呂 燚， 高軍燕

(1.電子科技大學(xué) 中山學(xué)院,廣東 中山 528402;2.電子科技大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610500)

0 引 言

為了規(guī)范應(yīng)用日益增多的天線線上設(shè)備(Antenna Line Device，ALD)與基站系統(tǒng)之間的通信，全球主要天線廠家聯(lián)合微波器件廠家共同制定了天線接口標(biāo)準(zhǔn)組(Antenna Interface Standards Group, AISG)協(xié)議。該協(xié)議先后經(jīng)歷1.0、1.1和2.0 3個版本，最新的2.0版本已經(jīng)與3GPP TS-25.460-466國際標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。AISG協(xié)議已成為基站與ALD之間通信的事實標(biāo)準(zhǔn)，也是目前ALD設(shè)備進入市場的必須跨越的技術(shù)門檻之一。文獻[1]中指出了電調(diào)天線和塔頂放大器等設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的突出作用，文獻[2]中給出了基于AISG協(xié)議的多頻段電調(diào)天線控制器設(shè)計方案，文獻[3]中提出了AISG協(xié)議上位機軟件的設(shè)計與實現(xiàn)方法，文獻[10]中研究了高效ASIG協(xié)議設(shè)備掃描算法的設(shè)計方法，文獻[12]中研究了ALD設(shè)備手持控制器的軟硬件設(shè)計方法。

塔頂放大器(Tower Mounted Amplifier, TMA)是安裝在基站天線底部用于放大上行信號的低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，可以改善上行信號質(zhì)量，提高上行信噪比，是解決基站上下行信號不平衡問題，提升基站覆蓋距離和覆蓋質(zhì)量的有效手段[2]，是第一批被納入AISG協(xié)議的ALD設(shè)備。在基站選址和建設(shè)成本日益增加的情況下，以最低的成本提升信號質(zhì)量和覆蓋范圍成為各大移動運營商的首選方案[1,5]，因而塔頂放大器的價值得到了移動運營商的廣泛認可。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)制式的不同TMA分為頻分復(fù)用TMA和時分復(fù)用TMA(Time Division Duplex-TMA，TDD-TMA)兩種，其中TDD-TMA在4G網(wǎng)絡(luò)以及未來的5G網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。文獻[6]中研究了頻分復(fù)用TMA的設(shè)計方法，文獻[4]中提出了帶有駐波檢測功能的頻分復(fù)用TMA設(shè)計方案，進一步完善了TMA的狀態(tài)監(jiān)測功能。

本文將從控制和軟件方面給出TDD-TMA嵌入式控制單元的設(shè)計思路，介紹TDD收發(fā)控制模塊、OOK通信和同步信號檢測等模塊的電路設(shè)計，提出ASIG協(xié)議棧和TMA故障檢測與處理的設(shè)計思路和軟件實現(xiàn)方法，并完成塔頂放大器的OOK通信測試和故障處理功能的測試。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ALD設(shè)備通過TMA與基站相連的示意圖如圖1所示，TMA與基站之間采用射頻饋線連接，通過AISG線纜與其他ALD設(shè)備相連。其內(nèi)部嵌入式控制單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，硬件部分主要包括兩組射頻信號收發(fā)模塊、OOK通信電路、(收發(fā)模塊)工作狀態(tài)監(jiān)控模塊、過流保護、電流告警和嵌入式控制器最小系統(tǒng)組成。

AISG通信電路實現(xiàn)OOK信號調(diào)制解調(diào)以及基站、TMA和其他ALD之間的互聯(lián)。為了防止由于其他ALD設(shè)備短路故障導(dǎo)致TMA失效，在其AISG接口端設(shè)計了硬件過流保護電路，當(dāng)過流時自動切斷對外供電。收發(fā)模塊實現(xiàn)上下行信號的分時切換，并在上下行通道間提供足夠的隔離度，防止出現(xiàn)閉環(huán)自激和大功率信號損壞LNA的情況。同步信號檢測電路采用了有效值功率檢波的方法完成了從下行信號中檢測收發(fā)同步信號，收發(fā)模塊根據(jù)該同步信號進行上下行通道切換。工作狀態(tài)監(jiān)控電路采用了監(jiān)控TMA上行通道有源器件的工作電流的方式來判斷其是否處于故障狀態(tài)，由于有源器件是在收發(fā)同步信號的控制下工作的，因此工作電流檢測也需要和該信號同步，保證只在上行時隙中對其進行采集。為了保證在AISG通信中斷的情況TMA仍具備向基站上報告警的功能[6]，系統(tǒng)中設(shè)計了電流告警功能，通過主動改變其工作電流來告知基站相應(yīng)的告警信息。

圖1 TDD-TMA系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 AISG通信接口電路

AISG協(xié)議物理層支持485和OOK載波通信兩種方式。TMA直接與射頻饋線相連，所以將ASIG通信信號通過OOK方式耦合到射頻饋線上是目前TMA的主流設(shè)計方法。TMA通過射頻饋線與基站系統(tǒng)相連，通過AISG端口與其他ALD設(shè)備采用菊花鏈的方式相連，因而TMA中的OOK調(diào)制解調(diào)電路應(yīng)實現(xiàn)基站、TMA控制器和其他ALD設(shè)備之間的信號互聯(lián)。本系統(tǒng)中設(shè)計的OOK通信電路如圖2所示，圖中OOK端口為載波信號，通過高壓耦合電容與射頻饋線相連，MCU-TX和MCU-RX分別與單片機的UART模塊相連，485A和485B和AISG接口相連，圖中HMC349為射頻開關(guān)，AD8310為對數(shù)放大器。該電路處于接收狀態(tài)時，OOK信號經(jīng)過AD8310進行檢波，其輸出VOUT與OOK信號的功率成正比，通過比較器U4-A與閾值檢測電壓比較得到接收信號，該接收信號發(fā)送到單片機和AISG端口，U7-A為74HC123，用于構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，其輸出與U15的收發(fā)控制端相連。數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，U1-B的輸出TX將控制射頻開關(guān)是否輸出OOK載波信號。為了防止TX的發(fā)送信號繞回到接收端RX，設(shè)計了由D3、D4、R13、R14和C7組成的非對稱充放電電路，當(dāng)TX為低電平時，R14電阻小，放電速度快，TX為高電平時C7的充電速度則要慢得多，實現(xiàn)了在信號發(fā)送期間比較器U4-B的同相端電壓低于反相端，拉低其輸出信號，即保證了在TX發(fā)送信號過程中RX始終為空閑狀態(tài)高電平。

圖2 OOK通信電路

2.2 收發(fā)模塊設(shè)計

TDD-TMA中上下行信號頻率相同，而是采用不同的時隙來完成信號收發(fā)，因而需要其與基站信號保持同步，在接收和發(fā)送兩種狀態(tài)之間切換，并保證上行時隙內(nèi)不會產(chǎn)生閉環(huán)自激，下行時隙內(nèi)不會有大功率信號進入LNA。本設(shè)計中的收發(fā)控制模塊示意圖如圖3所示，該模塊有下行通道、上行通道和(上行)旁路通道構(gòu)成，圖中L1～L4為1/4波長微帶線，D1和D2為PIN二極管，控制S1和S2的電壓調(diào)節(jié)PIN二極管的偏置實現(xiàn)射頻開關(guān)的功能。A1和A2為環(huán)行器，S3和S4為大功率射頻單刀雙擲開關(guān)，其開關(guān)狀態(tài)受同步信號控制，如圖所示，S3和S4共同決定LNA是否接入到上行通道中，上行時隙內(nèi)，上行信號經(jīng)過A2、S4進入LNA，放大后經(jīng)過S3和A1回到基站，為了防止產(chǎn)生閉環(huán)自激，期間S1保持高電平，即切斷下行通道。圖中的壓控增益衰減器主要用于對LNA的放大倍數(shù)進行溫度補償，保證在TMA整個工作溫度范圍內(nèi)保持恒定的上行增益。當(dāng)LNA、S3或S4發(fā)生故障時，要通過S3和S4切斷上行通道，并將S2變?yōu)榈碗娖剑油ㄅ月吠ǖ?，并通過AISG命令或是電流告警方式向基站上報告警信息。

圖3 收發(fā)控制模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電流告警電路

當(dāng)TMA和基站無法進行AISG通信的情況下，TMA需要通過電流告警方式向基站上報故障信息。電流告警是指當(dāng)TMA故障時，在其正常工作電流基礎(chǔ)上額外增加一定的電流消耗，額外增加的電流消耗量代表告警等級，基站通過檢測其電流的突變來感知TMA是否發(fā)生故障。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(zhǔn)確控制電流消耗。電流告警電路如圖4所示，PWM_A為單片機的PWM信號輸出，經(jīng)過由運放和R5、R6、C1、C2構(gòu)成的2階Butterworth低通濾波電路得到模擬電壓Upwm，該低通濾波電路的傳遞函數(shù)為1/(RCs+1)2,其帶內(nèi)增益為1，截至頻率為160 Hz，得到Upwm=Q×5 V，Q為PWM信號占空比。運放U2-A和R8、R9、R4、R10、Q1和R11構(gòu)成了電壓-電流變換電路，其中Q1為達林頓管，R11為2512封裝的功率電阻，由電流負反饋電路關(guān)系可得Upwm×0.55=I×11,化簡得I=0.05×Upwm，即該電路的電流消耗由PWM信號的占空比決定，而與電源電壓無關(guān)，實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)PWM信號占空比，改變該電流告警電路的電流消耗[5-7]。由于故障時關(guān)閉了LNA和射頻開關(guān)，因而告警時該電路總的電流消耗應(yīng)等于告警電流和LNA與射頻開關(guān)工作電流之和，圖中的U3用于檢測LNA和射頻開關(guān)的正常工作電流。在AISG工作模式，通過將DISABLE置為高點平，徹底關(guān)閉電流告警功能。

圖4 電流告警電路

2.4 過流保護電路

TMA通過其AISG接口則與其他ALD設(shè)備通過菊花鏈形式相連，例如實際中最常見的電調(diào)天線控制器，TMA需要為AISG接口提供電源，為了防止由于ALD設(shè)備過流或者短路而造成TMA不能正常工作的情況出現(xiàn)，在TMA中集成了過流保護電路[7-9]。當(dāng)AISG總線輸出電流超過規(guī)定閾值(3 A)時，便認為發(fā)生過流，切斷對外電源輸出。過流保護電路如圖5所示，R1采用50 mΩ的合金電阻，PNP對管BCM857構(gòu)成了鏡像電流源電路[10-11]，由鏡像電流源特性可知，I3=I1/1 000，U1=I3×R5，因而當(dāng)電流i1超過3 A時，U1為高電平，T2輸出低電平，Q3截至，從而Q2關(guān)閉，切斷對外AISG供電。圖中的U1和U2與單片機相連，當(dāng)單片機檢測到U2為低電平時，表明發(fā)生過流，此時單片機通過U1端口輸出高電平，徹底切斷AISG接口的電源。

圖5 過流保護電路

3 軟件設(shè)計

3.1 AISG協(xié)議棧

AISG協(xié)議采用3層網(wǎng)絡(luò)模型，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。物理層為OOK Modem或485通信，在本設(shè)計中基站與TMA之間采用OOK方式將電源信號和AISG信號耦合到射頻饋線上，簡化安裝并降低了成本，從TMA到其他RET設(shè)備之間的通信采用485方式。AISG協(xié)議規(guī)定了3種通信波特率，并要求通信字節(jié)之間的時間間隔小于3 ms，本設(shè)計中為了避免通信過程中UART模塊頻繁中斷處理器，采用了DMA方式實現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)的自動收發(fā)，大大提高了執(zhí)行效率。數(shù)據(jù)鏈路層采用了非平衡方式的HDLC規(guī)范[12]，通信主體有主從之分，基站是主機，ALD為從機。圖6中數(shù)據(jù)鏈路層共實現(xiàn)3種格式的數(shù)據(jù)幀，其中XID幀主要用于設(shè)備掃描以及鏈路的建立與維護[12]，I幀則用于應(yīng)用層通信，U幀則主要用于在非平衡鏈路方式下實現(xiàn)應(yīng)用層的告警主動上報功能。應(yīng)用層中的AISG命令解析接口負責(zé)從接收到的AISG幀中解析命令參數(shù)并將執(zhí)行結(jié)果封裝到I幀中，TMA狀態(tài)監(jiān)控模塊實現(xiàn)TMA狀態(tài)查詢、設(shè)置以及故障情況下的自恢復(fù)等，AISG參數(shù)模塊完成TMA射頻參數(shù)、配置參數(shù)的存儲與讀取，固件更新模塊用于TMA固件的遠程升級[13]。本設(shè)計嚴格按照分層思想設(shè)計，綜合運用DMA收發(fā)和零拷貝技術(shù)，有效提高了協(xié)議的執(zhí)行效率。

圖6 AISG協(xié)議棧設(shè)計模型

3.2 過流故障檢測與處理

本設(shè)計中通過監(jiān)控TMA中關(guān)鍵有源射頻元件的電流來判別其工作狀態(tài)，包括圖3中所示的LNA芯片A3和大功率射頻開關(guān)S3和S4。當(dāng)其工作電流超過正常工作電流±50%便認為其電流異常，為故障狀態(tài)。當(dāng)LNA故障時程序需要立即關(guān)斷LNA電源，上行通道切換到旁路狀態(tài)，并進行電流告警或是通過AISG向基站上報LNA故障告警信息。為了避免故障由有源器件非永久失效觸發(fā)而導(dǎo)致TMA長時間處于旁路狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)定了定時復(fù)檢的功能。故障檢測流程如圖7所示，復(fù)檢定時器溢出后會重新啟動上行通道，再次對其工作狀態(tài)進行檢測。

4 系統(tǒng)測試

TMA控制單元的系統(tǒng)測試主要包括AISG物理層電氣性能測試和應(yīng)用層協(xié)議對接測試，其中TMA故障檢測與處理功能測試是對接測試的重點[14-15]。OOK電路測試波形如圖8所示，1號通道為OOK通信信號，2、3號通道分別為圖2中的485A和485B信號。調(diào)節(jié)圖2中R8和R9的電阻值可以O(shè)OK模塊的解調(diào)靈敏度，調(diào)節(jié)由R5、R6和R50構(gòu)成的衰減電路可以改變其發(fā)射功率，本設(shè)計中最終實測解調(diào)靈敏度為-18 dBm，ON狀態(tài)調(diào)制發(fā)射功率為+4 dBm，OFF狀態(tài)為-40 dBm，滿足AISG規(guī)范要求。

圖7 故障檢測與處理流程圖

圖8 OOK調(diào)制解調(diào)電路測試波形

應(yīng)用層測試主要完成了TMA正常狀態(tài)下與基站系統(tǒng)的通信，實現(xiàn)了包括設(shè)備掃描、建立連接、參數(shù)配置、固件更新、TMA狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)反饋和獲取告警信息等功能。為驗證TMA的故障處理性能，測試中模擬了LNA、射頻開關(guān)工作電流異常和同步信號丟失3種故障，AISG模式下射頻開關(guān)故障上報次要告警，LNA故障上報主要告警，同步信號丟失則反復(fù)上報兩種告警信息，上報時間間隔為2 s。當(dāng)AISG通信中斷時，TMA自動切換到電流告警模式下，電流告警閾值分別為50 mA和90 mA，分別對應(yīng)AISG次要和主要告警。該故障處理模式得到了基站廠家的一致認可，長期工作穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

本文從控制電路和軟件實現(xiàn)兩方面詳細介紹了遵循AISG規(guī)范的TDD-TMA控制器的設(shè)計思路。首先介紹了基站與包括TMA在內(nèi)的ALD設(shè)備互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，給出了TDD-TMA的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)并分析各功能模塊的作用，然后從OOK通信電路、收發(fā)控制模塊、電流告警和過流保護電路4個方面闡述控制器的硬件設(shè)計，軟件部分主要介紹了在嵌入式平臺上AISG協(xié)議棧的設(shè)計思路和TMA狀態(tài)監(jiān)控和故障處理功能的實現(xiàn)方法，最后給出了控制器硬件及協(xié)議對接測試結(jié)果。本設(shè)計已經(jīng)完成了與基站系統(tǒng)的協(xié)議測試和TMA功能測試，并且已經(jīng)量產(chǎn)應(yīng)用于中國移動4G基站系統(tǒng)中，狀態(tài)監(jiān)控功能完善，長期運行穩(wěn)定可靠。