一種軟體定義的射頻收發信機的製作方法
2023-07-16 06:04:51
專利名稱：一種軟體定義的射頻收發信機的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線通信系統射頻收發信機，更具體地說，涉及一種軟體定義的射頻收發信機。
背景技術：
在現代無線移動通信系統中，基站的無線射頻RF收發信機TRX是不可缺少的重要組成部分。而現有的無線通信系統中，TRX收信機部分的作用是在某種無線通信標準規定的頻帶內，在選擇的某個特定的載頻信道中，將天線接收到的，所需要的有用的無線通信信號進行濾波，放大和變頻，並轉換為數位訊號，供基帶進行數位訊號處理；發信機部分的作用是在相應的無線通信標準規定的頻帶內，在相應選擇的某個特定的載頻信道中，將準備要發送的數位訊號轉換為模擬信號，並進行濾波、放大和變頻，供功率放大器發送到空間，通過空間傳播到無線用戶終端(UE)，從而實現無線通信，其對應的典型的射頻收發信機TRX結構如圖1所示。
隨著數字通信技術的發展，上述大部分中頻信號後續的模擬信號處理技術已由軟體無線電(SR-Soft Radio)的數位訊號處理技術所取代。目前由SR技術進一步發展的SDR技術已經成為無線通信技術的主要發展方向，即通過加載不同的控制軟體、不同的數位訊號處理軟體、不同無線通信標準的信令軟體，使無線通信的基站設備工作於寬帶多頻段、多載頻、多標準、多模式，達到各種無線通信標準的無線通信系統間真正意義上的開放性、集成性和互操作性，實現SDR。儘管SDR技術已經成為未來的方向，但無線模擬射頻信號處理技術還不能完全被數位訊號處理技術所取代。特別是大功率的無線射頻功率放大部件的數位化，在一定的時期內，還很難有所突破。
在當前世界上存在的眾多無線通信系統中，包含了眾多的無線通信標準。按不同的無線通信標準開發、生產、安裝和營運的各種無線通信系統，均擁有各自不同的無線頻段、不同的載頻帶寬、不同的無線指標、不同的信號處理方法、不同的控制管理機制和不同的網絡支撐。傳統的無線通信系統中的基站收發信機均按照各自的無線頻段、載頻帶寬、無線指標和信號處理方法以及網絡接口標準來設計。其中基站的射頻收發信機部分在基站設備中佔有比較大的成本比例。儘管射頻收發信機已經是非常成熟的技術，但按傳統方法設計的射頻收發信機，只能採用特定的本振信號、射頻信號和時鐘信號，特定的載頻帶寬和載頻數量，按特定的信號處理方法應用於特定無線通信標準下的無線通信系統中的基站設備。因此各個無線通信標準的無線通信系統，均為封閉式的無線通信系統。各個無線通信標準的無線通信系統之間，也不存在真正意義上的開放性、集成性和互操作性。這極大地阻礙了新技術的發展和新產品的開發，同時增加了設備的成本並造成資源的浪費。
在申請人先期提出的兩項專利申請「一種中頻信號處理方法和電路」和「一種收信機內的中頻信號處理方法和電路」，給收發信機提供了兩種分別滿足發信和收信中頻信號處理的方法和電路，能在滿足通常中頻信號處理的要求下，還可以向射頻部分的發信機單元輸出寬帶中頻模擬信號，向基帶單元輸出寬帶高倍率過採樣基帶數位訊號或寬帶中頻數位訊號，進一步用以滿足不同模式、載頻或帶寬的需要以及不同無線通信系統的要求，全面實現SDR。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，如何基於現有無線模擬射頻技術，利用在申請人先期提出的兩種中頻信號處理方法和電路，設計一種新型的射頻收發信機用以滿足不同模式、載頻或帶寬的需要以及不同無線通信系統的要求，實現SDR。
本發明上述技術問題這樣解決，構造一種軟體定義的射頻收發信機，如圖2所示，設置在無線通訊系統中，包括與天線相連的收信機單元和發信機單元、與收信機單元和發信機單元相連的用於提供基準頻率的本振單元以及連接在收信機單元和發信機單元與基帶設備之間的數字中頻單元，其特徵在於，所述數字中頻單元包括輸出端與發信機單元連接的可以輸出通常中頻模擬信號和寬帶中頻模擬信號的軟體可設置的中頻信號處理電路一，還包括輸入端與收信機單元連接的可以輸出通常基帶信號和寬帶高倍率過採樣基帶數位訊號或寬帶中頻數位訊號的軟體可設置的中頻信號處理電路二；所述收信機單元、發信機單元和本振單元具有滿足各種無線通信標準和制式所要求的工作參數；所述工作參數通過軟體設置。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，收信機單元和發信機單元的所述工作參數是工作帶寬、噪聲係數和動態範圍；本振單元的所述工作參數是頻率工作範圍。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，設置在頻分雙工系統中，所述接收機單元和發射機單元在不同頻率下同時工作，其工作頻率由本振單元確定，工作帶寬由數字中頻單元確定。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，設置在時分雙工系統中，所述接收機單元和發射機單元在相同頻率下分時工作，其工作頻率由本振單元確定，工作帶寬由數字中頻單元確定。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，設置在具有智能天線的基站的系統中，所述接收機單元內接收模塊的數量和發射機單元內發射模塊的數量等於接收和發射天線單元的數量。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，設置在具有接收或者發射分集的基站的系統中，所述接收機單元內接收模塊的數量和發射機單元內發射模塊的數量等於接收和發射天線單元的數量。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，所述系統是無線通訊系統。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，所述中頻信號處理電路一的工作過程包括插值處理過程。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，所述中頻信號處理電路二的工作過程包括重採樣插值處理過程。
按照本發明提供的收發信機，其特徵在於，同一收發信機內的所有接收和發射模塊通過軟體配置可以同時或分別工作在不同的無線通訊標準下；本收發信機可以同時應用在一個或多個無線通訊系統中，減少設備投入。
本發明提供的收發信機使用一個硬體平臺，該平臺提供了1)多單元的寬帶無線射頻收信機單元和多單元的寬帶無線射頻發信機單元它們均具有較寬頻帶的線性工作範圍，能滿足多種無線移動通信標準的無線移動通信系統在相應頻段內工作；2)本振單元它們可以在軟體的控制下，能提供寬頻帶的滿足多種無線移動通信標準的無線移動通信系統所需的各種本振信號和各種時鐘信號；3)數字中頻單元的數位訊號處理的技術在軟體的控制下，能滿足各種無線移動通信標準的無線移動通信系統的不同模式、不同載頻、不同帶寬等的要求；4)軟體定義所有功能單元均能通過軟體編程、配置和管理，並提供監測信號輸出；5)SDR應用由所有功能單元組成的射頻收發信機，建立了一個通用的無線射頻收發信機的硬體平臺，通過對該硬體平臺加載不同無線通信標準的軟體，在同樣的硬體平臺上，用軟體編程、配置、定義、控制和管理，支持多頻段、支持多載頻、支持多信道、支持多種雙工方式、支持多種通信標準模式、支持空間分集、支持智能天線，實現SDR的應用。
圖1是典型的射頻收發信機的原理框圖。
圖2是本發明提供的支持SDR的射頻收發信機裝置的整機結構框圖。
圖3是圖2所示裝置的收信機單元的電路示意圖。
圖4是圖2所示裝置的發信機單元的電路示意圖。
圖5是圖2所示裝置的本振單元的電路示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
首先，對射頻收發信機整體結構作概要說明本發明提供的支持SDR的基站射頻收發信機，其結構如圖2所示，由如下四個主要單元所構成，它們是1)收信機單元100；2)發信機單元200；3)本振單元300及；4)數字中頻單元400。
收信機單元100將來自空間，由天線感應到的電磁波550，經過放大和變頻，向數字中頻接收部分提供所需要的寬帶中頻模擬信號。發信機單元200將來自數字中頻發射部分的模擬中頻信號，經過放大和變頻，成為供發射的射頻信號560並送向功率放大器。本振單元300根據時鐘信號520形成所需要的收信機的本振信號570和發信機的本振信號580，並分別送至收信機單元100和發信機單元200。數字中頻單元400的接收部分要完成接收到的模擬信號向數位訊號的轉換、取樣、濾波等數字處理，將來自收信機單元100的寬帶模擬信號中取出所需要的頻帶的信號，轉換為輸出的數位訊號530；數字中頻單元400的發射部分要完成待發射的數位訊號540進行處理，轉換為模擬信號並送至發信機單元。所有上述單元均連接在控制總線500上，此總線的另一端是主控計算機或者微處理器。這樣，此射頻收發信機的工作模式、帶寬等所有性能指標都可以用軟體定義和控制，此收發信機可以使用於多種無線通信系統，進一步具體說明如下1)當工作於頻分雙工系統時，控制收信機單元100和發信機單元200設置在不同頻率下同時工作，其工作頻率由本振單元300確定，工作帶寬由數字中頻單元400確定。
2)當工作於時分雙工系統時，控制收信機單元100和發信機單元200設置在相同頻率下分時工作，其工作頻率由本振單元300確定，工作帶寬由數字中頻單元400確定。
3)工作於具有接收或者發射分集的基站時，根據接收及發射天線單元的數量，設置收信機單元100內接收模塊的數量及發信機單元200內發射模塊的數量，再根據是頻分雙工或者時分雙工系統設置並控制收發信機的工作方式。
4)工作於具有智能天線的基站時，根據接收及發射天線單元的數量，設置收信機單元100內接收模塊的數量及發信機單元200內發射模塊的數量，再根據是頻分雙工或者時分雙工系統設置並控制收發信機的工作方式。
在本領域技術人員理解範圍內，可以使用目前已經非常成熟的晶片及元器件，根據本發明提供的方法設計射頻收發信機，使用SDR概念，用同一套硬體，通過軟體控制，使該射頻收發信機可以工作於各種移動通信系統中，例如第二代移動通信系統(GSM或IS-95 CDMA)，或者第三代移動通信系統(CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、UMC136或E-DECT)，或者其它無線通信系統(PHS或Wireless LAN)等等。
第二步，對收信機單元100進一步詳細說明收信機單元100的詳細結構如圖3所示，由多隻收信機模塊構成，每一模塊基本上是相同的，下面以收信機單元100中一隻模塊110為例說明每個模塊的結構。這裡，我們以一個兩級變頻的超外差收信機作為例子，當然，也可以使用一級變頻的超外差收信機，或者直接放大後就進行取樣的收信機。在本例子中，來自接收天線的信號118通過低噪聲放大器111放大，用變頻器112第一次變頻，用中頻放大器113放大，直接輸出中頻信號經由A/D到數字下變頻器處理到低中頻或基帶輸出119，或用鑑相器114分離I、Q信號，並變頻至低中頻或基帶，再放大115後輸出119。其中，所有放大器(或者其中部分放大器)均受來自控制總線500的控制包括增益控制(控制線1、3、5)和開關控制(控制線2、4、6)。即此模塊的增益及工作狀態(導通或者關閉)均可以程序控制。變頻器112的本振信號來自本振單元571。鑑相器114的本振信號來自本振單元572。本振通路可接入放大器116和117，也可在此地接射頻開關。此放大器或者射頻開關也是可以由控制總線500的控制，用開關控制(控制線7、8)。
上述所指收信機單元100必須能工作於足夠的帶寬，而且要有低的噪聲係數及寬的動態範圍，滿足各種無線通信標準和制式對收信機設備的具體要求的總和。
第三步，對發信機單元200進一步詳細說明發信機單元200的詳細結構如圖3所示，由多隻發信機模塊210、220、…、2m0構成，每一模塊基本相同，下面以發信機單元200中一隻模塊210為例說明每個模塊的結構。這裡，我們以一個兩級變頻的超外差發信機來作為例子，當然，也可以使用一級變頻的超外差發信機，或者直接放大的發信機。在本例子中，來自數字中頻單元的I、Q信號218通過一對低通放大器211放大，用調製器212調製成為中頻信號，或由數字上變頻器經由D/A調製成為中頻信號，用中頻放大器213放大，再用變頻器214變頻至射頻，再放大信號215後輸出信號219。其中，所有放大器(或者其中部分放大器)均受來自控制總線500的控制包括增益控制(控制線1、3、5)和開關控制控制線2、4、6)。即此模塊的增益及工作狀態(導通或者關閉)均可以程序控制。調製器212的本振信號來自本振單元581。變頻器214的本振信號來自本振單元582。本振通路可接入放大器216和217，也可在此地接射頻開關。此放大器或者射頻開關也是可以由控制總線500的控制，用開關控制(控制線7、8)。
上述所指發信機單元200必須能工作於足夠的帶寬，而且要有比較低的噪聲係數及寬的動態範圍。以滿足設備用SDR方式工作的各種無線通信標準和制式的要求。
第四步，進一步說明本振單元300的詳細結構此本振單元300可以是單個，也可以有冗餘備份。它應當設計為在控制總線500的控制下，在要求的時刻輸出收信機單元100及發信機單元200所需要的本振信號。作為例子，示意一提供四組本振信號的此單元，其詳細結構如圖5所示。從控制及時鐘總線500所提供的基準時鐘325分配給4個頻率合成器本振信號311、312、313和314，其中，兩隻頻率合成器為收信機單元100提供本振信號311、312；另外兩隻頻率合成器為發信機單元100提供本振信號313、314。本振信號從頻率合成器所連接的壓控振蕩器316、317、318和319輸出，再提供給輸出分配器321、322、323和324，經分路和放大後分別向收信機單元100和發信機單元100提供本振信號。本設計的特點是上述使用器件都是被控制總線控制的頻率合成器的開啟及中斷，輸出頻率；壓控振蕩器開啟和中斷；每一輸出分配器中每一條輸出的電平及開、斷等等。同樣，此本振單元300必須能在很寬頻率範圍內工作。
第五步，對數字中頻單元400進行詳細說明在無線通信設備的中頻信號處理部分，主要實現基帶信號與射頻信號之間的上/下變頻、頻率調諧、頻率跟蹤、中頻濾波、相位控制、增益控制、調製和解調等功能。目前，無線通信設備的數字中頻信號處理技術已廣泛地應用於無線通信設備的設計中。然而現有的模擬/數字轉換器ADC的速度和數字下變頻器DDC的處理速度和能力，還遠遠不能滿足無線通信設備中收信機的寬帶高中頻信號處理的要求，特別是在需要高倍率採樣的寬帶數位訊號輸出的應用中。
在本發明申請人前面申請的兩項專利「一種收信機內的中頻信號處理方法和電路」和「一種收信機內的中頻信號處理方法和電路」中，申請人提出了多種可編程、可重構的數字無線通信收發信機內的中頻信號處理電路二和中頻信號處理電路一，具體電路詳見對應的申請文件，這兩種電路在滿足通常中頻信號處理的要求下，仍可滿足基帶數位訊號或中頻數位訊號輸出的要求，還可實現寬帶高倍率過採樣基帶數位訊號或寬帶中頻數位訊號輸出的設計方法。從而提高無線通信收發信機的中頻系統的處理精度和處理速度，為增進無線通信設備的抗幹擾能力和提高無線通信系統的容量提供了基礎，同時也降低了設備的成本。通過對時鐘和不同數量的DCC進行組合編程，還可實現多模式、多載頻和智能天線的應用，本發明的數字中頻單元400就是採用這兩種電路的一個收發信機的綜合數字中頻處理平臺。
權利要求
1.一種軟體定義的射頻收發信機，設置在無線通訊系統中，包括與天線相連的收信機單元(100)和發信機單元(200)、與收信機單元(100)和發信機單元(200)相連的用於提供基準頻率的本振單元(300)以及連接在收信機單元(100)和發信機單元(200)與基帶設備之間的數字中頻單元(400)，其特徵在於，所述數字中頻單元(400)包括輸出端與發信機單元連接的可以輸出通常中頻模擬信號和寬帶中頻模擬信號的軟體可設置的中頻信號處理電路一，還包括輸入端與收信機單元連接的可以輸出通常基帶信號和寬帶高倍率過採樣基帶數位訊號或寬帶中頻數位訊號的軟體可設置的中頻信號處理電路二；所述收信機單元(100)、發信機單元(200)和本振單元(300)具有滿足各種無線通信標準和制式所要求的工作參數；所述工作參數通過軟體設置。
2.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，收信機單元(100)和發信機單元(200)的所述工作參數是工作帶寬、噪聲係數和動態範圍；本振單元(300)的所述工作參數是頻率工作範圍。
3.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，設置在頻分雙工系統中，所述接收機單元(100)和發射機單元(200)在不同頻率下同時工作，其工作頻率由本振單元(300)確定，工作帶寬由數字中頻單元(400)確定。
4.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，設置在時分雙工系統中，所述接收機單元(100)和發射機單元(200)在相同頻率下分時工作，其工作頻率由本振單元(300)確定，工作帶寬由數字中頻單元(400)確定。
5.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，設置在具有接收或者發射分集的基站的系統中，所述接收機單元(100)內接收模塊的數量和發射機單元(200)內發射模塊的數量等於接收和發射天線單元的數量。
6.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，設置在具有智能天線的基站系統中，所述接收機單元(100)內接收模塊的數量和發射機單元(200)內發射模塊的數量等於接收和發射天線單元的數量。
7.根據權利要求3-6任一項所述收發信機，其特徵在於，所述系統是無線通訊系統。
8.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，所述中頻信號處理電路一的工作過程包括插值處理過程。
9.根據權利要求1所述收發信機，其特徵在於，所述中頻信號處理電路二的工作過程包括重採樣插值處理過程。
10.根據權利要求7所述收發信機，其特徵在於，同一收發信機內的所有接收和發射模塊通過軟體配置可以同時或分別工作在不同的無線通訊標準下。
全文摘要
本發明涉及到和公開了一種新的無線移動通信系統的體系結構，即軟體定義無線電(SDR－Software DefinedRadio)技術和支持SDR技術在無線通信系統的基站中具有多種功能射頻收發信機的設計方法。該多功能的射頻收發信機由可編程、可配置的多個寬帶無線射頻收信機(100)、多個寬帶無線射頻發信機(200)、一個本振信號發生器(300)和多個中頻數位訊號處理器(400)的單元部件來組成。通過對該射頻收發信機加載不同無線通信標準的軟體，在軟體編程的控制下，產生相應不同的射頻信號、中頻信號和時鐘信號，設置相應不同的工作頻段、載頻帶寬和雙工方式，處理相應不同的載頻個數和運行相應不同的信號處理算法。結合智能天線技術，實現了SDR的應用。
文檔編號H04B1/38GK1538625SQ0311428
公開日2004年10月20日 申請日期2003年4月19日 優先權日2003年4月19日
發明者李世平, 王宏宇 申請人:世代通信(深圳)有限公司