天線覆蓋范圍監控系統的設計與實現

李汶周

摘要：無線信號覆蓋范圍是無線通信系統的一個重要指標。無線通信系統運行一段時間后，覆蓋范圍有時會偏離原來的設定值，用戶就會出現信號差、無信號等現象，從而導致網絡服務質量的下降。本文從駐波比和發射功率的角度出發，設計一套監控系統，檢測覆蓋范圍的變化情況，為維護人員及時地處理故障提供幫助。

關鍵詞：覆蓋范圍;駐波比;FPGA

引言

無線信號的覆蓋范圍是無線通信系統關注的一個重要指標，直接影響到用戶的網絡體驗，信號差、無信號是用戶投訴最多的問題點之一。往往在建站的時候，無線信號的覆蓋范圍是滿足用戶的需求的，網絡運行一段時間后卻收到區域內用戶信號差的投訴，為改善網絡服務質量，減少用戶的投訴，應該要能及時發現覆蓋范圍的變化。無線信號覆蓋范圍發生改變的主要因素有發射功率變化、駐波比變大、干擾、天氣變化、新建建筑物的阻擋等。天氣是不可控因素，干擾和新建建筑物是外部因素，而發射功率和駐波比跟發射機的功放和天饋系統有關，應當從內部著手，對發射功率及駐波比進行測試和監控。

1 測量原理

駐波比是無線傳輸系統中的一個重要參數，用來衡量阻抗是否匹配的關鍵指標 。如果饋線和天線的阻抗完全匹配，則駐波比等于1，此時無線信號全部通過天線輻射出去，覆蓋范圍最大;如果饋線和天線的阻抗不匹配，則駐波比大于1，此時無線信號將會有一部分反射回來，形成了駐波，天線輻射的能量變小，從而使得天線的覆蓋范圍變小。

根據駐波比的定義可知，駐波比的計算公式如下：

其中，VSWR表示電壓駐波比;Umax表示饋線上的波腹電壓，等于前向（發射）波和后向（反射）波電壓之和;Umin 表示波谷電壓，是前向（發射）波和后向（反射）波電壓之差。

在阻抗不變的情況下，功率和電壓的平方成正比，由（1）式可得：

其中，Uf和Ur分別表示前向波和后向波電壓;Pf和Pr分別表示前向（發射）功率和后向（反射）功率。

由式（2）可知，駐波比測量的關鍵在于測量前向功率和后向功率。同時在測試駐波比的同時，也測量了發射機的發射功率。

2 測量方案的選擇

駐波比之所以出現變化，主要是因為器件老化、饋線接頭沒處理好進水或灰塵、饋線破損、天線損壞等。常規的措施是定期或有告警后派人使用專用儀器測試，這種測試是不在線的，需要中斷無線業務，耗費人力物力，且需要的時間較長。為保證用戶的網絡體驗，采用不中斷業務在線測試駐波比，使用高耦合度的雙分支定向耦合器作為功率的取樣模塊，一個分支取樣前向功率，另一個分支取樣后向功率，原理如圖1所示。

功率測量方法有二極管檢測法、等效熱功耗檢測法、真有效值轉換檢測法、對數放大檢測法等。二極管檢測法電路簡單，誤差大，對溫度敏感;等效熱功耗檢測法電路實現比較困難，成本高;真有效值轉換檢測法和對數放大檢測法是射頻信號功率檢測的常用方法。考慮到射頻帶寬的需要，本方案采用AD8318作為功率測量模塊。AD8318是對數放大檢測器，帶寬為1MHz至8GHz，具有精度高，噪聲低，溫度穩定性好等特點，并且外部電路簡單，如圖2所示。

功率的的計算及控制、顯示模塊常規用的是單片機，本方案采用FPGA芯片。相比單片機，FPGA具有并行執行，內部資源豐富等特點。

3 方案的設計

硬件系統如圖3所示。

系統由四部分組成，第一部分為功率信號取樣電路，包括雙定向耦合器、濾波器和衰減匹配網絡。雙定向耦合器負責取樣前向功率和后向功率，為盡量減少對天線輻射能量的影響，應采用高耦合度，高定向性的耦合器。考慮到多系統合路共用天線的場景，使用帶通濾波器濾波，只對某一系統進行功率取樣。考慮到取樣的功率對AD8318可能過大，衰減匹配網絡實現功率的衰減。以43dBm（20W）系統為例，選用的定向耦合器耦合度為30dB，帶通濾波器插入損耗約為2dB，衰減匹配網絡約為10dB，則AD8318的輸入信號功率小于等于1dBm。

第二部分為AD8318構成的功率測量轉換電路。AD8318是對數放大器，將輸入的射頻功率信號轉換為電壓輸出，它們的轉換公式為：

VO=VSLOP/dB*（PIN-20dBm） （3）

式中，VO為AD8318的輸出電壓，VSLOP/dB為對數變換斜率，一般取值-25mv/dB，PIN為AD8318輸入信號的功率。由式（3）可知，43dBm系統經過定向耦合器取樣，濾波器濾波，再經過衰減網絡和AD8318轉換后，輸出電壓約為0.5V。

第三部分為模數轉換模塊，包括A/D轉換器、存儲器，由FPGA芯片內部提供。使用FPGA的目的是利用其內部豐富的資源，來簡化設計。zynq7000器件內部的XADC模塊包括2個12比特1 MIPS的模數轉換器，并提供1.25V的基準電壓，能完全滿足AD轉換的需求。使用zynq7000內部的寄存器作為AD轉換后的存儲單元。

第四部分為計算及控制模塊，包括發射功率計算及駐波比計算、比較器，仍然由FPGA實現。AD8318輸出電壓VO經過AD轉換后，送入計算模塊，由式（3）即可直接求得發射功率和反射功率，再由式（2）可得駐波比。陳光達、劉雪梅等人在文獻[1]中總結出，使用FFT法計算駐波比精確度優于傳統能量法計算方式。所以在這里直接使用FPGA芯片的FFT IP核計算發射功率和駐波比。比較器將計算出的發射功率和駐波比與設定值做比較，滿足一定條件后則產生告警信息。

4 小結

天線的覆蓋范圍是影響無線通信質量的一項指標，直接影響到用戶的網絡體驗。文中提出一種在線的發射功率和駐波比測試方法，該方法使用雙定向耦合器和對數放大器將無線通信系統的發射功率和反射功率取樣，然后用FPGA對功率取樣信號進行處理和計算。通過這套系統能在線、及時第發現天線覆蓋范圍的改變，從而維護人員提供幫助。

參考文獻：

[1]陳光達，劉雪梅，黨書東.高精度計算駐波比的方法研究[J].信息通信，2017，（1）：1-3.

[2]金玲.高定向性微帶定向耦合器的研究[J].微波學報，2017，（S1）：195-198.

[3]李茂全.基于FPGA的MF200型中波發射機降功率控制系統[J].無線發射與節傳技術，2021，（345）：74-77.

[4]李碩.一種基于FPGA的民航空管甚高頻發信機駐波比探測系統設計[J].信息通信，2020，（208）：89-91.

[5]武建平.天饋線智能檢測系統的應用[J].山西電子技術，2021，（3）：67-70.