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        天線覆蓋范圍監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2021-09-10 17:13:13李汶周
        學(xué)習(xí)與科普 2021年20期

        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):

        [1]陳光達(dá),劉雪梅,黨書東.高精度計(jì)算駐波比的方法研究[J].信息通信,2017,(1):1-3.

        [2]金玲.高定向性微帶定向耦合器的研究[J].微波學(xué)報(bào),2017,(S1):195-198.

        [3]李茂全.基于FPGA的MF200型中波發(fā)射機(jī)降功率控制系統(tǒng)[J].無線發(fā)射與節(jié)傳技術(shù),2021,(345):74-77.

        [4]李碩.一種基于FPGA的民航空管甚高頻發(fā)信機(jī)駐波比探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信,2020,(208):89-91.

        [5]武建平.天饋線智能檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù),2021,(3):67-70.

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