分配射频信号的系统和方法 【技术领域】
本发明总的说来涉及通信领域，具体地说，本发明涉及在一个基本封闭的环境里通过电源线分配射频信号的一种系统和一种方法。
【发明背景】
在近些年里，电信产业迅猛发展，为用户提供了各种各样的新业务和改进业务。在无线通信领域里，例如在蜂窝式和移动无线电系统领域里，这些发展特别迅速。无线领域迅速发展的一个目标是要在任何时间找到任何地点的某一个人。可惜，尽管大大小小的公司和各式各样的财团在疯狂地建造庞大的网络，力图在这一新兴市场里占据一席之地，产业上还没能实现这一目标。
尽管他们在努力提供无缝隙地毯似的无线电通信覆盖，有些领域仍然无法进入。一个特殊的困难是在基本封闭的环境里通信，例如大楼或者会影响无线电波传播的其它建筑物。这种建筑物本身就是一种障碍，它会强烈地损耗无线电波，以至于这些系统中所用频率和功率的信号无法传输。
产业界并没有认真地对待可以将覆盖范围扩展到建筑物和其它基本上封闭的环境里去的许多选择。例如，这一问题的一个解决方案是在建筑物内布设天线。一般而言，这些天线通过专用同轴电缆、光纤跟一个射频信号源相连，最近还有人用非屏蔽双绞线跟射频信号源相连。在这种系统里，采用了各种信号调整方法和处理方法，从采用直接地双向不变频放大和带通滤波，以便选择传输服务或服务提供者，到采用变频方法将信号变换到更需要的频段来传输。有些系统还采用无源天线方法和“泄漏”同轴电缆，在需要的区域里辐射信号而不进行任何信号调整。可惜，安装这种系统的成本跟它给建筑物内的覆盖区带来的好处相比实在太高。
由于以上原因，以及本领域的技术人员通过阅读本说明就会立即明白的其它原因，在这一领域里需要一种经济可行的系统和方法，在一个基本封闭的环境里分配射频信号。
发明概述
本发明将讨论上面提到的无线通信系统里的问题和其它问题，通过阅读和研究以下说明应当能够理解这些问题。下文将介绍在基本封闭的环境里分配射频信号的一种系统和方法，它利用封闭环境里的电源线和天线来传送信号。
具体而言，在本发明一个说明性的实施方案里包括一个系统，用来在一个建筑物里通过电源线分配射频信号。该系统有一个前端单元，可以接收第一个频率范围内的射频信号，分配给该建筑物里的用户。前端单元跟该建筑物里的电源线相连。通过电源线传输第二个频率范围的射频信号。前端单元有一个变频器，在第一个频率范围和第二个频率范围之间对射频信号变频。该系统还有许多远端单元。远端单元跟电源线相连，分布在整个建筑物里，用射频信号覆盖整个建筑。远端单元有变频器，在第一个频率范围和第二个频率范围之间变频。此外，每一个远端单元都连接了一付天线，用来将第一个频率范围的信号发射给用户并接收用户的射频信号。
另一个实施方案提供射频分配系统的一种前端单元，用来通过交流电源线传输信号。该前端单元包括一个变频器，用来接收来自射频信号源的第一个频率范围的射频信号。这个变频器在第一个频率范围和第二个频率范围之间对射频信号变频。前端单元还包括一个控制处理器，为射频分配系统中的远端单元产生控制信号。此外，还有一个交流电源线接口跟变频器和控制处理器相连，将第二个频率范围的信号提供给交流电源线并从电源线接收第二个频率范围的信号。
在另一个实施方案里，射频分配系统有一个远端单元，它通过交流电源线传输信号。该远端单元包括一付天线，用来跟使用第一个频率范围的射频信号的无线终端通信。有一个变频器跟天线相连，在第一个频率范围和第二个频率范围之间变换射频信号。控制处理器接收前端单元的控制信号，控制远端单元的工作过程。远端单元还有一个交流电源线接口跟变频器和控制处理器相连，为交流电源线提供第二个频率范围的信号，并从电源线接收第二个频率范围的信号。
在又一个实施方案里，提供了一种方法，用来在一个基本上封闭的环境里发射射频信号。该方法包括在前端单元里用变频器在第一个和第二个频率范围之间变换射频信号。此外，该方法需要在封闭环境里通过前端和远端单元之间的交流电源线发射第二个频率范围的射频信号。该方法还需要远端单元在第一个和第二个频率范围之间对射频信号变频。在这一个实施方案里，第一个频率范围是前端和远端单元在空中发射信号用的频率。
附图简述
图1是本发明中射频分配系统一个实施方案的框图；
图2是本发明中射频分配系统前端单元一个实施方案的框图；
图3是本发明中射频分配系统远端单元一个实施方案的框图；
图4是本发明中用于射频分配系统的交流电源线接口一个实施方案的原理图；
图5是本发明中用于射频分配系统的交流电源线接口另一个实施方案的原理图；和
图6是本发明中用于射频分配系统的交流电源线接口又一个实施方案的原理图。
发明详述
在以下详细介绍里，将参考附图，这些附图构成本发明的一部分，这些附图都是可行的说明性实施方案。下文将详细介绍这些实施方案，以便让本领域里的技术人员实现这一发明，应当明白，可以采用其它的实施方案，还可以进行逻辑、机械和电气修改，而不会偏离本发明的实质和范围。因此下面的详细描述不是限制性的。
在一个实施方案里，本发明提供一个射频(RF)分配系统，用来在一座大楼或者其它基本封闭的环境里，向手持式或台式射频装置，例如蜂窝电话，传输射频信号，并接收这些射频装置的射频信号，而不需要使用专用线或者光纤。在这一说明里，术语“基本封闭的环境”或者“封闭建筑物”指的是一个区域，其中无线通信系统的信号强度衰减到了如此低的电平，使得该无线通信系统的无线终端很难或者根本无法收到。例如，基本封闭的环境有，但不仅仅有，大楼、校园建筑、商场或其它相似类型的建筑物。在这一实施方案里，利用下面将介绍的技术，将射频信号耦合到基本封闭环境里现成的交流电源线上，并从电源线上取出信号。可以用这种技术传输的射频信号包括，但不仅仅包括，蜂窝式、个人通信系统、陆地移动、数据、广播视频、广播音频、寻呼、包括近地轨道卫星的双向和直接广播卫星、无线局域网(LAN)和无线城域网(MAN)装置以及射频遥测。
本发明的实施方案利用一种唯一的方法来分配信号，它不需要任何新的物理线路，也不需要安装射频信号传输专用设备，而是利用现成的交流电源线，作为物理互连媒介。除了前端和远端单元以外，不需要任何基础设施。但是，将电源线用作传输线有许多困难。
在另一个领域里，一些产业已经想出了办法通过电源线传输通信信号。例如，在公用事业设备产业里，许多公用事业采用“载波电流”通信方法在中央单元里读用户处的表。通常，这种通信载波电流方法使用低频(例如低于400kHz)射频信号，信号上调制了电力公司的控制信号和信令信号。在电力公司和用户那里的信令和监测装置之间的电源线上传递调制信号。实践表明这些系统只使用低频信号，因为跟更高频率的信号相比，低频信号可以在电源网上传输得更好。因此，利用电源线传递信令在公用事业设备产业以外只获得了非常有限的应用。一般认为交流电源线本质上不适合于作为400～500kHz以上射频信号的传输媒介。
此外，从500kHz直到大约50MHz都有很强的谱噪声分量，使得这一部分频谱无法用来通过电源线传输射频信号。另外，这一部分频谱内的外界噪声如短波广播使得这一部分频谱实际上无法用于通过电源线传输信号。但有人发现，大约100MHz到500MHz的频率范围的射频信号在交流电源线上传输时，可以在噪声和衰减特性这两个方面得到很好的折衷。高于500MHz的射频信号在电源线上传输时衰减太快。再进一步，对于低于50MHz的信号，电源线上噪声太多令人难以接受。但在100～500MHz的频率上，射频信号可以在电源线上传输足够远的距离，而同时噪声也足够低，这使得电源线可以用来传输这一频率范围的信号。
图1是本发明中射频分配系统一个实施方案的框图，用100表示。系统100包括前端单元102，在一个封闭建筑物例如一座大楼、建筑群或者其它基本封闭的环境里，它利用电源线106跟许多远端单元104-1～104-N和105-1～105-M相连。
前端单元102跟射频信号源108相连。射频信号源108可以包括，例如，一付普通的天线、使用光纤或者铜电缆同基站交换信号的一个射频传输单元或者同一地点的一个无线通信系统基站。射频信号源108通过有线或无线通信路径跟无线和交换网107相连。前端单元还跟包括零线110和火线112的电源线106相连。在一个实施方案里，前端单元102有一个电路，它能将电源线106的交流电转换成直流电提供给前端单元102。前端单元102还有一个交流电源线接口电路，它跟电源线106之一相连，使得射频信号可以在电源线之一和前端单元102之间传输。例如，交流电源线接口可以接到零线110上。
交流电源线106跟交流配电盘116-1相连，从变压器115-1获得电能，对于封闭建筑物里的有线系统来说通常是这样。电源线106最好还有例如一个专用或封闭式有线系统。这种封闭式有线系统包括但不只包括，紧急照明系统、出口指示系统或者其它电路这种为有限个装置提供电源的专用系统。这些封闭式有线系统的好处是不会因为将新装置插入这一有线系统而出现射频短路。另外，楼内的照明电路是一个相对稳定的传输系统，适合于在前端单元102和远端单元104-1～104-N、105-1和105-M之间传输信号。
在一个实施方案里，可以将系统100安装在有电源线106的一个封闭建筑物里，其中的电源线106被分配成相互隔离的许多交流电源线，见图1。系统100利用跟交流配电盘116-1和另一个交流配电盘116-2相连的电源线在这一封闭建筑物里分配信号。当系统100使用多根交流电源线时，可以使用象交流开路/射频短路电路117这样的射频“跨接线”，将射频信号从一条电源线传输到另一条电源线上。交流开路/射频短路电路117调谐在第二个频率上，允许在相互隔离的交流电源线之间传输射频信号。
远端单元104-1跟电源线106相连。也就是说，远端单元104-1包括跟火线112相连的第一个接线端和跟地线110相连的第二个接线端。远端单元104-1还跟天线118相连，用来将射频信号分配给封闭建筑物中的无线终端112并从无线终端接收射频信号。电容器120还将远端单元104-1跟地线110相连。其余的远端单元都用相似的方法跟电源线106相连。
工作的时候，系统100利用电源线106和无线终端122周围的天线将射频信号分配给该无线终端122。在正向链路(到无线终端122)上，射频信号源108从无线和交换网107上接收给例如无线终端122的发射频率信号。前端单元102将来自射频信号源108的这一发射频率变换成适当的中间传输频率，在电源线106上传输。例如，已经知道大约100MHz～500MHz频率范围的信号在电源线106上传输时传输距离和噪声电平都可以接受。远端单元104-1～104-N和105-1-105-M将电源线106上这一频率范围的信号变换成从射频信号源108收到的发射频率信号。在这一实例中，天线118将信号发送到这一封闭建筑物内，让无线终端122接收。
在反向链路(从无线终端122)上，无线终端122发射信号给例如远端单元104-1。远端单元104-1将这些信号的发射频率变换成电源线106上传输的中间频率。前端单元102从远端单元104-1～104-N和105-1～105-M接收信号并将电源线106上的信号变频到发射频率范围。射频信号源108将这些信号发射给无线和交换网107。注意，交流开路/射频短路电路117在两条交流电源线之间传递射频信号，从而在前端102和远端单元105-1～105-M之间进行通信。
图2是本发明中用于射频分配系统的前端单元一个实施方案的框图，用200表示。前端单元200安装在基本封闭环境里的一个方便位置，它可以跟射频信号源204和大楼内的交流电源系统相连。前端单元200有一个变频器201，在第一个和第二个频率范围之间变换射频信号。变频器201有一个双工器/滤波器202，跟射频信号源204相连。同样，如图1所示，射频信号源204可以包括，例如一付普通的天线、使用光纤或者铜线跟基站相连的一个射频传输单元或者一个同一地点的基站单元。双工器/滤波器202跟正向和反相路径相连。在正向路径上，变频器201包括串联在一起的放大器206、混频器208、放大器210、带通滤波器212、放大器214和衰减器216。正向路径上的衰减器216跟三工器/滤波器218相连。在反向路径上，三工器/滤波器218和双工器/滤波器202之间包括串联在一起的衰减器220、放大器222、滤波器224、放大器226、混频器228和放大器230。
变频器201有一个本地振荡器232。本地振荡器232跟混频器208和228相连。另外，本地振荡器232还从基准晶体234接收基准信号。
前端单元200还包括控制处理器/调制解调器236。控制处理器/调制解调器236接收基准振荡器234的基准信号。控制处理器/调制解调器236还用来控制衰减器216和220，从而为正向和反向路径维持合适的增益。一般而言，这一增益应当在20～40dB的量级。如果系统里安装了前端单元200，就将衰减器216和220的衰减量储存在控制处理器/调制解调器236里。控制处理器/调制解调器236还跟三工器/滤波器218相连，以便提供一个单独的控制信号，给系统里的远端单元，对它进行控制。控制信号由前端单元200产生，并用跟射频信号源204的信号频率不同的频率输出。这一控制信号包括建立和告警信息给远端单元使用，还包括最初的和连续定标以及事件报告给远端单元使用。控制处理器/调制解调器236将需要的信号调制到控制载波上，并提取远端单元的响应。图3所示的那种远端单元还包括一个微处理器和调制解调器，通过控制信号跟前端单元通信，根据这些信息动作，并将异常事件报告给前端单元(告警)。前端单元200可以获得告警信息和控制信息，并通过无线调制解调器或者利用有线电话系统的调制解调器中继给无线系统网络操作中心。
前端单元200还包括交流电源线接口238，它跟三工器/滤波器218相连。交流电源线接口238为前端单元200提供匹配/隔离，将射频能量耦合到交流电源系统上，并将交流电源系统上的射频能量耦合回来。前端单元200还包括交流到直流的转换器238，利用交流电线上的电能产生直流信号给前端单元200供电。还可以采用其它合适的电源取代这一交流到直流的转换器。
工作的时候，前端单元200将发射频率范围的射频信号变换到适合于在配电系统的交流电源线上分配的频率范围。射频信号通过双工器/滤波器202从射频信号源204进入前端单元200。双工器/滤波器202滤除前端单元200要处理的射频信号的频率范围以外的信号。放大器206是一个低噪声放大器，它放大需要的信号，并传递给混频器208。在混频器208里，用外差方式将信号跟本地振荡器232的信号混合，例如对于个人通信系统本地振荡频率大约为1500MHz，蜂窝系统为1200MHz，或者是跟和频带内第一个频率相差400MHz，在频率和相位上锁定到基准振荡器234上的信号混合，以提供端到端稳定性。经过混频器208后得到的信号是100～500MHz的中频信号。将这些信号用放大器210和滤波器212分别放大和滤波。放大器214和衰减器216进一步调整信号的放大倍数，并将信号提供给三工器/滤波器218。交流电源线接口238利用例如一个电感/电容网络，在各种负载条件下，提供合适的隔离度和最大的信号耦合度，将信号传递给交流电源系统。
控制信息是由控制处理器/调制解调器236从前端单元200传递给远端单元的。控制处理器/调制解调器236用低速，9600，频移键控(FSK)信号传递控制处理器/调制解调器236产生的信号。这一控制信息包括给远端单元本地振荡器的频率稳定性信息、用于开关幅度的控制信息、远端单元需要的自校准信息和出错报告告警信息。
在反向路径上，交流电源线接口238通过交流电源线从远端单元接收信号。三工器/滤波器218将信号通过衰减器220、放大器222、滤波器224、放大器226传递给混频器228。在混频器228里，本地振荡器232的信号将信号变频到发射频率范围。放大器230将信号放大，并传递给双工器/滤波器202。双工器/滤波器202将信号从放大器230传递给射频信号源204，发射给外部无线或无线和交换网。
图3是本发明中远端单元一个实施方案的框图，用300表示。远端单元300通过交流电源线跟前端单元，如图2的前端单元200，交换信息，从而跟无线终端通信。远端单元300包括天线302，用于将信号发送给无线终端并接收无线终端发出的信号。天线302跟变频器301相连。变频器301包括双工器/滤波器304。双工器/滤波器304将远端单元300的信号分成正向和反向路径信号。在反向路径里，变频器301包括放大器306、混频器308、放大器310、滤波器312、放大器314和衰减器316，它们串联在双工器/滤波器304和三工器/滤波器318之间。同样，在正向路径上，变频器301包括衰减器320、放大器322、滤波器324、放大器326、混频器328和放大器330，串联在双工器/滤波器304和三工器/滤波器318之间。远端单元300还包括控制处理器/调制解调器332，用来控制衰减器316和320，从而调整远端单元300正向和反向路径的增益。另外，控制处理器/调制解调器332还给三工器/滤波器318提供跟图2中参考前端单元200介绍的那种信号相似的控制信号，并从318接收控制信号。变频器301还包括本地振荡器334，跟混频器308和328相连，提供一个频率基准跟正向和反向路径的信号混频。远端单元300还包括交流电源线接口336，在三工器/滤波器318和交流电源系统之间交换信号。远端单元还包括一个交流到直流的转换器337，用来产生直流电给远端单元300供电。再者，还可以采用其它的电路取代交流到直流的转换器337，为远端单元300供电。
在工作过程中，远端单元300在发射频率和交流电源线上传输的中频之间变频。在反向路径上，天线302从无线终端接收发射频率范围的信号。双工器/滤波器304将这一信号传递给放大器306。混频器308利用本地振荡器334频率通过外差式变换将放大器306输出的信号下变频到中频，通过交流电源线传输。放大器310放大变频后的信号，再用带通滤波器312滤波。放大器314和衰减器316被设置成为反向路径提供合适的总增益。三工器/滤波器318通过反向路径将放大过并经过了滤波的信号传递给交流电源线接口336。交流电源线接口336将该信号传递给交流电源线，传输给前端单元。
在正向路径上，交流电源线接口336从交流电源线接收信号，并把这些信号发送给三工器/滤波器318。衰减器320和放大器322被设置成为正向路径提供例如40dB的合适的增益。带通滤波器324将放大器322的输出滤波，然后再用放大器326放大。用本地振荡器334的频率跟正向信号混频，从而将正向信号的频率变换到发射频率。在放大器330里放大混频器328的信号，再通过双工器/滤波器304提供给天线302。
可以让天线302跟远端单元300的机壳结合起来。天线302也可以是跟远端单元300分离的一个单元，以方便天线的安装302。在一个实施方案里，远端单元300的天线302安装在建筑物出口标志上或标志里头。商业建筑里必须有这样的出口标志，建筑物里的人都能看见它们，因此它们是很好的天线安放位置。
在另一个实施方案里，图1中的前端102不对从天线108收到的射频信号变频。相反，前端单元102让射频信号继续保持发射频率。通过这种方式，建筑物内的电源线106本身就是辐射射频信号的天线。在某些情况下，例如在电线不是装在金属套管内的木质私人住宅里，这样做就不需要远端单元104。实施这一方案将得到一个性价比极高的住宅用单元，很容易将这样的单元用作室内增强器，作为单向放大器，或者双向放大器。另外，可以给返回路径放大器安装一个载波感应开关电路，使得该放大器只有当用户单元发射信号时才打开。这将防止返回路径放大器不断地发出低电平噪声，占用信道，并导致这一频段上低电平所需信号的载噪比降低。
在另一个实施方案里，图1所示的系统直接由基站提供输入信号。在这一实施方案里，用另一组反向路径信号模拟分集接收路径。这另一组反向路径信号通过外差式混频变换到另一个频率上，以便将分集接收路径信号往回传送给前端，并将该信号组的相位和幅度分量提供给基站，作为分集接收路径。
图4、5和6说明的是可以用于例如图2所示的前端单元200或图3所示远端单元300的交流电源线接口电路的各种实施方案。这各种交流电源线接口电路是用来匹配前端单元200或远端单元300和交流电源系统的负荷的。此外，交流电源线接口电路还能为前端单元200或远端单元300隔离交流电源线上的尖峰干扰。
在图4所示的实施方案里，交流电源线接口400有一个一比一变压器402。变压器402的第一个输入跟交流电源线相连。另外，变压器402的第二个输入通过耦合电容器404耦合到交流电源线上。这一实施方案里的电阻406和408主要是用来对前端单元200或者远端单元300进行尖峰保护的。在交流电源线接口400里还有耦合电容器410和412。
在图5所示的另一个实施方案里，交流电源线接口500有许多可变电容器。可变电容器502、504、506和508包括，例如用旋钮开关接通和断开的分离电容器。交流电源线接口500还有一个可以连续调整的微调电容器510。最后，交流电源线接口500还包括并联电感器512，用开关514将它接入交流电源线接口500或与之断开。并联电感器512、可变电容器502、504、506和508以及微调电容器510都是用来调整交流电源线接口500使它跟射频电源线匹配的。可变电容器和并联电感器是用来根据具体情况调整交流电源线接口500以改善电源线和前端或远端单元之间的信号传输的。
在另一个实施方案里，交流电源线接口600有一个4比1变压器602，它跟交流电源线和前端单元200或者远端单元300相连。交流电源线接口电路600还跟耦合电容器604和保护二极管606、608相连。结束语
尽管这里说明的是具体的实施方案，本领域的普通技术人员应当明白，可以用各种改变替换这些具体实施方案而达到相同的目的。这一应用涵盖了本发明的各种修改和变化。例如，可以用其它的匹配/接口网络取代图4～6所示的实施方案。此外，还可以改变前端单元和远端单元的正向和反向路径上放大器的位置和数量，而不会偏离本发明的本质和范围。再者，图1的系统100可以用于封闭建筑物里由单个交流配电盘的交流配电系统，而不需要耦合电路117。系统100还可以利用附加的耦合电路117在不同的电路之间耦合信号，用于有两个以上的交流配电盘的封闭建筑物里。所以，图1里画出有两个交流配电盘的系统只是为了举例说明，而不是为了进行限制。