李汶周

摘要：無線信號(hào)覆蓋范圍是無線通信系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。無線通信系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，覆蓋范圍有時(shí)會(huì)偏離原來的設(shè)定值，用戶就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)差、無信號(hào)等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的下降。本文從駐波比和發(fā)射功率的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，檢測(cè)覆蓋范圍的變化情況，為維護(hù)人員及時(shí)地處理故障提供幫助。

關(guān)鍵詞：覆蓋范圍;駐波比;FPGA

引言

無線信號(hào)的覆蓋范圍是無線通信系統(tǒng)關(guān)注的一個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，信號(hào)差、無信號(hào)是用戶投訴最多的問題點(diǎn)之一。往往在建站的時(shí)候，無線信號(hào)的覆蓋范圍是滿足用戶的需求的，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后卻收到區(qū)域內(nèi)用戶信號(hào)差的投訴，為改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，減少用戶的投訴，應(yīng)該要能及時(shí)發(fā)現(xiàn)覆蓋范圍的變化。無線信號(hào)覆蓋范圍發(fā)生改變的主要因素有發(fā)射功率變化、駐波比變大、干擾、天氣變化、新建建筑物的阻擋等。天氣是不可控因素，干擾和新建建筑物是外部因素，而發(fā)射功率和駐波比跟發(fā)射機(jī)的功放和天饋系統(tǒng)有關(guān)，應(yīng)當(dāng)從內(nèi)部著手，對(duì)發(fā)射功率及駐波比進(jìn)行測(cè)試和監(jiān)控。

1 測(cè)量原理

駐波比是無線傳輸系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，用來衡量阻抗是否匹配的關(guān)鍵指標(biāo) 。如果饋線和天線的阻抗完全匹配，則駐波比等于1，此時(shí)無線信號(hào)全部通過天線輻射出去，覆蓋范圍最大;如果饋線和天線的阻抗不匹配，則駐波比大于1，此時(shí)無線信號(hào)將會(huì)有一部分反射回來，形成了駐波，天線輻射的能量變小，從而使得天線的覆蓋范圍變小。

根據(jù)駐波比的定義可知，駐波比的計(jì)算公式如下：

其中，VSWR表示電壓駐波比;Umax表示饋線上的波腹電壓，等于前向（發(fā)射）波和后向（反射）波電壓之和;Umin 表示波谷電壓，是前向（發(fā)射）波和后向（反射）波電壓之差。

在阻抗不變的情況下，功率和電壓的平方成正比，由（1）式可得：

其中，Uf和Ur分別表示前向波和后向波電壓;Pf和Pr分別表示前向（發(fā)射）功率和后向（反射）功率。

由式（2）可知，駐波比測(cè)量的關(guān)鍵在于測(cè)量前向功率和后向功率。同時(shí)在測(cè)試駐波比的同時(shí)，也測(cè)量了發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率。

2 測(cè)量方案的選擇

駐波比之所以出現(xiàn)變化，主要是因?yàn)槠骷匣伨€接頭沒處理好進(jìn)水或灰塵、饋線破損、天線損壞等。常規(guī)的措施是定期或有告警后派人使用專用儀器測(cè)試，這種測(cè)試是不在線的，需要中斷無線業(yè)務(wù)，耗費(fèi)人力物力，且需要的時(shí)間較長(zhǎng)。為保證用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，采用不中斷業(yè)務(wù)在線測(cè)試駐波比，使用高耦合度的雙分支定向耦合器作為功率的取樣模塊，一個(gè)分支取樣前向功率，另一個(gè)分支取樣后向功率，原理如圖1所示。

功率測(cè)量方法有二極管檢測(cè)法、等效熱功耗檢測(cè)法、真有效值轉(zhuǎn)換檢測(cè)法、對(duì)數(shù)放大檢測(cè)法等。二極管檢測(cè)法電路簡(jiǎn)單，誤差大，對(duì)溫度敏感;等效熱功耗檢測(cè)法電路實(shí)現(xiàn)比較困難，成本高;真有效值轉(zhuǎn)換檢測(cè)法和對(duì)數(shù)放大檢測(cè)法是射頻信號(hào)功率檢測(cè)的常用方法?？紤]到射頻帶寬的需要，本方案采用AD8318作為功率測(cè)量模塊。AD8318是對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器，帶寬為1MHz至8GHz，具有精度高，噪聲低，溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，并且外部電路簡(jiǎn)單，如圖2所示。

功率的的計(jì)算及控制、顯示模塊常規(guī)用的是單片機(jī)，本方案采用FPGA芯片。相比單片機(jī)，F(xiàn)PGA具有并行執(zhí)行，內(nèi)部資源豐富等特點(diǎn)。

3 方案的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)如圖3所示。

系統(tǒng)由四部分組成，第一部分為功率信號(hào)取樣電路，包括雙定向耦合器、濾波器和衰減匹配網(wǎng)絡(luò)。雙定向耦合器負(fù)責(zé)取樣前向功率和后向功率，為盡量減少對(duì)天線輻射能量的影響，應(yīng)采用高耦合度，高定向性的耦合器?？紤]到多系統(tǒng)合路共用天線的場(chǎng)景，使用帶通濾波器濾波，只對(duì)某一系統(tǒng)進(jìn)行功率取樣?？紤]到取樣的功率對(duì)AD8318可能過大，衰減匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)功率的衰減。以43dBm（20W）系統(tǒng)為例，選用的定向耦合器耦合度為30dB，帶通濾波器插入損耗約為2dB，衰減匹配網(wǎng)絡(luò)約為10dB，則AD8318的輸入信號(hào)功率小于等于1dBm。

第二部分為AD8318構(gòu)成的功率測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。AD8318是對(duì)數(shù)放大器，將輸入的射頻功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出，它們的轉(zhuǎn)換公式為：

VO=VSLOP/dB*（PIN-20dBm） （3）

式中，VO為AD8318的輸出電壓，VSLOP/dB為對(duì)數(shù)變換斜率，一般取值-25mv/dB，PIN為AD8318輸入信號(hào)的功率。由式（3）可知，43dBm系統(tǒng)經(jīng)過定向耦合器取樣，濾波器濾波，再經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)和AD8318轉(zhuǎn)換后，輸出電壓約為0.5V。

第三部分為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，包括A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器，由FPGA芯片內(nèi)部提供。使用FPGA的目的是利用其內(nèi)部豐富的資源，來簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。zynq7000器件內(nèi)部的XADC模塊包括2個(gè)12比特1 MIPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并提供1.25V的基準(zhǔn)電壓，能完全滿足AD轉(zhuǎn)換的需求。使用zynq7000內(nèi)部的寄存器作為AD轉(zhuǎn)換后的存儲(chǔ)單元。

第四部分為計(jì)算及控制模塊，包括發(fā)射功率計(jì)算及駐波比計(jì)算、比較器，仍然由FPGA實(shí)現(xiàn)。AD8318輸出電壓VO經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，送入計(jì)算模塊，由式（3）即可直接求得發(fā)射功率和反射功率，再由式（2）可得駐波比。陳光達(dá)、劉雪梅等人在文獻(xiàn)[1]中總結(jié)出，使用FFT法計(jì)算駐波比精確度優(yōu)于傳統(tǒng)能量法計(jì)算方式。所以在這里直接使用FPGA芯片的FFT IP核計(jì)算發(fā)射功率和駐波比。比較器將計(jì)算出的發(fā)射功率和駐波比與設(shè)定值做比較，滿足一定條件后則產(chǎn)生告警信息。

4 小結(jié)

天線的覆蓋范圍是影響無線通信質(zhì)量的一項(xiàng)指標(biāo)，直接影響到用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。文中提出一種在線的發(fā)射功率和駐波比測(cè)試方法，該方法使用雙定向耦合器和對(duì)數(shù)放大器將無線通信系統(tǒng)的發(fā)射功率和反射功率取樣，然后用FPGA對(duì)功率取樣信號(hào)進(jìn)行處理和計(jì)算。通過這套系統(tǒng)能在線、及時(shí)第發(fā)現(xiàn)天線覆蓋范圍的改變，從而維護(hù)人員提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

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