一種多通道可復(fù)用無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線電信號的收發(fā)系統(tǒng)，特別是將多通道的無線電信號在射頻集成電路芯片合并成一個通道，形成多通道可復(fù)用無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)的移動通信系統(tǒng)大都采用多進(jìn)多出技術(shù)(MIM0:Multiple Input-MultipleOutput)，形成多天線、多通道的Mnro系統(tǒng)。MMO系統(tǒng)借助于多天線，在發(fā)射端和接收端都使用多個天線，每一根天線對應(yīng)一個通道。MIMO系統(tǒng)相對于以往的單天線系統(tǒng)，可以在不增加載波信號帶寬的前提下，大約以天線個數(shù)的倍數(shù)增加信息傳輸量(李在林.4G通信系統(tǒng)中M頂O-OFDM同步技術(shù)的研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2011:1-8，參考文獻(xiàn)I)。
[0003]傳統(tǒng)的單天線雷達(dá)系統(tǒng)，通過在不同地點發(fā)射電磁波可以提高被測物體的位置精度。在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，通過多天線陣列技術(shù)，可以實現(xiàn)比不同地點多個雷達(dá)更高的測量精度。
[0004]無線通信以及雷達(dá)無線電系統(tǒng)，都包含發(fā)射電磁波信號的發(fā)射端(或發(fā)射機)，和接收電磁波信號的接收端(或接收機)，二者合稱收發(fā)前端或收發(fā)機。對于射頻波段的無線電系統(tǒng)，無線電信號的收發(fā)前端也稱為射頻收發(fā)前端或射頻收發(fā)機。
[0005]在多天線、多通道的MMO無線通信系統(tǒng)以及雷達(dá)系統(tǒng)中，收發(fā)機都有多種不同結(jié)構(gòu)，無論采用哪種結(jié)構(gòu)，迄今所有的傳統(tǒng)技術(shù)，系統(tǒng)中每一根天線對應(yīng)的通道，都需要一整套獨立的射頻收發(fā)前端(張勝.寬帶無線通信系統(tǒng)射頻收發(fā)前端研究[D].杭州:杭州電子科技大學(xué)，2010:9-15，參考文獻(xiàn)2)。
[0006]射頻收發(fā)機的每一個通道中，無線電信號所經(jīng)過的收發(fā)機硬件鏈路，都包含獨立的放大器、濾波器、混頻器等器件芯片單元，簡稱芯片單元或器件單元，這些芯片單元具有將電磁波的輸入信號放大，濾波，以及混頻等功能。通過增加系統(tǒng)的通道數(shù)量，可以提高射頻前端傳輸?shù)男畔⒘?，并且信息傳輸量大約和通道數(shù)成正比。所以，無線電系統(tǒng)為了提高傳輸?shù)男畔⒘?，希望通道?shù)越多越好。
[0007]但是，傳統(tǒng)MMO系統(tǒng)中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發(fā)前端，并且每個通道的射頻收發(fā)前端的電路結(jié)構(gòu)相同(Tachibana，R.，et al.〃A 0.13ym CMOS 5GHz FullyIntegrated 2x3MIM0 Transceiver IC with over 40dB Isolat1n."Rad1 FrequencyIntegrated Circuits(RFIC)Symposium, 2007IEEE，2007:661-664.參考文獻(xiàn)3)。隨著通道數(shù)量的增多，收發(fā)前端芯片的總面積成倍增加，當(dāng)天線數(shù)量達(dá)到幾十甚至幾百個時，芯片面積和成本幾乎大到無法接受的程度。
[0008]以參考文獻(xiàn)3的MMO收發(fā)機集成電路芯片為例，收發(fā)機中包含2個相同電路結(jié)構(gòu)的發(fā)射通道組成的發(fā)射機，和3個相同電路結(jié)構(gòu)的接收通道組成的接收機。該多通道收發(fā)機的集成電路芯片總面積達(dá)到4.56mm x 7.7mm，相比于單通道，芯片面積大大增加。隨著無線電系統(tǒng)的通道數(shù)進(jìn)一步增加，收發(fā)機芯片總面積將會成為制約提高通道數(shù)量的一個關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
[0009]傳統(tǒng)MMO系統(tǒng)中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發(fā)前端，使得芯片面積成為制約提高通道數(shù)量的一個關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
[0010]如何在無線電系統(tǒng)的射頻收發(fā)機的集成電路芯片層次，解決多通道系統(tǒng)中每一個通道需要一整套獨立的射頻收發(fā)前端的技術(shù)問題，成為未來多通道MIMO系統(tǒng)的一個核心方向，一直以來，也是國際無線電領(lǐng)域多年沒有得到解決的一個技術(shù)難題。
[0011]每個單通道的射頻收發(fā)系統(tǒng)，其射頻帶寬決定了系統(tǒng)的最高信息傳輸速率。通過詳細(xì)分析射頻收發(fā)前端的每個器件芯片單元以及具體結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)，每個通道的射頻收發(fā)前端中不同的器件芯片單元，通常具有不同的帶寬，有的帶寬大，有的帶寬窄。而每個通道的總帶寬，是由組成射頻收發(fā)前端的所有器件芯片單元中，帶寬最窄的器件芯片單元所決定。
[0012]例如，采用特定工藝，假設(shè)低噪聲放大器的帶寬可以達(dá)到250MHz，而片上濾波器的帶寬通常是最低的，只能達(dá)到100MHz。由以上兩款器件芯片單元組成的收發(fā)前端芯片的帶寬就由帶寬最窄的10MHz器件芯片單元決定。通過這種器件芯片單元組成的收發(fā)前端，所形成的多通道無線電系統(tǒng)，每個通道的收發(fā)前端器件芯片單元中，帶寬最窄的器件芯片單元達(dá)到了飽和帶寬，而其他器件芯片單元則沒有達(dá)到飽和帶寬，而是存在帶寬冗余。通過某種技術(shù)使具有冗余帶寬的器件芯片單元，在多個通道中重復(fù)使用，構(gòu)成了一種多通道可復(fù)用射頻系統(tǒng)。這里，通道是指頻域或者時域上信號傳輸?shù)穆窂?。多通道可?fù)用射頻系統(tǒng)，是指多個通道共用一個收發(fā)前端硬件鏈路中的某些器件芯片單元，其中多個通道共用的器件芯片單元，簡稱復(fù)用器件芯片單元。
[0013]以超外差結(jié)構(gòu)的接收機為例，傳統(tǒng)多天線、多通道接收機的射頻接收鏈路，每一個通道都具有相同的鏈路結(jié)構(gòu)，每一個通道都使用一個獨立的低噪聲放大器(LNA:Low NoiseAmplifier)。而通常情況下，低噪聲放大器又占有比較大的芯片面積。傳統(tǒng)技術(shù)每一個通道都使用獨立的低噪聲放大器，會大大增加接收機芯片面積。在實際的芯片設(shè)計中我們發(fā)現(xiàn)，以現(xiàn)有技術(shù)，LNA可實現(xiàn)的帶寬比較寬，大于每一個通道的帶寬。從而，每一個通道都使用一個獨立的LNA會造成LNA的帶寬冗余。
[0014]利用LNA的帶寬冗余這個特點，如果將不同通道的射頻信號合并為一路信號，使多個通道的帶寬接近一個LNA的帶寬，對于多個通道的接收機，會降低接收機上LNA芯片的數(shù)目，從而顯著降低芯片面積，降低芯片成本。
[0015]本發(fā)明涉及一種多通道可復(fù)用無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)，針對目前多通道無線電系統(tǒng)的射頻收發(fā)前端中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發(fā)前端，造成芯片面積過大的缺點，利用射頻收發(fā)前端不同器件芯片單元可實現(xiàn)不同帶寬的特點，對每個通道內(nèi)射頻信號進(jìn)行變頻，分別搬移到不同頻段，匯合成一路寬帶射頻信號，然后，將多個通道中帶寬較寬的同一器件芯片單元進(jìn)行合并(或簡并)復(fù)用，從而降低多通道無線電系統(tǒng)中收發(fā)前端芯片的總面積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]目前，多天線、多通道無線電系統(tǒng)的射頻收發(fā)機中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發(fā)的集成電路芯片鏈路，每一條射頻收發(fā)鏈路都是由獨立的功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、濾波器等器件芯片單元組成。其中，有些器件芯片單元可實現(xiàn)的帶寬較窄，例如模擬基帶、濾波器，而有些器件芯片單元可實現(xiàn)的帶寬較寬，例如混頻器、低噪聲放大器、功率放大器。每一條射頻收發(fā)鏈路的最大帶寬，由收發(fā)鏈路內(nèi)帶寬最窄的器件芯片單元決定。而帶寬較寬的器件芯片單元，在同一通道中將會產(chǎn)生帶寬冗余。采用傳統(tǒng)的多通道無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨著通道數(shù)的增加，每個通道都需要一整套獨立的射頻收發(fā)鏈路，將導(dǎo)致芯片的總面積過大。
[0017]有鑒于目前技術(shù)之缺失，本發(fā)明利用射頻收發(fā)鏈路中不同器件芯片單元的最大帶寬不同的特點，在帶寬較窄的器件芯片單元采用多通道輸入;在帶寬較寬的器件芯片單元，首先將每個通道內(nèi)的無線電信號進(jìn)行變頻，把每個通道的頻譜分別搬移到相互之間不交疊的不同頻段(簡稱頻譜搬移)，然后合成一路寬帶信號，送入帶寬較寬的同一器件芯片單元，從而實現(xiàn)帶寬較寬的器件芯片單元的合并復(fù)用或簡并復(fù)用。以上這種對多通道射頻信號的處理，可以有效利用帶寬較寬的可復(fù)用器件芯片單元的寬帶特性，從而降低芯片面積。
[0018]優(yōu)選的，利用二次變頻技術(shù)實現(xiàn)多通道無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)中，帶寬較寬的射頻集成電路器件芯片單元的復(fù)用。在多通道系統(tǒng)中，每個通道從天線接收或者發(fā)射的信號都是同頻段的，每個通道從數(shù)字基帶單元輸入到無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)的信號，以及從無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)輸出到數(shù)字基帶單元的信號都是同頻段的。在各個通道的信號進(jìn)入帶寬較寬的器件芯片單元前，對每個通道內(nèi)的信號進(jìn)行變頻，把頻譜分別搬移到相互之間不交疊的不同頻段，然后合成一路寬帶信號，送入帶寬較寬的復(fù)用器件芯片單元;合成后的一路寬帶信號經(jīng)過處理后，再通過不同頻率的載波進(jìn)行二次變頻，將每一個通道的信號變?yōu)橄嗤l段和帶寬的信號，并送入每一個通道的后一級器件芯片單元進(jìn)行處理。
[0019]圖1是本發(fā)明提出的多通道可復(fù)用無線電射頻收發(fā)系統(tǒng)的一種接收機框架圖。相同頻段、相同帶寬的射頻信號經(jīng)過多根天線如編號為100、101、102、103進(jìn)入每根天線對應(yīng)的接收鏈路，然后送入前置頻譜搬移單元11，每個通道中同一頻段的射頻信號，被搬移到相互之間不交疊的不同頻段。前置頻譜搬移單元11將輸入的多路射頻信號，合成一路寬帶射頻信號110，進(jìn)入復(fù)用的、帶寬大于每個單獨通道信號帶寬的低噪聲放大器12。低噪聲放大器12對合成后的一路寬帶射頻信號110進(jìn)行放大。低噪聲放大器12的輸出信號111送入后置頻譜搬移單元13，所述后置頻譜搬移單元13將每一個通道的射頻信號變?yōu)橄嗤l段和帶寬的基帶信號，并送入每一個通道的后一級的獨立的模