CN1284824A - 基站收发信机子系统的模块化和分布构造 - Google Patents

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Abstract

一种基站收发信机子系统,被分为两个单元。假定第一个是远程无线电单元,具有收发信机/RF前端和其它RF相关电路,同时假定第二个是主单元,对整个子系统提供基带信号处理、监视和控制。无线电单元置于靠近天线,以使子系统的RF性能最大,同时也获得来自该结构的其它优点。

Description

基站收发信机子系统的
模块化和分布构造
依据标题(Tit1e)35美国法119(e),本申请要求在1997年9月9日提交的No.60/058,228号美国临时申请的利益。
本发明涉及无线通信系统,尤其涉及用于码分多址(CDMA)网络中的基站收发信机子系统。
图1是图示现有技术的无线通信系统的方框图。从图1可以看出,无线通信系统包括移动台10、基站20、反向链路30和前向链路40。反向链路30表示从移动台10到基站20发送的电磁波通信链路,前向链路40表示从基站20到移动台10发送的电磁波通信链路。
图2是示出现有技术的小区格(grid)和小区站。在基于蜂窝原理的无线通信系统中,服务区域49被地理上分为几个小区域50、52、54、56,称为“小区”。在每个小区中有小区站58、60、62、64,其中安装了称为基站收发信机子系统(BTS)的无线电设备。可以在特定地理区域内提供诸如宏小区、微小区和微微小区的多小区布局,以实现分级覆盖范围。(其中宏小区提供最大的覆盖范围,而微微小区提供最小的覆盖范围。)微微小区可以被用于提供覆盖建筑物内部、覆盖特定区域(校园、体育馆、机场和商业区)、临时覆盖特定事件或自然灾害击中的区域、覆盖在外的遥远地带、用填空来补充宏小区或微小区、或增强热点的能力。图3是现有技术的连接到陆线公用电话交换网(PSTN)68的无线系统网络的方框图。如图3所示,BTS 66提供到移动用户(或移动台)10的链路。每个BTS 66通常可以包括两个或多个天线67,可以是全向天线或方向性天线。全向天线配置提供360°的覆盖范围,而方向性天线配置提供少于360°的覆盖范围,跨越的区域称为扇区。例如,在普通的方向性配置中,可以有两个或三个扇区,这样两个扇区配置的每个扇区通常提供180°的覆盖范围,三个扇区配置的每个扇区通常提供120°的覆盖范围。为了满意地接收和发送,每个扇区通常至少需要两个天线,用于分集接收。
继续图3的描述,每个BTS 66连接到基站控制器(BSC)70(多个BTS 66可以连接到单个BSC 70)。同样,每个BSC 70连接到移动交换中心(MSC)72,MSC 72再连接到PSTN 68。
图4是现有技术的BTS的功能方框图。如图4所示,传统的BTS 66通常包括四个主要的功能块,用于每个扇区覆盖范围:RF前端74、多个收发信机76、多个调制解调器处理器78和控制器80。控制器80经T1或E1线81与BSC 70接口,RF前端74连接到天线67,天线67通常安装在图5所示的塔或柱82的顶部。图5示出了连接到顶部安装了天线的塔的室外地面BTS。
在典型的系统中,如图4所示,BTS 66的四个主要功能块是包含在一个实体箱或壳内,其靠近在地面的柱(或塔)82。长同轴线缆84然后伸展到安装了天线67的柱82的顶部。线缆长度通常从50英尺到200英尺,依各种安装情况而定。这么长的线缆带来了不希望的功率损耗。相应地,大约到1英寸直径的粗的同轴线缆被用来使线缆功率损耗最小化,通常是大约2到4dB,因为在线缆中的这一损耗降低了接收机的灵敏度,减少了传输功率,所以使该功率损耗最小化是重要的。
图5示出了经长线缆84连接到支撑结构82顶部的天线67的现有技术BTS单元66。图6是另一个现有技术的已知的BTS结构的框图,塔顶安装了RF前端模块,该模块由低噪声放大器(LNA)和功率放大器(PA)74(以下称为LNA/PA单元74)组成。在该结构中的线缆功率损耗不象前面提到的结构那样要求高,因为功率损耗可以用附加放大来补偿。然而,仍然需要使用较粗的线缆,因为在BTS 66中的LNA/PA单元74和收发信机76之间的信号是高频/射频(RF)信号。还有其它与在LNA/PA单元74和BTS 66之间发射的RF信号相关联的问题,比如功率损耗、系统噪声和机械杂波。另外,可能需要在RF前端模块和/或收发信机两者或之一中的附加的复杂电路,以便自动补偿由于变化的线缆长度在不同安装情况下引起的宽范围的线缆损耗。在运行的RF频率被分配在增高的频带中时,这些问题变得更加严重。即个人通信系统的情况,诸如CPCS。
换言之,随着线缆84的长度的增加,或者随着通过线缆84发射的频率的增加,在LNA/PA单元74和BTS 66之间的功率损耗增加。这样,用于连接LNA/PA单元74到BTS 66的长线缆84(一般超过150英尺,有时甚至超过300英尺)带来了大的功率损耗。例如,当在线缆中有3dB损耗时,在基站收发信机单元中的100W功率放大器仅在天线发射50W的功率。在线缆中的功率损耗也对接收不利,减少了接收机检测接收信号的能力。同样,在以高频运行个人通信系统(PCS)时,BTS 66中的LNA/PA单元74和收发信机76之间的线缆84中的功率损耗增加了。这样,在发射和接收通路上发生的RF线缆损耗导致劣于所希望的传输效率和低于所希望的接收机灵敏度,使得必须使用相对较粗(高导电率)的同轴线缆,以使损耗最小化。
通过接地环路、磁耦合或多塔单元产生的噪声可以产生问题。在这些应用中,通常有一个或多个大同轴线缆,它们从天线67运送RF信号到基站66。与该基站相关联的RF频率使得在同一同轴线缆上对RF信号双工很困难,因而通常仅有单个信号在单个同轴线缆中传播。这样,这些RF信号不能被集束(bundle)或双工,因而每个信号需要独立的线缆,每个线缆需要独立的连接器。同轴线缆84的RF信号屏蔽在同轴线缆84的两端接地。一端接地到BTS的底座,BTS接地到地87,而RF信号屏蔽的另一端通过编织带或线缆82接地到LNA/PA单元74机座。不利的是,这产生了接地环路。该接地环路可能在信号通路由于同相相加的共模电流引起噪声,也可以引起磁耦合。另外,因为每个塔顶单元产生噪声,使用多塔顶单元成为噪声产生的原因之一。
在一些需要的容量较高的小区站中,需要传输多于一个的RF载波信号。每个扇区的多个RF载波的传输通常需要每个扇区的对应数目的发送天线,除非进行特定的工作,以在RF耦合到天线之前组合多个RF载波。每个扇区的单组天线可以在接收侧由多个RF载波接收共享。
用于减少多个RF载波发送需要的发送天线数目的传统技术如图7和图8所示。在图7的现有技术中,载波用高功率组合器组合。在图8的现有技术中,载波以低功率组合,然后组合的信号由多载波放大。
两种设计都不是很适合在小型BTS系统中使用。这样,需要使从BTS到天线的功率损耗最小化的BTS系统,其能够每个扇区/每个天线发送多个RF载波。
本发明提供了一种BTS,它具有:无线电单元(RU),置于非常靠近于天线安装的地方;主单元(MU),连接到RU或远离RU;和一个或多个天线,连接到RU。可以有多个RU,连接到一个MU,该MU以同一频率或以不同频率运行。
另外,本发明的示例性实施例提供的BTS包括:(a)MU,具有控制器模块和信道元件模块,用于CDMA信号的基带信号处理;(b)RU,具有收发信机模块以及电连接到该收发信机模块和天线的功率放大器;和(c)通过一定长度的运送低频信号(例如,基带和/或IF信号)的线缆连接到RU的MU。在RU中的收发信机模块可以包括发送器电路、接收器电路和合成器电路,或者电连接到收发信机单元模块的低噪声放大器(LNA)。天线接口模块可以包括双工器模块,或者功率放大模块和接收器滤波器模块。
另外,BTS可以包括:(a)MU,具有信道元件模块,它提供用于连通的接口到各RU之一;和(b)RU,有收发信机模块和天线接口模块。
另外,主单元模块还可以包括功率系统组件(电源和后备电池)、时间和频率模块、和温度管理组件。RU也可以包括局部控制器模块和DC转换和调节器模块。收发信机模块还可以包括发送器电路和两个接收器电路,用于分集接收。另外,RU可以包括天线接口模块,该模块可以包括接收滤波器电路和双工器电路,双工器电路包括组合入单个小室的发送和接收滤波器电路。
本发明提供了一BTS,由多至三个的RU和一个MU组成,RU可以位于远离MU的地方。RU主要包括收发信机和RF前端。收发信机又包括上变换器(up-converter)、下变换器(down-converter)、合成器、低噪声放大器和发送放大器。另外,RU包括由双工器、接收器滤波器和功率放大器组成的天线接口单元。MU包括多至四个信道卡、RU的接口卡、控制器卡、时间和参考频率卡、功率系统组件和热量管理组件。
本发明的结构实际上将在RU中的RF元件和其从属元件与在MU中的基带元件及其其它共享元件相分离,每个扇区一个RU,MU支持多至三个RU。
该结构有很多优点,其中一些如下:
其结果是小型RU可以被容易地安装在天线附近,借此实质上抑制了线缆损耗。线缆损耗降低了接收器灵敏度,减少了发送功率。从而本发明允许相对较低功率的PA,和提供了等同于用于传统BTS的较高功率PA的发送功率电平。
在RU中包括了收发信机,这允许对MU的更低频率接口,一直低到DC,而不象在现有技术中使用的RF接口。更低频率接口意味着在线缆中的低损耗,这就允许在RU和MU之间使用便宜和小直径的互连线缆。
RF元件和其附属元件的分离也使得更容易修改BTS设计,以支持不同的RF运行环境或状况,在不同的频带和不同的发送功率电平下,仅RU需要修正,而可以使用相同的MU。结果也是小型MU,易于处置和安装。这是因为没有RF元件,需要的空间更小,同时在MU中要降温的热负载更小。
该结构也允许BTS的构造支持全向或扇区运行,或者随着业务要求上升,从全向运行升格到扇区运行。在各扇区间需要支持更软切换的CDMA系统中这尤其重要。对于全向的构造,仅需要一个RU。对于两个或三个扇区构造,分别需要两个或三个RU。三个RU在三个扇区构造中可以在同一频率下运行,或者在三个载波全向构造中可以在不同频率下运行。
本发明也允许另一组三个连接到其自己的MU的RU与同一天线的连通性,而无需使用组合器。
本发明的一些优点、特点和相似特征如下:
1.通过将收发信机模块置于RU中,靠近低频的信号可以从收发信机模块到MU。在接收侧,收发信机模块将高频信号转换为低频信号,在发送侧,收发信机模块将来自MU的低频信号转换为高频信号用于发送。这样,仅频率信号在RU和MU之间通过,在连接两个单元的线缆中功率损耗最小化。使得可以使用较小直径,较便宜的线缆。
2.因为合成器离信道处理元件位置远,消除了接地环路,因此,发送和接收的信号所受的噪声较传统系统小得多。
3.从MU除去收发信机子系统的另一个优点是,所得到的MU尺寸上小多了,重量也更轻。这表现为更容易安装和维护,易于满足严苛的运行任务或严苛的环境条件的技术要求。另外,更小尺寸和更轻重量的BTS特别适于微微小区应用和微小区应用,其中比宏小区需要更大量的BTS。
4.随着整个发送功能度包容在RU中,RU仅接收发送的数据的基带信号,进行在RU的所有上变换和放大。不需要将高损耗RF信号送到RU,与RF信号必须经过柱长度的单元相比,允许RU以更高效率运行。
5.因为上转换在RU中进行,直接调制减少了发送信号线的复杂度,与将发送信号引上柱、然后再次上变换为RF信号的系统相比,大大减少了成本。与现有技术相比,在本发明中需要的RF部件少得多。
6.可以在工厂进行输出功率校准,RU可以程序设定为用于任何MU。RU将在局部存储器中存储全功率设定,以及减少的功率设定,从而代替了在BTS,从RU就可以调节小区大小。
7.可以在RU中而不是在BTS中完成涨落(wilting and blossoming)衰减。
8.在RU中执行功率控制的检测,更重要的是,功率控制的检测可以被用于验证整个信号发送通路的完整性。先前,在PA被安装在柱上的单元中输出功率衰减可以被检测,但是操作者不能确定问题在PA模块还是在MU中。
9.整个RU或MU可以被重置,系统升格可以更容易地完成。另外,因为相同的元件被一起构造,与传统的BTS单元相比,板或器件水平的升格也可以更容易地完成。
在参考下文的附图和详细说明之后,本领域的普通技术人员将更加清楚本发明的这些和其它优点。
结合附图,参考下面的详细描述,将对本发明的方法和装置更彻底地理解,附图中:
图1图示了现有技术的无线通信系统结构;
图2是现有技术的小区格和小区站的图示;
图3是现有技术的连接到陆线PSTN的基站系统(BTS)的方框图;
图4是现有技术的BTS的功能方框图;
图5示出了连接到安装了天线的塔顶部的地面BTS;
图6是现有技术的塔顶结构的框图;
图7是示出现有技术中用于使用一个天线支持多个收发信机的组合器方法的方框图;
图8是示出现有技术中用于使用一个天线支持多个收发信机的组合器/多载波方法的方框图;
图9是整个本申请中使用的微微BTS首字母缩略语的列表;
图10示出根据本发明的实施例连接到安装在柱上的天线的基站系统;
图11是示出根据本发明的实施例用于全向构造的基站收发信机子系统结构的方框图;
图12是示出根据本发明的实施例用于三扇区构造的基站收发信机子系统结构的方框图;
图13是根据本发明的实施例的BTS的功能方框图,附带示出所选择的子系统;
图14是示例BTS的模块级方框图;和
图15是适应两个天线的收发信机/RF前端模块的本发明的替换实施例的方框图。
在下面的描述中,本发明的示例性优选实施例描述的是微微基站收发信机子系统结构(图9提供了整个本申请中使用的微微BTS首字母缩略语的列表,它们是本领域的技术人员所熟知的)。然而,应该理解本发明可以被应用到无线通信系统中的任何基站收发信机子系统,包括但不限于宏和微基站收发信机子系统。
图10示出了构成根据本发明的示例性实施例的基站收发信机子系统(BTS)结构的基础的基本思想,BTS被分为两个单元,微微BTS无线电单元110和微微BTS主单元105。在图10所示的示例系统中,微微BTS包括微微BTS包括微微BTS结构100,它被分为微微BTS主单元(“主单元系统”,PMU或MU)105和微微BTS无线电单元(“无线电单元”,PRU或RU)110。PMU105可以如所示位于柱、塔或其它支撑结构115的基部,PRU110可以通过至少一个安装在柱上的天线120发送和接收信号,经多条导线122,包括同轴线缆,与PMU 105通信。
本发明的实施例在图11中的高级方框图中被陈述为全向结构。PRU110可以通过导线或线缆122被末端地连接到PMU。在PRU110和PMU 105之间的距离或间距可以是从大约5英尺到多于350英尺(当前的系统一般间距大约150英尺)。这就足够了,由于PMU 105被设计成放在塔建筑物、柱或其它支持结构115的底部,而PRU110被置于接近天线的顶部。为了发送和接收信号,PRU110如所示被连接到一个,但通常是连接到至少两个安装了天线120的塔顶。
导线或线缆122可以包括在PRU110和PMU 105之间的光缆。光缆将增加在PMU和RMU之间的可允许距离,因为光信号比电信号在例如同轴线缆中损耗少。
图12示出根据本发明的示例性实施例的用于三扇区配置的BTS结构。应该注意,需要被复制的硬件系统仅在PRU110中被复制。这样,PMU能够与1、2、3或可能的更多PRU接口。
图13是图示PRU110和PMU 105的示例元件的方框图。可以看到,PRU110包括收发信机模块155,连接到天线接口组件160。天线接口组件160连接到天线120。
PRU110通过一组线缆122连接到PMU 105,线缆122在PMU 105中终止在发送和接收接口135(T/R接口),发送和接收接口135连接到信道元件130。信道元件130是CDMA信号调制和解调的地方。PMU 105也可以包含全球定位接收器(GPS RCVR)140,它提供精确时钟和频率信号到主控制器模块125、信道元件130、T/R接口135和PRU。同样在PMU 105内是功率系统145和温度控制子系统150。图14提供了PRU110和PMU 105子系统的附加细节。如图14所示,每个PRU110主要包括两个模块:收发信机模块155(XCVR)和天线接口模块160(AIF)。然而,这些模块可以被组合在一个或多于一个的模块中。相应地,天线接口模块160可以包括:发送功率放大器(PA),它放大信号到希望的小区覆盖范围需要的电平;两个低噪声发生器(LNA,未示出),用于放大所接收的信号以使接收器灵敏度最大;双工器模块,用于发送信号到单个天线和从单个天线接收信号;和接收器滤波器(Rx)。收发信机模块155可以包括合成器电路、发送器电路和两个接收器电路(通常称系统的发送器和接收器电路一起为“收发信机”)。
PRU110也包括一微处理器和非易失性存储器(未示出),以存储校准数据和提供实时温度运行参数补偿到收发信机。这样,不需要移动台或移动模拟器用于校准。也不再需要在该域中的系统校准。
PRU110最好在共同的小室内容纳双工器和接收滤波器。这实质上是三个滤波器(两个接收和一个发送)组合在一个铝室内。通过组合已有技术双工器室和已有技术分集接收室,在单元内部的有价值空间可以被用于其它电路,成本可以进一步降低。
在优选实施例中,设计PRU110的双工器/接收器滤波器室,以便在滤波器上的连接器直接通过单元的壳突出,去掉了任何同轴线缆的隔板(Bulkhead)连接器。该方法在单元中需要的元件更少,再次节省了有价值的空间和降低了成本。
如图14所示,PMU 105包括六个功能子系统:微微BTS主控制器卡125(PMCC)、微微BTS信道卡130(PCC)、发送和接收接口卡135(TRIC)、时间和频率卡140(TFC)和电源组件145(PSA),PSA 145用于将AC转换为DC和用于在整个PMU 105和PRU 110中分配DC功率。温度管理子系统150在图14中未示出以简化该图。
PMCC 125包括外部接口模块和通信控制器模块,常常称为分组引擎。在运行中,PMCC 125监视在BTS结构100中的所有卡,路由在基站控制器(BCC,见图3)和PCC 130之间的业务和信令分组。同样,TRIC 135提供了在收发信机模块155和PCC 130之间的接口。TRIC通过互连线缆122提供了到PRU110的连通性。
在大约1KHz到大约700MHz的频率范围内的基带模拟信号和中频(IF)信号在连接PMU 105和PRU110的线缆122中被传播。优选的IF频率范围是239MHz,带宽为1.26MHz并且信号强度在-50dBm和-70dBm之间。该方法的优点是,调制的信号可以被双工,并通过标准的便宜的RG-58同轴线缆送出。要在各单元之间运送的其它信号包括48V功率、10MHz基准和RS-422控制线。
PRU110和PMU 105的间距允许PRU110被安装成靠近天线120。由于在实际中在天线线缆中的功率损耗降低了接收器灵敏度,并且以1∶1比率(dB每dB)减少了发送功率,因此,置PRU110于靠近天线120使得BTS100的性能最优。PRU的位置也减少了通过线缆的功率和信号损耗,从而可以节省能源。
值得注意,所有导线和同轴线缆可以被集束入单个聚合物护套。这样,单个多导线/同轴连接器被用于线缆的两端。所得线缆通常做成整件,提供了在该域内的安装和维修的便利。这样,线缆直径可以容易地保持在0.75英寸以下,在该域内容易安装,也可以在室内应用(需要转角)。
加入PRU110的同轴线缆是连接到收发信机的变换器,消除了接地环路的可能性(和它们对应的对地噪声),保证了PRU110可以被放置在到PMU105多达和超过150英尺的距离之外。另外,如果PRU110被连接到柱或其它接地的导电结构,将没有由于噪声耦合引起的系统性能降低。24或48VDC或AC电压的功率被送到有独立回程的塔顶。这在功率导线中带来较少的功率损耗,使系统更有效率。
由线缆122运载的在PMU 105和PRU110之间的信号在大约1KHz到240KHz的范围内运行最有效率。这导致低的信号衰减,即使是使用细和低成本的线缆。
图15描述了一个示例性实施例,借此,两个PRU110提供了连通的附加装置,这样两个PRU仅需要两个天线用于双频载波运行。如所示,两个天线都连接到PRU的双工器(DX)端。在单个RF载波操作中,天线1(Ant-1)将发送和接收一分集信号(Rx-0),另一天线将仅接收另一分集信号(Rx-1)。在双载波操作中,全向或扇区配置中,两个天线都发送,即Ant-1从PRU-1发送Freq.A,Ant-2从PRU-2发送Freq.B,同时两个天线都每个接收一个分集信号。一个接收PRU发送信号,另一个在分集信号已经被预放大以保持接收灵敏度最大化后,间接通过另一个PRU接收来自另一个天线的分集信号。该图不一定反映了实际的执行过程,这是由于,对不同的优点和缺点可以有许多不同的可能性。从而,该技术允许为更高的容量运行附加第二RF载波,而不需要附加的天线。
尽管本发明已经参考特定实施例具体示出和说明,但是本领域的技术人员应该理解,可以进行各种形式和细节的改变,可以实施或实践除了这里具体描述实施例之外的本发明的其它实施例,而不脱离由所附权利要求单独限定的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1、一种基站收发信机系统,具有至少两个独立地封装的部分,其中第一部分是无线电收发信机部分,连接到第一天线,第二部分是主单元部分,与基站控制器通信,所述无线电收发信机部分包括:
收发信机电路;和
天线接口电路,连接到所述收发信机电路,所述无线电单元置于非常靠近所述第一天线的支撑结构上。
2、如权利要求1所述的基站收发信机系统,其中所述天线接口电路包括一发送功率放大器,提供放大的信号给所述第一天线。
3、如权利要求1所述的基站收发信机系统,其中所述天线接口电路包括至少一个低噪声放大器,用于放大所接收的信号,用于使接收器灵敏度最大。
4、如权利要求1所述的基站收发信机系统,其中所述天线接口电路包括双工器电路,用于允许向所述第一天线发送信号和从所述第一天线接收信号。
5、如权利要求1所述的基站收发信机系统,其中所述天线接口电路接口到所述第一天线和第二天线。
6、如权利要求1所述的基站收发信机系统,其中所述收发信机电路包括:发送器电路,用于经所述第一天线发送信号;和至少一个第一接收器,用于从所述第一天线接收信号。
7、如权利要求6所述的基站收发信机系统,其中所述收发信机还包括:合成器,用于设置所述收发信机电路的发送和接收频率;和通信链路,用于在所述收发信机和所述主单元部分之间通信,所述主单元部分远离所述无线电收发信机部分。
8、一种用于电信系统的基站收发信机子系统,所述基站收发信机包括:
第一天线,置于抬高的天线支撑结构上;
发送功率放大器,置于靠近所述第一天线,并连接到所述第一天线,所述发送功率放大器用于将通信信号放大到所希望的通信小区大小需要的电平;
第一接收器,用于接收来自所述第一天线的信号,所述第一接收器置于靠近所述发送功率放大器,所述发送功率放大器和所述第一接收器与所述基站收发信机的远离部分通信。
9、如权利要求8所述的用于电信系统的基站收发信机子系统,还包括:
第二天线,置于所述抬高的天线支撑结构上;
第二接收器,用于接收来自所述第二天线的信号。
10、一种用于电信系统的基站收发信机系统,所述基站收发信机系统被分为至少两个子系统,这样,第一子系统放大、发送和接收电信信号,位于靠近一天线,第二子系统与所述第一子系统通信,但置于远离所述第一子系统,所述第二子系统包括:
主单元部分,包括:
一接口,用于与所述第一部分通信;和
主控制器电路,用于与基站控制器通信。
11、如权利要求10所述的基站收发信机,其中所述的主单元部分还包括至少一个信道电路,用于调制和解调从所述收发信机部分送出和接收的CDMA信号
12、如权利要求10所述的基站收发信机,其中所述的主单元部分还包括温度管理系统,以处置由包括在所述主单元中的其它部件产生的热量。
13、如权利要求10所述的基站收发信机,其中所述的主单元部分还包括全球定位单元,它连接到所述主控制器电路。
14、如权利要求10所述的基站收发信机,其中所述接口可以接收在所述第一部分中接收和解调的解调的电信信号。
15、如权利要求10所述的基站收发信机,其中所述基站收发信机系统处置CDMA通信,这样,所述主单元部分将陆线电信信号转换为CDMA信号,所述第一子系统在发送前用发送频率调制所述CDMA信号。
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