可配置的智能无线电模块的制作方法

可配置的智能无线电模块
1.相关申请的交叉引用
2.本申请要求于2018年9月11日提交的美国临时申请序列号62/729,472的权益，并且通过引用并入本文。
技术领域
3.本发明涉及提供无线通信系统，该无线通信系统特别地被配置为用于具有特定要求(例如，长距离、移动性、高数据吞吐量等)的工业应用，并且更特别地，本发明涉及被配置为在由一个或更多个移动单元通过无线链路与控制站进行通信所使用的指定频率带内工作的无线电模块。


背景技术：

4.无线通信在将不同的传感器连接到互联网上起着关键作用。各个国家的监管机构都在发布额外的频率带，以满足对数据流量不断增长的需求。现代无线通信系统的开发人员正在努力实现在许多频率带中的工作。在较宽的频率范围中的工作和可配置性要求“频率捷变”(智能)无线电的可用性。
5.当前的研究和开发领域与用于工业物联网(iiot)的不同无线连接选项相关联。尽管涉及不同定义，但“物联网”(iot)通常与以下主张相关联：一个“智能”设备能够与另一“智能”设备通信而无需人为干预(例如，机器对机器(m2m))。
6.无论环境有多复杂，智能对象都越来越能够调整其对其当前环境的响应。“工业”物联网(iiot)被认为是iot的专门化但又多产的部分，该部分聚焦于传感器、计算机和智能设备需要一起工作的制造/工业环境中的m2m。lte和5g公共网络因其易于访问而日益被视为用于iiot应用的候选对象。然而，这些公共蜂窝网络没有提供必要的性价比。也就是说，因为公用网络被设计成在大量用户之间共享，因此公用网络显示出相对较低的速度、较低的qos和较高的延迟，并且在大多数情况下仅以每月高额的定期费用可用。
7.因此，仍然需要解决与iiot相关联的不同应用/环境的多样化需求的无线通信架构。


技术实现要素：

8.本发明解决了现有技术中仍然存在的需求，本发明涉及提供无线通信系统，该无线通信系统特别地被配置为用于具有特定要求(例如，长距离、移动性、高数据吞吐量等)的工业应用，并且更特别地，本发明涉及被配置为在由一个或更多个移动单元通过无线链路与控制站进行通信所使用的指定频率带内工作的无线电模块。
9.根据本发明，无线电模块被配置为在专用频率带内工作，例如在最近已经可以在公共领域中使用的频带内工作。这些频率带中的各个频率带具有特定的特性，使其非常适合在某些工业应用中使用。无线电模块的传输器部件使用超外差技术将常规无线数据信号(例如，用于wifi、lte电信等)频移到指定频带；无线电模块的接收器部件类似地被配置为
接收在指定频带上传输的信号并将该接收到的信号偏移回到常规rf频带中，其中标准部件能够进一步处理接收到的信息。
10.在一些实施方式中，本发明的无线电模块可以进一步被配置为多信道模块，在指定频率带内使用至少两个不同的信道。例如，第二频率信道可以被限定为用于冗余目的(特别是在工业应用中，当特定信道突然变得嘈杂时)的备用信道。进一步根据本发明，这些信道的中心频率及其信道大小可以由软件限定。实际上，本发明的无线电模块的优点在于可以使用大小相对较小的信道(例如，近似于约3mhz)，以允许在指定频率带内利用更多数量的信道。
11.本发明的示例性实施方式采用包括嵌入式子系统、rf前端系统和控制器的无线通信无线电模块的形式。嵌入式子系统本身包括多个传感器、处理器和rf收发器。rf收发器对于来自多个传感器的信号是响应性的，以创建作为输入被施加至rf前端系统的rf通信信号。rf前端系统提供将rf通信信号频移到与无线通信无线电模块相关联的指定频率带中，从而作为无线通信信号以指定频率带传输。rf前端系统还对以指定频率带工作的传入无线通信信号是响应性的，从而将接收到的信号频移回到rf通信信号中，以供rf收发器使用。
12.本发明的无线电模块的优点在于，被配置为以不同的指定频率带工作的模块可以全部形成为显示相同的小尺寸，使用相同的输入/输出配置。因此，系统用户能够通过仅关闭模块本身来将操作从一个指定的频率带更改为另一个指定的频率带，而无需对电缆、电源连接、外壳大小等进行任何更改。
13.在下面的讨论过程中并参考附图，本发明的其他和另外的方面和实施方式将变得明显。
附图说明
14.现在参考附图，其中相同的附图标记在几个视图中表示相同的部分：
15.图1是根据本发明形成的智能无线电模块的框图
16.图2示出了示例性rf前端系统的详细实施方式，该rf前端系统被包括在智能无线电模块内并且被配置为在指定频率带内工作；
17.图3示出了示例性rf前端系统的替代性实施方式，在这个情况下，该rf前端系统被设计为利用在频率带内以不同中心频率工作的成对信道；以及
18.图4示出了本发明的又一实施方式，在这个情况下，智能无线电模块包括多个rf前端系统，各个rf前端系统被设计为在不同的指定频率带中工作。
具体实施方式
19.图1是根据本发明形成的示例性可配置智能无线电模块10的框图。如图所示，智能无线电模块10包括嵌入式子系统12，该嵌入式子系统与rf前端系统14和控制器16两者交互。天线系统18用于发射(在指定频率带中工作的)传输信号并捕获(也在相同的指定频率带中工作的)接收信号。在优选实施方式中，使用了mimo天线系统。指代“多输入/多输出”的“mimo”利用单个传输器经由多个传输天线发送多个无线信号。相关联的接收器还利用多个天线元件，其中该组合允许通过利用多径传播在相同无线电信道上同时发送和接收不止一个数据信号。
20.如下面详细讨论的，rf前端系统14提供在以常规rf频率(即，与wifi、lte等相关联的那些众所周知的频率)工作的信号和已被选择为在限定的私有工业应用中使用的特殊指定频率带工作的信号之间的必要转换。这些工业应用可以包括例如以下中的一个或更多个：无人空中系统(使用无人空中载具(uav)/无人机)；无人地面载具(ugv)；公共安全系统；仓库/港口运营；公用事业/智能电网系统；自主采矿、农用及林用载具等。在这些不同工业应用中的一个或更多个中，可以经由来自一地面控制站(或更多个地面站)的无线指令来控制智能无线电使能设备。实际上，工业应用的种类正在不断扩展，并且已经发现根据本发明的教导来配置和控制智能无线电模块的能力提供了满足每个应用的不同需求所需要的灵活性(例如，长距离对比高吞吐速度对比恶劣环境等)。
21.如上所述，根据本发明形成的智能无线电模块被特别地配置为利用使用最近才变得可用于供公众使用的一个或更多个频率带。例如，fcc(与ntia合作)现在已重新分配了用于商业无线用途的几个频率带。这些频带包括例如1690mhz频带和1815mhz频带等。欧盟委员会(ec)支持“通过更多的灵活性来快速访问用于无线电子通信服务的频谱”。根据该声明，ec通过了关于统一用于欧盟内固定、流动和移动应用的泛欧3400至3600mhz频率带的决定，该决定为安装高密度和高速度宽带无线网络提供了重要机会，这可以为终端用户提供创新的宽带通信服务。不同的其他频率带一直是“免许可证”的，并且可供使用，但是迄今为止，需要重新设计不同的系统部件以在这些频带中适当地起作用。例如，不同的工业、科学、医学(ism)频带(例如900mhz频带、3500mhz频带等)可用于支持工业环境中的无线传输，但是具有非常不一样的工作频率带。由本发明的“即插即用”智能无线电模块提供的灵活性解决了这些多频带问题。
22.现在参考图1的细节，智能无线电模块10根据本发明的教导起作用，以使私有无线电网络(诸如用于工业应用)能够使工业环境内的不同元件(例如，多个ugv)配备有智能无线电模块，从而允许这些元件与基站进行通信。如下面详细描述的，rf前端系统14典型地是模块10内的“插入”部件，并且被配置为在标准rf频率和由相关联的应用所使用的“指定频带”内的频率之间转换传输。智能无线电模块10中的其余部件(即嵌入式子系统12、控制器16和天线18)基本上是“固定”部件，这些部件在形式和功能上相同，而与rf前端系统14所执行的频率带无关。因此，本发明的智能无线电模块的用户仅通过改变rf前端系统14就可以容易地改变在特定应用中使用的频率带，从而让其余部件保持“原样”。
23.替代地，由于无线电模块10本身被特别地配置为“swap”部件(即，最小的“空间”、“重量”和“功率”)，所以在出现使用不同的指定频率带的需要时将一个无线电模块交换为另一无线电模块也是相对容易和直接的。
24.在图1的示例性实施方式中还示出了位于rf前端系统14的输入处的rf源选择开关20。rf源选择开关20允许rf前端系统14的输入是在嵌入式子系统12内生成的rf信号，或者是与单独源相关联的外部信号(例如，来自lte调制解调器、wifi路由器等的信号)。控制器16被示出为用来为rf选择开关20提供适当的设置；也就是说，使用内部传输/接收rf信号或外部传输/接收rf信号来进行操作。
25.本发明的重要属性是无线电模块10能够提供这个单独的通信链路，从而增加了可以在其中使用该模块的应用的灵活性。例如，在“指定频率带”是共享频谱资源的应用中，嵌入式子系统12能够利用该链路与授权频谱接入系统(sas)提供商通信以接收被分配的中心
频率值以及其他工作参数。
26.当在工业环境中将智能无线电模块10部署为“移动”设备内的通信单元时，该移动设备典型地用于收集信息，该信息将被传输回指示移动设备的移动和动作的控制站(未示出)。因此，嵌入式子系统12被示出为包括传感器部件22，该传感器部件可以包括能够捕获信息以传输回控制站的一个或更多个传感器。信息诸如温度、压力、湿度、痕量气体的存在/不存在、来自所包括的照相机的数字图像等仅是可以被包括的传感器的一些可能类型。
27.处理器24也被包括在嵌入式子系统12中，并且用于处理不同的指令并向传感器22提供指令控制。用于处理器24的指令被示出为由成组的外部输入26提供。
28.处理器24还对于由传感器22收集的数据是响应性的，并将该信息作为输入信号转发给也被包括在嵌入式子系统12内的rf收发器28。rf收发器28以常规方式起作用，从而创建rf数据传输信号(其可以包括由传感器22收集的数据)，将这些rf信号作为输入转发给rf源选择开关20。当此后将rf数据信号施加至rf前端系统14作为输入时，rf数据信号被频移到限定为供智能无线电模块10的特定应用使用的指定频率带，并经由天线系统18以该指定频带内的频率传输无线信号。
29.在接收模式中，在指定频带内工作的传入无线信号首先由rf前端系统14频移回常规的rf频率带，其中该rf信号接着被传递到rf收发器28(或者替代地，经由外部连接发送到单独的通信单元)。
30.图2更详细地示出了在根据本发明形成的智能无线电模块10中实现的示例性rf前端系统14。为了讨论的方便，将假定该rf前端系统将使用的“指定频带”是900mhz ism频带(有时也称为“33厘米波段”)。在使用中，900mhz的指定频带范围为902mhz至928mhz，并且在许多工业应用中是有用的，因为这些频率能够穿透建筑物的壁、植被和其他障碍物。
31.通常，图2示出了以上述讨论的方式使用的rf选择开关20，以利用与rf收发器28的传输/接收相关联的内部rf信号，或者利用来自单独源的外部rf信号。rf前端系统14本身在图2中被示出为包括传输部分30和接收部分32。
32.现在参考传输部分30，首先将输入rf信号通过衰减器34，该衰减器以下面讨论的方式被控制以确保在传输信号中使用适当的功率电平。频率混合器36被定位在衰减器34的输出处，其中输入rf信号被施加到混合器36作为第一输入。本地振荡器(lo)源38被用于提供已知的参考信号作为混合器36的第二输入，使得当与rf输入混合时将提供成对的“中频”(if)输出，一个输出在900mhz指定频带中供本发明的该特定实施方式使用。
33.因此，通过利用适当的lo源38，输入rf信号将被偏移到该特定rf前端系统14被配置为起作用的“指定频率带”。
34.然后，来自混合器36的输出通过带通滤波器40，以提供rf输入信号的频移版本作为输出。带通滤波器40被设计成在指定频带内显示出特定的中心频率，从而为该特定信号限定在指定频带内的“信道”。带通滤波器40的特性还依照用于带通滤波器的带宽来控制“信道大小”。在许多工业应用中，相对较小的信道大小是优选的(近似于例如约3mhz)。带通滤波器40可以被配置为用于为该优选的信道大小提供“固定”带宽，或者替代地，可以被配置为允许系统的用户针对特定目的来调整信道大小。带通滤波器40还可以被配置为显示可调谐的中心频率，从而允许在指定频带内(对于900mhz ism频带，为在902mhz至928mhz之间的频率)的多个频率，也与信道的大小和保持中心频率不重叠的需要相关联地确定。
35.放大器42用于将来自带通滤波器40的输出的传输功率增加到在特定工业应用中可接受的传输水平。功率检测器44优选地被包括在放大器42的输出处，并且用于经由所包括的增益电路46向衰减器34提供反馈，该增益电路用于根据需要调整衰减器34的工作电平，以维持来自传输器部分30的输出功率为基本上均匀。如图所示，来自功率检测器44的输出接着被耦合到天线系统18中以进行传输。再次，天线系统18在图2中被示出为mimo类型的系统；在理解这是优选配置的同时，应当理解的是，导向实现用于“捷变”无线电模块的特定的、指定频率带的本发明的原理可以使用任何合适类型的天线布置。
36.rf前端系统14的接收部分32还被配置为在指定频率带(此处为900hz ism频带)内工作，并且用于接收在该频率范围内工作的无线信号并将其转换为可以由常规装备分析并使用的标准rf信号。
37.如图2所示，首先将接收到的信号施加到低噪声放大器50作为输入，该低噪声放大器用于相对于该频带之外的任何其他杂散信号(噪声)优先提高指定频率带的功率(即提高接收信号的信噪比，该信噪比通常具有相对较低的功率)。然后，将来自lna 50的输出施加到混合器52作为第一输入，以及混合器52的第二输入是lo源54，该lo源的频率将提供成对的if频带信号作为混合器52的输出，其中if频带中的一个是所期望的rf信号频率。然后，将来自混合器52的输出通过带通滤波器56，以从混合器52的输出中去除不想要的if分量。然后将经过滤波和“频移”的接收信号提供到rf选择开关20作为输入，以以上描述的方式使用该信号，从而将输出信号沿适当的方向(即，向嵌入式系统12的rf收发器28、或沿着lte调制解调器的外部路径、wifi路由器等)导向。
38.在一些情况下，将会期望允许rf前端系统14将其工作频率更改为相同指定频率带内的另一中心频率。
39.例如，如果正在使用的信道开始受到环境中其他信号的干扰，则在指定频带内切换到不同中心频率/信道的能力将是有利的。而且，如果被配置为以第一中心频率工作的其他部件发生故障，则就“备用”信道而言，使“冗余”内置于rf前端系统14中也是有利的。
40.图3示出了被配置为用于“多信道”工作的rf前端系统14的一部分。应当理解的是，尽管图3所示的布置仅描述了两个信道的使用，但是很明显的是，通过包括恰当的部件可以容易地添加额外的信道。另外，如与图2相关联的以上讨论的，保持相同并执行相同功能的那些部件在图3中带有相同的附图标记(并且将不再详细讨论)。
41.对于图3所示的两信道实施方式，信道选择开关60被示出为被安置在混合器36的输出处。特别地，在来自控制器16的“信道选择”指令的控制下(如图1所示)，信道选择开关60包括输入1x2开关元件62。输出2x1开关元件64由相同的“信道选择”指令控制，并用于将适当的信道信号(经过滤波和放大)重新引入到功率检测器44。
42.根据本发明的该实施方式，成对的信道路径被耦合在输入开关元件62和输出开关元件64之间，第一路径被指定为“信道a”，并且第二路径被指定为“信道b”。为了使用900mhz频带作为“指定频带”进行讨论的目的，信道a可以具有例如905mhz的中心频率，并且信道b可以具有例如918mhz的中心频率。因此，第一路径被示出为包括以905mhz为中心的带通滤波器66(具有用于适当的信道大小的限定带宽)，其中带通滤波器66之后是放大器68，该放大器也可以被配置为与该特定信道一起使用。第二路径类似地包括带通滤波器70和放大器72。对于图3中的特定图示，假定来自控制器16的信道选择指令将使用“信道a”。因此，输入
开关62被定位成将来自混合器36的输出耦合到带通滤波器66的输入。将输出开关64类似地定位成沿相同的路径，使得来自放大器68的输出提供给功率检测器44作为输入。
43.图3的该多信道配置的接收部分被示出为包括接收信道选择开关80，该接收信道选择开关如同发送信道选择开关60一样，由来自控制器16的相同指令来控制。
44.信道选择开关80被示出为包括输入开关元件82和输出开关元件84，其中，输入开关元件用于沿着适当的信道路径导向来自天线18的信号(同样，信道a被示为所选择的信道)。以信道a的频率(此处为903mhz)为中心的低噪声放大器86被包括在信道a信号路径中，使得可以将接收信号的滤波后的版本用作混合器52的输入。
45.另一低噪声放大器98被示出为定位成沿输入开关元件82和输出开关元件84之间的信道b的信号路径。
46.一旦在指定频率带内的适当信道处的接收信号被滤波，就以与上述相同的方式将其用作混合器52的输入，从而将信号偏移到所期望的rf信号频带中。
47.参考图2和图3，清楚的是，为不同的指定频率带(例如3400mhz ism频带)提供rf前端系统14仅需要使用不同对的lo源和不同的带通滤波器。rf前端系统的传输器和接收器部分的总体架构和操作基本上保持相同。因此，本发明的智能无线电模块的优点在于，仅通过将一个rf前端系统14“切换”为另一rf前端系统，就可以在不同的应用中使用给定的模块10。即，可以形成多个rf前端系统14，各rf前端系统被配置为在不同的指定频率带中使用，并且系统管理员可以仅通过改变“可插拔”rf前端系统来改变应用正以其进行通信的频率带。对于每个应用，与rf选择开关20、控制器16和天线18的连接保持相同。
48.替代地，如上所述，得到了无线电模块10的“swap优化”配置，当特定工业应用将操作改变为不同的指定频率带时，也有可能(并且有时可能更容易)将一个无线电模块交换为另一无线电模块。
49.另外，在一些应用中，几个“指定频带”将被用在特定的私有网络装置中。在这个情况下，根据本发明的原理形成并在图4中示出的智能无线电模块100被布置为包括多个单独的rf前端系统14
‑
1至14
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n，各个rf前端系统以上述方式被配置为用于特定的指定频率带。类似于以上描述的配置，智能无线电模块100包括rf源选择开关20，其提供来自嵌入式系统12或外部源的rf信号的可选源。在这个情况下，来自rf源选择开关20的输出被提供到指定频带选择开关110作为输入。
50.如来自控制器16的选择控制信号所指示的，智能无线电模块100(临时地)被配置为以特定的指定频率带工作。例如，当前可以使用指定频带“二”。因此，指定频带选择开关110将被操作以将rf源选择开关20的输出连接到与指定频带“二”相关联的rf前端系统14
‑
2的输入。输出频带选择开关112还在图4中被示出并且用于将现在正在指定频率带“二”内工作的信号耦合到天线18(接收信号如上所述地进行类似处理)。
51.当出现利用不同的指定频率带的需要(可能从具有ugv的室内工业环境改变为具有uav的室外工业环境)时，控制器16可以用于切换频带选择开关110、112的设置，以便现在利用“室外优选”频率带。