CN113992225B - 5g执法仪天线系统、天线智能匹配方法以及5g执法仪 - Google Patents

5g执法仪天线系统、天线智能匹配方法以及5g执法仪 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种5G执法仪天线系统、天线智能匹配方法以及5G执法仪，天线系统包括基带控制芯片、同步时钟源、射频收发器、四合一射频芯片、射频开关、功分器、声表面滤波器、低噪声放大器、发送端功率放大器、4G分集接收模组、5G_MIMO接收模组、射频合路器、宽频多路切换开关、射频单刀多掷开关、调谐开关和天线,射频单刀多掷开关和调谐开关相配合，通过天线的馈点分组和切换组合实现天线对各频段信号的匹配，系统仅包括4根天线。本发明通过减少天线的数量，减小了整机的尺寸，创造出更灵活智能的天线小型化系统方案，同时，减少了开发成本和开发周期，实现资源的优化利用。

Description

5G执法仪天线系统、天线智能匹配方法以及5G执法仪
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是一种5G执法仪天线系统、天线智能匹配方法以及5G执法仪。
背景技术
如图1a和1b所示，一般在5G传输型记录仪、手机等移动设备上，有多种不同功能的天线，分别是2G/3G/4G天线，5G天线，BT/WiFi/GPS天线等。这些天线除了功能差异外，在数量上也有差别，例如2G/3G/4G天线往往共用2根天线，BT/WiFi/GPS天线往往共用1根天线，但有时候由于特别强调某几个通信模块的性能，也可能分开设计，可能存在1～4根天线，5G天线一般不少于4根天线，或者更多(在此以4根为准)，最后统计下来，在一个小小的记录仪上需要装下7～11根天线，例如：包括天线17、天线18、天线19、天线20、天线21、天线22、天线23、天线24和天线25。
由于记录仪属于便携性的移动设备，市场要求其设计尺寸越来越小，功能越来越多，性能越来越强，这就与过多的天线产生了空间利用上的矛盾。总的来说，传统的5G传输型执法记录仪存在下面一些明显的缺陷；
1.天线太多，但是整机空间太小，没有足够的空间布局相应功能的天线，为了实现更多的功能，只能牺牲空间，把整机做大；
2.在窘迫的整机空间内，天线与天线之间空间距离太近，天线之间相互干扰，影响天线隔离度，进而导致通信过程中产生干扰，影响实际使用时的通信质量；
3.在一个窘迫的空间内，需预留足够的空间用于天线布局，增加了整机结构设计的难度，同时对于天线设计和无线射频抗干扰来说，也是一个严峻挑战；
4.数量众多的功能天线，意味着需要相应的硬件系统来支撑，这就必然导致主板空间的扩大和成本的堆积，不利于产品的市场推广，降低了产品的竞争力；
5.所有天线对应的通信功能一成不变，同一个天线可能需要同时满足多个不同的通信频段，但是无法根据实际使用的频段动态调整，必然导致天线性能在某些频段需要作出牺牲，影响用户体验；
6.移动设备经常受到人为遮挡和移动等因素的影响，造成产品通信质量不佳，无法动态根据周边环境的变化，动态选择合适的天线进行通信；
7.设备无法根据实际网络环境的变化，动态选择合适的通信模式，从而造成体验不佳等。
发明内容
为了解决在现有5G传输型记录仪中，如何在保证通信性能的同时减少天线数量，降低设计难度的技术问题，本发明提出一种5G执法仪天线系统、天线智能匹配方法以及5G执法仪。
为此，本发明提出的5G执法仪天线系统具体包括基带控制芯片、同步时钟源、射频收发器、四合一射频芯片、射频开关、功分器、声表面滤波器、低噪声放大器、发送端功率放大器、4G分集接收模组、5G_MIMO接收模组、射频合路器、宽频多路切换开关、射频单刀多掷开关、调谐开关和全频天线；
所述基带控制芯片与所述射频收发器之间通过射频数字接口传输射频数据，通过一组MIPI接口传递控制数据与状态数据；
所述基带控制芯片通过射频IQ接口与四合一射频芯片连接来传输射频数据，通过射频I/F接口与四合一射频芯片连接，来传输控制和状态数据；
所述宽频多路切换开关负责2/3/4/5G信号和WiFi/BT/GPS发送信号的汇合和分发，同步地也负责对各全频天线接收到的信号进行汇合，并传递到不同的接收处理通道中；
所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关相配合，负责所述全频天线的馈点分组和切换组合，实现所述全频天线对各频段信号的匹配；
从而通过切换和全频天线的复用，做到所述5G执法仪天线系统的天线根数仅相当于5G通信所需要的天线根数。
进一步地，所述全频天线包括多个信号馈点和多个地馈点，所述调谐开关包括多个阻抗匹配网络，系统会根据不同的通信频率，控制所述单刀多掷射频开关通过匹配网络切换到对应频率的天线信号馈点上进行信号发射和接收，并且，同步控制所述调谐开关，切换所述全频天线的地馈点到相应的阻抗匹配网络上，实现天线对相应频段的接地匹配，实现天线通信频段的适配。
进一步地，当所述5G执法仪天线系统处于4G/5G发送状态时，所述基带控制芯片首先根据当前通信状态信息，判断系统当前通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片根据状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号发送做准备，同步地，所述基带控制芯片通过MIPI接口，发送控制信息和状态信息给所述射频收发器，使得所述射频收发器准备接收需要发送的数据，并让所述射频收发器通过自身的MIPI接口，同步打开与当前场景模式和频率相匹配的射频开关通道和发送端功率放大通道，准备信号传输。
进一步地，当所述5G执法仪天线系统处于4G/5G接收状态时，所述基带控制芯片根据当前通信状态信息，判断系统的通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片根据状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号接收做准备，同步地，所述基带控制芯片通过MIPI接口，发送控制信息和状态信息给所述射频收发器，让所述射频收发器通过自身的MIPI接口，控制4G/5G的接收模组，同步打开与当前场景模式和频率相匹配的模组开关通道，准备进行信号传输和处理。
进一步地，当所述5G执法仪天线系统处于WiFi/BT/GPS发送状态时，所述基带控制芯片根据当前通信状态信息，判断系统当前通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片根据状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号发送做准备，同步地，所述基带控制芯片通过射频I/F接口，发送控制信息和状态信息给所述四合一射频芯片，让所述四合一射频芯片准备接收需要发送的数据，同时根据当前的通信模式和频率打开对应的模式通道，准备发送数据。
进一步地，当所述5G执法仪天线系统处于WiFi/BT/GPS场景接收状态时，所述基带控制芯片根据当前通信状态信息，判断系统的通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片通过状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号接收做准备，同步地，所述基带控制芯片通过射频I/F接口，发送控制信息和状态信息给所述四合一射频芯片，让所述四合一射频芯片根据当前的通信模式和频率打开对应的模式通道。
进一步地，所述开关切换策略信息包括选用天线的数量及组合、全频天线信号馈点通道、全频天线地馈点通道和宽频多路切换开关的传输通道。
本发明提出的天线智能匹配方法基于上述5G执法仪天线系统，具体包括以下步骤：
S1、实时利用当前通信场景中的空闲时间间隙执行搜网动作，并实时更新系统无线功能模块的网络状态表；以确定当前系统的所有网络状态；所述搜网是一种接收行为，目的是短暂打通天线与各个通信模块之间的通道，以便接收相应功能的通信状态信息；
S2、所述基带控制芯片根据当前的网络状态判断优选的通信场景是否为WiFi/BT/GPS通信场景，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S5；
S3、所述基带控制芯片根据当前系统状态决定应该保留多少根天线进行通信；
S4、每满一个天线切换时间间隔分析一次当前状态下各个天线的通信质量,若出现通信质量不满足要求，进行天线的切换，切换完成后，判断在当前通信场景中是否已经持续通信满1个通信场景切换时间间隔，若是，则查看系统无线功能模块网络状态表，返回步骤S2，以便判断是否有更理想的无线通信网络条件进行通信场景切换；返回S2的目的是为了根据各无线功能模块的实时网络状态，决定是否需要切换通信场景或者是采用其他优先级更高的无线功能模块进行通信，以达到更好的通信质量；
S5、所述基带控制芯片根据当前的网络状态判断优选的通信场景是否为5G通信场景，若是，则进入步骤S6，若否，则进入步骤S8；
S6、所述基带控制芯片根据5G通信场景的默认设置，使用4根全频天线进行通信，同时系统根据目前的网络状态，选择接收信号强度最好的天线作为5G发送天线，其他天线作为接收天线。
S7、每满一个天线切换时间间隔分析一次当前状态下各个天线的通信质量,若出现通信质量不满足要求，进行天线的切换，判断判断在当前通信场景中是否已经持续通信满1个通信场景切换时间间隔，若是，则查看系统无线功能模块网络状态表，返回步骤S2，以便判断是否有更理想的无线通信网络条件进行通信场景切换；
S8、在WiFi关闭，5G通信质量差，4G通信信号质量良好的情况下，优先使用4G通信场景进行通信；
S9、所述基带控制芯片根据4G通信场景的默认设置，使用2根全频天线为一组进行联网通信；
S10、每满一个天线切换时间间隔分析一次当前状态下各个天线的通信质量,若出现通信质量不满足要求，进行天线的切换，判断判断在当前通信场景中是否已经持续通信满1个时间间隔，若是，则查看系统无线功能模块网络状态表，返回步骤S2，以便判断是否有更理想的无线通信网络条件进行通信场景切换。
在搜网过程中系统可分多次打开至少一个天线进行搜网，一次次循环遍历全部无线功能模块的网络信息；其中，一个时间间隙接收至少一个功能模块的状态信息，直到所有无线功能模块的状态信息都接收完。在当前通信场景下每满足一个通信场景切换时间间隔，系统软件会访问实时的无线功能模块网络状态表，以判断在当前的网络状态下应该采用何种切换策略；每个用于搜网的时间间隙小于1mS,如果由于信号原因，无法在一个时间间隙中准确完成一个无线功能模块的网络状态信息收集，则在下一个通信空闲时间间隙中继续。
进一步地，所述步骤S3具体包括如果WIFI、BT、GPS三个通信模块都有同步的通信需求，则根据各个通信模块的频段，为他们分别分配一根独立天线进行通信，以确保各功能模块有最好的通信性能，天线环境的优先选择顺序是：GPS>wifi>BT，把通信质量最好的天线分配给GPS，然后是WiFi和BT，如果三个模块没有同时使用，则根据实际情况只分配其中2根或者1根进行通信。
进一步地，所述步骤S6还包括在当前的通信场景中，如果5G和GPS同时有通信需求，天线环境的优先选择顺序是：5G发送>GPS>5G接收，分配天线时把通信质量最好的天线分配给5G发送，然后是GPS天线，最后才是5G接收天线。此顺序可更好地发送和接收信号，使其拥有更好的通信质量。
GPS通信是间歇和短暂的，只在5G通信的空闲时间间隙中插入GPS的定位信号接收。
进一步地，所述步骤S9还包括在当前的通信场景中，如果4G和GPS同时有通信需求，天线环境的优先选择顺序是：GPS>4G发送>4G接收，分配天线时把最好通信质量的天线分配给GPS接收，然后是4G发送天线，最后才是4G接收天线。
本发明提出的5G执法仪包括上述5G执法仪天线系统，所述5G执法仪内部4个面分别有一根天线，相邻天线在空间分布上相互垂直。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)减小产品的天线数量，为整机结构小型化设计减少了限制，为实现产品的小型化设计提供了条件；
2)通过射频开关的合理利用，实现硬件资源的多频段复用，减少了器件的浪费，并为产品在设计过程中的合理布局，节省成本和缩短开发周期等创造了条件。
在本发明的一些实施例中，还具有如下有益效果：
1)通过射频单刀多掷开关和调谐开关相互配合，实现天线对不同通信频段的适配，建立起不同通信频段与天线适配之间的一一对应关系；
2)根据实际通信环境，选择最优的通信场景和天线组合进行通信，改善了产品通信质量，提升用户使用产品的体验。
附图说明
图1a和1b是现有技术中传统记录仪的天线分布示意图；
图2是本发明实施例5G执法仪天线系统的结构图；
图3是本发明实施例射频单刀多掷开关和调谐开关的切换关系示意图；
图4是本发明实施例4G/5G场景下系统处于发送状态时的开关切换流程图；
图5是本发明实施例4G/5G场景下系统处于接收状态时的开关切换流程图；
图6是本发明实施例WiFi/BT/GPS场景下系统处于发送状态时的开关切换流程图；
图7是本发明实施例WiFi/BT/GPS场景下系统处于接收状态时的开关切换流程图；
图8是本发明实施例天线智能匹配方法的流程图；
图9a和9b是本发明实施例5G执法仪的天线分布示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图2所示，5G执法仪天线系统包括基带控制芯片1、同步时钟源2、射频收发器3、四合一射频芯片4、射频开关5、功分器6、声表面滤波器7、低噪声放大器8、发送端功率放大器9、4G分集接收模组10、5G_MIMO接收模组11、射频合路器12、宽频多路切换开关13、射频单刀多掷开关14、调谐开关15和全频天线16，附图中，31代表射频数字接口，11、32和33均代表射频MIPI接口，41代表射频IQ接口，42代表射频I/F接口。基带控制芯片实现信号的信源和信道的编码和解码，进行系统的通信协调控制和开关的切换控制，存储、计算、比较和分析状态数据，记录系统工作状态。射频收发器和四合一射频芯片用于实现信号调制和解调、信号的接收和发送、信号的分频和混频，以及信号频段分配。射频开关、功分器、射频合路器和声表面滤波器相互配合，共同实现不同通信频段信号的发射通道切换、不同频段信号的通道分配、不同频段信号通道合并、以及不同频段信号的滤波筛选。低噪声放大器负责把接收到的微弱信号进行幅度放大，方便后续射频收发器对信号进行处理。发送端功率放大器负责把发送信号的功率放大，以达到传输距离更远，通信质量更好的目的。宽频多路切换开关负责2/3/4/5G信号和WiFi/BT/GPS发送信号的汇合和分发，同步地也负责对各全频天线接收到的信号进行汇合，并传递到不同的接收处理通道中。射频单刀多掷开关和调谐开关相配合，负责全频天线的馈点分组和切换组合，实现天线对各频段信号的匹配。4G分集接收模组和5G_MIMO接收模组相互配合，负责把宽频多路切换开关输入的射频信号进行第一次下变频，从而把射频信号变为可处理的中高频信号，另外，是把经过初步下变频处理的信号进行滤波筛选，然后把信号按频率分配到后级对应滤波器和低噪声放大器通道中，进行下一步信号滤波和信号放大处理。同步时钟源为射频收发器和基带IC提供基准时钟，实现两者通信和控制信号同步。通过附图3可以看出，全频天线16包括多个信号馈点161和多个地馈点162，调谐开关15包括多个阻抗匹配网络151，系统会根据不同的通信频率，控制单刀多掷射频开关14通过匹配网络141切换到对应频率的天线信号馈点161上进行信号发射和接收，并且，系统会根据不同的通信频率，同步控制调谐开关15，切换全频天线16的地馈点162到相应的阻抗匹配网络151上，实现天线对相应频段的接地匹配，从而实现天线通信频段的适配，需要注意的是，单刀多掷射频开关和调谐开关是相互配合，同步切换的。在多馈点组合全频天线中，不同频率的信号搭配天线不同的信号、接地馈点的组合，来实现不同频段信号的发射。不同信号、接地馈点的组合，本质上是在调整天线对特定通信频段的阻抗匹配，实现系统是通过频段来自适应选择匹配天线的效果，其效果在物理上体现为更新了天线的尺寸和天线的信号、接地匹配网络。
针对4G/5G信号的传输通道连接关系及其工作过程进行详细描述。基带控制芯片与射频收发器之间通过射频数字接口传输射频数据，通过一组MIPI接口传递控制数据与状态数据。
当系统处于发送状态时，基带控制芯片先传输一组状态数据给射频收发器，让其处于准备状态。同步地，基带控制芯片把数据通过射频数字接口传输到射频收发器中，射频收发器接到信号后，根据当前的状态信息，对信号进行信源编码、信道编码、信号调制等处理，然后选择合适通道把信号数据发送下去。射频收发器在接收到基带控制芯片的状态信息后，就已经同步通过自身的另外两组MIPI接口，控制下一级射频开关和发送端功率放大器打开其对应频率的数据传输通道，这样当信号从射频收发器中发出后就可以通过选配好的射频开关通道，传输到发送端功率放大器中进行功率放大，然后再经过相应通道传递到宽频多路切换开关中。基带控制芯片与宽频多路切换开关、射频单刀多掷开关、调谐开关都是通过MIPI接口连接的，基带控制芯片在给射频收发器传输信号数据前，就已经通过多组MIPI接口，控制宽频多路切换开关、射频单刀多掷开关、调谐开关切换好数据传输通道，等发送数据传输到宽频多路切换开关后，就可以直接从选配好的数据开关传输通道中传输到天线端，最后通过与信号频率匹配的天线把数据发送出去，完成通信。整个过程中需要基带控制芯片与射频收发器能够协调同步工作，按通信状态有选择性地控制射频开关，功率放大器，宽频多路切换开关，射频单刀多掷开关以及调谐开关等，打开对应频率的发送通道，实现天线适配和信号发送。具体地，如图4所示，当系统处于4G/5G发送状态时，基带控制芯片首先根据当前通信状态信息，判断系统当前通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，基带控制芯片通过这些状态信息，查询内置在软件内部的天线切换策略表，以此来获取信息，确定选用天线的数量及组合、天线信号馈点通道、天线地馈点通道、宽频多路切换开关的传输通道等开关切换策略信息，接下来，基带控制芯片开始通过多组MIPI接口，分别控制宽频多路切换开关，射频单刀多掷开关，调谐开关等打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号发送做准备，同步地，基带控制芯片通过MIPI接口，发送控制信息和状态信息给射频收发器，让其准备接收需要发送的数据，并让其通过自身的MIPI接口，同步打开与当前场景模式和频率相匹配的射频开关通道和发送端功率放大通道，准备信号传输。到目前为止，系统已经完成当前状态下的发送通道切换工作，只等信号完成相应的编码、调制、幅度放大和功率放大后，就可以通过选定通道，从相匹配的天线组发送出去。
当系统处于接收状态时，基带控制芯片通过MIPI接口传输状态数据给射频收发器，让其根据状态数据通过其自身的MIPI接口，控制4G分集接收模组和5G_MIMO接收模组打开其与当前状态相匹配的数据传输通道，同步地，基带控制芯片对比当前通信状态信息制定开关切换策略，通过自身多组MIPI接口，控制宽频多路切换开关、射频单刀多掷开关、调谐开关把数据通道切换到与当前通信模式和通信频率相匹配的通道状态下，同时实现天线匹配选择。当信号通过天线接收回来后，通过射频单刀多掷开关和宽频多路开关的传输通道进入到4G分集接收模组和5G_MIMO接收模组中，信号在4G分集接收模组和5G_MIMO接收模组中进行第一次降频、分频处理，然后，信号通过与之相匹配的通道进入滤波选频网络，并进一步进入到低噪声放大器中，在此进行信号幅度放大，再进一步地，信号传递到射频收发器中，射频收发器根据当前通信状态信息，对信号进行降频、解调、解码、AD转换等处理，最后，整理后的信号通过射频数字接口回传基带控制芯片中，做进一步分析处理。具体地，如图5所示，当系统处于4G/5G接收状态时，基带控制芯片首先根据当前通信状态信息，判断系统的通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，基带控制芯片通过这些状态信息，查询内置在软件内部的天线切换策略表，以此来获取信息，确定选用天线的数量及组合、天线信号馈点通道、天线地馈点通道、宽频多路切换开关的传输通道等开关切换策略信息，接下来，基带控制芯片开始通过多组MIPI接口，分别控制宽频多路切换开关，射频单刀多掷开关，调谐开关等打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号接收做准备，同步地，基带控制芯片通过MIPI接口，发送控制信息和状态信息给射频收发器，让其通过自身的MIPI接口，控制4G/5G的接收模组，同步打开与当前场景模式和频率相匹配的模组开关通道，准备进行信号传输和处理。到目前为止，系统已经完成当前状态下的接收通道切换工作,只等信号从天线接收完毕，完成信号降频，分频，滤波，放大等处理后，传回到射频收发器，进一步通过解调，解码和ADC转换后，通过射频数字接口，传回基带控制芯片处理。
对于所有的通信场景而言，如果在当前通信场景和通信频率都不变的情况下，一旦成功打开了相应的发送和接收通道，并顺利完成了第一次通信，则这些发送和接收通道就是保持打开状态不变的，而不是每发送和接收一次信息都反复打开关闭。除非通信场景变更，天线发生切换，或者是通信频率发生改变。
针对WiFi/BT/GPS信号的传输通道连接关系及其工作过程进行详细描述。基带控制芯片通过射频IQ接口与四合一射频芯片连接来传输射频数据，通过射频I/F接口与四合一射频芯片连接，来传输控制和状态数据。
当系统处于WiFi/BT/GPS场景中某种模式的发送状态时，基带控制芯片通过I/F接口给四合一射频芯片传输一组控制和状态数据，让四合一射频芯片打开相应场景模式下的数据通道，同步地，基带控制芯片在传输数据前，就根据当前的通信状态信息，确定了开关通道策略，通过自身多组MIPI接口打开末端对应的射频单刀多掷开关通道和调谐开关通道，实现了天线的匹配选择，并同步通过宽频多路切换开关切换数据通道与射频合路器相连，实现完整的开关通道切换。当基带控制芯片把需要发送的数据传输到四合一射频芯片中时，四合一射频芯片对数据进行信源编码、信道编码、信号调制等处理，然后，四合一射频芯片把处理后的数据信号传输到当前场景模式下的发送通道中，由于系统中从四合一射频芯片到宽频多路切换开关之间的射频器件都是无源器件，每种不同模式的数据传输通道在这些器件上是固定的，因此射频信号从四合一芯片出来后，就通过固定的模式通道传输到宽频多路开关中；再进一步地，信号通过宽频多路开关通道与射频单刀多掷开关通道，从匹配天线中发送出去，实现传输通信。具体地，如图6所示，当系统处于WiFi/BT/GPS发送状态时，基带控制芯片首先根据当前通信状态信息，判断系统当前通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，基带控制芯片通过这些状态信息，查询内置在软件内部的天线切换策略表，以此来获取信息，确定选用天线的数量及组合、天线信号馈点通道、天线地馈点通道、宽频多路切换开关的传输通道等开关切换策略信息，接下来，基带控制芯片开始通过多组MIPI接口，分别控制宽频多路切换开关，射频单刀多掷开关，调谐开关等打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号发送做准备。同步地，基带控制芯片通过射频I/F接口，发送控制信息和状态信息给四合一射频芯片，让其准备接收需要发送的数据，同时根据当前的通信模式和频率打开对应的模式通道，准备发送数据。到目前为止，系统已经完成当前状态下的发送通道切换工作，只等信号完成相应的编码、调制、幅度放大和功率放大后，就可以通过选定通道，从相匹配的天线组发送出去。
当系统处于WiFi/BT/GPS场景中某种模式的接收状态时，基带控制芯片先发送一组控制和接收状态数据给四合一射频芯片，让四合一射频芯片打开自身对应模式下的接收传输通道，并处于准备状态，同步地，基带控制芯片按照当前的通信状态制定开关切换策略，通过自身两组MIPI接口控制末端的射频单刀多掷开关与调谐开关，以选择与当前通信状态匹配开关通道组合，实现通信频率与天线匹配。基带控制芯片还会通过另外一组MIPI接口，控制宽频多路切换开关，把数据传输通道切换到射频合路器通道中，以达到当前模式下的接收通道贯通。当天线接收到信号后，信号经过射频单刀多掷开关与宽频多路切换开关传递到射频合路器中，而合路器内部有选频功能，会根据当前的通信频率，把数据自动分配到相应的模式通道中，进行滤波选频，并进一步传回四合一射频芯中，四合一射频芯片接收到信号后，对信号进行降频、解调、解码、ADC转换等处理，然后通过射频IQ接口，把信号传回基带控制芯片，做进一步处理。具体地，如图7所示，当系统处于WiFi/BT/GPS场景接收状态时，基带控制芯片首先根据当前通信状态信息，判断系统的通信模式、信号方向、通信频段和通信质量。同步地，基带控制芯片通过这些状态信息，查询内置在软件内部的天线切换策略表，以此来获取信息，确定选用天线的数量及组合、天线信号馈点通道、天线地馈点通道、宽频多路切换开关的传输通道等开关切换策略信息，接下来，基带控制芯片开始通过多组MIPI接口，分别控制宽频多路切换开关，射频单刀多掷开关，调谐开关等打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号接收做准备。同步地，基带控制芯片通过射频I/F接口，发送控制信息和状态信息给四合一射频芯片，让其根据当前的通信模式和频率打开对应的模式通道。到目前为止，系统已经完成当前状态下的接收通道切换工作，只等信号从天线接收完毕，完成信号选频，滤波，放大等处理后，传回到四合一射频芯片，进一步通过解调，解码和ADC转换后，通过射频IQ接口，传回主控芯片处理。
基于上述5G执法仪天线系统，本发明提出一种天线智能匹配方法。5G执法仪天线系统包括三种通信场景，分别为5G通信场景、4G通信场景和WiFi/BT/GPS通信场景。在介绍天线智能匹配方法的具体方法之前，对产品使用场景做几个设置定义，具体如下：
(1)默认三个场景的选用优先级是：WiFi/BT/GPS通信场景>5G通信场景>4G通信场景，默认使用WiFi可以上网的情况下，不使用5G和4G进行联网通信，默认5G通信良好的情况下不使用4G进行联网通信；
(2)默认在WiFi/BT/GPS通信场景下，不同模块功能的天线单独使用1根天线，共三根天线，5G通信场景使用4根天线，默认采用1T4R(也可以2T4R)方式通信，4G通信场使用2根天线为一组进行通信，默认采用天线1+天线3(后面简称天线1+3)作为4G主集和分集天线，其他天线的组合还有：天线1+2、天线1+4、天线2+4、天线2+3以及天线3+4；
(3)默认衡量3种通信场景通信质量是否达标的标准是：产品在当前通信场景状态下，负责发送的天线，其接收的信号强度值是否能达到软件在当前通信场景的的软件预设值；
(4)默认软件每5S对当前通信场景的通信状态进行分析，每10S进行一次天线切换评判，当连续两次分析发现主发送天线的通信质量不达标(主要是发送天线的信号强度不满足标准)，则进行天线切换，默认软件每1分钟对系统网络状态进行更新评判，以确定当前通信场景是否是最优的通信场景，如果不是，将重新切换通信场景，并分配天线通信；需要强调的是对于各种通信场景而言，天线切换5S和10S这两个预设的时间间隔并不是一成不变的，说明书中规定这两个时间间隔只是为了更好地说明问题而设定的。实际工程应用中可以根据实际情况加以改变。并且软件进行判断分析的时间也是很短的，不影响用户的使用。本实例中切换通信场景这个时间间隔是1分钟，工程实践中此时间间隔是可以设定为其他数值的
(5)默认对于每一个通信场景中的每一个通信频段，产品中的每根天线都有与之相匹配的切换开关组合和天线馈点组合，并且这些开关和馈点组合都是默认写入到产品软件中的，当需要进行天线切换时，软件会根据通信场景，通信频率和各个天线的信号接收强度值等信息来最终确定当前使用的开关切换组合和天线馈点组合。
如图8所示，天线智能匹配方法具体包括如下步骤：
S1、打开所有天线进行搜网，并实时更新无线功能模块网络状态表，以便系统确定当前所有无线功能模块的网络状态。
S2、基带控制芯片根据当前的网络状态判断优选的通信场景是否为WiFi/BT/GPS通信场景，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S5，需要说明的是WiFi/BT/GPS通信，5G通信，4G通信等网络都打开的状态下优先使用WiFi/BT/GPS通信场景。
S3、基带控制芯片根据当前系统状态决定应该保留多少根天线进行通信，具体地，如果WIFI、BT、GPS三个通信模块都有同步的通信需求，则根据各个通信模块的频段，为他们分别分配一根独立天线进行通信，以确保各功能模块有最好的通信性能，假如3个模块同时通信，那么天线环境的优先选择顺序是：GPS>wifi>BT，即最开始分配天线时把通信质量最好的天线分配给GPS，然后是WiFi和BT，如果三个模块没有同时使用，则根据实际情况只分配其中2根或者1根进行通信。
S4、当产品正常通信时，系统每5S会分析一次当前状态下各个天线的通信质量，如果发现某一根或者某几根天线通信质量不满足预设的接收信号强度标准，则先记录当前状态，如果连续发现两次主发送天线不满足标准，则系统把不满足标准的天线与备用天线进行对比，选择信号接收质量最好的天线进行切换，切换完成后，系统判断在当前通信场景下的持续通信时间是否满1分钟，若是，则返回步骤S2。
S5、基带控制芯片根据当前的网络状态判断优选的通信场景是否为5G通信场景，若是，则进入步骤S6，若否，则进入步骤S8，需要说明的是，一般在WiFi关闭，5G通信，4G通信等网络都打开的状态下优先使用5G通信场景进行通信。
S6、基带控制芯片根据5G通信场景的默认设置，使用4根天线进行通信，同时系统根据目前的网络状态，选择接收信号强度最好的天线作为5G发送天线，其他天线作为接收天线，同步地，系统也会根据当前的通信频段，选择合适的天线端信号/接地馈点组合，实现天线与通信频段的良好匹配，在当前的通信场景中，如果5G和GPS同时有通信需求，天线环境的优先选择顺序是：5G发送>GPS>5G接收，即最开始分配天线时把通信质量最好的天线分配给5G发送，然后是GPS天线，最后才是5G接收天线，在通信过程中，GPS是间断接收的，因此可以使用5G接收天线中信号最好的一个接收天线作为GPS的接收天线，考虑到5G通信频段与GPS的通信频段不同，为避免对应天线的信号/地馈点反复切换，可以选择此天线固定在GPS的接收频率上，适当牺牲该天线的5G接收性能。
S7、当产品正常通信时，系统每5S会分析一次当前状态下各个天线的通信质量，如果发现当前的5G发送天线通信质量不满足预设的接收信号强度标准，则先记录当前状态，如果连续发现两次当前的5G发送天线不满足标准，则系统把当前5G发送天线与其他接收天线进行对比，选择信号接收质量最好的天线进行切换，判断通信时间是否满1分钟，若是，则返回步骤S2。
S8、一般在WiFi关闭，5G通信质量差，4G通信信号质量良好的情况下，优先使用4G通信场景进行通信。
S9、基带控制芯片根据4G通信场景的默认设置，使用2根天线为一组进行联网通信。同时系统根据目前的网络状态，选择接收信号强度最好的一对天线组作为4G发送天线，其他天线组作为备用天线。另外，系统会根据当前的通信频段，选择合适的天线端信号/接地馈点组合，实现天线与通信频段的良好匹配。在当前的通信场景中，如果4G和GPS同时有通信需求，那么天线环境的优先选择顺序是：GPS>4G发送>4G接收，即最开始分配天线时把最好通信质量的天线分配给GPS接收，然后是4G发送天线，最后才是4G接收天线。
S10、当产品正常通信时，系统每5S会分析一次当前状态下各个天线的通信质量，如果发现当前的4G发送天线通信质量不满足预设的接收信号强度标准，则先记录当前状态。如果连续发现两次当前的4G发送天线不满足标准，则系统先把当前4G主集和分集天线切换对调，进行通信，然后每隔5S查看通信质量是否OK。如果在下一个10S钟依然连续发现两次主集天线的接收信号强度不符合标准，则比较当前4G网络状态下所有天线的接收信号强度，重新按照当前通信场景下天线的优先原则进行顺序分配，判断通信时间是否满1分钟，若是，则返回步骤S2。
因为传输型记录仪产品是便携移动设备，避免不了由于位置移动和人为操作导致周围通信环境变化，进而影响用户的通信体验。对于所有3种通信场景而言，系统都会在产品通信满1分钟后进行一次所有无线通信模块的网络状态分析，以确定产品当前环境下最新的网络状态，随后，系统会根据网络状态的变化，决定是否切换到其他通信场景，以获得更好的通信体验。
如图9a和9b所示，基于上述天线系统的5G执法仪只需要天线26、天线27、天线28和天线29这4根天线就能实现与传统记录仪同样功能的通信效果，与传统传输型记录仪相比，具有以下几个优势：
(1)产品内部4个面分别有一根天线，天线的可用空间较大。
(2)由于相邻天线在空间分布上是相互垂直的，并且相互之间的距离也更远，可以有更好的天线隔离度，有效避免天线间的相互干扰。
(3)通过对射频开关通道与调谐开关通道的正确选择，使每根天线的信号/地馈点组合与不同的通信频段之间建立一一对应关系，做到每一根天线在总体上看对所有频段上都有良好的辐射性能，实现天线全通信频段的适配，在局部看又能对每一个独立通信频段有良好的适配效果，体现了天线对独立通信频段具有良好的选择性。
(4)无论是2/3/4G通信，还是5G通信，无论是WiFi通信，还是BT通信，本发明都能充分利用天线智能匹配算法的优势，根据产品实际通信的环境选择合适的天线进行通信。这样可以实现更好的通信质量，同时可以有效降低射频通信功耗。
(5)采用本发明的方法和技术，可以通过预先软件配置的方式，实现MIMO通信方式时，天线与当前通信频段间拥有最优的匹配效果，发挥出产品最优的无线网络通信效能。
(6)采用本发明的方法和技术，可以为产品后续的通信性能提升奠定基础，例如WiFi本来是一根天线通信，但是通过更换支持MIMO通信的处理芯片，可以实现WiFi的多天线MIMO通信，而不只局限于单根天线通信，从而提升产品传输速率和用户使用体验。
(7)采用本发明的方法和技术后，与传统记录仪产品相比，整机尺寸明显变小，符合记录仪产品市场的发展趋势，增加产品的市场竞争优势。
(8)采用本发明的方法和技术，对于规则对称的产品而言，左右两边和上下两面的射频环境区别不大，则在进行天线设计时，只需设计两个天线，另外两个天线根据对称性，简单修正就可以完成全部天线设计工作，相比于传统记录仪的天线设计而言，减少了设计的工作量和难度，并且设计的天线也可能可以复用到其他产品上使用。
(9)采用本发明的方法和技术后，天线关键特征是：每一根天线既是全频天线，也是单频天线，每根天线本身并不是一个完全电气连接的整体，而是多个子天线部件相互影响，互为耦合、寄生、引导而构成的一个整体，不同的信号馈点和地馈点可以实现自由组合实现不同通信频段适配。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明设计结构及原理的前提下对本发明方案所作的等同变化都视作本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种5G执法仪天线系统，其特征在于,具体包括基带控制芯片、同步时钟源、射频收发器、四合一射频芯片、射频开关、功分器、声表面滤波器、低噪声放大器、发送端功率放大器、4G分集接收模组、5G_MIMO接收模组、射频合路器、宽频多路切换开关、射频单刀多掷开关、调谐开关和全频天线；
所述基带控制芯片分别与同步时钟源、射频收发器、四合一射频芯片连接，并通过射频MIPI接口分别与宽频多路切换开关和射频单刀多掷开关连接；
所述射频收发器分别与同步时钟源、射频开关和低噪声放大器连接，并通过射频MIPI接口分别与发送端功率放大器、4G分集接收模组和5G_MIMO接收模组连接；
所述四合一射频芯片与射频合路器连接；所述射频收发器和四合一射频芯片用于实现信号调制和解调、信号的接收和发送、信号的分频和混频、 以及信号频段分配；
所述射频开关与功分器连接；
所述功分器与声表面滤波器连接；
所述声表面滤波器与发送端功率放大器连接；
所述低噪声放大器分别与4G分集接收模组和5G_MIMO接收模组连接；
所述宽频多路切换开关分别与发送端功率放大器、4G分集接收模组、5G_MIMO接收模组、射频合路器和射频单刀多掷开关连接；
所述射频单刀多掷开关与全频天线连接；
所述全频天线与调谐开关连接；
所述基带控制芯片与所述射频收发器之间通过射频数字接口传输射频数据，通过一组MIPI接口传递控制数据与状态数据；
所述基带控制芯片通过射频IQ接口与四合一射频芯片连接来传输射频数据，通过射频I/F接口与四合一射频芯片连接，来传输控制和状态数据；
所述宽频多路切换开关负责2/3/4/5G信号和WiFi/BT/GPS发送信号的汇合和分发，同步地也负责对各全频天线接收到的信号进行汇合，并传递到不同的接收处理通道中；
所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关相配合，负责所述全频天线的信号馈点分组和接地网络切换组合，实现所述全频天线对各频段信号的匹配；
从而通过射频开关通道的切换和全频天线的复用，做到所述5G执法仪天线系统的天线根数仅相当于5G通信所需要的天线根数。
2.根据权利要求1所述的5G执法仪天线系统，其特征在于，所述全频天线包括多个信号馈点和多个地馈点，所述调谐开关包括多个阻抗匹配网络，系统会根据不同的通信频率，控制所述射频单刀多掷开关通过匹配网络切换到对应频率的天线信号馈点上进行信号发射和接收，并且，同步控制所述调谐开关，切换所述全频天线的地馈点到相应的阻抗匹配网络上，实现天线对相应频段的接地匹配，实现全频天线与单一通信频段的适配。
3.根据权利要求2所述的5G执法仪天线系统，其特征在于，当所述5G执法仪天线系统处于4G/5G发送状态时，所述基带控制芯片首先根据当前通信状态信息，判断系统当前通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片根据状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前通信场景模式和频率的信号发送做准备，同步地，所述基带控制芯片通过MIPI接口，发送控制信息和状态信息给所述射频收发器，使得所述射频收发器准备接收需要发送的数据，并让所述射频收发器通过自身的MIPI接口，同步打开与当前通信场景模式和频率相匹配的射频开关通道和发送端功率放大通道，准备信号传输。
4.根据权利要求2所述的5G执法仪天线系统，其特征在于，当所述5G执法仪天线系统处于4G/5G接收状态时，所述基带控制芯片根据当前通信状态信息，判断系统的通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片根据状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号接收做准备，同步地，所述基带控制芯片通过MIPI接口，发送控制信息和状态信息给所述射频收发器，让所述射频收发器通过自身的MIPI接口，控制4G/5G的接收模组，同步打开与当前场景模式和频率相匹配的模组开关通道，准备进行信号传输和处理。
5.根据权利要求2所述的5G执法仪天线系统，其特征在于，当所述5G执法仪天线系统处于WiFi/BT/GPS发送状态时，所述基带控制芯片根据当前通信状态信息，判断系统当前通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片根据状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前通信场景模式和频率的信号发送做准备，同步地，所述基带控制芯片通过射频I/F接口，发送控制信息和状态信息给所述四合一射频芯片，让所述四合一射频芯片准备接收需要发送的数据，同时根据当前的通信模式和频率打开对应的模式通道，准备发送数据。
6.根据权利要求2所述的5G执法仪天线系统，其特征在于，当所述5G执法仪天线系统处于WiFi/BT/GPS场景接收状态时，所述基带控制芯片根据当前通信状态信息，判断系统的通信模式、信号方向、通信频段和通信质量，所述基带控制芯片通过状态信息，查询天线切换策略表，确定开关切换策略信息，接下来，所述基带控制芯片通过多组MIPI接口，分别控制所述宽频多路切换开关、所述射频单刀多掷开关和所述调谐开关打开相应的通道，为当前场景模式和频率的信号接收做准备，同步地，所述基带控制芯片通过射频I/F接口，发送控制信息和状态信息给所述四合一射频芯片，让所述四合一射频芯片根据当前的通信模式和频率打开对应的模式通道。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的5G执法仪天线系统，其特征在于，所述开关切换策略信息包括选用全频天线的数量及组合、天线信号馈点通道、天线地馈点通道和宽频多路切换开关的传输通道。
8.一种天线智能匹配方法，基于权利要求1-7中任一项所述的5G执法仪天线系统，其特征在于,具体包括以下步骤：
S1、实时利用当前通信场景中的空闲时间间隙执行搜网动作，并实时更新系统无线功能模块的网络状态表；以确定当前系统的所有网络状态；所述搜网是一种接收行为，目的是短暂打通天线与各个通信模块之间的通道，以便接收相应功能的通信状态信息；
S2、所述基带控制芯片根据当前的网络状态判断优选的通信场景是否为WiFi/BT/GPS通信场景，若是，则进入步骤S3，若否，则进入步骤S5；
S3、所述基带控制芯片根据当前系统状态决定应该保留多少根天线进行通信；
S4、每满一个天线切换时间间隔分析一次当前状态下各个天线的通信质量,若出现通信质量不满足要求，进行天线的切换，切换完成后，判断在当前通信场景中是否已经持续通信满1个通信场景切换时间间隔，若是，则查看系统无线功能模块网络状态表，返回步骤S2，以便判断是否有更理想的无线通信网络条件进行通信场景切换；
S5、所述基带控制芯片根据当前的网络状态判断优选的通信场景是否为5G通信场景，若是，则进入步骤S6，若否，则进入步骤S8；
S6、所述基带控制芯片根据5G通信场景的默认设置，使用4根天线进行通信，同时系统根据目前的网络状态，选择接收信号强度最好的天线作为5G发送天线，其他天线作为接收天线；
S7、每满一个天线切换时间间隔分析一次当前状态下各个天线的通信质量,若出现通信质量不满足要求，进行天线的切换，判断在当前通信场景中是否已经持续通信满1个通信场景切换时间间隔，若是，则查看系统无线功能模块网络状态表，返回步骤S2，以便判断是否有更理想的无线通信网络条件进行通信场景切换；
S8、在WiFi关闭，5G通信质量差，4G通信信号质量良好的情况下，使用4G通信场景进行通信；
S9、所述基带控制芯片根据4G通信场景的默认设置，使用2根天线为一组进行联网通信；
S10、每满一个天线切换时间间隔分析一次当前状态下各个天线的通信质量,若出现通信质量不满足要求，进行天线的切换，判断在当前通信场景中是否已经持续通信满1个通信场景切换时间间隔，若是，则查看系统无线功能模块网络状态表，返回步骤S2，以便判断是否有更理想的无线通信网络条件进行通信场景切换。
9.根据权利要求8所述的天线智能匹配方法，其特征在于，在搜网过程中系统可分多次打开至少一个天线进行搜网，一次次循环遍历全部无线功能模块的网络信息；其中，一个时间间隙接收至少一个功能模块的状态信息，直到所有无线功能模块的状态信息都接收完，在当前通信场景下每满足一个通信场景切换时间间隔，系统软件会访问实时的无线功能模块网络状态表，以判断在当前的网络状态下应该采用何种切换策略；每个用于搜网的时间间隙小于1mS,如果由于信号原因，无法在一个时间间隙中准确完成一个无线功能模块的网络状态信息收集，则在下一个通信空闲时间间隙中继续。
10.根据权利要求8所述的天线智能匹配方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如果WIFI、BT、GPS三个通信模块都有同步的通信需求，则根据各个通信模块的频段，为他们分别分配一根独立天线进行通信，以确保各功能模块有最好的通信性能，天线环境的选择顺序是：GPS>wifi>BT，把通信质量最好的天线分配给GPS，然后是WiFi和BT，如果三个模块没有同时使用，则根据实际情况只分配其中2根或者1根进行通信。
11.根据权利要求8所述的天线智能匹配方法，其特征在于，所述步骤S6还包括在当前的通信场景中，如果5G和GPS同时有通信需求，天线环境的选择顺序是：5G发送>GPS>5G接收，分配天线时把通信质量最好的天线分配给5G发送，然后是GPS天线，最后才是5G接收天线。
12.根据权利要求8所述的天线智能匹配方法，其特征在于，GPS通信是间歇和短暂的，只在5G通信的空闲时间间隙中插入GPS的定位信号接收。
13.根据权利要求8所述的天线智能匹配方法，其特征在于，所述步骤S9还包括在当前的通信场景中，如果4G和GPS同时有通信需求，天线环境的选择顺序是：GPS>4G发送>4G接收，分配天线时把最好通信质量的天线分配给GPS接收，然后是4G发送天线，最后才是4G接收天线。
14.一种5G执法仪，包括权利要求1-7中任一项所述的5G执法仪天线系统，其特征在于,所述5G执法仪内部4个面分别有一根天线，相邻天线在空间分布上相互垂直。
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