TD-SCDMA直放站ALC控制方案研究

　　1.引言

　　TD-SCDMA(Time Division Synchronous Code Division Multiple Access時(shí)分同步碼分多址)技術(shù)是我國獲得國際電聯(lián)批準(zhǔn)的第一個(gè)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)能滿足日益增長的無線通信高速多媒體業(yè)務(wù)和可在世界范圍移動(dòng)的需求，采用了智能天線、聯(lián)合檢測、軟件無線電和接力切換等新技術(shù)，它必然成為我國部署3G網(wǎng)絡(luò)的主角。在TD-SCDMA系統(tǒng)中直放站是不可或缺的一部分。直放站的應(yīng)用不僅可以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使施主基站的覆蓋得到延伸，也能增加空閑基站的話務(wù)負(fù)荷，或是分?jǐn)偡泵镜脑拕?wù)量，還可以起到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的作用等，同時(shí)也是解決室內(nèi)覆蓋的重要設(shè)備。

　　本文所討論的ALC(Automatic level control自動(dòng)電平控制)是直放站系統(tǒng)中極為重要的一環(huán)，它是指當(dāng)放大器輸出信號電平到達(dá)ALC設(shè)定值時(shí)，增加輸入信號電平，放大器對輸出信號電平的控制能力。對于直放站來說，ALC技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的功能就是一方面控制輸出電平保證功放器件不會工作在過功率狀態(tài)下,另一方面控制直放站的輸出功率在覆蓋允許范圍內(nèi)，既能夠滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)的覆蓋距離要求，又不會產(chǎn)生過強(qiáng)的輸出信號對相鄰基站造成干擾。

　　2.ALC控制方案研究

　　2.1 ALC的控制原理

　　要做到在輸出信號到達(dá)設(shè)定值時(shí)，增加輸入信號電平，而輸出信號電平基本保持不變，也就是使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號強(qiáng)度而調(diào)整,使系統(tǒng)的輸出電平保持在一定范圍內(nèi),因此稱為自動(dòng)電平控制。一般的ALC電路可以分成增益受控放大電路和控制電壓形成電路兩部分。其工作原理示意圖如下：

　　圖1 ALC電路工作原理圖

　　增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓而改變?？刂齐妷盒纬呻娐返幕静考菣z波器和低通平滑濾波器，有時(shí)也包含門電路和直流放大器等部件。放大電路的輸出信號Uo 經(jīng)檢波并經(jīng)濾波器濾除低頻調(diào)制分量和噪聲后，與設(shè)定的最大輸出功率進(jìn)行比較，產(chǎn)生用以控制增益受控放大器的電壓Uc 。當(dāng)輸入信號Ui增大時(shí)，Uo和Uc亦隨之增大 。而作為一個(gè)負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)， Uc 增大使放大電路的增益下降，從而使輸出信號的變化量顯著小于輸入信號的變化量，達(dá)到自動(dòng)增益控制的目的。也就是說，ALC電路的主要工作原理是用反應(yīng)信號幅度變化趨勢的直流緩變電壓去控制壓控衰減器，以達(dá)到控制輸出電平的目的。

　　2.2 TD-SCDMA信號的特點(diǎn)

　　圖2 TD-SCDMA信號結(jié)構(gòu)

　　TD-SCDMA信號的結(jié)構(gòu)如上圖所示。其幀結(jié)構(gòu)將10ms的無線幀分成兩個(gè)5ms的子幀，每個(gè)子幀中有7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙。三個(gè)特殊時(shí)隙分別為下行導(dǎo)頻時(shí)隙DwPTS、主保護(hù)時(shí)隙GP和上行導(dǎo)頻時(shí)隙UpPTS。在7個(gè)常規(guī)時(shí)隙中TS0總是分配給下行鏈路，而TS1總是分配給上行鏈路。通過靈活配置上下行時(shí)隙的個(gè)數(shù)，使TD-SCDMA適用于上下行對稱及非對稱業(yè)務(wù)模式。上行時(shí)隙和下行時(shí)隙之間由轉(zhuǎn)換點(diǎn)分開。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個(gè) 5ms的子幀有兩個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)：第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)是從下行鏈路轉(zhuǎn)到上行鏈路，位置在DwPTS和UpPTS之間的GP;第二個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)是從上行鏈路轉(zhuǎn)到下行鏈路，位置在每個(gè)子幀中最后一個(gè)上行時(shí)隙和第二個(gè)下行時(shí)隙之間，TS0是第一個(gè)下行時(shí)隙。其中，第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)相對于每個(gè)子幀的開始時(shí)間是固定的;第二個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)隨著分配給上下行的時(shí)隙數(shù)不同而變化。

　　由于TD-SCDMA綜合使用了時(shí)分、頻分、碼分和空分多種復(fù)用技術(shù)，也就是說，在每個(gè)頻點(diǎn)的每個(gè)常規(guī)時(shí)隙都可同時(shí)承載多個(gè)用戶，這些用戶按照不同的擴(kuò)頻碼來區(qū)分,在智能天線技術(shù)更加成熟之后甚至可以同擴(kuò)頻碼根據(jù)空間區(qū)分。而系統(tǒng)根據(jù)一定的DCA算法動(dòng)態(tài)的將信道分配給用戶,在某個(gè)時(shí)隙中的多個(gè)用戶距離基站的距離會有不同,移動(dòng)的速度也會不同并且具有不同的信道衰落特性。實(shí)際上，在一個(gè)子幀中,不同的時(shí)隙會有不同的碼道占用情況,造成各時(shí)隙功率的差異，而多個(gè)連續(xù)子幀的同一常規(guī)時(shí)隙的功率也都是不同的。

　　2.3 ALC控制方案分析

　　由TD-SCDMA的信號子幀格式可以發(fā)現(xiàn)，這是一種高峰均比的突發(fā)脈沖信號，而并非連續(xù)信號，這就對普通放大器的自動(dòng)電平控制帶來一定的困難，當(dāng)信號出現(xiàn)的時(shí)候由于自動(dòng)電平控制不能立即做出響應(yīng)，而自動(dòng)電平控制開始響應(yīng)后造成突發(fā)信號已經(jīng)失真，沒有真正起到自動(dòng)電平控制的作用。并且由于每個(gè)用戶在一個(gè)子幀中都只能分配到一個(gè)時(shí)隙，那么傳統(tǒng)的電平控制就存在這樣一個(gè)問題：在進(jìn)行電平控制的時(shí)候是對于整個(gè)鏈路的衰減，所以當(dāng)某個(gè)時(shí)隙功率過大后，會將整個(gè)鏈路進(jìn)行衰減，這必然使其他沒有過功率的時(shí)隙的功率也跟著降低，那么必然影響其它時(shí)隙用戶通話。因此，我們提出一種分時(shí)隙ALC的方案。

　　2.3.1 硬件分時(shí)隙

ALC根據(jù)ALC的控制原理和TD-SCDMA子幀的特點(diǎn)，直接的解決方案是通過減小ALC回路中RC濾波器的時(shí)間常數(shù)以提高反應(yīng)速度，使 ALC電路在每個(gè)時(shí)隙的突發(fā)時(shí)刻都進(jìn)行一次增益控制，但同時(shí)帶來的問題就是當(dāng)RC的時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，高峰均比的TD突發(fā)信號就會通過RC低通濾波器頻繁控制壓控衰減器動(dòng)作，使時(shí)隙內(nèi)鏈路增益波動(dòng)，造成EVM指標(biāo)惡化。

　　EVM (Error Vector Magnitude誤差矢量幅度)定義為誤差矢量功率與參考信號矢量功率的均方比，以百分?jǐn)?shù)形式表示，測試的時(shí)間為一個(gè)時(shí)隙，它所表征的是測量信號同參考信號的誤差矢量，用于衡量總體調(diào)制質(zhì)量，反應(yīng)信號的損傷程度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，不同時(shí)間常數(shù)的EVM惡化情況可見下表(轉(zhuǎn)換點(diǎn)在TS3和TS4之間)：

　　由于實(shí)驗(yàn)所用ATT(attenuator衰減器)電路不能對TD突發(fā)信號有效的控制(即達(dá)到輸入增加1dB，輸出增加在0.2dB內(nèi))，因而我們用加在壓控ATT上的控制電壓的有效值來區(qū)別衰減量的大小，0.68V約對應(yīng)起控3dB;0.80V約對應(yīng)起控5dB。

　　可以發(fā)現(xiàn)：

　　ALC起控衰減越大，EVM惡化越嚴(yán)重;

　　起控回路濾波器的時(shí)間常數(shù)越小，EVM惡化越嚴(yán)重;

　　突發(fā)

　　信號的前沿(TS4)比突發(fā)信號的后沿(TS0)，EVM惡化嚴(yán)重;

　　同樣的時(shí)隙，碼道數(shù)少時(shí)EVM受ALC電路動(dòng)作影響大。

　　由此可知，TD-SCDMA信號的突發(fā)特性和高峰均比用傳統(tǒng)的ALC硬件電路是難以實(shí)現(xiàn)分時(shí)隙電平控制的：時(shí)間常數(shù)大則無法對突發(fā)信號前沿進(jìn)行控制，且易導(dǎo)致此時(shí)放大器工作于過功率等非線性狀態(tài)，造成放大器損壞;時(shí)間常數(shù)小則使得整個(gè)回路在一個(gè)子幀內(nèi)頻繁動(dòng)作，造成各時(shí)隙信號削波，EVM指標(biāo)惡化。

　　因此我們提出軟件分時(shí)隙上下行ALC的實(shí)現(xiàn)方案。

　　2.3.2 軟件分時(shí)隙ALC

　　此方案的主要思想是當(dāng)直放站和基站建立同步以后，使用高速AD芯片對每個(gè)時(shí)隙功率進(jìn)行采集，多幀對應(yīng)時(shí)隙累加取平均并將結(jié)果存入對應(yīng)各時(shí)隙輸出功率寄存器中，再根據(jù)所設(shè)置的ALC值、當(dāng)前各時(shí)隙輸出功率以及第二轉(zhuǎn)換點(diǎn)，計(jì)算出各時(shí)隙的衰減值存入寄存器，然后根據(jù)系統(tǒng)同步計(jì)數(shù)器值分別在不同時(shí)隙命令按照衰減值寄存器中的值執(zhí)行衰減。

　　此方案的優(yōu)點(diǎn)在于使用軟件定時(shí)控制，軟件可以控制衰減鏈路在各時(shí)隙的保護(hù)間隔動(dòng)作，起控后不會造成信號失真，因而也不會造成EVM的指標(biāo)惡化;可以對各時(shí)隙分開控制，某時(shí)隙過功率后，只對這個(gè)時(shí)隙進(jìn)行控制，而不會影響其它時(shí)隙功率，經(jīng)過驗(yàn)證，即使在深度起控10dB情況下，直放站輸出信號各個(gè)時(shí)隙的射頻指標(biāo)都不會受到影響;并且控制靈活，只需要軟件設(shè)置ALC值即可，不需要調(diào)節(jié)電位器來改變ALC值。

　　3. 小結(jié)

　　采用軟件分時(shí)隙ALC對TD-SCDMA信號進(jìn)行功率控制輕易避免了傳統(tǒng)的硬件ALC電路所無法克服的控制電壓直流緩變特性與TD-SCDMA突發(fā)信號的矛盾，并且對不同的時(shí)隙有不同的衰減值，不僅保障本時(shí)隙射頻指標(biāo)正常，對其它時(shí)隙也沒有影響，軟件控制衰減器在時(shí)隙保護(hù)間隔動(dòng)作，保證不會損傷信號，且控制靈活，調(diào)測時(shí)易于修改，極好的解決了由于TD-SCDMA信號格式特殊性所引起的功率控制問題。但軟件控制畢竟需要一定的檢測計(jì)算時(shí)間，起控速度比硬件電路稍慢，可能造成短時(shí)間的過功率時(shí)不能正常起控。因此，如何以更低的檢測時(shí)間得到更高的檢測準(zhǔn)確度是軟件分時(shí)隙ALC需要不斷改進(jìn)的方向。