CN110493795A - 一种基于广域宽带协同通信的5g大功率cpe装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其包括射频高功率放大器、中央处理器以及分别中央处理器连接的存储电路和5G模组电路；5G模组电路连接射频高功率放大器，中央处理器对数据进行内部算术运算和逻辑运算；存储电路用于存储数据；5G模组电路与中央处理器连接，负责基带信号处理；射频功放电路包括功放电路和低噪放电路，功放电路用于对发射的射频信号进行信号放大和滤波，低噪放电路用于对接收的信号进行去噪并放大回传。本发明通过增强CPE内部射频功率放大器的线性度和效率提高整个功放的性能，从而提高整体5G CPE装置的无线传输性能，增强该装置在广域宽带通信应用中的覆盖范围。

Description

一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置。
背景技术
宽带无线通信是国内外高新技术前沿。其中，广域（覆盖半径几十公里至一百公里以上）宽带移动通信在海运、海防、公安、交通、物流、国防等信息化建设中具有迫切的需求。采用卫星通信解决广域宽带通信问题，实现费效比高，而采用现有的通信技术面向海域覆盖，面临频谱资源匮乏，传输速率慢，覆盖范围受限等技术壁垒。传输速率受到4G移动通信终端设备数据业务的无线接入速率上限1Gbps的限制，传输速率达到瓶颈。而覆盖范围受限的原因，则主要考虑的是通信过程中终端在上行链路发射功率的限制。
终端上行链路的发射功率主要决定因素是射频功率放大器，简称功放，它在无线基站和终端设备中使用数量十分庞大，所以其能否高效地运行将对设备的成本和能耗有着决定性的影响。功放在使用时耗费的电能，产生的非线性失真以及热量，在设备中占有很大比例，因此终端设备的能耗、温度和使用过程是否稳定也很大程度取决于功放的性能。而功放的性能有许多指标可以判别，其中，主要指标有功率、线性、效率等等。随着频谱资源越来越稀缺，功放的功率和线性等指标的增强都越来越重要。
随着通信行业的发展，频谱的资源变得日益珍贵。虽然5G通信可以采用高频段的毫米波来传送信号，高频段带来了更大的带宽，但是由于广域通信要达到的覆盖范围非常大，使得波长较长，频率范围较低的频段依然受到用户的青睐，这就让固定带宽中能更好实现无失真传输数据变得越来越重要。现有的CPE终端由于无线传输速率和射频功率放大器的限制，发射功率较小，一般采用板载模块的功率，功率一般在200mW到5W之间，难以做到高速率、远距离覆盖，无法满足广域宽带移动通信在海洋上大面积覆盖的需求，并且内部功放的效率和线性度也有十分有限。
因此，为了解决广域宽带移动通信中的技术痛点，通过5G移动通信技术解决现有无线通信传输速率瓶颈，并运用增强用户终端（CPE）的发射功率的手段解决上行受限问题，是实现广域覆盖的最佳切入点。为此，5G CPE的大功率射频功放单元对于广域通信覆盖能力有着重要的决定作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，能够较大幅度地提高CPE装置在广域宽带移动通信应用中的无线接入速率，其次提供了该5G CPE中射频高功率放大器模块的技术方案，使得该5G 大功率CPE装置的覆盖范围可以得到较明显提升，设备的效率和功放的线性度也得到增强。
本发明采用的技术方案是：
一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其包括射频高功率放大器、中央处理器以及分别中央处理器连接的存储电路和5G模组电路；5G模组电路连接射频高功率放大器，中央处理器对数据进行内部算术运算和逻辑运算；存储电路用于存储数据； 5G模组电路与中央处理器连接，负责基带信号处理；射频功放电路包括功放电路和低噪放电路，功放电路用于对发射的射频信号进行信号放大和滤波，低噪放电路用于对接收的信号进行去噪并放大回传。
进一步地，存储电路包括DDR3L内存和Flash内存，DDR3L内存为同步动态随机存储器，掉电后数据信息则丢失，Flash内存属于电可擦除的可编程ROM存储器，掉电内容不会丢失。
进一步地，5G模组电路通过USB 3.0接口与中央处理器连接。
进一步地，基带信号处理包括信号编码、调制解调和变频。
进一步地，功率放大器包括依次连接的ALC电路、预失真电路、功放电路、环形器和低噪放电路，输入信号接入ALC（Automatic Level Control）自动电平控制电路，ALC电路通过一输入功率检测电路连接监控单元，环形器通过一输出功率检测电路连接监控单元，监控单元连接有电源控制电路，电源控制电路为功放电路供电并提供偏置电压；
ALC电路接收下行射频信号并将所接收的射频信号检波直流分量送入预失真电路；预失真电路对输入射频信号进行预失真处理后的传输至功放电路；功放电路将下行输出信号进行功率放大滤波处理并经过环形器进行功放输出。低噪放电路将上行接收信号去噪并信号放大处理；输入功率检测电路检测输入功率大小并反馈至监控单元；输出功率检测电路检测功放处理后的目标频段信号的输出功率并反馈至监控单元；监控单元检测功放电路的功率和温度，并温度过高时触发功放电路关闭功放信号。
进一步地，功放电路包括沿信号传输方向依次设置的驱动级放大电路和末级放大电路，驱动级放大电路采用10WLDMOS晶体管，末级放大电路采用140 WLDMOS封装非对称Doherty功率晶体管。
进一步地，监控单元采用芯片ADUC7020处理器进行控制，微控制器内置片内温度传感器，片内温度传感器产生与器件基材温度成正比的电压，电压的值经模数转换器一次转换后输出转换成用度数表示的温度；监控单元具有电源电路温度监控、功放状态查询、ALC值查询，驻波比查询、功率告警、射频开关设置和过温告警功能。
进一步地，其还包括调试接口电路，调试接口电路通过串行数据总线连接中央处理器，用于设置数据传输时通信协议中各种参数。
进一步地，其还包括分别于中央控制器连接的WIFI芯片和Switch芯片电路，Switch芯片电路将Wifi无线信号转换为有线信号并通过WAN口或者LAN口输出。
本发明采用以上技术方案，在5G CPE终端模块装置中，通过5G模块与中央处理器连接，将CPE装置工作频谱带宽拓展至100MHz以上，从而提升上、下行速率，改善通信质量，大大提高系统的传输速率。其次，该装置中内置了大功率的射频放大器，从线性度的角度看，因为功放位置是位于发射机的末端，所以功放信号的线性度下降将直接导致发射信号线性度变差。当功放的发射功率增大时，通常伴随着较强的非线性效应和记忆效应，这将直接影响发射信号的质量，装置通过在射频功率放大器装置中引入串联级联的多级功放管，并增加模拟预失真功能，大大增强了功放的线性度。最后，从效率的角度来看，功放模块是设备中功率消耗的主要器件，提高它的效率不但能让基站在较低能耗的环境中工作，而且还能减少整个网络的运营成本，节省开支。效率的提高使得模块转化为有用信号的能力提升，减小了能耗浪费，也更加符合环境保护的要求，装置通过在功放末级放大器中采用Doherty功率晶体管效率增强技术，利用它使两个不同类型的功放部件分别承担不同的输入信号功率，保证两个功放部件都工作在各自的饱和区域，从而使得整个功放装置在很大的输入信号功率范围内都保持高功率工作。本发明的装置通过增强CPE内部射频功率放大器的线性度和效率的方法，提高整个功放的性能，从而提高整体5G CPE装置的无线传输性能，大大增强该装置在广域宽带通信应用中的覆盖范围，满足海运、海防等领域大面积广域覆盖需求。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置的结构示意图；
图2为本发明的功率放大器的原理示意图；
图3为本发明的Doherty功率晶体管的原理示意图；
图4为本发明的监控单元的功能示意图。
具体实施方式
如图1-4之一所示，本发明公开了一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，能够较大幅度地提高CPE装置在广域宽带移动通信应用中的无线接入速率，其次提供了该5G CPE中射频高功率放大器，使得该5G 大功率CPE装置的覆盖范围可以得到较明显提升，设备的效率和功放的线性度也得到增强。
如图1所示，5G大功率CPE装置包括射频高功率放大器、中央处理器以及分别中央处理器连接的存储电路和5G模组电路；5G模组电路连接射频高功率放大器，中央处理器对数据进行内部算术运算和逻辑运算；存储电路用于存储数据；5G模组电路与中央处理器连接，负责基带信号处理；射频功率放大器包括功放电路和低噪放电路，功放电路用于对发射的射频信号进行信号放大和滤波，低噪放电路用于对接收的信号进行去噪并放大回传。
具体地，本发明通过中央处理器检测并接收到用户设备发送信号，经过数据处理后将信号传给5G模组电路，5G模组电路经过基带信号处理后的射频信号发送给射频高功率放大器，经过功放放大、滤波后发送给基站，反之，也可以通过上行低噪放接收基站发送的信号，经过去噪、放大后回传CPE装置的中央处理器，并最终反馈给用户进行处理。
进一步地，存储电路包括DDR3L内存和Flash内存，DDR3L内存为同步动态随机存储器，掉电后数据信息则丢失，Flash内存属于电可擦除的可编程ROM存储器，掉电内容不会丢失。
进一步地，5G模组电路通过USB 3.0接口与中央处理器连接。
进一步地，基带信号处理包括信号编码、调制解调和变频。
进一步地，如图2所示，功率放大器包括依次连接的ALC电路、预失真电路、功放电路、环形器和低噪放电路，输入信号接入ALC（Automatic Level Control）自动电平控制电路，ALC电路通过一输入功率检测电路连接监控单元，环形器通过一输出功率检测电路连接监控单元，监控单元连接有电源控制电路，电源控制电路为功放电路供电并提供偏置电压；
ALC电路接收下行射频信号并将所接收的射频信号检波直流分量送入预失真电路；预失真电路对输入射频信号进行预失真处理后的传输至功放电路；功放电路将下行输出信号进行功率放大滤波处理并经过环形器进行功放输出。低噪放电路将上行接收信号去噪并信号放大处理；输入功率检测电路检测输入功率大小并反馈至监控单元；输出功率检测电路检测功放处理后的目标频段信号的输出功率并反馈至监控单元；监控单元检测功放电路的功率和温度，并温度过高时触发功放电路关闭功放信号。
进一步地，功放电路包括沿信号传输方向依次设置的驱动级放大电路和末级放大电路，驱动级放大电路采用10WLDMOS晶体管，末级放大电路采用140 WLDMOS封装非对称Doherty功率晶体管。
具体地，驱动级放大电路之所以采用10WLDMOS晶体管，是因为这种类型的功放管有良好的热稳定性，在基站功放模块中作为推动级或末级放大管使用的非常广泛。由于它的带宽从700M-2700M都可以使用，本发明所需要的带宽范围在n41操作频段，正好能完全落在它的频段范围，不同频段采用的匹配有所不同，所以选择这款功放管作为推动级。
功放末级芯片采用的140 WLDMOS封装非对称Doherty功率晶体管的应用频段在2500 MHz到2700 MHz。由于Doherty功率晶体管不仅有具有良好的热稳定性，再效率方面十分出色。
如图3所示的Doherty功率晶体管的工作原理，当信号进入Doherty功率晶体管后被分作两路，主放大管和辅助放大管，主路通常工作在AB类状态，辅路一般为B或C类状态。输入端是一个二功分器。辅助放大管输入口有一四分之一波长线，作为平衡两路相位的作用。主路输出端也同样有一四分之一波长线，与辅路输入端相呼应，完成负载调制。
Doherty技术是一种主放大管的负载随信号强度变化的技术，其工作的状态分为三种阶段来讨论：输入为小信号，中等信号和大信号三个阶段。当输入信号处于小信号时，辅助管处于B类或者C类，因信号强度太小导致其处于截止的开路状态。随信号逐渐增强，辅助管开启，功放由最大效率状态向最大输出状态转变，效率维持不变。随着输入信号继续增大，两个管子的电流也持续增大，主放大管输出电压不变，其负载继续减小，功率输出增如，当辅助管达到饱和时，主管和辅助管电流都达到峰值，此时相当于AB类功率合成，输出功率达到最大。所以Doherty功放能够保持高效率的原因是小信号的提前饱和效应、辅助管的牵制作用和主管的状态转变。
进一步地，监控单元采用芯片ADUC7020处理器进行控制，微控制器内置片内温度传感器，片内温度传感器产生与器件基材温度成正比的电压，电压的值经模数转换器一次转换后输出转换成用度数表示的温度；监控单元具有电源电路温度监控、功放状态查询、ALC值查询，驻波比查询、功率告警、射频开关设置和过温告警功能。如图4所示，其主要功能如下：1）驻波比查询： 能够检测功放输出口的驻波比，当驻波比大于 3:1 时，发出警告。2）过温告警：若模块温度超过 90℃，自动关断。3）功率告警：输出功率超过满功率时告警。4）查询功放状态：能够查询或者调节功放开关。5）功放温度监控：检测模块温度，检测范围：-40℃～+90℃ ，误差±3℃。6）功放 ALC 值：控制功放最大输出功率，设置范围标称-10～标称+2,误差≤±2dB。7）设置射频开关：关断和打开射频的输出。监控装置可以保证功放工作过程中的温度、输出功率等各状态始终正常范围值，保证系统的稳定性。
进一步地，其还包括调试接口电路，调试接口电路通过串行数据总线连接中央处理器，用于设置数据传输时通信协议中各种参数。
进一步地，其还包括分别于中央控制器连接的WIFI芯片和Switch芯片电路，Switch芯片电路将Wifi无线信号转换为有线信号并通过WAN口或者LAN口输出。
本发明采用以上技术方案，在5G CPE终端模块装置中，通过5G模块与中央处理器连接，将CPE装置工作频谱带宽拓展至100MHz以上，从而提升上、下行速率，改善通信质量，大大提高系统的传输速率。其次，该装置中内置了大功率的射频放大器，从线性度的角度看，因为功放位置是位于发射机的末端，所以功放信号的线性度下降将直接导致发射信号线性度变差。当功放的发射功率增大时，通常伴随着较强的非线性效应和记忆效应，这将直接影响发射信号的质量，装置通过在射频功率放大器装置中引入串联级联的多级功放管，并增加模拟预失真功能，大大增强了功放的线性度。最后，从效率的角度来看，功放模块是设备中功率消耗的主要器件，提高它的效率不但能让基站在较低能耗的环境中工作，而且还能减少整个网络的运营成本，节省开支。效率的提高使得模块转化为有用信号的能力提升，减小了能耗浪费，也更加符合环境保护的要求，装置通过在功放末级放大器中采用Doherty功率晶体管效率增强技术，利用它使两个不同类型的功放部件分别承担不同的输入信号功率，保证两个功放部件都工作在各自的饱和区域，从而使得整个功放装置在很大的输入信号功率范围内都保持高功率工作。本发明的装置通过增强CPE内部射频功率放大器的线性度和效率的方法，提高整个功放的性能，从而提高整体5G CPE装置的无线传输性能，大大增强该装置在广域宽带通信应用中的覆盖范围，满足海运、海防等领域大面积广域覆盖需求。

Claims (10)

1. 一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：其包括射频高功率放大器、中央处理器以及分别中央处理器连接的存储电路和5G模组电路；5G模组电路连接射频高功率放大器，中央处理器对数据进行内部算术运算和逻辑运算；存储电路用于存储数据； 5G模组电路与中央处理器连接，负责基带信号处理；射频功放电路包括功放电路和低噪放电路，功放电路用于对发射的射频信号进行信号放大和滤波，低噪放电路用于对接收的信号进行去噪并放大回传。
2.根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：存储电路包括DDR3L内存和Flash内存。
3. 根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：5G模组电路通过USB 3.0接口与中央处理器连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：5G模组电路的基带信号处理包括信号编码、调制解调和变频。
5.根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：功率放大器包括依次连接的ALC电路、预失真电路、功放电路、环形器和低噪放电路，输入信号接入ALC电路，ALC电路通过一输入功率检测电路连接监控单元，环形器通过一输出功率检测电路连接监控单元，监控单元连接有电源控制电路，电源控制电路为功放电路供电并提供偏置电压；
ALC电路接收下行射频信号并将所接收的射频信号检波直流分量送入预失真电路；预失真电路对输入射频信号进行预失真处理后的传输至功放电路；功放电路将下行输出信号进行功率放大滤波处理并经过环形器进行功放输出。
6.低噪放电路将上行接收信号去噪并信号放大处理；输入功率检测电路检测输入功率大小并反馈至监控单元；输出功率检测电路检测功放处理后的目标频段信号的输出功率并反馈至监控单元；监控单元检测功放电路的功率和温度，并温度过高时触发功放电路关闭功放信号。
7. 根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：功放电路包括沿信号传输方向依次设置的驱动级放大电路和末级放大电路，驱动级放大电路采用10WLDMOS晶体管，末级放大电路采用140 WLDMOS封装非对称Doherty功率晶体管。
8.根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：监控单元包括一微控制器以及外围电路构成，微控制器采用ADUC7020处理器进行控制，微控制器内置片内温度传感器，片内温度传感器产生与器件基材温度成正比的电压，电压的值经模数转换器一次转换后输出转换成用度数表示的温度；监控单元具有电源电路温度监控、功放状态查询、ALC值查询，驻波比查询、功率告警、射频开关设置和过温告警功能。
9.根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：其还包括调试接口电路，调试接口电路通过串行数据总线连接中央处理器，用于设置数据传输时通信协议中各种参数。
10.根据权利要求1所述的一种基于广域宽带协同通信的5G大功率CPE装置，其特征在于：其包括分别于中央控制器连接的Wifi芯片和Switch芯片电路，Switch芯片电路将Wifi无线信号转换为有线信号并通过WAN口或者LAN口输出。
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