室内分布系统利用天馈线供电的方法和系统与流程

本发明涉及无线通信系统中，室内分布系统利用天馈线供电的方法和系统，尤其是利用天馈线为室分系统的无线信号收发装置供电的方法和装置。

背景技术：
为了满足人们在建筑物内对无线通信信号需求的增长，出现了分布式天线系统(DAS)，即室内分布系统。在建筑物内DAS采用光缆技术向小型有源天线主动分配信号。这一系统需要在建筑物中设一个基站，但是可以让信号从建筑物的各个点进行更有效更可靠的地发射。为了给分布式天线系统的终端设备供电，需要远端供电设备通过电缆将终端设备所需的直流电源提供给建筑物内的干放站、直放站等。同时，这些设备还需要通过有源天馈线来传输各种射频信号。由于这些设备安装在建筑物内，如天花板等地，供电十分麻烦，维护成本太高。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种射频信号(RF)和直流电(DC)合路传输系统及方法，通过有源天馈线来传输DAS系统终端设备所需的直流电源，以降低终端设备的安装和维护难度。为了实现本发明的目的，首先提供了一种室内分布系统利用天馈线供电的方法，包括以下步骤：1)确定室内分布系统中天馈线远程传输供电的最高电压，使直流电源供电模块按照所述最高电压输出直流电源；2)信号源和直流电源一次功分器对室内分布系统的n路信号源和所述直流电源分别进行信号源和直流电源的功率分配后，输出n路带直流电压的有源信号，其中，n大于等于1；3)所述n路合成信号经由相应的信号源和直流电源合路器合成为混合信号，通过天馈线传输至信号源和直流电源二次功分器；4)信号源和直流电源二次功分器对所述混合信号进行功率分配后，还原为n路带直流电压的有源信号，经由天馈线传输至各信号源所对应的信号收发装置处；5)所述信号收发装置处设有信号源和直流电源分离器，将所述带直流电压的有源信号分离为信号源和直流电源后分别提供给信号收发装置，其中，直流电源用于为信号收发装置供电。上述方法将终端设备(即无线信号收发装置)所需的直流电源和无线信号源合路并经过调制后，在室内分布系统中通过有源天馈线传输给终端设备，一方面节约了直流电传输的布线成本，另一方面提高了天馈线的利用率，降低了系统维护需求。根据本发明的目的，还提供了一种室内分布系统利用天馈线供电的系统，即为室内分布天馈线供电系统，包括：直流电源供电模块，用于确定室内分布系统中天馈线远程传输供电的最高电压，并根据所述最高电压提供48-90V直流电源；信号源和直流电源一次功分器，用于接收直流电源供电模块输出的直流电源和室内分布系统中的n路无线信号，并对直流电源和信号源分别进行功率分配后输出n路带直流电压的有源信号，其中，n大于等于1；信号源和直流电源合路器，用于对信号源和直流电源一次功分器输出的n路带直流电压的有源信号进行合路，并输出混合信号，通过天馈线传输至信号源和直流电源二次功分器；信号源和直流电源二次功分器，用于对混合信号进行功率分配，分别输出n路带直流电压的有源信号，通过天馈线传输至信号信号源和直流电源分离器；信号源和直流电源分离器；用于将带直流电压的有源信号分离为有源信号和直流电源分别输出。上述系统中的个模块是利用现有系统中相应的电源、功分器、合路器和分离器等器件，对这些器件的功能加以改进，从而使它们共同完成了利 用天馈线传输直流电源的目的。有关这些模块的具体功能和实现方式将在本发明的实施例中详加描述。本发明的技术效果在于，通过天馈线为DAS系统的终端设备，如干放站、直放站等远程传输供电，充分利用资源，解决了这些终端设备在建筑物内的供电难题。本发明还将现有有源和无源分布系统方案进行了完美的整合，克服了有源和无源分布系统各自缺点，降低了施工难度及成本。附图说明图1是本发明室内分布天馈线供电系统最佳实施例的示意图；图2是图1中信号源和直流电源一次功分器的结构示意图；图3是图2中信号源(RF)和直流电源(DC)合路抗干扰滤波防雷器的示意图；图4是图1中功分器自动控制增益模块的结构示意图；具体实施方式以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。本发明的主要工作原理是：在满足现有无线信号传输的同时，采用不同载波反调制技术将直流电源通过信号源(RF)和直流电源(DC)合路器、信号源(RF)和直流电源(DC)一次功分器等设备将直流电馈到天馈线上，然后采用信号源(RF)和直流电源(DC)二次功分器、信号源(RF)和直流电源(DC)分离器等设备将直流电从射频天馈线电缆中提取出来给室内分布系统的终端设备供电，从而解决RRU干放直放站等设备远程传输供电问题。为了便于更直观地理解本发明的目的和具体技术手段，以下通过两个最佳实施例分别说明室内分布系统利用天馈线供电的方法和系统。为了便于理解，以下首先说明是室内分布系统利用天馈线供电的系统，即室内分布天馈线供电系统。如图1所示，室内分布天馈线供电系统的一个最佳实施例包括直流电源供电模块、信号源和直流电源一次功分器(RF和DC一次功分器)、信 号源和直流电源合路器(RF-DC合路器)、直流电源升压和控制模块、信号源和直流电源二次功分器(RF和DC二次功分器)、功分器自动控制增益模块、信号源和直流电源分离器(RF-DC分离器)。其中，直流电源供电模块和直流电源升压和控制模块可以设置在为室内分布系统供电的远端供电设备中。在本实施例中，直流电源供电模块为远端供电设备中的一次DC-DC48-90V供电模块，直流电源升压和控制模块为远端供电设备中的二次DC-DC48-90V供电升压模块。以下详细说明各模块的功能和实现方式。1、直流电源供电模块(本实施例中即一次DC-DC48-90V供电模块)，用于用于确定室内分布系统中天馈线远程传输供电的最高电压，并根据所述最高电压提供48-90V直流电源。在本实施例中，该模块采用的是IntersilDC-DCPOLISL8200M电源模块，其集成了PWM控制器、驱动器、功率FET、电感器、支持分立元件的IC，还有优化的补偿电路。该电源具备扩展功能和可编程计算功能，可以根据不同的方法是用。该电源可以根据其电流共享架构的输出功率要求进行扩展，该模块采用耐热增强型封装，高度仅为2.2mm，所以它可以很方便安装在室内分布无源器件里面。利用IntersilDC-DCPOLISL8200M封装底部非常低的2C/W热阻的θJ/C值，大部分的热量都可以通过封装底部和无源器件安全通孔消散掉，并至器件外观的接地层，最终可以将一个最高360W负载点电源解决方案安装在室内分布无源器件上。ISL8200M可以支持整个温度范围从低于10A一直到高达60A的负载电流。每个独立的电源模块可以单独支持10A的输出电流，这些模块可以并联起来，提供高达60A的输出电流。2、信号源和直流电源一次功分器，用于接收直流电源供电模块输出的直流电源和室内分布系统中的n路无线信号，并对直流电源和信号源分别进行功率分配后输出n路带直流电压的有源信号，其中，n大于等于1。为了防止外部直流电流对信号源(RF)造成干扰和信号的衰减，本发明对现有技术中的合路器进行了改进，增加了信号源(RF)和直流电源(DC)合路抗干扰滤波防雷器，如图2所示。防雷器的主要作用为对直流地与信号源地的合成与防雷。其中，信号源(RF)和直流电源(DC)合路抗干扰滤波防 雷器电路的一种实现方式如图3所示，主要设计原则如下：a)放电电阻的取值在允许的情况下，电阻取值要求越小越好，需要考虑以下情况：第一，电阻要求采用二级降额使用，保证可靠性。降额系数为0.75V，0.6W。根据欧姆定律可求出n＞(0.75Ve)2/(0.6Pe)第二，经过雷击浪涌后有残压，其瞬时值一般在1000V取值；其瞬时功率值不能超过额定功率值的4倍，也可求出R＞(Vcy)2/(4Pe)。两者综合考虑取R值，一般情况下，电阻R的取值为75-200K之间。功率为2-3W。金属模电阻。b)Cx电容的取值在允许的情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，一般情况下，要求取值在1-5uf之间(对每个电容)。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V/s时不损坏，按二级降额的原则选取，取值在275V，频率特性与电容的取值有关，取值越小，频率特性越好。c)Cy电容的取值在允许的情况下，容量要求越大越好，其值很难确切地估算出来，但是不能太大，太大则漏电流较大，一般情况下，要求取值在2200-4700pf之间(对每个电容)。电容的耐压值必须经过雷击浪涌后取值，有残压，其瞬时值一般在1000V/S时不损坏，按二级降额的原则选取，取值275V，频率特性与电容的取值有关，取值越小，频率特性越好。Cx电容和Cy电容，一般都是通过较小的电容并联来满足容量的要求，这样滤波器的高频特性好。d)电感的取值材料的选取原则——从以下几个方面考虑：第一，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在1GHz，即在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。第二，磁导率高，但是在实际中很难满足这一要求，所以，磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体。电感量的估算——考虑阻抗和频率。共模扼流圈取值1.5-5mH，差模扼流圈取值为10-50uH。3、信号源和直流电源合路器，用于对信号源和直流电源一次功分器输出的n路带直流电压的有源信号进行合路，并输出混合信号，通过天馈 线传输至信号源和直流电源二次功分器。信号源和直流电源合路器的设计原理和一次功分器相同，也是在现有合路器的基础上增加信号源(RF)和直流电源(DC)合路抗干扰滤波防雷器，就不再重复。4、信号源和直流电源二次功分器，用于对混合信号进行功率分配，分别输出n路带直流电压的有源信号，通过天馈线传输至信号信号源和直流电源分离器。信号源和直流电源二次功分器的设计原理和一次功分器相同，也是在现有功分器的基础上增加信号源(RF)和直流电源(DC)合路抗干扰滤波防雷器，就不再重复。5、信号源和直流电源分离器，用于将带直流电压的有源信号分离为有源信号和直流电源分别输出。该器件可以采用现有技术中的分离器，也可以在现有分离器的基础上增加信号源(RF)和直流电源(DC)合路抗干扰滤波防雷器。6、直流电源升压和控制模块(二次DC-DC48-90V供电升压模块)，用于对信号源和直流电源合路器输出的混合信号进行升压和直流电路干扰滤波。在本实施例中，二次DC-DC48-90V供电升压模块选用的是P89LPC936单片机，该芯片采用增强型8051内核，速度是标准8051的6倍，内置4KBFlash程序存储器、256B片内RAM，2个16bit定时/计数器，1个8位4通道逐步逼近式模数转换模块(ADC1)和1个DAC模块(DAC0)，高达26个I/O口，几乎所有输入引脚均具有抗干扰滤波功能，并内置了硬件看门狗，在软件配合下，抗干扰能力很强。P89LPC936单片机的可以通过IntersilDC-DCPOLISL8200M模块采样电路实时采集天馈线远程传输供电电压和电流，经内部计算决定下一阶段的电压和电流，然后送出控制信号给过IntersilDC-DCPOLISL8200M模块控制充电电流和电压的大小，并协调好其他各外围电路模块工作。7、功分器自动控制增益模块，用于在所述信号源和直流电源分离器分离所述带直流电压的有源信号之前，先调整信号的增益范围。在本实施例中，功分器自动控制增益模块采用两级射频AGC电路分别控制上行链路输入端和输出端的增益，达到自动控制输出功率的目的，其结构如图4所示。在本实施例中，增益模块采用PIC16F878-DFP单片机 与DAC5687-2数模32位转换器和AD8318功率检测控制器(即正反向功率检测电路)，并采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的单片机使用串口通信。数控部分实现对功率、增益、电平、驻波、温度、栅极电压等的自动监控及调节。微型DC-DCPOLISL8200M电源负责提供自动控制增益模块工作的电压电流。图4所示的增益模块为本领域的常规电路，此处不再详细描述。8、DC/DC分散自适应整流器，用于对信号源和直流电源分离器输出的直流电源进行直流整流后，提供给信号收发装置。整流器为本领域的常见器件，可以根据需要直接选用现有产品。以上详细介绍了室内分布天馈线供电系统的结构和详细功能，本系统通过对现有功分器、合路器和分离器的改造，实现了信号源和直流电源的合路，且通过天馈线传输，提高了室内分布系统各器件和天馈线的利用率，减少了设备维护成本。本领域技术人员应能理解，上述实施例仅为本发明的最佳实现方式之一，在本发明的其他实施例中，室内分布天馈线供电系统还可以仅包括直流电源供电模块、信号源和直流电源一次功分器、信号源和直流电源合路器、信号源和直流电源二次功分器、信号源和直流电源分离器这五个基本模块，就能够基本实现本发明的目的，其他模块如直流电源升压和控制模块、功分器自动控制增益模块、DC/DC分散自适应整流器都可以分别和五个基本模块组合成为新的实施例。以下通过一个最佳实施例介绍本发明的室内分布系统利用天馈线供电的方法，该方法包括如下步骤：步骤一：确定室内分布系统中天馈线远程传输供电的最高电压，使直流电源供电模块按照所述最高电压输出直流电源；该步骤还可以分解为以下三个步骤：直流电源供电模块发送基准校正电压，基准校正电压通过天馈线传输到室内分布系统中的各个模块；各模块分别利用自身内置的微型dc-dc发送模块用已测得电压值的电压反向依次传送到直流电源供电模块；直流电源供电模块将各模块所采集的个点的电压值数据与内置的标准电压值进行比较，并根据比较的结果确定本系统 天馈线远程传输供电的最高电压值。具体地，可以由直流电源供电模块发送基准校正电压(例如55V)，基准校正电压通过天馈线传输到室内分布天馈线供电系统中的各个模块，各模块分别利用自身内置的微型dc-dc发送模块用已测得电压值的电压反向依次传送到直流电源升压和控制模块。直流电源升压和控制模块将各模块所采集的个点的电压值数据与内置的标准电压值进行比较，得出需要补偿的电压值(例如3V)，并根据补偿的电压值确定本系统天馈线远程传输供电的最高电压值(57V)。其中，直流电源升压和控制模块内置的标准电压值是指系统根据天馈线的长度事先计算的不同段馈线的电压值(例如，常用馈线的直流电阻值为：内导体1.48欧姆/KM、外导体1.90欧姆/KM。据此可以算出在天馈线长度的某一点出的电压值)。系统中的各模块分布在天馈线的各个点上，因此在这些点上采集电压值可以反映出基站校正电压在天馈线不同段的压降。通过各个模块反馈的实际压降值，直流电源升压和控制模块可以对合路器输出的混合信号进行抗干扰滤波和升压后再输出给RF和DC二次功分器。步骤二：信号源和直流电源一次功分器对室内分布系统的n路信号源和所述直流电源分别进行信号源和直流电源的功率分配后，输出n路带直流电压的有源信号，其中，n大于等于1；室内分布系统的信号源可以是各种无源或有源的射频信号，包括但不限于WLAN、GSM、CDMA、TD-SCDMA等各种无线通信射频信号。因此，进入信号源和直流电源一次功分器的可以是一路(n＝1)或多路信号(n＞1)。具体地，信号源和直流电源功分器内设有信号增强隔离器对信号源进行一次隔离，还设有防雷器用于天馈线系统的防雷。有信号源和直流电源隔离防雷器的说明请参考前述对室内分布天馈线供电系统的介绍。在本发明的其他实施例中，为了提高系统可靠性，还可以对信号源和直流电源一次功分器的输出进行备份，即再输出一路相同的信号给另一个合路器。作为备份的合路器及其输出的信号可以在线热备份，以便在主路信号出现故障时及时投入使用。步骤三：所述n路合成信号经由相应的信号源和直流电源合路器合成为混合信号，通过天馈线传输至信号源和直流电源二次功分器；进一步地，还可以利用直流电源升压和控制模块对信号源和直流电源合路器的输出的混合信号进行针对直流电路干扰的滤波和抑制后输出给信号源和直流电源二次功分器，这样可以降低室内分布系统由于插入了功分器等模块引起的传输损耗。步骤四：信号源和直流电源二次功分器对所述混合信号进行功率分配后，还原为n路带直流电压的有源信号，经由天馈线传输至各信号源所对应的信号收发装置处；其中，信号收发装置即室内分布系统的终端设备，例如干线放大器或室内天线等。步骤五：由功分器自动控制增益模块对所述带直流电压的有源信号进行信号的强弱自动调整后输出给所述分离器。本步骤为信号调整步骤，在本发明的其他实施例中，可以不包括本步骤。步骤六：所述信号收发装置处设有信号源和直流电源分离器，将所述带直流电压的有源信号分离为信号源和直流电源后分别提供给信号收发装置，其中，直流电源用于为信号收发装置供电。其中，分离器输出的直流电源还可以通过DC-DC分散自适应整流器进行整流后再供电给信号收发装置。步骤一到四完成了信号源和直流电源的合路传输，信号源和直流电源功分器输出的n路带直流的有源信号就可以分别在各自的天馈线上传输到室内分布系统的各处。此外，本发明在上述方法的基础上，还进一步提供了故障诊断方法，包括以下步骤：直流电源升压和控制模块检测功分器自动控制增益模块和/或信号收发装置的工作电流大小；当所述工作电流大于10A时，所述直流电源升压和控制模块则调整对所述功分器自动控制增益模块和/或信号收发装置的供电电压，直到所述工作电流小于10A为止；或者当电压调整至供电电压的上限90V而所述工作电流仍大于10A 时，直流电源升压和控制模块则切断对所述功分器自动控制增益模块和/或信号收发装置的供电并发出故障告警。为了更好地理解本发明，我们再举一个比较复杂的例子，假设在步骤二中，信号源和直流电源一次功分器共接收到WLAN、GSM和CDMA三路信号源和直流电源的输入，那么在步骤三中，由于信号源和直流电源合路器所进行的合路就不仅仅是简单的RF-DC合路，而是多频道RF-DC合路。即，需要先将三个频段的射频信号耦合之后再和直流电源进行合路。同样，在步骤五输出的就是三路带直流电压的信号源。这三路信号分别在WLAN、GSM和CDMA各自的室内分布系统天馈线中传输。其中一路在WLAN天馈线上经过增益放大后由信号源和电源分离器进行分离。分离出的WLAN信号进入WLAN干线放大器及其下挂的AP；分离出的电源则通过DC-DC自适应整流器后为WLAN干线放大器供电。同样地，另外两路带电源的信号也经过类似的处理给终端设备供电。