CN104506205B - 一种软件无线电接收机射频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种软件无线电接收机射频系统，该系统包括接收链路、控制模块、时钟管理模块以及高速中间接口；其中接收链路，采用超宽带微带线滤波器级联两级混频的方式实现100MHz—3GHz范围内射频信号的接入；时钟管理模块，用于产生系统所需的各类时钟；控制模块，用于实现软件切换不同射频信号的接入；高速中间接口，用于将A/D采样后的数字信号传输至中频接收器。本发明的有益效果为：提出了一套完整的软件无线电射频解决方案，可以实现100MHz—3GHz范围内射频信号的接入，解决了不同标准空中接口不兼容的问题。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种软件无线电接收机射频完整解决方案。
背景技术
随着科学技术的迅猛发展，无线通信技术得到了迅速发展，各种通信标准层出不穷，消费者对电子设备的要求也越来越苛刻，能够兼容多种制式的电子设备的需求越来越大，为了解决不同制式电子设备间通信兼容性的问题，软件无线电思想应运而生。
软件无线电的研究始于20世纪90年代，最初目的是为了解决美军电台种类繁多、功能单一、维护困难等问题，实现各军兵种之间的互连互通。软件无线电思想的提出较好地解决了不同制式设备间兼容通信的难题，软件无线电思想是采用一套通用硬件平台，通过软件配置实现不同射频信号的接入。
我国对软件无线电技术非常重视，1996年软件无线电技术被列入国家“863”计划通信主题的研究项目，1999年被列入国家自然科学基金的重点资助项目。软件无线电已成为当前新一代无线通信系统的关键技术之一，为未来无线通信网络提供了有效的动态重配置手段。
中国专利文献CN102255621B公开了一种软件无线电收发机射频前端电路，它只是给出了射频前端的解决方案，没有从系统角度给出完整的软件无线电解决方案。中国专利文献CN103675765A公开的高频软件无线电接收系统是一种工作于6MHz—30MHz的射频接收系统，它支持的带宽只有6M—30MHz，显然不能真正满足软件无线电的需求。中国专利文献CN101945490A提出的一种基于软件无线电的无线通信系统终端设备，但该终端设备需要搭配多套射频收发模块才能正常工作，这与采用一套通用硬件平台的软件无线电思想相背。
回顾软件无线电研究现状可以发现，国内软件无线电领域研究已经有了一些突破性的进展，有些射频收发机可以实现软件配置，但是仅仅能够支持一些特定的通信协议，真正意义上的软件无线电思想仍然没有实现。
发明内容
本发明针对上述不足，公开一种软件无线电接收机射频系统，实现100MHz—3GHz范围内射频信号的接入，解决不同标准空中接口不兼容的问题。
本发明的技术方案如下：
一种软件无线电接收机射频系统，该系统包括：接收链路、时钟管理模块、控制模块以及高速中间接口HSMC。
所述接收链路由第一级单刀双掷开关、高频通路、低频通路、第二级单刀双掷开关、第二级混频器、低通滤波电路、A/D转换器以及高速中间接口HSMC组成；
第一级单刀双掷开关将射频信号分成两路，一路经高频通路后输出的信号为射频信号的高频部分，另一路经低频通路后输出的信号为射频信号的低频部分，第二级单刀双掷开关对输入的高频部分和低频部分进行选择，经第二级单刀双掷开关选择后的输出信号依次被送入第二级混频器、低通滤波电路和A/D转换器，最终A/D转换器输出的信号经高速中间接口HSMC到达中频接收器；
所述第一级单刀双掷开关的工作频段为100MHz—6GHz，其插入损耗为0.6dB，隔离度大于20dB，可以有效地在两通路间实现信号的切换接入；
所述高频通路由第一级低噪声放大器、超宽带微带线带通滤波器、第一级混频器、第一级窄带声表面滤波器、第二级可变增益低噪声放大器、以及第二级窄带声表面滤波器串联构成；
第一级低噪声放大器对接入的射频信号进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线带通滤波器进行滤波，接着送入第一级混频器进行下变频，下变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器再一次进行窄带滤波，最后将高频通路输出信号送入第二级单刀双掷开关；
所述高频通路工作频段为1.7GHz—3GHz；
所述高频通路第一级低噪声放大器的工作频段为50MHz—6GHz，其增益为30dB，噪声系数为1.5dB；
所述超宽带微带线带通滤波器的通带范围为1.7GHz—3GHz，通带衰减为2dB，小于1GHz范围的带外抑制能力大于50dB；
所述高频通路第一级混频器将有用的射频信号中心频点混频至830MHz；
所述高频通路第一级窄带声表面滤波器中心频点为830MHz，带宽为25MHz，带内损耗小于2dB，小于800MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于860MHz范围的带外抑制能力大于30dB；
所述高频通路第二级可变增益低噪声放大器的工作频段为400MHz—1.5GHz，其增益范围为3—35dB，步进为0.5dB，噪声系数为0.6dB；
所述高频通路第二级窄带声表面滤波器中心频点为830MHz，带宽为25MHz，带内损耗小于2dB，小于800MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于860MHz范围的带外抑制能力大于30dB；
所述低频通路由第一级低噪声放大器、超宽带微带线低通滤波器、第一级混频器、第一级窄带声表面滤波器、第二级可变增益低噪声放大器、以及第二级窄带声表面滤波器串联构成；
第一级低噪声放大器对接入的射频信号进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线低通滤波器进行滤波，接着送入第一级混频器进行上变频，上变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器再一次进行窄带滤波，最后将低频通路输出信号送入第二级单刀双掷开关；
所述低频通路工作频段为0—1.8GHz；
所述低频通路第一级低噪声放大器的工作频段为50MHz—6GHz，其增益为30dB，噪声系数为1.5dB；
所述超宽带微带线低通滤波器的通带范围为0—1.8GHz，通带衰减为2dB，大于2.4GHz范围的带外抑制能力大于35dB；
所述低频通路第一级混频器将有用的射频信号中心频点混频至2595MHz；
所述低频通路第一级窄带声表面滤波器中心频点为2595MHz，带宽为50MHz，带内损耗小于2dB，小于2400MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于2800MHz范围的带外抑制能力大于30dB；
所述低频通路第二级可变增益低噪声放大器的工作频段为1.5GHz—3GHz，其增益范围为3—35dB，步进为0.5dB，噪声系数为0.6dB；
所述低频通路第二级窄带声表面滤波器中心频点为2595MHz，带宽为50MHz，带内损耗小于2dB，小于2400MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于2800MHz范围的带外抑制能力大于30dB；
所述第二级单刀双掷开关的工作频段为100MHz—6GHz，其插入损耗为0.6dB，隔离度大于20dB，可以有效地在两通路间实现信号的切换接入；
所述第二级混频器实现将射频信号下混频至中频；
所述低通滤波电路用于滤除高频干扰并保留中频有用信号；
所述A/D转换器实现对中频有用信号进行模数转换；
所述高速中间接口HSMC用于将A/D转换器采样后的数字信号传输至中频接收器，HSMC是英文High Speed Mezzanine Card的缩写，高速中间接口，是Altera公司定义的可选子卡与主板之间的接口规范；
所述时钟管理模块产生系统所需的各类时钟，其中包括高频通路第一级混频器所需的本振时钟、低频通路第一级混频器所需的本振时钟、第二级混频器所需的本振时钟以及A/D转换器所需的采样时钟。
所述控制模块用于实现软件切换不同射频信号的接入，控制模块采用SPI接口对时钟管理模块、第一级单刀双掷开关、第二级单刀双掷开关、高频通路第二级可变增益低噪声放大器、低频通路第二级可变增益低噪声放大器进行控制，最终实现软件切换不同射频信号的接入。
有益效果
1、本发明提出了一种软件无线电接收机射频完整解决方案，该方案采用超宽带微带线滤波器搭配两级混频的思想实现对100MHz—3GHz范围内射频信号的接收，最小接收信号带宽为25MHz，最大接收信号带宽为50MHz，适用于多种无线通信标准。本方案可以通过软件切换的方式实现不同射频信号的接入。
2、本发明集成了精简的时钟管理模块，在不需要大量校准电路的情况下实现高精度时钟的输出，满足不同标准信号接入的要求。
附图说明
图1：本发明系统框图；
图2：高频通路结构图；
图3：低频通路结构图；
图4：CDMA下行信号频域波形；
图5：一级混频后的CDMA下行信号频域波形；
图6：二级混频后的CDMA下行信号频域波形；
图7：CDMA下行信号时域波形；
图8：CDMA下行信号同步相关峰；
图9：TD-LTE信号频域波形；
图10：一级混频后的TD-LTE信号频域波形；
图11：二级混频后的TD-LTE信号频域波形；
图12：TD-LTE信号时域波形；
图13：TD-LTE信号同步相关峰。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，软件无线电接收机射频系统包括：接收链路、时钟管理模块200、控制模块300以及高速中间接口HSMC105。
接收链路由第一级单刀双掷开关100、高频通路、低频通路、第二级单刀双掷开关101、第二级混频器102、低通滤波电路103、A/D转换器104以及高速中间接口HSMC105组成。
第一级单刀双掷开关100将射频信号分成两路，一路经高频通路后输出的信号为射频信号的高频部分，另一路经低频通路后输出的信号为射频信号的低频部分，第二级单刀双掷开关101对输入的高频部分和低频部分进行选择，经第二级单刀双掷开关101选择后的输出信号依次被送入第二级混频器102、低通滤波电路103和A/D转换器104，最后A/D转换器104输出的信号经高速中间接口HSMC105到达中频接收器。
第一级单刀双掷开关（100）的工作频段为100MHz—6GHz，其插入损耗为0.6dB，隔离度大于20dB，可以有效地在两通路间实现信号的切换接入。
高频通路由第一级低噪声放大器110、超宽带微带线带通滤波器111、第一级混频器112、第一级窄带声表面滤波器113、第二级可变增益低噪声放大器114、以及第二级窄带声表面滤波器115串联构成。
第一级低噪声放大器110对接入的射频信号进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线带通滤波器111进行滤波，接着送入第一级混频器112进行下变频，下变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器113进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器114进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器115再一次进行窄带滤波，目的是为了消除第二级可变增益低噪声放大器114引入的噪声，最后将高频通路输出信号送入第二级单刀双掷开关101。
其中，高频通路工作频段为1.7GHz—3GHz。
第一级低噪声放大器110的工作频段为50MHz—6GHz，其增益为30dB，噪声系数为1.5dB。
超宽带微带线带通滤波器111的通带范围为1.7GHz—3GHz，通带衰减为2dB，小于1GHz范围的带外抑制能力大于50dB。
第一级混频器112将有用的射频信号中心频点混频至830MHz。
第一级窄带声表面滤波器113中心频点为830MHz，带宽为25MHz，带内损耗小于2dB，小于800MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于860MHz范围的带外抑制能力大于30dB。
第二级可变增益低噪声放大器114的工作频段为400MHz—1.5GHz，其增益范围为3—35dB，步进为0.5dB，噪声系数为0.6dB。
第二级窄带声表面滤波器115中心频点为830MHz，带宽为25MHz，带内损耗小于2dB，小于800MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于860MHz范围的带外抑制能力大于30dB。
低频通路由第一级低噪声放大器120、超宽带微带线低通滤波器121、第一级混频器122、第一级窄带声表面滤波器123、第二级可变增益低噪声放大器124、以及第二级窄带声表面滤波器125串联构成。
第一级低噪声放大器120对接入的射频信号进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线低通滤波器121进行滤波，接着送入第一级混频器122进行上变频，上变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器123进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器124进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器125再一次进行窄带滤波，最后将低频通路输出信号送入第二级单刀双掷开关101。
其中，低频通路工作频段为0—1.8GHz。
第一级低噪声放大器120的工作频段为50MHz—6GHz，其增益为30dB，噪声系数为1.5dB。
超宽带微带线低通滤波器121的通带范围为0—1.8GHz，通带衰减为2dB，大于2.4GHz范围的带外抑制能力大于35dB。
第一级混频器122将有用的射频信号中心频点混频至2595MHz。
第一级窄带声表面滤波器123中心频点为2595MHz，带宽为50MHz，带内损耗小于2dB，小于2400MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于2800MHz范围的带外抑制能力大于30dB。
第二级可变增益低噪声放大器124的工作频段为1.5GHz—3GHz，其增益范围为3—35dB，步进为0.5dB，噪声系数为0.6dB。
第二级窄带声表面滤波器125中心频点为2595MHz，带宽为50MHz，带内损耗小于2dB，小于2400MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于2800MHz范围的带外抑制能力大于30dB。
第二级单刀双掷开关101的工作频段为100MHz—6GHz，其插入损耗为0.6dB，隔离度大于20dB，可以有效地在两通路间实现信号的切换接入。
第二级混频器102实现射频信号下混频至中频。
低通滤波电路103用于滤除高频干扰并保留中频有用信号；
A/D转换器104实现对中频有用信号进行模数转换。
时钟管理模块200产生系统所需的各类时钟，其中包括高频通路第一级混频器112本振时钟、低频通路第一级混频器122本振时钟、第二级混频器102本振时钟以及A/D转换器104所需的采样时钟。
控制模块300是整个系统的控制单元，主要功能是控制时钟管理模块200产生不同的本振实现不同射频信号的接入。
高速中间接口HSMC105用于将A/D转换器104采样后的数字信号传输至中频接收器。HSMC是英文High Speed Mezzanine Card的缩写，高速中间接口，是Altera公司定义的可选子卡与主板之间的接口规范。
实施例1，系统接收空中CDMA下行信号，其频域波形如图4所示，CDMA下行信号频带范围为870MHz—880MHz，该频带处于低频通路工作频段范围内，第一级单刀双掷开关100接通天线与低频通路，射频信号接入低频通路后经第一级低噪声放大器120进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线低通滤波器121进行滤波，接着送入第一级混频器122进行上变频，第一级混频器122将CDMA下行信号的中心频点875MHz上变频至2595MHz频点处，其频域波形如图5所示，经上变频后的信号被送入第一级窄带声表面滤波器123进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器124进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器125再一次进行窄带滤波，第二级单刀双掷开关101将窄带滤波后的信号接入至第二级混频器102进行下变频，第二级混频器102将中心频点为2595MHz的有用信号下变频至140MHz频点处，其频域波形如图6所示，140MHz频点处的有用信号经低通滤波电路103后进入A/D转换器104进行采样，采样后的数字信号经高速中间接口HSMC105到达中频接收器，中频接收器进行下变频及基带处理最终得到CDMA下行信号的时域波形如图7所示，同步得到的相关峰如图8所示。
实施例2，系统接收空中TD-LTE信号，其频域波形如图9所示，该实例接收的TD-LTE信号频带范围为2575MHz—2595MHz，该频带处于高频通路工作频段范围内，第一级单刀双掷开关100接通天线与高频通路，射频信号接入高频通路后经第一级低噪声放大器110进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线带通滤波器111进行滤波，接着送入第一级混频器112进行下变频，第一级混频器112将TD-LTE信号的中心频点2585MHz下变频至830MHz频点处，其频域波形如图10所示，经下变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器113进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器114进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器115再一次进行窄带滤波，第二级单刀双掷开关101将窄带滤波后的信号接入至第二级混频器102进行下变频、第二级混频器102将中心频点为830MHz的有用信号下变频至140MHz频点处，其频域波形如图11所示，140MHz频点处的有用信号经低通滤波电路103后进入A/D转换器104进行采样，采样后的数字信号经高速中间接口HSMC105到达中频接收器，中频接收器进行下变频及基带处理最终得到TD-LTE信号时域波形如图12所示，同步得到的相关峰如图13所示。
Claims (6)
1.一种软件无线电接收机射频系统，其特征在于，该系统包括：接收链路、时钟管理模块（200）、控制模块（300）；
所述接收链路由第一级单刀双掷开关（100）、高频通路、低频通路、第二级单刀双掷开关（101）、第二级混频器（102）、低通滤波电路（103）、A/D转换器（104）以及高速中间接口HSMC（105）组成；
第一级单刀双掷开关（100）将射频信号分成两路，一路经高频通路后输出的信号为射频信号的高频部分，另一路经低频通路后输出的信号为射频信号的低频部分，第二级单刀双掷开关（101）对输入的高频部分和低频部分进行选择，经第二级单刀双掷开关（101）选择后的输出信号依次被送入第二级混频器（102）、低通滤波电路（103）和A/D转换器（104），所述第二级混频器（102）实现将射频信号下混频至中频，所述低通滤波电路（103）用于滤除高频干扰并保留中频有用信号，所述A/D转换器（104）实现对中频有用信号进行模数转换；最后A/D转换器（104）输出的信号经高速中间接口HSMC（105）到达中频接收器；
所述时钟管理模块（200）产生系统所需的各类时钟，其中包括高频通路第一级混频器（112）所需的本振时钟、低频通路第一级混频器（122）所需的本振时钟、第二级混频器（102）所需的本振时钟以及A/D转换器（104）所需的采样时钟；
所述控制模块（300）采用SPI接口对时钟管理模块（200）、第一级单刀双掷开关（100）、第二级单刀双掷开关（101）、高频通路第二级可变增益低噪声放大器（114）、低频通路第二级可变增益低噪声放大器（124）进行控制，最终实现软件切换不同射频信号的接入；
所述高速中间接口HSMC（105）用于将A/D转换器（104）采样后的数字信号传输至中频接收器；
所述高频通路由第一级低噪声放大器（110）、超宽带微带线带通滤波器（111）、第一级混频器（112）、第一级窄带声表面滤波器（113）、第二级可变增益低噪声放大器（114）、以及第二级窄带声表面滤波器（115）串联构成；
第一级低噪声放大器（110）对接入的射频信号进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线带通滤波器（111）进行滤波，接着送入第一级混频器（112）进行下变频，下变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器（113）进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器（114）进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器（115）再一次进行窄带滤波，最后将高频通路输出信号送入第二级单刀双掷开关（101）；
所述高频通路工作频段为1.7GHz—3GHz。
2.根据权利要求1所述的软件无线电接收机射频系统，其特征在于，所述第一级单刀双掷开关（100）的工作频段为100MHz—6GHz，其插入损耗为0.6dB，隔离度大于20dB，可以有效地在两通路间实现信号的切换接入。
3.根据权利要求1所述的软件无线电接收机射频系统，其特征在于，所述第一级低噪声放大器（110）的工作频段为50MHz—6GHz，其增益为30dB，噪声系数为1.5dB；
所述超宽带微带线带通滤波器（111）的通带范围为1.7GHz—3GHz，通带衰减为2dB，小于1GHz范围的带外抑制能力大于50dB；
所述第一级混频器（112）将有用的射频信号中心频点混频至830MHz；
所述第一级窄带声表面滤波器（113）中心频点为830MHz，带宽为25MHz，带内损耗小于2dB，小于800MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于860MHz范围的带外抑制能力大于30dB；
所述第二级可变增益低噪声放大器（114）的工作频段为400MHz—1.5GHz，其增益范围为3—35dB，步进为0.5dB，噪声系数为0.6dB；
所述第二级窄带声表面滤波器（115）中心频点为830MHz，带宽为25MHz，带内损耗小于2dB，小于800MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于860MHz范围的带外抑制能力大于30dB。
4.根据权利要求1所述的软件无线电接收机射频系统，其特征在于，所述低频通路由第一级低噪声放大器（120）、超宽带微带线低通滤波器（121）、第一级混频器（122）、第一级窄带声表面滤波器（123）、第二级可变增益低噪声放大器（124）、以及第二级窄带声表面滤波器（125）串联构成；
第一级低噪声放大器（120）对接入的射频信号进行放大，放大后的信号经过超宽带微带线低通滤波器（121）进行滤波，接着送入第一级混频器（122）进行上变频，上变频后的信号送入第一级窄带声表面滤波器（123）进行窄带滤波取出有用信号，然后将有用信号接入第二级可变增益低噪声放大器（124）进行放大，经放大后的有用信号经过第二级窄带声表面滤波器（125）再一次进行窄带滤波，最后将低频通路输出信号送入第二级单刀双掷开关（101）；
所述低频通路工作频段为0—1.8GHz。
5.根据权利要求4所述的软件无线电接收机射频系统，其特征在于，
所述第一级低噪声放大器（120）的工作频段为50MHz—6GHz，其增益为30dB，噪声系数为1.5dB；
所述超宽带微带线低通滤波器（121）的通带范围为0—1.8GHz，通带衰减为2dB，大于2.4GHz范围的带外抑制能力大于35dB；
所述第一级混频器（122）将有用的射频信号中心频点混频至2595MHz；
所述第一级窄带声表面滤波器（123）中心频点为2595MHz，带宽为50MHz，带内损耗小于2dB，小于2400MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于2800MHz范围的带外抑制能力大于30dB；
所述第二级可变增益低噪声放大器（124）的工作频段为1.5GHz—3GHz，其增益范围为3—35dB，步进为0.5dB，噪声系数为0.6dB；
所述第二级窄带声表面滤波器（125）中心频点为2595MHz，带宽为50MHz，带内损耗小于2dB，小于2400MHz范围的带外抑制能力大于30dB，大于2800MHz范围的带外抑制能力大于30dB。
6.根据权利要求1所述的软件无线电接收机射频系统，其特征在于，所述第二级单刀双掷开关（101）的工作频段为100MHz—6GHz，其插入损耗为0.6dB，隔离度大于20dB，可以有效地在两通路间实现信号的切换接入。
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