CN101958734B - 无线覆盖整体解决方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开一整套无线覆盖解决方案，用于实现信号中继并消除信号中因高速运动引起的多普勒频率偏移。通过增设一多普勒频移跟踪单元，用于求取下行链路中频信号所包含的下行导频信号与一参考信号之间的频率误差函数并通过调节受控频率源产生的信号的频率使该函数值维持为零；从而控制一由受控频率源产生下行跟踪信号；然后，由下行链路的下变频通道，以该下行跟踪信号与下行信号混频以消除正向的多普勒频移；并由上行链路的上变频通道，以该下行跟踪信号的反向多普勒频移信号，即上行跟踪信号与上行信号混频以预置反向的多普勒频移。本发明能有效地消除高速运动载体中的移动台与基站或射频拉远单元通信时的多普勒频移，起到保证通信质量的作用。

Description

无线覆盖整体解决方案

【技术领域】

本发明涉及移动通信的无线网络覆盖优化领域，尤其涉及一种无多普勒频移中继装置和相应的中继方法，进而提出一种高速列车无线覆盖***、方案，以适用于高速移动载体上的移动通信应用。

【技术背景】

在高速铁路移动通信环境中，若采用基站对铁路区域直接进行无线覆盖，为了避免频繁的越区切换，每个基站的覆盖半径需要达到十公里以上，对于线状的铁路区域来说，这种基站直接覆盖方式的效率很低。为了提高覆盖效率，可以采用基站加射频拉远单元的方式实现无线覆盖。一个基站可以配置多个射频拉远单元，沿铁路一字排开。相对于基站的覆盖半径而言，每个射频拉远单元的覆盖半径都不大，因此可以很容易实现对十公里以上的线状铁路区域的有效覆盖。

由于一个基站配置了多个射频拉远单元，因此在两个射频拉远单元的重叠覆盖区中，列车车厢内的移动台将收到来自两个不同方向射频拉远单元发送的同一个基站的信号。如果移动台无法区分这两个方向的信号，那么这两个信号相互之间便构成了人为的多径干扰，使通信质量严重下降。(注：在以基站加射频拉远单元覆盖的高速铁路移动通信环境中，信号从射频拉远单元到列车之间有很强的直达路径，因此自然多径干扰要比人为多径干扰弱得多，故这里主要考虑人为多径干扰。)

假设移动台可以区分这两个方向的人为多径信号，那么就可以使用多径分集合并的方法来利用这些信号。由于在高速移动的环境下，这两个方向的信号都引入了很大的多普勒频移，且频移的方向相反，因此在合并之前需要分别消除这两个方向信号各自的多普勒频移。

综上所述，为了提高高速铁路移动通信环境中通信的质量，需要有效地解决以下问题，即：

1、区分不同方向的信号。

2、消除不同方向信号各自的多普勒频移。

3、合并不同方向的信号，从而消除人为多径干扰。

为了消除多普勒频移，提高高速移动交通工具中移动台与固定基站或射频拉远单元之间的通信质量，有如下方式可供参考：

其一是在基站中引入多普勒频移校正功能，这种方式中，基站需要面对多个不同移动方向和移动速率的移动台，因此需要针对不同移动台多普勒频移的方向和大小分别进行跟踪和抵消，实现起来较为复杂；

其二是在移动台中引入多普勒频移校正功能，考虑到移动台的成本、体积、功耗、散热等因素，以及当移动台置于高速移动交通工具中被交通工具屏蔽作用所影响从而影响校正精度等，故其可行性相对不高；

再者，作为本发明被提出的基础，可以在交通工具上放置一个直放站作为中继装置，将固定基站或射频拉远单元的信号直放后对交通工具内部进行覆盖。此时，直放站相对于交通工具内部的移动台而言是静止或低速移动的，但是相对于基站或射频拉远单元而言却是高速移动的。

这种移动直放站与传统的固定直放站的根本区别就在于移动直放站需要具备区分信号、消除多普勒频移及合并信号的功能，为固定基站或射频拉远单元与高速移动交通工具中移动台之间的通信提供一个无多普勒频移的无线覆盖环境。其中消除多普勒频移功能的实现，是本发明的重点所在。

【发明内容】

与前述相呼应，本发明的首要目的就是要提供一种无多普勒频移中继装置，使由其实现中继的两端的设备间的信号能去除因高速移动或其它原因所产生的多普勒频率偏移因素，保证信号的正常通信质量。

本发明的另一目的在于提供一种无多普勒频移中继方法，在相互通信的信号路径中去除因高速移动或其它原因所引起的信号的多普勒频移，保障通信质量。

本发明的再一目的在于提供一种高速列车无线覆盖***，使高速列车内的移动台与车外移动通信网络之间的信号实现无多普勒频移传输，保证移动台的通信质量。

本发明的再一目的在于提供一种高速列车无线覆盖方案，以图适用高铁发展的需要。

本发明最后一个目的在于提供一种多普勒频移跟踪单元，以实现本发明产品的通用性，便于标准化生产、安装和维护。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种多普勒频移跟踪单元，用于跟踪中继装置的因高速运动而引起的信号的多普勒频率偏移，该跟踪单元包括：

耦合器，用于在中继装置下行链路的射频前端中耦合出一路下行信号；

受控频率源，在校正单元的控制下产生包含下行正向多普勒频移因子的下行跟踪信号；

下变频通道，以受控频率源产生的下行跟踪信号的频率为基准，将下行信号进行下变频；

参考单元，用于产生一供校正单元参照的参考信号；

校正单元，用于求取下变频后的下行信号所包含的下行导频信号与所述参考信号之间的频率误差函数，并调节受控频率源产生的下行跟踪信号的频率使该函数值维持为零；

变换单元，将该下行跟踪信号变换为包含上行反向多普勒频移因子的上行跟踪信号。

根据本发明一实施例所揭示，所述参考单元包括倍频器和中继装置固有的基准频率源，基准频率源产生的信号经倍频器倍频后成为所述参考信号。

根据本发明另一实施例所揭示，所述参考单元包括倍频器和所述受控频率源，受控频率源产生的下行跟踪信号经倍频器倍频后成为所述参考信号。

对应于校正单元工作在模拟域或数字域，所述受控频率源为压控晶体振荡器(VCXO)或数字控制振荡器(NCO)。

所述受控频率源与下变频通道之间串接一倍频器对受控频率源产生的下行跟踪信号进行倍频运算。

该跟踪单元还包括滤波器，其串接于下变频通道和校正单元之间，将下变频后的下行信号进行滤波后传输给所述校正单元。

所述变换单元包括：

倍频器，用于对中继装置既有的基准频率源产生的信号进行预设倍数的倍频运算；

混频器，利用该倍频器的运算结果与下行跟踪信号进行混频从而产生所述上行跟踪信号；

滤波器，用于对所述上行跟踪信号进行滤波后输出。

本发明的一种无多普勒频移中继装置，用于实现信号中继并消除因高速运动而引起的信号的多普勒频率偏移，其包括下行链路和上行链路，还包括：

前述的多普勒频移跟踪单元；

下行链路中的下变频通道，以该跟踪单元输出的下行跟踪信号为本振对下行链路中的下行信号进行混频以消除下行信号中的正向多普勒频移；

上行链路中的上变频通道，以该跟踪单元输出的上行跟踪信号为本振对上行链路中的上行信号进行混频以在上行信号中预置反向多普勒频移。

该装置包括施主天线和受主天线，施主天线用于与基站或射频拉远单元无线电性连接，受主天线用于与移动台无线电性连接。所述施主天线采用全向或定向天线，所述受主天线采用一体纵长的泄漏电缆。

所述基准频率源采用稳定度优于±0.01ppm的晶体振荡器。

本发明的一种无多普勒频移中继方法，用于实现信号中继并消除信号中因高速运动而引起的多普勒频率偏移，其包括如下步骤：

1)从下行链路射频前端中耦合出一路下行信号；

2)产生一下行跟踪信号；

3)以下行跟踪信号为基准将该射频下行信号下变频至中频或零中频域；

4)求取该中频或零中频域下行信号所包含的下行导频信号与一个供参照的参考信号之间的频率误差函数，并调节步骤3)中产生下行跟踪信号的频率，以使该函数值维持为零；

5)对于下行链路，以该下行跟踪信号为本振对下行信号进行混频以消除下行信号中的正向多普勒频移；

6)对于上行链路，先将该下行跟踪信号变换为预置反向多普勒频移的上行跟踪信号，再以该上行跟踪信号为本振对上行信号进行上变频，以在上行信号中预置反向的多普勒频移。

根据本发明一实施例所揭示，所述步骤4)中的参考信号由一基准频率源产生的信号经倍频运算后获得。

根据本发明另一实施例所揭示，所述步骤4)中的参考信号由所述步骤2)的下行跟踪信号经倍频运算后获得。

步骤4)若采用模拟方式执行，所述下行跟踪信号由一受控的压控晶体振荡器(VCXO)产生，若采用数字方式执行，则由数字控制振荡器产生(NCO)。

所述步骤3)中的下行跟踪信号已经过倍频运算。

所述步骤4)中的中频域或零中频域下行信号已经过滤波。

步骤6)中，所述上行跟踪信号由所述下行跟踪信号与一基准频率源产生的信号的倍频运算结果混频后滤波而得。

本发明的一种高速列车无线覆盖***，其采用前述的无多普勒频移中继装置，其施主天线外置于高速列车顶部，其受主天线沿高速列车的车厢一体纵长布设。

本发明的一种高速列车无线覆盖方案，适用于相对无线中继站高速移动的列车，其包括如下步骤：

1)在高速列车上装设直放站，并设置该直放站在任意时刻只接收一个方向的基站或射频拉远单元信号，忽略其它方向的信号；

2)为该直放站的下行链路提供能够跟踪正向多普勒频移的下行跟踪信号，为该直放站的上行链路提供预置了反向多普勒频移的上行跟踪信号。

3)将下行跟踪信号用于该直放站下行链路的下变频通道和上变频通道中，消除因列车相对移动而在下行信号中引入的多普勒频移，以便列车内移动台接收到无多普勒频移的下行信号；

4)将上行跟踪信号用于该直放站的上行链路的下变频通道和上变频通道中，在上行信号中预置反向的多普勒频移，以便无线中继站接收到无多普勒频移的上行信号。

与现有技术相比，由于本发明在中继装置上实现了多普勒频移校正功能，适用于诸如选频、移频、宽频之类的直放站，对基站或射频拉远单元等无线中继站和移动台没有任何影响，因此可以直接应用于任何现有的和计划建造的移动通信网络中，也即其具有较高的可移植性和应用可行性。相对传统技术在基站及射频拉远单元或移动台中消除多普勒频移的技术而言，其具有明显的进步性，具体表现在：

其一，在中继装置中引入多普勒频移校正功能与在基站(或射频拉远单元)中引入该功能相比主要有以下优点：

1、基站需要面对多个不同移动方向和移动速率的移动台，因此需要针对不同移动台多普勒频移的方向和大小分别进行跟踪和抵消，实现起来复杂；而中继装置(移动直放站)只需面对一个方向的基站或射频拉远单元，因此只需跟踪和抵消一个方向和大小的多普勒频移，实现起来简单；

2、中继装置(移动直放站)可以充分利用下行导频信号进行多普勒频移的校正；而在基站中，若上行信号中没有导频信号，则无法做到这一点，造成技术实现上无法克服的先天性缺陷。

其二，在中继装置(移动直放站)中引入多普勒频移校正功能与在移动台中引入该功能相比则优势更加明显：

1、移动台对成本、体积和功耗有着苛刻的要求，而对于移动直放站则宽松得多。移动直放站相当于为交通工具内所有移动台提供了一个公共的射频前端，将每个移动台的多普勒频移校正功能集中到一个移动直放站中实现，比分散在各个移动台中实现更为合理；

2、移动直放站可以使用置于交通工具之外的定向跟踪天线(主要是指其施主天线)以及高稳定度的基准频率源，消除交通工具的屏蔽作用，提高多普勒频移校正的精度；而在移动台中，这些都是难以实现的。

【附图说明】

图1是本发明无多普勒频移中继装置应用场景示意图。

图2是本发明第一实施例中无多普勒频移中继装置的原理框图，该实施例适用于中频方案。

图3是本发明第一实施例中多普勒频移跟踪单元的原理框图。

图4是本发明第二实施例中无多普勒频移中继装置的原理框图，该实施例适用于零中频方案。

图5是本发明第二实施例中多普勒频移跟踪单元的原理框图。

图6是本发明第三实施例中无多普勒频移中继装置的原理框图，其由第一实施例的中频方案派生出一统一中频方案。

图7是本发明第四实施例中无多普勒频移中继装置的原理框图，其由第二实施例的零中频方案派生出一统一零中频方案。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

作为一个综合的高速列车无线覆盖方案，其具体应用即本发明的高速列车无线覆盖***的应用场景如图1所示。在高速移动的载体(以高速铁路的列车之类的交通工具为例)101上，安装两个移动直放站111、112，两个移动直放站111、112由本发明后述的无多普勒频移中继装置实现。每个移动直放站各有一个具备定向跟踪能力的施主天线或共享一个全向施主天线，分别接收前、后两个最近的基站或射频拉远单元122、121的信号，与基站或射频拉远单元无线电性连接实现通信。两个移动直放站通过合路器(未示出)共用一个受主天线(即与移动台无线电性连接实现通信的天线)，这个受主天线采用一条覆盖载体内部即沿列车车厢纵长方向一体纵长布设的泄漏电缆。

无论采用定向跟踪还是全向施主天线，都要保证每个移动直放站只能收到列车前、后两个方向中一个方向的基站或射频拉远单元信号，其它方向的信号小到可以忽略。前者是靠空分复用来保证，后者则是靠频分、时分或码分复用来保证。因此可以近似认为每个移动直放站只引入了一个方向的多普勒频移，每个移动直放站一旦消除了多普勒频移，高速列车上的无线覆盖环境即视为无多普勒频移的无线覆盖环境。

如前所述，移动直放站，包括选频直放站、移频直放站及宽频直放站等，采用本发明的无多普勒频移中继装置实现。该中继装置用于实现信号中继，并且消除被中继的信号的多普勒频移，消除多普勒频移的关键在于跟踪多普勒频移因子，跟踪多普勒频移因子的过程通过一多普勒频移跟踪单元实现，有两种实现方案，其一是对中频域下行信号进行跟踪，称中频方案，另一则是对零中频域下行信号进行跟踪，称零中频方案。本发明中，两种方案分别以第一和第二实施例进行具体说明。

以下以图2和图3共同揭示本发明的采用中频方案的第一实施例。

本发明第一实施例的无多普勒频移中继装置由施主天线201，受主天线202，双工器211、212，放大器221、222、223、224、225、226、227、228，混频器231、232、233、234，中频带通滤波器241、242，倍频器251、252、253、254，基准频率源261，多普勒频移跟踪单元271，以及耦合器281构成。其中，放大器221、混频器231、放大器222构成移动直放站的下行下变频通道；放大器225、混频器233、放大器226构成移动直放站的下行上变频通道。下行下变频通道、中频带通滤波器241、下行上变频通道一起构成移动直放站的下行链路。放大器228、混频器234、放大器227构成移动直放站的上行下变频通道；放大器224、混频器232、放大器223构成移动直放站的上行上变频通道。上行下变频通道、中频带通滤波器242、上行上变频通道一起构成移动直放站的上行链路。耦合器281、多普勒频移跟踪单元271、基准频率源261、倍频器251、252、253、254构成移动直放站的频率合成器，简称频合器。其中，多普勒频移跟踪单元271具有多普勒频移跟踪能力，为下行下变频通道和上行上变频通道提供本振频率源；而基准频率源261由高稳定度的晶体振荡器(例如稳定度优于±0.01ppm的恒温晶振TCXO)来担任，为下行上变频通道和上行下变频通道提供本振频率源。

来自基站或射频拉远单元的下行射频信号经施主天线201和双工器211之后送到下行下变频通道进行下变频。下变频采用低本振下边带方案，得到的下行中频信号经中频带通滤波器241之后送到下行上变频通道进行上变频。上变频使用低本振上边带方案，得到的下行射频信号经双工器212和受主天线202发送给车厢内的移动台。

来自车厢内移动台的上行射频信号经受主天线202和双工器212之后送到上行下变频通道进行下变频，下变频采用低本振下边带方案，得到的上行中频信号经中频带通滤波器242之后送到上行上变频通道进行上变频。上变频采用低本振上边带方案，得到的上行射频信号经双工器211和施主天线201之后发送给基站或射频拉远单元。

本实施例的多普勒频移跟踪单元271采用本地基准频率源261产生的信号直接作为内部自动频率校正单元的参考信号，其原理框图如图3所示。多普勒频移跟踪单元271由放大器421、422、混频器431、432、中频带通滤波器441、442、自动频率校正(AFC)单元(下称校正单元)471、使用压控晶体振荡器(VCXO)充当的受控频率源461、倍频器451、452、453构成。需要注意的是，其中的放大器421，422与混频器431构成了下变频通道，耦合器281与该下变频通道以及该中频带通滤波器441可以将射频域的下行信号进行下变频至中频域，从而提供给所述校正单元471使用。所述倍频器453、混频器432及滤波器442则共同构成了变换单元，用于变换信号中的多普勒频移因子的方向。

多普勒频移跟踪单元271有两个输入信号和两个输出信号。两个输入信号分别是从下行链路射频前端通过耦合器281耦合得到的含有下行导频信号的下行射频信号和由基准频率源261提供的频率为f₀的基准频率信号；两个输出信号分别是能够跟踪下行正向多普勒频移的频率为f′₀的下行跟踪信号和预置了上行反向多普勒频移的频率为f″₀的上行跟踪信号，上行跟踪信号与下行跟踪信号均源自于该受控频率源461，其中上行跟踪信号为原始跟踪信号经变换单元变换后的信号。

在多普勒频移跟踪单元271中，受控频率源(压控晶体振荡器)461受校正单元471控制输出的信号是下行跟踪信号，其频率f′₀受自动频率校正单元471产生的控制信号的控制。自动频率校正单元471的一路输入信号为下行导频信号与受控频率源(压控晶体振荡器)461输出的信号的倍频信号混频、滤波后得到的中频导频信号；自动频率校正单元471的另一路输入信号即参考信号为基准频率源信号的倍频信号。自动频率校正单元471的功能就是检测下行导频信号的存在，并在下行导频信号存在的情况下，计算下行导频信号(经过变频)与本地基准频率信号(经过倍频)之间的频率误差函数，产生相应的控制信号调节受控频率源(压控晶体振荡器)461的输出频率，维持上述频率误差为零。

在变换单元中，下行跟踪信号再与本地基准频率源信号的2倍频信号进行混频，取后者与前者的差频信号滤波后得到频率为f″₀＝2f₀-f′₀的上行跟踪信号。

结合图2和图3，设下行射频信号载波的标准频率为f_d，上行射频信号载波的标准频率为f_u，下行导频信号的标准频率为f_p，下行中频信号载波的标准频率为f_id，上行中频信号载波的标准频率为f_iu，下行中频导频信号的标准频率为f_ip。令x＝f_d/f₀，y＝f_u/f₀，z＝f_p/f₀，w＝f_id/f_d＝f_iu/f_u＝f_ip/f_p。取倍频器251、253的倍频因子为d＝d′＝x(1-w)，倍频器252、254的倍频因子为u＝u′＝y(1-w)，倍频器451的倍频因子为p＝z(1-w)，倍频器452的倍频因子为q＝zw，倍频器453的倍频因子为2。

移动直放站收到的下行导频信号的频率为f_p+Δf_p，其中Δf_p为其多普勒频移。该信号与频率为f′₀的下行跟踪信号的倍频信号pf′₀混频、滤波后得到频率为f′_ip＝f_p+Δf_p-pf′₀的中频导频信号。自动频率校正单元471计算中频导频信号与频率为f_ip＝qf₀的基准频率源信号的倍频信号之间的频率误差函数，并依此控制受控频率源461，以维持频率误差为零，即f′_ip-f_ip＝0。因此，当自动频率校正单元471进入跟踪状态时，有pf′₀＝f_p+Δf_p-f_ip。此时，下行跟踪信号的频率为f′₀＝(f_p+Δf_p-f_ip)/p＝f₀(1+Δ/(1-w))，而上行跟踪信号的频率为f″₀＝2f₀-f′₀＝f₀(1-Δ/(1-w))。由此可见在下行跟踪信号的频率f′₀中含有下行多普勒频移因子+Δ，而在上行跟踪信号的频率f″₀中含有上行反向多普勒频移因子-Δ。

在下行链路中，将下行跟踪信号经过d倍频后得到频率为df′₀＝f_d+Δf_d-f_id的本振信号用于下行下变频通道；将基准频率源信号经过d′倍频后得到的频率为d′f₀＝f_d-f_id的本振信号用于下行上变频通道。而在上行链路中，将基准频率源信号经过u′倍频后得到频率为u′f₀＝f_u-f_iu的本振信号用于上行下变频通道；将上行跟踪信号经过u倍频后得到频率为uf″₀＝f_u-Δf_u-f_iu的本振信号用于上行上变频通道。

对于下行方向而言，由基站或射频拉远单元发送到移动直放站的是载波标准频率为f_d的下行射频信号。由于列车的高速移动，到达移动直放站的下行射频信号载波频率为f_d+Δf_d，其中Δf_d是引入的多普勒频移。下行射频信号经本振信号频率为f_d+Δf_d-f_id的下行下变频通道变成载波频率为f_id的下行中频信号，再经本振信号频率为f_d-f_id的下行上变频通道变成载波频率为f_d的下行射频信号，发送给车厢内的移动台。由于列车上移动直放站与车厢内移动台的相对移动速率可以忽略不计，因此移动台收到的将是无多普勒频移的标准下行射频信号。

反之对于上行方向而言，车厢内移动台发送到列车上移动直放站的是载波标准频率为f_u的上行射频信号。由于列车上移动直放站与车厢内移动台的相对移动速率可以忽略不计，因此移动直放站收到的上行射频信号的载波频率仍为f_u。上行射频信号经本振信号频率为f_u-f_iu的上行下变频通道变成载波频率为f_iu的上行中频信号，再经本振信号频率为f_u-Δf_u-f_iu的上行上变频通道变成载波频率为f_u-Δf_u的上行射频信号，发送给基站或射频拉远单元。由于移动直放站在上行射频信号中预置了一个反向的多普勒频移-Δf_u，与列车高速移动引起的多普勒频移Δf_u相抵消，因此到达基站或射频拉远单元的将是没有多普勒频移的标准上行射频信号。

请继续参阅图4和图5，其共同揭示本发明的第二实施例，该实施例与前一实施例的主要不同之处通过图与图之间的对比可以明显得出，在于：首先，本实施例的中继装置工作在零中频域而非中频域；其次，本实施例的自动频率校正单元571的参考信号来源自受控频率源561的反馈信号(下行跟踪信号)而非本地基准频率源信号；再者，由前述两处区别引起的多普勒频移跟踪单元内部的信号处理变化。

为助于理解采用中频方案的第一实施例和采用零中频方案的第二实施例的详细区别，如下结合图4和图5对第二实施例做进一步揭示。

本发明第二实施例的无多普勒频移中继装置由施主天线301，受主天线302，双工器311、312，放大器321、322、323、324、325、326、327、328，混频器331、332、333、334，零中频低通滤波器341、342，倍频器351、352、353、354，基准频率源361，多普勒频移跟踪单元371，以及耦合器381构成。其中，放大器321、混频器331、放大器322构成移动直放站的下行下变频通道；放大器325、混频器333、放大器326构成移动直放站的下行上变频通道。下行下变频通道、低通滤波器341、下行上变频通道一起构成移动直放站的下行链路。放大器328、混频器334、放大器327构成移动直放站的上行下变频通道；放大器324、混频器332、放大器323构成移动直放站的上行上变频通道。上行下变频通道、零中频低通滤波器342、上行上变频通道一起构成移动直放站的上行链路。耦合器381、多普勒频移跟踪单元371、基准频率源361、倍频器351、352、353、354构成移动直放站的频率合成器。其中，多普勒频移跟踪单元371具有多普勒频移跟踪能力，为下行下变频通道和上行上变频通道提供本振频率源；而基准频率源361由高稳定度的晶体振荡器(例如稳定度优于±0.01ppm的恒温晶振TCXO)来担任，为下行上变频通道和上行下变频通道提供本振频率源。

来自基站或射频拉远单元的下行射频信号经施主天线301和双工器311之后送到下行下变频通道进行下变频，得到的下行零中频信号经零中频低通滤波器341之后送到下行上变频通道进行上变频，由此得到的下行射频信号经双工器312和受主天线302发送给车厢内的移动台。

来自车厢内移动台的上行射频信号经受主天线302和双工器312之后送到上行下变频通道进行下变频，由此得到的上行零中频信号经零中频低通滤波器342之后送到上行上变频通道进行上变频，得到的上行射频信号经双工器311和施主天线301之后发送给基站或射频拉远单元。

本实施例的多普勒频移跟踪单元371采用受控频率源(压控晶体振荡器)561产生的反馈信号即下行跟踪信号作为内部的自动频率校正单元571的参考信号，其原理框图如图5所示。多普勒频移单元371由放大器521、522、混频器531、532、中频带通滤波器541、542、自动频率校正(AFC)单元571、使用压控晶体振荡器(VCXO)充当的受控频率源561、倍频器551、552、553构成。需要注意的是，其中的放大器521，522与混频器531构成了下变频通道，耦合器381与该下变频通道以及该低通滤波器541可以将射频域的下行信号进行下变频至零中频域，从而提供给所述校正单元571使用。所述倍频器553、混频器532及滤波器542则共同构成了变换单元，用于变换信号中的多普勒频移因子的方向。

多普勒频移跟踪单元371有两个输入信号和两个输出信号。两个输入信号分别是从下行链路射频前端通过耦合器381耦合得到的含有下行导频信号的下行射频信号和由基准频率源361提供的频率为f₀的基准频率信号；两个输出信号分别是能够跟踪下行正向多普勒频移的频率为f₀′的下行跟踪信号和预置了上行反向多普勒频移的频率为f₀″的上行跟踪信号。

在多普勒频移跟踪单元371中，受控频率源(压控晶体振荡器)561受校正单元571的控制输出的信号是下行跟踪信号，其频率f₀′受自动频率校正单元571产生的控制信号的控制。自动频率校正单元571的一路输入信号为下行导频信号与受控频率源(压控晶体振荡器)561输出的信号的倍频信号混频、滤波后得到的中频导频信号。自动频率校正单元571的另一路输入信号即参考信号为受控频率源561反馈信号即下行跟踪信号的倍频信号。自动频率校正单元571的功能就是检测下行导频信号的存在，并在下行导频信号存在的情况下，计算下行导频信号(经过变频)与该反馈信号(经过倍频)之间的频率误差函数，产生相应的控制信号调节受控频率源(压控晶体振荡器)的频率，维持上述频率误差为零。

在变换单元中，下行跟踪信号再与本地基准频率源信号的2倍频信号进行混频，取后者与前者的差频信号滤波后得到频率为f₀＝2f₀-f₀′的上行跟踪信号。

结合图4和图5，设下行射频信号载波的标准频率为f_d，上行射频信号载波的标准频率为f_u，下行导频信号的标准频率为f_p，下行中频导频信号的标准频率为f_i，令x＝f_d/f₀，y＝f_u/f₀，z＝f_p/f₀，v＝f_i/f₀。取倍频器351、353的倍频因子为d＝d′＝x，倍频器352、354的倍频因子为u＝u′＝y，倍频器551的倍频因子为p＝z-v，倍频器552的倍频因子为q＝v，倍频器553的倍频因子为2。

移动直放站收到的下行导频信号的频率为f_p+Δf_p，其中Δf_p为其多普勒频移。该信号与频率为f₀′的下行跟踪信号的倍频信号pf′₀混频、滤波后得到频率为f_i′＝f_p+Δf_p-pf₀′的中频导频信号。自动频率校正单元571计算中频导频信号与频率为qf₀′的受控频率源反馈信号的倍频信号之间的频率误差函数，并依此调节压控晶体振荡器561，以维持频率误差为零，即qf₀′-f_i′＝0。因此，当自动频率校正单元571进入跟踪状态时，有f_p+Δf_p-pf₀′＝qf₀′。此时，下行跟踪信号的频率为f₀′＝(f_p+Δf_p)/(p+q)＝f₀(1+Δ)，而上行跟踪信号的频率为f₀″＝2f₀-f₀′＝f₀(1-Δ)。由此可见在下行跟踪信号的频率f₀′中含有下行正向多普勒频移因子+Δ，而在上行跟踪信号的频率f₀″中含有上行反向多普勒频移因子-Δ。

在下行链路中，将下行跟踪信号经过d倍频后得到频率为df₀′＝f_d+Δf_d的本振信号用于下行下变频通道；将基准频率源信号经过d′倍频后得到的频率为df₀′＝f_d的本振信号用于下行上变频通道。而在上行通道中，将基准频率源信号经过u′倍频后得到频率为u′f₀＝f_u的本振信号用于上行下变频通道；将上行跟踪信号经过u倍频后得到频率为uf₀″＝f_u-Δf_u的本振信号用于上行上变频通道。

对于下行方向而言，由基站或射频拉远单元发送到移动直放站的是载波标准频率为f_d的下行射频信号。由于列车的高速移动，到达移动直放站的下行射频信号载波频率为f_d+Δf_d，其中Δf_d是引入的多普勒频移。下行射频信号经本振信号频率为f_d+Δf_d的下行下变频通道变成下行零中频信号，再经本振信号频率为f_d的下行上变频通道变成载波频率为f_d的下行射频信号，发送给车厢内的移动台。由于列车上移动直放站与车厢内移动台的相对移动速率可以忽略不计，因此移动台收到的将是无多普勒频移的标准下行射频信号。

反之对于上行方向而言，车厢内移动台发送到列车上移动直放站的是载波标准频率为f_u的上行射频信号。由于列车上移动直放站与车厢内移动台的相对移动速率可以忽略不计，因此移动直放站收到的上行射频信号的载波频率仍为f_u。上行射频信号经本振信号频率为f_u的上行下变频通道变成上行零中频信号，再经本振信号频率为f_u-Δf_u的上行上变频通道变成载波频率为f_u-Δf_u的上行射频信号，发送给基站或射频拉远单元。由于移动直放站在上行射频信号中预置了一个反向的多普勒频移-Δf_u，与列车高速移动引起的多普勒频移Δf_u相抵消，因此到达基站或射频拉远单元的将是没有多普勒频移的标准上行射频信号。

由上述两个实施例可以看出，本发明的无多普勒频移中继装置(移动直放站)与传统的固定直放站的根本区别在于在直放站中引入了具有多普勒频移跟踪能力的多普勒频移跟踪单元271或371。如果将多普勒频移跟踪单元271或371用基准频率源代替，那么移动直放站就与传统的固定直放站完全相同。

需要指出的是，对于包含多个频分载波的宽带直放站，因其只有一个宽带的上/下行通道，该上/下行通道的射频信号载波频率与各频分载波的频率不可能都相同，因此经过多普勒频移校正之后，在各频分载波中还可能会有剩余的多普勒频移，但剩余多普勒频移不超过ΔB/2，其中Δ是多普勒频移因子，B是宽带直放站的带宽。对于包含多个频分载波的选频直放站，因其具有多个窄带的上/下行通道，每个上/下行通道都与一个频分载波相对应，因此经过多普勒频移校正之后，可以完全消除每个载波中的多普勒频移。

以上两种实施例中的多普勒频移跟踪单元，既可以采用模拟电路来实现，也可以采用数字电路来实现。若采用数字电路来实现时，上述作为受控频率源使用的压控晶体振荡器(VCXO)应改为数字控制振荡器(NCO)。若采用模拟电路来实现时，通常采用中频方案。对于模拟的选频直放站，通常还希望各通道在做限带滤波时的中频频率是相同的。但是在上述的中频方案中，各个通道的中频频率并不相同。这时可以在上述两种基本方案的基础上派生出两种统一中频方案，作为本发明的第三和第四实施例。

由上述第一实施例的中频方案派生的统一中频方案，作为本发明的第三实施例，如图6所示。与图2所示中频方案相比，在下行上变频通道中增加了放大器625、二次混频器633、放大器626、统一中频滤波器641、以及倍频器653；而在上行上变频通道中增加了统一中频滤波器642、放大器628、二次混频器634、放大器627、以及倍频器654。此时下行二次混频器将原来各不相同的下行中频混到统一的下行中频上再进行限带滤波；而上行二次混频器则将限带滤波后的上行统一中频混到不同的上行中频上再进行上变频。倍频因子d、u与原中频方案中相同，而倍频因子d″、u″、d′、u′则分别取xw-v、yw-v、x-v、y-v，其中v＝f_i/f₀，f_i为统一中频频率。

由上述第二实施例的零中频方案派生的统一零中频方案，作为本发明的第四实施例，如图7所示。与图3所示零中频方案相比，增加了混频器735、736、本振信号滤波器743、744、倍频器755，另外将原来的零中频低通滤波器341和342改为统一零中频滤波器741和742。此时下行下变频的本振信号改由下行跟踪信号经过d倍频后得到的信号与基准频率经过v倍频后得到的信号混频得到；而上行上变频的本振信号则改由上行跟踪信号经过u倍频后得到的信号与基准频率经过v倍频后得到的信号混频得到。其中倍频因子v＝f_i/f₀，f_i为统一零中频频率。

由上述实施例可见，在本发明的无多普勒频移中继装置中，自动频率校正单元是其核心。在本发明的无多普勒频移中继装置中，除了跟踪校正频率的功能之外，在下行导频信号不是一直存在的情况下(例如GSM移动通信***中下行导频信号是间歇发送的)，自动频率校正单元还需要检测导频信号的存在。检测导频信号的算法可以参照本申请人在先申请专利《基于实信号的数字化自动频率检测方法》(专利公开号：CN101471727)，而自动频率校正的算法可以参照本申请人在先申请专利《基于实频率参考信号的数字化自动频率校正方法》(专利公开号：CN101471726)，当然也可以采用其它算法。本领域普通技术人员在通读本发明之后即可知晓此一变通。

综上所述，本发明能有效地消除高速运动载体中的移动台与基站或射频拉远单元通信时的多普勒频移，起到保证通信质量的作用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但并不仅受上述实施例的限制。例如在上述实施例的变频过程中可以采用不同的高、低本振和上、下边带方案，这时只要相应调整各倍频器的倍频因子就可以实现不同的变频方案；另外在上、下行通道中上、下变频单元的本振信号也可以互换。因此其它任何在未背离本发明精神实质和原理下所作的改变、修饰、替代、组合、化简，均应视为本发明的等效置换方式，并包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种多普勒频移跟踪单元，用于跟踪中继装置的因高速运动而引起的信号的多普勒频率偏移，其特征在于，该跟踪单元包括：

耦合器，用于在中继装置下行链路的射频前端中耦合出一路下行信号；

受控频率源，在校正单元的控制下产生包含下行正向多普勒频移因子的下行跟踪信号；

下变频通道，以受控频率源产生的下行跟踪信号的频率为基准，将下行信号进行下变频；

参考单元，用于产生一供校正单元参照的参考信号，所述参考单元包括倍频器和中继装置固有的基准频率源，所述基准频率源产生的信号经倍频器倍频后成为所述参考信号；或者，所述参考单元包括倍频器和所述受控频率源，所述受控频率源产生的下行跟踪信号经倍频器倍频后成为所述参考信号；

校正单元，用于求取下变频后的下行信号所包含的下行导频信号与所述参考信号之间的频率误差函数，并调节受控频率源产生的下行跟踪信号的频率使该函数值维持为零；

变换单元，将该下行跟踪信号与中继装置的基准频率源信号的2倍频信号进行混频，取该基准频率源信号的2倍频信号与下行跟踪信号的差频信号滤波后，得到包含上行反向多普勒频移因子的上行跟踪信号。

2.根据权利要求1所述的多普勒频移跟踪单元，其特征在于，所述受控频率源为压控晶体振荡器（VCXO）或数字控制振荡器（NCO）。

3.根据权利要求1所述的多普勒频移跟踪单元，其特征在于，所述受控频率源与下变频通道之间设有一倍频器对受控频率源产生的下行跟踪信号进行倍频运算。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的多普勒频移跟踪单元，其特征在于，该跟踪单元还包括滤波器，其串接于下变频通道和校正单元之间，将下变频后的下行信号进行滤波后传输给所述校正单元。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的多普勒频移跟踪单元，其特征在于，所述变换单元包括：

倍频器，用于对中继装置既有的基准频率源产生的信号进行预设倍数的倍频运算；

混频器，利用该倍频器的运算结果与下行跟踪信号进行混频从而产生所述上行跟踪信号；

滤波器，用于对所述上行跟踪信号进行滤波后输出。

6.一种无多普勒频移中继装置，用于实现信号中继并消除因高速运动而引起的信号的多普勒频率偏移，其包括下行链路和上行链路，其特征在于，该装置还包括：

如权利要求1至5中任意一项所述的多普勒频移跟踪单元；

下行链路中的下变频通道，以该跟踪单元输出的下行跟踪信号为本振对下行链路中的下行信号进行混频以消除下行信号中的正向多普勒频移；

上行链路中的上变频通道，以该跟踪单元输出的上行跟踪信号为本振对上行链路中的上行信号进行混频以在上行信号中预置反向多普勒频移。

7.根据权利要求6所述的无多普勒频移中继装置，其特征在于，该装置包括施主天线和受主天线，施主天线用于与基站或射频拉远单元无线电性连接，受主天线用于与移动台无线电性连接。

8.根据权利要求7所述的无多普勒频移中继装置，其特征在于，所述施主天线采用全向或定向天线，所述受主天线采用一体纵长的泄漏电缆。

9.根据权利要求6至8中任意一项所述的无多普勒频移中继装置，其特征在于，所述基准频率源采用稳定度优于±0.01ppm的晶体振荡器。

10.一种无多普勒频移中继方法，用于实现信号中继并消除信号中因高速运动而引起的多普勒频率偏移，其特征在于，其包括如下步骤：

1）从下行链路射频前端中耦合出一路下行信号；

2）产生一下行跟踪信号；

3）以下行跟踪信号为基准将该射频下行信号下变频至中频或零中频域；

4）求取该中频或零中频域下行信号所包含的下行导频信号与一个供参照的参考信号之间的频率误差函数，并调节步骤2）中产生下行跟踪信号的频率，以使该函数值维持为零；在中频域，所述参考信号由一基准频率源产生的信号经倍频运算后获得，而在零中频域，所述参考信号由步骤2）的下行跟踪信号经倍频运算后获得；

5）对于下行链路，以该下行跟踪信号为本振对下行信号进行混频以消除下行信号中的正向多普勒频移；

6）对于上行链路，将该下行跟踪信号与基准频率源信号的2倍频信号进行混频，取该基准频率源信号的2倍频信号与下行跟踪信号的差频信号滤波后，获得预置反向多普勒频移的上行跟踪信号，再以该上行跟踪信号为本振对上行信号进行上变频，以在上行信号中预置反向的多普勒频移。

11.根据权利要求10所述的无多普勒频移中继方法，其特征在于，所述下行跟踪信号由一受控的压控晶体振荡器（VCXO）或数字控制振荡器（NCO）产生。

12.根据权利要求10所述的无多普勒频移中继方法，其特征在于，所述步骤3）中的下行跟踪信号已经过倍频运算。

13.根据权利要求10至12中任意一项所述的无多普勒频移中继方法，其特征在于，所述步骤4）中的中频域或零中频域下行信号已经过滤波。

14.根据权利要求10至12中任意一项所述的无多普勒频移中继方法，其特征在于，步骤6）中，所述上行跟踪信号由所述下行跟踪信号与一基准频率源产生的信号的倍频运算结果混频后滤波而得。

15.一种高速列车无线覆盖***，其特征在于：其采用如权利要求6至9中任意一项所述的无多普勒频移中继装置，其施主天线外置于高速列车顶部，其受主天线沿高速列车的车厢一体纵长布设。

16.一种高速列车无线覆盖方法，适用于相对无线中继站高速移动的列车，其特征在于，其包括如下步骤：

1）在高速列车上装设直放站，并设置该直放站在任意时刻只接收一个方向的基站或射频拉远单元信号，忽略其它方向的信号；

2）以权利要求10所述的无多普勒频移中继方法，为该直放站的下行链路提供能够跟踪正向多普勒频移的下行跟踪信号，为该直放站的上行链路提供预置了反向多普勒频移的上行跟踪信号；

3）将下行跟踪信号用于该直放站下行链路的下变频通道和上变频通道中，消除因列车相对移动而在下行信号中引入的多普勒频移，以便列车内移动台接收到无多普勒频移的下行信号；

4）将上行跟踪信号用于该直放站的上行链路的下变频通道和上变频通道中，在上行信号中预置反向的多普勒频移，以便无线中继站接收到无多普勒频移的上行信号。

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