本发明属于毫米波通信技术领域，涉及一种轨道交通车地无线通信地面基站的毫米波收发机。
背景技术：
毫米波介于微波(3～30ghz)和亚毫米波(大于300ghz)之间，兼容了微波和光波的一些特点。近年来，由于毫米波具有的诸多优点,其在通信、雷达、制导、遥感技术等方面都具有重要的应用。随着轨道交通(高铁、地铁)的快速发展，为旅客提供可靠、实时、高效的宽带无线网络接入服务，对铁路信息化也提出了新的要求。一方面，列车的运行、安全监控和设备维护等信息需要实时传送到控制中心，满足路网实时动态信息传输的需要；另一方面，人们需要通过各种通讯设备，时刻保持与网络的连接。毫米波通信具备在相同的相对带宽下绝对带宽大，这就意味着更高的传输速率与更大的容量；更高的频率也意味着更高的天线增益、更小的尺寸，抗干扰性更好。毫米波收发机是把毫米波发射模块和接收模块，本振模块和微波模块等集成为一体的毫米波微波集成电路，是构成毫米波通信系统的基础。
国内现有的轨道交通车地无线通信体制大致为gsm-r、wlan和lte几种；gsm-r主要基于第二代全球移动通信系统gsm，成熟可靠，但该系统本身是窄带系统，数据承载能力有限，仅能满足铁路专用无线调度与控制需求；wlan技术具有产业链完整、技术成熟、造价低等优点，但不支持高速运行设备的数据切换，且工作在开放频段2.4ghz，易受到如个人热点、蓝牙等干扰；lte采用1.8ghz专用频段，抗干扰能力强，可维护性能好，但不支持100mhz以上频宽和低功耗，覆盖距离100m～1km，组网成本较高。现有的几种主流方案，即使采用高阶调制或多址技术来扩大通信系统的容量，提高频谱利用率，也很难满足未来通信发展的需求。
技术实现要素：
本发明的目的是，针对轨道交通日益增长的高速移动条件下高速数据传输所带来的“双高”问题的新需求，而采用与现有解决方案不同的毫米波技术，本发明的目的是提供一种基于轨道交通车地通信中毫米波通信技术体制下的地面基站毫米波收发机，作为实现车地之间毫米波高速通信的基础，以适应近年来轨道交通迅速发展下铁路信息化新的时代需求。
本发明的技术方案是：
地面毫米波收发机提供一种安装于铁路沿线地面基站的毫米波收发前端，在接触网杆的左右方向上各一套毫米波收发通道。采用模块化的设计思路，考虑模块及模块内电路的通用性，将地面毫米波收发机分为毫米波收发模块、微波模块和中频模块三大部分；与车载毫米波收发机共同完成轨道沿线上车地之间毫米波信号的中继传输，并可以监测和控制地面毫米波收发机的工作状态。
毫米波收发模块，包括两套相同的毫米波收发通道：毫米波发射电路-1、毫米波接收电路-1组成的毫米波收发通道-1和毫米波发射电路-2、毫米波接收电路-2组成的毫米波收发通道-2。毫米波发射电路-1或毫米波发射电路-2将微波模块输入的中频信号(带宽1ghz)上变频至工作的毫米波频段，并放大至所需功率后送入环形器，由地面天线向列车车顶上的车载天线发射出去。同时，地面天线接收车载天线发射的毫米波信号(带宽1ghz)，经环形器后进入毫米波接收电路-1或毫米波接收电路-2，将信号放大后下变频至中频信号，输出至微波模块。毫米波收发模块的两套毫米波收发通道分时工作，即同一时刻仅有毫米波收发通道-1工作或毫米波收发通道-2工作，由微波模块输入的系统通道切换信号控制毫米波收发模块工作时的通道选择。
微波模块包括微波处理模块、本振模块、电源模块、信号处理模块四个功能模块。微波处理模块中包括发射通道和接收通道，对来自中频模块的中频发射信号和去中频模块的中频接收信号进行温度补偿、放大、滤波、均衡等处理，并由系统通道切换信号控制其与毫米波收发通道-1或毫米波收发通道-2之间连接的通道选择与切换；本振模块为毫米波收发模块提供所需的本振信号；电源模块将外部输入电压转换为毫米波收发模块、微波模块、和本振模块所需的电压并分别为其供电，且具有相应的电流检测和电源保护的功能；信号处理模块对地面毫米波收发机的监控信息进行采集和传输。
中频模块为可与基带、调制解调等数模电路集成的部分中频电路，包括发射通道和接收通道。发射通道对中频发射信号进行均衡、放大、滤波等处理；同时接收通道对中频接收信号进自动增益控制、滤波、放大等处理，提供解调器所需要的中频信号。
地面毫米波收发机的毫米波信号接口采用wr-28标准波导，本振信号及中频信号接口采用同轴连接器，电源及控制接口采用穿芯电容。所述的各模块结构上均为金属屏蔽盒，提高电路的抗干扰能力和防尘性；便于系统集成。毫米波收发模块和微波模块与环形器、天线放置于在杆上的天线罩中；中频模块与外部调制解调器集成，放置在车厢内的基带机箱中，并采用一线通的方式连接中频信号。
本发明的有益效果为，本发明的地面毫米波收发机，信号带宽1ghz，为速率达gbit/s的车地高速通信系统的实现提供了有效、可靠的支撑。采用了模块化、通用化的设计，最大限度共用了功能模块，降低了杆上设备的数量和功耗，从而降低系统建设成本，方便系统集成设计、测试及产品化；安装于杆上的毫米波模块和微波模块采用垂直互连的方式，结构紧凑，小型化降低了体积；工作时可受系统实时监控，支持系统校准、故障预警和故障快速定位，发射端的信号功率和接收端的agc可以动态调整，在不同气候、环境条件下的适应性更强，具备一定工程化价值，可向地铁等其它轨道交通车地高速通信的解决方案推广。
附图说明
图1是地面毫米波收发机逻辑结构示意图；
附图标记：1.毫米波收发模块，2.微波模块，3.中频模块，101.毫米波收发通道-1，102.毫米波收发通道-2；
图2是地面毫米波收发机的毫米波收发模块原理图；
附图标记：101.毫米波收发通道-1，102.毫米波收发通道-2，111.毫米波发射电路-1，112.毫米波接收电路-1，121.毫米波发射电路-2，112.毫米波接收电路-2，21.本振模块，22.微波处理模块，24.信号处理模块；
图3是地面毫米波收发机的毫米波收发模块结构装配示意图；
附图标记：1.中频发射输入-1(smp接口)，2.本振输入-1(smp接口)，3.本振输入-1(smp接口)，4.中频接收输出-1(smp接口)，5.偏置/状态-1(m2.5穿芯电容)，6.波导滤波器，7.波导滤波器，8.环形器，9.中频发射输入-2(smp接口)，10.本振输入-2(smp接口)，11.本振输入-2(smp接口)，12.中频接收输出-2(smp接口)，13.偏置/状态-2(m2.5穿芯电容)，14.波导滤波器，15.波导滤波器，16.环形器；
图4是微波模块原理图；
附图标记：1.毫米波收发模块，2.微波模块，3.中频模块，101.毫米波收发通道-1，102.毫米波收发通道-2，111.毫米波发射电路-1，112.毫米波接收电路-1，121.毫米波发射电路-2，112.毫米波接收电路-2，21.本振模块，22.微波处理模块，23.电源模块，24.信号处理模块，211.温度补偿，212.放大，213.高通滤波，214.均衡，215.滤波，216.放大，217.均衡，218.温度补偿，219.低通滤波，221.晶振，222.pll，223.2倍频，224.滤波，225.耦合，226.耦合，231.电源保护和监测电路，232.dc/dc电路；
图5是地面毫米波收发机的微波模块结构装配示意图；
附图标记：51.微波模块偏置与数据(m2.5穿芯电容)，52.毫米波收发模块偏置与状态(m2.5穿芯电容)，53.中频接收输入(smp接口)，54.18.9/20.1ghz本振输出(smp接口)，55.18.9/20.1ghz本振输出(smp接口)，56.中频发射输出(smp接口)，57.中频发射输出(smp接口)，58.18.9/20.1ghz本振输出(smp接口)，59.18.9/20.1ghz本振输出(smp接口)，510.中频接收输入(smp接口)，511.毫米波收发模块偏置与状态(m2.5穿芯电容)，512.中频输入输出一线通(smp接口)；
图6是中频模块原理图；
附图标记：21.微波处理模块，31.发射通道，32.接收通道，311.均衡，312.数控衰减，313.放大，314.高通滤波，315.温度补偿衰减，321.温度补偿衰减，322.滤波，323.放大，324.低通滤波，325.耦合，326.检波，327.agc，328.均衡，329.放大；
图7是杆上天线罩内的毫米波收发机的结构装配图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的地面毫米波收发机，采用模块化的设计思路，由毫米波收发模块(包括毫米波收发通道-1、毫米波收发通道-2)、微波模块和中频模块组成。毫米波收发模块中两套的毫米波收发通道所需的本振信号及中频收发信号相同，可在微波模块中共用；中频模块与车载毫米波收发机的相同，可以直接沿用。毫米波收发模块、微波模块同外部的两个地面天线、两个环形器共同安装于接触网杆上的天线罩内，中频模块与安装于杆下的基带机箱内。
毫米波收发模块，包括两套相同的毫米波收发通道：毫米波发射电路-1、毫米波接收电路-1组成的毫米波收发通道-1和毫米波发射电路-2、毫米波接收电路-2组成的毫米波收发通道-2，原理图如图2所示。毫米波发射电路-1或毫米波发射电路-2将微波模块输入的中频信号(带宽1ghz)上变频至工作的毫米波频段，并放大至所需功率后送入环形器，由地面天线向列车车顶上的车载天线发射出去。同时，地面天线接收车载天线发射的毫米波信号(带宽1ghz)，经环形器后进入毫米波接收电路-1或毫米波接收电路-2，将信号放大后下变频至中频信号，输出至微波模块。毫米波收发模块的两套毫米波收发通道分时工作，即同一时刻仅有毫米波收发通道-1工作或毫米波收发通道-2工作，由微波模块输入的系统通道切换信号控制毫米波收发模块工作时的通道选择。
毫米波发射电路-1或毫米波发射电路-2对本振模块的输入信号进行放大和倍频后作为毫米波混频器的本振信号，放大器为adi的芯片，工作频率为13～25ghz，增益为20db；倍频器为adi的芯片，输出频率范围32～46ghz，输出功率13dbm。之后与微波模块输入的中频信号进行混频，产生所需的毫米波信号；混频器为adi的芯片，工作频段25～40ghz，输入1db压缩点为11dbm，变频损耗为9.5db。最后对毫米波信号进行滤波、放大等处理，将毫米波信号放大至所需的功率。放大链采用三级放大的方式：第一级放大器处理小信号，考虑到电路的通用性，采用与毫米波接收电路相同的低噪声放大器，该放大器为ommic的芯片，工作范围为25～43ghz，噪声系数小于1.8db，增益为25db；第二级放大器驱动后级功放工作，该放大器为avago的芯片，工作范围为20-45ghz，输出功率的1db压缩点为21dbm，增益为25db，；第三级功率放大器，该放大器为qorvo的芯片,工作频段33-47ghz，增益25db，输出功率的1db压缩点为26dbm；功率放大器输出的毫米波射频信号经探针过渡和波导腔膜片滤波器，送入环形器中。
同时，地面天线接收车载天线发射的毫米波信号(带宽1ghz)，经环形器后进入毫米波接收电路-1或毫米波接收电路-2。经波导滤波器和探针过渡，提高毫米波收发模块中收发隔离，提取毫米波信号并与电路形成良好匹配；随后进入低噪声放大器提高毫米波信号的接收功率，该放大器与毫米波发射电路中放大链路第一级相同。毫米波混频器采用谐波混频的方式，以降低电路的功耗、体积和成本。本振模块的输入信号滤波后与毫米波信号进入混频器，该混频器为adi的芯片，输出信号与本振信号的隔离度大于37db，变频损耗为10db，将毫米波信号下变频为中频接收信号。
毫米波收发模块外部为金属屏蔽盒，其结构如图3所示，左侧为毫米波收发通道-1，右侧为两套毫米波收发通道-2，每个毫米波收发通道的两个本振输入、中频发射输入及中频接收输出的接口均采用smp，与共用的微波模块左右两侧对称位置的smp接口对插相连；毫米波发射电路与毫米波接收电路通过wr-28标准波导连接左右两侧的波导滤波器，并连接至环形器，整体结构更加小型、紧凑，最大化利用杆上地面基站机箱的体积，便于与地面天线集成。毫米波收发模块的偏置/状态输入采用m2.5穿芯电容，偏置为毫米波收发通道-1或毫米波收发通道-2提供工作所需的直流偏置，状态由微波模块发送的系统通道切换信号控制毫米波收发模块工作时的通道选择，高电平时毫米波收发通道-1工作，低电平时切换到毫米波收发通道-2工作。
微波模块可为两套毫米波收发通道共用，以降低杆上设备的数量、体积和功耗。铁路沿线上有若干个地面站点，每个站点上的微波模块最大程度共用，便降低了系统建设的成本。如图4所示，微波模块由微波处理模块、本振模块、电源模块、信号处理模块四个功能模块组成，实现对中频模块输入/输出的中频发射/接收信号的处理、传输；为毫米波收发模块提供本振信号；为杆上的地面毫米波收发机各模块提供偏置；以及对毫米波收发机在杆上的各模块工作状态监测和控制等功能。
微波处理模块，包括发射通道和接收通道，中频发射信号在发射通道中首先进行温度补偿、放大，放大器为mini-circuits的芯片，其工作频率范围0.5-5ghz，噪声系数1.4db,增益21db；之后经高通滤波，并对其进行均衡处理以改善带内平坦度，最后进入spdt，由系统通道切换信号控制其去毫米波发射电路-1或者毫米波发射电路-2；同时，系统通道切换信号控制中频接收信号从毫米波接收电路-1或者毫米波接收电路-2进入接收通道，在接收通道中经滤波、放大，放大器采用与发射通道相同的mini-circuits的芯片，放大后均衡以改善带内平坦度，经温度补偿后低通滤波输出。系统通道切换信号为高电平时，微波处理模块接入毫米波收发通道-1工作；反之为低电平时，切换到接入毫米波收发通道-2工作，从而实现系统的通道选择切换功能；发射通道的输入与接收通道的输出采用功分的方式，共用一个射频信号接口以减小体积，共用的射频信号接口采用smp。
本振模块为毫米波收发模块提供四路本振信号，两路发射本振信号去毫米波发射电路-1和毫米波发射电路-2，两路接收本振信号去毫米波接收电路-1和毫米波接收电路-2。由晶振给锁相环提供参考信号，锁相环采用意法半导体的芯片，工作范围为3.85-16ghz，最高鉴相频率为100mhz，具有小数分频和整数分频功能。锁相环路锁定后，输出9.45/10.05ghz的微波信号，经二倍频器倍频至18.9/20.1ghz，二倍频器采用adi的芯片，输出的频率范围13-24.6ghz，输出功率17dbm；经带通滤波器提取，再经功分器将信号分两路输出，每路输出信号最后通过耦合器耦合输出每套毫米波收发通道所需的发射本振和接收本振两路信号。此外，本振模块具有提供本振锁定信息指示，以及晶振的输出频率可调谐的功能，支持系统运行时校准、故障预警和故障快速定位等功能的实现。
电源模块包括电源保护和监测电路、dc/dc电路两部分。电源保护电路在电源模块的输入端，外部输入电压12v经过之后，可防雷击、防上电浪涌电流、防过流及反接，监测电路将杆上的地面毫米波收发机各模块的总工作电流指示信号发送给信号处理模块，为系统运行时故障预警、监测及故障快速定位提供直观的依据。dc/dc电路将12v的电压转换为毫米波收发模块、微波模块和本振模块所需的电压+6v、+5.2v、+5v和-5v，分别为其供电，并具有电源保护的功能。
信号处理模块接收毫米波收发模块中两个毫米波收发通道的温度检测信号、本振模块的锁定指示信号和电源模块的总工作电流指示信号，监测杆上各模块的工作状态；向本振模块发送晶振频率调谐及向微波处理模块发送系统通道切换信号，控制系统的校准及切换。采用adi的芯片，该芯片支持i2c协议，集成了4路adc与4路dac，实现杆上的地面毫米波收发机各模块与杆下基带机箱的主机之间监控信息数据的采集与传输。
微波模块外部为金属屏蔽盒，内部分为上下腔体屏蔽盒，其中发射通道、接收通道和本振模块处于同一面，信号处理模块和电源模块集成在另一面腔体的pcb上，其结构装配图如图5所示，中频接收输入、两个本振输入及中频发射输出的接口均采用smp，位于微波模块的左右两侧对称的位置；与毫米波收发通道-1和毫米波收发通道-2的金属屏蔽盒对插相连，发射通道的输入与接收通道的输出共用的一线通接口采用smp；微波模块偏置与数据交互采用m2.5穿芯电容，提供12v外部供电电压输入及车顶上的毫米波收发机各模块工作状态监测和控制数据输入输出；两个毫米波收发模块偏置与状态采用m2.5穿芯电容，毫米波收发通道-1和毫米波收发通道-2提供偏置和通道切换的控制信号。
中频模块为可与基带、调制解调等数模电路集成的部分中频电路，包括发射通道和接收通道，原理图如图6所示。对微波模块输出/输入的中频发射/接收信号共用一个射频信号sma接口，对外部数模电路的信号接口为中频输入和中频输出两个独立的sma接口，分别与发射通道和接收通道相连接。电源信号及监控信号从db9接口接入，可实现发射信号功率控制、接收信号强度监测、agc动态调整等功能。
发射通道先对外部输入的中频发射信号做均衡改善带内平坦度，之后经数控衰减器由发射功率控制信号对其功率进行控制，提升环境适应性能力，数控衰减器为adi的芯片，插入损耗1.7db，可提供最大31db的衰减量。再经放大和高通滤波，并通过温度补偿衰减器改善高低温条件下增益不一致性的影响，最后经环形器输出。放大器采用与微波模块中相同的mini-circuits的芯片。
从微波模块输入的中频接收信号经环形器后进入接收通道，通过温度补偿衰减器改善高低温条件下增益不一致性的影响，并对其进行滤波、放大之后由低通滤波器提取出中频接收信号，并通过耦合器输出两路信号：一路信号检波输出，向系统提供接收信号强度监测信号；另一路信号通过agc环路的方式增大接收链路的动态范围，其检波输入端可接收系统的agc控制信号，对agc进行动态调整，其输出端的信号通过均衡、放大，最后对外输出后端电路所需的中频接收信号。放大器采用与微波模块中相同的mini-circuits的芯片。
毫米波收发模块和微波模块与环形器、天线放置于在杆上地面基站的天线罩中，总功耗不超过14w，如图7所示；中频模块安装于杆下的基带机箱内，所述的各模块结构上均为金属屏蔽盒，提高电路的抗干扰能力和防尘性，便于系统集成。