CN104601192B - 一种支持tdd和fdd同时工作的前端单元设计方案 - Google Patents

一种支持tdd和fdd同时工作的前端单元设计方案 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种可以同时支持TDD和FDD的前端单元设计方案,用于多模多制式的无线通信系统设备。其特点在于同时支持TDD和FDD的宽带信号,共用于绝大部分链路器件,例如数字中频器件,数模/模数转换器,IQ调制和解调器,宽带放大器和衰减器)。在面积、成本呢和功耗方面有较大的优势。

Description

一种支持TDD和FDD同时工作的前端单元设计方案
技术领域
本发明提出了一种可以同时支持时分双工(Time Division Duplexing,TDD)和频分双工(FrequencyDivision Duplexing,FDD)的前端单元设计方案,特别是对于不同双工制式的链路组成共享和合路。本发明涉及时分双工(TDD)制式的通讯领域,包含但不限于TD-SCDMA、TD-LTE、PHS、WLAN、WIMAX、集群系统等,以及频分双工(FDD)制式的通讯领域,包含但不限于LTE、GSM、WCDMA、cdma系统等。
背景技术
无线通信的前端单元广泛存在基站(BS)、终端(UE)、微波通信(MicrowaveCommunication)数字天线分布系统(Digital DAS)、数字直放站(Digital Repeater)/中继站(Relay)等通信产品中。
目前普遍通信设备的前端单元设计通常具有一定的针对性和限制:
1只支持单独或相邻频段的前端单元,比如基站的射频部分设计。主要是因为基站的发射功率比较大,天线口发射信号的杂散和线性要求很高。同样收信机方向也有很高的抗干扰和抗阻塞要求,造成放大器,滤波器,小信号收发信板等各个组成部分都只能是针对某个或者相邻的两个频段的。
2单套链路只能TDD或者FDD其中的一种,出于成本和商业模式等原因,这是最常见的设计。
3多个单模产品拼凑的多模产品。每个单模链路拥有相对独立的数模转换和模拟信号放大链路,在射频出口处通过腔体双工器或腔体多工器合路到同一个天线口。缺点在体积和功耗均较大。
随着移动通信技术的蓬勃发展以及UTRA长期演进(Long Term Evolution,LTE)技术的研究和推广,移动通信系统可以实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本,更高的系统容量以及改进的覆盖范围。
LTE系统同时定义了FDD和TDD两种方式。无论哪种方式都使用了多输入多输出(Multi-input Multi-output;MIMO)来显著提高吞吐量。然而MIMO技术必然带来前端单元的数量增加,以2x2MIMO为例,至少要求2个独立的发射链路和2个独立的接收链路。并且因为频段和容量覆盖的原因,LTE的基站建设会比2G、3G更加密集。
每个国家和地区通常都有多个无线网络运营商,每个运营商拥有不同的频段资源。在小功率覆盖场景,凭借不同制式不同频段使用现有的前端单元组合来实现MIMO的射频和天馈单元将会是种较大的浪费。
发明内容
本发明的目的在于:提出一种同时支持TDD和FDD的小功率前端单元的设计方案,复用部分链路组成部分,简化现有前端单元的结构,改善系统带宽并降低复杂度和功耗。可以实现适用具有宽频段的信号的收发和数模/模数转化。
同时支持TDD和FDD的小功率前端单元的技术方案是:
在TX的方向通过高速的DAC将TDD和FDD的数字采样信号同时转换模拟基带信号。常用的高速的DAC的采样速率可以到l~2Gsps。根据那奎斯特采样定理,这样的采样速率可以从数字恢复出几百兆的模拟信号带宽。甚至现在的芯片技术已经可以将DAC的采样速率提升到8Gsps。采样速率高的优势在于增加了带宽,简化了滤波器设计,扩大了系统的灵活性。
宽带的模拟基带信号经过基带滤波,基带滤波的带宽可以根据实际系统所需要的系统信号带宽决定。信号带宽又称为瞬时带宽(Instantaneous Bandwidth,IBW)。对于零中频的系统,基带滤波可以设置为系统IBW的一半以上。当然对于上面提到的采样速率特别高也即是DAC可以直接输出RF的模数转换设计,模拟中频或是零中频可以被略去,直接进入射频放大和滤波即可。
基带滤波后I(In-phase)和Q(Quadrature)信号进入IQ调制器,IQ信号被调制到所需要的频段,通常在几百兆到几千兆的频段被称为射频信号,调制器可以支持几百兆甚至更宽的信号带宽,当然射频信号的频率也是有影响的。
射频信号需要经过放大器,信号放大的倍数取决于需要输出功率及其相应覆盖范围的设计。对于中小功率来说,通常的放大器采用砷化镓GaAs或硅锗SiGe工艺,可以支持较宽的IBW并且同时拥有良好的线性度。需要注意的是对于固定器件,输出功率越大会有越高的互调产物(Intermodulation Product)和杂散发射(Spurious Emission)。这些产物会通常会影响系统的性能。
放大后的射频信号经由双工器进入天线,并向外辐射。双工器的主要功能是区分出上行和下行的信号,可以通过方向性器件比如宽带环形器和定向耦合器来区分开上下行方向的信号;也可以通过滤波型双工器分出FDD的上下行信号和TDD的信号,在TDD信号的基础上以射频开关区分TDD信号通道中的上下行信号。
在RX的方向,包含TDD和FDD的宽带射频信号从宽带天线进入双工器,分出的RX方向信号再经过放大器,IQ解调器和基带滤波器进入高速ADC。类似于TX方向的链路和器件特征,RX链路的放大器、解调器和基带滤波器同样可以支持较宽的信号带宽。目前超高速ADC的采样率已到了3Gsps或者更高,也具有了直接采集较低频的射频的能力,在这种情况下解调器可以取消不用。
相对于传统的收发信前端单元,本发明所描述方案的特点在对于两种制式TDD和FDD的不同信号,共用于绝大部分链路器件(例如,数模/模数转换器,IQ调制和解调器,宽带放大器和衰减器)。两种制式可以包含2个甚至更多的频段。
本发明的有益效果还在于:1、可以同时收发TDD和FDD制式的信号;2、上、下行信号的带宽较宽;3、电路简单,体积小,成本低,便于实现推广。
附图说明
图1前端单元模块示意图
图2 N套前端单元实现N路MIMO示意图
图3宽带双工器示意图
图4滤波的双工器示意图
图5TX滤波、调制、放大链路示意图
图6RX放大、解调、滤波链路示意图
图7RX频分放大模块示意图
图8TDD和FDD表现在频域上的TX和RX示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明:在图1中,基带处理单元309将多种制式的IQ数字信号发给数字中频器件308。数字中频器件通常是由现场可编程门阵列(FPGA,Field-Programmable Gate Array)或者专门集成电路(ASIC,Application-specificintegrated circuit)来实现。根据传输距离和速率的不同,可能有的协议有CPRI,PCIe,OBAI,RapidIO,JESD204A/B等。数字中频器件根据相应的协议将高速串行信号进行串/并转换和解码,并根据不同制式不同带宽信号的不同采样速率恢复出各个所需的载波数据。数字中频器件通过数控振荡器(NCO,numerical controlled oscillator)对各个载波做搬移,使其之间的相对位置与实际相当并合路到一起,也就是数字上变频(DUC,Digital UpConverter)。FDD的载波信号是一直存在的,TDD的载波信号则是根据不同时隙配比的定义只在发射时隙的才有意义,对与非发射时隙的TDD载波通常是填零。TDD和FDD系统的同步和帧对齐也是在数字中频器件308中实现的。数字上变频之后的数字信号在进DAC之间可能还需要经过一系列数字预的处理,比如削峰、数字衰减器、数字限幅器和IQ误差校正等,这些数字处理取决于系统的需求。
数字信号经由数模转化芯片305(DAC,Digital to Analog Converter)转化为模拟基带信号,并将之送入TX滤波调制放人链路304中去。模拟基带信号包含了TDD和FDD的载波,同样的TDD载波只在TDD的发射时隙中出现。在TDD的接收时隙中,TDD的发射载波表现为噪底。
图5细化了TX滤波调制放大链路304。在这个链路中,也就是DAC之后,依次是基带滤波器401,IQ调制器402和可变增益放大器403。基带滤波的带宽可以根据实际系统所需要的系统信号带宽决定。从DAC到lQ调制器这一段通常也被成为模拟前端(AFE,Analog FrontEnd),并且可以被集成在同一颗芯片里。
模拟前端的输出通常比较小,需要可变增益放大器403(DVGA,Digital VariableGainAmplifier)放大。如果需要的输出功率比较大,还可由功率放大器404(PA,PowerAmplifier)进一步放大。可变的增益通过数控衰减器来实现,当然也可以在数字域做数字增益处理来改变信号的强度,具体实现取决于系统要求。放人的宽带信号进入TX滤波器405,对于TDD和FDD同时存在的TX方向载波,需要TX滤波器米降低泄露到FDD RX频段的杂散,以降低或者避免杂散对FDD RX的接收灵敏度的影响。TX滤波器的设计要点是对TDD和FDD的TX频段是低损耗的通过,而对FDD的RX频段是高损耗的抑制。TX滤波器可以由单独的滤波器来实现,在必要的时候尤其是TDD和FDD的频段组成比较复杂的时候,也可以使频分多工器的组合。
滤波后的宽带信号经双工器301后输出到天线。图3显示了两种宽带的双工器分别是宽带环形器101和宽带耦合器102。这两种双工器都是宽带的方向性器件,尤其是宽带耦合器更宽,几乎可以实现整个射频的定性耦合,但相应的插损比宽带环形器要大些。
当TDD和FDD的频段组合比较简单的时候,也就是FDD只考虑l对频段,TDD只考虑单个频段,那么图4示意了这种情况适用的滤波的双工器的示意图。宽带的TX载波信号被分路器132分成两路,其中一路进入频率多工器131的FDD TX端口,另一经过射频开关134后进入频率多工器的TDD端口,射频开关134的功能是做上下行的切换,分时间段选择性导通TDDTX或TDD RX,该开关受控于数字中频器件308。同样的,频率多工器FDD RX端口信号和射频开关的TDD RX信号经合路器133合路后,成为射频宽带RX信号。当TDD和FDD的频段组合比较复杂的时候,如图4所示的滤波型双工器需要设计得更为复杂。
图6示意了RX放大解调滤波链路306,双工器分出的RX信号首先进入RX频分放大模块601,在图7中揭示了RX频分放大模块的模块框图,可以看到RX信号被频分滤波器612按照不同频段分成多路,每路信号联接独立的低噪声放大器611。之后各路放大信号通过合路器614合为一路宽带信号。频分滤波器的作用在于将单独的FDD RX和TDD RX频段分离出来。分离FDD RX频段的目的在于防止FDD TX和TDD TX发射载波信号耦合或者泄露进入FDD RX通道,从而阻塞了RX方向的有源器件。分离TDD频段的目的在于,不同频段的TDD信号可能是不同步的并且也有不一致的上下行配比,为了防止发射的TDDTX载波(例如在A频段)阻塞了另一频段的接收的TDD RX信号(例如在B频段)。相应的,若TDD TX在A频段发射的时候,A频段频分滤波器后低噪声放大器需要被关闭电源或者被射频开关旁路,在图7中时分开关613示意了对其的开或关的特性。根据TDD的不同上下行配置和相应的切换时间,时分开关可以被数字中频芯片的IO管脚直接或者间接的控制。可选地,相同上下行时隙配比的TDD频段可以视作一个不连续的频段,在合适的情况下可以合并使用同一个较宽的滤波器。
从实现的角度,RX信号被频分滤波器612可以是定制的多频分合路器,也可以将信号分成多路后,各频段使用小尺寸的声表面波滤波器(SAW,SurfaceAcoustic Wave)、体声波滤波器(BAW,BulkAcoustic Wave)或介质滤波器(Dielectric Filter)。由于RX方向的功率较小,滤波的尺寸可以做得很小,节约了面积。
RX放大解调滤波链路306的其它部分包含了衰减器602,IQ解调器603,低频放大器604和RX模拟基带滤波器605。其功能上类似于TX滤波、调制、放大链路304的逆过程。根据不同系统的不同要求,衰减器602可以略去或者配置在低噪声放大器611之后。低频放大器604在有些系统设计中也可以不使用。模拟基带信号通过模数转换器件307转化为数字基带信号,由数字中频器件308分别提取出TDD和FDD的各接收载波的基带信号。
由于本发明所描述方案可以同时支持TDD和FDD的宽带信号,并且共用于绝大部分链路器件(例如,数字中频器件,数模/模数转换器,lQ调制和解调器,宽带放大器和衰减器)。在面积、成本呢和功耗方面有较大的优势,尤其是在要求实现多路MIMO的设备设计中,这种优势则更为明显。图2示意了N路前端单元实现N路MIMO的框架示意图。
实施例:
附图公开了本发明的原理框图,下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图8示意了目前中国境内主要2~3GHz频率范围内的无线通信频段,其中
1920~1980MHz是FDD制式WCDMA的上行;
2010~2025MHz是TDD制式TD-Scdma的频段;
2110~2170MHz是FDD制式WCDMA的下行;
2320~2570MHz是TDD制式TD-LTE的频段;
2500~2690MHz也是TDD制式TD-LTE的频段。
本实施例是一款覆盖上述所有频段的,且同时支持TDD和FDD的小功率基站测覆盖设备(满足分立的800M的发射和接收带宽,27dBm的发射总功率和-90dBm的接收灵敏度)。下面例举了一些关键器件的选型例子。
注1:系统还有很多功能芯片属于常规设计,不在下面的示例范围内(包括电源芯片,锁相环和射频频率综合器,外部接口芯片等)
注2:系统的性能与具体的电路设计、布板、程序设计均有较大关联。
数字中频器件308可选Xilinx或Altera公司的FPGA芯片
模数转换器305可选ADI公司的AD9142。
TX模拟基带滤波器401可以由5阶LC低通滤波器实现400MHtz的低通滤波器。
RX模拟基带滤波器605可以由5阶LC低通滤波器实现400MHz的低通滤波器。
数模转换器307可选TI公司的ADC12D800RF
IQ调制器402可选ADI公司的ADL5375
IQ解调器603可选ADI公司的ADL5380
数字可变增益放大器403可选Triquint公司的TQM879007
数控衰减器602可选Hittite公司的HMC274
功率放大器404可选Triquint公司的TGA2540-FL
低噪声放大器611可选Triquint公司的TQP3M9019
合路器614可选ANAREN公司的JP503S
时分开关613可选ROHM公司的RTF020P02
双工器301可选A-info公司的HX-T-2000-4000-18-25
TX滤波器405可订制或由LC器件实现2~2.7GHz带通功能
RX频分滤波器612可订制,或选择Triquint等公司的相关滤波器产品。

Claims (7)

1.支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是将TDD和FDD的各发射载波信号在数字中频器件中进行载波的搬移和合并,并将合并后的数字基带信号发送至数模转换芯片,由数模转换芯片转换生成模拟基带信号,模拟基带信号经过滤波调制放大链路进入双工器发送至天线端口,数字中频器件同时包含TDD和FDD的各发射载波信号进行载波的搬移和合并;同样的,天线端口的接收的TDD和FDD信号经过双工器和RX放大滤波解调链路后送入模数转换器件,转化为数字基带信号,由数字中频芯片分别提取出TDD和FDD的各接收载波的基带信号,数字中频器件同时包含TDD和FDD的各接收载波信号进行数字的搬移和过滤。
2.根据权利要求1所述的支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是数模转换器件的数字输入和模拟输出中同时包含了TDD和FDD的载波信号。
3.根据权利要求1所述的支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是TDD和FDD的模拟发射信号同时进行了基带滤波、调制、放大的模拟信号处理,并共享通道链路。
4.根据权利要求1所述的支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是利用射频信号的方向性,使用宽带双工器区分TX和RX的信号。
5.根据权利要求1所述的支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是在RX方向将不同频段的FDD RX分路滤波和放大;将不同频段或上下行时隙配比的TDD RX分路滤波和时分放大。
6.根据权利要求1所述的支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是TDD和FDD的模拟接收信号同时进行了解调和基带滤波的模拟信号处理,并共享通道链路。
7.根据权利要求1所述的支持TDD和FDD同时工作的前端单元,其特征是模数转换器件的模拟输入和数字输出中同时包含了TDD和FDD的载波信号。
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