多頻段遠程電調(diào)傾角天線控制器設計

呂 燚，鄧春健，2，鄒 昆，2

(1.電子科技大學 中山學院,廣東 中山 528402; 2.電子科技大學,成都 610500)

多頻段遠程電調(diào)傾角天線控制器設計

呂 燚1，鄧春健1，2，鄒 昆1，2

(1.電子科技大學 中山學院,廣東 中山 528402; 2.電子科技大學,成都 610500)

提出一種符合AISG2.0協(xié)議規(guī)范的多頻段遠程電調(diào)天線(multi-band remote electronic tilting antenna, MRETA)嵌入式控制器解決方案。根據(jù)AISG2.0協(xié)議物理層的規(guī)范要求，設計了一款基于分離元器件的OOK(on-off keying)調(diào)制和解調(diào)電路，詳細闡述了調(diào)節(jié)其接收靈敏度和輸出功率的方法與工作原理；分析了MRETA中浪涌電流的特點，設計了一種在反復上電、斷電情況下仍能滿足協(xié)議規(guī)范及基站系統(tǒng)要求的浪涌電流抑制電路；給出了帶位置反饋的多頻段移相器下傾角閉環(huán)控制模塊的硬件設計思路；介紹了AISG2.0協(xié)議棧及下傾角控制模塊的軟件實現(xiàn)方法；最后給出了該設計方案電氣性能及協(xié)議互操作的測試結果。測試和實際應用證明，該設計方案的硬件性能和協(xié)議完整性完全符合AISG2.0規(guī)范要求，并具有互操作兼容性好、長期運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。

多頻段遠程電調(diào)天線；AISG協(xié)議；OOK；浪涌電流

0 前 言

隨著移動通信網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡優(yōu)化任務日益繁重，通過調(diào)節(jié)天線下傾角，可有效優(yōu)化網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量。遠程電調(diào)下傾角相對于傳統(tǒng)機械調(diào)節(jié)方式效率高、實時性強，且不會產(chǎn)生同站鄰區(qū)間的干擾，從而有效避免了由過覆蓋和導頻污染造成的掉話率高、容量下降等問題[1-2]。

AISG2.0協(xié)議是由世界主流移動通信系統(tǒng)廠商和微波天線廠家聯(lián)合制定的天線智能化設備與基站之間的通信規(guī)范[3]。單頻段遠程電調(diào)天線(single-band remote electronic tilting antenna, SRETA)由單個天線振子、移相器和嵌入式控制器構成，是首批AISG設備[4]。隨著系統(tǒng)集成度不斷提高，多頻段遠程電調(diào)天線(multi-band remote electronic tilting antenna, MRETA)成為目前相關廠家研發(fā)的熱點。MRETA內(nèi)的嵌入式控制器需完成AISG通信、防雷保護和浪涌抑制功能，同時實現(xiàn)對各頻段移相器下傾角的調(diào)節(jié)控制。MRETA相對于SRETA在AISG通信方式以及浪涌電流抑制等方面提出了更高的要求，本文以實際項目為背景，提出了MRETA嵌入式控制系統(tǒng)的完整設計方案，給出了核心模塊的硬件設計思路和主要軟件功能的實現(xiàn)方法，實際應用證明該方案設計合理，滿足AISG2.0規(guī)范要求，長期運行穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機作為系統(tǒng)處理器，系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括MCU最小系統(tǒng)、AISG通信、浪涌電流抑制模塊、通訊及電源端口防雷保護電路和下傾角控制電路等。本系統(tǒng)中設計了低成本的OOK調(diào)制解調(diào)電路，實現(xiàn)了載波頻率為2.176 MHz的AISG通訊；采用了基于MOSFET的有源浪涌抑制電路保證了MRETA在接入基站系統(tǒng)時的瞬間電流滿足AISG協(xié)議要求；防雷保護電路采用了防雷管和2級TVS(transient voltage suppressor)構成的3級防雷結構。下傾角控制電路則實現(xiàn)了多路帶位置反饋的步進電機閉環(huán)控制，實現(xiàn)下傾角調(diào)節(jié)和移相器故障檢測功能。

2 硬件設計

2.1 OOK調(diào)制解調(diào)電路

AISG協(xié)議物理層支持485通信和OOK通信2種方式[5-6]。SRETA通常以485方式為主，基站和SRETA之間用獨立的AISG線纜相連。但是，由于市場競爭和成本等原因，MRETA則更多采用OOK通信方式，將系統(tǒng)供電和ASIG信號耦合到射頻饋線上，顯著降低了系統(tǒng)成本和安裝復雜度。

圖1 MRETA系統(tǒng)結構圖Fig.1 MRETA system structure diagram

本設計中，OOK調(diào)制電路由分離器件構成，具有成本低，檢波靈敏度可調(diào)等優(yōu)點，電路如圖2所示。RF_IN為經(jīng)過帶通濾波后的OOK信號，C51為交流耦合電容，采用高Q值的NPO電容，耦合后的信號記作V1。U1-A，D1，R45和R39對OOK信號負半周期的比例系數(shù)為-1，正半周期比例系數(shù)為0，其輸出記作V2。U1-B為帶限幅輸出的求和電路，其輸出記作U3，D3限幅二極管，限制U1-B的輸出最低為Uref-1.4 V。忽略限幅作用的情況下，U1-B的輸出表達式為V3=-22×V1-43.1×V2，由于限幅功能的限制，其最低電壓為Uref-1.4 V,因而V3為OOK信號經(jīng)過精密整流、放大并限幅的信號。R65和C67構成RC濾波，得到V3的幅值包絡信號，記作V4。當RF_IN端口存在OOK載波信號時V4為最小值，且為Uref-1.4 V的幅值包絡信號，當RF_IN處無OOK信號時V4電壓為Uref。檢波閥值電壓由R59和R54分壓得到，記作V5，V5和V4信號的比較結果即為解調(diào)輸出RX。圖2中D2為肖特基二極管，防止比較器輸入端過驅(qū)動，用以提升比較器翻轉的速度。通過調(diào)節(jié)U1-B運放電路的放大倍數(shù)和檢波閥值電壓可以調(diào)節(jié)該解調(diào)電路的檢波靈敏度。

圖2 OOK解調(diào)電路Fig.2 OOK demodulation circuit

OOK調(diào)制電路如圖3所示， U2-B對串口發(fā)送信號MCU_TXD取反，當單片機通過串口發(fā)送邏輯1時， MCU_TXD為低電平，取反后為高電平，載波信號通過U2-D，電阻網(wǎng)絡R89，R99，R100，R102，R103和D16將幅值為0～5 V的OOK信號變換為偏置電壓為2.5 V，震蕩幅值為1.67 V的OOK信號，記做V6；當單片機串口發(fā)送邏輯0時，MCU_TXD為高電平，取反后將U2-D關閉，V6為2.5 V直流信號。U3-A單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，MCU_TXD發(fā)送信號時，其反相輸出端為低電平，U2-C關閉，切斷OOK解調(diào)電路到MCU_RXD的通路，防止串口發(fā)送信號繞回到接收端。U1-D，R61，R57和C65構成了放大倍數(shù)為2的交流放大電路，其輸出與端口RF_IN相連，完成MCU_TXD到OOK信號的調(diào)制過程。通過調(diào)節(jié)U1-D放大電路的放大倍數(shù)可以調(diào)節(jié)OOK信號的輸出功率。

圖3 OOK調(diào)制電路Fig.3 OOK modulation circuit

2.2 Inrush電流抑制電路

如圖1所示，MRETA中集成了多個電機驅(qū)動模塊，每個模塊中包含一個220 μF的儲能電容，以常用的6單元MRETA為例，儲能電容達1 320 μF，當基站與MRETA相連時將產(chǎn)生很大的浪涌電流[7-8]，會導致大量接觸電火花并造成基站AISG端口輸出過載故障。AISG協(xié)議規(guī)定浪涌電流上限值為400 mA，輸入等效電容小于0.5 μF。基站系統(tǒng)廠商則對MRETA的浪涌電流提出了更高的要求，例如愛立信規(guī)定測試電壓30 V，電壓上升時間小于50 μs的條件下，以20 ms的間隔時間對MRETA反復上電、斷電，要求瞬時功率小于6.75 W，即電流上限為225 mA。本系統(tǒng)設計了如圖4所示的浪涌電流抑制電路，上電瞬間，C1中沒有儲能，兩端電壓為0 V，T1截至，MOS管Q1關斷，此時系統(tǒng)通過電阻R12對系統(tǒng)電容充電，充電電流最大值約200 mA。上電后通過R8對電容C1充電，T1工作在放大狀態(tài)，緩慢開啟MOS管Q1,從而限制浪涌電流，隨著C1兩端電壓逐漸升高，最終T1飽和導通，T1完全導通，完成對上電瞬間浪涌電流的抑制。通過調(diào)節(jié)充電電阻R8和電壓反饋電阻R1的阻值可以控制Q1的開啟速度，在6單元MRETA中R8和R1分別取110 kΩ和4 kΩ。正常工作狀態(tài)，V1電壓高于V2,T2截至，當Vin的輸入電壓關閉后，Vin的電壓迅速跌落，由于負載電容的存在Vout電壓并不立即消失，V1小于V2，T2導通，通過R11和T2對C1進行快速放電，放電時間常數(shù)約2.2 ms，經(jīng)過20 ms放電后，C1電壓釋放完畢。當Vin再次上電時，該電路的電流抑制作用仍然有效。該電路有效限制了上電瞬間的浪涌電流，同時在反復通斷電源的情況下，電流限制作用仍然有效，該設計符合AISG協(xié)議規(guī)范，也滿足愛立信基站的相關要求。

圖4 浪涌電流抑制電路Fig.4 Inrush current suppression circuit

2.3 多頻段下傾角控制電路

本系統(tǒng)的電機控制示意圖如圖5所示，下傾角調(diào)節(jié)采用的是42步進電機，工作電流500 mA，扭矩400 mNm，采用DRV8825作為電機驅(qū)動，工作在32細分狀態(tài)，有效降低了電機轉動過程中的震動。步進電機尾端裝有霍爾傳感器，在后軸圓盤上鑲嵌了8粒N40強磁體，即電機每轉一圈會產(chǎn)生8個脈沖信號。移相器調(diào)節(jié)過程中所需扭矩是均勻的，所選用的電機扭矩遠大于移相器正常調(diào)節(jié)所需扭矩，因而正常狀態(tài)下電機不會發(fā)生失步，當移相器由于機械或環(huán)境等原因發(fā)生卡死，霍爾傳感器脈沖信號消失，據(jù)此可判斷電機發(fā)生堵轉故障。在多頻電調(diào)天線中，主控板需要控制最多12個電機，信號分配電路采用4-16譯碼器完成電機使能信號的分配，保證同一時刻只有一臺電機被選中，方向信號DIR和脈沖信號STEP通過緩沖電路直接與電機驅(qū)動模塊相連。電機的位置反饋信號通過16選1電路與單片機Timer1的CH1管腳相連，通過定時器的輸入捕獲功能完成位置脈沖的計數(shù)。

圖5 電機控制模塊示意圖Fig.5 Motor control module diagram

3 系統(tǒng)軟件設計

MRETA軟件主要包括AISG協(xié)議棧和電機驅(qū)動等模塊，其中AISG協(xié)議棧包括了底層數(shù)據(jù)接收、命令與參數(shù)的解析與封裝、故障告警上報等功能，是系統(tǒng)軟件的核心[9]。電機驅(qū)動模塊主要完成對各移相器傾角調(diào)節(jié)電機的控制，根據(jù)AISG命令參數(shù)和天線配置文件實現(xiàn)下傾角的精準調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測是否發(fā)生堵轉故障。

3.1 ASIG協(xié)議棧設計

本系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了完整的AISG協(xié)議棧，其結構如圖6所示。物理層為半雙工模式的OOK通信。底層數(shù)據(jù)的收發(fā)通過單片機的UART(universal asynchronous receive/transmitter)完成，并采用DMA(direct memory access)方式大大降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的CPU占用率。AISG協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)幀字節(jié)之間的延遲需小于3個字節(jié)傳輸時間[10]，以115 200波特率為例，字節(jié)之間的時間間隔需小于260 μs，實測發(fā)現(xiàn)，UART中斷方式常因偶發(fā)的中斷嵌套導致字節(jié)間隔時間過長，本系統(tǒng)采用的DMA方式，將封裝好的AISG數(shù)據(jù)幀寫入發(fā)送緩沖區(qū)，啟動DMA便可完成數(shù)據(jù)自動發(fā)送，有效地解決了該問題。數(shù)據(jù)接收過程中，UART收到數(shù)據(jù)后由DMA自動存儲，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。數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)HDLC(high level data link control)協(xié)議中非平衡通信模型，實現(xiàn)了AISG協(xié)議中規(guī)定的I幀、RR幀和XID幀，其中RR幀和XID幀負責數(shù)據(jù)鏈路的建立、保持、斷開和復位[11]；I幀為應用層提供數(shù)據(jù)通信接口。應用層主要由2部分組成，第一部分是AISG命令接口，實現(xiàn)下傾角調(diào)節(jié)及狀態(tài)檢測等相關函數(shù)參數(shù)與AISG命令與參數(shù)之間的轉換，第2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，有效提高了協(xié)議的執(zhí)行效率。

圖6 AISG協(xié)議棧層次結構Fig.6 Hierarchical structure of AISG protocol stack

3.2 下傾角調(diào)節(jié)功能設計

本設計中下傾角調(diào)節(jié)采用了步進電機，利用絲桿推動移相器調(diào)節(jié)下傾角。本設計中使用STM32單片機的定時器來完成脈沖的自動發(fā)送。其中，M2工作在PWM(pulse width modulation)模式，輸出占空比為50%的PWM信號作為步進電機脈沖信號，TIM4工作在從模式，其時鐘信號來自TIM2的比較匹配信號，從而用TIM4實現(xiàn)了對脈沖自動計數(shù)。接收到AISG調(diào)節(jié)請教命令后，根據(jù)天線配置文件，計算所發(fā)脈沖數(shù)，將其寫入TIM4的比較匹配寄存器，啟動主從定時器，當TIM4發(fā)生比較匹配中斷時表示脈沖已經(jīng)發(fā)送完畢，然后在中斷服務程序停止TIM2，禁止電機使能信號。當電機轉動過程中發(fā)生堵轉則需要立即禁止脈沖發(fā)送和電機使能信號。

4 系統(tǒng)測試

MRETA的測試主要包括硬件性能和協(xié)議互操作測試(interoperability test，IOT)2部分。硬件測試包括OOK、浪涌電流抑制等模塊的功能測試和產(chǎn)品及環(huán)境性能測試。環(huán)境測試主要結果如表1所示，各項指標均滿足AISG協(xié)議要求。

OOK解調(diào)模塊信號測試如圖7所示，圖7中測量結果分別為原電路中V1，V4和RX點的信號波形，圖8為調(diào)制電路中調(diào)制輸出的OOK信號和MCU_TXD的測試波形，實測解調(diào)靈敏度-15 dBm，調(diào)制電路發(fā)射功率最大為+12 dBm，滿足AISG規(guī)范要求。

表1 MRETA環(huán)境性能主要測試結果

圖7 OOK解調(diào)器測試波形Fig.7 OOK demodulation oscillogram

圖8 OOK調(diào)制電路測試波形Fig.8 OOK modulation oscillogram

MRETA的IOT測試主要包括2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RRU(radio remote unit)的AISG通訊來檢測協(xié)議實現(xiàn)的完整性，主要包括設備掃描、連接、告警上報等功能；其次是MRETA的控制功能測試，包括對各個移相器的下傾角控制、電機堵轉異常檢測和出錯處理功能等。目前，本項目研發(fā)的MRETA已經(jīng)成功完成了與華為、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CCU(central control unit)之間的協(xié)議符合度測試和控制功能測試，結果表明，本設計方案能夠與不同廠家的RRU或CCU無縫對接，協(xié)議實現(xiàn)完整，控制功能完善。

5 結 論

本文以實際項目為基礎，詳細介紹一種符合AISG2.0協(xié)議規(guī)范的多頻遠程電調(diào)天線控制系統(tǒng)的設計方案和實現(xiàn)方法。本方案的AISG通信采用基于分離元件的OOK調(diào)制解調(diào)電路，相比集成芯片方案具有成本低，靈敏度、輸出功率可調(diào)的優(yōu)勢；浪涌電流抑制電路在反復上電、斷電情況下仍滿足AISG協(xié)議要求；根據(jù)MRETA產(chǎn)品需求，設計了滿足最多12路下傾角調(diào)節(jié)的控制電路。軟件部分設計了基于單片機DMA的高性能AISG協(xié)議棧。本設計已經(jīng)完成了AISG協(xié)議規(guī)定的電氣性能測試和協(xié)議完整性測試，并且完成了與主流基站系統(tǒng)廠家和CCU廠家的IOT測試和相關控制功能測試，并已投入批量生產(chǎn)。實際應用表明，本設計成本低，協(xié)議兼容性好，長期運行穩(wěn)定可靠。

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(編輯：張 誠)

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

Design of multi-band remote electronic tilting antenna controller

LV Yi1, DENG Chunjian1，2, ZOU Kun1，2
(1.Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, P.R.China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610500, P.R. China)

The design scheme of embedded controller in MRETA(multi-band remote electronic tilting antenna) which meets AISG2.0 requirement was present. According to the physical layer requirement of AISG2.0, one OOK (on-off keying) modem circuit which is composed of discrete component was present, and the working principle of how to modify its receiving sensitivity and output power were discussed in details. The feature of MRETA’s inrush current was analyzed, and one inrush current suppression circuit was designed, which can meet the corresponding requirement even when the power was frequently switched on and off. The hardware design idea of MRETA tilt angle control module with position feedback was proposed. The software implement methods of protocol stack and tilt angle control function were investigated. Finally, hardware performance and IOT (interoperability test) result were present. Test and application results show that this proposed design scheme sound conforms to AISG2.0 in the electronic performance and protocol integrity, and features its good interoperation compatibility and long-term reliability.

multi-band remote electronic tilting antenna; AISG protocol; On-Off keying; inrush current

2016-03-26

2017-04-19 通訊作者：呂 燚 lvyi913001@163.com

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

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.03.011

TP393.04

A

1673-825X(2017)03-0352-06

呂 燚(1981-)，男，山西大同人，副教授，主要研究方向為智能控制技術、嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)；可靠性建模，維修策略研究。E-mail：lvyi913001@163.com。

鄧春健(1981-), 男，廣東樂昌人，教授，博士，研究方向為信息顯示技術、通信技術。E-mail：dcj5880870@126.com。

鄒 昆(1980-),男，湖北鄖西人，副教授，博士，主要研究方向為圖形圖像處理。E-mail：cszoukun@foxmail.com。