ALC控制在TD-SCDMA直放站中的研究

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(guó)獲得國(guó)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(zhǎng)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(cè)、軟件無線電和接力切換等新技術(shù)，它必然成為我國(guó)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(hào)電平到達(dá)ALC設(shè)定值時(shí)，增加輸入信號(hào)電平，放大器對(duì)輸出信號(hào)電平的控制能力。對(duì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生過強(qiáng)的輸出信號(hào)對(duì)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(hào)到達(dá)設(shè)定值時(shí)，增加輸入信號(hào)電平，而輸出信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)的變化量顯著小于輸入信號(hào)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(hào)幅度變化趨勢(shì)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(hào)的特點(diǎn)

圖2? TD-SCDMA信號(hào)結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA信號(hào)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(duì)稱及非對(duì)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(duì)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(huì)有不同,移動(dòng)的速度也會(huì)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(huì)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(hào)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(hào)，而并非連續(xù)信號(hào)，這就對(duì)普通放大器的自動(dòng)電平控制帶來一定的困難，當(dāng)信號(hào)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(hào)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(duì)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(huì)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(hào)就會(huì)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(hào)矢量功率的均方比，以百分?jǐn)?shù)形式表示，測(cè)試的時(shí)間為一個(gè)時(shí)隙，它所表征的是測(cè)量信號(hào)同參考信號(hào)的誤差矢量，用于衡量總體調(diào)制質(zhì)量，反應(yīng)信號(hào)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(duì)TD突發(fā)信號(hào)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(duì)應(yīng)起控3dB；0.80V約對(duì)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(hào)的前沿（TS4）比突發(fā)信號(hào)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(hào)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(duì)突發(fā)信號(hào)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(hào)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(duì)每個(gè)時(shí)隙功率進(jìn)行采集，多幀對(duì)應(yīng)時(shí)隙累加取平均并將結(jié)果存入對(duì)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(huì)造成信號(hào)失真，因而也不會(huì)造成EVM的指標(biāo)惡化；可以對(duì)各時(shí)隙分開控制，某時(shí)隙過功率后，只對(duì)這個(gè)時(shí)隙進(jìn)行控制，而不會(huì)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(hào)各個(gè)時(shí)隙的射頻指標(biāo)都不會(huì)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(duì)TD-SCDMA信號(hào)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(hào)的矛盾，并且對(duì)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(duì)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(huì)損傷信號(hào)，且控制靈活，調(diào)測(cè)時(shí)易于修改，極好的解決了由于TD-SCDMA信號(hào)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(cè)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(cè)時(shí)間得到更高的檢測(cè)準(zhǔn)確度是軟件分時(shí)隙ALC需要不斷改進(jìn)的方向。