CN105071882B

CN105071882B - 一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法和实现结构

Info

Publication number: CN105071882B
Application number: CN201510543618.7A
Authority: CN
Inventors: 田玲; 李垚; 袁云辉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-08-28
Also published as: CN105071882A

Abstract

本发明公开了一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法和实现结构，该前端包括宽带发信机、宽带收信机和宽带频综，通过宽带频综为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；该前端支持TDD和FDD两种制式，采用分频段并利用宽带混频器上边带和下边带的产物实现宽频带并进一步降低系统的复杂度；该前端适用于信道模拟器通信仪表，并可以扩展到毫米波频段。本发明采用了分频段混频来实现宽频带的性能，用较窄的本振频率范围，分别提取混频的上边带和下边带产物来进一步扩展射频带宽，实现低复杂度的宽频带性能，同时可以降低成本，该方法为无线信道模拟器宽频带设计提供了一种新的技术路线。

Description

一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法和实现结构

技术领域

本发明涉及一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法和实现结构，涉及移动通信测试仪表技术。

背景技术

随着人类社会信息化的加速，整个社会对信息通信的需求水平明显提升，尤其是近些年来，随着移动互联网的兴起，人们迫切希望能够随时随地用移动终端设备方便快速地访问互联网，获取需要的信息和服务。为了满足呈现爆发式增长的无线通信业务应用需求，有着更高数据传输速率、低传输时延的第四代移动通信技术(4G)高速发展，已逐渐替代第三代移动通信技术(3G)。我国虽然无线通信产业起步较晚，但发展迅猛，目前已主导了TD-SCDMA和TD-LTE的无线通信国际标准，无线通信产业发展已走到了世界的前列。

无线通信技术与产业的快速发展，需要有先进的无线通信系统与设备来支持，而设计研制无线通信系统与设备离不开无线通信测试仪器。无线信道模拟器是用于研发高质量无线通信系统与设备的重要测试仪器。无线信道模拟器可以模拟真实无线信道环境，可用于开发高质量的无线通信系统与设备的测试仪器。无线信道环境复杂，无线通信以无线电波为载体传播信号，无线电波信号会向各个方向传播，在传播过程中受到山脉、建筑物、树林等的反射与散射的影响而形成多条路径到达接收端。这些多径信号在接收端进行叠加时，会由于相位不同而导致接收信号的总体幅度发生剧烈变化从而产生多径衰落。而且，信号的不同分量到达接收点的时间不同会引起时延扩展。另外，当通信双方的移动中进行无线通信时，会引起传输无线电波信号的多普勒频移从而产生多普勒扩展。无线信道的多径衰落、延迟扩展、多普勒扩展这些特性会对无线通信系统的通信质量产生较大影响，因此若要设计开发一套高质量的无线通信系统，需要充分考虑无线信道特性的影响。然而，在无线通信系统研制过程中，全程外场测试不仅成本高昂、费时费力，而且测试结果不可重复，所以，采用无线信道模拟器来模拟真实无线信道环境是一个既经济又高效的解决方法。图4显示了无线信道模拟器应用的场景，无线信道模拟器连接基站和移动终端设备以代替真实的无线信道，无线信道模拟器主要由数字部分和射频前端所组成，射频前端接收射频信号，并下变频为基带信号，基带信号并由数字部分实行多径衰落等信道模拟算法，再经射频部分上变频生成近似通过真实无线信道转播的射频信号。其中，射频部分通常有多个通道，以满足MIMO(多输入多输出)技术的需要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法和实现结构。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法，该前端包括宽带发信机、宽带收信机和宽带频综，通过宽带频综为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；该前端支持TDD和FDD两种制式，采用分频段并利用宽带混频器上边带和下边带的产物实现宽频带并进一步降低系统的复杂度；该前端适用于信道模拟器通信仪表，并可以扩展到毫米波频段，具体实现方法如下。

(1)为了使多天线信道模拟器支持TDD和FDD两种制式，宽带频综设计两个宽带PLL，分别称为第一宽带PLL和第二宽带PLL，同时增加一个功分器和一个射频单刀双掷开关：当多天线信道模拟器工作于TDD制式时，射频单刀双掷开关与功分器接通，来自第一宽带PLL的射频本振信号经过功分器分别为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；当多天线信道模拟器工作于FDD制式时，射频单刀双掷开关与第二宽带PLL接通，通过第二宽带PLL为宽带收信机的宽带混频器提供本振信号，通过第一宽带PLL为宽带发信机的宽带混频器提供本振信号；该方法现对于现有宽带频综的本振设计，增加了一个宽带PLL，结合功分器和射频单刀双掷开关巧妙实现了TDD和FDD两种制式。

(2)采用分频段并利用宽带混频器上边带和下边带的产物实现宽频带并进一步降低系统的复杂度，具体为：

对于宽带发信机，发射频率工作范围是400MHz～6GHz：

①4GHz～6GHz：利用宽带混频器和低本振将1.2GHz的中频信号搬到4GHz～6GHz上，此时需要的宽带PLL的频率范围为2.8GHz～4.8GHz；

②2GHz～4GHz：利用宽带混频器和高本振将1.2GHz的中频信号搬到2GHz～4GHz上，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.2GHz～5.2GHz；

③400MHz～2GHz：首先将1.2GHz的中频信号搬到3.2GHz上；再利用宽带混频器和高本振将3.2GHz的中频信号搬到400MHz～2GHz上，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.6GHz～5.2GHz。

综上所述，发射频率工作范围是400MHz～6GHz，利用宽带可调的射频滤波器，分别提取上边带和下边带的混频产物的方法，只需要较窄的本振范围(2.8GHz～5.2GHz)即可实现，这样简化了宽带本振设计的复杂度，简化了为了实现多模式功能时所需的宽带功分器和宽带开关的难度；而传统方法一般需要3.2GHz～7.2GHz的本振范围。

对于宽带收信机，射频端口接收的宽带射频信号频率范围为400MHz～6GHz：

①4GHz～6GHz：利用低本振将4GHz～6GHz的信号变频至1.2GHz，此时需要的宽带PLL的频率范围为2.8GHz～4.8GHz；

②2GHz～4GHz：利用高本振将2GHz～4GHz的信号变频至1.2GHz，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.2GHz～5.2GHz；

③400MHz～2GHz：首先利用高本振将400MHz～2GHz的信号变频至3.2GHz，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.6GHz～5.2GHz；再将3.2GHz的信号变频至1.2GHz，。

与宽带发信机类似，宽带收信机的设计可以降低宽带频综的设计带宽，降低系统设计的复杂度。

应用于多模式多天线信道模拟器射频前端，该前端可实现相位可调的功能，在常见的收发信机中，相位可调的功能是通过宽带射频移相器来实现，在本系统中，需要设计400MHz～6GHz的射频移相器，复杂度太大，成本太高；本发明采用的方法如下：将第一宽带PLL和第二宽带PLL合称为宽带射频PLL4，通过宽带射频PLL4产生2.8GHz～5.2GHz的宽频带信号；通过中频PLL2产生2GHz的信号，用于将1.2GHz的信号上变频至3.2GHz或将3.2GHz信号下变频至1.2GHz；通过中频相位可调PLL1产生1.195GHz～1.205GHz的中频信号，该中频信号的参考来自于直接数字频率合成器(DDS)；参考PPL3为宽带射频PLL4、中频PLL2和中频相位可调PLL1提供参考信号，保证系统的同步性能。通过调节DDS的相位，可以改变中频相位可调PLL1的时钟，从而实现射频收发信机相位可调的功能，相位调整精度可到0.05度，采用该方法，可以进一步降低系统的复杂度和成本。

本发明的前端还具有大动态的性能，在常见仪表中，通常会采用一个机械电控的大动态射频数控衰减器，该衰减器工作频率宽，动态范围大，但是体积大，成本高；本发明中大动态在中频上进行处理，射频上再插入一个宽带射频数控衰减器，用于弥补器件频响特性，具体方法如下：在宽带发信机的中频和射频上分别插入一个中频ALC电路和一个射频ALC电路，在宽带收信机的中频和射频上也分别插入一个中频ALC电路和一个射频ALC电路。在宽带发信机中，中频ALC电路的动态范围可达93dB，射频上再使用一个射频ALC电路，用来弥补400MHz～6GHz上不同器件在不同频率上响应的差异，同时实现一部分动态，使得发信机总的输出电平范围为-120～-10dBm，总动态范围为110dB；宽带收信机也采用类似的方法，主要动态的实现是在中频上，射频上再插入一个射频ALC电路，使得整个接收机工作范围为-50～+15dBm，动态范围为65dB。

一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现结构，包括宽带发信机、宽带收信机和多模式多环频率合成器模块。

宽带发信机中：基带过来的宽带I、Q信号接入A中频相位可调调制器产生高性能的中频调制信号，再经过A中频ALC电路初步实现大动态性能(动态范围可达90dB)，大动态的中频信号经过A1中频滤波器输入A宽带选频变频模块，通过A宽带选频变频模块将输入信号分段变频为400MHz～6GHz的射频信号，产生的射频信号接入A宽带可调滤波器以滤除杂波信号，最终通过A宽带射频ALC电路输出；信号输出电平范围为-120～-10dBm的信号，电平调制精度达到1dB。

宽带收信机中：基站过来的射频信号，经过B射频ALC电路对射频信号的电平进行调整，然后进入B宽带选频变频模块，通过B宽带选频变频模块将输入信号同一变频为1.2GHz的中频信号，产生的中频信号接入B2中频滤波器以滤除杂波信号，最终通过B中频ALC电路和B中频解调器输出。

多模式多环频率合成器模块中：包括中频相位可调PLL1、中频PLL2、参考PLL3、宽带射频PLL4和多模式选择模块组成；参考PPL3为宽带射频PLL4、中频PLL2和中频相位可调PLL1提供参考信号，保证系统的同步性能；中频相位可调PLL1产生1.195GHz～1.205GHz的中频信号，该中频信号的频率分辨率精度为1Hz，该中频信号的参考来自于直接数字频率合成器，故信号的相位可调，相位调制精度达到0.05度，从而实现了射频收发信机频率细调相位可调的功能；中频PLL2产生2GHz的信号，用于将1.2GHz的信号上变频至3.2GHz或将3.2GHz信号下变频至1.2GHz；宽带射频PLL4包括第一宽带PLL和第二宽带PLL，通过宽带射频PLL4产生2.8GHz～5.2GHz的宽频带信号；多模式选择模块包括功分器和射频单刀双掷开关。

所述A宽带选频变频模块包括依次串联的A1中频放大器、A中频混频器、A2中频滤波器、A1射频混频器和A1射频放大器，依次串联的A2中频放大器、A2射频混频器和A2射频放大器，A1中频放大器和A2中频放大器的输入端分别接A中频开关的两个端口，A1射频混频器和A2射频放大器的输出端分别接A射频开关的两个端口。

所述B宽带选频变频模块包括依次串联的B低通滤波器、B1射频混频器、B1中频放大器、B1中频滤波器、B中频混频器和B2中频放大器，依次串联的B射频带通滤波器、B射频放大器、B2射频混频器、B3中频放大器，B低通滤波器和B射频带通滤波器的输入端分别接B射频开关的两个端口，B2中频放大器和B3中频放大器的输出端口分别接B中频开关的两个端口。其中B低通滤波器、B1射频混频器、B1中频放大器、B1中频滤波器、B中频混频器和B2中频放大器组成的电路，主要用于400MHz～2GHz信号的变频，该信号先变到高中频3.2GHz上，再变频到低中频1.2GHz；B射频带通滤波器、B射频放大器、B2射频混频器和B3中频放大器主要用于2GHz～6GHz信号的变频，该链路主要将2～6GHz的射频信号。

有益效果：多天线信道模拟器是目前移动终端设备进行测试的重要仪表，目前该仪表只能单制式，本发明提出了在射频频综上增加功分器和开关，可以实现FDD和TDD多模式的功能，这样大大降低仪器的成本；采用了分频段混频来实现宽频带的性能，用较窄的本振频率范围，分别提取取混频的的上边带和下边带产物来进一步扩展射频带宽，实现低复杂度的宽频带性能，同时可以降低成本，该方法为无线信道模拟器宽频带设计提供了一种新的技术路线；采用DDS做为中频PLL的时钟，实现射频收发信机相位可调的功能；采用中频上实现大动态，射频上对器件频响进行相应校准来实现收发信机大动态的性能，并依照所提多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法，提出相应的实现方案，设计出多天线信道模拟器射频前端的实现装置，包括宽频带射频接收信机和宽频带射频发射信机和多环多模式频率合成器，进一步验证该方法的合理性。

附图说明

图1为多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法；

图2为多模式多天线信道模拟器射频前端宽带性能的实现方法；

图3为多模式多天线信道模拟器射频前端实现装置框图；

图4为无线信道模拟器应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种多模式多天线信道模拟器射频前端，包括宽带发信机、宽带收信机和宽带频综，通过宽带频综为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；该前端支持TDD和FDD两种制式，采用分频段并利用宽带混频器上边带和下边带的产物实现宽频带并进一步降低系统的复杂度。

本案的多天线信道模拟器是一种应用于研发和设计高性能无线通信系统与设备的重要测试仪器，可以在实验室室内环境对设备的各种信道模型性能进行测试，无需外场测试。多天线信道模拟器射频前端在其收发端接双工器或者环形器，并且对相应频率合成器进行配置就可以分别实现TDD和FDD两种目前常见的通信模式，系统的复杂度稍有增加，但仅用一台仪器替代以往两台单制式仪器的性能。如图1和图2所示为该前端具体实现方法。

(1)为了使多天线信道模拟器支持TDD和FDD两种制式，宽带频综设计两个宽带PLL，分别称为第一宽带PLL和第二宽带PLL，同时增加一个功分器和一个射频单刀双掷开关：当多天线信道模拟器工作于TDD制式时，射频单刀双掷开关与功分器接通，来自第一宽带PLL的射频本振信号经过功分器分别为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；当多天线信道模拟器工作于FDD制式时，射频单刀双掷开关与第二宽带PLL接通，通过第二宽带PLL为宽带收信机的宽带混频器提供本振信号，通过第一宽带PLL为宽带发信机的宽带混频器提供本振信号。

对于宽带发信机，发射频率工作范围是400MHz～6GHz：

③400MHz～2GHz：首先利用宽带混频器和本振将1.2GHz的中频信号搬到3.2GHz上；再利用宽带混频器和高本振将3.2GHz的中频信号搬到400MHz～2GHz上，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.6GHz～5.2GHz；

③400MHz～2GHz：首先利用高本振将400MHz～2GHz的信号变频至3.2GHz，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.6GHz～5.2GHz；再利用本振将3.2GHz的信号变频至1.2GHz。

基于上述实现方法，进行前端的实现结构设计，如图3所示，该前端包括宽带发信机、宽带收信机和多模式多环频率合成器模块；宽带收信机接收来自基站的射频信号，转变为基带信号后给基带处理板处理，按照用户的需要，选择相应的信道模型，再将载入信道模型的基带信号送入宽宽带发信机，对终端性能进行测试。

宽带发信机中：基带过来的宽带I、Q信号接入A中频相位可调调制器6产生高性能的中频调制信号，再经过A中频ALC电路7初步实现大动态性能(动态范围可达90dB)，大动态的中频信号经过A1中频滤波器8输入A宽带选频变频模块，通过A宽带选频变频模块将输入信号分段变频为400MHz～6GHz的射频信号，产生的射频信号接入A宽带可调滤波器19以滤除杂波信号，最终通过A宽带射频ALC电路20输出。信号输出电平范围为-120～-10dBm的信号，电平调制精度达到1dB。

所述A宽带选频变频模块包括依次串联的A1中频放大器10、A中频混频器11、A2中频滤波器12、A1射频混频器13和A1射频放大器14，依次串联的A2中频放大器15、A2射频混频器16和A2射频放大器17，A1中频放大器10和A2中频放大器15的输入端分别接A中频开关9的两个端口，A1射频混频器13和A2射频放大器17的输出端分别接A射频开关18的两个端口。

所述B宽带选频变频模块包括依次串联的B低通滤波器23、B1射频混频器24、B1中频放大器25、B1中频滤波器26、B中频混频器27和B2中频放大器28，依次串联的B射频带通滤波器29、B射频放大器30、B2射频混频器31、B3中频放大器32，B低通滤波器23和B射频带通滤波器29的输入端分别接B射频开关22的两个端口，B2中频放大器28和B3中频放大器32的输出端口分别接B中频开关33的两个端口。

宽带收信机中：基站过来的射频信号，经过B射频ALC电路21对射频信号的电平进行调整，然后进入B宽带选频变频模块，通过B宽带选频变频模块将输入信号同一变频为1.2GHz的中频信号，产生的中频信号接入B2中频滤波器34以滤除杂波信号，最终通过B中频ALC电路35和B中频解调器36输出。

多模式多环频率合成器模块中：包括中频相位可调PLL1、中频PLL2、参考PLL3、宽带射频PLL4和多模式选择模块5组成；参考PPL3为宽带射频PLL4、中频PLL2和中频相位可调PLL1提供参考信号，保证系统的同步性能；中频相位可调PLL1产生1.195GHz～1.205GHz的中频信号，该中频信号的参考来自于直接数字频率合成器；中频PLL2产生2GHz的信号，用于将1.2GHz的信号上变频至3.2GHz或将3.2GHz信号下变频至1.2GHz；宽带射频PLL4包括第一宽带PLL和第二宽带PLL，通过宽带射频PLL4产生2.8GHz～5.2GHz的宽频带信号；多模式选择模块5包括功分器和射频单刀双掷开关。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法，该前端包括宽带发信机、宽带收信机和宽带频综，通过宽带频综为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；其特征在于：该前端支持TDD和FDD两种制式，采用分频段并利用宽带混频器上边带和下边带的产物实现宽频带并进一步降低系统的复杂度；该前端具体实现方法为：

(1)为了使多天线信道模拟器支持TDD和FDD两种制式，宽带频综设计两个宽带PLL，分别称为第一宽带PLL和第二宽带PLL，同时增加一个功分器和一个射频单刀双掷开关：当多天线信道模拟器工作于TDD制式时，射频单刀双掷开关与功分器接通，来自第一宽带PLL的射频本振信号经过功分器分别为宽带发信机和宽带收信机的宽带混频器提供本振信号；当多天线信道模拟器工作于FDD制式时，射频单刀双掷开关与第二宽带PLL接通，通过第二宽带PLL为宽带收信机的宽带混频器提供本振信号，通过第一宽带PLL为宽带发信机的宽带混频器提供本振信号；

对于宽带发信机，发射频率工作范围是400MHz～6GHz：

③400MHz～2GHz：首先利用混频器和本振信号将1.2GHz的中频信号搬到3.2GHz上，再利用宽带混频器和高本振将3.2GHz的中频信号搬到400MHz～2GHz上，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.6GHz～5.2GHz；

③400MHz～2GHz：首先利用高本振将400MHz～2GHz的信号变频至3.2GHz，此时需要的宽带PLL的频率范围为3.6GHz～5.2GHz；再将3.2GHz的信号变频至1.2GHz。

2.根据权利要求1所述的多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法，其特征在于：将第一宽带PLL和第二宽带PLL合称为宽带射频PLL4，通过宽带射频PLL4产生2.8GHz～5.2GHz的宽频带信号；通过中频PLL2产生2GHz的信号，用于将1.2GHz的信号上变频至3.2GHz或将3.2GHz信号下变频至1.2GHz；通过中频相位可调PLL1产生1.195GHz～1.205GHz的中频信号，该中频信号的参考来自于直接数字频率合成器；参考PPL3为宽带射频PLL4、中频PLL2和中频相位可调PLL1提供参考信号，保证系统的同步性能。

3.根据权利要求1所述的多模式多天线信道模拟器射频前端的实现方法，其特征在于：在宽带发信机的中频和射频上分别插入一个中频ALC电路和一个射频ALC电路，在宽带收信机的中频和射频上也分别插入一个中频ALC电路和一个射频ALC电路。

4.一种多模式多天线信道模拟器射频前端的实现结构，其特征在于：包括宽带发信机、宽带收信机和多模式多环频率合成器模块；

宽带发信机中：基带过来的宽带I、Q信号接入A中频相位可调调制器产生高性能的中频调制信号，再经过A中频ALC电路初步实现大动态性能，大动态的中频信号经过A1中频滤波器输入A宽带选频变频模块，通过A宽带选频变频模块将输入信号分段变频为400MHz～6GHz的射频信号，产生的射频信号接入A宽带可调滤波器以滤除杂波信号，最终通过A宽带射频ALC电路输出；

宽带收信机中：基站过来的射频信号，经过B射频ALC电路对射频信号的电平进行调整，然后进入B宽带选频变频模块，通过B宽带选频变频模块将输入信号同一变频为1.2GHz的中频信号，产生的中频信号接入B2中频滤波器以滤除杂波信号，最终通过B中频ALC电路和B中频解调器输出；

多模式多环频率合成器模块中：包括中频相位可调PLL1、中频PLL2、参考PLL3、宽带射频PLL4和多模式选择模块；参考PPL3为宽带射频PLL4、中频PLL2和中频相位可调PLL1提供参考信号，保证系统的同步性能；中频相位可调PLL1产生1.195GHz～1.205GHz的中频信号，该中频信号的参考来自于直接数字频率合成器；中频PLL2产生2GHz的信号，用于将1.2GHz的信号上变频至3.2GHz或将3.2GHz信号下变频至1.2GHz；宽带射频PLL4包括第一宽带PLL和第二宽带PLL，通过宽带射频PLL4产生2.8GHz～5.2GHz的宽频带信号；多模式选择模块包括功分器和射频单刀双掷开关。

5.根据权利要求4所述的多模式多天线信道模拟器射频前端的实现结构，其特征在于：所述A宽带选频变频模块包括依次串联的A1中频放大器、A中频混频器、A2中频滤波器、A1射频混频器和A1射频放大器，依次串联的A2中频放大器、A2射频混频器和A2射频放大器，A1中频放大器和A2中频放大器的输入端分别接A中频开关的两个端口，A1射频混频器和A2射频放大器的输出端分别接A射频开关的两个端口；

所述B宽带选频变频模块包括依次串联的B低通滤波器、B1射频混频器、B1中频放大器、B1中频滤波器、B中频混频器和B2中频放大器，依次串联的B射频带通滤波器、B射频放大器、B2射频混频器、B3中频放大器，B低通滤波器和B射频带通滤波器的输入端分别接B射频开关的两个端口，B2中频放大器和B3中频放大器的输出端口分别接B中频开关的两个端口。