基于C8051F340控制的TD直放站控制方案設(shè)計(jì)

周業(yè)平,鄧文浪,周常青

（1.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湖南 湘潭411105;2.深圳市湘資科技有限公司,廣東 深圳518129）

近幾年，第三代移動(dòng)通信(簡稱3G)己經(jīng)在全球得到蓬勃發(fā)展。WCDMA,CDMA2000兩種制式己經(jīng)在國外很多商用網(wǎng)和預(yù)商用網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。中國提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)也開始預(yù)商用。中國信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院于2008年制定了TD-SCDMA直放站系統(tǒng)指標(biāo)；TD-SCDMA直放站的設(shè)計(jì)與應(yīng)用正在進(jìn)行中[1]；目前國內(nèi)研究主要以功率檢波以及特征窗搜索實(shí)現(xiàn)同步法的研究設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，GPS接收模塊日趨成熟與穩(wěn)定，能提供精確的秒脈沖波，且實(shí)現(xiàn)算法簡單。本文介紹一種以GPS同步法的TDSCDMA直放站設(shè)計(jì)方案,以C8051F340做為控制芯片。

1 TD-SCDMA基本特點(diǎn)介紹

TD-SCDMA的碼片速率為1.28 Mb/s擴(kuò)頻;帶寬約為 1.6 MHz。采用不需配對(duì)頻率的 TDD(時(shí)分雙工)工作方式。TD-SCDMA物理信道用4層結(jié)構(gòu)：超幀、無線幀、子幀和時(shí)隙/碼。一個(gè)超幀長 720 ms，由 72個(gè)無線幀組成，每個(gè)無線幀長10 ms。TD-SCDMA將每個(gè)無線幀分為兩個(gè) 5 ms的子幀，每個(gè)子幀由長度為 675 μs的 7個(gè)主時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙組成。3個(gè)特殊時(shí)隙分別是下行導(dǎo)頻 時(shí) 隙 （DwPTS，75 μs）、 上 行 導(dǎo) 頻 時(shí) 隙 （UpPTS，125 μs）和保護(hù)時(shí)隙（G，75 μs）。 在這 7個(gè)主時(shí)隙中，TS0總是分配給下行鏈路，而TS1總是分配給上行鏈路。TD-SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 TD-SCDMA直放站系統(tǒng)原理圖

由硬件功能圖可知，①從上、下行射頻放大通道，通過信號(hào)功率耦合器，分別各取一路信號(hào)采集作為功率控制電路的參考電壓信號(hào)；通過C8051F340的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入,程序進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算；分別輸出兩路電壓控制40 dB電調(diào)衰減器。②功率檢波芯片，根據(jù)檢測出的電壓，按均方根值輸出電壓；作為快速單片機(jī)的采樣信號(hào)，同時(shí)也為功放AGC控制電路提供控制基準(zhǔn)電壓。③C8051F340可以有多種串行通信接口，更利于直放站與外設(shè)的接口通信，以及多功能控制與直放站內(nèi)部數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)交換。

上述硬件功能的實(shí)現(xiàn)如圖2[3]。1 pps秒脈沖上升沿到來時(shí)，C8051F340快速單片機(jī)立即捕捉到，內(nèi)部設(shè)置軟件延時(shí)程序，延時(shí)至DWPTS與UPPTS的中線處圖3所示的第二道虛線處。切換后，直放站進(jìn)入上行時(shí)隙工作狀態(tài)。程序再調(diào)用上行時(shí)隙的延時(shí)程序。當(dāng)同步時(shí)間至圖3所示第三道虛線處時(shí)，直放站進(jìn)入下行時(shí)隙工作狀態(tài)。如此進(jìn)行循環(huán)切換控制，在系統(tǒng)進(jìn)行延時(shí)循環(huán)程序時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)判斷GPS秒脈沖是否到來。如果捕捉到秒脈沖，系統(tǒng)立即進(jìn)入初始化同步系統(tǒng)設(shè)置。重新進(jìn)入系統(tǒng)的同步切換控制。其原理如圖4所示。

圖4 TD-SCDMA直放站GPS同步軟件控制流程

3 C8051F340系統(tǒng)概述

模擬外設(shè)10 bit ADC轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 ks/s，有端口0至端口4很方便進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)頻率最高為穩(wěn)定的 48 MHz。 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù) RAM,為 64 KB Flash；可在線系統(tǒng)編程,扇區(qū)大小為512 B且有48 MIPS擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)16 bit可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 (PCA),有5個(gè)捕捉/比較模塊。應(yīng)用C8051F340做的設(shè)計(jì)中，軟件步聚設(shè)計(jì)流程、硬件資源的分配，如圖5、圖6所示。

4 直放站硬件模塊設(shè)計(jì)

直放站各模塊在電路中起著非常關(guān)鍵的作用，各具體指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，有耐于各模塊電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。GPS秒脈沖接收，其原理如圖，利用GPS51L授時(shí)系統(tǒng)接收模塊，通過檢測其1pps秒脈沖，通過處理輸入單片機(jī)，進(jìn)行上升沿捕捉；當(dāng)單片機(jī)捕捉到秒脈沖上升沿，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發(fā)生變化。程序立即進(jìn)入中斷程序，中斷標(biāo)志置位。程序進(jìn)行延時(shí)程序，能準(zhǔn)確找到上、下行切換點(diǎn)。通過控制TD直放站的電源開關(guān)，即可控制TD直放站的上、下行射頻鏈路的切換,原理如圖7所示。

4.1 分時(shí)隙功率控制實(shí)現(xiàn)

由TD-SCDMA幀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知，每個(gè)時(shí)隙可靈活地分配為一個(gè)或幾個(gè)用戶；故各時(shí)隙功率，需分開控制。首先從功率末端耦合一部分信號(hào)作為采樣信號(hào)。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入C8051F340存儲(chǔ)；作為分析樣本；經(jīng)過C8051F340計(jì)算判斷后，根據(jù)輸出信號(hào)的功率，輸出一個(gè)控制電壓，控制衰減器的衰減倍數(shù)。上、下行通道分別采用兩級(jí)電調(diào)衰減；一級(jí)由快速單片機(jī)控制，其控制范圍大于AGC控制范圍，為20 dB～40 dB，其衰減系數(shù)由快速單片機(jī)程序控制；另一級(jí)與功放形成AGC控制環(huán)路，設(shè)置其自動(dòng)增益控制范圍為0 dB～10 dB；衰減器的特性曲線如圖8所示。

圖5 C8051F340軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖6 C8051F340硬件資源分配圖

4.2 定向耦合及功率檢波電路[3]

經(jīng)過末級(jí)功放后的輸出功率由用微帶線設(shè)計(jì)的20 dbm定向耦合器將部分功率耦合到二極管檢波電路，得到按功率變化的控制電壓，經(jīng)過RC濾波電路，并通過零歐姆電阻（或高頻磁珠）整流得到平滑的控制電壓,原理如圖9、圖10所示。

圖9 二極管功率檢波及濾波原理圖

功率信號(hào)通過半波檢波，再通過RC濾波，得到按輸出功率變化的近似線性曲線。設(shè)定向耦合信號(hào)為：載波 vc(t)=Vcmcoswct、調(diào)制信號(hào)vΩ(t)=vΩmcosΩt、二極管的輸入信號(hào) Vi(t):vi(t)=Vcm(1+macosΩt)wct、檢波 電 壓 輸 出 ：vAV=kdVcm(1+macosΩt)，其仿真輸入輸出響應(yīng)曲線如圖10所示。設(shè)二極管輸出端電壓為梯形波時(shí)，經(jīng)過濾波后得到近似三角波電壓輸出，從而可知控制電壓的響應(yīng)特性。

4.3 直放站系統(tǒng)的自激隔離及保護(hù)設(shè)計(jì)

由于直放站的低噪聲放大，常用噪聲系數(shù)小的小功率場效應(yīng)管，其VGS最大輸入電壓范圍常為-5 V～1 V；由 POUT=VPP×VPP/（8×RL）功率峰值公式可知，輸出電壓如果直接加到低噪聲放大輸入端，很容易損壞低噪放的輸入級(jí)。環(huán)形器的保護(hù)，起到了至關(guān)重要的作用。在TD直放站的功率放大過程中，低噪聲放大器以及功率放大的放大倍數(shù)都比較大，后級(jí)的功率信號(hào)很強(qiáng)；由微波技術(shù)理論可知，功率信號(hào)的耦合以及對(duì)周圍輻射很大，如果部分信號(hào)耦合至前級(jí)的輸入端，很容易產(chǎn)生自激，甚至損壞直放站的低噪放或者功放；前、后級(jí)的信號(hào)隔離是關(guān)鍵點(diǎn)；設(shè)計(jì)中采用各級(jí)分開，各級(jí)嚴(yán)格用金屬屏蔽盒，密封接地屏蔽，常用微帶隔離器，可以防止各級(jí)之間的干擾以及功放的自激。

4.4 直放站上、下行鏈路硬件設(shè)計(jì)[4-8]

由功放電路的工作原理知,電路板的介電常數(shù)穩(wěn)定性很重要,選擇電路板材 RO4350,其介電常數(shù)穩(wěn)定為 3.48,采用兩層板,介質(zhì)厚度為40 mil,銅片厚度為1.4 mil,電路板底層與散熱器相連,并且用導(dǎo)熱螺絲緊固，保證良好導(dǎo)熱與散熱。微波功率放大器AGC控制環(huán)路與ALC自動(dòng)電平控制完成對(duì)功率放大模塊的自動(dòng)增益控制。微波功率放大器的控制環(huán)路，常用功率檢波芯片，數(shù)控衰減或電調(diào)衰減器以及單片機(jī)等控制系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)起來簡單可靠。

由功放的設(shè)計(jì)技術(shù)可知,采用功率回退法是最可靠、最有效的非線性改善方法,由于TD直放站的輸出功率不大，采用功率回退法可滿足要求。低噪聲放大管，選用噪聲系數(shù)較低的ATF54143進(jìn)行放大，原理如圖11,三級(jí)級(jí)聯(lián)增益大于45 dB,每級(jí)噪聲系數(shù)小于等于0.6；低噪放的直流偏置以及阻抗匹配采用ADS進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

功放部分設(shè)計(jì)及AGC自動(dòng)增益控制環(huán)路，原理如圖12所示,第一級(jí)用MW6IC2240,VDD=28 V,IDQ1=210 mA,IDQ2=370 mA,Pout=4.5 W,飛思卡爾公司生產(chǎn)的MW6IC2240,是專業(yè)用于TD-SCDMA功放設(shè)計(jì)的芯片,其兩級(jí)級(jí)聯(lián)集成,典型增益為28 dB。第二級(jí)選用飛思卡爾生產(chǎn)的MRF7S19080HR3，Power Gain=18 dB,VDD=28 V,IDQ=750mA,Pout=24 W,最大輸出功率大于等于80W。為使功放有較好的輸出特性，采取Steve Cripps提出了負(fù)載線原理，求出最佳負(fù)載及直流偏置，然后采用T型阻抗變換匹配至輸出端，有著較寬的帶寬以及較好的帶外信號(hào)抑制。

本文根據(jù)TD-SCDMA直放站系統(tǒng)的要求，針對(duì)TDSCDMA的無線系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu),使用C8051F340快速單片機(jī)控制，GPS精確同步，直放站系統(tǒng)靈活地按時(shí)隙功率控制、自動(dòng)AGC控制環(huán)路、環(huán)形器保護(hù)、各級(jí)密封隔離、防止自激，功放設(shè)計(jì)采用功率回退法，能很好地抑制非線性交調(diào)產(chǎn)物；各級(jí)放大管良好散熱，能確保直放站系統(tǒng)的良好性能實(shí)現(xiàn)；同時(shí)追求系統(tǒng)的簡單可靠、成本低、容易實(shí)現(xiàn)。此方案比其他的TD直放站系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有明顯的優(yōu)越性；能為TD直放站的研發(fā)生產(chǎn)、提高性能、降低成本及風(fēng)險(xiǎn)、縮短開發(fā)周期提供很好的設(shè)計(jì)方案。

[1]栗世濤，陳賢亮.TD-SCDMA系統(tǒng)中的DwPTS同步技術(shù)[J].通信技術(shù),2007(9).

[2]劉道生.TD-SCDMA直放站實(shí)現(xiàn)同步和切換的方法[J].光通信研究,2007(1).

[3]陳邦媛編著.射頻通信電路[M].科學(xué)出版社,2007.

[4]NASKAS N,PAPANANOS Y.An adaptive power amplifier lineariser based on a multilayer perceptron.Vehicular Technology Conference,2003.VTC 2003-spring.The 57th IEEE Semiannual.

[5]SAHU B C,GABRIED A.Rincon-Mora.A high-efficiency linear RF power amplifier with a power-tracking dynamically adaptive buck-bost supply.Microwave Theory Techniques,IEEE Transactions on.2004(6).

[6]AKASAKI T,IWATA M.A mathematical expression of nonlinear distortionin RF power amplifier.Vehicular Technology Conference,2004.VTC 2004-Fall.IEEE 60th.

[7]鮑景富,郭偉，李源.WCDMA線性功率放大器設(shè)計(jì)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(1).

[8]孫桂芬.TD-SCDMA直放站研究與設(shè)計(jì)[J].全國優(yōu)秀碩士論文,2008,12.