天线覆盖范围监控系统的设计与实现

李汶周

摘要：无线信号覆盖范围是无线通信系统的一个重要指标。无线通信系统运行一段时间后，覆盖范围有时会偏离原来的设定值，用户就会出现信号差、无信号等现象，从而导致网络服务质量的下降。本文从驻波比和发射功率的角度出发，设计一套监控系统，检测覆盖范围的变化情况，为维护人员及时地处理故障提供帮助。

关键词：覆盖范围;驻波比;FPGA

引言

无线信号的覆盖范围是无线通信系统关注的一个重要指标，直接影响到用户的网络体验，信号差、无信号是用户投诉最多的问题点之一。往往在建站的时候，无线信号的覆盖范围是满足用户的需求的，网络运行一段时间后却收到区域内用户信号差的投诉，为改善网络服务质量，减少用户的投诉，应该要能及时发现覆盖范围的变化。无线信号覆盖范围发生改变的主要因素有发射功率变化、驻波比变大、干扰、天气变化、新建建筑物的阻挡等。天气是不可控因素，干扰和新建建筑物是外部因素，而发射功率和驻波比跟发射机的功放和天馈系统有关，应当从内部着手，对发射功率及驻波比进行测试和监控。

1 测量原理

驻波比是无线传输系统中的一个重要参数，用来衡量阻抗是否匹配的关键指标 。如果馈线和天线的阻抗完全匹配，则驻波比等于1，此时无线信号全部通过天线辐射出去，覆盖范围最大;如果馈线和天线的阻抗不匹配，则驻波比大于1，此时无线信号将会有一部分反射回来，形成了驻波，天线辐射的能量变小，从而使得天线的覆盖范围变小。

根据驻波比的定义可知，驻波比的计算公式如下：

其中，VSWR表示电压驻波比;Umax表示馈线上的波腹电压，等于前向（发射）波和后向（反射）波电压之和;Umin 表示波谷电压，是前向（发射）波和后向（反射）波电压之差。

在阻抗不变的情况下，功率和电压的平方成正比，由（1）式可得：

其中，Uf和Ur分别表示前向波和后向波电压;Pf和Pr分别表示前向（发射）功率和后向（反射）功率。

由式（2）可知，驻波比测量的关键在于测量前向功率和后向功率。同时在测试驻波比的同时，也测量了发射机的发射功率。

2 测量方案的选择

驻波比之所以出现变化，主要是因为器件老化、馈线接头没处理好进水或灰尘、馈线破损、天线损坏等。常规的措施是定期或有告警后派人使用专用仪器测试，这种测试是不在线的，需要中断无线业务，耗费人力物力，且需要的时间较长。为保证用户的网络体验，采用不中断业务在线测试驻波比，使用高耦合度的双分支定向耦合器作为功率的取样模块，一个分支取样前向功率，另一个分支取样后向功率，原理如图1所示。

功率测量方法有二极管检测法、等效热功耗检测法、真有效值转换检测法、对数放大检测法等。二极管检测法电路简单，误差大，对温度敏感;等效热功耗检测法电路实现比较困难，成本高;真有效值转换检测法和对数放大检测法是射频信号功率检测的常用方法。考虑到射频带宽的需要，本方案采用AD8318作为功率测量模块。AD8318是对数放大检测器，带宽为1MHz至8GHz，具有精度高，噪声低，温度稳定性好等特点，并且外部电路简单，如图2所示。

功率的的计算及控制、显示模块常规用的是单片机，本方案采用FPGA芯片。相比单片机，FPGA具有并行执行，内部资源丰富等特点。

3 方案的設计

硬件系统如图3所示。

系统由四部分组成，第一部分为功率信号取样电路，包括双定向耦合器、滤波器和衰减匹配网络。双定向耦合器负责取样前向功率和后向功率，为尽量减少对天线辐射能量的影响，应采用高耦合度，高定向性的耦合器。考虑到多系统合路共用天线的场景，使用带通滤波器滤波，只对某一系统进行功率取样。考虑到取样的功率对AD8318可能过大，衰减匹配网络实现功率的衰减。以43dBm（20W）系统为例，选用的定向耦合器耦合度为30dB，带通滤波器插入损耗约为2dB，衰减匹配网络约为10dB，则AD8318的输入信号功率小于等于1dBm。

第二部分为AD8318构成的功率测量转换电路。AD8318是对数放大器，将输入的射频功率信号转换为电压输出，它们的转换公式为：

VO=VSLOP/dB*（PIN-20dBm） （3）

式中，VO为AD8318的输出电压，VSLOP/dB为对数变换斜率，一般取值-25mv/dB，PIN为AD8318输入信号的功率。由式（3）可知，43dBm系统经过定向耦合器取样，滤波器滤波，再经过衰减网络和AD8318转换后，输出电压约为0.5V。

第三部分为模数转换模块，包括A/D转换器、存储器，由FPGA芯片内部提供。使用FPGA的目的是利用其内部丰富的资源，来简化设计。zynq7000器件内部的XADC模块包括2个12比特1 MIPS的模数转换器，并提供1.25V的基准电压，能完全满足AD转换的需求。使用zynq7000内部的寄存器作为AD转换后的存储单元。

第四部分为计算及控制模块，包括发射功率计算及驻波比计算、比较器，仍然由FPGA实现。AD8318输出电压VO经过AD转换后，送入计算模块，由式（3）即可直接求得发射功率和反射功率，再由式（2）可得驻波比。陈光达、刘雪梅等人在文献[1]中总结出，使用FFT法计算驻波比精确度优于传统能量法计算方式。所以在这里直接使用FPGA芯片的FFT IP核计算发射功率和驻波比。比较器将计算出的发射功率和驻波比与设定值做比较，满足一定条件后则产生告警信息。

4 小结

天线的覆盖范围是影响无线通信质量的一项指标，直接影响到用户的网络体验。文中提出一种在线的发射功率和驻波比测试方法，该方法使用双定向耦合器和对数放大器将无线通信系统的发射功率和反射功率取样，然后用FPGA对功率取样信号进行处理和计算。通过这套系统能在线、及时第发现天线覆盖范围的改变，从而维护人员提供帮助。

参考文献：

[1]陈光达，刘雪梅，党书东.高精度计算驻波比的方法研究[J].信息通信，2017，（1）：1-3.

[2]金玲.高定向性微带定向耦合器的研究[J].微波学报，2017，（S1）：195-198.

[3]李茂全.基于FPGA的MF200型中波发射机降功率控制系统[J].无线发射与节传技术，2021，（345）：74-77.

[4]李硕.一种基于FPGA的民航空管甚高频发信机驻波比探测系统设计[J].信息通信，2020，（208）：89-91.

[5]武建平.天馈线智能检测系统的应用[J].山西电子技术，2021，（3）：67-70.