射頻功率放大器告警功能模擬檢測(cè)方案

何業(yè)軍,章 穎,李健鋒

(深圳大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東深圳518060)

1 引 言

隨著無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的飛速發(fā)展,移動(dòng)通信變革中起主導(dǎo)地位的是移動(dòng)通信基站,而移動(dòng)通信基站能否保證通信的順暢已成為衡量基站工作質(zhì)量的關(guān)鍵。在基站系統(tǒng)中,射頻功率放大器與系統(tǒng)都是通過(guò)傳輸線(xiàn)來(lái)連接的,告警功能檢測(cè)模塊保證射頻功率放大器的工作狀態(tài)能夠迅速地反饋給系統(tǒng),同時(shí)能讓我們?cè)诘谝粫r(shí)間發(fā)現(xiàn)射頻功率放大器是否出現(xiàn)異常。

在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中,射頻功率放大器的告警上報(bào)直接影響著我們對(duì)基站性能的判斷。在基站系統(tǒng)中,射頻功率放大器一般都是通過(guò)RS485通信接口的方式上報(bào)告警信息[1]。常見(jiàn)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(guān)斷告警(High Temperature Shutdown Alarm)、電壓失效關(guān)斷告警(DC Fail Shutdown Alarm)、主通道失效關(guān)斷告警(Major Loop Fail Shutdown Alarm)、過(guò)驅(qū)關(guān)斷告警(Over Power Shutdown Alarm);次要告警包括過(guò)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(tǒng)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(cè)(Cable Detection)被稱(chēng)為直接告警。這里我們通過(guò)檢測(cè)LED燈的工作狀態(tài)來(lái)模擬基站系統(tǒng)的告警,以模擬WCDMA基站系統(tǒng)告警功能做上報(bào)檢測(cè)實(shí)例。

2 射頻功放告警功能的模擬檢測(cè)原理

如圖1所示,在整個(gè)模擬系統(tǒng)中,射頻功率放大器的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息通過(guò)RS485通信接口傳輸給模擬的基站系統(tǒng)(測(cè)試板),系統(tǒng)連接著PC機(jī),通過(guò)PC機(jī)讀出射頻功率放大器給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息。

圖1 射頻放大器與模擬基站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(cè)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(xiàn),J4與J5間為PCB排線(xiàn),當(dāng)射頻功放末端帶光耦時(shí),可將J4與J1直接用PCB排線(xiàn)相連,J3為串口接電腦主機(jī)(2腳為發(fā)射端,3腳為接收端)。

圖2 告警功能模擬檢測(cè)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(cè)的原理是當(dāng)射頻功率放大器發(fā)生告警后,就會(huì)發(fā)生高低電平變化,而變化后的電平通過(guò)彩排線(xiàn)傳送到檢測(cè)板上,檢測(cè)板根據(jù)接收到的電平來(lái)決定燈的工作狀態(tài),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(cè),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(rèn)告警狀態(tài),把射頻功率放大器上報(bào)低電平時(shí)設(shè)置為亮燈狀態(tài),射頻功率放大器上報(bào)高電平為滅燈狀態(tài)。此電路采用的是TTL(Transistor-Transistor Logic)電平標(biāo)準(zhǔn)[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(cè)方案

圖3是通過(guò)用連接線(xiàn)連接到LED燈電路上來(lái)模擬射頻功率放大器與系統(tǒng)的通信,以此來(lái)檢測(cè)射頻功率放大器的告警狀態(tài)。圖3的設(shè)計(jì)中光耦[3]已位于射頻功放末端。

圖3 告警功能模擬檢測(cè)實(shí)物圖Fig.3 Picture of simulation test for alarm functions

3.1 通信電纜檢測(cè)

在PA接口與PCB排線(xiàn)未接通狀態(tài)下,外接5.5 V給LED供電,此時(shí)3個(gè)LED燈的電壓均為4.3 V(高電平狀態(tài)),此時(shí)3個(gè)LED燈都是滅,表示3種告警都處于告警狀態(tài)。當(dāng)PA接口與PCB排線(xiàn)接通時(shí),信號(hào)的地與PA的地直接連通,電路相當(dāng)于通過(guò)300 Ψ電阻對(duì)地分壓。此時(shí)LED1燈D2電壓為0.3 V,LED1燈D2亮,系統(tǒng)檢測(cè)到低電平,檢測(cè)告警功能正常。

3.2 功率失效告警

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

3.3 功能失效告警

對(duì)于射頻功率放大器來(lái)說(shuō),能夠發(fā)生功能告警的狀態(tài)很多:

(1)射頻功率放大器任何告警發(fā)生時(shí),都會(huì)上報(bào)功能告警給系統(tǒng)[4];

(2)當(dāng)微處理器失效時(shí),射頻功率放大器會(huì)立即上報(bào)功能告警給系統(tǒng);

(3)當(dāng)接收到系統(tǒng)發(fā)出的復(fù)位命令后,在復(fù)位信號(hào)的復(fù)位過(guò)程中射頻功率放大器會(huì)立即上報(bào)功能告警給系統(tǒng),這時(shí)的告警會(huì)持續(xù)至少600 ms,當(dāng)復(fù)位完成時(shí),告警消失;

(4)當(dāng)系統(tǒng)要求射頻功率放大器關(guān)閉使能時(shí),會(huì)立即上報(bào)功能告警給系統(tǒng);

(5)當(dāng)Power Fail發(fā)生時(shí),射頻功率放大器會(huì)立即上報(bào)功能告警給系統(tǒng),當(dāng)Power Fail持續(xù)的時(shí)間不足600 ms時(shí),功能告警會(huì)持續(xù)上報(bào)600 ms后消失。

從模擬檢測(cè)告警的原理圖來(lái)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(cè)電路上多了一個(gè)二極管(MMSZ4678),此二極管的工作電壓VZ≥1.8 V,當(dāng)射頻功率放大器有告警產(chǎn)生時(shí),通過(guò)485通信上報(bào)給系統(tǒng)后,系統(tǒng)檢測(cè)出告警會(huì)控制給二極管的電壓,此時(shí)電壓小于1.8 V,二極管不工作,導(dǎo)致檢測(cè) Function Fail的PC357N4處于斷開(kāi)狀態(tài),那么LED2就處于高電平狀態(tài),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(dāng)通信電纜告警發(fā)生后,LED1燈滅;當(dāng)功能失效告警發(fā)生后,LED2燈滅;當(dāng)功率失效告警發(fā)生后,LED3燈滅,但是當(dāng)功率失效告警后,會(huì)同時(shí)上報(bào)功能失效告警,即LED2也會(huì)滅。

表1 告警功能檢測(cè)狀態(tài)表Table 1 State table of simulation test for alarm functions

4 PC機(jī)用戶(hù)界面的實(shí)測(cè)結(jié)果

上面詳細(xì)地描述了通過(guò)傳輸線(xiàn)模擬告警的幾種告警原理,以及模擬這幾種告警工作時(shí)LED燈顯示的狀態(tài),下面介紹通過(guò)上報(bào)的幾種告警方式以及告警在PC機(jī)的用戶(hù)界面上的顯示。

圖4是告警功能在PC機(jī)用戶(hù)界面的狀態(tài)顯示,縱向的8列分別表示溫度告警、過(guò)功率告警、過(guò)驅(qū)告警、電壓告警、低增益告警、環(huán)路 1告警、環(huán)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(fù)、告警關(guān)斷、告警關(guān)斷恢復(fù)4種狀態(tài),而這4行里面用二進(jìn)制代表的“0”和“1”分別定義為“功能關(guān)閉”以及“功能打開(kāi)”狀態(tài);橫向的下面4行是對(duì)應(yīng)上面4行的,表示的是射頻功率放大器實(shí)際上報(bào)的告警,當(dāng)某種告警產(chǎn)生后,經(jīng)過(guò)模擬檢測(cè)PCB接收到后,在PC機(jī)就可以監(jiān)控到相應(yīng)代表該告警的位置的“0”將會(huì)變成“1” 。

圖4 PC機(jī)上告警的狀態(tài)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(yùn)行中屬于危急告警,當(dāng)這種告警條件被檢測(cè)到時(shí),射頻功率放大器會(huì)立刻關(guān)斷使能,停止運(yùn)行。在主要告警中電壓失效關(guān)斷告警和高溫關(guān)斷告警能夠通過(guò)使能命令恢復(fù)到正常狀態(tài),此使能信號(hào)來(lái)源于系統(tǒng)或者電源重啟。

(1)高溫關(guān)斷告警

對(duì)于射頻功率放大器都有設(shè)定的溫度告警門(mén)限值、溫度告警關(guān)斷門(mén)限值以及溫度恢復(fù)門(mén)限值,當(dāng)檢測(cè)到射頻功放的溫度超過(guò)設(shè)定的高溫告警關(guān)斷門(mén)限時(shí),射頻功率放大器將會(huì)在5 s后關(guān)斷,狀態(tài)表中第1列下面4行的“0”將全部顯示為“1”。雖然此時(shí)射頻功率放大器不能接收到任何來(lái)自系統(tǒng)的信息,但是當(dāng)溫度下降到設(shè)定的恢復(fù)門(mén)限時(shí),射頻功率放大器將會(huì)清除告警狀態(tài)并打開(kāi)使能,狀態(tài)表中第1列下面4行的“1”將全部恢復(fù)為“0”,射頻功放進(jìn)入恢復(fù)工作狀態(tài)。

(2)電壓失效關(guān)斷告警

如上所述,射頻功放電壓的告警、關(guān)斷、恢復(fù)同樣有固定的門(mén)限值。當(dāng)輸入給射頻功率放大器的電壓處于設(shè)定的電壓關(guān)斷門(mén)限時(shí),射頻功率放大器將在5 s后上報(bào)此告警并且保持關(guān)斷狀態(tài),狀態(tài)表中第4列下面4行的“0”將全部顯示為“1”,直至電壓恢復(fù)到設(shè)定的恢復(fù)門(mén)限時(shí),射頻功率放大器將在5 s后恢復(fù)工作并清除此告警狀態(tài),狀態(tài)表中第4列下面4行的“1”將全部恢復(fù)為“0”,射頻功放恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

(3)主通道失效關(guān)斷告警

當(dāng)射頻功率放大器的主通道出現(xiàn)失效時(shí),導(dǎo)致射頻功率放大器不能維持正常的運(yùn)作,主通道失效關(guān)斷告警將會(huì)發(fā)生。射頻功率放大器將會(huì)上報(bào)此告警并保持關(guān)斷狀態(tài),此告警在關(guān)斷后不能自動(dòng)恢復(fù),此時(shí)狀態(tài)表中第5列下面3行的“0”將全部顯示為“1”。

(4)過(guò)輸入關(guān)斷告警(又稱(chēng)過(guò)驅(qū)關(guān)斷告警)

當(dāng)射頻功率放大器在發(fā)射天線(xiàn)端口的輸出功率大于極限值時(shí),輸出功率將被限制并一直保持此時(shí)的輸出功率,當(dāng)這種被限制狀態(tài)的功率延續(xù)超過(guò)5 s后,射頻功率放大器會(huì)同時(shí)上報(bào)過(guò)功率告警,此時(shí)加大輸入信號(hào),輸出功率不會(huì)繼續(xù)變大,當(dāng)輸入的信號(hào)超過(guò)正常輸入信號(hào)至少10 dB以上時(shí),過(guò)輸入關(guān)斷告警將會(huì)發(fā)生,射頻功率放大器將會(huì)上報(bào)此關(guān)斷告警并保持關(guān)斷狀態(tài),關(guān)斷后告警不會(huì)自動(dòng)恢復(fù),此時(shí)狀態(tài)表中第3列下面3行的“0”將全部顯示為“1”。因?yàn)檫^(guò)輸入關(guān)斷告警之前,射頻功率放大器必將先上報(bào)過(guò)功率告警,所以同時(shí)狀態(tài)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(yùn)行過(guò)程中偶然發(fā)生一些錯(cuò)誤或者與客觀(guān)運(yùn)行環(huán)境不匹配時(shí)將會(huì)產(chǎn)生次要告警。在次要告警發(fā)生后,射頻功率放大器會(huì)繼續(xù)保持射頻功放的正常運(yùn)行狀態(tài)直到產(chǎn)生了主要告警關(guān)斷。

(1)駐波告警

電壓駐波比(VSWR)[4]的等效參數(shù)是反射系數(shù)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(dāng)射頻功率放大器的VSWR值大于3.5時(shí),射頻功率放大器將會(huì)上報(bào)駐波告警;當(dāng)VSWR值小于2.8時(shí),功率放大器將恢復(fù)正常工作狀態(tài)并清除告警狀態(tài)。檢測(cè)此告警功能的方法是斷開(kāi)功率放大器的輸出端線(xiàn)路應(yīng)發(fā)生告警,接上功率放大器的輸出端線(xiàn)路告警應(yīng)恢復(fù)。

(2)軟件失效告警

我們常說(shuō)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(huán)路失效告警。所以,綜合來(lái)說(shuō)當(dāng)末級(jí)的功放管失效并影響功率放大器增益時(shí),放大器會(huì)上報(bào)功放管失效告警;當(dāng)放大器的頻譜波形異常被檢測(cè)出來(lái)時(shí),放大器會(huì)上報(bào)次環(huán)路失效告警。無(wú)論功放管[5]失效告警還是次環(huán)路失效告警,在系統(tǒng)上都顯示的是軟件失效告警,當(dāng)軟件失效告警上報(bào)后,放大器的總增益會(huì)下降6 dB,關(guān)斷環(huán)路。

(3)低噪放失效告警

正常LNA板的增益為20 dB,當(dāng)LNA板增益下降6 dB時(shí),射頻功率放大器將會(huì)上報(bào)低噪放失效告警,直至增益恢復(fù)正常,告警恢復(fù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在射頻功率放大器運(yùn)行中,無(wú)論是主要告警還是次要告警的產(chǎn)生都會(huì)伴隨功能告警上報(bào)給系統(tǒng),因此對(duì)于系統(tǒng)而言,射頻功率放大器的功能告警是檢測(cè)功率放大器性能好壞的決定因素。通過(guò)模擬系統(tǒng)接收到的射頻功率放大器的上報(bào)告警,可以準(zhǔn)確地了解射頻功率放大器的工作狀態(tài),判斷告警問(wèn)題的所在,保證系統(tǒng)中通信的質(zhì)量,免去了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)射頻功率放大器帶來(lái)的不足。本文的研究在理論與實(shí)用上都有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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