基于C8051F340控制的TD直放站控制方案設計

周業平,鄧文浪,周常青

（1.湘潭大學信息工程學院,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，第三代移動通信(簡稱3G)己經在全球得到蓬勃發展。WCDMA,CDMA2000兩種制式己經在國外很多商用網和預商用網中得到廣泛應用。中國提出的第三代移動通信標準TD-SCDMA(時分同步碼分多址)也開始預商用。中國信息產業部電信研究院于2008年制定了TD-SCDMA直放站系統指標；TD-SCDMA直放站的設計與應用正在進行中[1]；目前國內研究主要以功率檢波以及特征窗搜索實現同步法的研究設計。現在，GPS接收模塊日趨成熟與穩定，能提供精確的秒脈沖波，且實現算法簡單。本文介紹一種以GPS同步法的TDSCDMA直放站設計方案,以C8051F340做為控制芯片。

1 TD-SCDMA基本特點介紹

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

2 TD-SCDMA直放站系統原理圖

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

上述硬件功能的實現如圖2[3]。1 pps秒脈沖上升沿到來時，C8051F340快速單片機立即捕捉到，內部設置軟件延時程序，延時至DWPTS與UPPTS的中線處圖3所示的第二道虛線處。切換后，直放站進入上行時隙工作狀態。程序再調用上行時隙的延時程序。當同步時間至圖3所示第三道虛線處時，直放站進入下行時隙工作狀態。如此進行循環切換控制，在系統進行延時循環程序時，系統同時判斷GPS秒脈沖是否到來。如果捕捉到秒脈沖，系統立即進入初始化同步系統設置。重新進入系統的同步切換控制。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系統概述

模擬外設10 bit ADC轉換速率可達200 ks/s，有端口0至端口4很方便進行數模轉換。系統頻率最高為穩定的 48 MHz。 存儲器數據 RAM,為 64 KB Flash；可在線系統編程,扇區大小為512 B且有48 MIPS擴展的中斷系統16 bit可編程計數器/定時器陣列 (PCA),有5個捕捉/比較模塊。應用C8051F340做的設計中，軟件步聚設計流程、硬件資源的分配，如圖5、圖6所示。

4 直放站硬件模塊設計

直放站各模塊在電路中起著非常關鍵的作用，各具體指標的實現，有耐于各模塊電路的設計與實現。GPS秒脈沖接收，其原理如圖，利用GPS51L授時系統接收模塊，通過檢測其1pps秒脈沖，通過處理輸入單片機，進行上升沿捕捉；當單片機捕捉到秒脈沖上升沿，模塊的CEXn引腳上的邏輯電平將發生變化。程序立即進入中斷程序，中斷標志置位。程序進行延時程序，能準確找到上、下行切換點。通過控制TD直放站的電源開關，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 分時隙功率控制實現

由TD-SCDMA幀系統的結構可知，每個時隙可靈活地分配為一個或幾個用戶；故各時隙功率，需分開控制。首先從功率末端耦合一部分信號作為采樣信號。通過模數轉換，輸入C8051F340存儲；作為分析樣本；經過C8051F340計算判斷后，根據輸出信號的功率，輸出一個控制電壓，控制衰減器的衰減倍數。上、下行通道分別采用兩級電調衰減；一級由快速單片機控制，其控制范圍大于AGC控制范圍，為20 dB～40 dB，其衰減系數由快速單片機程序控制；另一級與功放形成AGC控制環路，設置其自動增益控制范圍為0 dB～10 dB；衰減器的特性曲線如圖8所示。

圖5 C8051F340軟件設計流程圖

圖6 C8051F340硬件資源分配圖

4.2 定向耦合及功率檢波電路[3]

經過末級功放后的輸出功率由用微帶線設計的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。設定向耦合信號為：載波 vc(t)=Vcmcoswct、調制信號vΩ(t)=vΩmcosΩt、二極管的輸入信號 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曲線如圖10所示。設二極管輸出端電壓為梯形波時，經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特性。

4.3 直放站系統的自激隔離及保護設計

由于直放站的低噪聲放大，常用噪聲系數小的小功率場效應管，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。環形器的保護，起到了至關重要的作用。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都比較大，后級的功率信號很強；由微波技術理論可知，功率信號的耦合以及對周圍輻射很大，如果部分信號耦合至前級的輸入端，很容易產生自激，甚至損壞直放站的低噪放或者功放；前、后級的信號隔離是關鍵點；設計中采用各級分開，各級嚴格用金屬屏蔽盒，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、下行鏈路硬件設計[4-8]

由功放電路的工作原理知,電路板的介電常數穩定性很重要,選擇電路板材 RO4350,其介電常數穩定為 3.48,采用兩層板,介質厚度為40 mil,銅片厚度為1.4 mil,電路板底層與散熱器相連,并且用導熱螺絲緊固，保證良好導熱與散熱。微波功率放大器AGC控制環路與ALC自動電平控制完成對功率放大模塊的自動增益控制。微波功率放大器的控制環路，常用功率檢波芯片，數控衰減或電調衰減器以及單片機等控制系統組成，實現起來簡單可靠。

由功放的設計技術可知,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，選用噪聲系數較低的ATF54143進行放大，原理如圖11,三級級聯增益大于45 dB,每級噪聲系數小于等于0.6；低噪放的直流偏置以及阻抗匹配采用ADS進行仿真設計。

功放部分設計及AGC自動增益控制環路，原理如圖12所示,第一級用MW6IC2240,VDD=28 V,IDQ1=210 mA,IDQ2=370 mA,Pout=4.5 W,飛思卡爾公司生產的MW6IC2240,是專業用于TD-SCDMA功放設計的芯片,其兩級級聯集成,典型增益為28 dB。第二級選用飛思卡爾生產的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提出了負載線原理，求出最佳負載及直流偏置，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抑制。

本文根據TD-SCDMA直放站系統的要求，針對TDSCDMA的無線系統幀結構,使用C8051F340快速單片機控制，GPS精確同步，直放站系統靈活地按時隙功率控制、自動AGC控制環路、環形器保護、各級密封隔離、防止自激，功放設計采用功率回退法，能很好地抑制非線性交調產物；各級放大管良好散熱，能確保直放站系統的良好性能實現；同時追求系統的簡單可靠、成本低、容易實現。此方案比其他的TD直放站系統設計具有明顯的優越性；能為TD直放站的研發生產、提高性能、降低成本及風險、縮短開發周期提供很好的設計方案。

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