CN104468069A - 一种tdd/fdd双模可重构的无线通信系统及通信方法 - Google Patents

一种tdd/fdd双模可重构的无线通信系统及通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统及通信方法，该系统是一种既适用于TDD模式，并且能够切换为FDD模式的射频无线互联收发系统。该系统包括天线、选择网络、时分开关、双工器模块、射频收发模块、基带处理模块等。其中，选择网络用于为天线接收或发射的射频信号，选择对应的时分开关或双工器模块。当选择网络连接至时分开关时，系统工作于TDD模式；当选择网络连接至双工器模块时，系统工作于FDD模式。射频收发模块，用于处理多种频段的射频信号，采用多频段可重构结构，通过集成在电路内部的可重构单元实现。与现有技术相比，本发明通过选择网络和可重构的射频电路，达到兼容TDD/FDD模式下的多模多频，使得资源得到整合利用。

Description

一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统及通信方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统及通信方法，具体地说是一种既可工作于时分双工（TDD）模式，并且能够切换为工作于频分双工（FDD）模式的射频无线互联收发系统及信号接收和发射方法。
背景技术
随着移动通信技术的飞速发展，移动通信已由早期的GSM(Global System of Mobile communication，全球移动通讯系统)移动通信技术，全面进入3G（3rd-generation，第三代移动通信技术）移动通信技术，并逐步过渡到4G（3rd-generation，第三代移动通信技术）通信技术。目前移动通信的网络有GSM移动通信技术、3G移动通信技术、4G移动通信技术，在现有的移动通信技术中，有TDD（Time Division Duplexing，时分双工）和FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）两种双工模式。3G和4G移动通信技术中的TDD模式分别是TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址）制式和TD-LTE-Advanced（Time Division-Long Term Evolution-Advanced）制式。这两种时分双工模式在全球的移动通信市场中，均占有一定的比例。特别在中国的移动通信市场，由于国家的主导，TDD模式占有比较大的市场比重。因此，在移动通信领域，TDD模式和FDD模式两种模式将长期共存，这就要求移动终端能兼容这两种模式，这就需要用于移动通信的射频无线收发系统能在这两种模式间自由切换。
在现有的移动通信多模终端的无线射频收发系统中，针对同一套射频无线收发系统兼容TDD和FDD两种通信模式的问题，采用的方法是通过独立的两套射频收发电路，分别独立地完成两种模式的射频信号的处理。现有的无线射频收发系统处理，可以总结为如图1所示的系统框图。当通信终端工作于TDD通信模式时，射频收发系统中TDD信号通路（图中的A部分）处于工作状态，其中的FDD信号通路（图中的B部分）处于非工作状态。如此，接收到的TDD信号经过时分开关和射频接收电路进入基带处理模块。发射TDD的信号时，信号从基带模块经过射频发射电路处理，然后经过时分开关到达天线并发射到空间中。当通信终端工作于FDD通信模式时，射频收发系统中的FDD信号通路（图中的B部分）工作，此时系统中的TDD信号通路（图中的A部分）处于非工作状态。如此，接收到的FDD信号经过双工器模块和射频接收电路进入基带处理模块。发射FDD的信号时，信号从基带模块经过射频发射电路处理，然后经过双工器模块到达天线，经天线辐射到空间中。
实用新型专利“一种LTE多制式移动终端射频系统”（CN201320395161.6, 2013.07.04, 参考专利1）披露了一种LTE（Long Time Evolution，长时演进）制式，并向下兼容TD-SCDMA、WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）、CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）和GSM的移动终端射频系统，如图2所示。该实用新型专利中，TDD和FDD两种模式的信号，分别通过独立的两套射频收发电路，互相独立地完成两种模式的射频信号的处理。例如，TD-LTE模式（TDD模式）的信号由主天线下的其中一条支路的射频收发电路处理，而WCDMA/CDMA模式（FDD模式）的信号由主天线下的另一条支路的射频收发电路处理。
上述技术方案中，TDD和FDD模式的射频信号，均是通过不同的射频模块进行收发。即现有的多模系统中，TDD信号经过一套射频收发电路进行接收和发射，FDD信号经过另一套射频收发电路进行接收和发射。如此地，TDD和FDD模式的信号采用不同的射频接收和发射电路，使得射频电路显得冗余。当射频终端工作于TDD模式时，用于收发FDD模式信号的射频电路没有工作，当射频终端工作于FDD模式时，用于收发TDD模式信号的射频电路没有工作。在同一时间，只有一条射频通路处于工作中，其他射频通路均处于待机状态。因此，现有的TDD/FDD多模式射频收发系统，由于其以上的不足，使得系统中未工作的电路多余而且浪费，增加了系统的体积、功耗和复杂程度。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统及通信方法，以实现简化系统，减少冗余电路，降低成本。
技术方案：一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，包括天线、选择网络、时分开关、双工器模块、射频收发模块和基带处理模块；
所述天线，用于接收和发射射频信号；
所述选择网络，分别与所述天线、时分开关和双工器模块连接，用于TDD模式下连通天线与时分开关，FDD模式下连通天线与双工器模块；
所述射频收发模块分别与所述时分开关、双工器模块和基带处理模块连接，包括射频发射电路和射频接收电路，通过射频发射电路将基带处理模块输出的基带信号转换成射频信号，并输出射频信号至时分开关或双工器模块的上行端口，通过射频接收电路从时分开关或双工器模块的下行端口接收射频信号，转换成基带信号输出至基带处理模块；
所述时分开关，用于TDD模式下切换射频信号的发射和接收；
所述双工器模块，用于FDD模式下隔离上行射频信号与下行射频信号。
上述系统中，还包括：第一射频开关阵列，用于将所述时分开关和双工器的所有下行端口，连接至所述射频接收电路，以及第二射频开关阵列，用于将所述时分开关和双工器的所有上行端口，连接至所述射频发射电路，以增强各信号链路的隔离效果。
上述系统中，时分开关采用具有宽频带的射频开关，以适用于TDD模式下的多频带应用。
上述系统中，双工器模块由双工器阵列构成，以适用于FDD模式下的多频带应用。对于支持一种FDD模式的情形，双工器模块可由单个双工器构成。
上述系统中，射频收发模块为多频段可重构结构，以适应可重构系统的多模式多频段的应用。多频段可重构的射频收发模块，在拓扑结构上，采用集成在电路内部的可重构单元，以减少射频电路的冗余。
上述系统中，TDD模式包括TD-SCDMA模式和TD-LTE模式的一种或多种。
上述系统中，FDD模式包括GSM模式、WCDMA模式和LTE-FDD模式中的一种或多种。
一种用于上述TDD/FDD双模可重构的无线通信系统的通信方法，包括如下步骤：
接收信号时，根据设定的工作模式，对接收的射频下行信号选择时分开关或双工器模块，根据相应频带控制射频接收电路完成射频处理，再对下行信号进行基带处理；
发射信号时，根据设定的工作模式，对上行信号进行基带处理，根据相应频带控制射频发射电路完成射频处理，再选择时分开关或双工器模块传输至天线发出。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过选择网络来选择时分开关和双工器模块，达到兼容FDD模式和TDD模式，并且对于不同模式、不同频段的射频信号，采用可重构的射频信号收发电路，与传统的多模式射频无线收发系统相比，减少了射频电路的冗余程度，简化了系统，使得资源得到整合利用。
附图说明
图1是现有的可兼容TDD和FDD两种双工模式的射频收发系统框图。
图2是参考专利1的多制式移动终端射频系统框图。
图3是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统的结构示意图。
图4是一种用于本发明的多频段可重构射频收发模块的结构示意图。
图5是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统示例性实施例的示意图。
图6是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信方法的信号接收和发送的流程示意图。
其中，301-天线，302-选择网络，303-时分开关，304-双工器模块，304-1-双工器1，304-2-双工器2，304-3-双工器3，305-射频接收节点，306-射频发射节点，307-射频收发模块，307-1-射频接收电路，307-1-1-低噪声放大器，307-1-2-下混频器，307-2-频率综合器，307-3-射频发射电路，307-3-1-功率放大器，307-3-2-上混频器，308-基带处理模块，601-下行信号的流程，602-上行信号的流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加明白，下面结合附图对本发明具体实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例以及实施例中的特征可以相互任意组合。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求项要求所限定的范围。
如图3所示，是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统的结构示意图。该无线通信系统包含天线301、选择网络302、时分开关303、双工器模块304、射频接收节点305、射频发射节点306、射频收发模块307和基带处理模块308。
天线301，用于对来自空间的多模射频信号的接收，和对来自选择网络302的射频信号的发射。
选择网络302，一端与天线301连接，另外的被选择端口分别连接用于TDD模式的时分开关303和用于FDD模式的双工器模块304。当选择网络302连接至时分开关303时，系统工作于TDD模式；当选择网络302连接至双工器模块304时，系统工作于FDD模式。
具体地，选择网络是本系统实现FDD/TDD双模可重构的关键模块，可以采用由晶体管构成的射频开关阵列实现。
时分开关303是实现TDD模式下通信应用关键射频器件，用于快速切换TDD模式下的接收和发射。它为三端口器件，一个端口与选择网络302相连，另外两个端口中的下行端口通过射频接收节点305连接至射频接收电路307-1，另外两个端口中的上行端口通过射频发射节点306连接至射频发射电路307-3。
具体地，不同的TDD模式采用不同的频段，以及相同的TDD模式下的射频信号通常具有多个频段，为了适应TDD模式下的多频带应用，本发明中的时分开关具有宽带的特性，以兼容多个射频频段。
双工器模块304是实现FDD模式下通信应用的关键射频器件，用于隔离FDD模式下的接收频段和发射频段的射频信号。双工器模块304对外部可以视为三端口器件，一个端口与选择网络302相连，另外两个端口中的下行端口通过射频接收节点305连接至射频接收电路307-1，另外两个端口中的上行端口通过射频发射节点306连接至射频发射电路307-3。
具体地，不同的FDD模式采用不同的频段，以及相同的FDD模式下的射频信号通常具有多个频段，为了适应FDD模式下的多频带应用，要求本发明中的双工器模块具有兼容多个射频频段的特性。在现有的技术中，兼容多个射频频段的双工器模块，可以采用但不限于双工器阵列的方式。阵列内包含多个双工器，以兼容多个频段的应用，双工器的切换可以采用但不限于由晶体管构成的射频开关或射频开关阵列的方式进行切换。
射频接收节点305，是连接的汇集点，可以是汇集总线也可以采用射频开关阵列实现，以增强信号链路的隔离效果，其用于将时分开关303的下行端口和双工器模块304的下行端口连接在一起，然后连接至射频接收电路307-1。
射频发射节点306，是连接的汇集点，可以是汇集总线也可以采用射频开关阵列实现，以增强信号链路的隔离效果，其用于将时分开关303的上行端口和双工器模块304的上行端口连接在一起，然后连接至射频发射电路307-3。
射频收发模块307包含射频接收电路307-1、频率综合器307-2、射频发射电路307-3。射频接收电路307-1用于处理天线301接收的射频信号，处理后得到基带信号以便基带处理模块308完成基带信号处理。频率综合器307-2用于产生多种频率的射频本振，为射频接收电路307-1和射频发射电路307-3提供本振信号。射频发射电路307-3处理基带处理模块308输出的基带信号，处理后得到射频信号以便由天线301发射至空间。
射频接收电路307-1至少包含低噪声放大器和下混频器两个子电路。低噪声放大器接收天线301送入的射频信号，对信号进行一定增益的放大，并尽可能少的引入噪声，以便后续处理；下混频器一端输入本振信号，另一端输入低噪声放大器放大后的信号，两路信号混频，将接收的射频信号混频至基带；
现有的通信射频信号的频段划分中，TDD模式和FDD模式均被分配了多个频段，要求射频接收电路中的各个子电路能兼容多个射频频段。低噪声放大器和下混频器的多频带实现，可以针对相应频带，采用集成在电路内部的可重构单元实现。
频率综合器307-2为适用于多频段应用，可以采用宽频带的结构，以产生足够多的本振频率。
射频发射电路307-3至少包含上混频器和功率放大器两个子电路。上混频器一端输入频率综合器307-2的本振信号，另一端输入基带处理模块308送入的基带信号，将基带信号混频至便于发射的射频频段的信号；功率放大器接收上混频器输出的射频信号，进行功率放大后，然后将射频信号传输至天线301，通过天线301发射至空间。
现有的通信射频信号的频段划分中，TDD模式和FDD模式均被分配了多个频段，要求射频发射电路中的各个子电路能兼容多个射频频段。功率放大器和上混频器的多频带实现，可以针对相应频带，采用集成在电路内部的可重构单元实现。
基带处理模块308用于为射频接收电路307-1射频处理后的多种模式的下行信号进行基带信号处理，以及，为射频发射电路307-3提供基带信号。基带处理模块308可以由多种模式的专用集成电路（ASIC）叠加而成，或者通用处理器方式实现，但不限于已列举的两种方式。
如图4所示，是一种用于本发明的多频段可重构射频收发模块的结构示意图。
射频收发模块307采用多频段可重构结构，以适用于本发明要求的多频段多模式的射频通信。其包含射频接收电路307-1、频率综合器307-2、射频发射电路307-3。
射频接收电路307-1至少需要由低噪声放大器307-1-1和下混频器307-1-2两个子电路构成，采用集成在电路内部的可重构网络单元实现多频段可重构。
具体地，低噪声放大器307-1-1采用集成在片内的电感电容网络实现多频段可重构。工作时，根据电路需要的工作频段，选择对应的电感电容，从而实现低噪声放大器的工作频段的选择。
具体地，下混频器307-1-2参考发明专利“双频段可重构混频器集成电路芯片”（CN 102130662 A, 2011.07.20, 参考专利2）采用的结构，采用集成在电路内的电感电容网络和电阻网络实现多频段可重构。工作时，根据电路需要的工作频段，选择对应的电感电容和电阻，从而实现混频器的工作频段的选择。
频率综合器307-2可以根据系统需要的多种本振信号，采用具有宽频带特性的结构，但不限于此种结构。
射频发射电路307-3至少需要由功率放大器307-3-1和上混频器307-3-2两个子电路构成，采用集成在电路内部的可重构网络单元实现多频段可重构。
具体地，功率放大器307-3-1可以采用集成在片内的电感电容网络实现多频段可重构，工作时根据电路需要的工作频段，选择对应的电感电容，从而实现功率放大器的工作频段的选择。也可以采用宽带的功率放大器，实现在系统要求的多频段范围工作。但不限于以上两种方式。
具体地，上混频器307-3-2参考发明专利“双频段可重构混频器集成电路芯片”（CN 102130662 A, 2011.07.20, 参考专利2）采用的结构，采用集成在片内的电感电容网络和电阻网络实现多频段可重构。工作时，根据电路需要的工作频段，选择对应的电感电容和电阻，从而实现混频器的工作频段的选择。
如图5所示，是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统示例性实施例的示意图。
实施例支持第二代移动通信系统（2G）的GSM模式、第三代移动通信系统（3G）的WCDMA和TD-SCDMA模式和第四代移动通信系统（4G）的LTE的TDD和FDD模式，是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统针对现有通信模式的应用实例。
可以看出，本发明实施例（图4）与本发明系统结构示意（图3）区别在于双工器模块304包括：双工器1、双工器2、双工器3。
双工器1，其上行通路兼容FDD-LTE模式中某一个上行信号频段，其下行通路兼容FDD-LTE模式中对应的下行信号频段。双工器1同样可以分为多个双工器阵列的组合，以适应FDD-LTE模式下多种频段的应用。
双工器2，其上行通路兼容WCDMA模式中某一个上行信号频段，其下行通路兼容WCDMA模式中对应的下行信号频段。双工器2同样可以分为多个双工器阵列的组合，以适应WCDMA模式下多种频段的应用。
双工器3，其上行通路兼容GSM模式中某一个上行信号频段，其下行通路兼容GSM模式中对应的下行信号频段。双工器3同样可以分为多个双工器阵列的组合，以适应GSM模式下多种频段的应用。
如图6所示，是本发明一种TDD/FDD双模可重构的无线通信方法的信号接收和发送的流程图，包括：
步骤601，对接收的射频下行信号选择相应的时分开关或双工器模块，根据相应频带控制射频接收电路完成射频处理，最后对下行信号进行基带处理。
步骤602，对多种模式的上行信号进行基带处理，根据相应频带控制射频发射电路完成射频处理，最后选择相应的时分开关或双工器模块传输至天线发出。
上述步骤601和步骤602没有严格的执行顺序，可以同时执行，也可以先后执行。
具体地，接收信号时，无线射频信号经天线进入选择网络，根据工作模式和射频频段要求，选择相应的时分开关或双工器模块，然后射频接收电路再将信号放大、下变频等处理后，进入基带处理模块；发射信号时，信号由基带处理模块送出，经过射频发射电路将信号上混频等处理后，经天线发射至空间。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1. 一种TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于，包括天线、选择网络、时分开关、双工器模块、射频收发模块和基带处理模块；
所述天线，用于接收和发射射频信号；
所述选择网络，分别与所述天线、时分开关和双工器模块连接，用于TDD模式下连通天线与时分开关，FDD模式下连通天线与双工器模块；
所述射频收发模块分别与所述时分开关、双工器模块和基带处理模块连接，包括射频发射电路和射频接收电路，通过射频发射电路将基带处理模块输出的基带信号转换成射频信号，并输出射频信号至时分开关或双工器模块的上行端口，通过射频接收电路从时分开关或双工器模块的下行端口接收射频信号，转换成基带信号输出至基带处理模块；
所述时分开关，用于TDD模式下切换射频信号的发射和接收；
所述双工器模块，用于FDD模式下隔离上行射频信号与下行射频信号。
2. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于：还包括：第一射频开关阵列，用于将所述时分开关和双工器的所有下行端口，连接至所述射频接收电路，以及第二射频开关阵列，用于将所述时分开关和双工器的所有上行端口，连接至所述射频发射电路。
3. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于：所述时分开关采用具有宽频带的射频开关。
4. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于：所述双工器模块由单个双工器构成。
5. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于：所述双工器模块由双工器阵列构成。
6. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于：所述射频收发模块采用多频段可重构电路。
7. 根据权利要求6所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统，其特征在于：所述多频段可重构电路采用集成在电路内部的可重构单元实现。
8. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构无线通信系统，其特征在于：所述TDD模式包括TD-SCDMA模式和TD-LTE模式的一种或多种。
9. 根据权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构无线通信系统，其特征在于：所述FDD模式包括GSM模式、WCDMA模式和LTE-FDD模式中的一种或多种。
10. 一种用于权利要求1所述的TDD/FDD双模可重构的无线通信系统的收发信号方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
接收信号时，根据设定的工作模式，对接收的射频下行信号选择时分开关或双工器模块，根据相应频带控制射频接收电路完成射频处理，为处理后的下行信号进行基带处理；
发射信号时，根据设定的工作模式，对上行信号进行基带处理，根据相应频带控制射频发射电路完成射频处理，再选择时分开关或双工器模块传输至天线发出。
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