具有光損自動增益補償的GSM‑R直放站乙太網雙纖光端機的製作方法

2023-12-04 18:17:01

本發明涉及鐵路光纖通信領域，具體是一種具有光損自動增益補償的GSM-R直放站乙太網雙纖光端機。

背景技術：

模擬光端機模塊是GSM-R模擬光纖直放站的關鍵模塊之一，主要將GSM-R射頻信號轉換成光信號，通過光纖進行傳輸。模擬光端機在光纖中傳輸的信號是模擬光信號，其造價便宜，比較常用。進行數據傳輸時，模擬光端機先把基帶信號採用FSK的方式調製成射頻信號，再進行電-光轉換後傳輸，光信號傳到接收端後，同樣進行光-電轉換，然後進行FSK解調，恢復出數據信號。同時通過使用波分復用技術（WDM）。這種模擬光端機存在一些缺點：主要是傳輸速率低，抗幹擾性差，不適合軌道交通信息綜合快速傳輸的需要，在一定程度上阻礙了軌道交通的快速發展。在鐵路隧道弱場覆蓋區間，光纖資源非常有限，若採用常規的光端機模塊，GSM-R模擬光纖直放站無法實現圖象和數據信號的雙向傳輸，無法為鐵路通信電源、環境監控系統、應急通信和視頻監控提供數據傳輸通道。採用乙太網通信功能的模擬光端機來替代常規光端機模塊是必要的，此方法不僅能減少光纖資源，還能大幅度降低工程造價。

此外，模擬直放站在工程應用中受光纖長度影響，造成直放站系統增益不一致，與直放站近端機最近一臺遠端機與最遠一臺遠端機的增益差可能會達到10～20dB,相當於最遠一臺遠端機比最近一臺遠端機光纖長度多10～20km。因此需要具有光損自動補償功能直放站設備來減小工程設計、應用難度，提高直放站系統穩定性。

技術實現要素：

本發明為了解決現有技術的問題，提供了一種具有光損自動增益補償的GSM-R直放站乙太網雙纖光端機, 在現有模擬光端機基礎上進行的功能化改進，使現有模擬光端機具有光損自動增益補償，並且光端機模塊支持主、備纖冗餘通信方式。

本發明包括一條輸入射頻通道、兩條輸出射頻通道、波分復用設備和乙太網通信電路。

輸入射頻通道包括依次連接的濾波電路、ALC控制電路、射頻開關電路、放大電路、衰減（ATT）電路、耦合電路和雷射器電路，其中，濾波電路連接到射頻信號輸入接口，輸入頻率800MHz～1000MHz，雷射器電路連接到波分復用設備；

兩條輸出射頻通道包括主輸出射頻通道和備用輸出射頻通道,每條輸出射頻通道包括依次連接的收光器、耦合電路、放大電路、ATT自動補償電路和濾波電路，其中濾波電路連接到射頻信號輸出接口，收光器連接到波分復用設備，兩條輸出射頻通道的收光器和耦合電路均連接到切換電路，切換電路默認連通主輸出射頻通道，當主輸出射頻通道存在異常時，自動切換至備用輸出射頻通道；

乙太網通信電路分別於輸入射頻通道和輸出射頻通道中的耦合電路相連，乙太網通信電路設有乙太網接口；

波分復用設備包括主波分復用設備和備用波分復用設備，其中主波分復用設備與主輸出射頻通道連接，通過主用光纖與其餘光端機的主波分復用設備相連或通過光分路器連接多個光端機模塊；備用波分復用設備與備用輸出射頻通道連接，通過備用光纖與其餘光端機的備用分復用設備相連或通過光分路器連接多個光端機模塊。

所述的輸入射頻通道中，濾波電路為帶通濾波器電路和匹配電路，帶通濾波電路抑制帶外輸入信號，兵抑制模擬光端機本身的FSK頻率（430～440MHz）和乙太網傳輸頻率（7.5～65MHz）；ALC控制電路為模擬電平自動控制電路，根據輸入功率大小進行自動控制，輸入信號偏大時輸出信號保持一致；射頻開關電路為控制光端機模塊有信號輸入時無信號輸出；放大電路為射頻放大器電路，採用一級或若干級放大器組成；衰減電路為輸入埠可手動調節光端機增益，衰減範圍為0～31dB；耦合電路將乙太網數據信號、數傳數據FSK信號耦合至光端機主射頻鏈路上，由雷射器轉換成光信號由光纖傳輸；雷射器為模擬電光轉換電路。

所述的輸出射頻通道中，收光器為模擬光電轉換電路；耦合電路接收端光端機模塊的乙太網電路和數傳晶片從主射頻鏈路上耦合乙太網數據信號和數傳數據FSK信號進行數據處理；放大電路為射頻放大器電路，採用一級或若干級放大器組成； ATT自動補償電路為實現光損自動增益補償功能，若系統設計補償10dB光損，即無光損時，ATT衰減器衰減值為20dB；一旦光路有損耗為D1（計算實際接收光功率值與規定的接收光功率值的差值），ATT衰減值自動變成（20-2×D1）dB；濾波電路為多階帶通濾波電路和匹配電路，保證輸出埠雜散指標和電壓駐波比值滿足使用要求；兩條輸出射頻通道由合路器進行合路後經過濾波電路輸出。

本發明有益效果在於：

1. 支持200MHz寬頻帶工作，工作頻率範圍為800MHz～1000MHz；

2. 光端機模塊具有光損自動增益補償功能：具備≥10dB光損補償的能力，保證光端機系統增益不受光纖長度影響，提高系統穩定性。

3. 兼容原有常規模擬光端機模塊結構尺寸，採用內部增加乙太網通信電路，具有100Mbps及以上乙太網數據傳輸的能力；

4. 具有雙光纖冗餘備份功能：光端機模塊支持主、備纖冗餘通信方式，默認工作為主用光纖，一旦主用光纖斷開後接收光功率偏小時，自動切換至備用光纖鏈路。

5. 具有乙太網接口通信接口：乙太網通信接口為直放站系統提供100Mbps速率乙太網高速透傳能力，為鐵路通信電源、環境監控系統、應急通信和視頻監控等提供數據傳輸通道，本乙太網透傳通道工作時不影響直放站近端機與遠端機正常通信；

6. 光端機模塊的輸入和輸出埠雜散低，保證直放站設備的性能指標要求

7. 雜散指標要求： ≤ -60dBm/100kHz（9kHz～12.75GHz）；諧波：≤-45dBm；

8. 光端機模塊具有ALC自動電平控制功能：ALC控制範圍-20～+5dBm（不限於）,ALC調節步長±1dB，此功能保證輸入功率偏大時，輸出功率保持不變，且保證互調指標不因輸入功率過大而惡化；

9. 光端機模塊支持寬範圍的功率檢測能力：輸入功率檢測和輸出功率檢測範圍≥40dB；此功率可以監控光模塊的輸入功率和輸出功率，為直放站系統日常維護或檢修查找問題帶來便捷。

10.光端機模塊具有射頻開關功能：開關隔離度≥50dB，在直放站系統中，使用多個光模塊組成冗餘備份通道，備用通道可以通過關閉射頻開關，保證備通道無信號通過，提供系統可靠性和穩定性；

11.任意光端機可以帶若干個不同波長光端機模塊：直放站近端機的光模塊可支持連接若干個直放站遠端機的光模塊，即光模塊支持1對多通信；

12.具有溫補功能：保證環境在-25℃～+55℃,增益穩定度≤±1dB，輸出功率穩定度（ALC起控時測試）≤±1dB，光輸出功率穩定度≤±1dB；

13.具有RS485和：本光端機模塊支持兩種通信接口，RS485通信接口用於光端機本身數據通信和低速串口透傳通信（用於直放站近端機與遠端機低速率通信）。

附圖說明

圖1為本發明結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

本發明電路結構如圖1所示，包括一條輸入射頻通道、兩條輸出射頻通道、波分復用設備和乙太網通信電路。

輸入射頻通道包括依次連接的濾波電路、ALC控制電路、射頻開關電路、放大電路、衰減（ATT）電路、耦合電路和雷射器電路，其中，濾波電路連接到射頻信號輸入接口，輸入頻率800MHz～1000MHz，雷射器電路連接到波分復用設備；

兩條輸出射頻通道包括主輸出射頻通道和備用輸出射頻通道,每條輸出射頻通道包括依次連接的收光器、耦合電路、放大電路、ATT自動補償電路和濾波電路，其中濾波電路連接到射頻信號輸出接口，收光器連接到波分復用設備，兩條輸出射頻通道的收光器和耦合電路均連接到切換電路，切換電路默認連通主輸出射頻通道，當主輸出射頻通道存在異常時，自動切換至備用輸出射頻通道；

乙太網通信電路分別於輸入射頻通道和輸出射頻通道中的耦合電路相連，乙太網通信電路設有乙太網接口；

波分復用設備包括主波分復用設備和備用波分復用設備，其中主波分復用設備與主輸出射頻通道連接，通過主用光纖與其餘光端機的主波分復用設備相連或通過光分路器連接多個光端機模塊；備用波分復用設備與備用輸出射頻通道連接，通過備用光纖與其餘光端機的備用分復用設備相連或通過光分路器連接多個光端機模塊。

所述的輸入射頻通道中，濾波電路為帶通濾波器電路和匹配電路，帶通濾波電路抑制帶外輸入信號，兵抑制模擬光端機本身的FSK頻率（430～440MHz）和乙太網傳輸頻率（7.5～65MHz）；ALC控制電路為模擬電平自動控制電路，根據輸入功率大小進行自動控制，輸入信號偏大時輸出信號保持一致；射頻開關電路為控制光端機模塊有信號輸入時無信號輸出；放大電路為射頻放大器電路，採用一級或若干級放大器組成；衰減電路為輸入埠可手動調節光端機增益，衰減範圍為0～31dB；耦合電路將乙太網數據信號、數傳數據FSK信號耦合至光端機主射頻鏈路上，由雷射器轉換成光信號由光纖傳輸；雷射器為模擬電光轉換電路。

所述的輸出射頻通道中，收光器為模擬光電轉換電路；耦合電路接收端光端機模塊的乙太網電路和數傳晶片從主射頻鏈路上耦合乙太網數據信號和數傳數據FSK信號進行數據處理；放大電路為射頻放大器電路，採用一級或若干級放大器組成； ATT自動補償電路為實現光損自動增益補償功能，若系統設計補償10dB光損，即無光損時，ATT衰減器衰減值為20dB；一旦光路有損耗為D1（計算實際接收光功率值與規定的接收光功率值的差值），ATT衰減值自動變成（20-2×D1）dB；濾波電路為多階帶通濾波電路和匹配電路，保證輸出埠雜散指標和電壓駐波比值滿足使用要求；兩條輸出射頻通道由合路器進行合路後經過濾波電路輸出。

光端機模塊自動增益補償功能：模擬光模塊在使用過程中，光纖的光損對光模塊的增益具有一定的損耗即1dB光損等於射頻信號增益減小2dB，在實際工程使用中，光纖長度是不確定的，所以模擬直放站近端機帶多臺遠端機時，到達每臺遠端機的射頻信號都不一致，系統增益不統一，可能造成通話質量差等現象，避免此現象產生，本模擬光端機模塊支持增益自動補償功能，通過計算實際接收光功率值與規定的接收光功率值的差值D1，補償光端機模塊的增益為2×D1，保證光端機系統增益不受光纖長度影響，提高系統穩定性。

一種具體實施方式，乙太網通信電路採用Qualcomm Atheros AR7410晶片與AR1500晶片方案設計。本設計方案具有低功耗、速率高（物理層速率：600Mbps，MAC層帶寬：340Mbps）、內嵌ARM11 CPU晶片（典型主頻355MHz）、接收靈敏度高（≤-90dBm）、先進的Turbo碼前向糾錯更正等優點。充分利用了模擬光模塊現有光器件的寬帶性，實現數據、語音、視頻進行通過乙太網協議進行傳輸。該乙太網光端機模塊具有帶寬高、安全性高、可靠性好、管理方便、維護簡單等諸多優點。

主要技術指標：

（1）工作頻率：800～1000MHz；

（2）增益：≥10dB；

（3）最大輸入無損電平：≥20dBm；

（4）ALC控制範圍：≥25dB；

（5）RF開關響應時間：＜10μs；

（6）射頻開關隔離度：≥50dB；

（7）RF收發隔離度：≥65dB；

（8）雜散： ≤ -60dBm/100kHz（9kHz～12.75GHz）；諧波：≤-45dB；

（9）底噪聲：≤-130dBm/Hz；

（10）輸入/輸出功率檢測範圍：≥40dB；

（11）輸入/輸出駐波比：≤1.4；

（12）主備光纖通道切換時間：≤2s；

（13）工作溫度範圍：-25℃～+55℃。

本發明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護範圍。