一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置及其控制方法与流程

本发明涉及移动通信系统中射频前端及射频技术设计领域，特别涉及一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置。

背景技术：

无线通信系统(wirelesscommunicationsystem)指的是通过无线协议实现通信的一种方式；无线通信系统也称为无线电通信系统，是由发送设备、接收设备、无线信道三大部分组成的，利用无线电磁波，以实现信息和数据传输的系统；它根据工作频段或传输手段分类，可以分为中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。

在无线通信系统中，对基站及无线网络覆盖系统的可靠性要求非常高，尤其是在一些站点偏僻、环境恶劣、或繁忙区域等特殊的站点位置，对系统的长期可靠性严格要求；目前在一些站点偏僻、环境恶劣或繁忙区域，无线通信系统的可靠性还不够强，还需要进行改进。

技术实现要素：

为了克服上述所述的不足，本发明的目的是提供一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置，其通过当发现装置中的基带信号发射或接收基带信号发生故障，可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作。

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置，其中，包括用于发送和处理基带信号的数字板、用于接收基带信号并将该基带信号放大转化成通信信号且传输该通信信号的射频功率放大器模块及用于接收通信信号并转换和发送无线通信信号的天馈模块；所述数字板上设置有依次连接的mcu、fpga和用于进行发送基带信号的数字处理单元，所述数字处理单元内至少设置有两路基带信号发射通道，每条基带信号发射通道至少可与两条通信通道进行信号对接。作为本发明的一种改进，所述数字处理单元内设置有第一基带信号发射通道和第二基带信号发射通道，所述第一基带信号发射通道和第二基带信号发射通道内均设置有用于对基带信号进行检测的变频及信号检测单元。

作为本发明的进一步改进，所述射频功率放大器模块内设置有用于接收第一基带信号发射通道发射的基带信号的第一通信通道、用于接收第二基带信号发射通道发射的基带信号的第二通信通道、用于对第一通信通道、第二通信通道进行供电的供电单元。

作为本发明的更进一步改进，所述第一通信通道内设置有第一通信射频电路，该第一通信射频电路包括第一射频开关(k1)、电阻组(r1)、电阻组(r2)、第一合路器、第一pa处理单元(pa1)、第一耦合器、继电器开关(k3)；第一射频开关(k1)的一端与第一基带信号发射通道连接，第一射频开关(k1)的另一端分别与电阻组(r1)的一端、电阻组(r3)的一端连接，第一合路器的一端分别与电阻组(r1)的另一端、电阻组(r2)的一端连接，第一合路器的另一端与第一pa处理单元(pa1)连接，第一pa处理单元(pa1)再与第一耦合器连接，第一耦合器与继电器开关(k3)连接。

作为本发明的更进一步改进，所述第二通信通道内设置有第二通信射频电路，该第二通信射频电路包括第二射频开关(k2)、电阻组(r3)、电阻组(r4)、第二合路器、第二pa处理单元(pa2)、第二耦合器；第二射频开关(k2)的一端与第二基带信号发射通道连接，第二射频开关(k2)的另一端分别与电阻组(r4)的一端、电阻(r2)的另一端连接，第二合路器的一端分别与电阻组(r3)的另一端、电阻组(r4)的另一端连接，第二合路器的另一端与第二pa处理单元(pa2)连接，第二pa处理单元(pa2)再与第二耦合器连接，第二耦合器与继电器开关(k3)连接。

作为本发明的更进一步改进，所述第一通信通道内还设置有第一i/o接口和第一检测单元，第一i/o接口的一端与mcu连接，第一i/o接口的另一端与第一检测单元连接，第一检测单元与第一pa处理单元(pa1)连接。

作为本发明的更进一步改进，所述第二通信通道内还设置有第二i/o接口和第二检测单元，第二i/o接口的一端与mcu连接，第二i/o接口的另一端与第二检测单元连接，第二检测单元与第二pa处理单元(pa2)连接。

作为本发明的更进一步改进，所述供电单元包括电源线及与电源线连接的二极管(d1)、二极管(d2)；二极管(d1)与第一通信通道连接，二极管(d2)与第二通信通道连接。

作为本发明的更进一步改进，所述天馈模块包括双工器和天线单元，双工器的一端与继电器开关连接，双工器的另一端与天线单元连接。

一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置的控制方法，其中，包括如下步骤：

步骤s1、数字板发送和处理基带信号；

步骤s2、射频功率放大器模块接收由数字板发送过来的基带信号并将该基带信号放大转化成通信信号且传输该通信信号至天馈模块；

步骤s3、天馈模块接收由射频功率放大器发送过来的通信信号并将该通信信号转换为无线通信信号且发送该无线通信信号；

步骤s4、当发现基带信号发射或接收基带信号发生故障，数字板可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作。

在本发明中，数字板发送和处理基带信号，射频功率放大器模块接收该基带信号并将该基带信号放大转化成通信信号且传输该通信信号至天馈模块，天馈模块接收通信信号并转换和发送无线通信信号，当发现装置中的基带信号发射或接收基带信号发生故障，数字板可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明的连接结构框图；

图2为本发明的一个实施例的电路连接示意图；

图3为本发明的控制方法的步骤框图；

图4为本发明的控制方法的一个优选方案的步骤框图；

图5为本发明中的电阻组(r1)或电阻组(r2)或电阻组(r3)或电阻组(r4)的内部电路连接示意图；

图6为本发明中的供电单元的一个实施例的内部电路连接示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

pa是poweramplifier的简称，中文名称为功率放大器，简称“功放”，指在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器。利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。

pa在当今物联网领域广泛应用的时代也是起到很大的辅助，pa已经应用在相当多热门项目产品上了，如：2.4ghz射频系统、zigbee及其相关应用、无线音频系统、智能家居和工业自动化设备等。

在无线通信系统中，为了解决在一些站点偏僻、环境恶劣、或繁忙区域等特殊的站点位置可靠性不够好的问题，需要对pa或pa的电路进行备份设计，还可以同时对发送和处理基带信号部分就进行备份设计，这样可以提供双层备份，保证可靠性。

微控制单元(microcontrollerunit；简称mcu)，又称单片微型计算机(singlechipmicrocomputer)或者单片机，是把中央处理器(centralprocessunit；cpu)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(timer)、usb、a/d转换、uart、plc、dma等周边接口，甚至lcd驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。

fpga(field－programmablegatearray)，即现场可编程门阵列，它是在pal、gal、cpld等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路(asic)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

如图1到图6所示，本发明的一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置，包括用于发送和处理基带信号的数字板、用于接收基带信号并传输通信信号的射频功率放大器模块及用于接收通信信号并转换和发送无线通信信号的天馈模块；所述数字板上设置有依次连接的mcu、fpga和用于进行发送基带信号的数字处理单元，所述数字处理单元内设置有两路基带信号发射通道每条基带信号发射通道至少可与两条通信通道进行信号对接。

每个基带信号发射通道可以有与两条通信通道进行选择，选择其一就可以进行备份，进一步，相邻的基带信号发射通道信号对接的通信通道可以是互通的；也就是说，比如有两条基带信号发射通道，每条基带信号发射通道与两条通信通道信号对接，相当于是四条信号对接通道，只要有一条信号对接上，则可以进行工作和备份信号通道。

在本发明中，数字板发送和处理基带信号，射频功率放大器模块接收该基带信号并将该基带信号放大转化成通信信号且传输该通信信号至天馈模块，天馈模块接收通信信号并转换和发送无线通信信号，当发现装置中的基带信号发射或接收基带信号发生故障，数字板可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作。

进一步，数字处理单元内设置有第一基带信号发射通道和第二基带信号发射通道，第一基带信号发射通道和第二基带信号发射通道内均设置有用于对基带信号进行检测的变频及信号检测单元。

本发明提供射频功率放大器模块的一种实施方式，射频功率放大器模块内设置有用于接收第一基带信号发射通道发射的基带信号的第一通信通道、用于接收第二基带信号发射通道发射的基带信号的第二通信通道、用于对第一通信通道、第二通信通道进行供电的供电单元；供电单元可以单独对第一通信通道、第二通信通道进行供电。

其中，如图2所示，第一通信通道内设置有第一通信射频电路，该第一通信射频电路包括第一射频开关(k1)、电阻组(r1)、电阻组(r2)、第一合路器、第一pa处理单元(pa1)、第一耦合器、继电器开关(k3)；第一射频开关(k1)的一端与第一基带信号发射通道连接，第一射频开关(k1)的另一端分别与电阻组(r1)的一端、电阻组(r3)的一端连接，第一合路器的一端分别与电阻组(r1)的另一端、电阻组(r2)的一端连接，第一合路器的另一端与第一pa处理单元(pa1)连接，第一pa处理单元(pa1)再与第一耦合器连接，第一耦合器与继电器开关(k3)连接。

在本发明中，如图5所示，电阻组(r1)和电阻组(r2)不是一个电阻，是一个由三个电阻组成的电阻组。电阻组(r1)和电阻组(r2)的作用为可以实现开关切换的过程中，电桥和功放电路的阻抗不变(实施例中例举为50欧姆阻抗不变)，以提高备份电路的可靠性。

如图2所示，第二通信通道内设置有第二通信射频电路，该第二通信射频电路包括第二射频开关(k2)、电阻组(r3)、电阻组(r4)、第二合路器、第二pa处理单元(pa2)、第二耦合器；第二射频开关(k2)的一端与第二基带信号发射通道连接，第二射频开关(k2)的另一端分别与电阻组(r4)的一端、电阻组(r2)的另一端连接，第二合路器的一端分别与电阻组(r3)的另一端、电阻组(r4)的另一端连接，第二合路器的另一端与第二pa处理单元(pa2)连接，第二pa处理单元(pa2)再与第二耦合器连接，第二耦合器与继电器开关(k3)连接。

在本发明中，电阻组r1、r2和电阻组r3、r4主要是分别对第一合路器和第二合路器在射频开关(k1)和射频开关k2切换的状态下进行端口阻抗匹配。

在本发明中，第一通信通道内还设置有第一i/o接口和第一检测单元，第一i/o接口的一端与mcu连接，第一i/o接口的另一端与第一检测单元连接，第一检测单元与第一pa处理单元(pa1)连接；实现mcu对第一通信通道的自适应监测和控制。

而且，第二通信通道内还设置有第二i/o接口和第二检测单元，第二i/o接口的一端与mcu连接，第二i/o接口的另一端与第二检测单元连接，第二检测单元与第二pa处理单元(pa2)连接；实现mcu对第一通信通道的自适应监测和控制，实现自动备份的检测、告警和自动控制功能；不论数字板的双通道取样检测，还是第一pa处理单元(pa1)或第二pa处理单元(pa2)的电流检测及告警、栅压检测及告警、增益检测及告警温度检测及告警、输出功率检测及高级等多种功能电路的检测都是由mcu进行监测和控制。

在本发明中，供电单元包括电源线及与电源线连接的二极管(d1)、二极管(d2)；二极管(d1)与第一通信通道连接，二极管(d2)与第二通信通道连接；当出现放大管栅极或漏极击穿对地短路时，为了防止造成电源被短路而导致备份路无法正常备份，所以二极管(d1)、二极管(d2)起到电源阻抗隔离作用，保证射频功率放大路模块内备份路的电源不变。

在本发明中提供天馈模块的一个实施例，天馈模块包括双工器和天线单元，双工器的一端与继电器开关连接，双工器的另一端与天线单元连接；天线单元包括相连接的天线和馈线。

在本发明中，1、数字板中具有两路基带信号发射通道；2、在第一基带信号发射通道和第一基带信号发射通道内均设置有变频及信号检测单元，其具有辅助检测和告警功能，激发mcu自动切换通道备份；3、射频开关(k1和k2)的输入分别与数字板第一基带信号发射通道和第一基带信号发射通道相连，输出端分别与第一合路器和第二合路器相连，该功能使得不论数字板上的链路是切换到第一基带信号发射通道或第一基带信号发射通道，均可通过射频开关(k1或k2)将信号传输到射频功率放大器模块上；而射频开关(k1、k2)和第一合路器、第二合路器共同构成射频功率放大器模块以及数字板的连接桥梁作用；4、射频功率放大器模块内部具有栅压检测及告警、电流检测及高级、温度检测及告警、输出功率检测及告警等实时检测功能的第一检测单元和第二检测单元，将这一系列监控信息通过i/o接口(第一i/o接口和第二i/o接口)传送给数字板人mcu进行自动控制切换备份；5、供电单元的隔离作用，二极管(d1和d2)其一发生故障时，尤其是出现放大管栅极或漏极击穿对地短路时，为了防止造成电源被短路而导致备份路无法正常备份，所以二极管(d1和d2)起到电源阻抗隔离作用，保证备份路pa的电源不变，可以规避由于其中某一通信通道出现故障而引起电源过载拉低，进而导致备份路也无法工作；供电单元这，为了更好地进行电源阻抗隔离作用，如图6所示，二极管d1与d3串联，二极管d2与d4串联。

在本发明中，电阻组r1、r2、r3和r4的内部连接结构如图4所示。在此，具体说明下，为了提高可靠性，主要采取了两点重要措施，第一、就是在第一合路器或者第二合路器前端增加由电阻组r1、电阻组r2、电阻r3、电阻r4组成的电阻组合以保证切换过程中，实施例中例举的50欧姆阻抗不变，来提高可靠性；第二、就是供电单元的改进，当第一pa处理单元(pa1)或者第二pa处理单元(pa2)损坏时，输出端口就会接地，因为pa一般情况下的输出端口是电源单元(28v供电)，这样的情况发生后，就会使得供电单元直接对地短路，导致备份电路的供电异常，因此，我们采用了二极管d1和二极管d2这两个二极管组来实现电源隔离。

如图3所示，本发明还提供一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤s1、数字板发送和处理基带信号；

步骤s2、射频功率放大器模块接收由数字板发送过来的基带信号并将该基带信号放大转化成通信信号且传输该通信信号至天馈模块；

步骤s3、天馈模块接收由射频功率放大器发送过来的通信信号并将该通信信号转换为无线通信信号且发送该无线通信信号；

步骤s4、当发现基带信号发射或接收基带信号发生故障，数字板可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作。

其中，在步骤s1内，数字板内的mcu进行自动监测，数字处理单元通过其中一个基带信号发射通道发送基带信号。

在步骤s2内，射频功率放大器模块内供电单元负责供电，第一通信通道接收由基带信号。

在步骤s4内，当数字板内的mcu监测到基带信号发射或接收基带信号发生故障时，mcu控制数字处理单元切换另一个基带信号发射通道发送基带信号，从而保证通信工作继续正常地工作。

本发明提供一个实施例，如图2所示，该实施例构成分为三个部分：数字板、射频功率放大器模块和天馈模块，数字板包括mcu、fpga、两个数字处理单元；射频功率放大器模块包括第一通信通道、第二通信通道和供电单元，第一通信通道内第一通信射频电路包括电阻r1、电阻r2、射频开关k1、第一合路器、第一耦合器、第一pa处理单元和继电器开关k3；第二通信通道内第二通信射频电路包括电阻r3、电阻r4、射频开关k2、第二合路器、第二耦合器、第一pa处理单元和继电器开关k3；天馈模块包括双工器、馈缆和天线；另外射频功率放大器模块还包括供电单元、与数字板连接的第一i/o接口和第二i/o接口，实现mcu对射频功率放大器模块的自适应监测和控制；电阻r1、r2和电阻组r3、电阻组r4主要是分别对第一合路器和第二合路器在射频开关k1和k2切换的状态下进行端口阻抗匹配；该实施例的基带信号由数字板实现，通过两路通道(第一基带信号发射通道和第二基带信号发射通道)进行上变频到射频前端，并进行信号耦合取样检测，来判断基带到射频前端的信号是否正常工作，平时第一基带信号发射通道处于工作状态，而第二基带信号发射通道处于待机备份状态，一旦第一基带信号发射通道出现故障，取样检测则将报警信号传送给mcu进行处理，fpga将基带信号配置给第二基带信号发射通道而实现第二基带信号发射通道的备份；无论第一基带信号发射通道正常工作或是切换到第二基带信号发射通道备份通道，数字板输出的射频信号将通过射频开关k1或k2进行第一基带信号发射通道和第二基带信号发射通道的切换，再通过第一合路器和第二合路器将射频开关k1或k2的信号切换到第一通信通道或第二通信通道单元；所以根据数字板的双路和射频功率放大器模块的双路的组合关系可以有4种备份方式，进一步提高了通信系统的可靠性；同时，无论是数字板的双通道取样检测，还是射频功率放大器模块的双路的电流检测及告警、栅压检测及告警、增益检测及告警温度检测及告警、输出功率检测及高级等多种功能电路的检测，都是依据mcu相关监控规范实现实时自适应备份控制；另外，供电单元同时给第一通信通道和第二通信通道供电，若其一通信通道出现栅极或漏极击穿导致dc对地短路的情况，则通过二极管d1和d2隔离，而不影响对备份路的通信通道进行正常供电。

如图4所示，本发明还提供一种高可靠性的无线通信系统链路备份装置的控制方法的一种优选方案，包括如下步骤：

步骤s1、数字板发送和处理基带信号；

步骤s2、射频功率放大器模块接收由数字板发送过来的基带信号并将该基带信号放大转化成通信信号且传输该通信信号至天馈模块；

步骤s3、天馈模块接收由射频功率放大器发送过来的通信信号并将该通信信号转换为无线通信信号且发送该无线通信信号；

步骤s4、当发现基带信号发射或接收基带信号发生故障，数字板可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作；

步骤s5、当发现数字处理单元发生故障，数字版可以自动切换备份路，保证通信工作继续正常地工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。