塔顶放大器中嵌入式控制单元的设计与实现*

吕 燚,李文生,邓春健,刘 伟

（电子科技大学 中山学院,广东 中山 528402）

塔顶放大器(TMA)安装在基站天线的底部，对蜂窝网络上行信号进行低噪声放大，从而有效提高了上行链路接收灵敏度，改善了基站上下行不平衡问题，增大基站有效覆盖半径，提高了覆盖质量。同时，安装塔顶放大器还可以降低掉话率，提高通话质量；降低手机输出功率，为手机用户带来节省电池消耗,减少辐射等益处。

随着基站系统信息化程度的不断提高，带有AISG通信和增益自动补偿的智能型TMA应运而生。符合AISG2.0协议的TMA实现了基站系统对TMA运行状态的全面监控，使TMA故障检测与处理的效率大大提高。

目前，由于价格、技术等原因，国内遵循AISG2.0协议的TMA的应用还处在起步阶段，研发符合AISG2.0协议规范的TMA,有助于打破国外技术垄断,具有很高应用价值。

1 系统总体结构

图1 TMA总体结构示意图

遵循AISG协议的TMA总体结构如图1所示，TMA内部包括射频模块和嵌入式控制器两大部分。射频模块包括LNA、双工器、射频滤波器等，完成对上行信号的低噪声放大。嵌入式控制器则采用嵌入式处理器和相关功能模块,实现了对射频LNA工作状态的监控、智能增益补偿、过热保护、AISG通信与故障告警等功能。

TMA与基站之间通过射频馈线相连，射频信号、直流电源和AISG通信数据共用这一传输介质。基站系统将直流电源、射频信号和OOK调制后的数据信号耦合到射频馈线上，TMA将下行射频信号送入天线，上行射频信号进行低噪声放大后传输到基站系统，同时TMA嵌入式控制器通过其电源模块获得系统供电，通过OOK Modem完成与基站的AISG通信。

2 TMA嵌入式控制器硬件设计

嵌入式控制器硬件主要包括：系统供电模块、以OOK Modem为核心的AISG通信模块、LNA状态监控电路和MCU最小系统。

2.1 系统供电

电源模块负责从射频馈线上获得稳定的系统供电，而且还要将TMA对射频馈线的传导干扰限制在规定范围内，同时还需满足AISG协议在上电浪涌电流和防雷等方面的要求。因而电源模块的设计关系到TMA电气性能的多个指标，是TMA硬件设计的重点。

AISG协议规定：“TMA的上电浪涌电流应小于400 mA，输入端等效电容小于0.5 μF”。本系统中主要采用功率电感来实现电源滤波,滤波电容选用耐压为100 V的0.1 μF的 MLCC电容,保证输入端等效电容小于 0.5 μF。按照协议规定，上电浪涌电流应小于400 mA，虽然由电感构成的滤波器对浪涌电流也有限制作用,但是TMA供电电压为10 V～30 V，而且基站供电电源的动态特性又各不相同，因而单纯依靠滤波电感的无源浪涌抑制方式难以在整个供电范围内保证浪涌电流的设计要求。浪涌电流主要是由DC/DC输入侧的滤波电容产生的，根据i=C·dv/dt可知，抑制浪涌电流主要是抑制电压变化率。本系统采用了由N沟道MOSFET构成的有源浪涌电流抑制电路，利用MOSFET开通过程的弥勒效应，使其开通过程工作在恒流区，通过调节栅极电荷充电的速度控制输出电压的变化率，使浪涌电流在整个供电范围内都满足协议要求。系统供电模块结构图如图2所示。

图2 系统供电模块结构图

考虑到电压输入范围较宽和电源效率的因素,本系统的电源变换部分采用了DC/DC+LDO的设计方案。DC/DC提供了较高的电源变换效率，LDO则提供了较高的电源噪声抑制能力。初级变换采用LM34910电源芯片，工作频率1 MHz,效率最高为 92%，将 10～30 V输入电压变换为6.25 V。LNA的供电则采用了低噪声、高电源抑制比的射频LDO，其输出电压为5 V。LNA采用独立供电的方式，提高了可靠性。另一路LDO输出3.3 V为MCU和其他数字IC供电。

2.2 OOK通信

TMA与基站之间的AISG数据通信采用OOK Modem方式。基站通过Smart BiasTee将通信数据调制为OOK信号，耦合到射频馈线上，TMA则需要提取OOK信号，并解调出通信数据。本电路共包括两大部分：带通滤波器 (BPF)和OOK信号调制解调电路。带通滤波器被OOK调制和解调电路共用。在信号接收过程中，通过带通滤波器提取射频馈线中的OOK载波信号；信号发送过程中，带通滤波器则保证只有载波信号可通过，其他高次谐波将无法耦合到射频馈线上。OOK通信模块结构图如图3所示,防雷电路与电源模块共用，OOK Modem电路包括OOK解调和调制两部分。OOK解调电路包括RF检波器和迟滞比较器，检波器完成OOK信号的包络检测，迟滞比较器向MCU产生中断，据此中断信号，MCU可判断当前进行数据通信的端口。TMA两个端口都包含OOK解调电路，基站可以通过任意一个端口与其通信，当TMA向基站发送信息时，调制电路工作，通过射频开关将信息输出到相应的端口，并断开解调电路前的开关，防止发送数据绕回到数据接收端。

图3 OOK通信模块结构图

2.3 LNA工作状态监控电路

对LNA工作状态的监控是通过检测其偏置电压实现的，当偏置电压超出正常工作范围时，认为LNA工作异常，需要及时处理。电压信号测量电路包括抗混叠滤波器和信号调理电路。由运算放大器构成有源抗混叠滤波器防止干扰信号对电压测量精度的影响。信号调理电路实现信号范围的标度变换,并且起到阻抗变换的作用，保证测量精度。

由于LNA器件的差异、PCB板材及其腔体的加工误差，导致TMA出厂时的增益不一定都稳定在12 dB，因而需要在出厂前进行增益微调。此外，TMA工作时的环境温度也会对增益产生影响。本系统中，在LNA后级，设计了由PIN二极管构成的电调衰减器，通过控制PIN二极管的阳极电压控制衰减幅度。MCU输出PWM信号，经过有源4阶巴特沃斯低通滤波器变换为模拟电压，电路如图4所示，截止频率约为16 Hz。通过调节PWM信号的占空比，改变输出模拟电压，实现电调衰减，从而有效提高了TMA出厂前的产品一致性，并且与测温电路配合，实现了TMA射频增益的温度补偿，提高了产品的环境适应能力。

图4 电调衰减器衰减幅度控制电路

3 控制器软件模块

TMA嵌入式控制器软件部分主要包括了AISG协议栈、LNA工作状态测量及故障判别、波特率自适应和固件更新等功能。

3.1 AISG协议设计实现

AISG2.0协议是TMA与基站通信的接口，包括物理层、数据链路层和应用层。如图3所示,物理层采用OOK Modem方式,数据帧的收发通过MCU的UART完成。协议规定数据帧字节之间的延迟应小于3 B传输所用的时间，以115.2 kb/s为例，字节之间的延迟应该小于270 μs，考虑到中断方式发送可能由于更高优先级中断而导致发送延迟，本系统采用了DMA发送，发送的帧数据准备好后启动DMA,保证了物理层通信满足AISG2.0的要求。其协议栈结构如图5所示，与物理层对应的抽象传输接口完成数据的透明收发；HDLC帧处理接口实现了HDLC协议，并支持XID接口，实现了扫描、建立链接、维护链接和广播复位等功能；应用层主要实现相关命令的解析和执行，并在规定时间内向基站返回执行的结果，功能包括设置增益、TMA参数设置、查看/控制LNA状态等。

图5 AISG协议栈设计模型

本协议栈的设计参考TCP/IP协议的设计模式，严格执行分层设计的理念，同时层间数据采用零拷贝技术，保证了协议的执行效率。本设计中，OOK Modem方式为半双工通信，数据链路层按照HDLC协议非平衡通信方式设计，TMA作为从机只能接受基站的查询，而无法主动向基站发起通信。本设计中链路的维护由HDLC抽象接口实现，对于应用层而言，通信链路是全双工的，当应用层检测到LNA故障时,可以主动向基站上报故障信息，无需关心链路通信的细节。这种设计保证了协议可以分层设计，分层调试，有效提高了设计和调试的效率。

3.2 故障检测与告警功能

当LNA发生故障时，TMA嵌入式控制器需要将发生故障的LNA关闭，防止故障升级。同时，要将故障信息向基站上报，通知工作人员故障类型，便于及时排除。

LNA采用平衡式放大电路，两路放大器都正常工作时，增益为12 dB，当检测到其中一路电路异常，隔 200 ms后再次查询，如果连续三次都异常，则确认故障发生，切断该放大器的供电，并通过Alarm Indication命令向基站上报故障，此时TMA的增益降为6 dB。如果两路放大器都发生故障，则需要关闭整个LNA的供电，并启动LNA旁路电路，保证即使在两路放大器同时发生故障的极端情况下，通信仍然不会中断。通常把一路放大器异常的情况称之为一般故障，将两路放大器同时异常称之为严重故障。无论发生何种故障，TMA都需要通过AISG协议向基站上报相应故障信息。

3.3 波特率自适应功能

AISG协议要求TMA具有波特率自适应的功能。基站系统可以使用9.6 kb/s、38.4 kb/s和115.2 kb/s任意一种波特率与TMA通信，TMA根据基站系统采用的波特率自动调整。波特率自适应功能工作流程如图6所示，首先通过外部中断判别通信端口，然后按照顺序切换波特率，每种波特率维持300 ms。在300 ms期间如果收到CRC校验正确的数据帧，则锁定当前波特率，直到下一次复位重启。如果300 ms内未收到正确的数据帧，但是接收到帧头0x7E，并且UART接收错误次数小于2，则说明可能正在进行通信，这种情况不切换波特率，而是延时300 ms，并再次执行波特率判别逻辑。

4 系统测试

TMA的系统测试主要包括硬件电气性能测试和协议栈软件性能测试两部分。

电气性能测试包括：(1)AISG口、射频口的雷击测试；(2)EMC测试；(3)浪涌电流测试。测试结果如表1所示，各方面电气性能均满足协议相关要求。

图6 波特率自适应模块流程图

表1 TMA电气性能测试

软件性能测试通过与基站系统的对接测试来完成，包括通信协议、LNA状态监测与控制、告警上报、波特率自适应和固件更新功能。目前本设计已经顺利完成了与华为、诺西、爱立信基站系统的对接，符合AISG2.0规范，软件功能完善，性能可靠，并得到了市场的肯定。

本文从实际设计出发,总体阐述了TMA嵌入式控制器的硬件和软件结构。详细介绍了电源、OOK modem和LNA监控电路的设计思路以及AISG协议栈、波特率自适应和LNA监控等模块的实现方法。本设计已经通过了AISG2.0协议有关EMC、雷击和浪涌电流等电气性能测试，系统软件也已经完成了与众多基站系统的对接测试，功能完善，性能可靠，得到了市场的充分肯定。

[1]3GPP TS 25.466 V7.1.0:UTRAN Iuant Interface:Application Part[S/OL].[2007-06].http://www.3gpp.org.

[2]Antenna Interface Standards Group Standard NO.AISGV2.0:Control Interface for Antenna Line Devices[S/OL].[2006-06-13]http://www.aisg.org.uk.

[3]3GPP TS 25.460 V6.2.0:UTRAN Iuant interface:General aspects and principles[S/OL].[2005-03].http://www.3gpp.org.

[4]3GPP TS 25.461 V6.5.0:UTRAN Iuant Interface:Layer 1[S/OL].[2005-12].http://www.3gpp.org.

[5]3GPP TS 25.462 V6.3.0:UTRAN Iuant interface:Signalling transport[S/OL].[2005-09].http://www.3gpp.org.

[6]3GPP TS 25.463 V6.4.0:UTRAN Iuant Interface:Remote Electrical Tilting(RET)antennas Application Part(RETAP)signalling[S/OL].[2005-9].http://www.3gpp.org.