CN106341152B - 一种射频前端、发射端、接收端以及mimo通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频前端、发射端、接收端以及MIMO通信系统，射频前端包括：天线；低噪声放大器，低噪声放大器与天线连接；模数转换器，模数转换器与低噪声放大器连接；基带处理器，基带处理器与模数转换器连接。模数转换器包括：编码采样电路，编码采样电路与低噪声放大器连接，用于获取低噪声放大器输出的通信信号，并对通信信号进行编码整合；处理电路，处理电路与编码采样电路以及基带处理器连接，用于对编码整合后的通信信号进行信号滤波、信号混频以及信号量化。射频前端的模数转换器在对通信信号进行采样后可以进行编码整合，具有该射频前端的MIMO通信系统，可以改善信道响应特性，进而可以提高MIMO通信系统的信道容量。

Description

一种射频前端、发射端、接收端以及MIMO通信系统

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，更具体的说，涉及一种射频前端、发射端、接收端以及MIMO通信系统。

背景技术

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，简称MIMO)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下一代移动通信的核心技术。

参考图1，图1为现有技术中常见的一种MIMO通信系统的结构示意图，包括：发射端以及接收端。待发送信号输入到发射端，接收端输出发射端发送出的发送信号，发射端与接收端之间通过MIMO信道14进行信号传递。发射端与接收端均具有基带处理器11以及多个射频前端，所述射频前端包括：与基带处理11连接的射频收发机12；与射频收发机12对应连接的天线13。

MIMO通信系统中有多个天线13，对应每一个天线13对应一个射频前端，也即对应一个射频收发机。在该图1中，对于发射端，输入数据经过基带编码处理，然后通过N个路径的射频前端发射出去，经过MIMO信道14，接收端通过N个射频前端分别把射频信号转为基带模拟信号，并通过模数转换器把基带模拟信号转换为数字信号，然后由基带处理器解码N个路径的数字信号用于恢复原始的发射信号，进而获得分集和空间多路增益。

现有的MIMO通信系统相对于其他类型通信系统在一定程度上提高了信道容量，但是，复杂场景下的信道容量仍亟待提高，以提高信息传输速率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种射频前端、发射端、接收端以及MIMO通信系统，提高了MIMO通信系统的信道容量，进而提高了信息传输速率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种MIMO通信系统的射频前端，该射频前端包括：

天线；

低噪声放大器，所述低噪声放大器与所述天线连接；

模数转换器，所述模数转换器与所述低噪声放大器连接；

基带处理器，所述基带处理器与所述模数转换器连接；

其中，所述模数转换器包括：编码采样电路，所述编码采样电路与所述低噪声放大器连接，用于获取所述低噪声放大器输出的通信信号，并对所述通信信号进行编码整合；处理电路，所述处理电路与所述编码采样电路以及所述基带处理器连接，用于对编码整合后的通信信号进行信号滤波、信号混频以及信号量化。

优选的，在上述射频前端中，所述编码采样电路包括：

前置开关网络，所述前置开关网络与所述低噪声放大器连接；

采样网络，所述采样网络与所述前置开关网络连接；

后置开关网络，所述后置开关网络与所述采样网络连接；

采样电容，所述采样电容的一端与所述后置开关网络以及所述处理电路连接，另一端接地。

优选的，在上述射频前端中，所述前置开关网络包括：nr个前置开关，nr为正整数；

其中，所述nr个前置开关将所述前置开关网络所在通路分为nr个并联的支路。

优选的，在上述射频前端中，所述采样网络包括：nr个编码的子网络，一个所述编码的子网络对应连接一个所述前置开关。

优选的，在上述射频前端中，所述后置开关网络包括：nr个后置开关；

一个所述后置开关对应连接一个所述编码的子网络。

优选的，在上述射频前端中，所述编码的子网络包括：可变电容和可变电阻；所述可变电容与所述可变电阻均具有第一极以及第二极；

其中，所述可变电容的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述可变电阻的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接。

优选的，在上述射频前端中，所述编码的子网络包括：可变电容和可变电阻；所述可变电容与所述可变电阻均具有第一极以及第二极；

其中，所述可变电容的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述可变电阻的第一极接地，其第二极与所述后置开关连接。

优选的，在上述射频前端中，所述编码的子网络包括：控制开关、可变电容以及可变电阻；所述可变电容与所述可变电阻均具有第一极以及第二极；

其中，所述可变电容的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述可变电阻的第一极与所述控制开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述控制开关具有第一开关状态以及第二开关状态；当所述控制开关处于第一开关状态时，所述可变电阻与所述前置开关导通，当所述控制开关处于第二开关状态时，所述可变电阻接地。

优选的，在上述射频前端中，所述可变电容包括：m个子电容；m为正整数；

所述子电容的第一端通过第一开关与所述可变电容的第一极连接，所述子电容的第二端与所述可变电容的第二极连接，且所述子电容的第一端与所述子电容的第二端通过第二开关连接。

优选的，在上述射频前端中，所述可变电阻包括：m个子电阻；m为正整数；

所述子电阻的第一端通过第一开关与所述可变电阻的第一极连接，所述子电阻的第二端与所述可变电阻的第二极连接，且所述子电阻的第一端与所述子电阻的第二端通过第二开关连接。

本发明还提供了一种MIMO通信系统的发射端，该发射端包括上述任一项所述的射频前端。

本发明还提供了一种MIMO通信系统的接收端，该接收端包括如上述任一项所述的射频前端。

本发明还提供了一种MIMO通信系统，该MIMO通信系统包括：

上述发射端；

上述接收端。

通过上述描述可知，本发明所述射频前端包括：天线；低噪声放大器，所述低噪声放大器与所述天线连接；模数转换器，所述模数转换器与所述低噪声放大器连接；基带处理器，所述基带处理器与所述模数转换器连接；其中，所述模数转换器包括：编码采样电路，所述编码采样电路与所述低噪声放大器连接，用于获取所述低噪声放大器输出的通信信号，并对所述通信信号进行编码整合；处理电路，所述处理电路与所述编码采样电路以及所述基带处理器连接，用于对编码整合后的通信信号进行信号滤波、信号混频以及信号量化。所述射频前端的模数转换器在对通信信号进行采用后可以进行编码整合，因此，当所述射频前端应用到MIMO通信系统的发射端以及接收端时，可以改善信道响应特性，进而可以提高MIMO通信系统的信道容量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中常见的一种MIMO通信系统的结构示意图；

图2为一种射频前端的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种射频前端的接收通路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种具有图3所示射频前端的MIMO通信系统的结构式示意图；

图5为本发明实施例提供的一种射频接收机阵列的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种前置开关组SW1的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种编码采样电路的采样网络的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种后置开关组SW2的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种编码的子网络的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的另一种编码的子网络的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的又一种编码的子网络的结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种可变电容的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种可变电阻的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图2，图2为一种射频前端的结构示意图，图2以直接变频结构(即零中频)为例。射频前端包括射频发射机和射频接收机，由基带或其它电路产生控制信号控制射频发射机和射频接收机的工作，进而进行信号的发送和接收，为陈述方便，控制射频发射机发送和射频接收机接收的控制信号没有在图中标出。根据通信机制的不同，射频前端的射频发射机和射频接收机可同时工作，也可以分时工作。

对于射频发射机，基带数据经过数模转换器D/A之后，再经过低通滤波器LPF滤波，滤波之后的信号到达上变频混频器Mixer，混频后的输出信号经过功率放大器PA对信号进行功率放大，然后经过开关K和带通滤波器BPF输出到天线21。对于射频接收机，空中的射频信号经过带通滤波器BPF和开关K之后，先行到达低噪声放大器LNA，然后信号经过下变频混频器mixer混频后到达低通滤波器LPF，滤波之后的信号经过可编程增益放大器PGA的信号调节后到达模数转换器A/D。上变频混频器Mixer与下变频混频器mixer均连接频率综合器22，频率综合器22产生混频所需的本振信号。模数转换器A/D位于射频接收机的末端，连接射频接收机基带模拟信号的输出，用于对模拟信号进行数字量化。

MIMO通信系统的信道容量C可表示为：

在公式(1)中，W为信道带宽，为信号的方差，σ²为信道噪声的方差，为单位矩阵，H定义为：

其中h_i，j定义为第j个发射天线到第i个接收天线的信道响应，N_r为接收天线个数，N_t为发射天线个数。i、j、N_r以及N_t均为正整数。

根据公式(1)可知，在信道带宽W不变的情况，如果要提高MIMO通信系统的容量C，可以有两种方法实现：

方法一：通过提高信噪比来实现。

方法二：通过改善信道响应特性H，进而改进HH^T来实现。

对于MIMO通信系统，噪声强度可以视为常数，当初始发射的通信信号强度一定时，信噪比可视为常数。同时，在一般的MIMO通信系统中，如采用图2所示射频前端的MIMO通信系统中，信道响应特性H仅涉及到信号空中传播时的传输特性，信道响应特性H无法直接进行调节，即无法通过调整信道响应特性H来增加信道容量。

为解决上述问题，发明人研究发现，当发射前端的模数转换器具有编码整合功能的采样电路时，可以将MIMO通信系统的信道响应特性H分为空中无线信道响应特性Ha以及模数转换器阵列的信号响应特性Hc两部分，这样通过调节模数转换器阵列的信号响应特性Hc实现对信道响应特性H的调节，进而可以实现提高信道容量C的目的。

基于上述研究，本发明实施例提供了一种MIMO通信系统的射频前端，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种射频前端的一个接收通路(也即射频接收机)的结构示意图，该射频前端的接收通路包括：天线31；低噪声放大器LNA，所述低噪声放大器LNA与所述天线31连接；模数转换器32，所述模数转换器32与所述低噪声放大器LNA连接；基带处理器33，所述基带处理器33与所述模数转换器32连接。

其中，所述模数转换器32包括：编码采样电路321，所述编码采样电路321与所述低噪声放大器LNA连接，用于获取所述低噪声放大器LNA的输出信号，并对所述低噪声放大器LNA的输出信号进行编码整合；处理电路322，所述处理电路322与所述编码采样电路321以及所述基带处理器33连接，用于对编码整合后的通信信号进行信号滤波、信号混频以及信号量化，并将输出信号Dout发送给所述基带处理器33。

低噪声放大器LNA可以依次通过开关以及带通滤波器与天线31连接。所述射频前端还包括：射频发射机。图3所示实施方式中，仅示出了射频前端的射频接收机的结构，并未示出射频发射机的结构。本发明实施例所述射频前端的射频发射机的结构包括依次连接的天线、带通滤波器、功率放大器、上变频混频器、低通滤波器以及数模转换器，可以参见如图2中所示，在此不再赘述。本发明实施例所述射频前端的射频发射机的结构也可以是其它结构的发射机。

图3所示实施方式为模数转换器向射频输入端移动的射频接收机结构。从图3可知，通信信号Rin经过低噪声放大器LNA后，就直接经过模数转换器32把通信信号Rin量化为输出信号Dout(数字信号)输出。从图3可以看出，该模数转换器32主要包含四方面的功能：信号采样、信号滤波、信号混频以及信号量化。

参考图4，图4为本发明实施例提供的一种具有图3所示射频前端的MIMO通信系统的结构式示意图，在图4所示实施方式中，以MIMO信道的空中响应特性Ha左侧为发射端、右侧为接收端。图4所示实施方式中，通信信号由发射端向接收端传输，即发射端发送信号，接收端接收信号。因此，图4中仅示出了发射端的射频发射机阵列，并未示出发射端的射频接收机阵列，图4中仅示出了接收端的射频接收机阵列(A/D阵列表示射频接收机阵列)，并未示出接收端的射频发射机阵列。

图4中，对于接收端而言，所有射频前端的射频接收机的输出信号都输入到基带处理器41，每个射频前端的射频接收机均可视为由图3所示射频接收机组成，每个通道的低噪声放大器LNA是独立结构，把多个通道的模数转换器组成阵列，使得MIMO通信系统不仅具有空中响应特性Ha，还具有模数转换器阵列(A/D阵列)的信号响应特性Hc。此时，MIMO信道的信道响应特性H包括空中响应特性Ha以及模数转换器阵列的信号响应特性Hc。信道响应特性H可以表示为：

H＝HaHc (3)

公式(3)具有两层含义，可以看做是两个矩阵的乘积，可表示为：

H＝Ha·Hc (3a)

也可看做是两个矩阵的点乘，可表示为：

H＝Ha.*Hc (3b)

公式(3a)和公式(3b)均可通过编码采样电路实现。

空中响应特性Ha的变化是比较大的，由上式(3)可知，如果要获得一个好的整体信道响应特性H，那么模数转换器阵列的信号响应特性Hc就需要灵活的改变以补偿空中响应特性Ha的变化。

本发明实施例中，模数转换器包含的四个功能(信号采样、信号滤波、信号混频以及信号量化)，从信号系统的角度分析可知，该四个功能具有不同的传输函数特性。同时，因为模数转换器阵列(如图4中的A/D阵列)属于通信信道的一部分，其传输函数特性会影响通信信道的信道响应特性。所以，本发明实施例通过对采样功能的编码整合改变和修正模数转换器阵列的传输函数特性，使得整个MIMO系统的信道响应特性H获得改善。最终实现提高MIMO通信系统信道容量的目的。

所述编码采样电路包括：前置开关网络，所述前置开关网络与所述低噪声放大器连接；采样网络，所述采样网络与所述前置开关网络连接；后置开关网络，所述后置开关网络与所述采样网络连接；采样电容，所述采样电容的一端与所述后置开关网络以及所述处理电路连接，另一端接地。

图5为本发明实施例提供的一种射频接收机阵列(也即射频前端的接收通路)的结构示意图，可以实现模数转换器阵列的信号响应特性Hc。在图5中，模数转换器阵列包括：编码采样电路51以及处理电路B₁-处理电路B_nr。

编码采样电路51中包括多个通路，具体的，图5中，示出了共nr个通路，nr为正整数，nr个通路与输入信号r₁-输入信号r_nr一一对应。每个通路均包括：前置开关网络、采样网络、后置开关网络以及采样电容。nr个前置开关网络联合构成前置开关组SW1，nr个后置开关网络联合构成后置开关组SW2。nr个通路对应nr个低噪声放大器，nr个低噪声放大器依次为第1低噪声放大器LNA₁-第nr低噪声放大器LNA_nr。一个通路对应连接一个处理电路，共nr个处理电路，nr个处理电路依次为第1处理电路B₁-第nr处理电路B_nr。所有处理电路连接基带处理器52，即各个通路共用一个基带处理器。

采样电容和采样网络与nr个通路的编号一一对应。采样电容的一端与所在通路的后置开关网络及处理电路连接，另一端接地。nr个采样电容依次为第1采样电容CS₁-第nr采样电容CS_nr。nr个采样网络依次为第1采样网络S₁-第nr采样网络S_nr。采样电容CS₁一端连接处理电路B₁，另一端接地。采样电容CS_nr一端连接处理电路B_nr，另一端接地。

参考图6，图6为本发明实施例提供的一种前置开关组SW1的结构示意图，前置开关组SW1包括nr个前置开关网络，nr个前置开关网络依次为第1前置开关网络Sw₁-第nr前置开关网络Sw_nr。每个前置开关网络均包括nr个前置开关，所述nr个前置开关将所述前置开关网络所在通路分为nr个并联的支路。如第1前置开关网络Sw₁包括前置开关SA_1,1-前置开关SA_1,nr；第nr前置开关网络Sw_nr包括前置开关SA_nr,1-前置开关SA_nr,nr。一个所述前置开关对应连接一个所述编码的子网络。

参考图7，图7为本发明实施例提供的一种编码采样电路的采样网络的结构示意图，图7所示编码采样电路具有nr个采样网络，nr个采样网络依次为第1采样网络S₁-第nr采样网络S_nr。每个采样网络包括nr个编码的子网络，每个所述编码的子网络对应连接一个所述前置开关。如第1采样网络S₁的nr个编码的子网络依次为编码的子网络(1,1)-编码的子网络(1,nr)，第nr采样网络S_nr的nr个编码的子网络依次为编码的子网络(nr,1)-编码的子网络(nr,nr)。

参考图8，图8为本发明实施例提供的一种后置开关组SW2的结构示意图，后置开关组SW2包括nr个后置开关网络，nr个后置开关网络依次为第1后置开关网络sW₁-第nr后置开关网络sW_nr。每个后置开关网络均包括nr个后置开关，nr个后置开关将所在的通过分为nr个并联的支路。如第1后置开关网络sW₁包括后置开关SB_1,1-后置开关SB_nr，1；第nr后置开关网络sW_nr包括后置开关SB_1，nr-后置开关SB_nr,nr。一个所述后置开关对应连接一个所述编码的子网络。以图5-图8所示结构为例详细说明个本发明实施例中各结构的连接关系以及信号传递过程。

本发明实施例中所述射频接收机有nr个通路，每一个接收通路由低噪声放大器、实现信号响应特性Hc的采样网络、实现混频/滤波/量化的处理电路和基带处理器组成。参考图5，实现信号响应特性Hc的编码采样电路51和实现混频/滤波/量化的nr个处理电路B₁-B_nr组成模数转换器阵列。这里，nr个天线接收的信号分别为R₁-R_nr，这些信号分别输入nr个低噪声放大器LNA₁-LNA_nr；nr个低噪声放大器对应的nr个输出信号分别为r₁-r_nr；这些信号通过前置开关网络组SW1后输入到对应的nr个采样网络S₁-S_nr，nr个采样网络的输出信号经过后置开关网络组SW2后输出信号O₁-O_nr，然后，编码采样电路51的输出信号O₁-O_nr分别接入nr个处理电路B₁-B_nr；模数转换器阵列输出nr个数字信号序列D₁-D_nr；这些数字信号序列输入到基带处理器52，经过基带处理器52的信号处理，解调出发射端发射的数字信号。

编码采样电路51包括：前置开关组SW1；nr个采样网络S₁-S_nr；后置开关组SW2和nr个采样电容CS₁-CS_nr组成。输入到前置开关组SW1的信号为r₁-r_nr，前置开关组SW1的输出信号为序列信号X₁[1：nr]-X_nr[1：nr]。采样网络S₁输入序列信号X₁[1：nr]和控制信号CD₁[1：L]，输出序列信号Y₁[1：nr]。以此类推，编码的采样网络S_nr输入序列信号X_nr[1：nr]和控制信号CD_nr[1：L]，输出序列信号Y_nr[1：nr]。L为正整数。

然后，nr个输出序列信号Y₁[1：nr]-Y_nr[1：nr]输入到后置开关组SW2，后置开关组SW2的nr个输出信号为O₁-O_nr。nr个输出信号O₁-O_nr分别输入到对应的nr个处理电路B₁-B_n。同时，后置开关组SW2的nr个输出信号端分别对应连接nr个采样电容CS₁-CS_nr后到地。

前置开关组SW1的nr个输入信号为r₁-r_nr。输入信号r₁通过nr个前置开关SA_1,1-SA_1,nr编码为对应的输出信号X₁[1：nr]，包括输出信号X₁[1]-X₁[nr]。以此类推，输入信号r_nr通过nr个开关SA_nr,1-SA_nr,nr编码为对应的输出信号X_nr[1：nr]，包括输出信号X_nr[1]-X_nr[nr]。各前置开关网络的开关控制信号均从控制信号CW[1：h]中引出。h为正整数。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

对于采样网络S₁，其输入信号为X₁[1]-X₁[nr]，其输出为Y₁[1]-Y₁[nr]。采样网络S₁由nr个编码的子网络构成，nr个编码的子网络依次为编码的子网络(1,1)-编码的子网络(1,nr)。编码的子网络(1,1)的输入信号为X₁[1]，其控制信号为cd_1,1[1：m]，其输出信号为Y₁[1]。编码的子网络(1,2)的输入信号为X₁[2]，其控制信号为cd_1,2[1：m]，其输出信号为Y₁[2]。以此类推，编码的子网络(1,nr)的输入信号为X₁[nr]，其控制信号为cd_1,nr[1：m]，其输出信号为Y₁[nr]。这里的控制信号cd_1,1[1：m]-cd_1,nr[1：m]均由采样网络S₁的总的控制信号CD₁[1：L]中分别引出。

以此类推，采样网络S_nr，其输入信号为X_nr[1]-X_nr[nr]，其输出为Y_nr[1]-Y_nr[nr]。采样网络S_nr由nr个编码的子网络构成，nr个编码的子网络依次为编码的子网络(nr,1)-编码的子网络(nr,nr)。编码的子网络(nr,1)的输入信号为X_nr[1]，其控制信号为cd_nr,1[1：m]，其输出信号为Y_nr[1]。编码的子网络(nr,2)的输入信号为X_nr[2]，其控制信号为cd_nr,2[1：m]，其输出信号为Y_nr[2]。以此类推，编码的子网络(nr,nr)的输入信号为X_nr[nr]，其控制信号为cd_nr,nr[1：m]，其输出信号为Y_nr[nr]。这里的控制信号cd_nr,1[1：m]-cd_nr,nr[1：m]由采样网络S_nr的总的控制信号CD_nr[1：L]中分别引出。

控制信号CD₁[1：L]，CD₂[1：L]，…，CD_nr[1：L]全部分别从控制信号CW[1：h]中引出。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

后置开关组SW1的输入信号为各采样网络的输出信号Y₁[1：nr]-Y_nr[1：nr]。其中，采样网络的输出信号Y₁[1]-Y_nr[1]，分别通过nr个后置开关SB_1,1-SB_nr，1编码为对应的输出信号O₁。以此类推，采样网络的输出信号Y₁[nr]-Y_nr[nr]分别通过nr个后置开关SB_1,nr-SB_nr，nr编码为对应的输出信号O_nr。这里所有的后置开关控制信号全部分别从控制信号CW[1：h]中引出。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

从上述描述可知，本发明实施例中，所述前置开关网络、采样网络以及后置开关网络构成阵列形式，可以通过对应的控制信号控制进行编码整合，使得模数转换器具有信号响应特性Hc，从而实现对整个MIMO信道的信道响应特性H的调节，从而可以增大MIMO通信系统的信道容量。

参考图9，图9为本发明实施例提供的一种编码的子网络的结构示意图，图9为nr个采样网络S₁，…，S_nr中任意一个编码的子网络(i,j)的一种可能的具体实施方式，i与j均为正整数，且i，j小于或等于nr。编码的子网络(i，j)一端与前置开关组SW1的对应的前置开关连接，另一端与后置开关组SW2的对应后置开关连接。

编码的子网络(i，j)包括：控制开关SR、可变电容C_i，j以及可变电阻R_i，j。所述可变电容C_i，j与所述可变电阻R_i，j均具有第一极和第二极。

其中，所述可变电容C_i，j的第一极与对应的前置开关连接，其第二极与对应的后置开关连接。所述可变电阻R_i，j的第一极与所述控制开关SR连接，其第二极与对应的后置开关连接。所述控制开关SR具有第一开关状态以及第二开关状态。当所述控制开关SR处于第一开关状态时，所述可变电阻R_i，j与对应的前置开关导通，当所述控制开关SR处于第二开关状态时，所述可变电阻R_i，j接地。

参考图10，图10为本发明实施例提供的另一种编码的子网络的结构示意图，图10所示实施方式等效为图9中控制开关SR将可变电阻R_i，j的第一极接地。

图10中，编码的子网络(i，j)包括：可变电容C_i，j以及可变电阻R_i，j；所述可变电容C_i，j与所述可变电阻R_i，j均具有第一极和第二极。其中，所述可变电容C_i，j的第一极与对应的前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接。所述可变电阻R_i，j的第一极接地，其第二极与对应的后置开关连接。

这里为了说明第i个低噪声放大器LNA_i的输出信号到第j个处理电路B_j的连接关系，其它通路的连接关系以此类推。

图10中，第i个低噪声放大器LNA_i的输出信号r_i输入到前置开关组SW1，前置开关网组SW1中对应的前置开关SA_i，j的输出信号X_i[j]输入到编码的子网络(i,j),编码的子网络(i,j)的输出信号为Y_i[j]，输出信号Y_i[j]直接输入到后置开关网络SW2，通过后置开关网络SW2连接到对应的处理电路B_j的输入端，同时处理电路B_j的输入端连接采样电容CS_j到地。

可变电容C_i，j和可变电阻R_i，j通过控制信号cd_i，j[1：m]来实现电容值和电阻值的变化。结合图5和图7可知，控制信号cd_i，j[1：m]、前置开关网络和后置开关网络的控制信号全部都从控制信号CW[1：h]中引出。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

当前置开关组SW1中对应的前置开关使得r_i和X_i[j]接通，同时后置开关组SW2中对应的后置开关使得信号O_j和信号Y_i[j]接通时，信号O_j和信号r_i之间的关系可表示为：

由(4)式可知，通过编码的子网络(i,j)，可以实现信号O_j和信号r_i之间复数的信号传递，也即，信号响应特性Hc中的矩阵元素Hc[i，j]可以实现复数形式。而空中无线信道响应特性Ha中的矩阵元素也可能是复数形式。那么，通过选择信号响应特性Hc中的矩阵元素的值，可以使得(3)式中的整个MIMO通信信道的信道响应特性H具备良好的性能，进而提高系统性能。具体的，通过调节可变电容C_i，j和可变电阻R_i，j可以改变信号响应特性Hc，结合空中无线信道响应特性Ha，可以使得信道响应特性H改变，通过改变控制信号CW[1:h]，选择信号响应特性Hc，使得信道响应特性H优化，从而使得MIMO通信系统的信道容量C增大。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

参考图11，图11为本发明实施例提供的又一种编码的子网络的结构示意图，图11所示实施方式等效为图9中控制开关SR将可变电阻R_i，j的第一极与对应的前置开关连接。

图11中，编码的子网络(i，j)包括：可变电容C_i，j以及可变电阻R_i，j。所述可变电容C_i，j与所述可变电阻R_i，j均具有第一极和第二极。其中，所述可变电容C_i，j的第一极与对应的前置开关连接，其第二极与对应的后置开关连接。所述可变电阻R_i，j的第一极与对应的前置开关连接，其第二极与对应的后置开关连接。

此时，可变电阻R_i，j两端分别连接X_i[j]和Y_i[j]。可变电容C_i，j和可变电阻R_i，j通过控制信号cd_i，j[1：m]来实现电容值和电阻值的变化。结合图5和图7可知，控制信号cd_i，j[1：m]、前置开关和后置开关的控制信号全部都从控制信号CW[1：h]中引出。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

当前置开关组SW1中对应的前置开关使得r_i和X_i[j]接通，后置开关组SW2中对应的后置开关使得信号O_j和信号Y_i[j]接通时，信号O_j和信号r_i之间的关系可表示为：

由(5)式可知，通过编码的子网络(i,j)，可以实现信号O_j和信号r_i之间复数的信号传递信号响应特性，也即，Hc中的矩阵元素Hc[i，j]可以实现复数形式。而空中无线信道响应特性Ha中的矩阵元素也可能是复数形式。那么，通过选择信号响应特性Hc中的矩阵元素的值，可以使得(3)式中的整个MIMO通信信道的信道响应特性H具备良好的性能，进而提高系统性能。具体的，通过调节可变电容C_i，j和可变电阻R_i，j可以改变信号响应特性Hc，结合空中无线信道响应特性Ha，可以使得信道响应特性H改变，通过改变控制信号CW[1:h]，选择信号响应特性Hc，使得信道响应特性H优化，从而使得MIMO通信系统的信道容量C增大。这里所述的控制信号CW[1:h]来自基带处理电路或其它控制电路。

由(4)和(5)式可知，要灵活实现信号响应特性Hc中所需的矩阵元素，就需要调整编码的子网络(i,j)中元器件的参数值，本发明图10和图11就是实现信号响应特性Hc中矩阵元素的两种方法。其它电路结构实现信号响应特性Hc中矩阵元素的方法也包含在本发明范围之内。

由(4)和(5)式可知，一种简单的方式是通过调整可变电容C_i，j和可变电阻R_i，j的值，就可以改变信号响应特性Hc中的矩阵元素Hc[i，j]的实部和虚部的值。进一步分析可知，(4)式的虚部是正值，(5)式的虚部是负值；(4)式和(5)式的实部都是正值。

设Hc[i，j]的值为a+bI，a和b为实数，I为虚数单位。a和b的值都有可能是正值或者负值，那么基于图10和图11实现Hc[i，j]方法如下表1所示。

表1响应特性H_c中的矩阵元素Hc[i，j]的实现方式

Hc[i，j]	实现方法
		a为正值，b为正值	用图10实现
a为正值，b为负值	用图11实现
		a为负值，b为正值	用图11实现，同时把差分信号两端交换位置。
a为负值，b为负值	用图10实现，同时把差分信号两端交换位置。

在通信接收机电路中，信号通路的差分电路实现是很常见的信号处理方式，用于提高信号的噪声抑制能力，表1中所述差分信号两端交换位置，是指使a和b的值由原来的正值转换为负值，或者由原来的负值转换为正值。综上可知，通过调整可变电容C_i，j和可变电阻R_i，j的值，并结合差分信号正端和负端的交换，就可以实现信号响应特性Hc中各种所需的Hc[i，j]值。

所述可变电容包括：q个子电容；q为正整数。所述子电容的第一端通过第一开关与所述可变电容的第一极连接，所述子电容的第二端与所述可变电容的第二极连接，且所述第一端与所述第二端通过第二开关连接。

参考图12，图12为本发明实施例提供的一种可变电容的结构示意图，可变电容C_i，j包括：q个子电容，q个第一开关以及q个第二开关。q个子电容依次为C₁-C_q。q个第一开关依次为s1_n-sq_n。q个第二开关依次为s1_p-sq_p。

可变电容C_i，j的两端分别为第一极VA和第二极VB；控制信号ccd[1:c]为来自于编码的子网络(i,j)的控制信号cd_i，j[1：m]。第一开关阵列s1_n，…,sq_n的一端全部连接到第一极VA。第一开关阵列s1_n，…,sq_n的另一端分别连接子电容阵列C₁，…，C_q的一端。第一开关阵列s1_n，…,sq_n的另一端还分别连接到第二开关阵列s1_p，…,sq_p的一端。子电容阵列C₁，…，C_q的另一端全部连接到第二极VB。第二开关阵列s1_p，…,sq_p的另一端也全部连接到第二极VB。通过控制信号ccd[1:c]选择第一开关阵列s1_n，…,sq_n和第二开关阵列s1_p，…,sq_p的开关，可以实现子电容阵列C₁，…，C_q的选择性并联，从而可以获得可变的电容值，也即实现可变电容C_i，j。需要说明的是，其它可变电容的电路结构也属于本专利的保护范围。

子电容C₁的第一端通过第一开关s1_n与所在可变电容的第一极VA连接，子电容C₁的第二端与所在可变电容的第二极VB连接，且子电容C₁的第一端与第二端通过第二开关s1_p连接。依次类推，子电容C_q的第一端通过第一开关sq_n与所在可变电容的第一极VA连接，子电容C_q的第二端与所在可变电容的第二极VB连接，且子电容C_q的第一端与第二端通过第二开关sq_p连接。

所述可变电阻包括：k个子电阻；k为正整数。所述子电阻的第一端通过第一开关与所述可变电阻的第一极连接，所述子电阻的第二端与所述可变电阻的第二极连接，且所述第一端与所述第二端通过第二开关连接。

参考图13，图13为本发明实施例提供的一种可变电阻的结构示意图，可变电阻R_i，j包括：k个子电阻，k个第一开关以及k个第二开关。k个子电阻依次为R₁-R_k。k个第一开关依次为s1_n-sk_n。k个第二开关依次为s1_p-sk_p。

可变电阻R_i，j的两端分别为第一极VA和第二极VB；控制信号rcd[1:r]为来自于编码的子网络(i,j)的控制信号cd_i，j[1：m]。第一开关阵列s1_n，…,sk_n的一端全部连接到第一极VA。第一开关阵列s1_n，…,sk_n的另一端分别连接子电阻阵列R₁，…，R_k的一端。第一开关阵列s1_n，…,sk_n的另一端还分别连接到第二开关阵列s1_p，…,sk_p的一端。子电阻阵列R₁，…，R_k的另一端全部连接到第二极VB。第二开关阵列s1_p，…,sk_p的另一端也全部连接到第二极VB。通过控制信号rcd[1:r]选择第一开关阵列s1_n，…,sk_n和第二开关阵列s1_p，…,sk_p的开关，可以实现子电阻阵列R₁，…，R_k的选择性并联，从而可以获得可变的电阻值，也即实现可变电阻R_i，j。需要说明的是，其它可变电阻的电路结构也属于本专利的保护范围。

子电阻R₁的第一端通过第一开关s1_n与所在可变电阻的第一极VA连接，子电阻R₁的第二端与所在可变电阻的第二极VB连接，且子电阻R₁的第一端与第二端通过第二开关s1_p连接。依次类推，子电阻R_k的第一端通过第一开关sk_n与所在可变电阻的第一极VA连接，子电阻R_k的第二端与所在可变电阻的第二极VB连接，且子电阻R_k的第一端与第二端通过第二开关sk_p连接。

本发明实施例所述的处理电路可以用任何满足奈奎施特定律要求的模数转换器结构来实现，可以使流水线结构的模数转换器结构、sigma-delta结构的模数转换器结构或其它结构的模数转换器结构。本发明实施例中的编码采样电路是为了实现信号响应特性Hc，用于和空中响应特性Ha配合，改善整体信道响应特性H，进而改善整体通信系统的性能。

通过对编码采样电路的控制可以实现对信号响应特性Hc的改变，结合空中响应特性Ha，可以改善整体信道响应特性H，进而改善整体通信系统的性能。本发明实施例对当前的移动通信网络在容量扩展和性能提高方面有很好的应用前景和价值。

现有MIMO通信系统的信道响应特性完全取决于空中的信道响应特性，不能人为改变MIMO通信系统的信道响应特性。而本发明实施例提出了通过改善MIMO通信系统的信道响应特性的构成来提高通信容量，进而改善通信系统性能创新性开拓。

本发明实施例以把MIMO通信系统的信道响应特性分为两部分为例说明，包括信号响应特性Hc和空中响应特性Ha。在其他实施方式中，可采用本发明技术方案思想将通信系统的信道响应特性分为两部分或更多部分，以实现改善整体信道响应特性H的目的，进而提高信道容量。

本发明实施例提供了具体结构的射频接收机，实现了通过射频接收机改善信号响应特性Hc，进而改善整体信道响应特性H的目的。通过射频接收机的模数转换器的位置前移进行信号响应特性Hc的改善，在其它部分的实现信号响应特性Hc的改善也属于本发明的范畴。

本发明实施例所述模数转换器具有编码采样电路来实现信号响应特性Hc，而本发明中的处理电路可以用任何满足奈奎施特定律要求的模数转换器结构来实现。本发明给出了信号响应特性Hc的复数值的实现方法，复数的实部可以是正值，也可以是负值。同时，复数的虚部可以是正值，也可以是负值。

本发明实施例还提供了一种MIMO通信系统的发射端，该发射端包括上述实施例所述的射频前端，射频接收机具有本发明实施例所述的具有编码采样电路的模数转换器。

本发明实施例还提供了一种MIMO通信系统的接收端，该接收端包括上述实施例所述的射频前端，射频接收机具有本发明实施例所述的具有编码采样电路的模数转换器。

本发明实施例还提供了一种MIMO通信系统，所述MIMO通信系统的射频接收机具有本发明实施例所述的具有编码采样电路的模数转换器，通过控制信号调节信号响应特性Hc，可以优化信道响应特性H，使得信道容量较大。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种MIMO通信系统的射频前端，其特征在于，包括：

天线；

低噪声放大器，所述低噪声放大器与所述天线连接；

模数转换器，所述模数转换器与所述低噪声放大器连接；

基带处理器，所述基带处理器与所述模数转换器连接；

其中，所述模数转换器包括：编码采样电路，所述编码采样电路与所述低噪声放大器连接，用于获取所述低噪声放大器输出的通信信号，并对所述通信信号进行编码整合；处理电路，所述处理电路与所述编码采样电路以及所述基带处理器连接，用于对编码整合后的通信信号进行信号滤波、信号混频以及信号量化；

所述编码采样电路包括：

前置开关网络，所述前置开关网络与所述低噪声放大器连接；

采样网络，所述采样网络与所述前置开关网络连接；

后置开关网络，所述后置开关网络与所述采样网络连接；

采样电容，所述采样电容的一端与所述后置开关网络以及所述处理电路连接，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的射频前端，其特征在于，所述前置开关网络包括：nr个前置开关，nr为正整数；

其中，所述nr个前置开关将所述前置开关网络所在通路分为nr个并联的支路。

3.根据权利要求2所述的射频前端，其特征在于，所述采样网络包括：nr个编码的子网络；一个所述编码的子网络对应连接一个所述前置开关。

4.根据权利要求3所述的射频前端，其特征在于，所述后置开关网络包括：nr个后置开关；

一个所述后置开关对应连接一个所述编码的子网络。

5.根据权利要求4所述的射频前端，其特征在于，所述编码的子网络包括：可变电容和可变电阻；所述可变电容与所述可变电阻均具有第一极以及第二极；

其中，所述可变电容的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述可变电阻的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接。

6.根据权利要求4所述的射频前端，其特征在于，所述编码的子网络包括：可变电容和可变电阻；所述可变电容与所述可变电阻均具有第一极以及第二极；

其中，所述可变电容的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述可变电阻的第一极接地，其第二极与所述后置开关连接。

7.根据权利要求4所述的射频前端，其特征在于，所述编码的子网络包括：控制开关、可变电容以及可变电阻；所述可变电容与所述可变电阻均具有第一极以及第二极；

其中，所述可变电容的第一极与所述前置开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述可变电阻的第一极与所述控制开关连接，其第二极与所述后置开关连接；所述控制开关具有第一开关状态以及第二开关状态；当所述控制开关处于第一开关状态时，所述可变电阻与所述前置开关导通，当所述控制开关处于第二开关状态时，所述可变电阻接地。

8.根据权利要求5-7任一项所述的射频前端，其特征在于，所述可变电容包括：m个子电容；m为正整数；

所述子电容的第一端通过第一开关与所述可变电容的第一极连接，所述子电容的第二端与所述可变电容的第二极连接，且所述子电容的第一端与所述子电容的第二端通过第二开关连接。

9.根据权利要求5-7任一项所述的射频前端，其特征在于，所述可变电阻包括：m个子电阻；m为正整数；

所述子电阻的第一端通过第一开关与所述可变电阻的第一极连接，所述子电阻的第二端与所述可变电阻的第二极连接，且所述子电阻的第一端与所述子电阻的第二端通过第二开关连接。

10.一种MIMO通信系统的发射端，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的射频前端。

11.一种MIMO通信系统的接收端，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的射频前端。

12.一种MIMO通信系统，其特征在于，包括：

如权利要求10所述的发射端；

如权利要求11所述的接收端。