一种实现无线数据传输的设计方案
2009年第06期,第42卷 通 信 技 术 Vol.42,No.06,2009 总第210期 Communications Technology No.210,Totally
一种实现无线数据传输的设计方案
阎宏艳
(天津开发区职业技术学院 电子信息学院,天津 300457)
【摘 要】随着我国国民经济的不断发展和科学技术的不断创新,无线数据传输方式以其使用灵活等特点在多种领域得到了广泛的应用。文章提出了实现分析仪器无线数据传输的一种设计方案,描述了此类模块设计一般组成,描述了系统方案的详细架构,给出系统关键部件,最终提出了一种采取无线耦合方式,包含自动增益控制(AGC)电路的实现方案。
【关键词】分析仪器;双工器;直放站;自动增益控制(AGC)
【中图分类号】TP393 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2009)06-0024-03
A Design of Analytical Instrument Based on Data Wireless Transmission
YAN Hong-yan
(Electronic Information institute Tianjin Development Zone Technology College, Tianjin 300457, China)
【Abstract 】The paper proposes a system scheme of data wireless transmission for analytical instrument, describes the general components of the modular design and the detailed framework of the system scheme, gives the essential parts of the system, and finally presents and implementation which employs wireless coupling and contains automatic gain control (AGC) circuit.
【Key words】analytical instrument;duplexer; repeater; automatic gain control(AGC)
0 引言
近年来,分析仪器在工业过程控制与在线分析领域,如石化、能源、冶金、制药、食品行业等得到广泛应用,另外分析仪器也在环境监测领域应用较多,如对大气、噪声、水、
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固体废弃物、生态及近岸海域各种环境指标监测等。无线
其中引入分析仪器所在区域。其次要使用某种信号分布系统,如同轴电缆等,让移动信号均匀覆盖于该区域,从而满足该区域内其他现有或将要装备仪器的使用需求,达到一定的信号网络覆盖量以及网络容量,避免系统未来升级二次重复设计。系统模型如图1所示。
数据传输方式以其使用灵活,便于使用已有移动网络等特点,广泛应用在分析仪器中。分析仪器利用移动GSM 或联通CDMA 网络进行通讯时,无线信号传输易受阻碍物阻挡而衰减。密集建筑物建筑结构对信号的反射、屏蔽衰减严重,在某些地区会形成信号弱区甚至成为信号盲区,分析仪器难以与控制中心实现无线数据通信,因此需要给分析仪器设计一种具有自动捕获其他地区空间移动信号的智能模块,通过该模块将无线信号引入分析仪器,从而使分析仪器利用无线网络,实现数据无线传输功能。
图1 分析仪器数据无线传输系统模型
1.1 几种信号源
(1)宏蜂窝。
宏蜂窝主要特点为发射功率高,覆盖范围广,但其区内
存在“盲点”和“热点”,用其作为移动信号源不能达到较高的业务量,仅在覆盖区容量要求不高条件下使用。
1 无线信号传输模型
在无线信号弱区或盲区,为实现分析仪器数据无线传输,首先要选择从某一信号源提取无线信号,将无线信号从
收稿日期:2009-01-16。
作者简介:阎宏艳(1977-),女,讲师,硕士,主要研究方向为计算机网络技术。
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(2)微蜂窝。
微蜂窝主要特点为:发射功率低,体积小、安装便捷,采用微蜂窝进行覆盖时,覆盖区可承载的话务量能够大大
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提高。
(3)远端射频模块(Remote Radio Unite)。
远端射频模块(RRU)可以通过光纤拉远方式实现基站分布式部署,射频部分可以灵活地放置在覆盖区任何地方,大大加快施工速度,而且组网灵活。远端射频模块(RRU)与基带共享资源池(BBU)的组合方案是TD-SCDMA覆盖主要方案,可以提高信号覆盖水平。
(4)直放站。
直放站(Repeater)是一个射频信号功率增强器,较之基站具有结构简单、投资较低和安装方便等特点,主要用于难覆盖的盲区和弱区,对容量要求不是很高的场所,能增强覆盖效率。
1.2 移动信号分布方式
移动信号主要通过同轴电缆、光纤、天线和泄漏电缆等不同介质传输至覆盖区,在信号传输过程中视不同环境,有不外接和外接电源两种情况。因此移动信号主要分布方式可组合为有源电分布、无源电分布、光/电分布及泄漏电缆分
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布等。
图2 无线传输子系统组成框
本系统基本工作原理为,后向天线接收宿主基站由监控中心传出的下行信号,经过低噪声放大器将信号放大,再经窄带滤波器送至自动增益控制(AGC)电路,信号通过同轴电缆传输后,由前向天线发射供终端移动设备使用;在上行链路中,前向天线接收分析仪器设备发出数据信号,经过同轴电缆传输先后送至低噪声放大器、窄带滤波器、AGC电路,之后由后向天线发射到宿主基站,最后传输至监控中心。
表2 我国现行频率划分
移动通信系统名称
联通CDMA GSM900 联通GSM PHS WCDMA TD-SCDMA
上行(MHz ) 下行(MHz ) 825-835 885-909 909-915 1900-1920 1920-1980 1880-1920
870-880 930-954 954-960 1900-1920 2110-2170 2010-2025
对于面积较小覆盖区,一般采用无源电分布系统;对于中大型覆盖区,则采用加干线放大器的电分布系统来或光电综合分布的方式将移动信号引入;泄露电缆分布与普通天馈系统相比,更适合于隧道等特殊地区。移动信号各种分布方式特点如表1所示。
表1 移动信号各种分布方式特点
移动信号分布方式 无源电分布 有源电分布 光/电分布 泄漏电缆分布
特 点
造价低、安装便捷、覆盖范围较小 便于系统设计、造价适中,覆盖范围较大适合较远距离传输,通信质量高,价格较贵
设计简单,信号稳定,价格昂贵
2.2 系统关键部件
本系统包含低噪声放大器、带通滤波器、AGC电路、双工器、电源和控制电路等。本文重点介绍双工器以及AGC电路。 2.2.1 双工器
在本系统中收发信机共用一副天线,若如不采取一定的隔离措施,会造成严重的收、发干扰,影响收信效果,严重时会使收信机无法工作。发信机产生的射频功率对接收机的影响有两个方面,第一,发信频率上的强信号使接收机前级产生阻塞,要消除这种影响,必须使进入接收机前级的本机发射信号抑制到阻塞电平以下。第二,发信频谱在收信通带内的噪声会直接进入接收机,因而影响信噪比,使用双工器可以解决这一问题,实现天线共用。典型
的双工器如图3所示。
2 无线传输子系统详细设计方案
2.1 系统组成框图及工作原理
本方案直接使用一定高度后向天线接收空间无线移动信号,即以无线耦合方式,将基站等信号源信号引入分析仪器所在区域,之后对信号进行处理,经过同轴电缆传输,最后由天线将信号辐射至目标区域,供分析仪器以及其他终端使用。系统组成如图2所示。
本系统前后向天线工作频段包含了上下行频段,可以根据我国不同移动系统频率波段选择器件参数,给覆盖区引入不同移动信号,我国现行频率划分如表2所示。后向天线互联基站等信号源与系统,故一般采用方向性很强的定向天线。前向天线用于分析仪器所在覆盖区的信号发射和接收,一般可采用基站用的全向天线或方向性板状天线。系统包含
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上下行两条放大链路、通过双工器实现共用天线。
图3 λ/4阻抗变换双工器
其等效电路如图4所示。设发信频率Ft大于收信频率Fr,调节Ca使并联回路E谐振于Ft,故回路E对Fr呈感性,并与C串联谐振于Fr(从B到地)。
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当U i 减小而使输出U O 减小时,环路产生的控制信号K V 增加, 从而使U O 趋于增大;当U i 增大而使输出U O 增大
从而使U O 趋时,环路产生的控制信号U C 将使增益K V 减小,于减小。因此通过环路不断地循环反馈,会使输出信号振幅
U O 基本保持不变。
3 系统需要解决的问题
图4 λ/4阻抗变换双工器等效电路
同理并联回路F谐振于Fr,故回路F对Ft呈容性,并与L串联谐振于Ft(从A点到地)。从发射机来的信号经过B点,由于回路E对Ft呈并联谐振,阻抗大,故对发射信号的旁路作用小,由于B点对地串联谐振于Fr,故落入接收频段内的发射机噪声和寄生分量将受到很大的抑制。由于A点对地串联谐振于Ft,即近似于对地短路,经过λ/4的阻抗变换作用后,对发射信号来说从D点通向接收机一方的输入阻抗近似于无穷大,所以发射信号Ft只馈入天线,而从D点进入接收机的部分很小,这一小信号再经过A点旁路作用的进一步衰减,不致引起发射机到接收机的干扰。同理可分析由天线来的接收信号。 2.2.2 AGC电路
由于周边无线环境的变化,一方面会造成引入无线信号的不稳定性,进而影响分析仪器无线数据通讯质量;另外一方面若输出信号过大,则会形成电磁污染,造成环境污染,影响人身健康,因此本系统增加自动增益控制(AGC)电路,如图5所示。
设输入信号振幅为U i , 输出信号振幅为U O , 可控增益放大器为K V (U C ) ,他是控制电压U C 的函数,则有:
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3.1系统信号源选取
由于本系统直接从空间接收信号,故要求空间信号应尽可能纯净,在基站较为密集区域,分离不同基站或扇区信号的难度将大大增加,容易造成对基站的干扰。在这些地区,后向天线必须具有足够的方向选择性。此外还要严格控制系统上行发射功率,减小系统引入施主基站的上行噪声,从而避免降低施主基站接收机的接收灵敏度,影响基站正常工作。
3.2信号分布系统合理设计
前向天线与移动终端之间的传播特性可以采用经验数据。若系统属于一般空旷地带分布系统,则其传播路径损 耗为:
L =32.45+20log f +20log d , (2) 式中,L 为路径损耗(dB ), f 为工作频率(MHz),d 为传输距离(km)。若假设f =3000GHz,天线与移动终端之间最小距离d =1m代入(2)式得最小传播损耗L 为42dB 。
实际设计当中,如条件允许,应对真实环境进行场强模拟测试。通过场强模拟测试,可以得出信号在不同覆盖区条件下的传播特性,从而更合理地设置前向天线的位置,提高分析仪器无线数据传输质量
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。
U O =K V (U C )U i , (1) 在AGC 电路中,比较参量是信号电平,所以采用电压比较器。反馈网络(图5中虚线部分) 由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成,检测出输出信号振幅电平(平均电平或峰值电平) ,滤除不需要的较高频率分量,进行适当放大后
与恒定的参考电平U p 比较, 产生一个误差信号Ue , 这个误差信号Ue 通过控制信号发生器去控制可控增益放大器的 增益。
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4 结语
随着我国国民经济的不断发展和科学技术的不断创新,分析仪器得到了飞速的发展,已经广泛应用于各个行业。本文研究了实现分析仪器无线数据传输的一种设计方案,但还得在实际应用中总结经验,提高我国分析仪器性能。
参考文献
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图5 自动增益控制(AGC)电路框
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[6] 中国建筑标准设计研究院.移动通信室内信号覆盖系统[M]. 2005.