CN109962721A - 一种用于软件无线电收发机的射频前端电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于软件无线电收发机的射频前端电路，其连接关系如下：发射机天线与第一单刀双掷开关处理电路相连接，接收机天线与第二单刀双掷开关处理电路相连接，带隙基准源电路分别与接收机射频前端电路和发射机射频前端电路连接，五线串行同步接口电路分别与可重构接收机射频前端电路、可重构发射机射频前端电路和带隙基准源电路连接；该电路能够实现时分复用和频分复用两种模式下的双工通讯，满足不同中心频率、信道带宽和发射功率的要求，并能为MIMO系统实现同步。

Description

一种用于软件无线电收发机的射频前端电路
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种用于软件无线电收发机的射频前端电路。
背景技术
在当今信息时代，信息的传递和交互已然成为人类社会生活的必不可少的组成部分。其中，无线通信作为通信领域中最为活跃的一类通讯方式，在人类生活的方方面面都得到了广泛的应用。为了满足消费者的不同需求，国际通信组织相继推出了不同的通信标准。面对种类繁多的标准，消费者更希望仅通过一个电子设备就能够支持不同的通信服务。
软件无线电（SDR）技术是一种新兴的无线通信系统架构，最早由军事通信技术发展而来，，其基本思想是利用现代化软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”，实现灵活的可重构，其中的关键技术难点之一就是收发机的射频前端电路。
射频前端作为软件无线电收发机中一个重要的部分，它所完成的功能就是利用变频技术，在射频开关的作用下与基带部分进行配合实现信号的全双工数据传输。图1为现有技术中射频前端的使用示例。该射频前端电路由功率放大器、带通滤波器和单刀双掷开关以及天线组成，通过单刀双掷开关分时选通上行之路和下行之路来实现数据收发的双工切换。由于接收机和发射机共用一个天线，这样导致无法实现全双工通讯。而且，该电路结构不能满足多个频段的通讯要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明设计一种用于软件无线电发射机和接收机的射频前端，能够实现时分复用和频分复用两种模式下的双工通讯，满足不同中心频率、信道带宽和发射功率的要求，并能为MIMO系统实现同步。
一种软件无线电收发机的射频前端电路，其连接关系如下：发射机天线与第一单刀双掷开关处理电路相连接，接收机天线与第二单刀双掷开关处理电路相连接，带隙基准源电路分别与接收机射频前端电路和发射机射频前端电路连接，五线串行同步接口电路分别与可重构接收机射频前端电路、可重构发射机射频前端电路和带隙基准源电路连接。
所述接收机射频前端电路由可配置低噪声放大器、第一数字衰减器、PIN二极管、功率放大器、第一巴伦变压器、可配置下变频器、第一可变增益放大电路和输出驱动电路串联构成；可重构接收机射频前端电路包含具有相同结构的I、Q两通道；可配置低噪声放大器将射频信号接收后进行放大，经过第一数字衰减器衰减之后在经过PIN二极管的限幅作用后送入功率放大器进行放大处理，经过巴伦变压器的转换送入可配置的下变频器将射频信号进行下变频，然后将I/Q信号依次送入超低失真ADC驱动电路，最后输出驱动电路将I/Q信号送入外接的基带信号处理器。
所述发射机射频前端电路由可配置的上变频器、第二数字衰减器、功率放大电路组成；基带信号通过增益缓冲器在驱动上变频器的输入负载的同时，将处理后的信号送入上变频器进行上变频，然后经过第二数字衰减器的处理，最后可配置功率预放大器将射频信号放大后送入天线发射；
所述五线串行同步接口电路通过接口：SDA、SCL、I2C_A0、I2C_A1、I2C_A5与外部的基带控制器相连接，其中，I2C_A0、I2C_A1、I2C_A5可以通过基带的控制选择接口芯片的地址线。
所述带隙基准源电路同时产生参考电压和参考电流。
所述可配置低噪声放大器的工作频段为100MHZ-3GHZ，其增益在20dB、10dB和0dB之间进行切换。
所述可配置功率放大器的工作频率为100MHZ-6GHZ，其增益在-20dB-5dB之间进行调节。
所述时分复用通过所述射频开关电路分时段的选通发射机天线和接收机天线来进行发射和接收，并且可以将接收到的信息再发射出去，此时为了提高发射与接收的隔离度，需要添加隔直元件。
所述频分复用采用由两个不同频段的滤波器构成的双工器来完成，通过滤波器选频实现接收和发射同时进行，并使其信号通路相互隔离。
所述第一数字衰减器和第二数据衰减器的衰减值为0.5dB、1dB、2dB、4dB、8dB和16dB，衰减精度为0.25dB，通过衰减器的配置，可以满足不同功率要求的发射机和接收机。
所述输出驱动电路由I通路、Q通路和与I通路和Q通路各自相连的四个反馈电阻和两个电流转换电阻和组成；其中I通路的的连接关系如下：所述匹配网络包括电感和电容组成的网络，差分输入端接入两个固定电阻，通过电容旁路和两级LC滤波后接入两个固定电阻，输入到驱动芯片的差分输入端，差分输入端接两个反馈电阻实时监测输入量，驱动芯片的输出端串接有两个固定电阻，通过电容旁路和LC滤波后并联电阻将电流转换成电压；Q通路的电路结构与I通路相同；发射机的输入驱动与输出驱动的电路结构相同。
一种用于软件无线电收发机的射频前端电路采用直接下变频和直接上变频系统架构，可以根据不同的应用环境，通过五线串行同步接口电路可以配置收发机射频前端电路性能，通过射频开关电路实现时分复用和频分复用模式下的双工通讯。并且，其接收机和发射机分别采用独立的外部本征信号源，射频信号中心频率覆盖50MHZ-2.2GHz，带宽支持5MHz、10MHz、20MHZ、30MHZ、40MHZ，对于那些要访问频率段在50MHz-2200 MHz范围内的应用，是理想的SDR设备，可以应用于WiFi，WiMAX，S波段收发器和2.4 GHz ISM频段收发器等。
附图说明
图1是本发明的电路结构图；
图2是本发明的射频前端电路示意图；
图3是射频前端处理电路的时分复用示例；
图4是射频开关电路结构图；
图5是输出驱动电路结构图；
图6是射频开关隔离电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图2所示，一种软件无线电收发机射频前端电路的连接关系如下：发射机天线与第一单刀双掷开关处理电路305相连接，接收机天线与第二单刀双掷开关处理电路301相连接，带隙基准源电路111分别与接收机射频前端电路和发射机射频前端电路相连接，五线串行同步接口电路110分别与可重构接收机射频前端电路、可重构发射机射频前端电路和带隙基准源电路111连接。
所述接收机射频前端电路由可配置低噪声放大器101、可配置数字衰减芯片102、PIN二极管103、第一可变增益放大电路104和巴伦变压器105、可配置下变频芯片106、ADC驱动电路107以及滤波器一108和109串联构成；可重构接收机射频前端电路包含具有相同结构的I、Q两通道；可配置低噪声放大器101将射频信号接收后进行放大，经过第一数字衰减器102衰减之后在经过PIN二极管103的限幅作用后送入第一可变增益功率放大器104进行放大处理，经过巴伦变压器105的转换送入可配置的下变频器106将射频信号进行下变频，然后将I/Q信号依次送入超低失真ADC驱动电路107，最后输出驱动电路将I/Q信号送入外接的基带信号处理器。
所述发射机射频前端电路由可配置的上变频器114、第二数字衰减器113、第二可变增益功率放大电路112组成；基带信号经过滤波之后送入上变频器114进行上变频，然后经过第二数字衰减器113的处理，最后可配置功率放大器112将射频信号放大后送入天线发射；
所述五线串行同步接口电路110通过接口：SDA、SCL、I2C_A0、I2C_A1、I2C_A5与外部的基带控制器相连接，其中，I2C_A0、I2C_A1、I2C_A5可以通过基带的控制选择接口芯片的地址线。
所述带隙基准源电路111可以同时产生参考电压和参考电流。
所述可配置低噪声放大器101的工作频段为100MHZ-3GHZ，其增益在20dB、10dB和0dB之间进行切换；
所述可配置功率放大器的工作频率为100MHZ-6GHZ，其增益在-20dB-5dB之间进行调节；
所述第一数字衰减器102和第二数据衰减器113的衰减值为0.5dB、1dB、2dB、4dB、8dB和16dB，衰减精度为0.25dB；
如图4所示，所述射频开关电路203由两个射频开关芯片301和305、双向稳压管302、肖特基二极管303、低通滤波器306组成，分时段的选通发射机天线和接收机天线来进行发射和接收，实现双工通讯；
如图6所示，所述射频开关隔离电路是在将接收到的信息再发射出去时，此时为了提高发射与接收的隔离度，需要添加隔直元件501、504、507；
如图5所示，所述输出驱动电路由I通路、Q通路和与I通路和Q通路各自相连的四个反馈电阻408、417、418、434和两个电流转换电阻412和439组成；其中I通路的的连接关系如下：所述匹配网络包括电感和电容组成的网络，差分输入端接入两个固定电阻401和425，通过电容旁路402和两级LC滤波403、403、423和406、406、421后接入两个固定电阻407和419，输入到驱动芯片的差分输入端，差分输入端接两个反馈电阻408和417实时监测输入量，驱动芯片的输出端串接有两个固定电阻410和416，通过电容旁路415和LC滤波411、413、414后并联电阻412将电流转换成电压；Q通路的电路结构与I通路相同；发射机的输入驱动与输出驱动的电路结构相同；
如图3所示，设计的应用于软件无线电的射频前端处理电路的时分复用示例。接收天线201接收信号和发射天线202发射信号在不同时间段工作，通过射频开关203实现切换。当接收机工作时，天线接收到的射频信号通过射频开关处理电路203送入接收通路，经过射频低通滤波器304滤除带外强干扰信号后送入软件无线电收发机射频前端电路，第一外置频率合成器204送入的本征信号将射频信号下变频后经过滤波和放大处理后送入外置的第一模数转换器205，其输出的量化数字信号最终送入基带进行处理。当发射机工作时，基带将数字信号通过第一数模转换器206变换为模拟信号送入软件无线电收发机射频前端电路，第二外置频率合成器207送入的本振信号将经过滤波和放大处理后的基带信号上变频，再由天线开关202后通过天线发射出去。

Claims (10)

1.一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：连接关系如下：发射机天线与第一单刀双掷开关处理电路相连接，接收机天线与第二单刀双掷开关处理电路相连接，带隙基准源电路分别与接收机射频前端电路和发射机射频前端电路连接，五线串行同步接口电路分别与可重构接收机射频前端电路、可重构发射机射频前端电路和带隙基准源电路连接。
2.根据权利要求1所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述接收机射频前端电路由可配置低噪声放大器、第一数字衰减器、PIN二极管、功率放大器、第一巴伦变压器、可配置下变频器、第一可变增益放大电路和输出驱动电路串联构成；可重构接收机射频前端电路包含具有相同结构的I、Q两通道；可配置低噪声放大器将射频信号接收后进行放大，经过第一数字衰减器衰减之后在经过PIN二极管的限幅作用后送入功率放大器进行放大处理，经过巴伦变压器的转换送入可配置的下变频器将射频信号进行下变频，然后将I/Q信号依次送入超低失真ADC驱动电路，最后输出驱动电路将I/Q信号送入外接的基带信号处理器。
3.根据权利要求1所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述发射机射频前端电路由可配置的上变频器、第二数字衰减器、功率放大电路组成；基带信号通过增益缓冲器在驱动上变频器的输入负载的同时，将处理后的信号送入上变频器进行上变频，然后经过第二数字衰减器的处理，最后可配置功率放大器将射频信号放大后送入天线发射。
4.根据权利要求1所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述五线串行同步接口电路通过接口：SDA、SCL、I2C_A0、I2C_A1、I2C_A5与外部的基带控制器相连接，其中，I2C_A0、I2C_A1、I2C_A5可以通过基带的控制选择接口芯片的地址线。
5.根据权利要求1所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述带隙基准源电路同时产生参考电压和参考电流。
6.根据权利要求2所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述可配置低噪声放大器的工作频段为100MHZ-3GHZ，其增益在20dB、10dB和0dB之间进行切换。
7.根据权利要求2所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述可配置功率放大器的工作频率为100MHZ-6GHZ，其增益在-20dB-5dB之间进行调节。
8.根据权利要求2所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述时分复用通过所述射频开关电路分时段的选通发射机天线和接收机天线来进行发射和接收，并且可以将接收到的信息再发射出去，此时为了提高发射与接收的隔离度，需要添加隔直元件；所述频分复用采用由两个不同频段的滤波器构成的双工器来完成，通过滤波器选频实现接收和发射同时进行，并使其信号通路相互隔离。
9.根据权利要求2所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述第一数字衰减器和第二数据衰减器的衰减值为0.5dB、1dB、2dB、4dB、8dB和16dB，衰减精度为0.25dB，通过衰减器的配置，可以满足不同功率要求的发射机和接收机。
10.根据权利要求1所述一种软件无线电收发机的射频前端电路，其特征在于：所述输出驱动电路由I通路、Q通路和与I通路和Q通路各自相连的四个反馈电阻和两个电流转换电阻和组成；其中I通路的的连接关系如下：所述匹配网络包括电感和电容组成的网络，差分输入端接入两个固定电阻，通过电容旁路和两级LC滤波后接入两个固定电阻，输入到驱动芯片的差分输入端，差分输入端接两个反馈电阻实时监测输入量，驱动芯片的输出端串接有两个固定电阻，通过电容旁路和LC滤波后并联电阻将电流转换成电压；Q通路的电路结构与I通路相同；发射机的输入驱动与输出驱动的电路结构相同。
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