一種td-scdma幹線放大器的製作方法

2023-05-21 06:24:51

專利名稱：一種td-scdma幹線放大器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種射頻傳輸技術及同步識別技術，尤其是一種TD-SCDMA光纖幹 線放大器，屬於移動通信領域。
背景技術：
隨著移動通信市場的日益發展，業務從原先的話音業務發展到增值業務。伴隨著移 動增值業務的不斷發展，邁向3G (3rd Generation,第三代移動通信)則是移動運營商 的必然選擇。與前兩代系統相比，第三代移動通信系統的主要特徵是可提供豐富多彩的 移動多媒體業務，其設計目標是為了提供比第二代系統更大的系統容量、更好的通信質 量，同時要能在全球範圍內更好地實現無縫漫遊及為用戶提供包括話音、數據及多媒體 等在內的多種業務，並考慮與己有第二代系統的良好兼容性。
目前國際電聯接受的3G標準主要有以下三種WCDMA、 CDMA2000與TD-SCDMA。其 中TD-SCDMA由大唐電信科技產業集團代表中國提交被國際電聯接納，成為被國際社會 認可的三大標準之一，也是我國唯一擁有部分智慧財產權的行業標準，得到了中國政府、 中國運營界和巾國的製造矹發的各個方面的鼎力支持所込到的成果，劉我國而言，是以
自主創新調整經濟結構的重大機遇，具有強大的生命力和發展潛力，也有著深刻的意義。 TD-SCDMA覆蓋系統特別適合於在城市人口密集區提供高密度大容量語音、數據和多媒體 業務。它在上行鏈路各終端發出的信號在基站解調器處完全同步，通過軟體及物理層設 計來實現，這樣可使得正交擴頻碼的各個碼道在解擴時完全正交，相互間不產生幹擾， 克服異步CDMA多址技術由於每個終端發射的碼道信號到達基站的時間不同，造成碼道 非正交所帶來的幹擾問題。
直放站(又叫中繼器)屬於同頻放大設備，是在無線通信傳輸過程中起到信號增強的 一種無線電發射中轉設備。國內TD-SCDMA中繼器市場從2006年開始活躍起來。目前，200820156124.9
說明書第2/9頁
國內行動網路運營商對TD-SCDMA中繼器的需求呈現上升趨勢，主要是因為3G網絡的推 廣完善，運營商之間競爭的加劇，客戶對優質無線覆蓋的需求增加，以及運營商在成本 效益、增加投資回報以及業務收入方面所承受的壓力日增，因此迫使運營商們在過去幾 年時間裡加大對無線覆蓋解決方案的投入，以改善其網絡素質及服務質量，從而增加業
務收入，提高用戶滿意率。
TD-SCDMA幹線放大器以低成本、高質量完成室內無縫覆蓋工程，是一種用於彌補 TD-SCDMA行動網路中基站覆蓋不足，擴大基站覆蓋範圍，填充信號盲區的一種有效設備。 由於TD-SCDMA的工作頻段較高，信號傳輸損耗較大，通常需要採用幹線放大器。幹線 放大器是將基站下行的信號進行放大而達到擴展覆蓋的同頻放大裝置。下行弱信號經放 大器放大後經過功分器、耦合器、饋線等分配到室內不同位置，再通過收發共用天線實 現室內覆蓋。幹線放大器採用透明傳輸和收發同步技術，既不會佔用TD系統的控制信 道，還可以提高收發隔離度及有效消除噪聲累積對基站的影響，在覆蓋區內對用戶量沒 有影響。使用幹線放大器的優勢是不需要增加主幹饋線就能增大覆蓋範圍，對走線井的 要求低，節省饋線和射頻信號。
目前2G直放站設備已經被大量的運用，2G直放站採用的標準為《ETSI EN300 609》、 《900/1800MHz TDMA數字蜂窩移動通信網直放站技術要求和測量方法》和《800MHz CDMA 數字蜂窩移動通信網直放站技術要求和測量方法》，而TD-SCDMA直放站所採用的標準為 《3GPP TS25.143》和《TD-SCDMA數字蜂窩移動通信網直放站技術要求和測量方法》。 對常規直放站和TD-SCDMA直放站的標準及實現方式做比較，其主要差別為
1、 TD-SCDMA為時分系統，故直放站要實現與基站的精確幀同步。在2G系統、 3G的WCDMA系統和CDMA2000系統中，都是頻分復用系統，即上下行採用不同的 工作頻率，故其傳輸通道不同，設備都是通過雙工器實現收發信號的隔離。而 TD-SCDMA是時分雙工系統，其上下行的工作頻段是完全相同的，基站是通過在不同 的時間分別傳輸上下行數據來實現雙工狀態，直放站只有和基站保持高度的幀同步，才 能完成對基站信號的透明傳輸。因此現有的2G系統、3G的WCDMA系統和CDMA2000 系統的直放站無法實現上述任務。
2、 由於TD-SCDMA直放站有分時隙控制ALC的要求，用傳統的ALC實現方式無 法滿足系統要求，需根據TD-SCDMA制式特殊的信號格式來實現分時隙ALC控制要求。3、因TD-SCDMA系統為時分系統，其上下行的工作頻率是相同的，為避免 TD-SCDMA直放站設備工作時自激，對設備的收發隔離度要求高，且必須同時滿足上 下行切換速度要求，而現有的2G系統、3G的WCDMA系統和CDMA2000系統得直放 站也無法實現上述任務。
移動通信是利用無線媒介來傳遞信息的，由於電磁波的傳輸損耗，每個基站的信號 覆蓋範圍是有限的；另外，由於無線傳播的陰影效應，導致高山、建築物、樹林等一些 阻擋物的背後亦常形成信號盲區，同時山區、別墅、公路、旅遊區、度假村、地下商場、 賓館等大型高層建築物等處的覆蓋陰影區和盲區問題。都會為移動通信網絡的承載業務 的進一步拓展帶來不利影響。因此，如何對現有2G系統、3G的WCDMA系統和 CDMA2000的千線放大器進行必要的創新和改進，就成為研發人員的一個課題。

實用新型內容
本實用新型發明的目的旨在提供一種新型的TD-SCDMA幹線放大器，達到彌補移
動網絡中基站覆蓋不足，延伸基站覆蓋區域，消除通信盲區，提供比現有2G和部分3G
產品具有更為良好的高保真、多功能通網絡優化技術。既可以增加網絡覆蓋，使施主基
站的覆蓋得到延伸，也能增加空閒基站的話務負荷。
這種TD-SCDMA幹線放大器，包括電源模塊、濾波器以及由環形器和射頻模塊構成
的下行鏈路、上行鏈路，其特徵在於所述的電源模塊配有一內部配置同步控制單元的
監控通信處理單元，並且該監控通信處理單元分別與射頻模塊、Modem之間均建有電訊
號連接。
所述的射頻模塊為高度集成的模塊，它由高線性功率放大器PA、 CPU、低噪聲放大 器LNA和環形器構成，高線性功率放大器PA和低噪聲放大器LNA分別與CPU之間建有 電信號銜接關係，高線性功率放大器PA通過一環形器與低噪聲放大器LNA點連接。
所述下行鏈路由基站送來的射頻信號通過電纜連接到幹線放大器下行輸入埠BS; 然後通過腔體濾波器，把外部雜散信號濾波後進入環形器，通過環形器後將信號分為上 下行，下行信號進入射頻模塊B中，由射頻模塊B中的下行高線性功率放大器PA進行 信號放大，功率放大後的輸出信號再經腔體濾波器濾波，通過輸出埠 MS輸出功率至 重發天線；所述上行鏈路，由天線接收到的射頻信號通過腔體濾波器濾波後，進入射頻模塊B中，通過環形器後將信號分為上下行，上行信號通過環形器後，經過同步電子開 關，進入低噪聲放大器LNA後將信號進行放大，再通過濾波器濾波後，經BS埠送到 基站。
所述的監控通信處理單元由CPU系統、同步控制單元、輸入告警接口、 M0DEM接口、 RS485接口、 RS422接口、 RS232接口、 USB接口和Ethernet接口構成，同步控制單元 和各種接口分別與CPU之間建有電訊號銜接關係。
根據以上技術方案提出的這種TD-SCD區幹線放大器，不僅彌補行動網路中基站覆 蓋不足，延伸基站覆蓋區域，消除通信盲區，提供比現有2G和部分3G產品更為良好的 高保真、多功能網絡優化技術使施主基站的覆蓋得到延伸，也能增加空閒基站的話務負 荷，或是分攤繁忙基站的話務量，並能和基站保持精確同步，有效的擴大覆蓋範圍，消 除覆蓋盲區，改善通話質量，為運營商鋪設TD"SCDMA網絡降低成本。


圖l為本實用新型結構示意圖。
圖中2-濾波器3.1~3.2-環形器4-射頻模塊5-濾波器7-電源單元8-監 控通信處理單元9-MODEM
具體實施方式
以下根據附圖給出的幹線放大器框圖，說明該幹線放大器的實施方式 這種TD-SCDMA幹線放大器，包括電源模塊7、濾波器2、 5以及由環形器3和射頻 模塊4構成的下行鏈路、上行鏈路，其特徵在於所述的電源模塊7配置有監控通信處 理單元8，並且該監控通信處理單元8分別與射頻模塊4、 Modem天線9之間均建有電訊 號連接。
所述的射頻模塊4為高度集成的模塊，它由高線性功率放大器PA、 CPU、低噪聲放 大器LNA和環形器構成，高線性功率放大器PA和低噪聲放大器LNA分別與CPU之間建 有電信號銜接關係，高線性功率放大器PA通過一環形器與低噪聲放大器LNA點連接。
TD-SCDMA幹線放大器放主要由射頻模塊B4 (下行功放和上行低噪放集成模塊)、監 控通信處理單元8 (含同步控制系統)、電源模塊7、環形器3、濾波器2、 5等單元組成。TD-SC歷A幹線放大器分為上、下行兩路信號，在同步控制電路的控制下交替工作。 下行鏈路從基站送來的射頻信號通過電纜連接到幹線放大器下行輸入埠 BS;然
後通過腔體濾波器2，把外部雜散信號濾波後進入環形器3，通過環形器3後將信號分 為上下行，下行信號進入射頻模塊B4中，由射頻模塊B4中的下行高線性功率放大器PA 進行信號放大，功率放大後的輸出信號再經腔體濾波器5濾波，使雜散發射和帶外抑制 等指標達到最佳，最後通過輸出埠 MS輸出功率至重發天線。
上行鏈路天線接收到的射頻信號送入埠MS後通過腔體濾波器2濾波，進入射 頻模塊B4中，通過環形器3後將信號分為上下行，上行信號通過環形器3後，經過同 步電子開關，進入低噪聲放大器LNA後將信號進行放大，以保證良好的噪聲係數和性能； 再通過濾波器2濾波後，經BS埠送到基站。在此過程中，監控模塊中的同步控制部 分根據信號的幀時隙特性控制功率放大器和低噪聲放大器分時工作。
設備中各模塊的功能描述如下
射頻模塊B為高度集成的模塊，提供上行低噪聲放大器、下行高線性功率放大器及 信號提取、智能檢測控制、同步開關管的控制等功能。
濾波器提供對工作頻帶外信號的過濾作用，抑制帶外雜散信號。
監控通信處理單元集成了同步控制和監控通信處理兩部分的功能。功能一將耦 合下行輸入功率所得的信號進行放大，檢波，處理出同步控制信號，對相應模塊進行同 步控制。功能二監控設備各個部分，主要是對射頻模塊、門禁、外部接口、環境溫度 等信息的控制、告警、査詢項目進行可處理成計算機可以直接處理的協議，同時還負責 遠程監控和本地串口控制任務，並提供外部接口給計算機進行通訊。可通過軟體實現對 設備的本地及遠程監控。
電源單元本設備輸入電壓為220V交流市電後，經過防雷器進行浪湧吸收後，送
到開關電源，開關電源輸出直流28V和直流9V電壓，給設備內的有源模塊包括射頻單 元、同步單元，監控單元等供電，開關電源還提供電池衝放電控制電路，對外接電池單 元進行控制，同時提供監控檢測埠提供給監控通信處理單元進行電壓監控。
Modem:無線監控功能主要通過在施主埠處加入定向耦合器將基站的信號耦合一 部分到設備中Modem中，通過這個雙向鏈路使得Modem可以和本地基站進行通信，以達 到將設備信息通過無線基站及時反饋到局方的作用。
*為了保證設備的及應速度，滿足時隙控制功能並避免信號失真。在傳統的使用純硬體實現ALC控制的基礎上，採用軟硬體結合的方式實現分時隙ALC控制。主要實現 方法是當直放站和基站建立同步後，使用高速AD晶片對每個時隙功率進行採集，多 幀對應時隙累加取平均並存入對應的時隙功率寄存器中，再根據設置值、時隙輸出 功率和第二切換點，計算各時隙的衰減值存入寄存器，然後在不同時隙時按照寄存 器中衰減值執行衰減。
* 通過特有的電源管理系統用切換上行和下行電路的供電來切換上行和 下行鏈路，以獲得最大的收發隔離度。由於TD-SCDMA系統是時分系統， 一般的設 計方法是通過射頻開關和環形器的組合來實現上下行鏈路的切換。我們在此基礎上 增加了特有的電源管理系統，保證在射頻開關動作的同時，分別對射頻模塊中的高 線形功放和低噪聲放大器的供電系統進行切換，這樣既可以降低設備的功耗，還能 增加收發隔離度。
參由於射頻功放電路中有較大的去耦電容，直接開關功放的供電電源，電容的衝放電 過程會減緩鏈路的反應速度，使鏈路的切換速度需要5us左右，不能滿足系統要求。 通過改變去藕電容的位置，將常規的去藕電容位置從功放管旁移至電源切換繼電器 之前，使開關功放的供電電源的動作不會影響鏈路的反應速度，確保鏈路切換的反 應時間最小化，滿足了設備切換速度的要求。
* 通過在包絡檢波同步設計中加入了匹配濾波法和抗幹擾算法完成直放站與基站間 上下行切換的系統同步。
設備採用包絡檢波同步方式，是一種實時的同步方式，就是指TD—SCDMA中繼放大 器使用真有效值檢波裝置對下行輸入信號進行取樣，提取TD-SCDMA信號的包絡變 化，並以此為物理基礎，轉換成數位訊號，然後採用FPGA來實現下行幀同步頭的 搜索、跟蹤和時鐘同步處理；再根據TD-SCDMA幀結構的特點，於TD-SCDMA的標準 幀結構進行匹配，利用特徵窗方法獲得第一切換點的位置，找到TD-SCDMA信號的 起始時刻，從而產生上、下行開關切換控制信號，並保證中繼放大器的開關切換點 與TD-SCDMA網絡保持精確同步。
由於包絡檢波同步法存在易受同頻及鄰頻幹擾的缺陷。為了降低第一個轉換點同步 建立過程中的假同步概率和提高第一個轉換點同步建立以後抗幹擾能力，我們在包 絡檢波同步設計時創造性地加入了匹配濾波法和同步抗幹擾算法。這種獨特的設計 方案大大增加了設備的抗幹擾能力，解決了這一問題困擾許多廠家的一大難題。* 監控系統使用了兩級看門狗，包括CPU內部看門狗和外部硬體看門狗晶片，杜絕了 TD中繼器監控系統死機的可能，提高了整個系統的可靠性；
* 監控系統使用CPLD實現對UART和I/O 口的擴展，由於CPLD可以靈活的對埠進 行輸入輸出定義、內部組合邏輯定義，極大提高了系統的可設計、可升級能力和適 應能力；
* 使用大容量的鎳氫充電電池組和智能化的充電電路作為TD直放站監控系統的後備 電源，充電電路包括對充電電池的過充電和過放電保護等功能，提高了後備電源的 後備時間和使用壽命，保證了後備電源的可靠性； 一旦設備的正常供電系統發生停 電或故障，後備電源可保證監控系統正常工作，並發生相應告警信息。
在直放站設計中前級採用低噪聲線性放大技術，保證接收的信號放大後還有良好信 噪比。
設備由串聯的反射式的模塊構成，模塊的輸入輸出埠從高頻電路的電容性和電感 性的相互補償著手控制埠駐波，部分有源模塊設計中加上隔離器，以提高匹配性 並保護相關器件，相互匹配使設備的駐波性能良好，使各種微波信號在系統中儘量 以行波的狀態傳輸。
* 使用燒結的工藝技術，將射頻的驅動管和功率管直接焊接在銅板上，使驅動管和功 率管有良好的接地，保證射頻性能指標穩定。同時，驅動管和功率管有良好的散熱 條件，產品可靠。
這種TD-SCDMA幹線放大器具有以下積極效果 參在幹線放大器設計中前級採用低噪聲線性放大技術，確保整機的噪聲係數《4dB;
* 在主要有源模塊中，射頻開關、ATT控制電路、檢波放大電路等都使用了高速度低 時延的元器件；採用了有效值型的功率檢測器，使功率檢測和ALC控制準確。通過 高速ATT控制和執行電路，能保證設備自動時隙電平控制(ASLC)。自動時隙電平 控制範圍大於10dB;
通過特有的電源管理系統用切換上行和下行電路的供電來切換上行和下行鏈路，以 獲得最大的收發隔離度。我們專門設計了特有的電源管理系統，保證在射頻開關動 作的同時，相關鏈路的供電系統同時作用，這樣既可以降低設備的功耗，還能增加 收發隔離度。原設備隔離度約為50dB左右，現在可達到57dB，隔離度增加了2個 等級。
由於射頻功放電路中有較大的去耦電容，直接開關功放的供電電源，電容的衝放電 過程會減緩鏈路的反應速度。通過改變去藕電容的位置，再配以專門的電路處理技 術，我們使鏈路切換的反應時間控制在0.8us左右，保證在獲得最佳的收發隔離度 的同時也滿足了切換速度的要求。
* 設備採用實時同步方式包絡檢波同步。由於包絡檢波同步法存在易受同頻及鄰頻幹 擾的缺陷。為了降低第一個轉換點同步建立過程中的假同步概率和提高第一個轉換 點同步建立以後抗幹擾能力，我們在包絡檢波同步設計時創造性地加入了匹配濾波 法和同步抗幹擾算法。這種獨特的設計方案使同步抗幹擾能力增加了 10倍，攻克了 項目最關鍵的技術難點。實現了設備與基站的精確同步。對輸出為5W的幹線放大器 設備而言，我們的同步指標為
a) 幹線放大器功放同步靈敏度《-30dBm
b) 功放啟動門限調整範圍達到20dB;
c) 直放站上下行打開的時間提前量和關閉時間的滯後量〉2us;
d) 上下行開關的轉換點落在TD-SCDMA幀中相應得上下行轉換點間隔》3us。 本申請人提出的這種TD-SCDMA幹線放大器產品完全按3GPP中相關直放站規範及國
家信產部對TD直放站的規範進行設計。按數字移動通信TD-SCDMA制式每頻道帶寬
1.6MHz的標準而設計的，採用了包絡檢波同步方式，能實現於基站上下行切換的精
確同步；可以在整個15MHz帶寬內任意輸出單個或多個信道的信號，以延伸基站的
信號覆蓋範圍。
能夠滿足國家通信行業標準YD/T 1711-2007《2GHz TD-SCDMA數字蜂窩移動通信網 直放站技術要求和測量方法》。產品自身具有良好的可繼承性，可擴展性，能很好地與 移動通信網絡核心基站進行協同工作並方便地進行網絡優化。整機具有很強的自我保護 功能，不對整個網絡的工作帶來負面幹擾。同時，也不因為設備中某個部分的工作不正 常而使整機遭受到致命的損壞。
本產品已通過了國家無線電監測中心、中國泰爾實驗室信息產業部無線通信產品質 量監督檢驗中心和信息產業部通信電磁兼容質量監督檢驗中心的測試，並獲得了國家無 委頒發的型號核准證和信產部頒發的進網許可證。通過和國內同類產品相比較，本公司 生產的TD幹線放大器在噪聲係數、線性輸出功率、鄰道洩漏功率比、輸出互調、開關時間準確度、收發隔離度、調製準確度以及功放開關同步穩定性等方面都處於先進水平。 該系列產品安裝方便、配製靈活，適用於TD-SCDMA移動通信系統。產品按照國家相關 規範進行設計，其技術性能和質量都達到國家信息產業部的入網指標要求。更由於其投 資少，安裝簡捷，性能可靠，維護方便，尤其適合中國市場的特殊需求。
權利要求1、一種TD-SCDMA幹線放大器，包括電源模塊(7)、濾波器(2、5)以及由環形器(3)和射頻模塊(4)構成的下行鏈路、上行鏈路，其特徵在於所述的電源模塊(7)配有一內部配置同步控制單元的監控通信處理單元(8)，該監控通信處理單元(8)分別與射頻模塊(4)、Modem(9)之間均建有電訊號連接。
2、 如權利要求1所述的一種TD-SCDMA幹線放大器，其特徵在於所述的射頻模塊(4) 為高度集成的模塊，它由高線性功率放大器PA、 CPU、低噪聲放大器LNA和環形器 構成，高線性功率放大器PA和低噪聲放大器LNA分別與CPU之間建有電信號銜接關係， 高線性功率放大器PA通過環形器(3.2)與低噪聲放大器LNA點連接。
3、 如權利要求1所述的一種TD-SCDMA幹線放大器，其特徵在於所述下行鏈路 由基站送來的射頻信號通過電纜連接到幹線放大器下行輸入埠 BS;然後通過腔體濾波 器(2)，把外部雜散信號濾波後進入環形器(3.1)，通過環形器(3.1)後將信號分為 上下行，下行信號進入射頻模塊B (4)中，由射頻模塊B (4)中的下行高線性功率放 大器PA進行信號放大，功率放大後的輸出信號再經腔體濾波器(5)濾波，通過輸出端 口MS輸出至天線；所述上行鏈路，由天線接收到的射頻信號經MS埠通過腔體濾波器(2)濾波後，進入射頻模塊B (4)中，通過環形器(3.1)後將信號分為上下行，上行 信號通過環形器(3.2)後，經過同步電子開關，進入低噪聲放大器LNA後將信號進行 放大，再通過濾波器(2)濾波後，經BS埠送到基站。
4、 如權利要求1所述的一種TD-SCDMA幹線放大器，其特徵在於所述的監控通信 處理單元(8)由CPU系統、同步控制單元、輸入告警接口、 MODEM接口、 RS485接口、 RS422接口、 RS232接口、 USB接口和Ethernet接口構成，同步控制單元和各種接口分 別與CPU之間建有電訊號銜接關係。
專利摘要一種TD-SCDMA幹線放大器，包括電源模塊、濾波器以及由環形器和射頻模塊構成的下行鏈路、上行鏈路，其特徵在於所述的電源模塊配置有監控通信處理單元，並且該監控通信處理單元分別與射頻模塊、Modem之間均建有電訊號連接；所述的射頻模塊為高度集成的模塊，它由高線性功率放大器PA、CPU、低噪聲放大器LNA和環形器構成，高線性功率放大器PA和低噪聲放大器LNA分別與CPU之間建有電信號銜接關係，高線性功率放大器PA通過環形器與低噪聲放大器LNA點連接。比現有2G和部分3G產品具有更為良好的高保真、多功能網絡優化技術，不僅有效的擴大覆蓋範圍，消除覆蓋盲區，改善通話質量，也為運營商鋪設TD-SCDMA網絡降低成本提供技術支持。
文檔編號H04B7/155GK201365244SQ20082015612
公開日2009年12月16日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者偉 葉, 蔚 葉, 鐵 李, 楊賢全, 賈小濤, 趙國民 申請人:上海欣民通信技術有限公司