TD-SCDMA直放站系統(tǒng)中的ALC控制原理

1 引言

   本文所討論的ALC(Automatic level control自動電平控制)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，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，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。控制電壓形成電路的基本部件是檢波器和低通平滑濾波器，有時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，Uo和Uc亦隨之增大 。而作為一個負(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5ms的子幀，每個子幀中有7個常規(guī)時隙和3個特殊時隙。三個特殊時隙分別為下行導(dǎo)頻時隙DwPTS、主保護(hù)時隙GP和上行導(dǎo)頻時隙UpPTS。在7個常規(guī)時隙中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隙的個數(shù)，使TD-SCDMA適用于上下行對稱及非對稱業(yè)務(wù)模式。上行時隙和下行時隙之間由轉(zhuǎn)換點(diǎn)分開。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個 5ms的子幀有兩個轉(zhuǎn)換點(diǎn)：第一個轉(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；第二個轉(zhuǎn)換點(diǎn)是從上行鏈路轉(zhuǎn)到下行鏈路，位置在每個子幀中最后一個上行時隙和第二個下行時隙之間，TS0是第一個下行時隙。其中，第一個轉(zhuǎn)換點(diǎn)相對于每個子幀的開始時間是固定的；第二個轉(zhuǎn)換點(diǎn)隨著分配給上下行的時隙數(shù)不同而變化。

由于TD-SCDMA綜合使用了時分、頻分、碼分和空分多種復(fù)用技術(shù)，也就是說，在每個頻點(diǎn)的每個常規(guī)時隙都可同時承載多個用戶，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算法動態(tài)的將信道分配給用戶,在某個時隙中的多個用戶距離基站的距離會有不同,移動的速度也會不同并且具有不同的信道衰落特性。實際上，在一個子幀中,不同的時隙會有不同的碼道占用情況,造成各時隙功率的差異，而多個連續(xù)子幀的同一常規(guī)時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電平控制帶來一定的困難，當(dāng)信號出現(xiàn)的時候由于自動電平控制不能立即做出響應(yīng)，而自動電平控制開始響應(yīng)后造成突發(fā)信號已經(jīng)失真，沒有真正起到自動電平控制的作用。并且由于每個用戶在一個子幀中都只能分配到一個時隙，那么傳統(tǒng)的電平控制就存在這樣一個問題：在進(jìn)行電平控制的時候是對于整個鏈路的衰減，所以當(dāng)某個時隙功率過大后，會將整個鏈路進(jìn)行衰減，這必然使其他沒有過功率的時隙的功率也跟著降低，那么必然影響其它時隙用戶通話。因此，我們提出一種分時隙ALC的方案。

2.3.1 硬件分時隙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濾波器的時間常數(shù)以提高反應(yīng)速度，使 ALC電路在每個時隙的突發(fā)時刻都進(jìn)行一次增益控制，但同時帶來的問題就是當(dāng)RC的時間常數(shù)較小時，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作，使時隙內(nèi)鏈路增益波動，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，測試的時間為一個時隙，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)過實驗，不同時間常數(shù)的EVM惡化情況可見下表（轉(zhuǎn)換點(diǎn)在TS3和TS4之間）：

 

由于實驗所用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；

同樣的時隙，碼道數(shù)少時EVM受ALC電路動作影響大。

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硬件電路是難以實現(xiàn)分時隙電平控制的：時間常數(shù)大則無法對突發(fā)信號前沿進(jìn)行控制，且易導(dǎo)致此時放大器工作于過功率等非線性狀態(tài)，造成放大器損壞；時間常數(shù)小則使得整個回路在一個子幀內(nèi)頻繁動作，造成各時隙信號削波，EVM指標(biāo)惡化。

因此我們提出軟件分時隙上下行ALC的實現(xiàn)方案。

2.3.2 軟件分時隙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芯片對每個時隙功率進(jìn)行采集，多幀對應(yīng)時隙累加取平均并將結(jié)果存入對應(yīng)各時隙輸出功率寄存器中，再根據(jù)所設(shè)置的ALC值、當(dāng)前各時隙輸出功率以及第二轉(zhuǎn)換點(diǎn)，計算出各時隙的衰減值存入寄存器，然后根據(jù)系統(tǒng)同步計數(shù)器值分別在不同時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)在于使用軟件定時控制，軟件可以控制衰減鏈路在各時隙的保護(hù)間隔動作，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；可以對各時隙分開控制，某時隙過功率后，只對這個時隙進(jìn)行控制，而不會影響其它時隙功率，經(jīng)過驗證，即使在深度起控10dB情況下，直放站輸出信號各個時隙的射頻指標(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，并且對不同的時隙有不同的衰減值，不僅保障本時隙射頻指標(biāo)正常，對其它時隙也沒有影響，軟件控制衰減器在時隙保護(hù)間隔動作，保證不會損傷信號，且控制靈活，調(diào)測時易于修改，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算時間，起控速度比硬件電路稍慢，可能造成短時間的過功率時不能正常起控。因此，如何以更低的檢測時間得到更高的檢測準(zhǔn)確度是軟件分時隙ALC需要不斷改進(jìn)的方向。