CN117650795A - 一种并行多信号接收的射频前端的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种并行多信号接收的射频前端的实现方法，应用于一种射频前端电路，射频前端电路包括：依次连接的单刀多掷开关、三个多工器、增益控制模块和合路器模块；单刀多掷开关的输出端口每一时刻仅有一个端口导通；多工器内置多个带通滤波器；方法包括：将天线接收到的信号输入至单刀多掷开关中，以通过单刀多掷开关的输出端口将信号输入到其中一组多工器中进行滤波，得到滤波信号；将滤波信号输入至增益控制模块中进行射频信号处理，得到处理信号；将处理信号输入至合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号。本发明实现了收发全双工，并大大提高了抗互调干扰、抗阻塞干扰性能。

Description

一种并行多信号接收的射频前端的实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种并行多信号接收的射频前端的实现方法。

背景技术

无线自组网多个节点间互相通信一个典型的应用场景是，8个节点可以互相通信。任一时刻，8个节点都可以发射也都可以接收。对任一节点A来说，A发射时，需要同时接收其它7个节点的发射信号。

发射机输出信号通常是大功率信号，在产生大功率信号的过程中会在发射信号的频带之外产生较高的杂散、谐波以及功放放大的热噪声。如图1所示。

系统中同时有多个频率的信号发射，每个发射信号又有杂散、谐波及带外噪声。就会产生以下几个问题：杂散干扰、互调干扰和阻塞干扰。

杂散干扰是一个节点发射频段外的杂散、谐波、带外噪声等落到另外一个节点接收频段内造成的干扰。杂散干扰直接影响了另一个节点的接收灵敏度。杂散落入被干扰接收机的接收频带内，被干扰接收机是无法滤除的，必须在发射机的输出端口来控制杂散干扰。

互调干扰是两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的频率，从而对通信系统构成干扰的现象。其中三阶互调最为严重,比如f1、f2、f3三个信号，其中f1、f2的三阶互调产物2*f1-f2的频率正好为f3，如果互调产物高于f3的幅值-解调信噪比，则f3无法被解调。

表征三阶互调产物的主要非线性指标为IIP3。IIP3＝Pin+IMD3/2，其中Pin为器件的输入功率，IMD3为三阶互调产物与输功率的相对至。不管是有源器件还是无源器件，如放大器、混频器和滤波器都可能会产生非线性互调产物。

阻塞干扰是指当一个较大干扰信号进入接收机前端的低噪声放大器时，强干扰信号电平超出放大器的输入动态范围，将放大器推入到非线性区，导致放大器对有用的微弱信号的放大倍数降低，严重影响接收机对微弱信号的放大能力，影响系统的正常工作。

除此以外，不管是采用收发两根天线，还是采用环形器将接收机和发射机连接至同一根天线，两天线的有限隔离以及环形器的有限隔离，都会导致发射机发射的大信号会耦合到接收机输入端。到接收机输入端口的功率，通常是超过接收机动态范围的阻塞信号。因此需要必要的处理，以解决收发同时工作的问题。

对于接收机来说，需要应对互调干扰、阻塞干扰，并且具有收发全双工的功能，要求接收机对带外干扰信号、耦合到接收机的发射信号都有一定的抑制能力，同时具有较高的实时动态范围。

1.宽带接收机

宽带接收机即直接宽带接收所有信号的接收机，如图2所示。天线接收的信号，经宽带滤波器对带外干扰进行抑制后，由低噪声放大器进行放大，再进行后续的处理，比如滤波、增益控制等，然后输入到ADC进行采样。

宽带接收机只需要一个物理接收通道即可完成全频段接收，其结构简单；而且器件数量不会随着接收信道数量增加而增加，可扩展性较好。

其缺点是对关键处理器件性能依赖性高，特别是高速ADC。由于只有一个接收通道，多路信号无法独立处理，例如信号增益统一调整，接收信号的动态范围取决于ADC的性能。另外多路信号分离都在数字域完成，没有各路带通滤波器的协助，对数字处理芯片(主要是FPGA)的性能有很高要求。

1)收发全双工的实现

收发双工需要很高的动态范围，宽带接收机只有一个接收通道，动态范围取决于ADC的动态范围，无法实现收发双工需要的高动态范围。例如：假设发信号耦合到接收机输入端功率为10dBm，接收灵敏度为-102dBm，即接收机需要有-112dB的动态范围。而ADC无法满足这一动态范围，以ADC CX8242KA为例，在采样率为2000Msps时，0.8MHz带宽的动态范围约为92dB。

宽带接收机无法实现收发全双工。

2)抗阻塞干扰性能

宽带接收机输入为宽带滤波器，对于宽带带宽内的干扰信号没有抑制。例如工作频段为225MHz～678MHz，这个频带内的阻塞信号都会阻塞接收机。假设接收机增益为30dB，ADC的满功率输入为2dBm。合理设计链路指标分配，则可以保证小于-28dBm的信号不会阻塞接收机；高于-28dBm的信号会阻塞接收机，所以，宽带接收机抗阻塞干扰性能较差。

3)抗互调干扰性能

宽带接收机的抗互调干扰能力依赖于链路射频器件的非线性指标。宽带接收机的输入为宽带滤波器和放大器，所以以图3所示的链路为例进行三阶互调产物的计算。假设双音信号输入放大器，每个信号输入功率为10dBm，则输入到放大器的输入功率为Pin＝10dBm+3dB-2dB＝11dBm。放大器其OIP3＝45.8dBm，G＝7.9dB，所以其输出功率Pout＝Pin+G＝18.9dBm。OIP3＝Pout+IMD3/2，因此IMD3＝(45.8dBm-18.9dBm)*2＝53.8dBc。也就是放大器后三阶互调功率为-43.8dBm，等效到接收机输入端的功率为-49.7dBm，这个值相对于-105dBm(灵敏度-102dBm-解调信噪比，这里假设解调信噪比为3dB)还差很远。这里举例选用的放大器线性指标非常好，同时也有功耗高的问题。其它线性指标差的放大器，三阶互调产物还会更高。后续放大，放大器输出功率更高，三阶互调指标还会继续恶化。

宽带接收机的抗互调干扰能力也很差。

2.多通道独立机

多通道独立接收机，即每个信道独立接收一个信号。通常用功分器将信号分成不同的信道，每一路分别进行滤波放大等处理。由于多路功分插损较大，噪声系数会很高，因此通常会在功分前加低噪声放大器。其原理框图如图4所示。

假设工作频段为225MHz～678MHz，分成8个独立通道，每个通道带宽约为(678-225)/8＝57MHz。

1)收发全双工的实现

通过多路功分，每一路分别滤波并独立控制增益，增加了接收机的动态范围。

仍然假设ADC采用CX8242KA。CX8242KA的动态范围为92dB，实际为了保证接收机噪声系数较小，也就是保证ADC本身的噪声功率对信道总的噪声功率贡献较小，射频链路输入到ADC的噪声功率会高于ADC本身的噪声功率，所以可用的动态范围要低于92dB，这里假设为80dB。则射频链路需要提供112dB-80dB＝32dB的可调动态范围，即可实现收发全双工。

八个独立通道。假设发射频率在通道滤波器的通带内时，通过合理的器件选型，并配合增益控制手段，保证该通道不饱和。发射频率在通道滤波器的通带外时，滤波器对发射信号有一定的抑制，也可以保证发射信号不阻塞接收机。

通过将多路信号分成独立通道分别滤波并控制增益，多通道独立接收机可以实现收发双工。

2)抗阻塞干扰性能

多通道独立接收机将信道分为多个子信道，每个子信道可以独立控制增益，提高了接收机的动态范围，同宽带接收机相比，也就一定程度的提高了信道抗阻塞干扰的能力。

3)抗互调干扰性能

多通道独立接收机输入端是宽带滤波器和低噪声放大器，其三阶互调产物同对图3的分析计算。放大器之后，链路分成了多个子段，每个子段约57MHz带宽，带外信号被一定程度的抑制，所产生的的互调产物也就大大减小。多路滤波后，对放大器的线性水平要求降低。

多通道独立接收机的抗互调干扰性能优于宽带接收机，主要取决于第一级放大器的线性指标。

3.基于跳频陷波器的接收机方案

宽带接收机无法实现收发全双工。在宽带接收机的基础上，加入跳频陷波器，跳频陷波器调谐到陷波中心频率为发射信号频率，以抑制发射信号，从而实现收发全双工。基于跳频陷波器的射频前端的原理框图如图5所示。

1)收发全双工的实现

基于跳频陷波器的接收机利用跳频陷波器解决了宽带接收机全双工的问题。

2)抗阻塞干扰性能

为了实现收发全双工，跳频陷波器的中心频点需要调谐在发射频率，对发射频率附近信号有一定的抑制，对于其它频段信号没有抑制，所以其抗阻塞干扰性能与宽带接收机基本相同。

3)抗互调干扰性能

大功率跳频陷波器的IIP3线性指标优于放大器的相应指标，所以基于跳频陷波器的接收机的抗干扰能力与宽带接收机一致。抗干扰能力较差。

综上，宽带接收机形式简洁，无法实现收发全双工；抗互调、阻塞干扰性能取决于链路中器件的线性指标，均较差。多通道独立接收机将宽带信号分成多个独立信道，分别滤波并增益控制，增大了链路的动态范围，可以实现收发全双工；抗互调、抗阻塞干扰性能均有所提高，但第一级放大器的线性指标会限制其抗干扰性能。基于跳频陷波器的射频前端，在宽带接收机的基础上增加了跳频陷波器。可以实现收发全双工；抗阻塞、抗互调干扰的性能还与宽带接收机基本相同。

总结以上，三种形式的方案抗互调干扰的能力都较差。多通道独立接收机的抗干扰性能由于将工作频率分为多个子段，分别滤波而有所提高，但仍然受限于第一级的放大器的线性指标。因为第一级放大器需要处理整个频段内多路接收信号和可能存在的各种干扰信号，会产生很多互调产物。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种并行多信号接收的射频前端的实现方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种并行多信号接收的射频前端的实现方法，应用于一种射频前端电路，所述射频前端电路包括：依次连接的单刀多掷开关、三个多工器、增益控制模块和合路器模块；所述单刀多掷开关的输出端口每一时刻仅有一个端口导通；所述多工器内置多个带通滤波器；

所述方法包括：

将天线接收到的信号输入至所述单刀多掷开关中，以通过所述单刀多掷开关的输出端口将所述信号输入到其中一组所述多工器中进行滤波，得到滤波信号；

将所述滤波信号输入至所述增益控制模块中进行射频信号处理，得到处理信号；

将所述处理信号输入至所述合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号。

优选地，在将所述处理信号输入至所述合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号之后，还包括：

对所述最终信号进行信号处理，以使所述最终信号的大小在ADC的动态范围之内，并输入到8个ADC进行采样。

优选地，所述单刀多掷开关为单刀三掷开关；所述多工器为八工器。

优选地，所述增益控制模块包括单刀双掷开关、低噪声放大器和50欧姆负载；所述低噪声放大器和所述负载分别连接在所述单刀双掷开关的两个输出端口。

优选地，所述增益控制模块的控制方式包括：

当滤波信号小于设定阈值时，将所述单刀双掷开关切至低噪声放大器通路正常放大；当滤波信号大于设定阈值时，将所述单刀双掷开关切至50欧姆负载。

优选地，所述增益控制模块包括单刀双掷开关对、低噪声放大器和衰减器；所述单刀双掷开关对的一路与低噪声放大器连接，所述单刀双掷开关对的另一路与所述衰减器连接。

优选地，所述增益控制模块为低噪声放大器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种并行多信号接收的射频前端的实现方法，应用于一种射频前端电路，所述射频前端电路包括：依次连接的单刀多掷开关、三个多工器、增益控制模块和合路器模块；所述单刀多掷开关的输出端口每一时刻仅有一个端口导通；所述多工器内置多个带通滤波器；所述方法包括：将天线接收到的信号输入至所述单刀多掷开关中，以通过所述单刀多掷开关的输出端口将所述信号输入到其中一组所述多工器中进行滤波，得到滤波信号；将所述滤波信号输入至所述增益控制模块中进行射频信号处理，得到处理信号；将所述处理信号输入至所述合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号。本发明实现了收发全双工，并大大提高了抗互调干扰、抗阻塞干扰性能。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的发射机发射信号的杂散、谐波及噪声示意图；

图2为本发明实施例提供的宽带接收机原理框图；

图3为本发明实施例提供的宽带接收机抗互调干扰性能计算示意图；

图4为本发明实施例提供的多通道独立接收机的原理框图；

图5为本发明实施例提供的基于跳频陷波器的射频前端的原理框图；

图6为本发明实施例提供的实现方法的步骤流程图；

图7为本发明实施例提供的采用多工器实现多信号接收的射频前端的电路框图；

图8为本发明实施例提供的采用功分器、单刀双掷开关和六工器实现的射频前端的电路框图；

图9为本发明实施例提供的采用单刀双掷开关管对实现增益控制的示意图。

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。

本发明的目的是提供一种并行多信号接收的射频前端的实现方法，能够实现收发全双工，并大大提高了抗互调干扰、抗阻塞干扰性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图6为本发明实施例提供的实现方法的步骤流程图，如图6所示，本发明提供了一种并行多信号接收的射频前端的实现方法，应用于一种射频前端电路，射频前端电路包括：依次连接的单刀多掷开关、三个多工器、增益控制模块和合路器模块；单刀多掷开关的输出端口每一时刻仅有一个端口导通；多工器内置多个带通滤波器；

方法包括：

步骤100：将天线接收到的信号输入至单刀多掷开关中，以通过单刀多掷开关的输出端口将信号输入到其中一组多工器中进行滤波，得到滤波信号；

步骤200：将滤波信号输入至增益控制模块中进行射频信号处理，得到处理信号；

步骤300：将处理信号输入至合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号。

如图7所示，天线接收到的信号，首先接入单刀三掷开关SP3T，单刀三掷开关的三个输出端口连接三个八工器Multiplexer_8。八工器是一个一分八的网络，内置八个带通滤波器，将信号分成八路并分别滤波。通过单刀三掷开关将接收信号切换至其中一组多工器，由多工器滤波后分别进行射频信号处理，包括增益控制、放大、滤波等功能。

信号经八工器滤波后接入单刀双掷开关，单刀双掷开关的两个输出端口，一个输出端口接50欧姆负载，另一个端口接低噪声放大器。当信号较小时，开关切至低噪声放大器通路正常放大；当信号较大，会阻塞信道时，开关切至50欧姆负载。信号会因为两端口之间存在泄露的原因泄露到低噪声放大器通路。比起其它可能的增益控制形式，比如数控衰减器，射频单刀双掷开关的损耗较小。即用较小的损耗完成信道的增益控制功能。

单刀双掷开关之后是低噪声放大器，用以完成对小信号的放大。之后是后续需要的处理，比如滤波、放大、进一步的增益控制等。最后由8个单刀三掷开关SP3T对通道进行合路，继续处理，例如放大、滤波等，保证信号的大小在ADC的动态范围之内，输入到8个ADC进行采样。

单刀三掷开关的输出端口每一时刻只有一个端口导通，所以同一时刻有八个通道同时工作。如果系统需求同时八路信号并行接收，则每一个通道只处理一路有用信号。假设工作频率为225MHz～678MHz，分成了3*8＝24个独立通道。每个通道约19MHz带宽。每个通道的带宽更窄，相当于八个窄带独立接收机。在滤波之前没有放大器，抗干扰性能更强。

上述方案不限于单刀三掷开关和八工器的组合，也可以采用其它的单刀多掷开关配合其它路的多工器，或者开关、功分器和多工器的配合，如图8所示，利用功分器Powerdivider、单刀双掷开关SPDT和六工器Multiplexer_6，同样能够实现本实施例中的技术方案和效果。

单刀三掷开关合路成8路信号后，可以利用合路器等器件合路，以减少ADC器件使用的数量，可以简化电路、降低功耗。

并行接收信号数增加时，数字域可以支持多通道接收，而保持链路的规模不变。即图5所示的链路也可以实现并行16路接收，并行32路接收等等。当并行16路接收时，每个通道处理2个有用信号；当并行32路接收时，每个通道处理4个有用信号。

多工器后用单刀双掷开关来实现增益控制，也可以采用其它形式的增益控制，比如用单刀双掷开关对，一路接低噪声放大器，一路接衰减器，如图9所示。

或者多工器后直接低噪声放大，而在之后进行增益控制的。

本发明的有益效果如下：

1)收发全双工的实现

同多通道独立接收机类似，基于多工器的射频前端方案利用多工器将信号分多路，分别滤波，并独立进行增益控制，扩大了接收机的动态范围，可以实现收发全双工。

当发射频率在通道滤波器通带范围内时，利用单刀双掷开关控制通道降低增益，即将单刀双掷开关切至50欧姆，提供一定的衰减，配合合理的器件选型，可以保证耦合到接收机输入端的发射信号不会阻塞接收机。

当发射频率在某通道滤波器的阻带范围内时，多工器内的滤波器对发射信号有一定的抑制，同样可以保证发射信号不会阻塞接收机。

基于多工器的射频前端可以实现收发全双工。

2)抗阻塞干扰能力

基于多工器的射频前端每个子通道的带宽更窄，通带内的干扰信号更少。

当阻塞信号在通道滤波器通带外时，滤波器会对信号有一定程度的抑制，接收机抗阻塞干扰的能力因此加强。

当阻塞干扰在信道滤波器通带内时，由于通道可以独立控制增益，开关切至50欧姆，对信号提供了衰减，保证信号不会阻塞接收机，其抗阻塞性能也因此增强。

3)抗互调干扰能力

信号输入接收机后直接利用多工器分成多路，窄带滤波。窄带滤波对带外的有用信号和干扰信号都有一定程度的抑制，带外信号功率下降，其后对信号进行低噪声放大时，可能产生的互调产物也大大降低。抗互调干扰能力大大加强。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，应用于一种射频前端电路，所述射频前端电路包括：依次连接的单刀多掷开关、三个多工器、增益控制模块和合路器模块；所述单刀多掷开关的输出端口每一时刻仅有一个端口导通；所述多工器内置多个带通滤波器；

所述方法包括：

将天线接收到的信号输入至所述单刀多掷开关中，以通过所述单刀多掷开关的输出端口将所述信号输入到其中一组所述多工器中进行滤波，得到滤波信号；

将所述滤波信号输入至所述增益控制模块中进行射频信号处理，得到处理信号；

将所述处理信号输入至所述合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号。

2.根据权利要求1所述的并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，在将所述处理信号输入至所述合路器模块进行信号通道合路，得到合并后的最终信号之后，还包括：

对所述最终信号进行信号处理，以使所述最终信号的大小在ADC的动态范围之内，并输入到8个ADC进行采样。

3.根据权利要求1所述的并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，所述单刀多掷开关为单刀三掷开关；所述多工器为八工器。

4.根据权利要求1所述的并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，所述增益控制模块包括单刀双掷开关、低噪声放大器和50欧姆负载；所述低噪声放大器和所述负载分别连接在所述单刀双掷开关的两个输出端口。

5.根据权利要求4所述的并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，所述增益控制模块的控制方式包括：

当滤波信号小于设定阈值时，将所述单刀双掷开关切至低噪声放大器通路正常放大；当滤波信号大于设定阈值时，将所述单刀双掷开关切至50欧姆负载。

6.根据权利要求1所述的并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，所述增益控制模块包括单刀双掷开关对、低噪声放大器和衰减器；所述单刀双掷开关对的一路与低噪声放大器连接，所述单刀双掷开关对的另一路与所述衰减器连接。

7.根据权利要求1所述的并行多信号接收的射频前端的实现方法，其特征在于，所述增益控制模块为低噪声放大器。