一种面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端

1.本技术涉及射频技术领域，具体涉及一种面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端。


背景技术：

2.随着科技和社会的快速发展，3g和4g通信已经无法满足人类的需求，5g通信技术作为一种全新的移动通信技术，取代3g和4g技术已经成为必然趋势。5g通信技术自身存在着较大的优势，尤其是在数据传输方面具有很大的优势。5g技术所提供的带宽可以满足大部分人的需求，帮助用户获得较好的体验感，提高通信速率。目前，5g和wlan的应用变得越来越普遍。
3.目前，大部分无线通信系统中所使用的射频接收机都采用超外差接收机的结构，这种结构相比于现有其他射频接收机结构来说有着较好的性能表现，能满足高性能窄带和宽带接收机。超外差接收机能够合理分配增益，避免单级过高的增益造成放大器自激，而且较低的中频放大器更有利于设计的实现。由于采用多次变频，射频信号必须和本振信号相差为固定的中频才能进入电路，而且有很多良好的高选择性的滤波器，因此可以抑制其他干扰信号，从而提高了选择性。
4.图1为传统的超外差接收机的基本架构示意图。在传统超外差接收机中，天线接收的射频信号经过带通滤波器(bpf)进行滤波，经低噪声放大器(lna)放大之后与第一本振信号混频，使射频信号下变频到固定中频，然后经过带通滤波器(bpf)和中频功率放大器(pa)放大后与第二本振信号一起进入解调器，解调器输出两路相位相差90
°
的i、q正交信号，然后i、q信号分别进入低通滤波器(lpf)进行滤波。如图1所示，现有的超外差接收机适用的频段都比较单一，且结构比较固定，不能够适用于多模式的通信，具有局限性。此外，传统超外差接收机的带宽不可调，具有固定性，但目前的不同的通信标准要求的带宽是不同的，这导致采用接收带宽较小的接收机会影响通信速率。并且，传统超外差接收机的本振频率不可调或者可调范围过小，也难于适用不同的通信模式中。另外，传统超外差接收机受到镜像干扰的影响也比较大。目前存在着多种通信标准(如wlan和5g通信标准等)，对系统的灵活性、可重构性要求也越来越高，传统的超外差接收机已经不能满足当今高速率、高灵活度、高选择性和软件化的使用需求。
5.综上所述，由于通信的快速发展，传统的无线收发机已经不能满足将来的通信需求，如何提供一种面向多标准通信的高速率、高灵活度和可重构的无线接收机，是一个有待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的问题，本技术提供一种面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端，调节带宽，提高通信速率，并克服现有技术中的一个或多个缺陷。
7.本发明的技术方案如下：
8.本发明的一方面，提供一种频带可重构射频接收机前端，所述射频接收机前端包括接收模块；
9.所述接收模块包括：低噪声放大器、射频开关、与多个通信频段通道对应的多个射频滤波器、第一级变频器、中频滤波器、功率放大器、解调器、可变增益放大器和基带可编程滤波器；
10.所述低噪声放大器接收来自接收机天线的射频信号，将接收的射频信号进行低噪声放大；
11.所述射频开关用于选择通信频段通道，将经低噪声放大后的射频信号输入至所选择的通信频段通道对应的射频滤波器进行射频滤波；
12.将经射频滤波后的射频信号与第一本振信号输入至所述第一级变频器进行下变频，得到中频信号；
13.所述中频信号经所述中频滤波器和功率放大器分别进行滤波和放大；
14.将经滤波和放大后的中频信号与第二本振信号输入至所述解调器进行解调，得到基带i/q信号；
15.所述基带i/q信号通过所述可变增益放大器和基带可编程滤波器，进行增益控制和低通滤波控制，从而获得预定带宽的信号。
16.在本发明一些实施例中，所述射频接收机前端还包括控制模块和本振模块；所述控制模块与所述射频开关、所述本振模块、所述可变增益放大器和所述基带可编程滤波器电连接，用于通过spi总线对所述射频开关、所述本振模块、所述可变增益放大器和所述基带可编程滤波器进行逻辑控制；所述本振模块用于基于控制模块的控制产生所述第一本振信号和所述第二本振信号。
17.在本发明一些实施例中，所述射频接收机前端还包括：电源模块，用于为所述接收模块、所述控制模块和所述本振模块进行供电。
18.在本发明一些实施例中，所述多个通信频段通道对应的频段包括2.4～2.5ghz、3.3～3.6ghz和4.8～6ghz中的两个以上频段；所述多个通信频段通道对应的多个射频滤波器用于获得所述多个通信频段通道对应的频段的射频信号。
19.在本发明一些实施例中，所述射频开关为可控多通道开关，其输入端与低噪声放大器相连，输出端与多个射频滤波器相连；所述控制模块通过控制射频开关的逻辑高低电平进行通信频段通道的选择，实现对所需信道的控制。
20.在本发明一些实施例中，所述第一本振信号为1.4～1.5ghz、2.3～2.6ghz或者3.8～5.0ghz的信号，所述第二本振信号为1ghz信号。
21.在本发明一些实施例中，所述第一级变频器包括双平衡有源混频器和本振缓冲放大器，输出的中频信号为1ghz中频信号。
22.在本发明一些实施例中，所述解调器的幅度平衡和相位平衡分别为0.07db和0.2
°
，从功率放大器的线性输出端口至中频端口的泄漏小于-50dbm；所述基带可编程滤波器具有0到63mhz且步进为1mhz的转折频率；所述可变增益放大器能够提供9db、12db和15db的固定增益。
23.在本发明一些实施例中，所述解调器包括两个混频器和一个移相器，两个混频器用于将中频信号转换为基带同相信号以及基带正交信号，所述移相器用于使得第二本振信
号产生90
°
相移。
24.在本发明一些实施例中，所述射频滤波器用于滤除天线接收到的杂散射频信号；所述中频滤波器用于滤除中频信号以外的信号；所述基带可编程滤波器用于通过软件控制适应信号带宽的选择。
25.本发明的另一方面，还提供一种频带可重构射频接收机，所述频带可重构射频接收机包括如前所述的频带可重构射频接收机前端。
26.由上述技术方案可知，本发明提供的面向多标准通信的频带可重构射频接收机，适用于wi-fi通信和5g通信，能够支持当前最流行的通信频段，可随时调节带宽，提高通信速率，并且可依据射频信号实时调节本振输出。此外，本发明可在射频、中频和基带进行多次滤波，抗干扰能力大幅度提升，系统具有可重构性，降低了系统的复杂成本。
27.本发明实例可以通过软件来控制基带的可调滤波器去改变信号接收带宽，以适用于不同的通信模式。这种可重构接收机可通过软件调节各种模块、可工作在多种通信模式、可灵活改变带宽。
28.本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为传统的超外差接收机结构示意图。
31.图2为本发明一实施例中面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端的结构示意图。
32.图3为本发明另一实施例中面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端的示意性框图。
33.图4为本发明一实施例中的频带可重构射频接收机前端的解调器内部结构示意图。
34.附图标记：
35.1：接收模块；2：本振模块；3：控制模块；4：电源模块；5：低噪声放大器；
36.6、射频开关；7：射频滤波器；8：混频器；9：第一本振；10：中频滤波器；
37.11：功率放大器；12：解调器；13：第二本振；14：可调低通滤波器；
38.15：基带可变增益放大器。
具体实施方式
39.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解
释本发明，并不作为对本发明的限定。
40.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
41.应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
42.从前几代通信技术的发展可以很清晰地看到，信号的带宽都在不断地增加，从以前的200khz到现在的100mhz，甚至具有更高的信号带宽。因此，目前更需要一种适应大带宽的射频接收机。
43.针对传统超外差接收机存在的诸多问题，本发明提供了一种面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端，其既可以工作在wlan频段也可以工作在5g的主流频段，又可以通过软件来调节接收信号带宽。在本发明优选实施例中，该射频接收机采用超外差接收机结构，相较于传统的超外差接收机作出了创新性的改进。
44.在本发明一些实施例中，对本振模块也进行了独立创新性设计，可以根据输入的射频信号不同而去实时调节本振源的输出，使系统更具有独立性。针对当前各种通信的不同带宽，本发明实例可以通过软件来控制基带的可调滤波器去改变信号接收带宽，以适用于不同的通信模式。这种可通过软件调节各种模块、可工作在多种通信模式、可灵活改变带宽的可重构接收机显著优于传统超外差接收机。
45.图2所示为本发明一实施例中面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端的结构示意图。如图2所示，该面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端包括：接收模块1。接收模块1的输入为来自于天线接收的射频信号，其输出端与接收机数字信号处理部分相连，由于数字信号处理部分不属于接收机前端结构，本发明不对数据信号处理部分做详细描述。
46.接收模块1具体可包括：低噪声放大器5、射频开关6、与多个通信频段通道对应的多个射频滤波器7、第一级变频器8、中频滤波器10、功率放大器11、解调器12、基带可编程滤波器14和可变增益放大器15。
47.其中，低噪声放大器5接收来自接收机天线的射频信号，将接收的射频信号进行低噪声放大。在本发明一实施例中，低噪声放大器5可采用具有0.6db噪声系数、29.7db增益的低噪声放大器pma3-63gln ，但本发明并不限于此，还可以是具有类似性能的低噪声放大器。来自天线的射频信号首先进入低噪声放大器的输入端，由于噪声系数低，且低噪声放大器在系统的最前端，使整个接收机系统的噪声系数保持在了较好水平，接收灵敏度也有了大幅度提升。
48.射频开关6用于选择通信频段通道，将经低噪声放大后的射频信号输入至所选择的通信频段通道对应的射频滤波器7进行射频滤波。多个射频滤波器7输入端与射频开关相连，输出端与第一级变频器相连，其作用是选择所需的射频信号进入接收链路，在射频级滤除其余杂散信号，防止对混频器造成干扰。在本发明实施例中，可以设置3个通信频段通道供射频开关6选择，3个通信频段通道对应的频段可以分别为2.4～2.5ghz、3.3～3.6ghz和4.8～6ghz频段，这些频段包含了当前最流行的wlan和5g通信的主要频段。每个通信频段通道对应一个射频滤波器(如带通滤波器)，作为示例，3个通信频段通道对应的射频滤波器分
别为：bpf1(如dea142450bt滤波器)，对应2.4～2.5ghz波段；bpf2(如bfcn-3600 滤波器)，对应3.3～3.6ghz波段；bpf3(如dea105425bt滤波器)，对应4.8～6.0ghz波段。在本发明一实施例中，射频开关例如为hmc7992开关。从低噪声放大器输出的射频信号进入射频开关输入端，用户可以根据需要通过选择所需要的通信频段通道，即将射频信号输入至所选择的通道的射频滤波器进行射频滤波，传统的超外差结构由于射频滤波器的带宽范围较大，导致了镜像干扰。本发明中，每个频段的滤波器的带宽范围较小且采用多个射频滤波器，可以大大降低镜像干扰。本发明射频开关的插入损耗为2db左右，射频滤波器的插入损耗为1db左右。
49.经射频滤波后的射频信号与第一本振信号9被一起输入至第一级变频器8进行下变频，得到中频信号。在本发明一些实施例中，第一本振信号9可以由本振模块2产生，但也可以由其他器件(如信号发生器)产生。在本发明优选实施例中，可以基于对通信频段通道的选择来相应向第一级变频器8提供不同的本振信号。第一本振信号经由本振源输出(lo)端口输入至混频器的本振输入端口，与中频信号一起输入至第一级变频器8。作为示例，第一级变频器8可以采用混频器adl5801，但本发明并不限于此。混频器adl5801集成有高线性度双平衡有源混频器内核和本振缓冲放大器，平衡的有源混频器可提供出色的本振至射频和本振至中频泄漏，泄露值优于-40dbm。输入的经射频滤波后的射频信号为2.4～2.5ghz、3.3～3.6ghz、4.8～6ghz波段信号，对应第一本振信号的输出分别为1.4～1.5ghz、2.3～2.6ghz、3.8～5.0ghz信号，两种信号混频后产生1ghz的固定中频信号。
50.中频信号进一步经中频滤波器10和功率放大器11分别进行滤波和放大。作为示例，中频滤波器10例如为中频滤波器bpf-v1000 带通滤波器，功率放大器11例如为pma-545g3 中频放大器。也即，混频之后的1ghz中频信号，经过高选择性的带通滤波器bpf-v1000 滤除本振泄漏信号和邻近干扰等，带通滤波器的通带范围为940～1060mhz，中频信道带宽为120mhz，插入损耗为4db左右。中频滤波器的输出端与中频放大器pma-545g3 的输入端相连，经过滤波后的1ghz中频信号进入中频放大器，选用的中频放大器的增益在30db左右。
51.将经滤波和放大后的中频信号与第二本振信号13一起输入至解调器12进行解调，得到基带i信号和基带q信号。第二本振信号经由本振源输出(lo)端口输入至解调器的本振输入端口，与中频信号一起输入至解调器。在本发明一实施例中，解调器例如为adl5380混频器。经过滤波放大后的中频信号进入解调器adl5380进行下变频至基带。本发明选用的解调器解调精度非常出色，幅度平衡和相位平衡分别约为0.07db和0.2
°
，从lo端口与if端口之间的泄漏小于-50dbm。输入的中频信号为1ghz，第二本振信号为1ghz信号，两种信号混频后产生基带i/q信号。如图4所示，解调器内部可包括两个混频器(i-混频器和q-混频器)和一个移相器。解调器内部的两个混频器将中频信号分别转换为为基带同相信号以及基带正交信号，即转换为i信号和q信号(两路正交基带信号)。
52.基带i信号和基带q信号各自通过基带可编程滤波器14和可变增益放大器15，进行低通滤波控制和增益控制，从而获得预定带宽的信号。
53.解调之后i/q信号要经过低通滤波和增益，本发明一实施例中选用adrf6518实现低通滤波和增益，adrf6518具有一对匹配的完全差分低噪声、低失真可编程滤波器和可变增益放大器。adrf6518中每个通道都能够抑制较大的带外干扰信号，放大所需信号，然后模
数转换器将该信号转换为数字信号，以便于在数字基带部分进行处理。该可调滤波器具有0到63mhz且步进为1mhz的转折频率，如若所需要的带宽大，可以设置为旁路模式，此时的带宽可扩展到1100mhz。该放大器可以通过软件控制选择固定增益9db、12db和15db，还可以通过0-1v电压控制可调的24db增益。
54.本发明实施例中，射频滤波器、中频滤波器、基带可调滤波器在每个频段进行了精确的滤波，射频滤波器滤除了天线接收到其他杂散射频信号，中频滤波器滤除了中频以外的其它信号，可调基带低通滤波器可以通过软件控制适应信号信号带宽的选择。
55.具有如上结构的频带可重构射频接收机可以减少镜像干扰以及其他的邻近干扰，并适用于wifi通信和5g通信，可以满足多标准通信要求。
56.图3示出了本发明另一实施例中面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端的示意性框图。如图3所示，本发明的接收机前端除了接收模块1之外，还进一步包括本振模块2、控制模块3和电源模块4。
57.控制模块3与射频开关5、本振模块2、基带可编程滤波器14和可变增益放大器15电连接，用于通过spi总线对射频开关、本振模块、可变增益放大器和基带可编程滤波器进行逻辑控制和写入。
58.本振模块2用于基于控制模块的控制产生第一本振信号和第二本振信号。本振模块是将本振信号分别发送至第一混频器的本振输入端和解调器的本振输入端，即本振模块与混频器和解调器进行电连接。控制模块是通过spi总线对各模块进行逻辑控制和写入，控制模块与射频开关、本振模块、可变增益放大器和基带可编程滤波器进行电连接。
59.电源模块4用于为接收模块1、本振模块2和控制模块3进行供电。例如，电源模块给低噪声放大器5、射频开关6、第一级变频器8、中频功率放大器11、解调器12、本振模块2、基带可编程滤波器14和可变增益放大器15这些模块进行供电，所需要的电源均为5v电源，且提供的是稳压后的5v电源信号。
60.本发明实施例中，本振模块2用于将本振信号分别发送至第一级变频器和解调器，即本振模块与第一级变频器和解调器进行电连接，本振模块2产生两个本振信号，第一本振信号发送给第一级变频器的本振输入端口，第二本振信号发送给解调器的本振输入端口。控制模块3可通过spi总线对各模块进行逻辑控制和写入，也即控制模块3与射频开关6、本振模块2、可变增益放大器和基带可编程滤波器进行电连接，并对射频开关6、本振模块2、可变增益放大器和基带可编程滤波器进行逻辑控制和写入。电源模块为接收模块1、控制模块3和本振模块2提供所需电源。
61.在本发明实施例中，本振模块可采用本振芯片hmc833，其能够产生25～6000mhz的信号，第一级变频器(或称第一级混频器)需要输入1.4～1.5ghz、2.3～2.6ghz或3.8～5.0ghz信号。解调器(或称第二级混频器)需要输入1ghz信号，该本振芯片可以通过串行端口接口(spi)编程产生所需要的本振信号，实现软件调节，从而增加整个接收机系统的灵活性。
62.本发明一实施例的控制模块采用的是stc89c51单片机，控制模块连接射频开关、本振模块、变增益放大器和基带可编程滤波器这三个模块，通过单片机与寄存器写入端口相连接，然后用pc将控制程序下载入单片机即可实现对各模块的控制。在这种情况下，射频开关、可调本振源、带可变增益放大器和可调低通滤波器通过软件实现快速调节，提高了系
统硬件的可重构性和通信的灵活性。
63.本发明实施例中，可变增益放大器和基带可编程滤波器可由控制模块进行控制增益和低通转折频率，其可以通过软件改变截止频率来改变接收信号的带宽，实现带宽可调。可变增益放大器和基带可编程滤波器由电源模块进行供电。
64.为了使系统更加的简单，本发明实例中混频器、解调器、可变增益放大器和基带可编程滤波器均可通过单端方式进行输入。
65.经实际测试，接收模块可提供26.9～128.9db的增益。传输频率范围达2.4～2.5ghz、3.3～3.6ghz、4.8～6.0ghz，能够使wlan和5g的一些常用频段通过，具有很高的干扰抑制，值得一提的是，经过实际测量得出，当接收的信号为100mhz的16qam信号时，误差向量幅度(evm)均小于1.45％，当接收的信号64qam信号时，接收机的evm均小于1.28％。
66.在本发明实施例中，射频滤波器、中频滤波器、基带可调滤波器在每个频段进行了精确的滤波，射频滤波器滤除了天线接收到其他杂散射频信号，中频滤波器滤除了中频以外的其它信号，可调基带滤波器可以通过软件控制适应信号带宽的选择。
67.在本发明实施例中，射频开关为可控多通道开关，其输入端与低噪声放大器相连，输出端与多个射频滤波器相连；所述控制模块通过控制射频开关的逻辑高低电平进行通信频段通道的选择，实现对所需信道的控制。
68.在本发明另选实施例中，也可以设置2个或多于3个的通信频段通道供射频开关6选择。在设置有2个通信频段通道的情况下，2个通信频段通道对应的频段可以是前面描述的3个频段中的两个频段。在设置有多于3个的通信频段通道的情况下，可以针对通信频段通道设置相应数量的频段。与各通信频段通道对应的各个射频滤波器用于获得各自通信频段通道对应的频段的射频信号。
69.综上，通过软件控制，本发明实现了对多种(如3种)信道的选择和不同通信模式的基带接收带宽的选择，本发明使用自己设计的本振源作为本振模块输入并可以根据射频输入信号决定本振源的输出信号，使混频后的中频为固定中频。整个系统抗干扰能力强，具有可重构性，复杂成本低。
70.本技术中面向多标准通信的频带可重构射频接收机前端，适用于wifi通信和5g通信，且支持当前最流行的通信频段，可随时调节带宽，提高通信速率，并且可依据射频信号实时调节本振输出。本发明在射频、中频和基带进行多次滤波，抗干扰能力大幅度提升，系统具有可重构性，降低了系统的复杂成本。
71.本发明的频带可重构射频接收机，带宽可根据软件灵活调节；可以根据射频信号频段的选择实时改变本振源输出，充分利用软件来实现系统的灵活性。
72.本发明构造了一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，使得工作频段、通信类型、工作带宽等各种功能可以利用软件来完成，从而研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。本发明通过在射频、中频和基带进行多次滤波，射频前端采用分段滤波且带宽选用的比较窄，解决了镜像干扰以及其他的邻近干扰，使抗干扰能力大幅度提升。需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
73.本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例
性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
74.本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
75.以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。