基于C8051F340控制的TD直放站控制方案设计

周业平,邓文浪,周常青

（1.湘潭大学信息工程学院,湖南 湘潭411105;2.深圳市湘资科技有限公司,广东 深圳518129）

近几年，第三代移动通信(简称3G)己经在全球得到蓬勃发展。WCDMA,CDMA2000两种制式己经在国外很多商用网和预商用网中得到广泛应用。中国提出的第三代移动通信标准TD-SCDMA(时分同步码分多址)也开始预商用。中国信息产业部电信研究院于2008年制定了TD-SCDMA直放站系统指标；TD-SCDMA直放站的设计与应用正在进行中[1]；目前国内研究主要以功率检波以及特征窗搜索实现同步法的研究设计。现在，GPS接收模块日趋成熟与稳定，能提供精确的秒脉冲波，且实现算法简单。本文介绍一种以GPS同步法的TDSCDMA直放站设计方案,以C8051F340做为控制芯片。

1 TD-SCDMA基本特点介绍

TD-SCDMA的码片速率为1.28 Mb/s扩频;带宽约为 1.6 MHz。采用不需配对频率的 TDD(时分双工)工作方式。TD-SCDMA物理信道用4层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙/码。一个超帧长 720 ms，由 72个无线帧组成，每个无线帧长10 ms。TD-SCDMA将每个无线帧分为两个 5 ms的子帧，每个子帧由长度为 675 μs的 7个主时隙和3个特殊时隙组成。3个特殊时隙分别是下行导频 时 隙 （DwPTS，75 μs）、 上 行 导 频 时 隙 （UpPTS，125 μs）和保护时隙（G，75 μs）。 在这 7个主时隙中，TS0总是分配给下行链路，而TS1总是分配给上行链路。TD-SCDMA系统的帧结构如图1所示。

2 TD-SCDMA直放站系统原理图

由硬件功能图可知，①从上、下行射频放大通道，通过信号功率耦合器，分别各取一路信号采集作为功率控制电路的参考电压信号；通过C8051F340的ADC模数转换输入,程序进行内部计算；分别输出两路电压控制40 dB电调衰减器。②功率检波芯片，根据检测出的电压，按均方根值输出电压；作为快速单片机的采样信号，同时也为功放AGC控制电路提供控制基准电压。③C8051F340可以有多种串行通信接口，更利于直放站与外设的接口通信，以及多功能控制与直放站内部数据通信及数据交换。

上述硬件功能的实现如图2[3]。1 pps秒脉冲上升沿到来时，C8051F340快速单片机立即捕捉到，内部设置软件延时程序，延时至DWPTS与UPPTS的中线处图3所示的第二道虚线处。切换后，直放站进入上行时隙工作状态。程序再调用上行时隙的延时程序。当同步时间至图3所示第三道虚线处时，直放站进入下行时隙工作状态。如此进行循环切换控制，在系统进行延时循环程序时，系统同时判断GPS秒脉冲是否到来。如果捕捉到秒脉冲，系统立即进入初始化同步系统设置。重新进入系统的同步切换控制。其原理如图4所示。

图4 TD-SCDMA直放站GPS同步软件控制流程

3 C8051F340系统概述

模拟外设10 bit ADC转换速率可达200 ks/s，有端口0至端口4很方便进行数模转换。系统频率最高为稳定的 48 MHz。 存储器数据 RAM,为 64 KB Flash；可在线系统编程,扇区大小为512 B且有48 MIPS扩展的中断系统16 bit可编程计数器/定时器阵列 (PCA),有5个捕捉/比较模块。应用C8051F340做的设计中，软件步聚设计流程、硬件资源的分配，如图5、图6所示。

4 直放站硬件模块设计

直放站各模块在电路中起着非常关键的作用，各具体指标的实现，有耐于各模块电路的设计与实现。GPS秒脉冲接收，其原理如图，利用GPS51L授时系统接收模块，通过检测其1pps秒脉冲，通过处理输入单片机，进行上升沿捕捉；当单片机捕捉到秒脉冲上升沿，模块的CEXn引脚上的逻辑电平将发生变化。程序立即进入中断程序，中断标志置位。程序进行延时程序，能准确找到上、下行切换点。通过控制TD直放站的电源开关，即可控制TD直放站的上、下行射频链路的切换,原理如图7所示。

4.1 分时隙功率控制实现

由TD-SCDMA帧系统的结构可知，每个时隙可灵活地分配为一个或几个用户；故各时隙功率，需分开控制。首先从功率末端耦合一部分信号作为采样信号。通过模数转换，输入C8051F340存储；作为分析样本；经过C8051F340计算判断后，根据输出信号的功率，输出一个控制电压，控制衰减器的衰减倍数。上、下行通道分别采用两级电调衰减；一级由快速单片机控制，其控制范围大于AGC控制范围，为20 dB～40 dB，其衰减系数由快速单片机程序控制；另一级与功放形成AGC控制环路，设置其自动增益控制范围为0 dB～10 dB；衰减器的特性曲线如图8所示。

图5 C8051F340软件设计流程图

图6 C8051F340硬件资源分配图

4.2 定向耦合及功率检波电路[3]

经过末级功放后的输出功率由用微带线设计的20 dbm定向耦合器将部分功率耦合到二极管检波电路，得到按功率变化的控制电压，经过RC滤波电路，并通过零欧姆电阻（或高频磁珠）整流得到平滑的控制电压,原理如图9、图10所示。

图9 二极管功率检波及滤波原理图

功率信号通过半波检波，再通过RC滤波，得到按输出功率变化的近似线性曲线。设定向耦合信号为：载波 vc(t)=Vcmcoswct、调制信号vΩ(t)=vΩmcosΩt、二极管的输入信号 Vi(t):vi(t)=Vcm(1+macosΩt)wct、检波 电 压 输 出 ：vAV=kdVcm(1+macosΩt)，其仿真输入输出响应曲线如图10所示。设二极管输出端电压为梯形波时，经过滤波后得到近似三角波电压输出，从而可知控制电压的响应特性。

4.3 直放站系统的自激隔离及保护设计

由于直放站的低噪声放大，常用噪声系数小的小功率场效应管，其VGS最大输入电压范围常为-5 V～1 V；由 POUT=VPP×VPP/（8×RL）功率峰值公式可知，输出电压如果直接加到低噪声放大输入端，很容易损坏低噪放的输入级。环形器的保护，起到了至关重要的作用。在TD直放站的功率放大过程中，低噪声放大器以及功率放大的放大倍数都比较大，后级的功率信号很强；由微波技术理论可知，功率信号的耦合以及对周围辐射很大，如果部分信号耦合至前级的输入端，很容易产生自激，甚至损坏直放站的低噪放或者功放；前、后级的信号隔离是关键点；设计中采用各级分开，各级严格用金属屏蔽盒，密封接地屏蔽，常用微带隔离器，可以防止各级之间的干扰以及功放的自激。

4.4 直放站上、下行链路硬件设计[4-8]

由功放电路的工作原理知,电路板的介电常数稳定性很重要,选择电路板材 RO4350,其介电常数稳定为 3.48,采用两层板,介质厚度为40 mil,铜片厚度为1.4 mil,电路板底层与散热器相连,并且用导热螺丝紧固，保证良好导热与散热。微波功率放大器AGC控制环路与ALC自动电平控制完成对功率放大模块的自动增益控制。微波功率放大器的控制环路，常用功率检波芯片，数控衰减或电调衰减器以及单片机等控制系统组成，实现起来简单可靠。

由功放的设计技术可知,采用功率回退法是最可靠、最有效的非线性改善方法,由于TD直放站的输出功率不大，采用功率回退法可满足要求。低噪声放大管，选用噪声系数较低的ATF54143进行放大，原理如图11,三级级联增益大于45 dB,每级噪声系数小于等于0.6；低噪放的直流偏置以及阻抗匹配采用ADS进行仿真设计。

功放部分设计及AGC自动增益控制环路，原理如图12所示,第一级用MW6IC2240,VDD=28 V,IDQ1=210 mA,IDQ2=370 mA,Pout=4.5 W,飞思卡尔公司生产的MW6IC2240,是专业用于TD-SCDMA功放设计的芯片,其两级级联集成,典型增益为28 dB。第二级选用飞思卡尔生产的MRF7S19080HR3，Power Gain=18 dB,VDD=28 V,IDQ=750mA,Pout=24 W,最大输出功率大于等于80W。为使功放有较好的输出特性，采取Steve Cripps提出了负载线原理，求出最佳负载及直流偏置，然后采用T型阻抗变换匹配至输出端，有着较宽的带宽以及较好的带外信号抑制。

本文根据TD-SCDMA直放站系统的要求，针对TDSCDMA的无线系统帧结构,使用C8051F340快速单片机控制，GPS精确同步，直放站系统灵活地按时隙功率控制、自动AGC控制环路、环形器保护、各级密封隔离、防止自激，功放设计采用功率回退法，能很好地抑制非线性交调产物；各级放大管良好散热，能确保直放站系统的良好性能实现；同时追求系统的简单可靠、成本低、容易实现。此方案比其他的TD直放站系统设计具有明显的优越性；能为TD直放站的研发生产、提高性能、降低成本及风险、缩短开发周期提供很好的设计方案。

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