多频段远程电调倾角天线控制器设计

吕 燚，邓春健，2，邹 昆，2

(1.电子科技大学 中山学院,广东 中山 528402; 2.电子科技大学,成都 610500)

多频段远程电调倾角天线控制器设计

吕 燚1，邓春健1，2，邹 昆1，2

(1.电子科技大学 中山学院,广东 中山 528402; 2.电子科技大学,成都 610500)

提出一种符合AISG2.0协议规范的多频段远程电调天线(multi-band remote electronic tilting antenna, MRETA)嵌入式控制器解决方案。根据AISG2.0协议物理层的规范要求，设计了一款基于分离元器件的OOK(on-off keying)调制和解调电路，详细阐述了调节其接收灵敏度和输出功率的方法与工作原理；分析了MRETA中浪涌电流的特点，设计了一种在反复上电、断电情况下仍能满足协议规范及基站系统要求的浪涌电流抑制电路；给出了带位置反馈的多频段移相器下倾角闭环控制模块的硬件设计思路；介绍了AISG2.0协议栈及下倾角控制模块的软件实现方法；最后给出了该设计方案电气性能及协议互操作的测试结果。测试和实际应用证明，该设计方案的硬件性能和协议完整性完全符合AISG2.0规范要求，并具有互操作兼容性好、长期运行稳定可靠的优点。

多频段远程电调天线；AISG协议；OOK；浪涌电流

0 前 言

随着移动通信网络的不断发展，网络优化任务日益繁重，通过调节天线下倾角，可有效优化网络覆盖质量。远程电调下倾角相对于传统机械调节方式效率高、实时性强，且不会产生同站邻区间的干扰，从而有效避免了由过覆盖和导频污染造成的掉话率高、容量下降等问题[1-2]。

AISG2.0协议是由世界主流移动通信系统厂商和微波天线厂家联合制定的天线智能化设备与基站之间的通信规范[3]。单频段远程电调天线(single-band remote electronic tilting antenna, SRETA)由单个天线振子、移相器和嵌入式控制器构成，是首批AISG设备[4]。随着系统集成度不断提高，多频段远程电调天线(multi-band remote electronic tilting antenna, MRETA)成为目前相关厂家研发的热点。MRETA内的嵌入式控制器需完成AISG通信、防雷保护和浪涌抑制功能，同时实现对各频段移相器下倾角的调节控制。MRETA相对于SRETA在AISG通信方式以及浪涌电流抑制等方面提出了更高的要求，本文以实际项目为背景，提出了MRETA嵌入式控制系统的完整设计方案，给出了核心模块的硬件设计思路和主要软件功能的实现方法，实际应用证明该方案设计合理，满足AISG2.0规范要求，长期运行稳定可靠。

1 系统总体方案

本系统采用STM32F103C8T6单片机作为系统处理器，系统结构如图1所示，主要包括MCU最小系统、AISG通信、浪涌电流抑制模块、通讯及电源端口防雷保护电路和下倾角控制电路等。本系统中设计了低成本的OOK调制解调电路，实现了载波频率为2.176 MHz的AISG通讯；采用了基于MOSFET的有源浪涌抑制电路保证了MRETA在接入基站系统时的瞬间电流满足AISG协议要求；防雷保护电路采用了防雷管和2级TVS(transient voltage suppressor)构成的3级防雷结构。下倾角控制电路则实现了多路带位置反馈的步进电机闭环控制，实现下倾角调节和移相器故障检测功能。

2 硬件设计

2.1 OOK调制解调电路

AISG协议物理层支持485通信和OOK通信2种方式[5-6]。SRETA通常以485方式为主，基站和SRETA之间用独立的AISG线缆相连。但是，由于市场竞争和成本等原因，MRETA则更多采用OOK通信方式，将系统供电和ASIG信号耦合到射频馈线上，显著降低了系统成本和安装复杂度。

图1 MRETA系统结构图Fig.1 MRETA system structure diagram

本设计中，OOK调制电路由分离器件构成，具有成本低，检波灵敏度可调等优点，电路如图2所示。RF_IN为经过带通滤波后的OOK信号，C51为交流耦合电容，采用高Q值的NPO电容，耦合后的信号记作V1。U1-A，D1，R45和R39对OOK信号负半周期的比例系数为-1，正半周期比例系数为0，其输出记作V2。U1-B为带限幅输出的求和电路，其输出记作U3，D3限幅二极管，限制U1-B的输出最低为Uref-1.4 V。忽略限幅作用的情况下，U1-B的输出表达式为V3=-22×V1-43.1×V2，由于限幅功能的限制，其最低电压为Uref-1.4 V,因而V3为OOK信号经过精密整流、放大并限幅的信号。R65和C67构成RC滤波，得到V3的幅值包络信号，记作V4。当RF_IN端口存在OOK载波信号时V4为最小值，且为Uref-1.4 V的幅值包络信号，当RF_IN处无OOK信号时V4电压为Uref。检波阀值电压由R59和R54分压得到，记作V5，V5和V4信号的比较结果即为解调输出RX。图2中D2为肖特基二极管，防止比较器输入端过驱动，用以提升比较器翻转的速度。通过调节U1-B运放电路的放大倍数和检波阀值电压可以调节该解调电路的检波灵敏度。

图2 OOK解调电路Fig.2 OOK demodulation circuit

OOK调制电路如图3所示， U2-B对串口发送信号MCU_TXD取反，当单片机通过串口发送逻辑1时， MCU_TXD为低电平，取反后为高电平，载波信号通过U2-D，电阻网络R89，R99，R100，R102，R103和D16将幅值为0～5 V的OOK信号变换为偏置电压为2.5 V，震荡幅值为1.67 V的OOK信号，记做V6；当单片机串口发送逻辑0时，MCU_TXD为高电平，取反后将U2-D关闭，V6为2.5 V直流信号。U3-A单稳态触发器，MCU_TXD发送信号时，其反相输出端为低电平，U2-C关闭，切断OOK解调电路到MCU_RXD的通路，防止串口发送信号绕回到接收端。U1-D，R61，R57和C65构成了放大倍数为2的交流放大电路，其输出与端口RF_IN相连，完成MCU_TXD到OOK信号的调制过程。通过调节U1-D放大电路的放大倍数可以调节OOK信号的输出功率。

图3 OOK调制电路Fig.3 OOK modulation circuit

2.2 Inrush电流抑制电路

如图1所示，MRETA中集成了多个电机驱动模块，每个模块中包含一个220 μF的储能电容，以常用的6单元MRETA为例，储能电容达1 320 μF，当基站与MRETA相连时将产生很大的浪涌电流[7-8]，会导致大量接触电火花并造成基站AISG端口输出过载故障。AISG协议规定浪涌电流上限值为400 mA，输入等效电容小于0.5 μF。基站系统厂商则对MRETA的浪涌电流提出了更高的要求，例如爱立信规定测试电压30 V，电压上升时间小于50 μs的条件下，以20 ms的间隔时间对MRETA反复上电、断电，要求瞬时功率小于6.75 W，即电流上限为225 mA。本系统设计了如图4所示的浪涌电流抑制电路，上电瞬间，C1中没有储能，两端电压为0 V，T1截至，MOS管Q1关断，此时系统通过电阻R12对系统电容充电，充电电流最大值约200 mA。上电后通过R8对电容C1充电，T1工作在放大状态，缓慢开启MOS管Q1,从而限制浪涌电流，随着C1两端电压逐渐升高，最终T1饱和导通，T1完全导通，完成对上电瞬间浪涌电流的抑制。通过调节充电电阻R8和电压反馈电阻R1的阻值可以控制Q1的开启速度，在6单元MRETA中R8和R1分别取110 kΩ和4 kΩ。正常工作状态，V1电压高于V2,T2截至，当Vin的输入电压关闭后，Vin的电压迅速跌落，由于负载电容的存在Vout电压并不立即消失，V1小于V2，T2导通，通过R11和T2对C1进行快速放电，放电时间常数约2.2 ms，经过20 ms放电后，C1电压释放完毕。当Vin再次上电时，该电路的电流抑制作用仍然有效。该电路有效限制了上电瞬间的浪涌电流，同时在反复通断电源的情况下，电流限制作用仍然有效，该设计符合AISG协议规范，也满足爱立信基站的相关要求。

图4 浪涌电流抑制电路Fig.4 Inrush current suppression circuit

2.3 多频段下倾角控制电路

本系统的电机控制示意图如图5所示，下倾角调节采用的是42步进电机，工作电流500 mA，扭矩400 mNm，采用DRV8825作为电机驱动，工作在32细分状态，有效降低了电机转动过程中的震动。步进电机尾端装有霍尔传感器，在后轴圆盘上镶嵌了8粒N40强磁体，即电机每转一圈会产生8个脉冲信号。移相器调节过程中所需扭矩是均匀的，所选用的电机扭矩远大于移相器正常调节所需扭矩，因而正常状态下电机不会发生失步，当移相器由于机械或环境等原因发生卡死，霍尔传感器脉冲信号消失，据此可判断电机发生堵转故障。在多频电调天线中，主控板需要控制最多12个电机，信号分配电路采用4-16译码器完成电机使能信号的分配，保证同一时刻只有一台电机被选中，方向信号DIR和脉冲信号STEP通过缓冲电路直接与电机驱动模块相连。电机的位置反馈信号通过16选1电路与单片机Timer1的CH1管脚相连，通过定时器的输入捕获功能完成位置脉冲的计数。

图5 电机控制模块示意图Fig.5 Motor control module diagram

3 系统软件设计

MRETA软件主要包括AISG协议栈和电机驱动等模块，其中AISG协议栈包括了底层数据接收、命令与参数的解析与封装、故障告警上报等功能，是系统软件的核心[9]。电机驱动模块主要完成对各移相器倾角调节电机的控制，根据AISG命令参数和天线配置文件实现下倾角的精准调节，并实时监测是否发生堵转故障。

3.1 ASIG协议栈设计

本系统设计并实现了完整的AISG协议栈，其结构如图6所示。物理层为半双工模式的OOK通信。底层数据的收发通过单片机的UART(universal asynchronous receive/transmitter)完成，并采用DMA(direct memory access)方式大大降低了数据传输过程中的CPU占用率。AISG协议规定数据帧字节之间的延迟需小于3个字节传输时间[10]，以115 200波特率为例，字节之间的时间间隔需小于260 μs，实测发现，UART中断方式常因偶发的中断嵌套导致字节间隔时间过长，本系统采用的DMA方式，将封装好的AISG数据帧写入发送缓冲区，启动DMA便可完成数据自动发送，有效地解决了该问题。数据接收过程中，UART收到数据后由DMA自动存储，单片机定时查询接收数据，这样既保证了不会丢失接收数据也避免了大量数据通信过程中频繁中断CPU。数据链路层根据HDLC(high level data link control)协议中非平衡通信模型，实现了AISG协议中规定的I帧、RR帧和XID帧，其中RR帧和XID帧负责数据链路的建立、保持、断开和复位[11]；I帧为应用层提供数据通信接口。应用层主要由2部分组成，第一部分是AISG命令接口，实现下倾角调节及状态检测等相关函数参数与AISG命令与参数之间的转换，第2部分为抽象AISG命令接口，完成AISG帧中INFO域的封装和解析。本协议栈的设计参考TCP/IP协议的设计模式，严格执行分层设计的理念，同时层间数据采用零拷贝技术，有效提高了协议的执行效率。

图6 AISG协议栈层次结构Fig.6 Hierarchical structure of AISG protocol stack

3.2 下倾角调节功能设计

本设计中下倾角调节采用了步进电机，利用丝杆推动移相器调节下倾角。本设计中使用STM32单片机的定时器来完成脉冲的自动发送。其中，M2工作在PWM(pulse width modulation)模式，输出占空比为50%的PWM信号作为步进电机脉冲信号，TIM4工作在从模式，其时钟信号来自TIM2的比较匹配信号，从而用TIM4实现了对脉冲自动计数。接收到AISG调节请教命令后，根据天线配置文件，计算所发脉冲数，将其写入TIM4的比较匹配寄存器，启动主从定时器，当TIM4发生比较匹配中断时表示脉冲已经发送完毕，然后在中断服务程序停止TIM2，禁止电机使能信号。当电机转动过程中发生堵转则需要立即禁止脉冲发送和电机使能信号。

4 系统测试

MRETA的测试主要包括硬件性能和协议互操作测试(interoperability test，IOT)2部分。硬件测试包括OOK、浪涌电流抑制等模块的功能测试和产品及环境性能测试。环境测试主要结果如表1所示，各项指标均满足AISG协议要求。

OOK解调模块信号测试如图7所示，图7中测量结果分别为原电路中V1，V4和RX点的信号波形，图8为调制电路中调制输出的OOK信号和MCU_TXD的测试波形，实测解调灵敏度-15 dBm，调制电路发射功率最大为+12 dBm，满足AISG规范要求。

表1 MRETA环境性能主要测试结果

图7 OOK解调器测试波形Fig.7 OOK demodulation oscillogram

图8 OOK调制电路测试波形Fig.8 OOK modulation oscillogram

MRETA的IOT测试主要包括2部分内容，首先是协议符合度测试，通过与基站系统或RRU(radio remote unit)的AISG通讯来检测协议实现的完整性，主要包括设备扫描、连接、告警上报等功能；其次是MRETA的控制功能测试，包括对各个移相器的下倾角控制、电机堵转异常检测和出错处理功能等。目前，本项目研发的MRETA已经成功完成了与华为、中兴、爱立信等主流基站厂家的RRU以及凯瑟琳、捷盟等厂家的CCU(central control unit)之间的协议符合度测试和控制功能测试，结果表明，本设计方案能够与不同厂家的RRU或CCU无缝对接，协议实现完整，控制功能完善。

5 结 论

本文以实际项目为基础，详细介绍一种符合AISG2.0协议规范的多频远程电调天线控制系统的设计方案和实现方法。本方案的AISG通信采用基于分离元件的OOK调制解调电路，相比集成芯片方案具有成本低，灵敏度、输出功率可调的优势；浪涌电流抑制电路在反复上电、断电情况下仍满足AISG协议要求；根据MRETA产品需求，设计了满足最多12路下倾角调节的控制电路。软件部分设计了基于单片机DMA的高性能AISG协议栈。本设计已经完成了AISG协议规定的电气性能测试和协议完整性测试，并且完成了与主流基站系统厂家和CCU厂家的IOT测试和相关控制功能测试，并已投入批量生产。实际应用表明，本设计成本低，协议兼容性好，长期运行稳定可靠。

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(编辑：张 诚)

s：The Science and Technology Planning Project of Zhongshan(2014A2FC378); The Project on the Integration of Industry, Education and Research of Zhongshan(2013C2FC0019); The Cultivation Plan of the Outstanding Young Teachers in Guangdong Province (Yq2013206)

Design of multi-band remote electronic tilting antenna controller

LV Yi1, DENG Chunjian1，2, ZOU Kun1，2
(1.Zhongshan Institute, University of Electronic Science and Technology of China, Zhongshan 528402, P.R.China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610500, P.R. China)

The design scheme of embedded controller in MRETA(multi-band remote electronic tilting antenna) which meets AISG2.0 requirement was present. According to the physical layer requirement of AISG2.0, one OOK (on-off keying) modem circuit which is composed of discrete component was present, and the working principle of how to modify its receiving sensitivity and output power were discussed in details. The feature of MRETA’s inrush current was analyzed, and one inrush current suppression circuit was designed, which can meet the corresponding requirement even when the power was frequently switched on and off. The hardware design idea of MRETA tilt angle control module with position feedback was proposed. The software implement methods of protocol stack and tilt angle control function were investigated. Finally, hardware performance and IOT (interoperability test) result were present. Test and application results show that this proposed design scheme sound conforms to AISG2.0 in the electronic performance and protocol integrity, and features its good interoperation compatibility and long-term reliability.

multi-band remote electronic tilting antenna; AISG protocol; On-Off keying; inrush current

2016-03-26

2017-04-19 通讯作者：吕 燚 lvyi913001@163.com

中山市科技计划项目(2014A2FC378)；中山市产学研合作项目(2013C2FC0019)；广东省高等学校优秀青年教师培养计划(Yq2013206)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.03.011

TP393.04

A

1673-825X(2017)03-0352-06

吕 燚(1981-)，男，山西大同人，副教授，主要研究方向为智能控制技术、嵌入式系统与物联网；可靠性建模，维修策略研究。E-mail：lvyi913001@163.com。

邓春健(1981-), 男，广东乐昌人，教授，博士，研究方向为信息显示技术、通信技术。E-mail：dcj5880870@126.com。

邹 昆(1980-),男，湖北郧西人，副教授，博士，主要研究方向为图形图像处理。E-mail：cszoukun@foxmail.com。