呂　燚，鄧春健，鄒　昆

(1.電子科技大學 中山學院 計算機學院,廣東 中山 528402；2.電子科技大學 計算機科學與工程學院,成都 611731)

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帶駐波故障監(jiān)測功能的AISG塔頂放大器控制單元設計*

呂燚**，鄧春健1，2，鄒昆1，2

(1.電子科技大學 中山學院 計算機學院,廣東 中山 528402；2.電子科技大學 計算機科學與工程學院,成都 611731)

根據(jù)AISG2.0協(xié)議對帶駐波檢測功能的塔頂放大器(TMA)中狀態(tài)監(jiān)控、故障告警和數(shù)據(jù)通信的技術要求，提出了TMA嵌入式控制單元的設計及實現(xiàn)方法。硬件部分首先概述了總體設計方案，然后闡明了OOK(On-Off Keying)模塊、可配置式電流告警電路、浪涌電流抑制電路和駐波檢測功能的設計思路;軟件部分詳細介紹了AISG協(xié)議棧的設計方法，并給出了低噪聲放大器(LNA)及駐波故障的檢測流程。測試證明，本系統(tǒng)的電氣性能、監(jiān)控功能以及協(xié)議完整性均滿足AISG2.0協(xié)議的要求，并完成了與主流基站系統(tǒng)廠家的互操作測試。

基站；塔頂放大器；控制單元設計；AISG協(xié)議；浪涌電流抑制；駐波檢測

1　引　言

隨著移動通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，競爭日益激烈，如何以較低成本有效解決網(wǎng)絡覆蓋、提高覆蓋質(zhì)量成為網(wǎng)絡運營商提高經(jīng)濟效益的主要途徑。塔頂放大器(Tower Mounted Amplifier,TMA)位于基站接收系統(tǒng)的最前端，對天線接收到的上行信號進行低噪聲放大，可以顯著提高基站上行信號的信噪比，改善上行鏈路接收靈敏度，最終達到降低掉話率、提高通話質(zhì)量的目的[1]。在現(xiàn)有基站系統(tǒng)中增加TMA是改善上下行不平衡問題、增加有效覆蓋半徑和提高覆蓋質(zhì)量的最為經(jīng)濟的有效手段之一，受到了系統(tǒng)運營商的青睞[2]。

無線接口標準組織(Antenna Interface Standards Group，AISG)協(xié)議是由世界主流的移動通信系統(tǒng)廠商和微波天線相關廠家聯(lián)合制定的天線智能化設備與基站之間的通信規(guī)范[3]，TMA是第一批納入AISG協(xié)議的微波設備。遵循AISG協(xié)議的智能型TMA主要功能包括：實時監(jiān)控低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)的工作狀態(tài)并通過AISG協(xié)議將其狀態(tài)報告給基站；當發(fā)生LNA過流、過熱等異常情況下自動關閉LNA，切換到旁路狀態(tài)；檢測天線射頻端口駐波比，若發(fā)生駐波(Standing Wave，SW)故障則向基站上報駐波告警；接收并處理基站的AISG命令，實現(xiàn)TMA的狀態(tài)設定和增益調(diào)節(jié)等功能[4]。研發(fā)遵循AISG協(xié)議的智能型TMA有助于基站對LNA運行狀態(tài)進行全面實時監(jiān)控，大大提高故障檢測和處理的效率，具有很高應用價值。

本設計中采用了射頻部分與嵌入式控制單元分離的設計方案，射頻部分主要包括LNA、PIN二極管構(gòu)成增益微調(diào)電路、旁路電路以及環(huán)形器等微波器件組成。嵌入式控制單元主要包括LNA狀態(tài)監(jiān)控、駐波故障監(jiān)控、告警電路以及AISG通信等部分。本文將從硬件和軟件等方面詳細介紹TMA嵌入式控制單元的設計思路。

2　硬件設計

2.1系統(tǒng)總體方案

該系統(tǒng)選用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VBT6作為控制核心，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件電路包括嵌入式最小系統(tǒng)、OOK調(diào)制解調(diào)電路、防雷保護及浪涌電流抑制、LNA狀態(tài)檢測電路、駐波監(jiān)控和電流告警電路等。其中OOK調(diào)制解調(diào)電路實現(xiàn)了滿足AISG性能要求的OOK通信；LNA狀態(tài)檢測電路通過檢測LNA的工作電流來判別其工作是否異常；駐波檢測模塊通過檢測射頻發(fā)射功率和反射功率來檢測駐波異常；電流告警電路可以通過工作電流的突變來向基站報告TMA的故障信息；防雷保護電路采用了防雷管和兩級TVS構(gòu)成的三級防雷結(jié)構(gòu)；浪涌電流抑制電路保證了TMA在接入系統(tǒng)的瞬間浪涌電流符合AISG協(xié)議要求。

圖1　帶駐波故障監(jiān)控功能TMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2通信模塊

AISG協(xié)議規(guī)定物理層為485通信和載波頻率為2.176 MHz的OOK通信兩種方式，TMA中采用OOK通信方式，OOK調(diào)制解調(diào)電路如圖2所示，采用了Maxim公司的集成OOK Modem芯片MAX9947，外接8.704 MHz無源晶振，內(nèi)部4分頻得到載波信號。圖中BIAS端輸出1.5 V參考信號，R153和R151分壓后接RES端，其電壓決定了OOK信號輸出功率。MAX9947支持AISG協(xié)議要求的3種通信波特率，通過配置DIRMD1和DIRMD2來優(yōu)化在不同波特率下的檢波延遲，本系統(tǒng)中單片機通過DM1和DM2來選擇。圖中C19、C25和L7構(gòu)成了OOK信號的低通濾波器，截止頻率3 MHz。C10為耐壓2 kV的耦合電容，L2為47 μH的功率電感，隔離直流供電和OOK信號。由于STM32單片機采用3.3 V供電，而MAX9947為5 V供電，因而本設計中將單片機的DM1、DM2和TXIN等輸出管腳配置為開漏輸出模式，外接4.7 kΩ上拉電阻到5 V，實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。STM32單片機的IO口可以耐受5 V輸入，因而RXOUT可以直接和單片機UART的RXD相連。

圖2　OOK調(diào)制解調(diào)電路

2.3可配置式電流告警電路

當TMA和基站無法進行AISG通信的情況下，TMA工作在電流告警模式。所謂電流告警就是當TMA檢測到故障時，在正常工作電流的基礎上額外增加電流消耗，基站通過TMA工作電流的突變來感知TMA是否發(fā)生故障，不同的電流值代表不同的故障狀態(tài)。AISG協(xié)議規(guī)定TMA的供電電壓范圍為10～30 V,因而要求電流告警電路能夠在整個工作電壓范圍內(nèi)準確控制電流消耗。

本系統(tǒng)的可配置式電流告警電路由兩部分組成，如圖3所示，由二階Butterworth低通濾波器電路和受模擬電壓控制的負反饋式電流告警電路組成。圖中POWER為電源輸入端，PWM_A為微控制器的PWM信號輸出，頻率為10 kHz，DISABLE信號用于關閉電流告警功能。二階Butterworth低通濾波器由電阻R102、R103，電容C137、C138和運算放大器U10-B組成，其傳遞函數(shù)為1/(RCS+1)2,其中R為10 kΩ，C為0.1 μF,通帶內(nèi)增益為1，截至頻率為160 Hz，遠低于 PWM信號的頻率，實現(xiàn)了將PWM信號轉(zhuǎn)換為相應的模擬電壓信號，其關系為Vpwm=5×Q,其中Q為PWM信號占空比。電壓控制的負反饋式電流告警電路由電阻R111、R113、R121，運算放大器U10-A和達林頓管Q8組成，其中R111和R113先將Vpwm電壓衰減為原信號的0.55倍，R121為大功率電阻，阻值11 Ω，流過R121的電流為I，由運放構(gòu)成的電流負反饋電路關系可得Vpwm×0.55 =I×11,化簡得I=0.05×Vpwm=0.25×Q，即該電路的電流消耗由PWM信號的占空比決定，不受系統(tǒng)供電電壓變化的影響。該電流池電流消耗可調(diào)節(jié)的范圍為0～250 mA，微控制器通過控制PWM信號的占空比便可設置不同的告警電流。當TMA工作在AISG模式下，需要關閉電流告警電路時，將DISABLE引腳置為高電平，徹底關閉達林頓管，從而關閉電流告警功能。

圖3　可配置式電流告警電路

2.4浪涌電流抑制電路

在TMA中電源輸入端、LNA供電端有較大的儲能電容，當與基站系統(tǒng)連接時會產(chǎn)生很大的浪涌電流[5-6]，遠遠超過AISG協(xié)議所規(guī)定的400 mA的上限值，基站檢測到浪涌電流過大后會切斷TMA的供電，導致系統(tǒng)功能失效。本項目中設計了如圖4所示的浪涌電流抑制電路，上電瞬間，PMOS管Q2為調(diào)整管，T1、R7構(gòu)成電流負反饋電路，R7阻值為2 Ω，當電流達到320 mA后，T1導通，Q2的門極電壓升高，限制輸入電流的進一步增加，從而實現(xiàn)了浪涌電流的抑制，滿足AISG的最大400 mA的限制。由于R7阻值較大，在TMA正常工作期間，R7上會形成較大的壓降，發(fā)熱嚴重，且當多路LNA所需工作電流超過320 mA時，該限流電路會影響LNA正常工作，因而本項目中在限流電路的基礎上增加了R7旁路功能。上電瞬間U1輸入高電平，T2截至，Q1不導通；然后電源對C1充電，當U1輸入端為低電平時，T2導通，Q1導通，將R7旁路，實現(xiàn)了上電瞬間抑制浪涌電流，且在上電后正常工作期間，該限流電路不起作用。

圖4　浪涌電流抑制電路

2.5駐波檢測電路

駐波檢測功能用于檢測TMA與天線相連的端口的功率反射情況，駐波較大時會影響TMA的下行匹配，當檢測到駐波異常時TMA控制單元需要向基站上報駐波告警。射頻功率檢波電路如圖5所示，采用ADI公司的對數(shù)檢波器AD8313完成大動態(tài)范圍內(nèi)的功率檢波。大功率下行信號通過衰減40 dB的定向耦合器后接入到圖5中的RFIN，C5為耦合電容，R6、R7、R8構(gòu)成了-12 dB的PI型衰減器，從而使AD8313的輸入信號滿足其輸入功率上限為25 dBm的要求。AD8313內(nèi)部輸入電阻為900 Ω，R9與其并聯(lián)構(gòu)成了約50 Ω的輸入阻抗，AD8313的輸出電壓經(jīng)過由U2構(gòu)成的同相放大電路放大兩倍，最終單片機通過ADC檢測電壓VOUT可以判別射頻功率。

圖5　射頻功率檢測電路

每一路駐波檢測需要兩路圖5所示的功率檢波電路，一路用于檢測下行發(fā)射功率，得到模擬電壓Vd，另一路檢測反射功率，相應的檢波電壓為Vf。下行信號發(fā)射過程中，如果檢波電壓超過某一閥值，即認為發(fā)生駐波異常，Vd和Vf的閥值電壓通過實際測試來標定，本系統(tǒng)中當Vd>1.2 V且Vd-Vf<0.5 V時，便認為反射功率過高，發(fā)生了駐波異常，需要控制單元向基站報告駐波告警信息。

3　軟件設計

TMA嵌入式控制單元的軟件主要包括三大功能模塊，分別是AISG協(xié)議棧、TMA狀態(tài)檢測與告警模塊和固件更新功能。AISG協(xié)議棧包括了數(shù)據(jù)收發(fā)、AISG命令與參數(shù)的解析以及ASIG回應命令的封裝等功能。TMA狀態(tài)監(jiān)控與告警功能主要負責對LNA工作狀態(tài)、駐波狀態(tài)的實時監(jiān)控，如果發(fā)生異常自動切換TMA工作狀態(tài)并向基站上報告警信息。固件更新模塊實現(xiàn)了固件的下載、存儲，最后在系統(tǒng)引導程序中實現(xiàn)固件更新。

3.1AISG協(xié)議棧

AISG2.0協(xié)議定義了TMA與基站通信的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，其協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　AISG協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

AISG2.0協(xié)議物理層支持OOK Modem和485兩種方式，均為半雙工通信方式，TMA中只保留了OOK通信。數(shù)據(jù)鏈路層遵循HDLC協(xié)議，按照HDLC協(xié)議非平衡通信方式設計，實現(xiàn)了HDLC協(xié)議，數(shù)據(jù)的收發(fā)通過單片機UART完成。AISG協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀字節(jié)之間的延遲需小于3 B傳輸時間，以115 200 b/s為例，字節(jié)之間的時間間隔需小于260 μs，為了防止因更高優(yōu)先級中斷而導致字節(jié)之間間隔過長，本系統(tǒng)中采用DMA發(fā)送方式，封裝好AISG數(shù)據(jù)幀之后直接啟動DMA發(fā)送即可。數(shù)據(jù)接收也由DMA完成，UART收到數(shù)據(jù)后自動由DMA存儲，單片機定時查詢接收數(shù)據(jù)，這樣既保證了不會丟失接收數(shù)據(jù)也避免了大量數(shù)據(jù)通信過程中頻繁中斷CPU。在HDLC幀處理接口除了負責應用層數(shù)據(jù)幀的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，還實現(xiàn)了設備掃描、賦地址、建立連接、斷開連接、鏈路復位等XID幀接口功能。應用層主要由兩部分組成：第一部分是AISG命令接口，實現(xiàn)TMA狀態(tài)檢測、控制以及告警等命令與AISG命令、參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換；第二部分為抽象AISG命令接口，完成AISG幀中INFO域的封裝和解析。

本協(xié)議棧的設計參考TCP/IP協(xié)議的設計模式，嚴格執(zhí)行分層設計的理念，同時層間數(shù)據(jù)采用零拷貝技術，保證了協(xié)議的執(zhí)行效率[4]。

3.2TMA狀態(tài)監(jiān)測與告警上報

TMA狀態(tài)監(jiān)測主要包含對LNA工作狀態(tài)和駐波電壓的監(jiān)測，程序流程如圖7所示。

圖7　TMA狀態(tài)監(jiān)測流程圖

對LNA狀態(tài)的監(jiān)測主要通過其工作電流來判別，在LNA供電端串聯(lián)2.2 Ω電阻，通過電阻壓降來計算其工作電流。LNA正常工作電流為60 mA，當檢測到電流高于80 mA或是低于40 mA認為LNA工作異常。

本設計中的TMA為雙通道塔放，每個通道由兩個LNA構(gòu)成平衡式放大電路，當檢測到LNA異常后，首先關閉其供電，然后記錄該通道故障LNA的個數(shù)，當只有一個LNA因故障而關閉時，上報次要告警；當兩個LNA都發(fā)生異常時，則上報嚴重告警，并通過PIN二極管將該通道設置為旁路(Bypass)狀態(tài)。最后檢測駐波電壓是否正常，如果存在駐波異常則還需上報駐波告警。由于AISG協(xié)議采用的是HDLC中的非平衡傳輸模式，所上報的告警信息并不會立即發(fā)送給基站，而只是進入TMA的告警信息隊列，等待基站通過RR幀來查詢告警狀態(tài)。

4　系統(tǒng)測試

帶駐波檢測TMA嵌入式控制單元的測試主要包括電氣性能和協(xié)議互操作測試兩部分。

電氣性能測試包括射頻端口的雷擊、EMC和浪涌電流測試。測試結(jié)果如表1所示，可見各電氣性能均滿足AISG協(xié)議相關要求。

表1　TMA控制單元電氣性能測試結(jié)果

TMA的互操作(Interoperability Test，IOT)測試主要包括兩部分內(nèi)容：首先是協(xié)議符合度測試，通過與基站系統(tǒng)或是RRU的AISG通信測試檢驗協(xié)議實現(xiàn)的完整性；其次是完成TMA功能測試，主要包括LNA狀態(tài)監(jiān)測與控制、駐波異常監(jiān)測和AISG告警上報功能。本項目研發(fā)的TMA已經(jīng)完成了與華為、中興、愛立信等主流基站廠家的RRU以及凱瑟琳、捷盟等廠家的集中控制單元(Central Control Unit,CCU)的IOT測試和TMA功能測試，能正常監(jiān)測、控制LNA工作狀態(tài)，并能及時上報LNA和駐波告警。

5　結(jié)束語

本文以實際項目為基礎，詳細介紹了帶有駐波檢測功能的TMA系統(tǒng)設計過程。硬件設計部分給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，詳細介紹了OOK調(diào)制解調(diào)電路，闡述了浪涌電流抑制電路和可配置式電流告警電路的設計思路，給出了駐波檢測電路。軟件設計部分詳細介紹了AISG協(xié)議棧和固件更新功能的設計思路，給出了TMA狀態(tài)監(jiān)測和告警上報功能的實現(xiàn)方法。本設計前期已經(jīng)完成了AISG協(xié)議規(guī)定的EMC、雷擊等電氣性能測試、基站系統(tǒng)廠家的IOT測試和TMA功能測試，已經(jīng)進入批量生產(chǎn)階段。實際應用表明，本設計完全符合AISG2.0規(guī)范要求，協(xié)議實現(xiàn)完整，保護功能完善，得到了市場的充分肯定。

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呂燚(1981—)，男，山西大同人，2006年于廣東工業(yè)大學獲工學碩士學位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為智能控制技術、可靠性建模與維修;

LYU Yi was born in Datong,Shanxi Province,in 1981. He received the M.S. degree from Guangdong University of Technology in 2006. He is now an associate professor. His research concerns intelligent control technology,reliability modeling and maintenance.

Email：lvyi913001@163.com

鄧春健(1980—)，男，廣東韶關人，2007年獲博士學位，現(xiàn)為教授，主要研究方向為信息顯示技術、通信技術;

DENG Chunjian was born in Shaoguan,Guangdong Province,in 1980. He received the Ph.D.degree in 2007.He is now a professor. His research concerns information communication and display.

鄒昆(1980—)，男，湖北鄖西人，2008年獲博士學位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為圖形圖像處理。

ZOU Kun was born in Yunxi,Hubei Province,in 1980.He received the Ph.D.degree in 2008. He is now an associate professor. His research concerns computer graphics and digital image processing.

Cultivation Plan of the Outstanding Young Teachers in Guangdong Province(Yq2013206);The Science and Technology Planning Project of Zhongshan(2014A2FC378);Project on the Integration of Industry,Education and Research of Zhongshan(2013C2FC0019)

Design of Control Unit of AISG Tower Mounted Amplifier with Standing Wave Fault Monitoring Function

LYU Yi1,DENG Chunjian1，2，ZOU Kun1，2

(1.School of Computer Engineering,Zhongshan Institute,University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan 528402,China；2.School of Computer Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731,China)

According to AISG2.0 technical requirement for Tower Mounted Amplifier(TMA) with standing-wave monitoring function on state detection,fault report and data communication,the design and realization method are presented. In the hardware aspect,system diagram is given first,and then the on-off keying(OOK) module,configurable current alarm circuit,inrush current suppression and standing-wave measurement circuit are investigated. Implementation method of AISG protocol stack and low noise amplifier(LNA) and standing wave fault detection flow are discussed in detail. Test of electrical performance,monitoring function and protocol integrity shows that the present design scheme primely matches the requirement of AISG2.0,and interoperability test with major base station system supplier has been successfully accomplished.

base station;tower mounted amplifier(TMA);control unit design;AISG protocol;inrush current suppression;standing wave detection

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.10.013

2016-02-24；

2016-05-10Received date:2016-02-24；Revised date：2016-05-10

廣東省高等學校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃(Yq2013206) ;中山市科技計劃項目(2014A2FC378);中山市產(chǎn)學研合作項目(2013C2FC0019)

TN857

A

1001-893X(2016)10-1134-06

引用格式：呂燚，鄧春健，鄒昆.帶駐波故障監(jiān)測功能的AISG塔頂放大器控制單元設計[J].電訊技術，2016,56(10):1134-1139.[LYU Yi,DENG Chunjian，ZOU Kun.Design of control unit of AISG tower mounted amplifier with standing wave fault monitoring function[J].Telecommunication Engineering,2016,56(10):1134-1139.]

**通信作者：lvyi913001@163.comCorresponding author：lvyi913001@163.com1