FDD与TDD的设计区别

现代无线通信系统主要采用两种双工技术来实现全双工通信：频分双工（Frequency Division Duplexing, FDD）和 时分双工（Time Division Duplexing, TDD） 。这两种技术在工作机制上存在本质区别，直接导致了其电路设计方案的显著差异。

频分双工 (FDD) 的电路设计挑战与关键器件

原理特征： FDD系统需要两个独立的频率信道 ，一个专用于下行（发射，Tx），另一个专用于上行（接收，Rx）。收发信号在不同的频点上同时进行。

电路设计特点： FDD的收发通道在物理上是完全独立的，包括射频链路（如LNA、PA、滤波器）和基带处理资源。这提供了天然的隔离基础。

核心挑战：发射机宽带噪声对接收机的干扰。

理论分析： 发射机产生的噪声并不仅限于其工作信道内。其输出频谱包含：

有用信号： 集中在载波频率f_tx附近。

杂散和谐波： 离散的、频率相关的干扰成分。

宽带噪声： 在很宽的频率范围内（包括接收频带f_rx），呈现为连续的、平坦的噪声基底。其来源主要包括：

信号源（如DAC）的本底热噪声被各级放大器放大。

本振（LO）的相位噪声经混频和放大后被调制到载波上并辐射出去。

功放（PA）本身的非线性也会产生宽带的互调噪声。

影响机制： 未经优化的发射链路，其宽带噪声功率谱密度在f_rx处可能高达-100 dBm/Hz量级（常见于U/V频段）。即使经过空间衰减（如50m距离后降至约-160 dBm/Hz），此噪声仍会显著抬升接收机所在位置的本地环境噪声基底（Noise Floor） 。接收机灵敏度S_min = NF + kTB + SNR_min（NF为噪声系数，kTB为热噪声功率）。环境噪底提升（如10dB），相当于接收机输入端的kTB项增加10dB，直接导致接收机灵敏度劣化 ，有效通信距离缩短。

关键器件：双工器（Duplexer）

作用原理： 双工器本质上是一个高性能的三端口（天线、Tx、Rx）滤波器组合 。其核心功能是频率选择与隔离 ：

发射滤波器： 允许f_tx信号高效通过至天线，同时对f_rx频带提供极高的抑制（阻带衰减）。

接收滤波器： 允许f_rx信号高效通过至接收机，同时对f_tx频带提供极高的抑制。

设计依据：

接收频带噪声抑制： 接收滤波器对f_tx频带（包含有用信号和宽带噪声）的抑制能力 是保护接收机免受发射机干扰（特别是宽带噪声）的关键。设计目标要求：在接收频点f_rx处，发射链路泄露过来的宽带噪声功率谱密度必须低于接收机自身的噪底（通常要求低于kTB + NF） 。这要求精确计算发射链路在f_rx处的噪声谱密度，并根据其与接收机噪底的差值（如>20dB）来确定接收滤波器在f_tx频带所需的最小抑制指标（例如：若发射宽带噪声在f_rx为-110 dBm/Hz，接收噪底要求-170 dBm/Hz，则双工器Rx端对f_tx的抑制需 > 60 dB）。

发射频带带外杂散抑制： 接收滤波器还需提供足够的带外抑制，以阻挡邻近频段的干扰信号进入接收通道。

发射端口抑制： 发射滤波器对接收频点的抑制隔离发射通道与接收通道。

案例论证： 蜂窝移动通信（如LTE FDD, 5G n1/n3/n7/n8等频段）是FDD的典型应用。在这些系统中，双工器（如基于BAW/FBAR技术的器件）的性能（特别是f_tx到f_rx的隔离度，常要求>55dB甚至更高，以及极低的插入损耗<1.5dB）直接决定了手机的通信质量和续航能力。设计不良的双工器会导致用户处于小区边缘时因灵敏度下降而频繁掉话或速率降低。

时分双工 (TDD) 的电路设计挑战与时间要求

原理特征： TDD系统在同一频率载波 上工作。下行（Tx）和上行（Rx）信号分时复用信道，通过保护时隙（Guard Period, GP） 来分离收发时段。同一时刻仅进行单向通信（半双工）。

电路设计特点：

资源共享： 收发通道复用 绝大部分射频前端硬件（如PA、LNA、滤波器）和基带处理资源（如ADC/DAC、处理器）。这显著降低了硬件复杂度和成本 。

业务容量考量： 理论上，相同信道带宽下，FDD能提供比TDD更高的峰值速率（全双工 vs 半双工）。TDD的实际容量取决于上下行时隙配比，可以灵活适应非对称业务（如下行流量远大于上行）。

核心挑战：收发切换时序与速度。

理论分析： TDD系统的关键性能指标之一是切换时间（Switching Time） 。它定义了从发射结束到接收开始（或反之）所需的最小时间间隔（即保护时隙GP的一部分）。过长的切换时间会浪费宝贵的信道资源，降低系统效率。

决定性因素：

频率源（锁相环PLL）切换/稳定时间： 当TDD系统需要在不同频点（如不同的WiFi信道）间跳频工作时，PLL重新锁定到新频率并达到相位噪声要求的时间至关重要。即使在同一频点工作，PLL也需要在收发模式切换时维持稳定输出（避免模式切换扰动）。现代快速锁定的分数N型PLL可以在几十微秒内完成锁定。

功率放大器（PA）开启/关闭（上升/下降）时间： PA从关闭/低功耗状态快速爬升到额定功率（上升时间），或从发射状态快速关闭（下降时间），必须在GP内完成。典型PA的上升/下降时间在微秒（μs）量级。功率越大的PA，其容性/感性元件储能效应越强，精确控制上升/下降沿以减小过冲（Overshoot）和振铃（Ringing）的设计难度增大 。过冲可能导致频谱泄露超标或损坏器件。

关键器件：射频开关（RF Switch）

作用原理： 在TDD系统中，高速、低插损的射频开关（如GaAs pHEMT或SOI CMOS开关）是实现收发通道硬件复用的核心。它在基带控制信号下，快速将天线连接到PA（发射态）或LNA（接收态）。

设计依据： 开关的主要指标包括切换速度（Switching Speed） 、插入损耗（Insertion Loss） 、隔离度（Isolation） 和功率处理能力（Power Handling） 。其中，切换速度（常<1μs） 是TDD系统GP设计的关键约束之一。开关的导通/关断控制信号的上升/下降时间必须精确设计以避免毛刺和开关瞬态干扰。

案例论证：

WiFi (IEEE 802.11 a/b/g/n/ac/ax)： TDD是WiFi的核心技术。下图展示了典型WiFi射频前端模块中PA和开关的规格书片段，其中明确标注了关键时序参数：

PA规格： Enable Time (Rise Time): <1μs, Disable Time (Fall Time): <1μs，并可能包含Power-up/Down Sequence Timing Diagram和Overshoot Specification。

RF开关规格： Switching Time (t_switch): <200ns, Transition Time (t_rise, t_fall): <50ns。这些参数直接决定了设备在密集接入点环境中的快速信道切换能力和吞吐量。

5G TDD (如n41, n77, n78, n79频段)： Massive MIMO基站和终端都采用TDD。其严格的帧结构和上下行切换点要求（如5ms半帧内包含多个时隙和切换点）对PA和开关的切换速度、时序精度提出了极高要求（达到微秒甚至纳秒级）。基站PA模块常采用复杂的数字预失真（DPD）算法，但其启动和关断时序的精确控制（包含斜坡控制Ramping Control）对避免频谱再生和邻道干扰至关重要。

总结与对比：

结论： FDD和TDD是各有优势的双工范式。FDD设计的核心在于运用高性能双工器进行严格的频率隔离 ，以克服发射机噪声对接收灵敏度的致命影响。而TDD设计则聚焦于超高速、低抖动的收发切换 ，其核心在于射频开关和功放 的快速响应能力以及频率源 的稳定切换，以满足严格的时隙边界要求。工程师在设计无线系统时，必须深刻理解这两种双工技术的原理差异及其带来的独特电路设计约束，才能选择最优方案并实现高性能、高可靠性的通信链路。