CN210327552U - 一种双模无线通信装置及其组成的铁路车载设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双模无线通信装置及其组成的铁路车载设备。该双模无线通信装置包括GSM‑R芯片组、LTE‑R芯片组、线性功率放大器、低噪声放大器、双工器和第一外置天线。该双模无线通信装置通过双工器实现GSM‑R和LTE‑R双模合路，使得其在不改变既有设备外观尺寸和性能的情况下同时支持GSM‑R和LTE‑R通信系统，保留了GSM‑R硬件通信接口和软件协议，保持了铁路车载设备的GSM‑R信号的大功率输出。另一方面，该双模无线通信装置可以在不增加既有设备的天线个数的情况下，使LTE‑R芯片组实现单发单收。

Description

一种双模无线通信装置及其组成的铁路车载设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于铁路车载设备的双模无线通信装置，同时还涉及由该双模无线通信装置组成的铁路车载设备，属于铁路专用通信技术领域。

背景技术

目前我国铁路移动通信主要采用GSM-R通信系统(专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统)。该GSM-R通信系统属于窄带通信系统，频谱利用率较低，难以满足铁路未来宽带数据业务发展需要；另一方面，随着公众移动通信网从2G、3G向4G方向发展，GSM市场正在逐步萎缩，GSM-R通信系统将失去设备产业链的支撑。随着铁路业务的不断增加，以及数字铁路发展需要，GSM-R系统向铁路下一代移动通信系统(宽带、高效、可靠的无线通信系统)演进已成大势所趋。

LTE-R通信系统作为铁路下一代移动通信系统，具备高安全可靠、高速率传输、多业务融合等特点，满足铁路集群多媒体调度指挥、应急通信、防灾预警、视频监控、铁路物联网等多种业务应用。

当前铁路系统的车载设备只支持GSM-R网络，不支持LTE-R网络；已有的过渡方案是在铁路车载设备上直接增加LTE-R单模模块，但是需要增加天线数量；由于现有的大部分铁路车载设备空间有限，在实际中无法支持在既有设备的基础上直接增加LTE-R单模模块。

发明内容

本实用新型所要解决的首要技术问题在于提供一种双模无线通信装置。

本实用新型所要解决的另一技术问题在于提供一种由上述的双模无线通信装置组成的铁路车载设备。

为了实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

根据本实用新型实施例的第一方面，提供一种双模无线通信装置，包括GSM-R芯片组、LTE-R芯片组、线性功率放大器、低噪声放大器、双工器和第一外置天线；所述低噪声放大器对应连接所述GSM-R芯片组和所述双工器的接收端，所述线性功率放大器对应连接所述GSM-R芯片组和所述双工器的发射端，所述双工器连接所述第一外置天线；所述双工器的发射/接收端连接所述LTE-R芯片组的发射/接收端。

其中较优地，所述双模无线通信装置还包括第二外置天线，所述第二外置天线连接所述LTE-R芯片组。

其中较优地，所述低噪声放大器设置在紧邻所述双工器的位置。

其中较优地，为了保证所述GSM-R芯片组发射的GSM-R上行发射信号经过所述线性功率放大器放大后的发射功率至少为8W，所述双模无线通信装置需满足：所述线性功率放大器的增益-所述双工器的插入损耗≥6dBm。

其中较优地，为了保证通过所述双模无线通信装置传输的GSM-R上下行信号的放大倍数的一致性，确保所述GSM-R芯片组计算出的路损与所述基站计算出的路损保持一致，对用于所述GSM-R上下行信号的放大器的放大关系有如下要求：所述线性功率放大器的增益＝所述低噪声放大器的放大增益。

其中较优地，所述双模无线通信装置对所述GSM-R芯片组的收发隔离度有如下要求：

33+G+R≤-174+10log(200kHz)+N

其中，33表示所述GSM-R芯片组的最大发射功率；G表示所述线性功率放大器的增益；R表示所述GSM-R芯片组的收发隔离度；-174表示高斯白噪声功率谱密度，单位dBm/Hz；N表示所述线性功率放大器的噪声系数；200kHz表示所述GSM-R芯片组的信道带宽。

其中较优地，所述双工器，集成在微带基片上，所述微带基片上设置有多个端口，所述微带基片上还设置有微带交叉结、多根微带线及多个带通滤波器；其中，第一端口一方面连接所述第一外置天线，另一方面通过所述微带线连接微带交叉结的第一端口；所述微带交叉结的第二端口通过微带线连接第一带通滤波器，所述第一带通滤波器通过所述微带线连接第二端口；所述微带交叉结的第三端口通过所述微带线连接第二带通滤波器，所述第二带通滤波器通过所述微带线连接第三端口；所述微带交叉结的第四端口通过所述微带线连接第三带通滤波器，所述第三带通滤波器通过所述微带线连接第四端口。

根据本实用新型实施例的第二方面，提供一种铁路车载设备，所述铁路车载设备上安装有上述的双模无线通信装置。

本实用新型所提供的双模无线通信装置通过双工器实现GSM-R和LTE-R双模合路，使得本双模无线通信装置在不改变既有设备外观尺寸和性能的情况下同时支持GSM-R和LTE-R通信系统，保留了GSM-R硬件通信接口和软件协议，保持了铁路车载设备的GSM-R信号的大功率输出。另一方面，本双模无线通信装置可以在不增加既有设备的天线个数的情况下，使LTE-R芯片组实现单发单收。

附图说明

图1为本实用新型所提供的双模无线通信装置的结构框图；

图2为本实用新型所提供的双模无线通信装置中，经放大的GSM-R下行接收信号的传输走向示意图；

图3为本实用新型所提供的双模无线通信装置中，经放大的GSM-R上行发射信号的传输走向示意图；

图4为本实用新型所提供的双模无线通信装置中，LTE-R单发单收模式下上下行信号的传输走向示意图1；

图5为本实用新型所提供的双模无线通信装置中，LTE-R单发双收模式下上下行信号的传输走向示意图2；

图6为本实用新型所提供的双模无线通信装置中，双工器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容做进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型所提供的双模无线通信装置，包括GSM-R芯片组1、LTE-R芯片组2、线性功率放大器3、低噪声放大器4、双工器5和第一外置天线6；其中，低噪声放大器4对应连接GSM-R芯片组1和双工器5的接收端RX，线性功率放大器3对应连接GSM-R芯片组1和双工器5的发射端TX，双工器5连接第一外置天线6；双工器5的发射/接收端TX/RX1连接LTE-R芯片组2的发射/接收端TX/RX1。

通过双工器5分别接收第一外置天线6从基站获取的GSM-R下行接收信号和LTE-R下行接收信号；其中，如图2和图3所示，双工器5接收的GSM-R下行接收信号经过低噪声放大器4放大后传输给GSM-R芯片组1进行解调，使得GSM-R芯片组1能够根据解调的GSM-R下行接收信号对应的信息，向基站发射GSM-R上行发射信号，从而实现基于GSM-R网络下的GSM-R芯片组1与基站之间的通信。具体的说，GSM-R芯片组发射的GSM-R上行发射信号经过线性功率放大器3放大后传输给双工器5，通过双工器5将经放大后的GSM-R上行发射信号传输给第一外置天线6，从而实现通过第一外置天线6将GSM-R芯片组发射的GSM-R上行发射信号传输给基站。

由于第一外置天线6从基站获取的GSM-R下行接收信号一般都非常微弱，为了减小GSM-R下行接收信号通过传输线的损耗，可以将低噪声放大器4设置在紧邻双工器5的位置。

由于GSM-R芯片组1的最大发射功率为33dBm，为了保证GSM-R芯片组1发射的GSM-R上行发射信号经过线性功率放大器3放大后的发射功率至少为8W(39dBm)，所以本双模无线通信装置需满足：线性功率放大器3的增益G-双工器5的插入损耗L1≥6dBm。

为了保证通过本双模无线通信装置传输的GSM-R上下行信号(GSM-R上行发射信号和GSM-R下行接收信号)的放大倍数的一致性，确保GSM-R芯片组计算出的路损与基站计算出的路损保持一致，对用于放大GSM-R上下行信号的放大器的放大关系有如下要求：线性功率放大器3的增益G＝低噪声放大器4的放大增益G1。

作为铁路专用网络,GSM-R和LTE-R通信系统需要良好的信号接收，由于LTE-R通信系统的频段与GSM-R通信系统的频段相隔较大，因此LTE-R芯片组2的LTE-R上下行信号和GSM-R芯片组1的GSM-R上下行信号相互影响不大，可以忽略。但是，GSM-R芯片组1的GSM-R上行发射信号的频段与接收的GSM-R下行接收信号的频段仅相差45MHz，并且经放大后的GSM-R上行发射信号的发射功率最大可达39dBm,而GSM-R下行接收信号的功率的动态范围在-102dBm～-15dBm之间，因此，本双模无线通信装置对GSM-R芯片组1的收发隔离度有如下要求：

33+G+R≤-174+10log(200kHz)+N (1)

其中，33表示GSM-R芯片组的最大发射功率；G表示线性功率放大器的增益；R表示GSM-R芯片组的收发隔离度；-174表示高斯白噪声功率谱密度，单位dBm/Hz；N表示线性功率放大器的噪声系数；200kHz表示GSM-R芯片组的信道带宽。

经整理得到：

G+R-N≤-154 (2)

例如，假设线性功率放大器的增益为6，线性功率放大器的噪声系数为3时，GSM-R芯片组1的GSM-R上行发射信号和GSM-R下行接收信号之间互不影响，那么，由上述公式(2)可以计算出GSM-R芯片组需要满足其收发隔离度R≤-157dBm。

如图4和图5所示，双工器5接收的来自第一外置天线6获取的LTE-R下行接收信号传输给LTE-R芯片组2进行解调，使得LTE-R芯片组2能够根据解调的LTE-R下行接收信号对应的信息，通过双工器5将LTE-R上行发射信号传输给第一外置天线6，以使得第一外置天线6将该LTE-R上行发射信号发射给基站，从而实现基于LTE-R网络下的LTE-R芯片组2与基站之间的通信。

在本实用新型的一个实施例中，如图5所示，本双模无线通信装置还可以采用额外设置第二外置天线7，用于实现分集接收或者空分复用增益，该第二外置天线7从基站获取到的LTE-R下行接收信号传输给LTE-R芯片组2，LTE-R芯片组2将该LTE-R下行接收信号与第一外置天线6获取到的LTE-R下行接收信号一起进行解调；LTE-R芯片组2根据解调的LTE-R下行接收信号对应的信息，通过双工器5将LTE-R上行发射信号传输给第一外置天线6，以使得第一外置天线6将该LTE-R上行发射信号发射给基站，从而实现基于LTE-R网络下的LTE-R芯片组2与基站之间的通信。

在本双模无线通信装置中，双工器5用于完成GSM-R上行发射信号和GSM-R下行接收信号的隔离，保证GSM-R芯片组1接收和发射都能同时正常工作；同时，双工器5也用于完成GSM-R上下行信号和LTE-R上下行信号的合路。如图6所示，双工器5，集成在微带基片MSBU上，在微带基片MSBU上设置有多个端口PORT(如图6示出的端口PORT1～4)，第一端口PORT1用于连接第一外置天线6；第二端口PORT2作为双工器5的LTE-R发射/接收端TX/RX1，用于连接LTE-R芯片组2；第三端口PORT3作为双工器5的GSM-R发射端TX，用于连接线性功率放大器3；第四端口PORT4作为双工器5的GSM-R接收端RX，用于连接低噪声放大器4；在微带基片MSBU上还设置有微带交叉结MCROSS、多根微带线MLIN及多个带通滤波器；其中，第一端口PORT1一方面连接第一外置天线6，另一方面通过微带线MLIN连接微带交叉结MCROSS的第一端口(如图6示出的微带交叉结MCROSS的端口1)；微带交叉结MCROSS的第二端口(如图6示出的微带交叉结MCROSS的端口2)通过微带线MLIN连接第一带通滤波器BPFE1，第一带通滤波器BPFE1通过微带线MLIN连接第二端口PORT2；微带交叉结MCROSS的第三端口(如图6示出的微带交叉结MCROSS的端口3)通过微带线MLIN连接第二带通滤波器BPFE2，第二带通滤波器BPFE2通过微带线MLIN连接第三端口PORT3；微带交叉结MCROSS的第四端口(如图6示出的微带交叉结MCROSS的端口4)通过微带线MLIN连接第三带通滤波器BPFE3，第三带通滤波器BPFE3通过微带线MLIN连接第四端口PORT4。其中，微带线MLIN，为由布在微带基片MSBU上的单一导体带构成的微波传输线。

双工器5的工作原理为：GSM-R上行发射信号从第三端口PORT3进入，经过微带线MLIN、第二带通滤波器BPFE2后，进入微带交叉结MCROSS的第三端口；LTE-R上行发射信号从第二端口PORT2进入，经过微带线MLIN、第一带通滤波器BPFE1后，进入微带交叉结MCROSS的第二端口；微带交叉结MCROSS将GSM-R上行发射信号和LTE-R上行发射信号合路后从微带交叉结MCROSS的第一端口输出，然后经过微带线MLIN后，从第一端口PORT1传输给第一外置天线，通过第一外置天线发射到基站进行解调。

GSM-R和LTE-R下行接收信号从第一端口PORT1进入，经过微带线MLIN后，进入微带交叉结MCROSS的第一端口后，GSM-R下行接收信号从微带交叉结MCROSS的第四端口输出，经过微带线、第三带通滤波器BPFE3、微带线后从第四端口PORT4输出至低噪声放大器4进行放大后，传输给GSM-R芯片组进行解调。LTE-R下行接收信号从微带交叉结MCROSS的第二端口输出，经过微带线、第一带通滤波器BPFE1、微带线后从第二端口PORT2输出到LTE-R芯片组进行解调。

上面详细说明了本实用新型所提供的双模无线通信装置的结构及原理。本实用新型还提供了一种铁路车载设备；该铁路车载设备上安装有上述的双模无线通信装置，使得铁路车载设备同时支持GSM-R网络和LTE-R网络，从而可以有效解决铁路通信从GSM-R网络到LTE-R网络的平稳过渡。其中，铁路车载设备主要指的是列控车载设备，包括ATP(列车自动防护)设备，ATO(列车自动运行)设备，机车同步操控车载设备等。

本实用新型所提供的双模无线通信装置通过双工器实现GSM-R和LTE-R双模合路，使得本双模无线通信装置在不改变既有设备外观尺寸和性能的情况下同时支持GSM-R和LTE-R通信系统，保留了GSM-R硬件通信接口和软件协议，保持了铁路车载设备的GSM-R信号的大功率输出。另一方面，本双模无线通信装置可以在不增加既有设备的天线个数的情况下，使LTE-R芯片组实现单发单收。

以上对本实用新型所提供的双模无线通信装置及其组成的铁路车载设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本实用新型专利权的保护范围。

Claims (8)

1.一种双模无线通信装置，其特征在于包括GSM-R芯片组、LTE-R芯片组、线性功率放大器、低噪声放大器、双工器和第一外置天线；所述低噪声放大器对应连接所述GSM-R芯片组和所述双工器的接收端，所述线性功率放大器对应连接所述GSM-R芯片组和所述双工器的发射端，所述双工器连接所述第一外置天线；所述双工器的发射/接收端连接所述LTE-R芯片组的发射/接收端。

2.如权利要求1所述的双模无线通信装置，其特征在于还包括第二外置天线，所述第二外置天线连接所述LTE-R芯片组。

3.如权利要求1或2所述的双模无线通信装置，其特征在于：

所述低噪声放大器设置在紧邻所述双工器的位置。

4.如权利要求1或2所述的双模无线通信装置，其特征在于：

为了保证所述GSM-R芯片组发射的GSM-R上行发射信号经过所述线性功率放大器放大后的发射功率至少为8W，所述双模无线通信装置需满足：所述线性功率放大器的增益-所述双工器的插入损耗≥6dBm。

5.如权利要求1或2所述的双模无线通信装置，其特征在于：

为了保证通过所述双模无线通信装置传输的GSM-R上下行信号的放大倍数的一致性，确保所述GSM-R芯片组计算出的路损与基站计算出的路损保持一致，对用于放大所述GSM-R上下行信号的放大器的放大关系有如下要求：所述线性功率放大器的增益＝所述低噪声放大器的放大增益。

6.如权利要求1或2所述的双模无线通信装置，其特征在于：

所述双模无线通信装置对所述GSM-R芯片组的收发隔离度有如下要求：

33+G+R≤-174+10log(200kHz)+N

其中，33表示所述GSM-R芯片组的最大发射功率；G表示所述线性功率放大器的增益；R表示所述GSM-R芯片组的收发隔离度；-174表示高斯白噪声功率谱密度，单位dBm/Hz；N表示所述线性功率放大器的噪声系数；200kHz表示所述GSM-R芯片组的信道带宽。

7.如权利要求1或2所述的双模无线通信装置，其特征在于：

所述双工器，集成在微带基片上，所述微带基片上设置有多个端口，所述微带基片上还设置有微带交叉结、多根微带线及多个带通滤波器；其中，第一端口一方面连接所述第一外置天线，另一方面通过所述微带线连接微带交叉结的第一端口；所述微带交叉结的第二端口通过微带线连接第一带通滤波器，所述第一带通滤波器通过所述微带线连接第二端口；所述微带交叉结的第三端口通过所述微带线连接第二带通滤波器，所述第二带通滤波器通过所述微带线连接第三端口；所述微带交叉结的第四端口通过所述微带线连接第三带通滤波器，所述第三带通滤波器通过所述微带线连接第四端口。

8.一种铁路车载设备，其特征在于所述铁路车载设备上安装有如权利要求1～7中任意一项所述的双模无线通信装置。

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