虑抗干扰的能力，要确保不会对原系统用户的正常工作造成干扰。在现有无线通信系统中，一般采用固定频谱分配模式，通过频率规划等解决干扰问题，而在感知无线电系统中，由于存在两种用户，而且频率使用是动态的，两种用户之间的干扰问题非常突出，一般手段无法解决。

发明内容

本发明公开一种应用于感知无线电系统的抗干扰射频可重构收发信机，目的是增强抗干扰能力，使感知无线电网络中的主用户（原有系统用户）和次级用户（感知无线电系统用户）共存时避免互相干扰，从而保证通讯质量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种抗干扰射频可重构收发信机，收发开关和与收发开关连接的射频接收机、射频发送机；

射频接收机包括可重构信道选择阵列，可重构信道选择阵列的信号输入端连接收发开关；所述可重构信道选择阵列包括n个信道、输入选择开关阵列和输出选择开关阵列；n个信道的中心频率不同；

输入选择开关阵列包括m列，2^m=n；第m列的输入选择开关的数量是2^m-1个；第m-1列的输入选择开关的数量为2^（m-1）-1个，依次类推；

输入选择开关阵列与信道的连接关系如下：

第1、2个，第3、4个，……第n-1、n个信道分别连接第m列中的不同输入选择开关；

第m列中的第1、2个，第3、4个，……第2^m-1-1、2^m-1个分别连接第m-1列中的不同输入选择开关；

所述输出选择开关阵列与输入选择开关阵列对称；输出选择开关阵列与信道的连接关系对称于输入选择开关阵列与信道的连接关系。

结合现有技术中的收发信机结构组成，并作为一种改进，本发明的抗干扰射频可重构收发信机的射频接收机中包括一个零中频的射频接收模块，射频发送机中包括一个零中频的射频发送模块；零中频射频接收模块的输入端通过收发开关接收来自接收机的对外端口如天线的信号，输出端连接基带系统；零中频射频发送模块通过输入端接收基带系统的待发送信号，并通过输出端连接收发信机的对外端口将射频信号发出。

作为一种改进，所述射频接收机还包括接收可变增益放大器，其信号放大的方向与射频接收机的信号走向相同；接收可变增益放大器的增益系数由基带系统来控制，相关控制电路和方法可由现有成熟电路和控制技术完成。具体的，接收可变增益放大器的输出端连接零中频射频接收模块的输入端。

作为一种改进，所述收发开关与可重构信道选择阵列之间还串接有低噪声放大器，其信号放大的方向与射频接收机的信号走向相同。本发明采用具有高线性和高输出三阶交叉节点的低噪声放大器来结合可重构的滤波信道选择阵列，更增强了接收单元的抗干扰能力。

作为一种改进，所述射频发送机中串接有发送可变增益放大器，其信号放大的方向与射频发送机的信号走向相同；发送可变增益放大器的增益系数由基带系统控制，相关控制电路和方法可由现有成熟电路和控制技术完成。具体的，发送可变增益放大器的输入端连接零中频发送模块的输出端，为使发送机的抗干扰能力更强，本发明还可在零中频发送模块与发送可变增益放大器之间串接滤波器。

作为一种改进，所述射频发送机中还串接有功率放大器，其功率放大的方向与射频发送机的信号走向相同。具体的，功率放大器的输出端连接收发开关，本发明采用具有高增益和高线性度特性的功率放大器，从而减小发射信号的邻信道功率泄露，避免对其他用户造成干扰。

作为一种改进，本发明的收发信机的对外端口如天线，与收发开关之间串接有带通滤波器，可在收信机信号输入前或发信机信号输出后对外部干扰进行滤除。

优选的，所述可重构信道选择阵列的n个信道中包括1个以上滤波信道，滤波信道中串接有滤波器，滤波器为带通滤波器，其中心频率与其所在的信道的中心频率相同。具体的，当某个信道不被利用时，信道可通过一个电阻负载接地。

优选的，所述可重构信道选择阵列中，n=16，m=4，即可重构信道选择阵列中含有16个信道，具体的可根据所需的信道频率选择相应中心频率的滤波器，并通过控制输入端开关阵列和输出端开关阵列中的开关状态选择所需信道，对开关状态的控制由基带系统完成，相关控制方法可由现有成熟控制技术实现。信道的扩展可通过调整m与n的值进行相关阵列开关与信道的匹配。

零中频接收模块及零中频发送模块皆利用现有技术的成熟结构技术设计，零中频接收模块包括由基带系统进行锁相控制的本振，本振经移相器后的输出两个相位相差90°的正交信号，此两个信号分别与可变增益放大器的输出进行混频，混频后的两个正交的输出信号经滤波器和增益模块送至基带系统中。

零中频发送模块包括由基带系统进行锁相控制的两个本振，两个本振输出信号经混频器输出至移相器后输出两个正交的本振信号，从基带系统中输出两个正交的发射信号经滤波器滤波后分别与两个正交的本振信号混频输出，此输出可经后期滤波、放大等步骤形成最终发射信号。

本发明应用于感知无线电系统中时，由于设置了可重构的滤波信道选择阵列、低信噪放大器等抗干扰结构，结合零中频的接收和发送模块，构成了抗干扰能力较强的射频可重构收发信机，能够使主用户与次级用户共存且避免互相干扰，保证通信质量，且本发明使用方便，实用性强，还可以推广到其他存在强信号干扰的无线通信系统之中。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图；

图2所示为本发明中可重构信道选择阵列的结构示意图；

图3所示为本发明与现有技术的EVM对比测试结果示意图；

图4所示为本发明的ＡＶＰＲ测试结果波形图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步解释。

结合图1所示，本发明的抗干扰射频可重构收发信机，包括收发开关06，射频接收机02和射频发送机03，本发明的收发信机对外端口采用天线04，天线04与收发开关06之间串接有带通滤波器05；感知无线电系统中的基带系统01对收发开关06进行收发控制，从而控制本发明的收发信机的工作状态；射频接收机02包括零中频接收模块21，收发开关06与零中频接收模块21之间依次串接有低噪声放大器24、可重构信道选择阵列23和接收可变增益放大器22，接收可变增益放大器22的增益系数由基带系统01通过可由现有成熟技术实现的AGC控制（自动增益控制）方法控制；射频发送机3包括零中频发送模块31，零中频发送模块31与收发开关06之间依次串接有滤波器32、发送可变增益放大器33、功率放大器34，发送可变增益放大器33的增益系数由基带系统01通过可由现有成熟技术实现的APC控制方法控制。

图1中，零中频接收模块21利用现有技术的成熟技术结构设计，其包括由基带系统01进行锁相控制的本振，本振经移相器后的输出两个相位相差90°的正交信号，此两个信号分别与可变增益放大器的输出进行混频，混频后的两个正交的输出信号经滤波器和增益模块送至基带系统中；零中频发送模块31也是利用现有成熟技术结构设计，其包括由基带系统进行锁相控制的两个本振，两个本振输出信号经混频器输出至移相器后输出两个正交的本振信号，从基带系统中输出两个正交的发射信号经滤波器滤波后分别与两个正交的本振信号混频输出，此输出经发送部分的滤波、放大等步骤形成最终发射信号。

结合图2所示，可重构信道选择阵列23包括4列输入选择开关、4列输出选择开关以及16个信道，本实施例可用于感知无线电系统中，选择任意14个信道为滤波信道，具体的可根据需要选择每个信道为滤波信道或者空闲，如选择为滤波信道，则所选信道中串接带通滤波器，滤波器的中心频率与其所在的信道的中心频率相同；如选择为空闲信道，则可在信道中通过一个负载接地。对信道的选通可通过基带系统对开关状态的控制来实现，相关控制方法可利用现有技术中的成熟控制技术实现。

结合图3所示为应用误差向量幅度（EVM）测试来验证本发明的抗干扰射频可重构抗收发机的抗干扰性能结果。测试中使用的信号是具有2048个子载波，功率值为-50dBm，带宽为7MHz，中心频率为698MHz的OFDM信号。采用带宽为7MHz，功率值为-20.86dBm的调制信号来模拟接收到的电视信号，并将此信号分别加到不同信道。

在694-806MHz频段的感知无线电系统应用环境中，主用户系统是广播电视系统。在这个频段中一共有14个电视信道，每个信道带宽为8MHz，并给14个信道从频率低到频率高分别标号信道1至信道14。做如下假定电视塔的发射功率是70dBm（10KW），感知无线电系统中的接收机到电视发射塔德距离为300米，电视塔高度为200米，感知无线电接收机高度是1.5米。那么，根据Okumura模型，路径损耗L可以表示为：

L＝L_S+A_M-H_M-H_B-K_C

式中，L_S,A_M,H_M和H_B分别表示空间损耗，损耗中值，移动台天线高度增益因子和基站天线高度增益因子，同时K_C表示地形修正因子。因此，在城市区域，这些参数可以通过如下计算或查表得到，如下所示：

L_S＝32.44dB+201gf(MHZ)+201gd(km)

＝32.44+201g698+201g0.3≈78.86dB

A_M＝27dB，H_M＝-3dB，H_B＝0dB，K_C＝0dB

计算时选择694-806MHz频段中频率最低的那个信道的中心频率698MHz。于是整个传播损耗可以计算得到：

L＝L_S+A_M-H_M-H_B-K_C＝102.86dB

同时假定发射和接收天线的最大增益都是6dB，在这种情况下，感知无线电接收机最大可能接收到的信号强度Pin可以计算得到：

P_m＝70dBm-102.86dB+12dB＝-20.86dBm

-20.86dBm的射频信号是一个很强的接收信号，因此，感知系统的射频接收机必须要有很强的抗干扰能为，否则，性能就会被影响。

测试结果如图3所示，其中信道1为主通信信道，信道2-14为临近信道，图中表示应用中收发信机与普通收发信机各信道的EVM测试对比，EVM是表征信道抗干扰能力的一个参考，当EVM值越小则抗干扰能力越强。普通收发信机未采用可重构滤波信道选择阵列。当干扰信号来源于接收机所接收信号的相邻信道时，本发明的收发信机EVM比普通收发信机低，当干扰信号在其它信道时，测试得到的EVM都小于3%，意味着干扰信号几乎不会干扰到接收机的正常工作。

图4是本发明的收发信机邻信道功率比（ACPR）测试结果，在感知无线电应用中，感知无线电系统用户要保证不能干扰到广播电视用户的正常工作。因此，如果感知系统对电视系统的干扰信号的功率超过了电视机的灵敏度并且当电视机在同一个信道上工作时，电视用户地正常收看就会受到影响，因此，感知系统中的射频发射机的邻信道功率比（ACPR）必须要经过严格地设计。

假设感知无线电系统发射机和电视机之间的最小距离为20m，感知无线电系统发射机的天线的增益为6dB，电视接收机的天线增益为3dB。当信号频率为698MHz时，电磁波在自由空间的传输损耗为：

$L_1=101g{\left(\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2=201g\frac{4\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\≈55.34\mathrm{dB}$

同时，我国电视机的接收灵敏度最低为-60.9dBm，所以，感知系统发射机的最大邻近信道功率的要求P_ac如下：

P_ac＝-60.9dBm+55.34dB-9dB＝-14.56dBm

当感知无线系统发射机的最大发射功率为27dBm时，ACPR必须要大于-41.56dBc。

结合图4所示，本测试的条件是：发射机的输出功率为27dBm，感知系统信号包含有2048个子载波，带宽为7MHz的OFDM信号，中心频率为714MHz的信道输出信号频谱，在频谱分析仪的输入口接有一个30dB的衰减器；测试得到的发射信号ACPR为-47.98dBc，结合上述分析即不会对主用户造成干扰。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种抗干扰射频可重构收发信机，包括收发开关和与收发开关连接的射频接收机、射频发送机，其特征是，射频接收机包括可重构信道选择阵列；所述可重构信道选择阵列包括n个信道、输入选择开关阵列和输出选择开关阵列；n个信道的中心频率不同；

输入选择开关阵列包括m列，2^m=n；第m列的输入选择开关的数量是2^m-1个；第m-1列的输入选择开关的数量为2^（m-1）-1个，依次类推；

输入选择开关阵列与信道的连接关系如下：

第1、2个信道皆连接第m列中的第1个输入选择开关，第3、4个信道皆连接第m列中的第2个输入选择开关，……第n-1、n个信道皆连接第m列中的第2^m-1个输入选择开关；

第m列中的第1、2个输入选择开关皆连接第m-1列中的第1个输入选择开关，第3、4个输入选择开关皆连接第m-1列中的第2个输入选择开关，……第2^m-1-1、2^m-1个分别连接第m-1列中的第2^（m-1）-1个输入选择开关；

所述输出选择开关阵列与输入选择开关阵列对称；输出选择开关阵列与信道的连接关系对称于输入选择开关阵列与信道的连接关系；

所述可重构信道选择阵列的信号输入端通过低噪声放大器连接收发开关；低噪声放大器的信号放大方向与射频接收机的信号走向相同；

射频接收机中还包括一个零中频的射频接收模块，射频发送机中还包括一个零中频的射频发送模块；零中频射频接收模块的输入端通过收发开关接收来自接收机的对外端口如天线的信号，输出端连接基带系统；零中频射频发送模块通过输入端接收基带系统的待发送信号，并通过输出端连接收发信机的对外端口将射频信号发出。

2.根据权利要求1所述的抗干扰射频可重构收发信机，其特征是，所述射频接收机中还包括接收可变增益放大器，其信号放大的方向与射频接收机的信号走向相同。

3.根据权利要求1所述的抗干扰射频可重构收发信机，其特征是，所述射频发送机中包括发送可变增益放大器，其信号放大的方向与射频发送机的信号走向相同。

4.根据权利要求1所述的抗干扰射频可重构收发信机，其特征是，所述射频发送机中还串接有功率放大器，其功率放大的方向与射频发送机的信号走向相同。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的抗干扰射频可重构收发信机，其特征是，所述可重构信道选择阵列的n个信道中包括1个以上滤波信道，滤波信道中串接有滤波器，滤波器的中心频率与其所在的信道的中心频率相同。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的抗干扰射频可重构收发信机，其特征是，所述可重构信道选择阵列中，n=16，m=4。

7.根据权利要求5所述的抗干扰射频可重构收发信机，其特征是，所述可重构信道选择阵列中包括14个滤波信道。

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