一种多业务便携式宽带应急通信设备

1 概述

信息时代,通信已经成为人们工作、生活中不可缺少的重要组成部分,尤其在发生重大自然灾害时,更加凸显出通信的关键作用,作为和水、电一样的重要基础设施,通信是报告灾情,组织救援必不可少的技术手段。出现突发性紧急情况时,综合利用各种通信设备所需的通信手段和方法,称为“应急通信”。一个完整的应急通信过程通常设计应急指挥中心、应急通信设备与现场三个重要环节。

目前市面上常见的宽带应急通信设备主要基于以下技术实现:

  • 公网,包括2G/3G/4G/5G
  • 自组网
  • 卫星通信
  • WiFi

其中,基于公网技术的应急通信设备具备较大的传输距离但不够灵活,且在偏远地带往往无法正常使用;基于自组网技术的应急通信设备具备较高的灵活性,但是通常不具备公网接入的能力;基于卫星通信技术的应急通信设备具备较大的传输距离,较大的灵活性,但是费用高昂;基于WiFi技术的应急通信设备具备最低的成本优势,但是性能较差。

对比如下

 公网自组网卫星通信WiFi
传输距离最大
公网接入支持不支持支持支持
灵活性
可靠性
成本最高

本方案提出了一种多业务便携式宽带应急通信设备,同时支持公网接入、自组网接入,WIFi热点,北斗/GPS定位及视频编码,可广泛用于电力巡检,抢险救灾、临时会议、森林防火、公安消防等场合。

2 系统架构

该设备基于Qualcomm Atheros的高性能WLAN SoC AR9344实现。如图所示,AR9344本身自带的WLAN MAC/基带/射频可实现无线热点,便于其他终端设备(如手机、笔记本电脑)接入网络;AR9344的PCIe接口可用于连接PRM自组网收发器,实现宽带自组网,在不依赖任何基础设施的情况下即可实现远距离传输;AR9344的USB接口可用于连接LTE模块,实现公网接入;AR9344的串口可以连接北斗/GPS定位模块,实现定位;AR9344的网口,其中一个用于连接外部设备,另一个用于连接视频编码板,使得设备具备视频编码、传输的能力。电源管理模块为整机提供稳定的电源,保证设备的正常运行。

3 处理器AR9344

AR9344是Qualcomm Atheros的WLAN SoC,内核为MIPS 74Kc,主频高达533MHz,具有极高的集成度。适合开发无线路由器,无线AP,无线网桥等。

AR9344集成了一个PCI-e Root Complex及一个PCI-e Endpoint接口,一个5端口百兆以太网交换机,一个MII/RMII/RGMII接口,一个USB2.0 MAC/PHY,支持DDR1/DDR2 SDRAM,支持SPI接口的Flash,支持NAND Flash。AR9344的I2S/SPDIF音频输出接口可以连接音频编解码芯片,实现音频相关的应用。

AR9344内部集成了高性能的MAC/基带/射频,支持2.4GHz/5GHz 2×2 MIMO,最高可提供300Mbps的无线带宽。AR9344内部框图如下所示

4 PRM自组网收发器

PRM自组网收发器基于Qualcomm Atheros的高性能无线收发器AR9582实现,如图所示,AR9582的射频输出信号通过混频器RFFC2071进行频谱搬移,用于支持1435MHz频段,并经过驱动放大器、功率放大器、低通滤波器送至天线;天线接收到的1435MHz射频信号经过低噪声放大器、声表滤波器后送至混频器RFFC2071进行频谱搬移,并最终送至AR9582。

4.1 无线收发器AR9582

AR9582是Qualcomm Atheros推出的一款高性能无线收发器,支持2*2 MIMO,支持5/10/20/40MHz信道带宽,具有PCI-e高速接口,最高无线数据带宽可达300Mbps。AR9582内部集成了MAC,基带处理器,模数/数模转换器,2*2 MIMO射频收发器,PCI-e接口,并具有较低的功耗。AR9582的内部框图如下图所示。

AR9582主要特征

  • 支持2*2 MIMO,提高了有效覆盖距离与吞吐量
  • 最高无线数据带宽为300Mbps
  • 片上一次写入时存储器
  • 支持WEP,TKIP,AES,WAPI硬件加密方式
  • 具有PCI Express 1.1接口
  • 支持5/10/20/40MHz信道带宽

4.2 RFFC2071

RFFC2071是Qorvo推出的高集成度,高线性射频芯片,内部包括宽带 VCO, PLL和混频器。内部框图如下所示。

RFFC2071的主要特征如下:

  • 85MHz-2700MHz本振频率范围
  • 典型步进1.5Hz
  • 全集成低相位噪声VCO与LO缓冲器
  • 相位噪声典型值为0.18 Degree RMS@1GHz
  • 高线性度混频器
  • 30-2700MHz混频器频率范围
  • 输入IP3可达23dBm

4.3 驱动放大器

AH323-G是Qorvo推出的高动态范围两级驱动放大器,可以在较大的频率范围内达到50dBm的OIP3及33dBm的P1dB,仅消耗680mA电流。AH323-G使用了InGaP/GaAs HBT工艺,使其适用于小型化设备。

AH323-G主要特征如下:

  • 700-2700MHz工作频率范围
  • 1dB压缩点可达33dBm
  • OIP3可达50dBm
  • WCDMA邻道抑制比可达-50dBc
  • 内部级间匹配
  • 回波损耗优于-14dB
  • 5V供电电源

4.4 功率放大器

AP561-F是Qorvo推出的高动态范围宽带功率放大器,可在900-2700MHz频率范围内工作,最大线性输出功率可达39dBm。AP561-F AH323-G使用了InGaP/GaAs HBT工艺,使其适用于小型化设备。

AP561-F主要特征如下:

  • 700-2900MHz工作频率范围
  • 1dB压缩点可达39dBm
  • 12V供电电压
  • 邻道抑制比可达-50dbc
  • EVM可达1.5%
  • 增益可达13dB
  • 具备快速关闭的能力

4.5 低噪声放大器

TQP3M9037是Qorvo推出的超低噪声,高线性低噪声放大器。

TQP3M9037主要特征如下:

  • 0.7-6GHz工作频率范围
  • 超低噪声,可达0.4dB
  • 高增益,可达20dB
  • 高线性,可达35dBm
  • 可承受高达22dBm连续输入波
  • 片上匹配
  • 内置有源偏置电路
  • 具备关断功能

5 LTE模块

华为ME909S是基于海思芯片方案的物联网无线通信模块,ME909S系列4G模块集成华为海思芯片平台,继承华为领先的LTE技术,集成DDR降低成本,采用车规级质量管控。同时作为全球首款Cat4 LTE工业模块,同步开放FOTA易升级、降低维护成本。

ME909S系列是车载、跟踪、工业路由器、安防监控、工业平板等行业应用的首选产品。

ME909S主要特征如下:

尺寸高30.4mm宽51mm厚3.57mm
重量<12g
封装Mini-PCIe
频段ME909s-821 Mini PCIe:
LTE (FDD): B1,B3,B8
LTE (TDD): B38, B39,B40,B41
DC-HSPA+/HSPA+/HSPA/UMTS : B1, B5, B8,B9
TD-SCDMA: B34, B39
EDGE/GPRS/GSM : 900/1800 MHz
速率DC-HSPA+ : 下行:42 Mbps, 上行: 5.76 Mbps
LTE TDD : 下行: 112Mbps , 上行: 10Mbps
(CAT4)LTE FDD: 下行:150 Mbps, 上行: 50 Mbps @Bandwidth 20M (CAT4)
接口Mini PCIe
电压3.2 V to 4.2V (typical: 3.8V)
语音PCM语音DTMF
温度范围-40℃ to 85℃
操作系统Linux, Android, WinCE, Windows 8/10

6 北斗/GPS模块

和芯星通 UM220-IV N双系统高性能GNSS模块,基于具有完全自主知识产权的双系统多频率高性能SoC芯片,能够同时支持 BD2 B1、GPS L 11两个频点。UM220-III N外形尺寸紧凑,采用SMT焊焊盘,支持标准取放及回流焊接全自动化集成,尤其适用于低低成本、低功耗领域。

UM220-IV主要特征如下:

电源
电压+2.7~3.6 VDC
功耗120mW(典型值)
射频输入
频率1559~1577MHz
驻波比比≤1.5
输入阻抗50Ω
天线增增益15~30dB
物理特性
尺寸16.0*12.2*2.4mm

7 视频编码板

视频编码板可根据客户实际需求选配,本文不展开讨论。