低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法及裝置的製作方法

2023-07-26 03:11:31

專利名稱：低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明是一種應用於高速無線短距離通信的超寬帶射頻前端實現方法，屬於通信技術領域。
背景技術：
近幾年來，由於市場對高速無線短距離通信的迫切需求，超寬帶技術(UWB)受到人們越來越多的關注。運用從3.1GHz～10.6GHz的UWB頻譜，電信設備製造商和運營商就能夠大力構建和發展無線個人區域網(WPAN)，實現低功耗、低成本的高速無線數據接入。一般來說，UWB通信系統數據傳輸需超過100Mbps，而其通信帶寬要達到500MHz以上，這些限制為高速無線UWB通信系統的設計帶來些許挑戰。這其中諸如射頻電路(低噪聲放大器、混頻器、正交調製器和正交解調器等)、模擬基頻電路(信道選擇濾波器和可變增益放大器等)、數字模擬轉換器(DAC)以及模擬數字轉換器(ADC)等設計都不可避免的遇到寬帶寬、高速率的難題。這些電路必須支持至少500MHz的帶寬，甚至可能一路往上擴大到7,500MHz。這些電路所支持的帶寬越大，其設計就越困難。

發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法及裝置，通過在射頻、模擬和混合信號電路的複雜性之間做出適當的取捨，降低了正交(IQ)調製器、正交解調器、高速A/D和高速D/A的設計難度，從而為寬帶無線射頻前端的設計提供了一條全新的技術路線。同時，這種方法也為整個UWB通信系統的實現提供了靈活可靠的保障。
技術方案本發明提供一種簡潔、可靠的低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法及裝置。如圖1所示，低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法由多路輸入發信機和多路輸出收信機完成，1)在發信機端，通過多工器完成多路寬帶中頻輸入信號的合路，然後將合路後的中頻信號上變頻到射頻上去進行多載波發射，從而在保證系統發射性能的情況下降低了基帶數模轉換器和發信機的設計難度。發信機由k路匹配濾波電路、k路IQ調製器、多工器、上變頻器、射頻帶通濾波器、射頻放大器、寬帶放大器和發射天線組成。來自基帶電路的k路模擬I、Q信號，共有I1，Q1，I2，Q2...Ik，Qk路信號進入發信機，經過發信機內k路正交調製器後產生k路不同中心頻率的中頻信號，然後k路中頻信號通過多工器生成一個有k個等帶寬且中心頻率各不相同的多載波中頻信號，該多載波中頻信號經上變頻器變換為多載波射頻信號、再經射頻帶通濾波器和射頻放大器後，通過發射天線發射出去。發信機中的自動電平控制(ALC)在每路中頻電路部分實現。
2)在收信機端，將接收信號首先做下變頻處理，然後通過多工器完成多路寬帶中頻輸入信號的分路，從而在保證系統接收性能的情況下降低了收信機和基帶模數轉換的設計難度。收信機由接收天線、射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、下變頻器、多工器、k路IQ解調器和k路匹配濾波電路組成，從天線接收來的多載波射頻信號，首先進入射頻帶通濾波器濾波，然後經低噪聲放大器和下變頻器後生成有k個等帶寬且中心頻率各不相同的多載波中頻信號，該多載波中頻信號經多工器後產生了k路不同中心頻率的中頻信號並分別進入相應的k個IQ解調器和k個匹配濾波電路進行解調和匹配濾波處理，處理後的k路模擬I、Q信號，即I1，Q1，I2，Q2...Ik，Qk路信號隨後送往基帶。收信機中的自動增益控制(AGC)在每路中頻電路部分實現。
基於低複雜度超寬帶射頻前端實現方法的實現裝置包括發信機和收信機兩部分，其中，在發信機中I1匹配濾波電路、Q1匹配濾波電路的輸出端接第一路IQ調製器，第一路IQ調製器的輸出端接第一ALC電路，第一ALC電路的輸出端接雙工器，I2匹配濾波電路、Q2匹配濾波電路的輸出端接第二路IQ調製器，第二路IQ調製器的輸出端接第二ALC電路，第二ALC電路的輸出端接雙工器，雙工器、上變頻器、射頻帶通濾波器、射頻放大器和發射天線順序串聯連接；在收信機中接收天線、射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、鏡像抑制濾波器、下變頻器、雙工器順序串聯連接，收信機雙工器的輸出端分別接第一AGC電路、第二AGC電路的輸入端，第一AGC電路的輸出端接第一路IQ解調器的輸入端，第一路IQ解調器的輸出端分別接I1匹配濾波電路、Q1匹配濾波電路的輸入端；第二AGC電路的輸出端接第二路IQ解調器的輸入端，第二路IQ解調器的輸出端分別接I2匹配濾波電路、Q2匹配濾波電路的輸入端。
有益效果本發明提出的低複雜度超寬帶射頻前端設計方案，在傳送相同頻譜帶寬的情況下，多路方案中的所需調製器和解調器的帶寬僅為傳統單路方案的1/k倍，這樣處理大大簡化了調製器和解調器設計和調試，使它們工作在一個比較理想的帶寬範圍之內，從而具有較好的性能。
在傳送相同數據速率的情況下，多路方案中的所需A/D和D/A的工作頻率僅為傳統單路方案的1/k倍，這樣處理大大簡化了A/D和D/A設計和調試，降低了系統的成本，使它們工作在一個比較理想的信號採樣時鐘上，從而具有較好的性能。
由於在每一路發射中頻和接收中頻上都引入了ALC或AGC，這樣就使得系統在做發射功率控制和接收增益控制時更加的靈活，從而使系統更容易獲得較高的性能。


圖1是低複雜度超寬帶射頻前端框圖。其中有k路匹配濾波電路、k路IQ調製器、多工器、上變頻器、射頻帶通濾波器、射頻放大器、寬帶放大器、發射天線、接收天線、射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、下變頻器、多工器、k路IQ解調器、k路匹配濾波電路。
圖2是本發明的一種具體實施方式
，雙載波發信機系統框圖。其中有I1匹配濾波電路1、Q1匹配濾波電路2、I2匹配濾波電路3、Q2匹配濾波電路4、第一路IQ調製器5、第二路IQ調製器6、第一ALC電路7、第二ALC電路8、雙工器9、上變頻器10、射頻帶通濾波器11、射頻放大器12、發射天線13。
圖3是本發明的一種具體實施方式
，雙載波收信機系統框圖。其中有接收天線14、射頻帶通濾波器15、低噪聲放大器16、鏡像抑制濾波器17、下變頻器18、雙工器19、第一AGC電路20、第二AGC電路21、第一路IQ解調器22、第二路IQ解調器23、I1匹配濾波電路24、Q1匹配濾波電路25、I2匹配濾波電路26、Q2匹配濾波電路27。
具體實施例方式
本發明在3.5GHz頻段上實現了低複雜度超寬帶射頻前端的實驗裝置。該射頻前端採用了雙載波寬帶調製方案，中頻信號的合路和分路是由雙工器完成的。中頻信號的中心頻率分別為1.188GHz和1.452GHz，射頻信號的中心頻率為3.48GHz。前端信號通信帶寬約為400MHz，其中兩個子載波的帶寬和子載波之間的隔離帶寬均為132MHz。發信機的發射功率約為-12dBm。
該裝置包括發信機和收信機兩部分，其中，在發信機中I1匹配濾波電路1、Q1匹配濾波電路2的輸出端接第一路IQ調製器5，第一路IQ調製器5的輸出端接第一ALC電路7，第一ALC電路7的輸出端接雙工器9，I2匹配濾波電路3、Q2匹配濾波電路4的輸出端接第二路IQ調製器6，第二路IQ調製器6的輸出端接第二ALC電路8，第二ALC電路8的輸出端接雙工器9，雙工器9、上變頻器10、射頻帶通濾波器11、射頻放大器12和發射天線13順序串聯連接；在收信機中接收天線14、射頻帶通濾波器15、低噪聲放大器16、鏡像抑制濾波器17、下變頻器18、雙工器19順序串聯連接，雙工器19的輸出端接分別接第一AGC電路20、第二AGC電路21的輸入端，第一AGC電路20的輸出端接第一路IQ解調器22的輸入端，第一路IQ解調器22的輸出端分別接I1匹配濾波電路24、Q1匹配濾波電路25的輸入端；第二AGC電路21的輸出端接第二路IQ解調器23的輸入端，第二路IQ解調器23的輸出端分別接I2匹配濾波電路26、Q2匹配濾波電路27的輸入端。
本發明的發信機具體實施方式
如圖2所示。來自基帶的第一路模擬I，Q信號(I1和Q1)分別進入I1匹配濾波電路1和Q1匹配濾波電路2，通過第一路IQ調製器5和第一ALC電路7後產生第一路發射中頻調製信號；同時來自基帶的第二路模擬I，Q信號(I2和Q2)分別進入I2匹配濾波電路3和Q2匹配濾波電路4，通過第二路IQ調製器6和第一ALC電路8後產生第二路發射中頻調製信號；這兩路發射中頻調製信號在雙工器9中進行合路和濾波，產生發信機雙載波中頻信號，隨後該雙載波中頻信號順序進入上變頻器10、射頻帶通濾波器11、射頻放大器12和發射天線13將雙載波RF信號發射到空中。
本發明的收信機具體實施方式
如圖3所示。雙載波RF接收信號依次通過接收天線14、射頻帶通濾波器15、低噪聲放大器16、鏡像抑制濾波器17和下變頻器18後產生收信機雙載波中頻信號；通過雙工器19將該雙載波中頻信號進行分路和濾波，生成第一路接收中頻信號和第二路接收中頻信號；第一路接收中頻信號通過第一AGC電路20、第一路IQ解調器22、I1匹配濾波電路24和Q1匹配濾波電路25後產生I1和Q1信號輸出至基帶電路；同理，第二路接收中頻信號通過第二AGC電路21、第二路IQ解調器23、I2匹配濾波電路26和Q2匹配濾波電路27後產生I2和Q2信號輸出至基帶電路；這兩路IQ信號需同時送往基帶電路處理。
權利要求
1.一種低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法，其特徵在於該方法由多路輸入發信機和多路輸出收信機完成，1)在發信機端，通過中頻多工器完成多路寬帶中頻輸入信號的合路，然後將合路後的中頻信號上變頻到射頻上去進行多載波發射，從而在保證系統發射性能的情況下降低了基帶數模轉換器和發信機的設計難度；發信機由k路匹配濾波電路、k路IQ調製器、多工器、上變頻器、射頻帶通濾波器、射頻放大器和發射天線組成；來自基帶電路的k路模擬I、Q信號，共有I1，Q1，I2，Q2...Ik，Qk路信號進入發信機，經過發信機內k路IQ調製器後產生k路不同中心頻率的中頻信號，然後k路中頻信號通過多工器合路生成一個有k個等帶寬且中心頻率各不相同的多載波中頻信號，該多載波中頻信號經上變頻器變換為多載波射頻信號、再經射頻帶通濾波器和射頻放大器後，通過發射天線發射出去。發信機中的自動電平控制(ALC)在每路中頻電路部分實現；2)在收信機端，將接收信號首先做下變頻處理，然後通過多工器完成多路寬帶中頻輸入信號的分路，從而在保證系統接收性能的情況下降低了收信機和基帶模數轉換的設計難度；收信機由接收天線、射頻帶通濾波器、低噪聲放大器、下變頻器、多工器、k路IQ解調器和k路匹配濾波電路組成，從天線接收來的多載波射頻信號，首先進入射頻帶通濾波器濾波，然後經低噪聲放大器和下變頻器後生成有k個等帶寬且中心頻率各不相同的多載波中頻信號，該多載波中頻信號經多工器後產生了k路不同中心頻率的中頻信號並分別進入相應的k個IQ解調器和k個匹配濾波電路進行解調和匹配濾波，處理後的k路模擬I、Q信號，即I1，Q1，I2，Q2...Ik，Qk路信號隨後送往基帶。收信機中的自動增益控制(AGC)在每路中頻電路部分實現。
2.一種如權利要求1所述的低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法的實現裝置，其特徵在於該裝置包括發信機和收信機兩部分，其中，在發信機中I1匹配濾波電路(1)、Q1匹配濾波電路(2)的輸出端接第一路IQ調製器(5)，第一路IQ調製器(5)的輸出端接第一ALC電路(7)，第一ALC電路(7)的輸出端接雙工器(9)，I2匹配濾波電路(3)、Q2匹配濾波電路(4)的輸出端接第二路IQ調製器(6)，第二路IQ調製器(6)的輸出端接第二ALC電路(8)，第二ALC電路(8)的輸出端接雙工器(9)，雙工器(9)、上變頻器(10)、射頻帶通濾波器(11)、射頻放大器(12)和發射天線(13)順序串聯連接；在收信機中接收天線(14)、射頻帶通濾波器(15)、低噪聲放大器(16)、鏡像抑制濾波器(17)、下變頻器(18)、雙工器(19)順序串聯連接，雙工器(19)的輸出端接分別接第一AGC電路(20)、第二AGC電路(21)的輸入端，第一AGC電路(20)的輸出端接第一路IQ解調器(22)的輸入端，第一路IQ解調器(22)的輸出端分別接I1匹配濾波電路(24)、Q1匹配濾波電路(25)的輸入端；第二AGC電路(21)的輸出端接第二路IQ解調器(23)的輸入端，第二路IQ解調器(23)的輸出端分別接I2匹配濾波電路(26)、Q2匹配濾波電路(27)的輸入端。
全文摘要
低複雜度超寬帶射頻前端的實現方法及裝置是一種應用於高速無線短距離通信的超寬帶射頻前端實現方法。在發信機端通過多工器完成多路寬帶中頻輸入信號的合路，然後將合路後的中頻信號上變頻到射頻上去進行多載波發射，從而在保證系統發射性能的情況下降低了基帶部分高速A/D電路和發信機中正交調製器的設計難度；在收信機端將接收來的多載波信號首先做下變頻處理，然後通過多工器完成多路寬帶中頻輸入信號的分路，從而在保證系統接收性能的情況下降低了收信機中正交解調器和基帶部分高速D/A電路的設計難度。該方法為寬帶無線射頻前端的設計提供了一條全新的技術路線。
文檔編號H04B1/40GK1819472SQ20061003896
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月21日 優先權日2006年3月21日
發明者洪偉, 田玲, 朱紅兵 申請人:東南大學