一種多通道可復用無線電射頻收發系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無線電信號的收發系統，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，形成多通道可復用無線電射頻收發系統。
【背景技術】
[0002]先進的移動通信系統大都采用多進多出技術(MIM0:Multiple Input-MultipleOutput)，形成多天線、多通道的Mnro系統。MMO系統借助于多天線，在發射端和接收端都使用多個天線，每一根天線對應一個通道。MIMO系統相對于以往的單天線系統，可以在不增加載波信號帶寬的前提下，大約以天線個數的倍數增加信息傳輸量(李在林.4G通信系統中M頂O-OFDM同步技術的研究[D].南京:南京理工大學，2011:1-8，參考文獻I)。
[0003]傳統的單天線雷達系統，通過在不同地點發射電磁波可以提高被測物體的位置精度。在相控陣雷達系統中，通過多天線陣列技術，可以實現比不同地點多個雷達更高的測量精度。
[0004]無線通信以及雷達無線電系統，都包含發射電磁波信號的發射端(或發射機)，和接收電磁波信號的接收端(或接收機)，二者合稱收發前端或收發機。對于射頻波段的無線電系統，無線電信號的收發前端也稱為射頻收發前端或射頻收發機。
[0005]在多天線、多通道的MMO無線通信系統以及雷達系統中，收發機都有多種不同結構，無論采用哪種結構，迄今所有的傳統技術，系統中每一根天線對應的通道，都需要一整套獨立的射頻收發前端(張勝.寬帶無線通信系統射頻收發前端研究[D].杭州:杭州電子科技大學，2010:9-15，參考文獻2)。
[0006]射頻收發機的每一個通道中，無線電信號所經過的收發機硬件鏈路，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。通過增加系統的通道數量，可以提高射頻前端傳輸的信息量，并且信息傳輸量大約和通道數成正比。所以，無線電系統為了提高傳輸的信息量，希望通道數越多越好。
[0007]但是，傳統MMO系統中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發前端，并且每個通道的射頻收發前端的電路結構相同(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3)。隨著通道數量的增多，收發前端芯片的總面積成倍增加，當天線數量達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3的MMO收發機集成電路芯片為例，收發機中包含2個相同電路結構的發射通道組成的發射機，和3個相同電路結構的接收通道組成的接收機。該多通道收發機的集成電路芯片總面積達到4.56mm x 7.7mm，相比于單通道，芯片面積大大增加。隨著無線電系統的通道數進一步增加，收發機芯片總面積將會成為制約提高通道數量的一個關鍵技術瓶頸。
[0009]傳統MMO系統中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發前端，使得芯片面積成為制約提高通道數量的一個關鍵技術瓶頸。
[0010]如何在無線電系統的射頻收發機的集成電路芯片層次，解決多通道系統中每一個通道需要一整套獨立的射頻收發前端的技術問題，成為未來多通道MIMO系統的一個核心方向，一直以來，也是國際無線電領域多年沒有得到解決的一個技術難題。
[0011]每個單通道的射頻收發系統，其射頻帶寬決定了系統的最高信息傳輸速率。通過詳細分析射頻收發前端的每個器件芯片單元以及具體結構，我們發現，每個通道的射頻收發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，假設低噪聲放大器的帶寬可以達到250MHz，而片上濾波器的帶寬通常是最低的，只能達到100MHz。由以上兩款器件芯片單元組成的收發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前端，所形成的多通道無線電系統，每個通道的收發前端器件芯片單元中，帶寬最窄的器件芯片單元達到了飽和帶寬，而其他器件芯片單元則沒有達到飽和帶寬，而是存在帶寬冗余。通過某種技術使具有冗余帶寬的器件芯片單元，在多個通道中重復使用，構成了一種多通道可復用射頻系統。這里，通道是指頻域或者時域上信號傳輸的路徑。多通道可復用射頻系統，是指多個通道共用一個收發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，簡稱復用器件芯片單元。
[0013]以超外差結構的接收機為例，傳統多天線、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構，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。傳統技術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。在實際的芯片設計中我們發現，以現有技術，LNA可實現的帶寬比較寬，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芯片的數目，從而顯著降低芯片面積，降低芯片成本。
[0015]本發明涉及一種多通道可復用無線電射頻收發系統，針對目前多通道無線電系統的射頻收發前端中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發前端，造成芯片面積過大的缺點，利用射頻收發前端不同器件芯片單元可實現不同帶寬的特點，對每個通道內射頻信號進行變頻，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行合并(或簡并)復用，從而降低多通道無線電系統中收發前端芯片的總面積。
【發明內容】
[0016]目前，多天線、多通道無線電系統的射頻收發機中，每一個通道都需要一整套獨立的射頻收發的集成電路芯片鏈路，每一條射頻收發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。每一條射頻收發鏈路的最大帶寬，由收發鏈路內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生帶寬冗余。采用傳統的多通道無線電系統結構，隨著通道數的增加，每個通道都需要一整套獨立的射頻收發鏈路，將導致芯片的總面積過大。
[0017]有鑒于目前技術之缺失，本發明利用射頻收發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，首先將每個通道內的無線電信號進行變頻，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，從而實現帶寬較寬的器件芯片單元的合并復用或簡并復用。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用器件芯片單元的寬帶特性，從而降低芯片面積。
[0018]優選的，利用二次變頻技術實現多通道無線電射頻收發系統中，帶寬較寬的射頻集成電路器件芯片單元的復用。在多通道系統中，每個通道從天線接收或者發射的信號都是同頻段的，每個通道從數字基帶單元輸入到無線電射頻收發系統的信號，以及從無線電射頻收發系統輸出到數字基帶單元的信號都是同頻段的。在各個通道的信號進入帶寬較寬的器件芯片單元前，對每個通道內的信號進行變頻，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，送入帶寬較寬的復用器件芯片單元;合成后的一路寬帶信號經過處理后，再通過不同頻率的載波進行二次變頻，將每一個通道的信號變為相同頻段和帶寬的信號，并送入每一個通道的后一級器件芯片單元進行處理。
[0019]圖1是本發明提出的多通道可復用無線電射頻收發系統的一種接收機框架圖。相同頻段、相同帶寬的射頻信號經過多根天線如編號為100、101、102、103進入每根天線對應的接收鏈路，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，進入復用的、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為相同頻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