CN1068476C - 数字无线电通信线路系统和无线电通信线路终端 - Google Patents

数字无线电通信线路系统和无线电通信线路终端 Download PDF

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Abstract

本发明涉及数字无线电通信线路和无线电通信线路系统，该系统包括两个无线电通信线路终端(A，B)，在它们之间建立固定的无线电连接。在该系统中，无线电通信线路终端在同一无线电频率上交替发射，每一个无线电通信线路终端(A，B)包括(a)在发射分支中的基带调制器装置(12a；12b)，用于从数字数据流(TXD)生成基带调制信号；(b)在接收分支中的解调器装置，用于通过解调接收到的调制基带信号生成基带数据流(RXD)；(c)装置(22，24)，用于直接从上述基带调制信号生成射频(RF)发射信号，并且直接从接收到的RF信号生成上述接收到的基带信号；和(d)定时装置(16a；16b)，用于将无线电通信线路终端交替地与发射和接收模式相连。为了在经济上具有优势和尽可能简便地得到线路和一套线路系统，该装置包括单一的公用正交混频器(22)和控制它的本机振荡器，在基带中发射和接收支路被分离。

Description

数字无线电通信线路系统和无线电通信线路终端
本发明涉及一种无线电通信线路系统和一种无线电通信终端。
无线电通信线路系统通常按双工原理工作，这意味着两个无线电通信线路终端共同建立双向连接，从而在两个方向上同时进行通信传播。
双向同时连接的建立是在输出和输入方向采用不同的无线电频率。可是这样做会引起一些问题，这些问题将在下面A至D点中讨论。
A．在这两个无线电通信线路终端中，必须把发射机和接收机信号彼此分开，为的是接收机将不至于过负荷。实际上，唯一的方法是利用一个带分滤波器(天线分支单元)，它在一个频段把发射机与天线连接，并在另一个频段把接收机与天线连接。这种滤波器是一种非常复杂的部件，因此造价也很高。
B．天线分支单元需要信道相关(channel-associated)调谐或者只对部分频段进行调谐，这些使滤波器本身及其备件的制造复杂了。
C．由于工作在某个无线电中继段(hop)两端的设备在频率(特征)上是相反的，所以很难把它们在结构上设计得相似。至少，有必要根据反向发射和接收频率来修改天线分支单元，但是无线电部件本身可按照反向频率变化。
D．因为无线电通信线路终端的发射机和接收机在不同频率工作，它们包含一些工作在不同频率的振荡器，这可能在无线电通信线路终端内引起干扰混频效应。
下面这些方法，作为诸多方法的几种，被用来试图解决上述问题(A到D与上述四点相对应)：
A．就一数字无线电通信线路来说，该带分滤波器(天线分支单元)一直在使用，并且大体上只可能主要在涉及制造技术的方面降低其高造价。在某些应用中，例如在PCT申请WO84/00455中描述的无线电话系统中，实现双工工作是采用单一信道，在该信道中通信是以比正常速率要高的速率在两个方向交替进行的。通过一个适当的弹性缓冲器，速率可以被拉平，并且天线分支单元可以用较便宜的开关来代替。
B．和C．如上面条款A中的陈述，以同样的方式代替天线分支单元。
D．接收机可以依据方向转换原理运行来实现这一点，以使选频部件的数量和不利的混频效应减小。在上述PCT Application WO84/00455中的无线电话系统中也应用了方向转换。
本发明的目的是避免上述缺点同时尽可能经济地提供一个无线电通信线路终端和无线电通信线路系统，即在线路终端尽可能相似的同时，也要有最少数量的部件。该目的是通过依据本发明的解决方法来实现的。
本发明包括一种数字无线电通信线路系统，该数字无线电通信线路系统包括两个无线电通信线路终端，在它们之间建立有固定的无线电连接，其中无线电通信线路终端在相同的频率上交替地发射，每一个无线电通信线路终端包括：在发射分支中的基带调制器装置，用于从数字数据流生成基带调制信号；在接收分支中的解调器装置，用于通过解调接收到的基带信号来生成基带数据流；频率转换装置，用于从上述基带调制信号直接形成RF发射信号，并且用于形成上述基带信号，该基带信号是从接收到的RF信号直接接收到的；和定时装置，用于交替连接无线电通信线路终端到一个发射和接收模式，以便当一个无线电通信线路终端在发射状态时，另外一个无线电通信线路终端在接收状态。其特征是：上述频率转换装置包括单一的公用正交混频器和控制它的本机振荡器，发射和接收分支在基带中被分开。
本发明还包括一种数字无线电通信线路终端，该数据无线电通信线路终端包括：在发射分支中的基带调制器装置，用于从数字数据流生成基带调制信号；在接收分支中的解调器装置，用于通过解调接收到的基带信号来生成基带数据流；频率转换装置，用于从上述基带调制信号直接形成RF发射信号，并且形成上述基带信号，该基带信号是从接收到的RF信号直接接收到的；和定时装置，用于交替连接无线电通信线路终端到一个发射和接收模式，以便发射和接收发生在不同时间。其特征是上述频率转换装置包括单一的公用正交混频器和控制它的本机振荡器，发射和接收分支在基带中被分开。
本发明的思想是对无线电通信线路系统采用单一频率下的交替通信的方法，这时，发射机对无线电频率应用直接调制，接收机采用从无线电频率到基带的直接转换，因此(a)发射和接收使用一个公共的正交混频器，该混频器由同一个本机振荡器控制，(b)发射和接收支路在基带上被分离开。
原理上，依据本发明的系统不包含高频选频部件，例如一个天线分支单元。依据本发明的线路终端或线路系统也不包含任何单独的高频开关，而它们可以用一个不很贵的基带开关来代替。另外，小的调谐是必要的。当无线电通信线路终端的发射机和接收机共用相同的混频器和本机振荡器时，造价的节约是相当可观的。因为发射机和接收机都按直接调制/转换的原理工作并且在相同频率上交替，所以不会有在发射机和接收机之间产生不利的混频效应的危险。
因为依据本发明的系统并非采用两个信道而是两次采用同一个信道，所以频谱效率大体上没有变化。不过，发射和接收之间的交替需要一段预定的恢复时间，这实际在某种程度上减损了频谱效率。
下面，本发明及其最佳实施例参照附图中所示的例子被更充分地描述，其中：
图1是图解依据本发明的无线电通信线路系统的方框图；
图2是更详细的图解依据本发明的无线电通信线路终端的一部分的方框图；
图3是一个更详细的依据本发明的正交混频器的图。
依据本发明的无线电通信线路系统通过利用在发射机中对无线电频率直接调制和在接收机中对从无线电频率到基带直接解调制的方式，把在一个频率上的交替通信用于数字无线电通信线路连接来传播双路至少0.7Mbit/s(的数据传输速率)的通信(例如语音和/或数据)。依据本发明的无线电通信线路终端包括单一的正交混频器和单一的(高频)本机振荡器，该本机振荡器交替充当发射机和接收机的本机振荡器。
图1表示了一个方框图，它图解说明了依据本发明的无线电通信线路系统。该系统包括两个无线电通信线路终端A和B，它们通过无线电路径11互相通信。(在图1中，对应的部分被用同样的参考数字所表示，这样，作为无线电通信线路终端A的参照符号，字母a被引入，同样作为无线电通信线路终端B的参照符号，字母b被引入。)线路终端的发射分支包括弹性缓冲器11，它接收被发往线路的数字数据流D；基带调制器部件12，它为与天线17相连的无线电部件13生成基带调制信号，该无线电部件为接收分支和发射分支所共有。线路终端的接收分支包括解调器14，它解调从天线和无线电部件来的基带调制信号；弹性缓冲器15，它转送通过线路接收的数字数据流。该线路终端还包括定时装置16，它通过控制调制器、解调器和弹性缓冲器使线路终端在发射和接收两种方式之间交替。两个线路终端都在同一频率f上发射和接收。
进入线路终端A的基带数据流D被施加到弹性缓冲器11a，传输到弹性缓冲器11a的比特位被以均匀的速率存储。(到缓冲器的存储发生在一个由输入时钟信号CLK所决定的同步)。随着线路终端A的发射周期起动，弹性缓冲器以一种适宜的帧方式发射所存储的比特位至无线电中继段(radio hop)的另一端，其速率比通过调制器12a、无线电部件13a和天线17a的存储速率高两倍以上。(在图中，被以帧形式发射的数据流以标记TXD表示，并且相应的时钟信号以标记TCK表示)。在无线电中继段的另一端，接收到的信号经过天线17b和无线电部件13b传送到解调器14b，解调器14b完成解调(对接收到的比特位作判断)并将比特位施加到弹性缓冲器15b。(在图中，接收到的帧构成的数据流被以标记RXD表示，相应的时钟信号被以标记RCK表示)。弹性缓冲器分解无线电通信线路的帧结构，并且以均匀速率恢复比特位。在相反的方向(从终端B到终端A)，运行是相似的，但它以第一次提及的传播方向在时域中交替。
发射和接收时间以均匀的速率交替，并且比特流之间的速度差可以利用常规技术调整均匀。在发射和接收时间之间需要提供一段预置恢复时间，以便给设备时间来建立和包括信号及反射信号在无线电路径中传播的传播时间。这样总比特率明显地比净比特率高两倍以上。
图2更准确地表示了依据本发明的无线电通信线路终端。为了清楚，弹性缓冲器15没有画出。依据本发明，该无线电部件包括含有单一正交型混频器22和用以控制它的本机振荡器24的频率转换装置。
在线路终端的接收期间，发往天线17的信号在正交型混频器22内与基带混频，并且与本机振荡器的输入混频，施加给该输入的信号LO来自于本机振荡器。从混频器得到的实际上相互正交的基带信号I和Q通过基带放大器21进入解调器14，该解调器14确定接收到的比特并且与信号合并成为单一数据流RXD。基带放大器21还包含决定接收机的频率选择性的低通滤波器，并且也许还包含均衡器。
接收阶段完成之后经过一段时间到发射阶段，基带放大器21从混频器断开，并且一个从调制器12来的信号被提供给混频器的I和Q部分，该信号的形状依提供的调制而定。(通常来讲，调制器完成需要的基带调整，包括把数据流TXD分成两部分(I和Q)，编码，滤波，和将数字形式转换成模拟形式。)不过，基带放大器的断开是可选的，因为发射和接收发生在不同时间，所以在发射期间接收到的信号并不重要。不过在逻辑上，在混频器和基带放大器之间有一个被表示为参考数字SW1的开关。如果这个开关以物理方式被实现，例如4052或4066型式的模拟场效应晶体管(FET)开关就可以做到。然而从本发明的观点看，在基带上分离发射和接收支路是必要的。
如果线路采用移相键控(PSK)或QAM型调制方式，由调制器12提供的对应于它们的电压被作为I和Q信号，有可能被应用到从解调器14到本机振荡器24的频率的微调控制(图2中未显示)被断开或冻结。
如果应用移频键控(FSK)型调制，直流(DC)电压作为I和Q信号被施加到混频器22，并且本机振荡器的频率被由调制器获得的电压(在图中以参照符号Vm表示)调制。在此期间，从解调器到本机振荡器24可能获得的自动频率控制(AFC)电压被断开(或冻结)。
上述系统再增加移频键控(FSK)型调制就成为本发明的最佳实施例，该实施例(不论其它方面如何)，至少是经济的。这是因为这种配置可以得到最大不失真输出功率，除此之外，解调器利用一个电路装置来被实现，该电路的原理是基于测量连续位移的方位角之间的差值，这些位移发生在信号点的I/Q平面上。这种解调器的解决方案抗干扰能力强并且在费用上具有优势，它在芬兰专利申请FI932 519中有更全面更详细的描述。
原则上，混频器22可以是任何已知类型(无源的，正交的)的混频器结构。不过，为了混频器22在发射阶段不造成不必要的衰减，该混频器依据本发明的最佳实施例来被实现，方法是对于发射阶段的持续时间，转换它到其变换损耗为最小的状态。在这种替代中，正交混频器可以例如是一种由FET实现的受控正交混频器，以便它将在发射阶段作为一个有源混频器，而在接收阶段作为一个无源混频器。
图3表示了这类无源/有源混频器，它原则上包括两个独立的被控制在不同相位的混频器部件。本机振荡器信号LO经过一个输入电容器Cin被提供给第一功率分配器(power divider)31，从功率分配器31它被(按相同相位)分给第二功率分配器32，并且按90度相移分给第三功率分配器33。第二和第三功率分配器分别控制它们自己的FET部件F1和F2，它们很相象，以便与0度相移相对应的功率分配器的端口被连接在第一个FET的栅极上，与180度相移相对应的功率分配器的端口被连接在第二个FET的栅极上。第一FET部件F1构成信号I的端子，以便第一个FET的源极S构成信号的I+端子，并且第二个FET的源极S构成信号的I-端子。(信号I-与反相信号I+相等)相应地，第二FET部件F2构成信号Q的端子，以便第一个FET的源极S构成信号的Q+端子，并且第二个FET的源极S构成信号的Q-端子。(信号Q-与反相信号Q+相等。另外，信号I+和I-就是用图2中的参照符号I表示，信号Q+和Q-就是用Q表示)。在两个部件中，通过电容器C1、C2和C3、C4为相应的FET的源极构成射频-地(RF-ground)(的耦合)。在两个FET部件中，FET的漏极互相连接，并且该共同的端子与第四功率分配器34相连，该功率分配器34组合已混频的信号并且将它们通过一个输出电容器Cout和混频器的射频(RF)口提供给天线，并且在接收过程中分别分配信号给混频器部件。原则上，在混频器中第四功率分配器不是绝对必需的。
依据本发明的最佳实施例，这个混频器结构本身是这样被应用的：使定时装置16限定发射/接收交替并控制混频器，其方法是在发射阶段，通过扼流圈L2和第四功率分配器34连接偏置电压+Vdd到FET的漏极，以便FET作为有源(放大)混频器工作。经过一段时间转入接收阶段，定时装置16限定发射/接收交替断开偏置电压，这样，FET交替(alternately)作为导电开关工作，同时混频器作为无源混频器工作。通过扼流圈L1，偏置电压被提供给FET的栅极；该电压是持续存在的(在发射和接收期间)。
图3中表示的混频器构造在某种意义上具有优势，因为它可以工作在两个方向上，并且在发射方向可以很容易地作为有源工作，这点特别具有优势，因为依据本发明的线路终端在RF侧没有单独的放大器。
当使用FSK型信号时，由混频器造成的衰减也可以消除，方法是为混频部件配备一个转换开关，该转换开关将混频器从发射持续时间转换到另一状态，在这种状态中本机振荡器信号以最大可能的功率直接传送通过混频器。尽管如此，限定发射/接收交替的定时装置16控制混频器的状态。
尽管以上本发明以参照附图的例子被描述了，但是很明显，本发明决不仅限于此，而是可在上述发明思想范围之内变更。比如，根据所采用的调制方式，本装置的更详细的结构可以以各种方式变化。

Claims (8)

1．数字无线电通信线路系统包括两个无线电通信线路终端(A,B)，在它们之间建立有固定的无线电连接，其中无线电通信线路终端在相同的频率上交替地发射，每一个无线电通信线路终端(A,B)包括
-在发射分支中的基带调制器装置(12a；12b)，用于从数字数据流(TXD)生成基带调制信号；
在接收分支中的解调器装置(14a；14b)，用于通过解调接收到的基带信号来生成基带数据流(RXD)；
频率转换装置(22,24)，用于从上述基带调制信号直接形成RF发射信号，并且用于形成上述基带信号，该基带信号是从接收到的RF信号直接接收到的；和
定时装置(16a；16b)，用于交替连接无线电通信线路终端到一个发射和接收模式，以便当一个无线电通信线路终端在发射状态时，另外一个无线电通信线路终端在接收状态，其特征是：上述频率转换装置包括单一的公用正交混频器(22)和控制它的本机振荡器(24)，发射和接收分支在基带中被分开。
2．如权利要求1所述的无线电通信线路系统，其特征是：正交混频器(22)在定时装置(16a；16b)的控制下交替地工作在两个不同的状态，定时装置(16a；16b)被连接起来控制混频器以便混频器在发射持续期间处于有源混频状态，并且在接收持续期间处于无源混频状态。
3．如权利要求1所述的无线电通信线路系统，其特征是：在其中应用频移键控调制技术，并且直流(DC)电压信号被作为正交信号(I和Q)提供给正交混频器(22)，并且本机振荡器频率被从调制器装置(12a；12b)获得的电压(Vm)调制。
4．如权利要求1所述的元线电通信线路系统，其特征是：在其中应用频移键控调制技术，并且上述定时装置(16a；16b)被连接起来控制本机振荡器信号以便在发射期间该本机振荡器信号可以直接传送通过混频器。
5．数字无线电通信线路终端包括
在发射分支中的基带调制器装置(12a；12b)，用于从数字数据流(TXD)生成基带调制信号；
在接收分支中的解调器装置(14a；14b)，用于通过解调接收到的基带信号来生成基带数据流(RXD)；
频率转换装置(22,24)，用于从上述基带调制信号直接形成RF发射信号，并且形成上述基带信号，该基带信号是从接收到的RF信号直接接收到的；和
定时装置(16a；16b)，用于交替连接无线电通信线路终端到一个发射和接收模式，以便发射和接收发生在不同时间，其特性是上述频率转换装置包括单一的公用正交混频器(22)和控制它的本机振荡器(24)，发射和接收分支在基带中被分开。
6．如权利要求5所述的无线电通信线路终端，其特征是：混频器是由场效应晶体管开关实现的，并且上述定时装置(16a,16b)被连接起来控制上述场效应晶体管，以便在发射持续时间它们工作在有源混频状态，在接收持续期间混频器工作在无源混频状态。
7．如权利要求5所述的无线电通信线路终端，其中的上述基带调制器装置(12a；12b)包括频移键控调制器，其特征是：直流(DC)电压被作为正交信号(I和Q)提供给混频器(22)，并且本机振荡器的频率被从调制器装置(12a；12b)获得的电压(Vm)调制。
8．如权利要求5所述的无线电通信线路终端，其中上述基带调制器装置(12a；12b)包括频移键控调制器，其特征是：上述定时装置(16a；16b)被连接起来控制本机振荡器信号，以便在发射阶段它直接传送通过混频器。
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