一种多通道可复用无线电射频收发系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线电信号的收发系统，特别是将多通道的无线电信号在射频集成电路芯片合并成一个通道，形成多通道可复用无线电射频收发系统。
【背景技术】
[0002]先进的移动通信系统大都采用多进多出技术(MIM0:Multiple Input-MultipleOutput)，形成多天线、多通道的Mnro系统。MMO系统借助于多天线，在发射端和接收端都使用多个天线，每一根天线对应一个通道。MIMO系统相对于以往的单天线系统，可以在不增加载波信号带宽的前提下，大约以天线个数的倍数增加信息传输量(李在林.4G通信系统中M頂O-OFDM同步技术的研究[D].南京:南京理工大学，2011:1-8，参考文献I)。
[0003]传统的单天线雷达系统，通过在不同地点发射电磁波可以提高被测物体的位置精度。在相控阵雷达系统中，通过多天线阵列技术，可以实现比不同地点多个雷达更高的测量精度。
[0004]无线通信以及雷达无线电系统，都包含发射电磁波信号的发射端(或发射机)，和接收电磁波信号的接收端(或接收机)，二者合称收发前端或收发机。对于射频波段的无线电系统，无线电信号的收发前端也称为射频收发前端或射频收发机。
[0005]在多天线、多通道的MMO无线通信系统以及雷达系统中，收发机都有多种不同结构，无论采用哪种结构，迄今所有的传统技术，系统中每一根天线对应的通道，都需要一整套独立的射频收发前端(张胜.宽带无线通信系统射频收发前端研究[D].杭州:杭州电子科技大学，2010:9-15，参考文献2)。
[0006]射频收发机的每一个通道中，无线电信号所经过的收发机硬件链路，都包含独立的放大器、滤波器、混频器等器件芯片单元，简称芯片单元或器件单元，这些芯片单元具有将电磁波的输入信号放大，滤波，以及混频等功能。通过增加系统的通道数量，可以提高射频前端传输的信息量，并且信息传输量大约和通道数成正比。所以，无线电系统为了提高传输的信息量，希望通道数越多越好。
[0007]但是，传统MMO系统中，每一个通道都需要一整套独立的射频收发前端，并且每个通道的射频收发前端的电路结构相同(Tachibana，R.，et al.〃A 0.13ym CMOS 5GHz FullyIntegrated 2x3MIM0 Transceiver IC with over 40dB Isolat1n."Rad1 FrequencyIntegrated Circuits(RFIC)Symposium, 2007IEEE，2007:661-664.参考文献3)。随着通道数量的增多，收发前端芯片的总面积成倍增加，当天线数量达到几十甚至几百个时，芯片面积和成本几乎大到无法接受的程度。
[0008]以参考文献3的MMO收发机集成电路芯片为例，收发机中包含2个相同电路结构的发射通道组成的发射机，和3个相同电路结构的接收通道组成的接收机。该多通道收发机的集成电路芯片总面积达到4.56mm x 7.7mm，相比于单通道，芯片面积大大增加。随着无线电系统的通道数进一步增加，收发机芯片总面积将会成为制约提高通道数量的一个关键技术瓶颈。
[0009]传统MMO系统中，每一个通道都需要一整套独立的射频收发前端，使得芯片面积成为制约提高通道数量的一个关键技术瓶颈。
[0010]如何在无线电系统的射频收发机的集成电路芯片层次，解决多通道系统中每一个通道需要一整套独立的射频收发前端的技术问题，成为未来多通道MIMO系统的一个核心方向，一直以来，也是国际无线电领域多年没有得到解决的一个技术难题。
[0011]每个单通道的射频收发系统，其射频带宽决定了系统的最高信息传输速率。通过详细分析射频收发前端的每个器件芯片单元以及具体结构，我们发现，每个通道的射频收发前端中不同的器件芯片单元，通常具有不同的带宽，有的带宽大，有的带宽窄。而每个通道的总带宽，是由组成射频收发前端的所有器件芯片单元中，带宽最窄的器件芯片单元所决定。
[0012]例如，采用特定工艺，假设低噪声放大器的带宽可以达到250MHz，而片上滤波器的带宽通常是最低的，只能达到100MHz。由以上两款器件芯片单元组成的收发前端芯片的带宽就由带宽最窄的10MHz器件芯片单元决定。通过这种器件芯片单元组成的收发前端，所形成的多通道无线电系统，每个通道的收发前端器件芯片单元中，带宽最窄的器件芯片单元达到了饱和带宽，而其他器件芯片单元则没有达到饱和带宽，而是存在带宽冗余。通过某种技术使具有冗余带宽的器件芯片单元，在多个通道中重复使用，构成了一种多通道可复用射频系统。这里，通道是指频域或者时域上信号传输的路径。多通道可复用射频系统，是指多个通道共用一个收发前端硬件链路中的某些器件芯片单元，其中多个通道共用的器件芯片单元，简称复用器件芯片单元。
[0013]以超外差结构的接收机为例，传统多天线、多通道接收机的射频接收链路，每一个通道都具有相同的链路结构，每一个通道都使用一个独立的低噪声放大器(LNA:Low NoiseAmplifier)。而通常情况下，低噪声放大器又占有比较大的芯片面积。传统技术每一个通道都使用独立的低噪声放大器，会大大增加接收机芯片面积。在实际的芯片设计中我们发现，以现有技术，LNA可实现的带宽比较宽，大于每一个通道的带宽。从而，每一个通道都使用一个独立的LNA会造成LNA的带宽冗余。
[0014]利用LNA的带宽冗余这个特点，如果将不同通道的射频信号合并为一路信号，使多个通道的带宽接近一个LNA的带宽，对于多个通道的接收机，会降低接收机上LNA芯片的数目，从而显著降低芯片面积，降低芯片成本。
[0015]本发明涉及一种多通道可复用无线电射频收发系统，针对目前多通道无线电系统的射频收发前端中，每一个通道都需要一整套独立的射频收发前端，造成芯片面积过大的缺点，利用射频收发前端不同器件芯片单元可实现不同带宽的特点，对每个通道内射频信号进行变频，分别搬移到不同频段，汇合成一路宽带射频信号，然后，将多个通道中带宽较宽的同一器件芯片单元进行合并(或简并)复用，从而降低多通道无线电系统中收发前端芯片的总面积。
【发明内容】
[0016]目前，多天线、多通道无线电系统的射频收发机中，每一个通道都需要一整套独立的射频收发的集成电路芯片链路，每一条射频收发链路都是由独立的功率放大器、低噪声放大器、混频器、滤波器等器件芯片单元组成。其中，有些器件芯片单元可实现的带宽较窄，例如模拟基带、滤波器，而有些器件芯片单元可实现的带宽较宽，例如混频器、低噪声放大器、功率放大器。每一条射频收发链路的最大带宽，由收发链路内带宽最窄的器件芯片单元决定。而带宽较宽的器件芯片单元，在同一通道中将会产生带宽冗余。采用传统的多通道无线电系统结构，随着通道数的增加，每个通道都需要一整套独立的射频收发链路，将导致芯片的总面积过大。
[0017]有鉴于目前技术之缺失，本发明利用射频收发链路中不同器件芯片单元的最大带宽不同的特点，在带宽较窄的器件芯片单元采用多通道输入;在带宽较宽的器件芯片单元，首先将每个通道内的无线电信号进行变频，把每个通道的频谱分别搬移到相互之间不交叠的不同频段(简称频谱搬移)，然后合成一路宽带信号，送入带宽较宽的同一器件芯片单元，从而实现带宽较宽的器件芯片单元的合并复用或简并复用。以上这种对多通道射频信号的处理，可以有效利用带宽较宽的可复用器件芯片单元的宽带特性，从而降低芯片面积。
[0018]优选的，利用二次变频技术实现多通道无线电射频收发系统中，带宽较宽的射频集成电路器件芯片单元的复用。在多通道系统中，每个通道从天线接收或者发射的信号都是同频段的，每个通道从数字基带单元输入到无线电射频收发系统的信号，以及从无线电射频收发系统输出到数字基带单元的信号都是同频段的。在各个通道的信号进入带宽较宽的器件芯片单元前，对每个通道内的信号进行变频，把频谱分别搬移到相互之间不交叠的不同频段，然后合成一路宽带信号，送入带宽较宽的复用器件芯片单元;合成后的一路宽带信号经过处理后，再通过不同频率的载波进行二次变频，将每一个通道的信号变为相同频段和带宽的信号，并送入每一个通道的后一级器件芯片单元进行处理。
[0019]图1是本发明提出的多通道可复用无线电射频收发系统的一种接收机框架图。相同频段、相同带宽的射频信号经过多根天线如编号为100、101、102、103进入每根天线对应的接收链路，然后送入前置频谱搬移单元11，每个通道中同一频段的射频信号，被搬移到相互之间不交叠的不同频段。前置频谱搬移单元11将输入的多路射频信号，合成一路宽带射频信号110，进入复用的、带宽大于每个单独通道信号带宽的低噪声放大器12。低噪声放大器12对合成后的一路宽带射频信号110进行放大。低噪声放大器12的输出信号111送入后置频谱搬移单元13，所述后置频谱搬移单元13将每一个通道的射频信号变为相同频段和带宽的基带信号，并送入每一个通道的后一级的独立的模