CN103259571A - 多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块 - Google Patents

Abstract

一种多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，扩充模块应用于多重输入多重输出的无线通讯系统，包括N个第一射频前端单元、N个第二射频前端单元、第一功率分配及结合单元与第二功率分配及结合单元。其中第一功率分配及结合单元连接各第一射频前端单元，分配第一极化方向信号至各第一射频前端单元。第二功率分配及结合单元连接各第二射频前端单元，分配第二极化方向信号至各二射频前端单元。如此一来，通过N个天线各自将第一极化方向信号与第二极化方向信号朝着不同的方向发射出去以达到增加传输距离以及传输全向性的优点。

Description

多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块

技术领域

本发明涉及一种扩充模块，特别涉及一种可应用于多重输入与多重输出的无线通讯系统的扩充模块。

背景技术

在无线通讯领域中，例如WiFi与WiMAX等，其信号传输的距离与信号传输的速度与天线类型相关。例如现有应用于一WiFi模型的全向型天线为了能全方位的传输或接收无线信号，因此会消耗较多的功率在于360度辐射电波信号上，所以其传输距离较短。若欲拉长传输距离，则信号强度会随着距离拉长而衰落，故影响无线通讯品质。另外，由于只具有单一天线，因此信号传输的速度受到限制。

为了解决以上问题，发展出了多重输入多重输出(multiple input andmultiple output，MIMO)的无线通讯系统。MIMO系统利用多根发射天线与多根接收天线所提供的空间自由度提升传输速率与改善通讯品质。MIMO系统主要有两种功能模式，分别为空间分集(spatial diversity)模式以及空间多工(spatialmultiplexing)模式。

空间分集的原理为利用传送端或接收端的多根天线所提供的多重传输路径以对抗通道衰落的影响。空间分集模式可利用多条独立的传输路径中选择或组合出衰落现象较轻微的信号，因此具有较好的信号传输品质。

空间多工的原理为利用多根天线传送不同的数据序列，并且在接收端利用多根天线的空间自由度将该组数据序列分别解出。因此空间多工的MIMO系统可在同一时间、同一频段与同一功率传送多个数据序列，大大的加强了无线通讯领域中信号传输的速率。

然而不论是空间分集或空间分工的MIMO系统，其信号传输的距离若拉长，则信号传输的品质均会下降。空间分集模式虽可利用多重传输路径中选择较佳传输品质的信号通道以维持信号传输品质，但事实上并无法实质上真正地增加信号传输的距离。空间分集模式只能在传输距离拉长时，由每个传输信号均较衰落的传输通道中选择某一品质较佳的传输路径。

为了加大传输的距离，现有可将电波信号集中于某一方向发射。然而此方法即丧失了全向地传播信号的优点，因此应用MIMO系统的无线通讯模块其信号传输的距离与信号传输的全向性难以兼顾。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，用以解决多重输入多重输出无线通讯系统传输距离与传输全向性无法兼顾的问题。

本发明所提供的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块包括N个第一射频前端单元、N个第二射频前端单元、一第一功率分配及结合单元以及一第二功率分配及结合单元。其中N为大于2的正整数。

N个第一射频前端单元用以连接N个天线，第i个第一射频前端单元连接第i个天线。N个第二射频前端单元用以连接N个天线，第i个第二射频前端单元连接第i个天线。其中i为小于N的正整数。

各第一射频前端单元处理一第一极化方向信号，并且各第一射频前端单元包括一第一功率放大器。各第二射频前端单元处理一第二极化方向信号，并且各第二射频前端单元包括一第二功率放大器。第一功率及结合单元分配或整合第一极化方向的信号，第一功率分配及结合单元连接各第一射频前端单元。第二功率及结合单元分配或整合第二极化方向的信号，第二功率分配及结合单元连接各第二射频前端单元。

根据本发明的一实施例，其中N个天线各自面向不同空域发射或接收信号。

根据本发明的一实施例，其中各空域组合涵盖360度的空间范围。

综上所述，本发明利用控制切换单元使得扩充模块运作于发射模式或接收模式之下。在发射模式时，通过功率分配及结合单元将第一极化方向信号分配给N个第一射频前端单元，第二极化方向信号分配给N个第二射频前端单元。每一第一射频前端单元利用功率放大器放大第一极化方向信号，每一第二射频前端单元利用功率放大器放大第二极化方向信号。接着再利用天线各自朝着不同方向将第一极化方向与第二极化方向的信号发送出去。因此应用本发明的扩充模块的多重输入多重输出无线通讯系统的传输距离将较现有技术增大，并且利用各天线分别面向不同的空域传输信号可达到传输全向性的功效。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的扩充模块系统结构示意图；

图2为本发明另一实施例的扩充模块系统结构示意图。

其中，附图标记

101                   第一功率分配及结合单元

102                   第二功率分配及结合单元

111、112、113、114    第一射频前端单元

121、122、123、124    第二射频前端单元

131、132、133、134    天线

140                   第一控制切换单元

150                   第二控制切换单元

199                   扩充模块

201                   第一功率分配及结合单元

202                   第二功率分配及结合单元

211-21N               第一射频前端单元

221-22N               第二射频前端单元

231-23N               天线

240                   第一控制切换单元

250                   第二控制切换单元

299                   扩充模块

1011、1012、1013      第一功率分配及结合器

1021、1022、1023      第二功率分配及结合器

2011-201j-201(N-1)    第一功率分配及结合器

2021-202k-202(N-1)    第二功率分配及结合器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

请参考图1，图1为本发明一实施例的扩充模块系统结构示意图。扩充模块199包括第一射频前端单元111、112、113与114(RF-front end unit)、第二射频前端单元121、122、123与124、一第一功率分配及结合单元101(powerdelivering and combing unit)与一第二功率分配及结合单元102。

本发明的扩充模块199适合应用于一多重输入多重输出的无线通讯系统(wireless communication system)。此无线通讯系统包括天线131、132、133与134，每一天线具有两个接口，并且天线131、132、133与134可以但不限为正交双极化天线(dual port orthogonal polarized antenna)。天线131、132、133与134的一第一接口用以发射或接收垂直极化信号(vertically polarized signal)，第二接口用以发射或接收水平极化信号(horizontally polarized signal)，但不限于此。在本发明的其它实施例中，天线131、132、133与134的一接口可发射或接收45度极化方位的信号，另一接口可发射或接收负45度极化方位的信号。

扩充模块199的第一射频前端单元111用以连接天线131，第一射频前端单元112用以连接天线132，第一射频前端单元113用以连接天线133，第一射频前端单元114用以连接天线134。第二射频前端单元121用以连接天线131，第二射频前端单元122用以连接天线132，第二射频前端单元123用以连接天线133，第二射频前端单元124用以连接天线134。

在本实施例中，第一射频前端单元111、112、113与114处理垂直极化信号。第二射频前端单元121、122、123与124处理水平极化信号，但不限于此。在本发明的其它实施例中，第一射频前端单元111、112、113与114可处理水平极化信号，第二射频前端单元121、122、123与124可处理垂直极化信号。

第一射频前端单元111、112、113与114与第二射频前端单元121、122、123与124包括一功率放大器(power amplifier)与一低噪声放大器(low-noiseamplifier)。当无线通讯系统运作于信号发射模式时，第一射频前端单元112、111、113与114处理垂直极化信号时，可通过功率放大器将垂直极化信号的信号强度放大，第二射频前端单元121、122、123与124处理水平极化信号时，可通过功率放大器将水平极化信号的信号强度放大。当无线通讯系统运作于信号接收模式时，第一射频前端单元111、112、113与114在处理的垂直极化信号时可通过低噪声放大器将所接收到的垂直极化信号的信号强度放大。第二射频前端单元121、122、123与124处理水平极化信号时，可通过低噪声放大器将接收到的水平极化信号的信号强度放大。

第一功率分配及结合单元101连接第一射频前端单元111、112、113与114，第二功率分配及结合单元102连接第二射频前端单元121、122、123与124。当无线通讯系统运作于信号发射模式时，第一功率分配及结合单元101将垂直极化信号分配于第一射频前端单元111、112、113与114，第二功率分配及结合单元102将水平极化信号分配于第二射频前端单元121、122、123与124。当无线通讯系统运作于信号接收模式时，第一功率分配及结合单元101将接收并整合自第一射频前端单元111、112、113与114的水平极化信号，第二功率分配及结合单元102将接收并整合自第二射频前端单元121、122、123与124的水平极化信号。

本发明的扩充模块199由于第一功率分配及结合单元101连接第一射频前端单元111、112、113与114，第二功率分配及结合单元102连接第二射频前端单元121、122、123与124，因此垂直极化信号分配至第一射频前端单元111、112、113与114后可再通过第一射频前端单元111、112、113与114的功率放大器补偿垂直极化信号于信号分配过程所损耗的功率。同样地，水平极化信号分配至第二射频前端单元121、122、123与124后可再通过第二射频前端单元121、122、123与124的功率放大器补偿水平极化信号于信号分配过程中所损耗的功率。如此一来，被补偿功率过后的信号再由天线131、132、133与134发射出去可增加信号无线传输的距离，所以应用本发明的扩充模块的多重输入多重输出无线通讯系统可以增加其通讯涵盖的范围。

为了可全向性地无线传输信号，天线131、132、133与134可各自面向不同的空域发射或接收信号。在本实施例中，天线131、132、133与134各自面对约略90度的空间范围，因此天线131、132、133与134的各空域组合涵盖360度的空间范围。加上应用本发明的扩充模块，使得多重输入多重输出的无线通讯系统不只传输距离增加，同时还具有全向性地发射信号的优点。除此之外，在本发明的其它实施例中，天线131、132、133与134传输信号的方向可依实际状况作调整，并不限于本实施例所局限的范围。

为了选择发送或接收垂直极化信号，以及选择发送或接收水平极化信号，扩充模块199还包括一第一控制切换单元140以及一第二控制切换单元150。第一控制切换单元140连接第一功率分配及结合单元101，选择垂直极化信号的发送或接收。第二控制切换单元150连接第二功率分配及结合单元，选择水平极化信号的发射或接收，但不限于此。在本发明的其它实施例中，第一控制切换单元140可选择水平极化信号的发射或接收，第二控制切换单元150可选择垂直极化信号的发送或接收。

第一控制切换单元140与第二控制切换单元150互相连接，其中第一控制单元140与第二控制单元150之间的一共同节点连接第一射频前端单元111、112、113与114以及第二射频前端单元121、122、123与124，用以控制第一射频前端单元111、112、113与114选择发送或接收垂直极化信号以及第二射频前端单元121、122、123与124选择发送或接收水平极化信号。

第一功率分配及结合单元101包括第一功率分配及结合器1011、第二功率分配及结合器1012与第三功率分配及结合器1013。第二功率分配及结合单元102包括第四功率分配及结合器1021、第五功率分配及结合器1022与第六功率分配及结合器1023。其中第一功率分配及结合器1011连接第二功率分配及结合器1012、第三功率分配及结合器1103以及第一控制切换单元140。第四功率分配及结合器1021连接第五功率分配及结合器1022、第六功率分配及结合器1023与第二控制切换单元150。并且第一功率分配及结合器1011连接第一射频前端单元111与112，第三功率分配及结合器1013连接第一射频前端单元113与114。第四功率分配及结合器1021连接第二射频前端单元121与122，第六功率分配及结合器1023连接第二射频前端单元123与124。

如此一来，本实施例的垂直极化信号便可经由第一功率分配及结合器1011、第二功率分配及结合器1012与第三功率分配及结合器1013分配至第一射频前端单元111、112、113与114。水平极化信号便可经由第四功率分配及结合器1021、第五功率分配及结合器1022与第六功率分配及结合器1023分配至第二射频前端单元121、122、123与124。而垂直极化信号经由第一功率分配及结合器1011、第二功率分配及结合器1012与第三功率分配及结合器1013分配过程而造成功率的损耗可由第一射频前端单元111、112、113与114补偿，水平极化信号经由第四功率分配及结合器1021、第五功率分配及结合器1022与第六功率分配及结合器1023分配过程而造成功率的损耗可由第二射频前端单元121、122、123与124补偿。补偿过后的信号经由天线131、132、133与134发射出去可增加其传送距离，因此应用本实施例的扩充模块199的多重输入多重输出无线通讯系统可维持信号传输的全向性地并增加其信号传输距离。

接着请参考图2，图2为本发明另一实施例的扩充模块系统结构示意图。图2的扩充模块为图1的扩充模块的扩大应用。扩充模块299包括N个第一射频前端单元211至2iN、N个第二射频前端单元221至22N、一第一功率分配及结合单元201与一第二功率分配及结合单元202。其中N为大于2的整数。

第一射频前端单元211用以连接天线231，第一射频前端单元212用以连接天线232，第一射频前端单元21i用以连接天线23i，而第一射频前端单元21N用以连接天线23N。第二射频前端单元221用以连接天线231，第二射频前端单元222用以连接天线232，第二射频前端单元22i用以连接天线23i，而第二射频前端单元22N用以连接天线23N。其中i为小于N的正整数。

本实施例的天线231至23N为正交双极化天线，用以发射或接收第一极化方向信号以及第二极化方向信号，并且第一极化方向信号与第二极化方向信号其电场方向互相垂直。举例而言可为垂直极化与水平极化，或者是45度极化与负45度极化，但不限于此。

第一功率分配及结合单元201连接各第一射频前端单元211至21N，并且分配第一极化方向信号至各第一射频前端单元211至21N，或者是整合来自第一射频前端单元211至21N所处理的各第一极化方向信号。第二功率分配及结合单元202连接各第二射频前端单元221至22N，并且分配第二极化方向信号至各第二射频前端单元221至22N，或者是整合来自第二射频前端单元221至22N所处理的各第二极化方向信号。

第一射频前端单元211至21N与第二射频前端单元221至22N包括功率放大器与低噪声放大器。如此一来，第一功率分配及结合单元201分配的第一极化方向信号于分配过程中所损耗的功率可由各第一射频前端单元211至21N进行功率补偿的处理，第二功率分配及结合单元202分配的第二极化方向信号于分配过程中所损耗的功率可由第二射频前端单元221至22N进行功率补偿的处理。接着第一极化方向信号与第二极化方向信号再经由天线231至23N发射出去，因此具有较远的传输距离。

扩充模块299还包括第一控制切换单元240与第二控制切换单元250。第一控制切换单元240连接第一功率分配及结合单元201，用以控制第一功率分配及结合单元201选择分配或整合第一极化方向信号。第二控制切换单元250连接第二功率分配及结合单元202，用以控制第二功率分配及结合单元202选择分配或整合第二极化方向信号。第一控制切换单元240与第二控制切换单元250互相连接，其中第一控制切换单元240与第二控制切换单元250之间的共同节点连接各第一射频前端单元211至21N与各第二射频前端单元221至22N。如此一来，扩充模块299的第一控制切换单元240与第二控制切换单元250可通过此共同节点发送一控制信号以控制第一射频前端单元211至21N发送或接收第一极化方向信号以及控制第二射频前端单元221至22N发送或接收第二极化方向信号。

天线231至23N发射或接收信号的空域互不相同。在本实施例中，天线231至23N各自面向的空域组合而成为一360度的空间范围，使得应用扩充模块299的多重输入多重输出无线通讯系统不只具有比现有技术更远的传输距离，也同时具有全向性地传输信号的优点。

第一功率分配及结合单元201包括多个第一功率分配及结合器2011至201j，其中j等于1至N减1的正整数。第二功率分配及结合单元202包括多个第二功率分配及结合器2021至202k，其中k等于1至N减1的正整数。其中每一第一功率分配极结合器2011至201j可将第一极化方向信号分配于至少两个后端的电路元件中，每一第二功率分配极结合器2021至202k可将第二极化方向信号分配于至少两个后端的电路元件中。如此一来，第一功率分配及结合单元201可将第一方向极化信号分配于各第一射频前端单元211-21N，第二功率分配及结合单元202可将第二方向极化信号分配于各第二射频前端单元221-22N。而第一极化方向信号与第二极化方向信号于信号分配的过程中所耗损的功率可由第一射频前端模块211-21N或第二射频前端模块221-22N给予补偿，再送至天线231-23N将信号发射出去，所以可以达到增加传输距离的效用。

综上所述，本发明的扩充模块的第一功率分配及结合单元连接各第一射频前端单元，因此可将第一极化方向信号分配于第一射频前端单元，再由第一射频前端单元补偿信号分配的过程中所损耗的功率。第二功率分配及结合单元连接各第二射频前端单元，因此可将第二极化方向信号分配于第二射频前端单元，再由第二射频前端单元补偿信号分配的过程中所损耗的功率。搭配各天线朝向不同的独立空域发射信号，可涵盖360度的传输范围，所以本发明的扩充模块可同时达到增加传输距离与信号传输全向性的优点。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，适用于增加一多重输入多重输出的无线通讯系统的通讯距离，其特征在于，该扩充模块包括：

N个第一射频前端单元，用以连接N个天线的第一接口，各该第一射频前端单元处理一第一极化方向信号；

N个第二射频前端单元，用以连接该些天线的第二接口，各该第二射频前端单元处理一第二极化方向信号；

一第一功率分配及结合单元，分配或整合该第一极化方向的信号，该第一功率分配及结合单元连接各该第一射频前端单元；以及

一第二功率分配及结合单元，分配或整合该第二极化方向的信号，该第二功率分配及结合单元连接各该第二射频前端单元。

2.根据权利要求1所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，还包括：

一第一控制切换单元，连接该第一功率分配及结合单元，该第一控制切换单元选择发送或接收该第一极化方向信号；以及

一第二控制切换单元，连接该第二功率分配及结合单元与该第一控制切换单元，该第二控制切换单元选择发送或接收该第二极化方向信号；

其中，该第一控制切换单元与该第二控制切换单元间的共同节点连接各该第一射频前端单元与各该第二射频前端单元，用以控制发送或接收该第一极化方向信号与该第二极化方向信号。

3.根据权利要求1所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，各该第一射频前端单元与各该第二射频前端单元分别包括一功率放大器与一低噪声放大器。

4.根据权利要求1所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，各该天线为正交双极化天线。

5.根据权利要求1所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，各该天线各自面向不同的一空域发射或接收信号。

6.根据权利要求5所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，各该空域组合涵盖360度的空间范围。

7.根据权利要求6所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，该第一功率分配及结合单元包括多个第一功率分配及结合器，该第二功率分配及结合单元包括多个第二功率分配及结合器。

8.根据权利要求7所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，该些第一功率分配及结合器的数量为三，该些第二功率分配及结合器的数量为三。

9.根据权利要求8所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，其中一个该第一功率分配及结合器连接另外两个该第一功率分配及结合器，其中的一个该第二功率分配及结合器连接另外两个该第二功率分配及结合器。

10.根据权利要求8所述的多重输入多重输出无线通讯系统的扩充模块，其特征在于，该些天线的数量为四。

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