射頻功率放大器告警功能模擬檢測方案

何業軍,章 穎,李健鋒

(深圳大學信息工程學院,廣東深圳518060)

1 引 言

隨著無線移動通信的飛速發展,移動通信變革中起主導地位的是移動通信基站,而移動通信基站能否保證通信的順暢已成為衡量基站工作質量的關鍵。在基站系統中,射頻功率放大器與系統都是通過傳輸線來連接的,告警功能檢測模塊保證射頻功率放大器的工作狀態能夠迅速地反饋給系統,同時能讓我們在第一時間發現射頻功率放大器是否出現異常。

在現代通信系統中,射頻功率放大器的告警上報直接影響著我們對基站性能的判斷。在基站系統中,射頻功率放大器一般都是通過RS485通信接口的方式上報告警信息[1]。常見的射頻功放告警又分為主要告警和次要告警,主要告警包括高溫關斷告警(High Temperature Shutdown Alarm)、電壓失效關斷告警(DC Fail Shutdown Alarm)、主通道失效關斷告警(Major Loop Fail Shutdown Alarm)、過驅關斷告警(Over Power Shutdown Alarm);次要告警包括過功率告警(Over Power Warning Alarm)、駐波告警(VSWR Alarm)、軟件失效告警(Software Fail Alarm)、電壓失效告警(DC Fail Alarm)、高溫告警(High Temperature Alarm)、低噪放失效告警(LNA Fail Alarm)。

而在基站系統中,功率失效告警(Power Fail)、功能失效告警(Function Fail),以及通信電纜檢測(Cable Detection)被稱為直接告警。這里我們通過檢測LED燈的工作狀態來模擬基站系統的告警,以模擬WCDMA基站系統告警功能做上報檢測實例。

2 射頻功放告警功能的模擬檢測原理

如圖1所示,在整個模擬系統中,射頻功率放大器的二進制數據信息通過RS485通信接口傳輸給模擬的基站系統(測試板),系統連接著PC機,通過PC機讀出射頻功率放大器給系統的數據信息。

圖1 射頻放大器與模擬基站系統的數據傳輸框圖Fig.1 Block diagram of data transmission between RF amplifier and simulated base station system

圖2為告警功能模擬檢測原理圖,其中J1各連接腳代表的定義為如下:

5腳:Singal GND;6腳:PA GND;7腳:Cable Detection;8腳:Function Fail;9腳:Power Fail。

PA供電給光耦,J1與J2間為PCB排線,J4與J5間為PCB排線,當射頻功放末端帶光耦時,可將J4與J1直接用PCB排線相連,J3為串口接電腦主機(2腳為發射端,3腳為接收端)。

圖2 告警功能模擬檢測原理圖Fig.2 Schematic diagram of simulation test for alarm functions

射頻功率放大器的告警功能模擬檢測的原理是當射頻功率放大器發生告警后,就會發生高低電平變化,而變化后的電平通過彩排線傳送到檢測板上,檢測板根據接收到的電平來決定燈的工作狀態,不同的燈表示的是不同的告警。LED1燈D2代表的是通信電纜檢測,LED2燈D3代表的是功能失效告警,LED3燈D4代表的是功率失效告警。為了方便確認告警狀態,把射頻功率放大器上報低電平時設置為亮燈狀態,射頻功率放大器上報高電平為滅燈狀態。此電路采用的是TTL(Transistor-Transistor Logic)電平標準[2],高電平是2.4～5.0V,低電平是0～0.4 V。

3 射頻功放告警功能的模擬檢測方案

圖3是通過用連接線連接到LED燈電路上來模擬射頻功率放大器與系統的通信,以此來檢測射頻功率放大器的告警狀態。圖3的設計中光耦[3]已位于射頻功放末端。

圖3 告警功能模擬檢測實物圖Fig.3 Picture of simulation test for alarm functions

3.1 通信電纜檢測

在PA接口與PCB排線未接通狀態下,外接5.5 V給LED供電,此時3個LED燈的電壓均為4.3 V(高電平狀態),此時3個LED燈都是滅,表示3種告警都處于告警狀態。當PA接口與PCB排線接通時,信號的地與PA的地直接連通,電路相當于通過300 Ψ電阻對地分壓。此時LED1燈D2電壓為0.3 V,LED1燈D2亮,系統檢測到低電平,檢測告警功能正常。

3.2 功率失效告警

在基站系統上我們把這種告警稱為掉電告警,主要是檢測射頻功率放大器的供電是否正常。當射頻功率放大器未供電時,光耦(PC357N4)處于未導通狀態;反之,當射頻功率放大器供電正常時,光耦(PC357N4)的 If=5 mA,此時光耦處于導通狀態,LED3燈D4電壓為0.2 V,LED3燈D4亮,系統檢測到低電平,檢測告警功能正常。

3.3 功能失效告警

對于射頻功率放大器來說,能夠發生功能告警的狀態很多:

(1)射頻功率放大器任何告警發生時,都會上報功能告警給系統[4];

(2)當微處理器失效時,射頻功率放大器會立即上報功能告警給系統;

(3)當接收到系統發出的復位命令后,在復位信號的復位過程中射頻功率放大器會立即上報功能告警給系統,這時的告警會持續至少600 ms,當復位完成時,告警消失;

(4)當系統要求射頻功率放大器關閉使能時,會立即上報功能告警給系統;

(5)當Power Fail發生時,射頻功率放大器會立即上報功能告警給系統,當Power Fail持續的時間不足600 ms時,功能告警會持續上報600 ms后消失。

從模擬檢測告警的原理圖來看,功能失效告警與功率失效告警電路基本上是一樣的,所以它們的告警原理也差不多,只是在功能失效告警的檢測電路上多了一個二極管(MMSZ4678),此二極管的工作電壓VZ≥1.8 V,當射頻功率放大器有告警產生時,通過485通信上報給系統后,系統檢測出告警會控制給二極管的電壓,此時電壓小于1.8 V,二極管不工作,導致檢測 Function Fail的PC357N4處于斷開狀態,那么LED2就處于高電平狀態,電壓為4.3 V,LED2燈滅,顯示射頻功率放大器功能失效告警。

如表1所示,“√”表示燈亮,“×”表示燈滅。當通信電纜告警發生后,LED1燈滅;當功能失效告警發生后,LED2燈滅;當功率失效告警發生后,LED3燈滅,但是當功率失效告警后,會同時上報功能失效告警,即LED2也會滅。

表1 告警功能檢測狀態表Table 1 State table of simulation test for alarm functions

4 PC機用戶界面的實測結果

上面詳細地描述了通過傳輸線模擬告警的幾種告警原理,以及模擬這幾種告警工作時LED燈顯示的狀態,下面介紹通過上報的幾種告警方式以及告警在PC機的用戶界面上的顯示。

圖4是告警功能在PC機用戶界面的狀態顯示,縱向的8列分別表示溫度告警、過功率告警、過驅告警、電壓告警、低增益告警、環路 1告警、環路 2告警、駐波告警;橫向的上面4行表示的是告警、告警恢復、告警關斷、告警關斷恢復4種狀態,而這4行里面用二進制代表的“0”和“1”分別定義為“功能關閉”以及“功能打開”狀態;橫向的下面4行是對應上面4行的,表示的是射頻功率放大器實際上報的告警,當某種告警產生后,經過模擬檢測PCB接收到后,在PC機就可以監控到相應代表該告警的位置的“0”將會變成“1” 。

圖4 PC機上告警的狀態圖Fig.4 State diagram of alarm functions in PC

4.1 主要告警

主要告警在射頻功率放大器運行中屬于危急告警,當這種告警條件被檢測到時,射頻功率放大器會立刻關斷使能,停止運行。在主要告警中電壓失效關斷告警和高溫關斷告警能夠通過使能命令恢復到正常狀態,此使能信號來源于系統或者電源重啟。

(1)高溫關斷告警

對于射頻功率放大器都有設定的溫度告警門限值、溫度告警關斷門限值以及溫度恢復門限值,當檢測到射頻功放的溫度超過設定的高溫告警關斷門限時,射頻功率放大器將會在5 s后關斷,狀態表中第1列下面4行的“0”將全部顯示為“1”。雖然此時射頻功率放大器不能接收到任何來自系統的信息,但是當溫度下降到設定的恢復門限時,射頻功率放大器將會清除告警狀態并打開使能,狀態表中第1列下面4行的“1”將全部恢復為“0”,射頻功放進入恢復工作狀態。

(2)電壓失效關斷告警

如上所述,射頻功放電壓的告警、關斷、恢復同樣有固定的門限值。當輸入給射頻功率放大器的電壓處于設定的電壓關斷門限時,射頻功率放大器將在5 s后上報此告警并且保持關斷狀態,狀態表中第4列下面4行的“0”將全部顯示為“1”,直至電壓恢復到設定的恢復門限時,射頻功率放大器將在5 s后恢復工作并清除此告警狀態,狀態表中第4列下面4行的“1”將全部恢復為“0”,射頻功放恢復正常工作狀態。

(3)主通道失效關斷告警

當射頻功率放大器的主通道出現失效時,導致射頻功率放大器不能維持正常的運作,主通道失效關斷告警將會發生。射頻功率放大器將會上報此告警并保持關斷狀態,此告警在關斷后不能自動恢復,此時狀態表中第5列下面3行的“0”將全部顯示為“1”。

(4)過輸入關斷告警(又稱過驅關斷告警)

當射頻功率放大器在發射天線端口的輸出功率大于極限值時,輸出功率將被限制并一直保持此時的輸出功率,當這種被限制狀態的功率延續超過5 s后,射頻功率放大器會同時上報過功率告警,此時加大輸入信號,輸出功率不會繼續變大,當輸入的信號超過正常輸入信號至少10 dB以上時,過輸入關斷告警將會發生,射頻功率放大器將會上報此關斷告警并保持關斷狀態,關斷后告警不會自動恢復,此時狀態表中第3列下面3行的“0”將全部顯示為“1”。因為過輸入關斷告警之前,射頻功率放大器必將先上報過功率告警,所以同時狀態表中第2列下面2行的“0”也顯示為“1”。

4.2 次要告警

在電路運行過程中偶然發生一些錯誤或者與客觀運行環境不匹配時將會產生次要告警。在次要告警發生后,射頻功率放大器會繼續保持射頻功放的正常運行狀態直到產生了主要告警關斷。

(1)駐波告警

電壓駐波比(VSWR)[4]的等效參數是反射系數或回波損耗。在一般射頻傳輸中VSWR的范圍在1.1～1.5之間,換算成回波損耗為26.4～14 dB。當射頻功率放大器的VSWR值大于3.5時,射頻功率放大器將會上報駐波告警;當VSWR值小于2.8時,功率放大器將恢復正常工作狀態并清除告警狀態。檢測此告警功能的方法是斷開功率放大器的輸出端線路應發生告警,接上功率放大器的輸出端線路告警應恢復。

(2)軟件失效告警

我們常說的軟件失效包括兩種:一種是Power Transistor Fail Alarm,即功放管失效告警;另一種是Minor loop Fail Alarm,即次環路失效告警。所以,綜合來說當末級的功放管失效并影響功率放大器增益時,放大器會上報功放管失效告警;當放大器的頻譜波形異常被檢測出來時,放大器會上報次環路失效告警。無論功放管[5]失效告警還是次環路失效告警,在系統上都顯示的是軟件失效告警,當軟件失效告警上報后,放大器的總增益會下降6 dB,關斷環路。

(3)低噪放失效告警

正常LNA板的增益為20 dB,當LNA板增益下降6 dB時,射頻功率放大器將會上報低噪放失效告警,直至增益恢復正常,告警恢復。

5 結束語

在射頻功率放大器運行中,無論是主要告警還是次要告警的產生都會伴隨功能告警上報給系統,因此對于系統而言,射頻功率放大器的功能告警是檢測功率放大器性能好壞的決定因素。通過模擬系統接收到的射頻功率放大器的上報告警,可以準確地了解射頻功率放大器的工作狀態,判斷告警問題的所在,保證系統中通信的質量,免去了現場檢測射頻功率放大器帶來的不足。本文的研究在理論與實用上都有較高的應用價值。

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[2] 韓廣興.電子元器件與實用電路基礎[M].3版.北京:電子工業出版社,2008.HAN Guang-xing.Fundamentals of Electronic Devices and Practical Circuits[M].3rd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.(in Chinese)

[3] 彭軍.光電器件基礎與應用[M].北京:科學出版社,2009.PENG Jun.Fundamentals and Applications of Photoelectric Devices[M].Beijing:Science Press,2009.(in Chinese)

[4] 楊霖,盛雁鳴.利用對數檢波器實現射頻功放過駐波保護[J].電子產品世界,2008,15(12):36-38.YANG Lin,SHENG Yan-ming.Excessive VSWR Protection of RF Power Amplifier Basedon Log Detector[J].Electronic Engineering&Product World,2008,15(12):36-38.(in Chinese)

[5] 張海,周霞.功放設計中的檢測及保護電路[J].電子技術,2010,47(5):51-53.ZHANG Hai,ZHOU Xia.Detection and Protection Circuit in Power Amplifier Design[J].Electronic Technology,2010,47(5):51-53.(in Chinese)