周業(yè)平,鄧文浪,周常青

（1.湘潭大學信息工程學院,湖南 湘潭411105;2.深圳市湘資科技有限公司,廣東 深圳518129）

近幾年，第三代移動通信(簡稱3G)己經(jīng)在全球得到蓬勃發(fā)展。WCDMA,CDMA2000兩種制式己經(jīng)在國外很多商用網(wǎng)和預(yù)商用網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。中國提出的第三代移動通信標準TD-SCDMA(時分同步碼分多址)也開始預(yù)商用。中國信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院于2008年制定了TD-SCDMA直放站系統(tǒng)指標；TD-SCDMA直放站的設(shè)計與應(yīng)用正在進行中[1]；目前國內(nèi)研究主要以功率檢波以及特征窗搜索實現(xiàn)同步法的研究設(shè)計?，F(xiàn)在，GPS接收模塊日趨成熟與穩(wěn)定，能提供精確的秒脈沖波，且實現(xiàn)算法簡單。本文介紹一種以GPS同步法的TDSCDMA直放站設(shè)計方案,以C8051F340做為控制芯片。

1 TD-SCDMA基本特點介紹

TD-SCDMA的碼片速率為1.28 Mb/s擴頻;帶寬約為 1.6 MHz。采用不需配對頻率的 TDD(時分雙工)工作方式。TD-SCDMA物理信道用4層結(jié)構(gòu)：超幀、無線幀、子幀和時隙/碼。一個超幀長 720 ms，由 72個無線幀組成，每個無線幀長10 ms。TD-SCDMA將每個無線幀分為兩個 5 ms的子幀，每個子幀由長度為 675 μs的 7個主時隙和3個特殊時隙組成。3個特殊時隙分別是下行導(dǎo)頻 時 隙 （DwPTS，75 μs）、 上 行 導(dǎo) 頻 時 隙 （UpPTS，125 μs）和保護時隙（G，75 μs）。 在這 7個主時隙中，TS0總是分配給下行鏈路，而TS1總是分配給上行鏈路。TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 TD-SCDMA直放站系統(tǒng)原理圖

由硬件功能圖可知，①從上、下行射頻放大通道，通過信號功率耦合器，分別各取一路信號采集作為功率控制電路的參考電壓信號；通過C8051F340的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入,程序進行內(nèi)部計算；分別輸出兩路電壓控制40 dB電調(diào)衰減器。②功率檢波芯片，根據(jù)檢測出的電壓，按均方根值輸出電壓；作為快速單片機的采樣信號，同時也為功放AGC控制電路提供控制基準電壓。③C8051F340可以有多種串行通信接口，更利于直放站與外設(shè)的接口通信，以及多功能控制與直放站內(nèi)部數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)交換。

上述硬件功能的實現(xiàn)如圖2[3]。1 pps秒脈沖上升沿到來時，C8051F340快速單片機立即捕捉到，內(nèi)部設(shè)置軟件延時程序，延時至DWPTS與UPPTS的中線處圖3所示的第二道虛線處。切換后，直放站進入上行時隙工作狀態(tài)。程序再調(diào)用上行時隙的延時程序。當同步時間至圖3所示第三道虛線處時，直放站進入下行時隙工作狀態(tài)。如此進行循環(huán)切換控制，在系統(tǒng)進行延時循環(huán)程序時，系統(tǒng)同時判斷GPS秒脈沖是否到來。如果捕捉到秒脈沖，系統(tǒng)立即進入初始化同步系統(tǒng)設(shè)置。重新進入系統(tǒng)的同步切換控制。其原理如圖4所示。

圖4 TD-SCDMA直放站GPS同步軟件控制流程

3 C8051F340系統(tǒng)概述

模擬外設(shè)10 bit ADC轉(zhuǎn)換速率可達200 ks/s，有端口0至端口4很方便進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)頻率最高為穩(wěn)定的 48 MHz。 存儲器數(shù)據(jù) RAM,為 64 KB Flash；可在線系統(tǒng)編程,扇區(qū)大小為512 B且有48 MIPS擴展的中斷系統(tǒng)16 bit可編程計數(shù)器/定時器陣列 (PCA),有5個捕捉/比較模塊。應(yīng)用C8051F340做的設(shè)計中，軟件步聚設(shè)計流程、硬件資源的分配，如圖5、圖6所示。

4 直放站硬件模塊設(shè)計

直放站各模塊在電路中起著非常關(guān)鍵的作用，各具體指標的實現(xiàn)，有耐于各模塊電路的設(shè)計與實現(xiàn)。GPS秒脈沖接收，其原理如圖，利用GPS51L授時系統(tǒng)接收模塊，通過檢測其1pps秒脈沖，通過處理輸入單片機，進行上升沿捕捉；當單片機捕捉到秒脈沖上升沿，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生變化。程序立即進入中斷程序，中斷標志置位。程序進行延時程序，能準確找到上、下行切換點。通過控制TD直放站的電源開關(guān)，即可控制TD直放站的上、下行射頻鏈路的切換,原理如圖7所示。

4.1 分時隙功率控制實現(xiàn)

由TD-SCDMA幀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知，每個時隙可靈活地分配為一個或幾個用戶；故各時隙功率，需分開控制。首先從功率末端耦合一部分信號作為采樣信號。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入C8051F340存儲；作為分析樣本；經(jīng)過C8051F340計算判斷后，根據(jù)輸出信號的功率，輸出一個控制電壓，控制衰減器的衰減倍數(shù)。上、下行通道分別采用兩級電調(diào)衰減；一級由快速單片機控制，其控制范圍大于AGC控制范圍，為20 dB～40 dB，其衰減系數(shù)由快速單片機程序控制；另一級與功放形成AGC控制環(huán)路，設(shè)置其自動增益控制范圍為0 dB～10 dB；衰減器的特性曲線如圖8所示。

圖5 C8051F340軟件設(shè)計流程圖

圖6 C8051F340硬件資源分配圖

4.2 定向耦合及功率檢波電路[3]

經(jīng)過末級功放后的輸出功率由用微帶線設(shè)計的20 dbm定向耦合器將部分功率耦合到二極管檢波電路，得到按功率變化的控制電壓，經(jīng)過RC濾波電路，并通過零歐姆電阻（或高頻磁珠）整流得到平滑的控制電壓,原理如圖9、圖10所示。

圖9 二極管功率檢波及濾波原理圖

功率信號通過半波檢波，再通過RC濾波，得到按輸出功率變化的近似線性曲線。設(shè)定向耦合信號為：載波 vc(t)=Vcmcoswct、調(diào)制信號vΩ(t)=vΩmcosΩt、二極管的輸入信號 Vi(t):vi(t)=Vcm(1+macosΩt)wct、檢波 電 壓 輸 出 ：vAV=kdVcm(1+macosΩt)，其仿真輸入輸出響應(yīng)曲線如圖10所示。設(shè)二極管輸出端電壓為梯形波時，經(jīng)過濾波后得到近似三角波電壓輸出，從而可知控制電壓的響應(yīng)特性。

4.3 直放站系統(tǒng)的自激隔離及保護設(shè)計

由于直放站的低噪聲放大，常用噪聲系數(shù)小的小功率場效應(yīng)管，其VGS最大輸入電壓范圍常為-5 V～1 V；由 POUT=VPP×VPP/（8×RL）功率峰值公式可知，輸出電壓如果直接加到低噪聲放大輸入端，很容易損壞低噪放的輸入級。環(huán)形器的保護，起到了至關(guān)重要的作用。在TD直放站的功率放大過程中，低噪聲放大器以及功率放大的放大倍數(shù)都比較大，后級的功率信號很強；由微波技術(shù)理論可知，功率信號的耦合以及對周圍輻射很大，如果部分信號耦合至前級的輸入端，很容易產(chǎn)生自激，甚至損壞直放站的低噪放或者功放；前、后級的信號隔離是關(guān)鍵點；設(shè)計中采用各級分開，各級嚴格用金屬屏蔽盒，密封接地屏蔽，常用微帶隔離器，可以防止各級之間的干擾以及功放的自激。

4.4 直放站上、下行鏈路硬件設(shè)計[4-8]

由功放電路的工作原理知,電路板的介電常數(shù)穩(wěn)定性很重要,選擇電路板材 RO4350,其介電常數(shù)穩(wěn)定為 3.48,采用兩層板,介質(zhì)厚度為40 mil,銅片厚度為1.4 mil,電路板底層與散熱器相連,并且用導(dǎo)熱螺絲緊固，保證良好導(dǎo)熱與散熱。微波功率放大器AGC控制環(huán)路與ALC自動電平控制完成對功率放大模塊的自動增益控制。微波功率放大器的控制環(huán)路，常用功率檢波芯片，數(shù)控衰減或電調(diào)衰減器以及單片機等控制系統(tǒng)組成，實現(xiàn)起來簡單可靠。

由功放的設(shè)計技術(shù)可知,采用功率回退法是最可靠、最有效的非線性改善方法,由于TD直放站的輸出功率不大，采用功率回退法可滿足要求。低噪聲放大管，選用噪聲系數(shù)較低的ATF54143進行放大，原理如圖11,三級級聯(lián)增益大于45 dB,每級噪聲系數(shù)小于等于0.6；低噪放的直流偏置以及阻抗匹配采用ADS進行仿真設(shè)計。

功放部分設(shè)計及AGC自動增益控制環(huán)路，原理如圖12所示,第一級用MW6IC2240,VDD=28 V,IDQ1=210 mA,IDQ2=370 mA,Pout=4.5 W,飛思卡爾公司生產(chǎn)的MW6IC2240,是專業(yè)用于TD-SCDMA功放設(shè)計的芯片,其兩級級聯(lián)集成,典型增益為28 dB。第二級選用飛思卡爾生產(chǎn)的MRF7S19080HR3，Power Gain=18 dB,VDD=28 V,IDQ=750mA,Pout=24 W,最大輸出功率大于等于80W。為使功放有較好的輸出特性，采取Steve Cripps提出了負載線原理，求出最佳負載及直流偏置，然后采用T型阻抗變換匹配至輸出端，有著較寬的帶寬以及較好的帶外信號抑制。

本文根據(jù)TD-SCDMA直放站系統(tǒng)的要求，針對TDSCDMA的無線系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu),使用C8051F340快速單片機控制，GPS精確同步，直放站系統(tǒng)靈活地按時隙功率控制、自動AGC控制環(huán)路、環(huán)形器保護、各級密封隔離、防止自激，功放設(shè)計采用功率回退法，能很好地抑制非線性交調(diào)產(chǎn)物；各級放大管良好散熱，能確保直放站系統(tǒng)的良好性能實現(xiàn)；同時追求系統(tǒng)的簡單可靠、成本低、容易實現(xiàn)。此方案比其他的TD直放站系統(tǒng)設(shè)計具有明顯的優(yōu)越性；能為TD直放站的研發(fā)生產(chǎn)、提高性能、降低成本及風險、縮短開發(fā)周期提供很好的設(shè)計方案。

[1]栗世濤，陳賢亮.TD-SCDMA系統(tǒng)中的DwPTS同步技術(shù)[J].通信技術(shù),2007(9).

[2]劉道生.TD-SCDMA直放站實現(xiàn)同步和切換的方法[J].光通信研究,2007(1).

[3]陳邦媛編著.射頻通信電路[M].科學出版社,2007.

[4]NASKAS N,PAPANANOS Y.An adaptive power amplifier lineariser based on a multilayer perceptron.Vehicular Technology Conference,2003.VTC 2003-spring.The 57th IEEE Semiannual.

[5]SAHU B C,GABRIED A.Rincon-Mora.A high-efficiency linear RF power amplifier with a power-tracking dynamically adaptive buck-bost supply.Microwave Theory Techniques,IEEE Transactions on.2004(6).

[6]AKASAKI T,IWATA M.A mathematical expression of nonlinear distortionin RF power amplifier.Vehicular Technology Conference,2004.VTC 2004-Fall.IEEE 60th.

[7]鮑景富,郭偉，李源.WCDMA線性功率放大器設(shè)計[J].電子科技大學學報,2008,37(1).

[8]孫桂芬.TD-SCDMA直放站研究與設(shè)計[J].全國優(yōu)秀碩士論文,2008,12.