遵循AISG2.0協議的時分復用塔頂放大器控制單元設計

呂 燚， 高軍燕

(1.電子科技大學 中山學院,廣東 中山 528402;2.電子科技大學 計算機科學與工程學院,成都 610500)

0 引 言

為了規范應用日益增多的天線線上設備(Antenna Line Device，ALD)與基站系統之間的通信，全球主要天線廠家聯合微波器件廠家共同制定了天線接口標準組(Antenna Interface Standards Group, AISG)協議。該協議先后經歷1.0、1.1和2.0 3個版本，最新的2.0版本已經與3GPP TS-25.460-466國際標準完全兼容。AISG協議已成為基站與ALD之間通信的事實標準，也是目前ALD設備進入市場的必須跨越的技術門檻之一。文獻[1]中指出了電調天線和塔頂放大器等設備在網絡優化中的突出作用，文獻[2]中給出了基于AISG協議的多頻段電調天線控制器設計方案，文獻[3]中提出了AISG協議上位機軟件的設計與實現方法，文獻[10]中研究了高效ASIG協議設備掃描算法的設計方法，文獻[12]中研究了ALD設備手持控制器的軟硬件設計方法。

塔頂放大器(Tower Mounted Amplifier, TMA)是安裝在基站天線底部用于放大上行信號的低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，可以改善上行信號質量，提高上行信噪比，是解決基站上下行信號不平衡問題，提升基站覆蓋距離和覆蓋質量的有效手段[2]，是第一批被納入AISG協議的ALD設備。在基站選址和建設成本日益增加的情況下，以最低的成本提升信號質量和覆蓋范圍成為各大移動運營商的首選方案[1,5]，因而塔頂放大器的價值得到了移動運營商的廣泛認可。根據網絡制式的不同TMA分為頻分復用TMA和時分復用TMA(Time Division Duplex-TMA，TDD-TMA)兩種，其中TDD-TMA在4G網絡以及未來的5G網絡中扮演重要角色。文獻[6]中研究了頻分復用TMA的設計方法，文獻[4]中提出了帶有駐波檢測功能的頻分復用TMA設計方案，進一步完善了TMA的狀態監測功能。

本文將從控制和軟件方面給出TDD-TMA嵌入式控制單元的設計思路，介紹TDD收發控制模塊、OOK通信和同步信號檢測等模塊的電路設計，提出ASIG協議棧和TMA故障檢測與處理的設計思路和軟件實現方法，并完成塔頂放大器的OOK通信測試和故障處理功能的測試。

1 系統總體結構

ALD設備通過TMA與基站相連的示意圖如圖1所示，TMA與基站之間采用射頻饋線連接，通過AISG線纜與其他ALD設備相連。其內部嵌入式控制單元系統結構如圖1所示，硬件部分主要包括兩組射頻信號收發模塊、OOK通信電路、(收發模塊)工作狀態監控模塊、過流保護、電流告警和嵌入式控制器最小系統組成。

AISG通信電路實現OOK信號調制解調以及基站、TMA和其他ALD之間的互聯。為了防止由于其他ALD設備短路故障導致TMA失效，在其AISG接口端設計了硬件過流保護電路，當過流時自動切斷對外供電。收發模塊實現上下行信號的分時切換，并在上下行通道間提供足夠的隔離度，防止出現閉環自激和大功率信號損壞LNA的情況。同步信號檢測電路采用了有效值功率檢波的方法完成了從下行信號中檢測收發同步信號，收發模塊根據該同步信號進行上下行通道切換。工作狀態監控電路采用了監控TMA上行通道有源器件的工作電流的方式來判斷其是否處于故障狀態，由于有源器件是在收發同步信號的控制下工作的，因此工作電流檢測也需要和該信號同步，保證只在上行時隙中對其進行采集。為了保證在AISG通信中斷的情況TMA仍具備向基站上報告警的功能[6]，系統中設計了電流告警功能，通過主動改變其工作電流來告知基站相應的告警信息。

圖1 TDD-TMA系統總體結構示意圖

2 硬件設計

2.1 AISG通信接口電路

AISG協議物理層支持485和OOK載波通信兩種方式。TMA直接與射頻饋線相連，所以將ASIG通信信號通過OOK方式耦合到射頻饋線上是目前TMA的主流設計方法。TMA通過射頻饋線與基站系統相連，通過AISG端口與其他ALD設備采用菊花鏈的方式相連，因而TMA中的OOK調制解調電路應實現基站、TMA控制器和其他ALD設備之間的信號互聯。本系統中設計的OOK通信電路如圖2所示，圖中OOK端口為載波信號，通過高壓耦合電容與射頻饋線相連，MCU-TX和MCU-RX分別與單片機的UART模塊相連，485A和485B和AISG接口相連，圖中HMC349為射頻開關，AD8310為對數放大器。該電路處于接收狀態時，OOK信號經過AD8310進行檢波，其輸出VOUT與OOK信號的功率成正比，通過比較器U4-A與閾值檢測電壓比較得到接收信號，該接收信號發送到單片機和AISG端口，U7-A為74HC123，用于構成單穩態觸發電路，其輸出與U15的收發控制端相連。數據發送狀態下，U1-B的輸出TX將控制射頻開關是否輸出OOK載波信號。為了防止TX的發送信號繞回到接收端RX，設計了由D3、D4、R13、R14和C7組成的非對稱充放電電路，當TX為低電平時，R14電阻小，放電速度快，TX為高電平時C7的充電速度則要慢得多，實現了在信號發送期間比較器U4-B的同相端電壓低于反相端，拉低其輸出信號，即保證了在TX發送信號過程中RX始終為空閑狀態高電平。

圖2 OOK通信電路

2.2 收發模塊設計

TDD-TMA中上下行信號頻率相同，而是采用不同的時隙來完成信號收發，因而需要其與基站信號保持同步，在接收和發送兩種狀態之間切換，并保證上行時隙內不會產生閉環自激，下行時隙內不會有大功率信號進入LNA。本設計中的收發控制模塊示意圖如圖3所示，該模塊有下行通道、上行通道和(上行)旁路通道構成，圖中L1～L4為1/4波長微帶線，D1和D2為PIN二極管，控制S1和S2的電壓調節PIN二極管的偏置實現射頻開關的功能。A1和A2為環行器，S3和S4為大功率射頻單刀雙擲開關，其開關狀態受同步信號控制，如圖所示，S3和S4共同決定LNA是否接入到上行通道中，上行時隙內，上行信號經過A2、S4進入LNA，放大后經過S3和A1回到基站，為了防止產生閉環自激，期間S1保持高電平，即切斷下行通道。圖中的壓控增益衰減器主要用于對LNA的放大倍數進行溫度補償，保證在TMA整個工作溫度范圍內保持恒定的上行增益。當LNA、S3或S4發生故障時，要通過S3和S4切斷上行通道，并將S2變為低電平，接通旁路通道，并通過AISG命令或是電流告警方式向基站上報告警信息。

圖3 收發控制模塊電路結構示意圖

2.3 電流告警電路

當TMA和基站無法進行AISG通信的情況下，TMA需要通過電流告警方式向基站上報故障信息。電流告警是指當TMA故障時，在其正常工作電流基礎上額外增加一定的電流消耗，額外增加的電流消耗量代表告警等級，基站通過檢測其電流的突變來感知TMA是否發生故障。TMA的供電電壓范圍為10～30 V,因而要求電流告警電路能夠在整個工作電壓范圍內準確控制電流消耗。電流告警電路如圖4所示，PWM_A為單片機的PWM信號輸出，經過由運放和R5、R6、C1、C2構成的2階Butterworth低通濾波電路得到模擬電壓Upwm，該低通濾波電路的傳遞函數為1/(RCs+1)2,其帶內增益為1，截至頻率為160 Hz，得到Upwm=Q×5 V，Q為PWM信號占空比。運放U2-A和R8、R9、R4、R10、Q1和R11構成了電壓-電流變換電路，其中Q1為達林頓管，R11為2512封裝的功率電阻，由電流負反饋電路關系可得Upwm×0.55=I×11,化簡得I=0.05×Upwm，即該電路的電流消耗由PWM信號的占空比決定，而與電源電壓無關，實現通過調節PWM信號占空比，改變該電流告警電路的電流消耗[5-7]。由于故障時關閉了LNA和射頻開關，因而告警時該電路總的電流消耗應等于告警電流和LNA與射頻開關工作電流之和，圖中的U3用于檢測LNA和射頻開關的正常工作電流。在AISG工作模式，通過將DISABLE置為高點平，徹底關閉電流告警功能。

圖4 電流告警電路

2.4 過流保護電路

TMA通過其AISG接口則與其他ALD設備通過菊花鏈形式相連，例如實際中最常見的電調天線控制器，TMA需要為AISG接口提供電源，為了防止由于ALD設備過流或者短路而造成TMA不能正常工作的情況出現，在TMA中集成了過流保護電路[7-9]。當AISG總線輸出電流超過規定閾值(3 A)時，便認為發生過流，切斷對外電源輸出。過流保護電路如圖5所示，R1采用50 mΩ的合金電阻，PNP對管BCM857構成了鏡像電流源電路[10-11]，由鏡像電流源特性可知，I3=I1/1 000，U1=I3×R5，因而當電流i1超過3 A時，U1為高電平，T2輸出低電平，Q3截至，從而Q2關閉，切斷對外AISG供電。圖中的U1和U2與單片機相連，當單片機檢測到U2為低電平時，表明發生過流，此時單片機通過U1端口輸出高電平，徹底切斷AISG接口的電源。

圖5 過流保護電路

3 軟件設計

3.1 AISG協議棧

AISG協議采用3層網絡模型，其結構如圖6所示。物理層為OOK Modem或485通信，在本設計中基站與TMA之間采用OOK方式將電源信號和AISG信號耦合到射頻饋線上，簡化安裝并降低了成本，從TMA到其他RET設備之間的通信采用485方式。AISG協議規定了3種通信波特率，并要求通信字節之間的時間間隔小于3 ms，本設計中為了避免通信過程中UART模塊頻繁中斷處理器，采用了DMA方式實現了通信數據的自動收發，大大提高了執行效率。數據鏈路層采用了非平衡方式的HDLC規范[12]，通信主體有主從之分，基站是主機，ALD為從機。圖6中數據鏈路層共實現3種格式的數據幀，其中XID幀主要用于設備掃描以及鏈路的建立與維護[12]，I幀則用于應用層通信，U幀則主要用于在非平衡鏈路方式下實現應用層的告警主動上報功能。應用層中的AISG命令解析接口負責從接收到的AISG幀中解析命令參數并將執行結果封裝到I幀中，TMA狀態監控模塊實現TMA狀態查詢、設置以及故障情況下的自恢復等，AISG參數模塊完成TMA射頻參數、配置參數的存儲與讀取，固件更新模塊用于TMA固件的遠程升級[13]。本設計嚴格按照分層思想設計，綜合運用DMA收發和零拷貝技術，有效提高了協議的執行效率。

圖6 AISG協議棧設計模型

3.2 過流故障檢測與處理

本設計中通過監控TMA中關鍵有源射頻元件的電流來判別其工作狀態，包括圖3中所示的LNA芯片A3和大功率射頻開關S3和S4。當其工作電流超過正常工作電流±50%便認為其電流異常，為故障狀態。當LNA故障時程序需要立即關斷LNA電源，上行通道切換到旁路狀態，并進行電流告警或是通過AISG向基站上報LNA故障告警信息。為了避免故障由有源器件非永久失效觸發而導致TMA長時間處于旁路狀態，本系統中設定了定時復檢的功能。故障檢測流程如圖7所示，復檢定時器溢出后會重新啟動上行通道，再次對其工作狀態進行檢測。

4 系統測試

TMA控制單元的系統測試主要包括AISG物理層電氣性能測試和應用層協議對接測試，其中TMA故障檢測與處理功能測試是對接測試的重點[14-15]。OOK電路測試波形如圖8所示，1號通道為OOK通信信號，2、3號通道分別為圖2中的485A和485B信號。調節圖2中R8和R9的電阻值可以OOK模塊的解調靈敏度，調節由R5、R6和R50構成的衰減電路可以改變其發射功率，本設計中最終實測解調靈敏度為-18 dBm，ON狀態調制發射功率為+4 dBm，OFF狀態為-40 dBm，滿足AISG規范要求。

圖7 故障檢測與處理流程圖

圖8 OOK調制解調電路測試波形

應用層測試主要完成了TMA正常狀態下與基站系統的通信，實現了包括設備掃描、建立連接、參數配置、固件更新、TMA狀態設置、狀態反饋和獲取告警信息等功能。為驗證TMA的故障處理性能，測試中模擬了LNA、射頻開關工作電流異常和同步信號丟失3種故障，AISG模式下射頻開關故障上報次要告警，LNA故障上報主要告警，同步信號丟失則反復上報兩種告警信息，上報時間間隔為2 s。當AISG通信中斷時，TMA自動切換到電流告警模式下，電流告警閾值分別為50 mA和90 mA，分別對應AISG次要和主要告警。該故障處理模式得到了基站廠家的一致認可，長期工作穩定。

5 結 語

本文從控制電路和軟件實現兩方面詳細介紹了遵循AISG規范的TDD-TMA控制器的設計思路。首先介紹了基站與包括TMA在內的ALD設備互聯的網絡結構，給出了TDD-TMA的系統總體結構并分析各功能模塊的作用，然后從OOK通信電路、收發控制模塊、電流告警和過流保護電路4個方面闡述控制器的硬件設計，軟件部分主要介紹了在嵌入式平臺上AISG協議棧的設計思路和TMA狀態監控和故障處理功能的實現方法，最后給出了控制器硬件及協議對接測試結果。本設計已經完成了與基站系統的協議測試和TMA功能測試，并且已經量產應用于中國移動4G基站系統中，狀態監控功能完善，長期運行穩定可靠。