通讯信号双向放大装置 【技术领域】
本发明涉及通信领域，特别是有关于一种通讯信号双向放大装置。
背景技术
PHS(Personal Access Phone System，个人无线电话系统)网络作为固定电话的延伸和补充，充分利用电信等运营商空闲的交换机和传输设备等资源，覆盖范围一般在一个本地网的一定区域内。其语音质量可与有线电话相媲美，由于语音质量高，通话费与固定电话网相同，PHS得到了中低收入用户群的支持。
由于PHS系统采用微蜂窝技术，基站输出功率通常较小(最大500毫瓦)，同时PHS工作于1900兆赫兹频段，信号穿透力较差，使许多室内区域无法收到信号，出现了一些急待解决的问题。如：在大型建筑物的底层、地下商场、地下停车场等环境下信号弱，小灵通手机无法正常使用，形成通信的盲区；在中间楼层，由于来自不同基站信号的重叠，产生“乒乓切换”效应，手机频繁切换，甚至掉话，严重影响手机的正常使用；在建筑高层，由于受基站天线高度的限制，无法正常覆盖，也是小灵通的盲区。另外，在有些建筑物内，虽然手机能正常通话，但是由于用户密度大，基站信道拥挤，手机上线困难。
如何更好地解决PHS网络信号盲区的问题，是运营商当前面临的主要问题。目前的解决方案有：
1、单独直放站：提供多信道直放站，频率和时序完全和基站同步，进行全频段多信道放大。相比有线方式，直放站减少了很多布线带来的工程问题，节省了工程成本，同时还可以在基站信道充裕的地方，充当基站的作用，减少基站的数量，节省投资成本。
2、双向放大器：双向放大器无线收发基站的信号并双向放大，再由双向放大器来实现室内覆盖。这种方案成本低，并且可以覆盖较大面积。
上述方案能否实现，关键在于双向放大器能否实现所需求的功能，特别是双向分时双工方式时的同步问题。中国PHS的工作频段为1890～1920兆赫兹，工作方式为双向分时双工，也就是说收信和发信是同频的，采用时分地方式实现双工通信，这完全不同于GSM(Global System For Mobile Communications，全球移动通信系统)和CDMA(Code Division Multiple Access，码多分址)的频分双工，所以要实现对PHS信号的直放，必须要取得基站收发转换的同步信号，这个同步信号要求非常精确，达到微秒级的精度，上行放大和下行放大在同步信号的控制下进行切换。
但是对于大多数基站已经架设好的情形，用单独直放站取代基站的代价要比双向放大器无线收发基站的信号并双向放大的代价大得多，因此一种能够满足PHS信号的直放的双向分时双工放大器是解决问题的最佳方案。
现有的双向分时双工放大器不仅对信号的同步不够精确，还存在着上下行通道之间互相干扰以及除噪能力不良等问题。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种通讯信号双向放大装置，以克服上述现有技术的不足，能够对信号进行精确同步，满足了采用时分的方式实现双工通信的需要。
为实现上述目的，本发明提供一种通讯信号双向放大装置，包括上行接收支路、下行发射支路以及连接上下行支路的两个环形器，上行接收支路由两个环形器之间的放大电路和收发开关连接而成；下行发射支路由两个环形器之间的话音时隙检测及控制电路、放大电路和收发开关连接而成；其中上、下行放大电路分别与其电源管理器相连；话音时隙检测及控制电路检测发射时隙和接收时隙并控制电源管理器和收发开关，在发射时隙关闭上行接收支路的电源和收发开关；在接收时隙关闭下行发射支路的电源和收发开关。
其中，所述的上行放大电路由第一级低噪声放大器、带通滤波器、第二级低噪声放大器依次连接而成，与上行电源管理器连接的是第一级低噪声放大器和第二级低噪声放大器，带通滤波器选通的频率是1890～1920兆赫兹。所述的上行放大电路中还设有一个通过手动控制接收链路增益的增益调整级。
所述的下行放大电路由驱动功率放大器、带通滤波器和主功率放大器依次连接而成，与下行电源管理器连接的是驱动功率放大器，带通滤波器选通的频率是1890～1920兆赫兹。下行放大电路的输入端还设有一个压控衰减器，目的是为了达到功率输出自动调整，下行放大电路的输出端和压控衰减器之间设有一个反馈电路，反馈电路使下行放大电路输出的大小与压控衰减器衰减幅度的大小成正比。所述的反馈电路由定向耦合器、功率检测器和运算放大器依次连接而成，该定向耦合器是一个30分贝定向耦合器。所述的话音时隙检测及控制电路由定向耦合器、射频检测器和与非门依次连接而成，其定向耦合器是一个20分贝定向耦合器。下行放大电路中还设有一个通过手动控制接收链路增益的增益调整级。
本发明是一种实现1890～1920兆赫兹的宽带PHS双向放大功能的装置，它能够在上行时隙对PHS上行接收信号进行低噪声放大；能够在下行时隙对PHS下行信号进行功率放大输出1瓦的射频信号；能够对来自PHS基站的信号进行自动检波获取话音时隙信号，通过话音时隙信号控制双向分时双工方式的发射与接收的切换。该装置同样也可以应用于双向分时双工方式的其他系统的双向放大。
由于双向放大器在信号传输上是透明的传输，不占用控制信道，在覆盖区内对用户量没有影响。双向放大器采用了相干检测及差分控制技术，使同步误差小于0.5μs，保证了收发的可靠同步同时减少了下行功率放大对上行低噪声接收的影响。
双向分时双工同步解决方式是双向放大器能否实现较好的上下行放大功能的关键因素，本发明采用快速的射频检测器，能够在40分贝的输入动态信号下，保证上升下降时间小于0.5μs，完全优于其他的检波方式，减小了同步误差，提高了同步的可靠性。
本发明的接收发射支路采用了电源管理的方式，有效地减小了发射对接收的噪声影响，电源管理与双向分时双工的同步切换同时进行，保证了良好的同步性能。
本发明的上行接收支路采用了超低噪声的场效应管进行第一级低噪声放大，能够在应用频段内的噪声系数小于1.2分贝，同时在射频信号输入端配置有环形器增加收发支路的隔离，同时保证了非常好的输入驻波特性，电压驻波比小于1.2。
本发明的下行发射支路采用自动电平控制的控制技术，能够将输出电平稳定的控制在1瓦的输出功率上，同时保证良好的邻信道功率比的性能要求。
本发明配备有手动电平控制功能，PHS输入的信号在大范围变动时，也可以采用手动的方式将电平控制在一定的输入范围内，利于双向放大器与各种功率性型号的PHS基站进行连接。
本发明的组件模块是一个独立的单元模块，在PHS无线系统使用时，直接应用即可达到双向放大的功能要求。本发明具有较好的电路性能，它有低的噪声系数和较高的稳定性，使用起来性能优良，稳定可靠。本发明的另一个优点是：该组件模块有完整的结构，明确的外部接口，可以方便使用。
以下结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
【附图说明】
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的一个实施例的框图。
图3为本发明的话音时隙检测及控制电路的框图。
【具体实施方式】
有关本发明的详细说明及技术内容，现就结合附图说明如下：首先参阅图1，图1为本发明的原理框图。根据本发明的通讯信号双向放大装置，包括上行接收支路、下行发射支路以及连接上下行支路的两个环形器，这里的两个环形器有两个功能：增加收发支路的隔离，保证双向放大器的两个信号端口有良好的驻波比。
上行接收支路由两个环形器之间的放大电路和收发开关连接而成；下行发射支路由两个环形器之间的话音时隙检测及控制电路、放大电路和收发开关连接而成；话音时隙检测及控制电路检测发射时隙和接收时隙并控制收发开关在发射时隙关闭上行接收支路；在接收时隙关闭下行发射支路。这样的设计防止了上下行通道之间的相互干扰，并且保证了信号切换的同步。
请参阅图2，图2为本发明的一个实施例的框图。在本发明的一个实施例中，上行接收支路由两个环形器之间的放大电路和收发开关连接而成；其中，放大电路由第一级低噪声放大器、带通滤波器、第二级低噪声放大器依次连接而成，其中与上行电源管理器连接的是第一级低噪声放大器和第二级低噪声放大器，带通滤波器选通的频率是1890～1920兆赫兹。第一级低噪声放大器采用了超低噪声的场效应管，能够在应用频段内的噪声系数小于1.2分贝，同时在射频信号输入端配置有环形器增加收发支路的隔离，同时保证了非常好的输入驻波特性，电压驻波比小于1.2。所述的上行放大电路中还设有一个通过手动控制接收链路增益的增益调整级。
下行发射支路由两个环形器之间的话音时隙检测及控制电路、放大电路和收发开关电连接而成。下行放大电路由驱动功率放大器、带通滤波器和主功率放大器依次连接而成，与下行电源管理器连接的是驱动功率放大器，带通滤波器选通的频率是1890～1920兆赫兹。下行放大电路的输入端还设有一个压控衰减器，下行放大电路的输出端和压控衰减器之间设有一个反馈电路，反馈电路使下行放大电路输出的大小与压控衰减器衰减幅度的大小成正比。该反馈电路由定向耦合器、功率检测器和运算放大器依次连接而成，该定向耦合器是一个30分贝定向耦合器。
其中上、下行放大电路分别与其电源管理器相连。话音时隙检测及控制电路检测发射时隙和接收时隙并控制电源管理器和收发开关，在发射时隙关闭上行接收支路的电源和收发开关；在接收时隙关闭下行发射支路的电源和收发开关。话音时隙检测及控制电路由定向耦合器、射频检测器和与非门依次连接而成，其定向耦合器是一个20分贝定向耦合器。射频检测器能够在40分贝的输入动态信号下，保证上升下降时间小于0.5μs，完全优于其他的检波方式，减小了同步误差，提高了同步的可靠性。下行放大电路中还设有一个通过手动控制接收链路增益的增益调整级。
从天线接收来的射频信号经由环形器输入到上行接收支路，首先进入第一级低噪声放大器进行放大，保证系统有较低的噪声系数，然后信号接入到带通滤波器中，选通1890～1920兆赫兹的宽带PHS信号，降低带外干扰。第二级低噪声放大器保证接收系统有足够的增益，前面两级放大器的电源必须进行电源管理，只有在接收时隙才接通放大器电源，从而防止发射支路对接收支路的噪声干扰。增益调整级具有拨码开关通过手控控制接收链路增益。当PHS输入的信号在大范围变动时，可以采用手动的方式将电平控制在一定的输入范围内，这有利于双向放大器与各种功率性型号的PHS基站进行连接。当有PHS基站来的信号加到图2的右端环形器时，该收发开关处于关断状态，其余时间为接收状态。经过开关后，接收的信号通过环形器输出给PHS基站。
当有信号从PHS基站连接到本实施例的放大器时，首先从图2右端的环形器进入下行发射支路，经过20分贝的定向耦合器耦合一定的射频信号进行发射时隙信号检测。耦合器直通端连接增益调整级，可以就接入发射支路的射频信号大小通过拨码开关进行增益控制，方法同上述接收支路。然后，信号进入由下行放大电路和反馈电路构成的自动电平控制环路。
自动电平控制环路包含压控衰减器、驱动功率放大器、带通滤波器、主功率放大器、30分贝定向耦合器、功率检测器及运算放大器。定向耦合器耦合主功放输出的信号，然后进行功率值检测，在一定时间内将射频信号幅度值对应于直流信号，运算放大器调整直流信号线性规律，使其与压控衰减器的电压控制特性适配，确保耦合信号增大时，压控衰减器的衰减增大，耦合信号减小时，压控衰减器的衰减减小，即主功放输出的射频信号稳定在恒定的1瓦输出功率上。在发射支路功率放大器的电源需进行电源管理，只有在发射时隙才能提供电源工作，从而减小发射支路的噪声输出。
经过自动电平控制环路后，信号连接在收发开关上，在发射时隙，收发开关处于就处于发射支路接通状态，接收支路处于关断状态，射频信号经过开关后传送到环形器输出给天线。
其中收发开关的控制原理为：发射时隙和接收时隙在时间上为互补关系。收发开关在发射支路与接收支路各有一个，当信号处于发射状态时，接收端连接在50欧姆，两者处于隔离状态。
请参阅图3，图3为本发明的话音时隙检测及控制电路的框图。它表示了话音时隙信号的检测与控制过程，当有信号从PHS基站连接到本实施例的放大器时，首先从图2右端的环形器进入下行发射支路，经过20分贝的定向耦合器耦合一定的射频信号进行发射时隙信号检测。这里采用射频检测器进行信号检测，检测器件可以是集成的，也可以是分立的，两者原理相同。经过检波得到脉冲信号，然后进行门限比较，保证一定电平的射频输入信号才能激励出话音时隙信号，该信号通过与非门整形得出控制收发状态信号，从而控制两个收发支路的开关以及收发支路的电源管理模块。耦合器直通端连接下行增益调整级。在本实施例中话音时隙检测及控制电路是耦合在下行发射支路的，在另外的实施例中话音时隙检测及控制电路也可以耦合在上行接收支路或下行发射支路的其他位置上。
PHS标准定义了帧结构，每个话音时隙间的保护时间为13μs，为此，本发明采用的射频检测器能够在0.5μs时间内完全检测出话音时隙，并对它进行整形处理，从而达到控制时隙切换的目的。为了保证同步工作，发射支路进行自动电平控制时，保证自动电平控制的充电时间小于13μs，保持时间为600μs。利用检测出来的话音时隙信号控制收发支路的电源管理，在发射时隙，功率放大器电源上电，在接收时隙，低噪声放大器电源上电，从而达到减小噪声干扰的目的。因此本发明具有良好的射频性能，从本发明的一个实施例的取得的实验数据如下表：上行下行工作频率1890～1920MHz1890～1920MHz单信道最大输出功率≥-5dBm≥30dBm自动增益控制范围≥10dB频率误差≤±3PPM≤±3PPM增益15dB27dB增益波动(dB)±0.5dB±0.5dB手动增益调节范围15dB15dB增益调节步长1dB1dB带内波动≤1dB≤1dB噪声系数≤3Db电压驻波比≤1.2≤1.2最大不损坏输入功率10dBm20dBm时延≤2.5us≤2.5us工作频带内杂散发射≤-30dBm(1900-1915MHz)≤-30dBm(1900-1915MHz)工作频带外杂散发射≤-26dBm(9KHz-1900MHz)≤-26dBm(9KHz-1900MHz)≤-26dBm(1915-6000MHz)≤-26dBm(1915-6000MHz)工作频带内互调衰减≥36dBc@0dBm/Tone≥36dBc@27dBm/Tone邻道功率泄漏-69dBc@600KHzACP-72dBc@900KHz供电电源DC 24～27V、5V
本发明可以应用于PHS室内及室外放大系统。也可以广泛的应用于双向分时双工的工作系统，如无线局域网的室内室外双向放大器，GSM的室内室外放大器以及TDSCDMA的3G。由于双向分时双工方式给双向放大带来了一定的设计难度，该发明是一种较好的实现方法，能保证良好的性能，同时具有很高的可靠性，物理实现简单，成本较低。
以上所介绍的，仅仅是本发明的较佳实施例而已，不能以此来限定本发明实施的范围，即本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的均等的变化，例如将以上实施例中的各个器件进行功能替换或对各个功能模块进行组合。以及本领域内技术人员熟知的改进，都应仍属于本发明专利涵盖的范围。