一種基于矢量的無線基站駐波比檢測方法

張宏偉, 賀菲菲, 王博明

(中興通訊股份有限公司 西安研發(fā)中心, 陜西 西安 710065)

一種基于矢量的無線基站駐波比檢測方法

張宏偉, 賀菲菲, 王博明

(中興通訊股份有限公司 西安研發(fā)中心, 陜西 西安 710065)

給出一種基于矢量的無線基站駐波比檢測方法，并根據(jù)無線基站硬件架構(gòu)給出矢量駐波檢測的數(shù)學(xué)模型和誤差來源,以及在時域上獲取信號的幅度和相位信息。通過測量3種狀態(tài)下的 S 參數(shù),利用蒙特卡羅算法計算系統(tǒng)誤差,最后應(yīng)用電磁仿真技術(shù)完成模型的仿真。實例驗證結(jié)果表明,與標(biāo)量駐波比檢測方法相比,所給方法提高了測量精度,從理論模型、實現(xiàn)機制上都具有較高的準(zhǔn)確性和魯棒性。

矢量駐波比；無線基站；S參數(shù)

高效率傳送功率是通信系統(tǒng)的一個基本問題之一。在無線通信中,天線與饋線的阻抗不匹配或饋線與基站發(fā)射機的阻抗不匹配,發(fā)出去的能量就會產(chǎn)生反射折回,反射波與前進的正向波匯合就會發(fā)生駐波。

駐波的大小影響基站的輻射效率,另外反射回來的電波最終會變成熱量,使得饋線升溫。它在發(fā)射機輸出口也可產(chǎn)生相當(dāng)高的電壓,有可能損壞發(fā)射機。

駐波比全稱為電壓駐波比(Voltage Standing Wave Ratio ,VSWR)。它是射頻技術(shù)中最常用的一個參數(shù)或數(shù)值,用來衡量射頻部件之間的匹配是否良好。

現(xiàn)階段駐波比的檢測主要采用標(biāo)量駐波比檢測方法，這種方法直接對檢測點的反射信號進行模擬采樣,計算相應(yīng)的功率值或能量值,然后計算待測點的入射能量和反射能量之比，從而得到對應(yīng)的駐波比。其主要優(yōu)點是實現(xiàn)簡單方便,實現(xiàn)檢測無需提前獲取系統(tǒng)的校正參數(shù)。存在的缺陷是沒有考慮入射和反射信號的相位特性,造成測量值無法直接映射到天饋端口,所以就不能真正反映天饋端口的駐波比狀況。

VSWR檢測處于發(fā)射通道的對外接口,是基站對外連接狀態(tài)的指示器。駐波比必須小于某個門限,對于超過門限的情況必須進行告警，同時對設(shè)備采取相關(guān)的保護措施。實現(xiàn)告警處理的前提是駐波比檢測必須準(zhǔn)確和可靠,避免錯報和誤報。

在無線網(wǎng)絡(luò)中,由于環(huán)境的復(fù)雜性,容易受到激勵信號的隨機波動和外界干擾的影響,如何即準(zhǔn)確又可靠的VSWR檢測,是評價無線網(wǎng)絡(luò)性能的一項重要指標(biāo)。

本文以駐波比理論為基礎(chǔ),采用多樣本的測試驗證,提出一種準(zhǔn)確有效的駐波比檢測方法。結(jié)合仿真和計算,給出了一種矢量駐波比檢測的實現(xiàn)方法。

1 理論分析

VSWR不是一個直接測量值,而是一個通過反射系數(shù)Γ求得的計算值,其表達式為[1]

式中Γ表示反射系數(shù),通過入射信號和反射信號求得,表達式為[2]

其中VREV為反射信號電壓,VFWD為入射信號電壓,PREV是一段時間內(nèi)反射平均功率,PFWD是相同時間段內(nèi)入射平均功率。反射系數(shù)Γ是一個大于零的實數(shù),所以VSWR的值是一個大于1的數(shù)值。

在實際應(yīng)用中,不是通過直接測量電壓來表征VSWR,而是用等效的回波損耗RL(Return Loss)來表示,RL表征的是在待測端口觀測的入射能量和反射能量之比,表達式為[3]

其中回波損耗單位為dB,回波損耗與反射系數(shù)的關(guān)系式為

在理想狀況下,反射系數(shù)Γ等于0,駐波比則為1。但實際上總存在反射,所以駐波比總是大于1的。

2 駐波比檢測方法

在無線基站的硬件架構(gòu)中,駐波比的檢測框圖[4]如圖1所示。

圖1 基站發(fā)射機的前反向功率檢測連接圖

前向功率(Forward Power,FWD)檢測取樣位置在功放(Power Amplifier ,PA)的輸出端末級功放管和環(huán)行器之間,反射功率(Reverse Power, REV)檢測取樣來自環(huán)行器的隔離端的耦合輸出。這樣兩個取樣信號都不是來自于基站的天饋端口,是真實輸出位置。在駐波比檢測位置和天饋之間存在一個無源射頻模塊(Radio Frequency Module ,RFM),它包括環(huán)行器、雙工器、射頻線纜和射頻連接器等,而這些無源器件的特性,如隔離度、連接狀態(tài)等都會影響真實基站的駐波比狀態(tài)。

為了真實反映駐波比的狀態(tài),需要把當(dāng)前駐波比檢測位置(在基站內(nèi)部)映射到天饋口(在基站外部),考慮到RFM的影響,可以把駐波比檢測硬件電路等效為一個雙端口的網(wǎng)絡(luò),如圖2所示。

圖2 基站前反向功率檢測等效網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2中的射頻模塊RFM主要是無源部件,包括環(huán)形器、雙工器、射頻線纜和射頻連接器等。其中RFM的影響等效為網(wǎng)絡(luò)中的S12、S21、S11、S224個S參數(shù)。SPA為實際測量到的PA端(發(fā)射口)反射系數(shù),ΓL為天饋口的反射系數(shù),可以看出,在一般情況下,SPA≠ΓL。

根據(jù)能量守恒原理[3]有

(1)

由式(1)可以得到天饋口的反射系數(shù)為

(2)

其中ST=S12S21。

由式(2)可知,當(dāng)SPA已知時,想求出ΓL需要3個獨立的方程式求出ST、S11、S22這3個未知數(shù),通過在天饋口連接3個特殊負載(開路、短路、匹配)來進行計算求解。但是對于基站而言,提供大功率的這3個特殊負載是很困難的?？梢杂?個已知的有明顯差別的經(jīng)過校準(zhǔn)的負載(分別模擬開路、短路、匹配)進行標(biāo)定,形成3個方程,求得3個未知的傳輸參數(shù),從而建立ΓL和SPA的映射關(guān)系[5]。

具體推導(dǎo)結(jié)果為

(3)

其中

A=ΓL1ΓL2SPA3(SPA1-SPA2)+ΓL1ΓL3SPA2(SPA3-SPA1)+ΓL2ΓL3SPA1(SPA2-SPA3),

B=ΓL1ΓL2(SPA1-SPA2)+ΓL2ΓL3(SPA2-SPA3)+ΓL1ΓL3(SPA3-SPA1),

則有

(4)

(5)

其中ГL1、ГL2和ГL3分別是已知的3個校準(zhǔn)負載對應(yīng)于50 Ω標(biāo)準(zhǔn)端口的反射系數(shù),SPA1、SPA2和SPA3是3個已知負載對應(yīng)求得的待映射的反射系數(shù)。

SPA1、SPA2和SPA33個反射系數(shù)是通過矢量計算得到的,其反射系數(shù)計算公式為[2]

(6)

其中R是反向檢測矢量,F是前向檢測矢量。式(6)中的這兩個測試值理論上要求是同時采樣和計算的。所以,在矢量駐波比檢測中,需要解決時延對齊的問題。

從圖3中可以看到,基站的前向功率(FWD)檢測和反射功率(REV)檢測電路是共享反饋通道(PRX)的,通過一個模擬開關(guān)來分別檢測,這樣反射信號和入射信號不能同時處理,也就是說一次采樣是無法做到時延對齊,所以需要引入一個寬帶的參考信號(REF),在參考信號(REF)分時做兩次激勵,這兩次激勵的信號特征(帶寬,峰均比等)基本相同,但由于是寬帶信號,兩次激勵信號的幅值和相位存在差異的；在激勵下分別做兩次采樣工作,分別得到FWD信號和REV信號的采樣均值MFWD和MREV,這兩組數(shù)據(jù)的初始相位是需要對齊的。

圖3 前反向功率檢測共享反饋通道(PRX)示意圖

第一次采樣,激勵信號REF通過發(fā)射(Transmitter ,TX)通道發(fā)送一組數(shù)據(jù),這組數(shù)據(jù)表征為T1,在一定的固定延時后, 反饋通道(PRX)切換到FWD通道,采樣就會得到一組(N個)FWD值,并做均值為

(7)

第二次采樣,激勵信號REF通過TX(發(fā)射)通道發(fā)送一組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)表征為T2,反饋通道開關(guān)切換到REV通道,同樣REV的矢量均值為

(8)

其中F(I(n)+Q(n))和T(I(n)+Q(n))分別表示前向和基帶第n個點的矢量值,N是采樣的點數(shù)。

假定FWD和REV的采樣通道增益在兩次采數(shù)之間變化可以忽略不計(這要求兩次采數(shù)之間的時間間隔盡量的短),即T1和T2相通。由式(7)和式(8)可得

(9)

通過式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(9)計算可以得到ΓL,并可由式(1)得到天饋口電壓駐波比。

需要說明的是,上述計算是在基站內(nèi)部的FPGA、DSP和CPU協(xié)同工作完成的。

3 仿真和分析

3.1 仿真模型

駐波比檢測電路的前向功率檢測(FWD)端口一般放在功放上末級管后環(huán)形器前,反向功率檢測(REV)端口一般有兩種位置。無論那種狀態(tài),駐波比檢測電路結(jié)構(gòu)可以看成由功放管輸出、天饋輸出口、FWD檢測口和REV檢測口4端口網(wǎng)絡(luò)組成。

根據(jù)以上硬件架構(gòu),可以把這個4端口的微波網(wǎng)絡(luò)等效成信號流圖[6],如圖4所示。

圖4 等效信號流圖

矢量駐波比檢測時,可獲取數(shù)據(jù)為REV和FWD的比值

(10)

根據(jù)圖4的信號流,可以推導(dǎo)SM和天線口反射系數(shù)Γ的關(guān)系為

上式可以簡化成

(11)

其中A、B、C為變量；要得SM和Γ的具體關(guān)系,就需要對A、B、C三個變量求解?？梢钥吹?前面實現(xiàn)方案描述的駐波比計算是推導(dǎo)式(11)的一個例子。

對于A、B、C3個未知數(shù),可以通過天線口3種狀態(tài)獲得對應(yīng)的SM,解方程得到A、B、C的值。為了便于仿真,采用匹配負載、開路、和短路3種情況[2,7]

(12)

在校測過程中誤差的產(chǎn)生原因有3個。

(1) 匹配負載、開路、短路校準(zhǔn)時,連接器連接、負載特性等不確定性導(dǎo)致的誤差；

(2) 計算SM時,基站內(nèi)部模擬采樣、數(shù)字處理等在相位對齊時產(chǎn)生的誤差；

(3) 環(huán)境變化(溫度等)對檢測通道的影響產(chǎn)生的誤差等。

3.2 仿真過程

對系統(tǒng)的駐波比檢測仿真,需要在校準(zhǔn)、駐波比檢測、駐波計算等過程中相應(yīng)加入誤差模型,通過蒙特卡羅等算法獲取多個樣本,然后計算出整個過程的誤差。

首先對匹配負載、開路、短路3個校準(zhǔn)過程進行建模。這里誤差設(shè)定為

(1) 負載和連接器特性的幅度誤差±0.1dB,相位誤差±3度。

(2) 數(shù)字處理的相位檢測誤差±10度。

3.2.1 駐波比校準(zhǔn)模型

駐波比校準(zhǔn)原理如圖5 所示[8]。

圖5 駐波比校準(zhǔn)原理

該模型在短路、開路和匹配負載的條件下,得到一組在不同頻率下的S參數(shù)。仿真結(jié)果如圖6所示。

3.2.2 駐波比檢測模型

駐波比檢測原理[9]如圖7所示。

圖7 駐波比檢測原理

該模型通過對多個樣本的采樣,得到多組FWD和REV的矢量值。

3.2.3 駐波比計算

根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)、式(5)和式(9),使用上面校準(zhǔn)和駐波比檢測的仿真數(shù)據(jù),對駐波比進行檢測運算。計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 駐波計算結(jié)果

從圖8中可以看出,系統(tǒng)的駐波比檢測誤差隨著被測件的駐波比的增大而增大,整體呈光柱發(fā)散形狀；當(dāng)駐波比在2.5以內(nèi)時,誤差區(qū)間為±0.2。

在被測天饋口駐波比為2.0時,頻率維度和仿真統(tǒng)計直方圖如9所示。

(a) 頻率維度

(b) 直方圖

以被測天饋口駐波比為3.0時,頻率維度和仿真統(tǒng)計直方圖如圖10所示。

(a) 頻率維度

(b) 直方圖

可以看出,當(dāng)被測天饋口駐波比小于2.0時,常溫下基本可以保證檢測精度±0.2,當(dāng)被測天饋口駐波比大于3.0時,就無法保證±0.2精度。如果考慮溫度等環(huán)境因素的影響,誤差會更大。

4 實驗驗證

以上理論和仿真結(jié)果,優(yōu)化的結(jié)果應(yīng)用在基站的大樣本實驗環(huán)節(jié),來進一步對該方法進行驗證。

(1) 實驗校準(zhǔn)

通過生產(chǎn)線工裝來實現(xiàn)校準(zhǔn)和驗證,其示意圖如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)線工裝示意圖

該工裝包含3個校準(zhǔn)負載(1個匹配負載,1個模擬開路負載,1個模擬短路負載)和1個驗證負載(駐波比2.0～3.0)、大功率電子開關(guān)、1個控制板。

首先用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將3個負載在使用頻段內(nèi)掃描一遍,記錄下反射系數(shù)和頻率的關(guān)系,以便后面校準(zhǔn)的時候調(diào)用。

校準(zhǔn)時,逐頻點進行3個已知負載的測試,然后求出該頻點對應(yīng)的3個S參數(shù)分量,將其保存到文件。此文件是一個頻點和反射系數(shù)的二維表。

(2) 驗證

基站啟動,加載校準(zhǔn)文件,配置相應(yīng)頻點,生產(chǎn)線工裝切換到驗證負載,讀取REV和FWD值,按照上述計算方法得到矢量駐波比。

在后臺軟件上,和在該頻點下驗證負載的實際駐波比值進行比較,驗證該駐波比檢測的準(zhǔn)確性。

對近19 899個有效樣本進行統(tǒng)計分析,提取駐波比為2.0@2130MHz的驗證負載時,對應(yīng)的矢量駐波比計算值,結(jié)果如圖12所示。

(a) 駐波比測試結(jié)果

(b) 2.1G頻段駐波比測量值分布及GCF

從數(shù)據(jù)上可以看出,矢量駐波比值與真實值誤差在+0.25 ～ -0.20 之間,并且分布比例基本呈正態(tài)分布狀態(tài)。這個結(jié)果和前面仿真的結(jié)果是一致的。

5 結(jié)束語

通過模擬矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測原理,提出了一種基于矢量的駐波比檢測方法,在時域上獲取信號的幅度和相位信息,建立校準(zhǔn)和檢測兩種模型。通過測量三種狀態(tài)下的 S 參數(shù),利用蒙特卡羅算法計算系統(tǒng)誤差。充分考慮了信號的相位特性,從而相對于標(biāo)量測量,提高了測量精度。

利用仿真的方法對模型進行了計算,對駐波比進行了約束,保證了測量精度。通過多樣本的實驗驗證,結(jié)果證明本方法是一種準(zhǔn)確有效的駐波比檢測方法。

[1] 雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社, 2005:218-236.

[2] Agilent technologies.Time Domain Reflectometry Theory[M].Agilent technologies University ：Agilent technologies, 2013：5965-4855.

[3] Agilent technologies.Exploring the Architectures of Network Analyzers[M]. Agilent technologies University： Agilent technologies, 2000:5965-7708E.

[4] Agilent technologies.Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements [M]. Agilent technologies University：Agilent technologies, 2002:5965-7709E.

[5] 陳 斌,趙 鵬,楊路剛,等.基于RWG矩量法的短波天線輻射性能分析[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報,2014,15(5)：96-100.

[6] 王華華, 呂 南, 張 莉. 一種改進的上行信道估計算法[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報,2014,15(1)：21-25.

[7] 孫友偉, 董建姣, 基于電力線的自適應(yīng)阻抗匹配方案[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報, 2013,15(6)：38-42.

[8] 趙克玉,許福永.微波原理與技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2006:15-106.

[9] 戰(zhàn)金龍,方會妮,鄭亮.長期演進系統(tǒng)上下行信號識別算法[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報,2012,17(2):9-12.

[責(zé)任編輯：祝劍]

A vector standing wave ratio detection method of wireless base stations

ZHANG Hongwei, HE Feifei, WANG Boming

(ZTE Corporation, Xi’an R&D Center, Xi’an 710065,China)

A VSWR(Vector Standing Wave Ratio)detection method based on vector is proposed in this paper. Base on the present wireless base stations hardware architecture, a mathematical model of VSWR detection and error sources is provided to obtain the signal amplitude and phase information in time domain. By measuring of “S” parameters under three conditions, the error of the whole system is calculated by using Monte Carlo method. The simulation of the model is then carried out by using electromagnetic simulation technology. Experiments results show that compared with scalar VSWR method, this method has high accuracy and robustness at the theoretical model and the implementation mechanism.

vector standing wave ratio, wireless base stations, S parameters calibration

2015-04-07

張宏偉(1972-),男,碩士,高級工程師,從事移動通信測試技術(shù)及仿真技術(shù)研究。E-mail：zhang.hongwei3@zte.com.cn 賀菲菲(1980-),女,碩士,工程師,從事移動通信終端產(chǎn)品軟件協(xié)議研究。E-mail：he.feifeixa@zte.com.cn

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.05.005

TN98

A

2095-6533(2015)05-0028-06