模拟中继结构的优化设计

典型的中继纯模拟硬件结构实现如图5.1所示。一般地，发射端可以使用超外差、镜像抑制、低中频结构，而接收端可以使用超外差、直接上变频、两级上变频结构。在纯模拟硬件结构中，一些设计要点如下：

●可变的频率偏移。除非只有一个中继节点，并且预先规划好使用频段，否则这两阶段收发之间的双工频段上的频率偏移应该是可变的；因此，一个可编程的合成器是必不可少的，这可以很容易地使用数字结构来实现。可变的频偏通过允许系统动态配置发送节点、目标节点、中继节点所使用的双工频段来降低相互间的干扰。需要说明的是，一些频段如ISM频段，虽然可以供中继来使用，但现在这些频段上的平均干扰温度已经变得严重拥挤，以至于阻碍了正常通信。

●可变功率增益。在本书第3章指出，透明中继方法中只有重传信号的功率放大倍数可变时，才能获得全部的分集增益。这意味着需要一个可变功率放大器，并根据平均或瞬时信道衰落状况来决定放大倍数，这可以在模拟域通过调整接收信号观察窗口长短来求得。

●最佳的双工滤波器。射频收发电路之间存在很强的电磁耦合，需要通过双工滤波器，以及使用电气或机械隔离来消除。可根据系统的要求来选择适合的滤波器，射频收发频段间的频谱间隔越窄，对双工滤波器的性能要求越高，其结构越复杂，价格就越昂贵。使用声表（SAW）和体声波（BAW）滤波器可以获得成本和复杂度间的折中。例如，假定使用蓝牙设备作为协同通信链路，要求能正确检测接收信号的灵敏度为-70 dBm，如果转发发送功率为0 dBm，这就意味着双工滤波器需要保证至少70 dB（典型地，应需要更大）的隔离。再如，GSM的中继器接收与转发采用有一定频率间隔的不同频段，但因为目前的滤波器隔离与屏蔽方法达不到此隔离度要求，所以实际应用中要求接收与发送天线在空间上相隔3～6m的距离。

●同频中继的困难。在1.6.2节指出，目前要实现同频中继是非常困难的。主要问题在于，采用同频中继时发送的信号会同时被耦合在接收信号中，导致接收端低噪声放大器饱和，同时会将接收信号中的无用信号放大[511]。为了实现同频中继，需要保证中继设备的输出输入天线端口隔离I大于输入输出天线端口增益G。为了避免振荡和其他不利影响，隔离I应大于15 dB，即I＞G+15 dB[85]。目前，为了保证高的端口隔离度，同频中继器不仅要求在空间上对收发天线进行隔离（典型的GSM同频中继器的相隔距离为10～20 m），而且要保证收发天线在波束方向上正交。另外一个解决方法是，利用收发天线上的正交偏振。目前这两种方法都只能工作在具有较强可视通路的静态环境中。近来新兴的中继设备的小型化技术，大多是通过减少收发天线间的距离至λ/2来实现的，同时必须保证一定的隔离度要求。例如有一种技术非常具有前景，它使用工作在一定频率下相同电气长度的混合圆环，工作原理与全双工电话的桥接或双工线圈非常类似。还有一种利用了回波及自身干扰小区的技术，从接收到的低功率信号中提取出高功率发射信号，因而可提供30 dB以上的端口隔离度^{[81，513，514]}，然而，这种技术目前只能用于数字硬件结构。

●信号不能存储。中继纯模拟硬件结构的一个很重要的问题是无法存储接收到的模拟信号。也就是说，接收到模拟信号后，只进行频率搬移和重发。同样，这种硬件结构也无法使用1.6.2节所述的TDR协议。众多AF协议方面的研究成果也都假定模拟硬件结构的中继采用时隙方式接收与重发，实际上这与纯模拟硬件结构不能存储信号是相矛盾的。需注意的是，如果将中继重发采用不同时隙改为采用不同频段的话，这些研究成果中大多数方法就可以实现了。或者还可以直接使用数字硬件结构来实现，但相对纯模拟结构来说，其成本和复杂度都较高。

上面讨论的纯模拟硬件结构的典型应用是实现AF透明中继协议，如果要实现LF透明中继协议则需要对结构做一些修改。如图5.2所示，在信号放大前一般需要执行选择性的线性操作（严格来讲，放大之后的操作也是线性过程）。假如在此线性过程中包含了相位旋转的操作，那么需要一个VCO来产生所需的相位偏移。这在使用波束成型或需产生信号的复相关时是很有用的。(www.xing528.com)

图5.2 采用模拟硬件结构的中继实现：透明LF中继协议

最后，如图5.3所示，可用相同的方式来设计非线性处理与转发透明中继协议的硬件结构。因为非线性操作通常是针对没有调制在载波上的基带信号，因此在进入非线性操作过程前需要将信号下变频到基带。这样的上变频或下变频处理可能要通过临时中频频率，并分多个阶段来实现。

图5.3 采用模拟硬件结构的中继实现：透明nLF中继协议

纯模拟硬件结构的缺点是模拟信号不能存储，因此限制了基于时隙的TDR协议的应用。这个问题只能通过数字硬件结构来解决，即首先需要对信号进行采样并存储为数字基带信号。