遵循AISG2.0协议的时分复用塔顶放大器控制单元设计

吕 燚， 高军燕

(1.电子科技大学 中山学院,广东 中山 528402;2.电子科技大学 计算机科学与工程学院,成都 610500)

0 引 言

为了规范应用日益增多的天线线上设备(Antenna Line Device，ALD)与基站系统之间的通信，全球主要天线厂家联合微波器件厂家共同制定了天线接口标准组(Antenna Interface Standards Group, AISG)协议。该协议先后经历1.0、1.1和2.0 3个版本，最新的2.0版本已经与3GPP TS-25.460-466国际标准完全兼容。AISG协议已成为基站与ALD之间通信的事实标准，也是目前ALD设备进入市场的必须跨越的技术门槛之一。文献[1]中指出了电调天线和塔顶放大器等设备在网络优化中的突出作用，文献[2]中给出了基于AISG协议的多频段电调天线控制器设计方案，文献[3]中提出了AISG协议上位机软件的设计与实现方法，文献[10]中研究了高效ASIG协议设备扫描算法的设计方法，文献[12]中研究了ALD设备手持控制器的软硬件设计方法。

塔顶放大器(Tower Mounted Amplifier, TMA)是安装在基站天线底部用于放大上行信号的低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，可以改善上行信号质量，提高上行信噪比，是解决基站上下行信号不平衡问题，提升基站覆盖距离和覆盖质量的有效手段[2]，是第一批被纳入AISG协议的ALD设备。在基站选址和建设成本日益增加的情况下，以最低的成本提升信号质量和覆盖范围成为各大移动运营商的首选方案[1,5]，因而塔顶放大器的价值得到了移动运营商的广泛认可。根据网络制式的不同TMA分为频分复用TMA和时分复用TMA(Time Division Duplex-TMA，TDD-TMA)两种，其中TDD-TMA在4G网络以及未来的5G网络中扮演重要角色。文献[6]中研究了频分复用TMA的设计方法，文献[4]中提出了带有驻波检测功能的频分复用TMA设计方案，进一步完善了TMA的状态监测功能。

本文将从控制和软件方面给出TDD-TMA嵌入式控制单元的设计思路，介绍TDD收发控制模块、OOK通信和同步信号检测等模块的电路设计，提出ASIG协议栈和TMA故障检测与处理的设计思路和软件实现方法，并完成塔顶放大器的OOK通信测试和故障处理功能的测试。

1 系统总体结构

ALD设备通过TMA与基站相连的示意图如图1所示，TMA与基站之间采用射频馈线连接，通过AISG线缆与其他ALD设备相连。其内部嵌入式控制单元系统结构如图1所示，硬件部分主要包括两组射频信号收发模块、OOK通信电路、(收发模块)工作状态监控模块、过流保护、电流告警和嵌入式控制器最小系统组成。

AISG通信电路实现OOK信号调制解调以及基站、TMA和其他ALD之间的互联。为了防止由于其他ALD设备短路故障导致TMA失效，在其AISG接口端设计了硬件过流保护电路，当过流时自动切断对外供电。收发模块实现上下行信号的分时切换，并在上下行通道间提供足够的隔离度，防止出现闭环自激和大功率信号损坏LNA的情况。同步信号检测电路采用了有效值功率检波的方法完成了从下行信号中检测收发同步信号，收发模块根据该同步信号进行上下行通道切换。工作状态监控电路采用了监控TMA上行通道有源器件的工作电流的方式来判断其是否处于故障状态，由于有源器件是在收发同步信号的控制下工作的，因此工作电流检测也需要和该信号同步，保证只在上行时隙中对其进行采集。为了保证在AISG通信中断的情况TMA仍具备向基站上报告警的功能[6]，系统中设计了电流告警功能，通过主动改变其工作电流来告知基站相应的告警信息。

图1 TDD-TMA系统总体结构示意图

2 硬件设计

2.1 AISG通信接口电路

AISG协议物理层支持485和OOK载波通信两种方式。TMA直接与射频馈线相连，所以将ASIG通信信号通过OOK方式耦合到射频馈线上是目前TMA的主流设计方法。TMA通过射频馈线与基站系统相连，通过AISG端口与其他ALD设备采用菊花链的方式相连，因而TMA中的OOK调制解调电路应实现基站、TMA控制器和其他ALD设备之间的信号互联。本系统中设计的OOK通信电路如图2所示，图中OOK端口为载波信号，通过高压耦合电容与射频馈线相连，MCU-TX和MCU-RX分别与单片机的UART模块相连，485A和485B和AISG接口相连，图中HMC349为射频开关，AD8310为对数放大器。该电路处于接收状态时，OOK信号经过AD8310进行检波，其输出VOUT与OOK信号的功率成正比，通过比较器U4-A与阈值检测电压比较得到接收信号，该接收信号发送到单片机和AISG端口，U7-A为74HC123，用于构成单稳态触发电路，其输出与U15的收发控制端相连。数据发送状态下，U1-B的输出TX将控制射频开关是否输出OOK载波信号。为了防止TX的发送信号绕回到接收端RX，设计了由D3、D4、R13、R14和C7组成的非对称充放电电路，当TX为低电平时，R14电阻小，放电速度快，TX为高电平时C7的充电速度则要慢得多，实现了在信号发送期间比较器U4-B的同相端电压低于反相端，拉低其输出信号，即保证了在TX发送信号过程中RX始终为空闲状态高电平。

图2 OOK通信电路

2.2 收发模块设计

TDD-TMA中上下行信号频率相同，而是采用不同的时隙来完成信号收发，因而需要其与基站信号保持同步，在接收和发送两种状态之间切换，并保证上行时隙内不会产生闭环自激，下行时隙内不会有大功率信号进入LNA。本设计中的收发控制模块示意图如图3所示，该模块有下行通道、上行通道和(上行)旁路通道构成，图中L1～L4为1/4波长微带线，D1和D2为PIN二极管，控制S1和S2的电压调节PIN二极管的偏置实现射频开关的功能。A1和A2为环行器，S3和S4为大功率射频单刀双掷开关，其开关状态受同步信号控制，如图所示，S3和S4共同决定LNA是否接入到上行通道中，上行时隙内，上行信号经过A2、S4进入LNA，放大后经过S3和A1回到基站，为了防止产生闭环自激，期间S1保持高电平，即切断下行通道。图中的压控增益衰减器主要用于对LNA的放大倍数进行温度补偿，保证在TMA整个工作温度范围内保持恒定的上行增益。当LNA、S3或S4发生故障时，要通过S3和S4切断上行通道，并将S2变为低电平，接通旁路通道，并通过AISG命令或是电流告警方式向基站上报告警信息。

图3 收发控制模块电路结构示意图

2.3 电流告警电路

当TMA和基站无法进行AISG通信的情况下，TMA需要通过电流告警方式向基站上报故障信息。电流告警是指当TMA故障时，在其正常工作电流基础上额外增加一定的电流消耗，额外增加的电流消耗量代表告警等级，基站通过检测其电流的突变来感知TMA是否发生故障。TMA的供电电压范围为10～30 V,因而要求电流告警电路能够在整个工作电压范围内准确控制电流消耗。电流告警电路如图4所示，PWM_A为单片机的PWM信号输出，经过由运放和R5、R6、C1、C2构成的2阶Butterworth低通滤波电路得到模拟电压Upwm，该低通滤波电路的传递函数为1/(RCs+1)2,其带内增益为1，截至频率为160 Hz，得到Upwm=Q×5 V，Q为PWM信号占空比。运放U2-A和R8、R9、R4、R10、Q1和R11构成了电压-电流变换电路，其中Q1为达林顿管，R11为2512封装的功率电阻，由电流负反馈电路关系可得Upwm×0.55=I×11,化简得I=0.05×Upwm，即该电路的电流消耗由PWM信号的占空比决定，而与电源电压无关，实现通过调节PWM信号占空比，改变该电流告警电路的电流消耗[5-7]。由于故障时关闭了LNA和射频开关，因而告警时该电路总的电流消耗应等于告警电流和LNA与射频开关工作电流之和，图中的U3用于检测LNA和射频开关的正常工作电流。在AISG工作模式，通过将DISABLE置为高点平，彻底关闭电流告警功能。

图4 电流告警电路

2.4 过流保护电路

TMA通过其AISG接口则与其他ALD设备通过菊花链形式相连，例如实际中最常见的电调天线控制器，TMA需要为AISG接口提供电源，为了防止由于ALD设备过流或者短路而造成TMA不能正常工作的情况出现，在TMA中集成了过流保护电路[7-9]。当AISG总线输出电流超过规定阈值(3 A)时，便认为发生过流，切断对外电源输出。过流保护电路如图5所示，R1采用50 mΩ的合金电阻，PNP对管BCM857构成了镜像电流源电路[10-11]，由镜像电流源特性可知，I3=I1/1 000，U1=I3×R5，因而当电流i1超过3 A时，U1为高电平，T2输出低电平，Q3截至，从而Q2关闭，切断对外AISG供电。图中的U1和U2与单片机相连，当单片机检测到U2为低电平时，表明发生过流，此时单片机通过U1端口输出高电平，彻底切断AISG接口的电源。

图5 过流保护电路

3 软件设计

3.1 AISG协议栈

AISG协议采用3层网络模型，其结构如图6所示。物理层为OOK Modem或485通信，在本设计中基站与TMA之间采用OOK方式将电源信号和AISG信号耦合到射频馈线上，简化安装并降低了成本，从TMA到其他RET设备之间的通信采用485方式。AISG协议规定了3种通信波特率，并要求通信字节之间的时间间隔小于3 ms，本设计中为了避免通信过程中UART模块频繁中断处理器，采用了DMA方式实现了通信数据的自动收发，大大提高了执行效率。数据链路层采用了非平衡方式的HDLC规范[12]，通信主体有主从之分，基站是主机，ALD为从机。图6中数据链路层共实现3种格式的数据帧，其中XID帧主要用于设备扫描以及链路的建立与维护[12]，I帧则用于应用层通信，U帧则主要用于在非平衡链路方式下实现应用层的告警主动上报功能。应用层中的AISG命令解析接口负责从接收到的AISG帧中解析命令参数并将执行结果封装到I帧中，TMA状态监控模块实现TMA状态查询、设置以及故障情况下的自恢复等，AISG参数模块完成TMA射频参数、配置参数的存储与读取，固件更新模块用于TMA固件的远程升级[13]。本设计严格按照分层思想设计，综合运用DMA收发和零拷贝技术，有效提高了协议的执行效率。

图6 AISG协议栈设计模型

3.2 过流故障检测与处理

本设计中通过监控TMA中关键有源射频元件的电流来判别其工作状态，包括图3中所示的LNA芯片A3和大功率射频开关S3和S4。当其工作电流超过正常工作电流±50%便认为其电流异常，为故障状态。当LNA故障时程序需要立即关断LNA电源，上行通道切换到旁路状态，并进行电流告警或是通过AISG向基站上报LNA故障告警信息。为了避免故障由有源器件非永久失效触发而导致TMA长时间处于旁路状态，本系统中设定了定时复检的功能。故障检测流程如图7所示，复检定时器溢出后会重新启动上行通道，再次对其工作状态进行检测。

4 系统测试

TMA控制单元的系统测试主要包括AISG物理层电气性能测试和应用层协议对接测试，其中TMA故障检测与处理功能测试是对接测试的重点[14-15]。OOK电路测试波形如图8所示，1号通道为OOK通信信号，2、3号通道分别为图2中的485A和485B信号。调节图2中R8和R9的电阻值可以OOK模块的解调灵敏度，调节由R5、R6和R50构成的衰减电路可以改变其发射功率，本设计中最终实测解调灵敏度为-18 dBm，ON状态调制发射功率为+4 dBm，OFF状态为-40 dBm，满足AISG规范要求。

图7 故障检测与处理流程图

图8 OOK调制解调电路测试波形

应用层测试主要完成了TMA正常状态下与基站系统的通信，实现了包括设备扫描、建立连接、参数配置、固件更新、TMA状态设置、状态反馈和获取告警信息等功能。为验证TMA的故障处理性能，测试中模拟了LNA、射频开关工作电流异常和同步信号丢失3种故障，AISG模式下射频开关故障上报次要告警，LNA故障上报主要告警，同步信号丢失则反复上报两种告警信息，上报时间间隔为2 s。当AISG通信中断时，TMA自动切换到电流告警模式下，电流告警阈值分别为50 mA和90 mA，分别对应AISG次要和主要告警。该故障处理模式得到了基站厂家的一致认可，长期工作稳定。

5 结 语

本文从控制电路和软件实现两方面详细介绍了遵循AISG规范的TDD-TMA控制器的设计思路。首先介绍了基站与包括TMA在内的ALD设备互联的网络结构，给出了TDD-TMA的系统总体结构并分析各功能模块的作用，然后从OOK通信电路、收发控制模块、电流告警和过流保护电路4个方面阐述控制器的硬件设计，软件部分主要介绍了在嵌入式平台上AISG协议栈的设计思路和TMA状态监控和故障处理功能的实现方法，最后给出了控制器硬件及协议对接测试结果。本设计已经完成了与基站系统的协议测试和TMA功能测试，并且已经量产应用于中国移动4G基站系统中，状态监控功能完善，长期运行稳定可靠。