CN1145805C - 驻波检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

驻波检测电路及其检测方法，包括单片机，双向耦合器，由单刀双掷开关、对数检波器及运放组成的射频信号检测放大模块；在单片机控制下，正反向射频功率信号交替通过单刀双掷开关进入对数检波器转换为直流信号，A/D变换为数字信号，进而与设定值进行比较处理、分段报警。其采用单片机控制，单通道设计，运用了高精度对数检波器，可以在很宽的温度范围内保证检测的准确性，目前已经成功应用于GSM基站的CDU和WCDMA系统中。

Description

驻波检测电路及其检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体是用于检测天馈系统的驻波比、并输出不同级别的告警信号的一种驻波检测电路，以及基于该电路的驻波检测方法。

技术背景

在GSM等无线通信领域，基站天馈系统和大功率发射系统的匹配情况直接影响到信号收发质量。驻波检测技术实际上源于功率检测技术，驻波检测电路按照功率检测电路的不同可分为检波二极管电路和对数检波模块电路。现有的驻波检测电路多采用模拟技术，即采用检波管或检波模块将射频信号转换为模拟直流电压后，再经过一系列的校正比较处理输出驻波比信号，以保护功放电路。

现有驻波检测电路的设计分两种：采用模拟电路和单片机电路。采用传统的模拟电路设计的驻波检测普遍存在检测精度不高，抗干扰性能差。因功率检波器件的输出电压随输入功率呈非线性变化，因此采用模拟电路设计的电路实现难度大，电路复杂。

目前采用单片机设计的驻波检测电路一般有正向和反向两路检测通道，若两路检测通道的温度特性不一致，则在不同温度下，检测精度差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种用于GSM等无线通信系统的驻波检测电路，以及基于该电路的驻波检测方法。其根据检测的天馈系统驻波比的大小输出不同级别的告警信号，再由基站将此告警信号上报给操作维护中心，确保通讯设备的正常运行。

本发明是一种由单片机控制的驻波检测电路，包括单片机，其特征在于还包括：

放置在功放输出端或双工器与天线馈线之间的双向耦合器；

射频信号检测放大模块，用于对双向耦合器耦合的正反向两路射频功率信号的对数检波、放大；

所述单片机的两个控制端连接射频信号检测放大模块正反向功率信号的切换控制端，其输入端接收射频信号检测放大模块输出的直流信号，通过其片内A/D变换器将所述直流信号变换为数字量，进而与设定值进行比较处理、分段报警。

上述驻波检测电路采用单通道设计，在单片机控制下实现驻波检测和告警。其驻波检测方法主要步骤如下：

a、在单片机的控制下，正、反向射频功率信号交替通过单刀双掷开关，进入对数检波器转换为正、反向直流信号；

b、由单片机片内A/D变换器将所述的正、反向直流信号变换成相应的数字信号，取其平均值；

c、将所述正、反向数字信号平均值相减取得回波损耗值，与设定的两级门限值比较，输出相应的告警信号。

与现有技术比较本发明的优点如下：

通过设置正反向衰减器的不同衰减量使到达对数检波器的功率基本一致，这样消除了由于对数检波器非线性因素带来的误差。

驻波检测电路采用单片机为中心的单通道设计，运用AD公司高精度对数检波器AD8313，可以在很宽的温度范围内保证检测的准确性。

在软件处理上，采用数字滤波技术滤去杂波干扰，并大量采用平滑技术来实现稳定可靠的驻波告警。

经测试，本驻波检测方法及电路在GSM信号的各种状态下告警正常。目前该驻波检测电路已经成功运行于GSM基站的功分合路单元(CDU)中。另外本发明方案已经成功应用于WCDMA等复杂信号的驻波检测。

以下结合实施例附图对本发明进一步说明。

附图说明

图1为驻波检测电路原理框图；

图2为其射频信号检测放大模块原理图；

图3为对数检波电路AD8313输出电压与输入功率关系曲线；

图4为主控程序流程图。

图5为A/D采样子程序流程图；

图6为报警子程序流程图。

具体实施方式

如驻波检测电路原理框图1所示，其上半部分为双向耦合器，它放置在功放的输出端或双工器与天线馈线之间，其作用是耦合正反向功率，提供给驻波检测电路使用。由传输线理论可知：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1+\left|\mathrm{\Γ}\right|}{1-\left|\mathrm{\Γ}\right|}$

$\left|\mathrm{\Γ}\right|=\frac{\mathrm{\ρ}-1}{\mathrm{\ρ}+1}$

P_F(dBm)-P_R(dBm)＝20log(V₊)-20log(V_-)＝20log(V₊/V_-)＝-20log(Γ)式中P_F耦合器正向耦合功率，P_R耦合器反向耦合功率，ρ：驻波比，V₊端口入射波电压，V端口反射波电压，Γ端口反射系数；

由上式可知驻波比只与正反向功率差呈指数关系，而与输入功率的大小无关。

图1下半部分为射频信号检测放大模块和单片机部分，射频信号检测放大模块用于对双向耦合器耦合的正反向两路射频功率信号的对数检波和放大。

射频信号检测放大模块原理如图2所示，它由单刀双掷开关(SPDT)、对数检波器(DETECTOR)以及运算放大器(AMP)组成，对数检波器连接于单刀双掷开关输出端与运算放大器之间，单刀双掷开关的切换控制端由单片机(MCU)控制。

首先正反向功率轮流通过开关切换输入到对数检波器中，对数检波器将输入的射频信号转换为与输入功率呈正比的直流电压。接着由运算放大器将此模拟电压放大输入到单片机中，单片机对正反向电压进行采样转换为数字信号，并对此数字信号进行一系列的平均运算后与给定的门限值进行比较输出特定的告警信号。

射频信号检测放大模块的关键器件对数检波器采用AD公司的AD8313对数检波器，该对数检波器具有以下特点：

宽带特性：0.1GHz～2.5GHz

高动态范围：70dB

高精度：±1dB(在65dB范围内@1+.9GHz)

快速响应时间：40nS(在满刻度内)

宽的电压范围：+2.7V～+5.5V

低功耗：40mW(3V)

对数检波器将射频功率信号变换为直流电压，对数检波器AD8313的输入功率在-70～-10dBm时，输出电压为0.55～1.65V之间，输出电压随输入功率成正比，AD8313输出电压与输入功率关系曲线见图3所示。

运算放大器采用LMC6482轨-轨运算放大器，其目的是将对数检波器输出0.55～1.65V电压放大3倍，增大A/D采样的动态范围。

单刀双掷开关(SPDT)用来切换正反两路射频功率信号，实施例中选用了Mini公司隔离度为48dB的SPDT，其型号为RSW-2-25P。

电源模块相对简单，该模块用于提供稳定的+5V直流电压，由输出电压精度较高的NS公司单片可调/固定+5V线性稳压器LM2951组成。最大输出电流为100mA，电压准确度为±1.5％。该模块需要+8V直流电压。

单片机采用PIC12C671带8位A/D单片机，该器件为精简指令集哈佛结构单片机，其具有以下特点：

管脚数少，仅8脚DIP或SOIP封装，实用于对I/O口数量要求少和节省体积的地方；

内部含4通道8位A/D变换器，使用方便；

内置Watchdog，8位可预分频计数器和定时器；

精简指令集，仅有35条单字节指令；

内置RC振荡器，使用内置振荡器时仅需加电即可工作；

低功耗，≤2mA@5V，4MHz；

单片机部分将射频信号检测放大模块输出的直流信号经ADC变换为数字信号，由单片机对A/D采样的信号进行一定的处理运算后，输出两路COMS电平的驻波告警信号。检测放大模块的单刀双掷开关的切换控制由单片机控制的。

其软件主流程如图6所示。在软件设计上，由单片机控制连续采样正反向功率大小，并判断正反向功率的大小是否在所定的范围内，然后对连续采样有效的数值进行平均处理，正反向平均数值相减后取得回波损耗值，与所设定的门限值进行比较处理，输出相应的告警信号。

主程序首先进行系统初始化工作，设置一些参数，接着调用A/D采样子程序，根据A/D采样是否成功确定是否调用报警子程序。

A/D采样子程序如图5所示。该子程序完成对正反向两路信号进行轮流采样，判断数据是否有效，然后计算4次连续采样的平均值后退出。若连续采样到256个无效数据则退出该子程序。

入口参数：

入口参数均为全局变量，用以设置检测时的动态范围，和纹波系数。

CONSTANT POWER_MAX＝0xE0

CONSTANT POWER_MIN＝0x90

CONSTANT MARGIN＝0x03

出口参数：

出口也是全局变量，BUF_ADFWD寄存器返回经平均后正向功率值，BUF_ADREV寄存器返回经平均后反向功率值，AD_FAIL_CNT位返回A/D采样数值是否有效标志位，返回1说明A/D采样数值无效，返回数值0说明A/D采样数值有效，数值分别放在BUF_ADFWD和BUF_ADREV寄存器中。

函数调用：本子程序调用Delay延时子程序。

该子程序首先对存放A/D采样数值的寄存器进行清零操作，接着顺序采样正反两路数值，与给定的门限值进行比较，确保功率在设定的动态范围内。然后分别将采样的数值与前一次采样的数值进行比较，两者相差在给定的门限范围内该数值有效，接着与前一次数值相加，经过连续采样正反向共8次采样后，分别将正反向数值进行平均，放入BUF_ADFWD和BUF_ADREV寄存器中。当所采样的数值不在所设定的动态范围内时，将重置平均计数器，A/D采样失败计数器减1，重新开始采样，当A/D采样失败计数器为0时，退出该子程序。

报警子程序如图6所示。该子程序首先将正反向数值相减，得到回波损耗值，然后与给定的门限进行比较，若为一级驻波告警则给出一级告警，若为二级驻波告警则给出二级告警，如正常则清除所有告警。

入口参数：

入口参数均为全局变量。包括正反向数值和设置驻波比较门限寄存器。

VARIABLE BUF_ADFWD＝20H

VARIABLE BUF_ADREV＝BUF_ADFWD+1

VARIABLE REF_VAL15＝BUF_ADREV+1

VARIABLE REF_VAL30＝REF_VAL15+1

出口参数：

出口也是全局变量，为告警次数计数器。

VARIABLE VSWR15_CNT＝AD_RESULT_F2+1

VARIABLE VSWR30_CNT＝VSWR15_CNT+1

VARIABLE VS_NOR_CNT＝VSWR30_CNT+1

该子程序工作流程如下：

首先计算回波损耗，然后与给定的门限值比较，若为二级驻波告警，则转向二级告警处理，在这里程序连续计数告警5次才设置端口告警，另外，下一次告警状态若与上一次相同，则不对端口进行操作。一级告警与二级告警处理一样，正常则清除所有告警信号。

本驻波检测电路主要指标如下：

射频信号频率范围：1805～1880MHz

检测功率的动态范围：20dB

告警门限：如下表所示

功率电平	告警级别	VSWR	J5	J6
					＞((26～30)-L)dBm	一级	1.6～2.5	H	L
＞((26～30)-L)dBm	二级	＞2.5	L	H
					＜((26～30)-L)dBm	无		L	L

功耗：小于500mW

VSWR单板总电流为17.5mA。

VSWR_MARGIN的选择。当前值为03H。在一个时隙中功率电平的起伏为±1dB。则在软件中VSWR_MARGIN可设置为05H。

时间常数的选择：

在软件控制中，从一个AD通道切换到另一个AD通道的时间为50μS。因此必须选择合适的时间常数，才能使电路正常工作。

Claims (6)

1、一种驻波检测电路，包括单片机，其特征在于还包括：

放置于功放输出端或双工器与天线馈线之间的双向耦合器；

射频信号检测放大模块，用于对双向耦合器耦合的正反向两路射频功率信号的对数检波和放大；

所述单片机的两个控制端连接射频信号检测放大模块正反向功率信号的切换控制端，其输入端接收射频信号检测放大模块输出的直流信号，通过其片内A/D变换器将所述直流信号变换为数字信号，再取平均值，然后正、反向数字信号平均值相减后与设定值进行比较处理、分段报警。

2、根据权利要求1所述的驻波检测电路，其特征在于：所述的射频信号检测放大模块由单刀双掷开关、对数检波器以及运算放大器组成，对数检波器连接于单刀双掷开关输出端与运算放大器之间，单刀双掷开关的切换控制端由单片机控制。

3、根据权利要求2所述的驻波检测电路，其特征在于：所述的对数检波器采用AD8313电路。

4、根据权利要求2所述的驻波检测电路，其特征在于：所述的单刀双掷开关采用RSW-2-25P电路。

5、根据权利要求2所述的驻波检测电路，其特征在于：所述的运算放大器采用LMC6482轨—轨运算放大器。

6、基于权利要求1-5中任一驻波检测电路的驻波检测方法，其特征在于采取如下步骤：

a、在单片机的控制下，正、反向射频功率信号交替通过单刀双掷开关，进入对数检波器转换为正、反向直流信号；

b、由单片机片内A/D变换器将所述的正、反向直流信号变换成相应的数字信号，取其平均值；

c、将所述正、反向数字信号平均值相减取得回波损耗值，与设定的两级门限值比较，输出相应的告警信号。

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