呂 燚,李文生,鄧春健,劉 偉

（電子科技大學(xué) 中山學(xué)院,廣東 中山 528402）

塔頂放大器(TMA)安裝在基站天線的底部，對蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行信號進行低噪聲放大，從而有效提高了上行鏈路接收靈敏度，改善了基站上下行不平衡問題，增大基站有效覆蓋半徑，提高了覆蓋質(zhì)量。同時，安裝塔頂放大器還可以降低掉話率，提高通話質(zhì)量；降低手機輸出功率，為手機用戶帶來節(jié)省電池消耗,減少輻射等益處。

隨著基站系統(tǒng)信息化程度的不斷提高，帶有AISG通信和增益自動補償?shù)闹悄苄蚑MA應(yīng)運而生。符合AISG2.0協(xié)議的TMA實現(xiàn)了基站系統(tǒng)對TMA運行狀態(tài)的全面監(jiān)控，使TMA故障檢測與處理的效率大大提高。

目前，由于價格、技術(shù)等原因，國內(nèi)遵循AISG2.0協(xié)議的TMA的應(yīng)用還處在起步階段，研發(fā)符合AISG2.0協(xié)議規(guī)范的TMA,有助于打破國外技術(shù)壟斷,具有很高應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1 TMA總體結(jié)構(gòu)示意圖

遵循AISG協(xié)議的TMA總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，TMA內(nèi)部包括射頻模塊和嵌入式控制器兩大部分。射頻模塊包括LNA、雙工器、射頻濾波器等，完成對上行信號的低噪聲放大。嵌入式控制器則采用嵌入式處理器和相關(guān)功能模塊,實現(xiàn)了對射頻LNA工作狀態(tài)的監(jiān)控、智能增益補償、過熱保護、AISG通信與故障告警等功能。

TMA與基站之間通過射頻饋線相連，射頻信號、直流電源和AISG通信數(shù)據(jù)共用這一傳輸介質(zhì)?；鞠到y(tǒng)將直流電源、射頻信號和OOK調(diào)制后的數(shù)據(jù)信號耦合到射頻饋線上，TMA將下行射頻信號送入天線，上行射頻信號進行低噪聲放大后傳輸?shù)交鞠到y(tǒng)，同時TMA嵌入式控制器通過其電源模塊獲得系統(tǒng)供電，通過OOK Modem完成與基站的AISG通信。

2 TMA嵌入式控制器硬件設(shè)計

嵌入式控制器硬件主要包括：系統(tǒng)供電模塊、以O(shè)OK Modem為核心的AISG通信模塊、LNA狀態(tài)監(jiān)控電路和MCU最小系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)供電

電源模塊負(fù)責(zé)從射頻饋線上獲得穩(wěn)定的系統(tǒng)供電，而且還要將TMA對射頻饋線的傳導(dǎo)干擾限制在規(guī)定范圍內(nèi)，同時還需滿足AISG協(xié)議在上電浪涌電流和防雷等方面的要求。因而電源模塊的設(shè)計關(guān)系到TMA電氣性能的多個指標(biāo)，是TMA硬件設(shè)計的重點。

AISG協(xié)議規(guī)定：“TMA的上電浪涌電流應(yīng)小于400 mA，輸入端等效電容小于0.5 μF”。本系統(tǒng)中主要采用功率電感來實現(xiàn)電源濾波,濾波電容選用耐壓為100 V的0.1 μF的 MLCC電容,保證輸入端等效電容小于 0.5 μF。按照協(xié)議規(guī)定，上電浪涌電流應(yīng)小于400 mA，雖然由電感構(gòu)成的濾波器對浪涌電流也有限制作用,但是TMA供電電壓為10 V～30 V，而且基站供電電源的動態(tài)特性又各不相同，因而單純依靠濾波電感的無源浪涌抑制方式難以在整個供電范圍內(nèi)保證浪涌電流的設(shè)計要求。浪涌電流主要是由DC/DC輸入側(cè)的濾波電容產(chǎn)生的，根據(jù)i=C·dv/dt可知，抑制浪涌電流主要是抑制電壓變化率。本系統(tǒng)采用了由N溝道MOSFET構(gòu)成的有源浪涌電流抑制電路，利用MOSFET開通過程的彌勒效應(yīng)，使其開通過程工作在恒流區(qū)，通過調(diào)節(jié)柵極電荷充電的速度控制輸出電壓的變化率，使浪涌電流在整個供電范圍內(nèi)都滿足協(xié)議要求。系統(tǒng)供電模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)供電模塊結(jié)構(gòu)圖

考慮到電壓輸入范圍較寬和電源效率的因素,本系統(tǒng)的電源變換部分采用了DC/DC+LDO的設(shè)計方案。DC/DC提供了較高的電源變換效率，LDO則提供了較高的電源噪聲抑制能力。初級變換采用LM34910電源芯片，工作頻率1 MHz,效率最高為 92%，將 10～30 V輸入電壓變換為6.25 V。LNA的供電則采用了低噪聲、高電源抑制比的射頻LDO，其輸出電壓為5 V。LNA采用獨立供電的方式，提高了可靠性。另一路LDO輸出3.3 V為MCU和其他數(shù)字IC供電。

2.2 OOK通信

TMA與基站之間的AISG數(shù)據(jù)通信采用OOK Modem方式。基站通過Smart BiasTee將通信數(shù)據(jù)調(diào)制為OOK信號，耦合到射頻饋線上，TMA則需要提取OOK信號，并解調(diào)出通信數(shù)據(jù)。本電路共包括兩大部分：帶通濾波器 (BPF)和OOK信號調(diào)制解調(diào)電路。帶通濾波器被OOK調(diào)制和解調(diào)電路共用。在信號接收過程中，通過帶通濾波器提取射頻饋線中的OOK載波信號；信號發(fā)送過程中，帶通濾波器則保證只有載波信號可通過，其他高次諧波將無法耦合到射頻饋線上。OOK通信模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,防雷電路與電源模塊共用，OOK Modem電路包括OOK解調(diào)和調(diào)制兩部分。OOK解調(diào)電路包括RF檢波器和遲滯比較器，檢波器完成OOK信號的包絡(luò)檢測，遲滯比較器向MCU產(chǎn)生中斷，據(jù)此中斷信號，MCU可判斷當(dāng)前進行數(shù)據(jù)通信的端口。TMA兩個端口都包含OOK解調(diào)電路，基站可以通過任意一個端口與其通信，當(dāng)TMA向基站發(fā)送信息時，調(diào)制電路工作，通過射頻開關(guān)將信息輸出到相應(yīng)的端口，并斷開解調(diào)電路前的開關(guān)，防止發(fā)送數(shù)據(jù)繞回到數(shù)據(jù)接收端。

圖3 OOK通信模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3 LNA工作狀態(tài)監(jiān)控電路

對LNA工作狀態(tài)的監(jiān)控是通過檢測其偏置電壓實現(xiàn)的，當(dāng)偏置電壓超出正常工作范圍時，認(rèn)為LNA工作異常，需要及時處理。電壓信號測量電路包括抗混疊濾波器和信號調(diào)理電路。由運算放大器構(gòu)成有源抗混疊濾波器防止干擾信號對電壓測量精度的影響。信號調(diào)理電路實現(xiàn)信號范圍的標(biāo)度變換,并且起到阻抗變換的作用，保證測量精度。

由于LNA器件的差異、PCB板材及其腔體的加工誤差，導(dǎo)致TMA出廠時的增益不一定都穩(wěn)定在12 dB，因而需要在出廠前進行增益微調(diào)。此外，TMA工作時的環(huán)境溫度也會對增益產(chǎn)生影響。本系統(tǒng)中，在LNA后級，設(shè)計了由PIN二極管構(gòu)成的電調(diào)衰減器，通過控制PIN二極管的陽極電壓控制衰減幅度。MCU輸出PWM信號，經(jīng)過有源4階巴特沃斯低通濾波器變換為模擬電壓，電路如圖4所示，截止頻率約為16 Hz。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，改變輸出模擬電壓，實現(xiàn)電調(diào)衰減，從而有效提高了TMA出廠前的產(chǎn)品一致性，并且與測溫電路配合，實現(xiàn)了TMA射頻增益的溫度補償，提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖4 電調(diào)衰減器衰減幅度控制電路

3 控制器軟件模塊

TMA嵌入式控制器軟件部分主要包括了AISG協(xié)議棧、LNA工作狀態(tài)測量及故障判別、波特率自適應(yīng)和固件更新等功能。

3.1 AISG協(xié)議設(shè)計實現(xiàn)

AISG2.0協(xié)議是TMA與基站通信的接口，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。如圖3所示,物理層采用OOK Modem方式,數(shù)據(jù)幀的收發(fā)通過MCU的UART完成。協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀字節(jié)之間的延遲應(yīng)小于3 B傳輸所用的時間，以115.2 kb/s為例，字節(jié)之間的延遲應(yīng)該小于270 μs，考慮到中斷方式發(fā)送可能由于更高優(yōu)先級中斷而導(dǎo)致發(fā)送延遲，本系統(tǒng)采用了DMA發(fā)送，發(fā)送的幀數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后啟動DMA,保證了物理層通信滿足AISG2.0的要求。其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖5所示，與物理層對應(yīng)的抽象傳輸接口完成數(shù)據(jù)的透明收發(fā)；HDLC幀處理接口實現(xiàn)了HDLC協(xié)議，并支持XID接口，實現(xiàn)了掃描、建立鏈接、維護鏈接和廣播復(fù)位等功能；應(yīng)用層主要實現(xiàn)相關(guān)命令的解析和執(zhí)行，并在規(guī)定時間內(nèi)向基站返回執(zhí)行的結(jié)果，功能包括設(shè)置增益、TMA參數(shù)設(shè)置、查看/控制LNA狀態(tài)等。

圖5 AISG協(xié)議棧設(shè)計模型

本協(xié)議棧的設(shè)計參考TCP/IP協(xié)議的設(shè)計模式，嚴(yán)格執(zhí)行分層設(shè)計的理念，同時層間數(shù)據(jù)采用零拷貝技術(shù)，保證了協(xié)議的執(zhí)行效率。本設(shè)計中，OOK Modem方式為半雙工通信，數(shù)據(jù)鏈路層按照HDLC協(xié)議非平衡通信方式設(shè)計，TMA作為從機只能接受基站的查詢，而無法主動向基站發(fā)起通信。本設(shè)計中鏈路的維護由HDLC抽象接口實現(xiàn)，對于應(yīng)用層而言，通信鏈路是全雙工的，當(dāng)應(yīng)用層檢測到LNA故障時,可以主動向基站上報故障信息，無需關(guān)心鏈路通信的細(xì)節(jié)。這種設(shè)計保證了協(xié)議可以分層設(shè)計，分層調(diào)試，有效提高了設(shè)計和調(diào)試的效率。

3.2 故障檢測與告警功能

當(dāng)LNA發(fā)生故障時，TMA嵌入式控制器需要將發(fā)生故障的LNA關(guān)閉，防止故障升級。同時，要將故障信息向基站上報，通知工作人員故障類型，便于及時排除。

LNA采用平衡式放大電路，兩路放大器都正常工作時，增益為12 dB，當(dāng)檢測到其中一路電路異常，隔 200 ms后再次查詢，如果連續(xù)三次都異常，則確認(rèn)故障發(fā)生，切斷該放大器的供電，并通過Alarm Indication命令向基站上報故障，此時TMA的增益降為6 dB。如果兩路放大器都發(fā)生故障，則需要關(guān)閉整個LNA的供電，并啟動LNA旁路電路，保證即使在兩路放大器同時發(fā)生故障的極端情況下，通信仍然不會中斷。通常把一路放大器異常的情況稱之為一般故障，將兩路放大器同時異常稱之為嚴(yán)重故障。無論發(fā)生何種故障，TMA都需要通過AISG協(xié)議向基站上報相應(yīng)故障信息。

3.3 波特率自適應(yīng)功能

AISG協(xié)議要求TMA具有波特率自適應(yīng)的功能?；鞠到y(tǒng)可以使用9.6 kb/s、38.4 kb/s和115.2 kb/s任意一種波特率與TMA通信，TMA根據(jù)基站系統(tǒng)采用的波特率自動調(diào)整。波特率自適應(yīng)功能工作流程如圖6所示，首先通過外部中斷判別通信端口，然后按照順序切換波特率，每種波特率維持300 ms。在300 ms期間如果收到CRC校驗正確的數(shù)據(jù)幀，則鎖定當(dāng)前波特率，直到下一次復(fù)位重啟。如果300 ms內(nèi)未收到正確的數(shù)據(jù)幀，但是接收到幀頭0x7E，并且UART接收錯誤次數(shù)小于2，則說明可能正在進行通信，這種情況不切換波特率，而是延時300 ms，并再次執(zhí)行波特率判別邏輯。

4 系統(tǒng)測試

TMA的系統(tǒng)測試主要包括硬件電氣性能測試和協(xié)議棧軟件性能測試兩部分。

電氣性能測試包括：(1)AISG口、射頻口的雷擊測試；(2)EMC測試；(3)浪涌電流測試。測試結(jié)果如表1所示，各方面電氣性能均滿足協(xié)議相關(guān)要求。

圖6 波特率自適應(yīng)模塊流程圖

表1 TMA電氣性能測試

軟件性能測試通過與基站系統(tǒng)的對接測試來完成，包括通信協(xié)議、LNA狀態(tài)監(jiān)測與控制、告警上報、波特率自適應(yīng)和固件更新功能。目前本設(shè)計已經(jīng)順利完成了與華為、諾西、愛立信基站系統(tǒng)的對接，符合AISG2.0規(guī)范，軟件功能完善，性能可靠，并得到了市場的肯定。

本文從實際設(shè)計出發(fā),總體闡述了TMA嵌入式控制器的硬件和軟件結(jié)構(gòu)。詳細(xì)介紹了電源、OOK modem和LNA監(jiān)控電路的設(shè)計思路以及AISG協(xié)議棧、波特率自適應(yīng)和LNA監(jiān)控等模塊的實現(xiàn)方法。本設(shè)計已經(jīng)通過了AISG2.0協(xié)議有關(guān)EMC、雷擊和浪涌電流等電氣性能測試，系統(tǒng)軟件也已經(jīng)完成了與眾多基站系統(tǒng)的對接測試，功能完善，性能可靠，得到了市場的充分肯定。

[1]3GPP TS 25.466 V7.1.0:UTRAN Iuant Interface:Application Part[S/OL].[2007-06].http://www.3gpp.org.

[2]Antenna Interface Standards Group Standard NO.AISGV2.0:Control Interface for Antenna Line Devices[S/OL].[2006-06-13]http://www.aisg.org.uk.

[3]3GPP TS 25.460 V6.2.0:UTRAN Iuant interface:General aspects and principles[S/OL].[2005-03].http://www.3gpp.org.

[4]3GPP TS 25.461 V6.5.0:UTRAN Iuant Interface:Layer 1[S/OL].[2005-12].http://www.3gpp.org.

[5]3GPP TS 25.462 V6.3.0:UTRAN Iuant interface:Signalling transport[S/OL].[2005-09].http://www.3gpp.org.

[6]3GPP TS 25.463 V6.4.0:UTRAN Iuant Interface:Remote Electrical Tilting(RET)antennas Application Part(RETAP)signalling[S/OL].[2005-9].http://www.3gpp.org.