胡展威

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663 ）

PDT警用數(shù)字集群基站發(fā)射鏈路的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡展威

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663 ）

研究PDT警用數(shù)字集群基站的發(fā)射機(jī)部分，完成方案設(shè)計(jì)后，利用Genesys軟件下進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)仿真，對發(fā)射部分的增益、功率等指標(biāo)的進(jìn)行分解，并選擇適合的關(guān)鍵器件進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，經(jīng)過調(diào)試與測試得出的結(jié)果與預(yù)期的目標(biāo)一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

警用數(shù)字集群（PDT）；Genesys；增益；功率

1 引言

為了確保公安系統(tǒng)、反恐、地鐵、大型比賽等場合的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要依靠運(yùn)營設(shè)備的精確調(diào)度與及時響應(yīng)，這一切背后都離不開集群通信的大力發(fā)展，然而國內(nèi)傳統(tǒng)模擬集群使用較為頻繁，但是它存在著系統(tǒng)容量小、頻率利用率不高、安全保密性較差、業(yè)務(wù)功能比較單一等缺點(diǎn)，然而國際上的其他數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)如歐洲的TETRA和DMR、美國的iDEN，北美的APCO project25，以色列的FHMA標(biāo)準(zhǔn)，它們不僅存在覆蓋范圍小、而且建網(wǎng)費(fèi)用昂貴，還不能與模擬集群系統(tǒng)兼容且還存在國外知識產(chǎn)權(quán)糾紛等問題。尤以我國公共安全的角度出發(fā)，亟需一個具備知識產(chǎn)權(quán)，并適合國內(nèi)公共安全的數(shù)字集群標(biāo)準(zhǔn)。

2008年，由中國公安部牽頭制訂的警用數(shù)字集群系統(tǒng)PDT是一份結(jié)合中國現(xiàn)狀與實(shí)情、放眼國際、具有中國特色的數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)，一經(jīng)啟動，備受各方關(guān)注。經(jīng)過六年多的努力，標(biāo)準(zhǔn)可望在近期發(fā)布。

2 PDT標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射主要射頻指標(biāo)要求

（1）工作頻帶360.8-366.2MHz

（2）載波間隔12.5KHz

（3）發(fā)射功率 50W(47dBm)

（4）鄰道抑制比±12.5KHz@≤-60dB

（5）頻率誤碼率 ≤1×10-4

3 PDT警用數(shù)字集群基站發(fā)射部分方案設(shè)計(jì)

由后端數(shù)字部分處理后的基帶信號，通過直接調(diào)制的方式，直接調(diào)制到發(fā)射本振上，無需混頻器，此時從基帶出來的信號大小為-6dBm，基站的發(fā)射部分就是將該信號經(jīng)過濾波、放大，最后從天線口輸出50W(47dBm)功率大小的信號，但還需滿足基站發(fā)射的各項(xiàng)性能指標(biāo)其中包括功率大小、發(fā)射雜散、鄰道功率比，還包括發(fā)射上升和下降時間、頻率誤差、調(diào)制頻偏誤差等指標(biāo)。PDT基站發(fā)射部分鏈路框圖如圖1所示，總體來講是將已經(jīng)調(diào)制好的信號通過三級驅(qū)動放大，再經(jīng)過大功率管，將信號放大至50W(47dBm)，再經(jīng)過天線口發(fā)射出去。

但為了對二次、三次等諧波的抑制，加入了低通濾波器，同時為了控制功率保持在固定的值，通過功率閉環(huán)處理，即在最后一級PA的地方，加入功率檢測電路，當(dāng)輸出功率過高時，通過CPU控制數(shù)字衰減器，增大衰減量，使功率降低。當(dāng)檢測到輸出功率較小時，則通過CPU重新給數(shù)字衰減器重新配數(shù)，來減小數(shù)字衰減器的衰減量。通過功率檢測電路方式，不僅知道功率大小，還可以保證功放輸出一個相對固定的值，但在高溫條件下單靠功率閉合控制還不夠，還需加入溫度補(bǔ)償電路，使該基站能夠在高溫和低溫的條件下，基站的輸出功率基本保持在固定的值。補(bǔ)償電路的原理是當(dāng)溫度偏高或者偏低時，找出功放管的輸出功率特性，即自身輸出功率與溫度特性的曲線，通過溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償因溫度變化而帶來有源器件的增益、輸出功率的波動或RF特性的漂移。

為了減小功放管的輸入輸出的駐波比，駐波過大有時很容易燒毀功放管，所以在功放管的輸入、輸出部分都加隔離器，而且還可以對功放輸出的諧波及雜散進(jìn)行抑制。為了便于對功放管進(jìn)行功率檢測，通過耦合器耦合很弱的信號進(jìn)行采樣，采樣之后通過功率檢測芯片，將功率信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，電壓信號直接送入含有自身攜帶有AD的CPU進(jìn)行處理，通過CPU進(jìn)行一定公式計(jì)算后，得出功率大小，根據(jù)功率的情況來控制數(shù)字衰減器的衰減量，使功放輸出一個比較穩(wěn)定的功率大小。

根據(jù)PDT的標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)射功率 50W(47dBm)，而基帶提供的激勵只有-6dBm，所以要求系統(tǒng)的增益為53dB，中間還需加入低通濾波器、衰減器、隔離器，而這些都會引入插損，結(jié)合目前RF放大器件的情況最后采用三級驅(qū)動放大和最后一級功率放大，構(gòu)成四級放大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 PDT基站發(fā)射部分的框圖

4 Genesys軟件下進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果分析

近年來由于微波CAD技術(shù)的不斷發(fā)展，使得微波電路設(shè)計(jì)時間縮短，因而CAD技術(shù)在微波電路設(shè)計(jì)中成為很重要的一環(huán)。美國Eagleware公司的Genesys微波仿真軟件就是其中一款功能強(qiáng)大的射頻微波設(shè)計(jì)軟件，它具有鍵面人性化，易于操作，仿真結(jié)果較準(zhǔn)確，而且仿真速度快。PDT基站發(fā)射部分的射頻鏈路，可以借助 Genesys這款微波仿真軟件，進(jìn)行前期的仿真設(shè)計(jì)，來評估設(shè)計(jì)的合理性。首先安裝Genesys軟件，再打開Genesys軟件，選擇和建立系統(tǒng)級仿真的工程，建立好工程之后，然后添加各個模塊的模型，建立好相應(yīng)的PDT基站發(fā)射部分的射頻鏈路結(jié)構(gòu)，仿真模型如圖2所示。根據(jù)PDT的標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)射功率 50W(47dBm)，而基帶提供的激勵只有-6 dBm，結(jié)合各個模塊的合理性，設(shè)定好相應(yīng)的參數(shù)，譬如增益、P1dB、噪聲系數(shù)等，保證各個模塊的合理性，最終對整個系統(tǒng)的增益和功率大小等進(jìn)行仿真，直到輸出功率的大小、增益等指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。仿真各級的增益分配情況如圖3所示，仿真的增益為53.4dB滿足增益的要求，系統(tǒng)的各級功率大小分配大小如圖4所示。最后輸出47dBm的功率大小，滿足系統(tǒng)的功率大小。

圖2 PDT基站發(fā)射部分的仿真框圖

圖3 PDT基站發(fā)射部分系統(tǒng)增益的仿真結(jié)果

圖4 PDT基站發(fā)射部分系統(tǒng)功率的仿真結(jié)果

5 發(fā)射鄰道功率比的評估與關(guān)鍵器件的選型設(shè)計(jì)

ACPR（鄰道泄露功率抑制比）是指主信號的均值功率和鄰道信號功率的比值，相對帶內(nèi)雜散要求來說ACPR要求更低，通常是用來評估發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的非線性指標(biāo)的，在系統(tǒng)中PA driver,調(diào)制的非線性，本振信號的相位噪聲，以及DAC的非線性指標(biāo)都會影響系統(tǒng)的ACPR。

ACPR是一個系統(tǒng)指標(biāo)，對應(yīng)的PA driver，調(diào)制的非線性指標(biāo)的OIP3，對單載波而言，粗約的轉(zhuǎn)化可以表示為：

根據(jù) PDT聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)射鄰道功率比 ACPR＜-60 dB，所以可以根據(jù)IM3算出OIP3，從而根據(jù)OIP3的級聯(lián)公式算出對每一級器件的OIP3的要求。因?yàn)锳CPR要小于-60 dB，根據(jù)式(1)可知功放單元| IM3 | 大于57，但同時在基帶部分可以增加基帶濾波器，對射頻的ACPR指標(biāo)也有很大的改善，所以在射頻放大管的選擇OIP3還可以適當(dāng)降低。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)的射頻放大鏈路部分，采用三級預(yù)推動放大器和末級功放，通過 Genesys的仿真設(shè)計(jì)出各級射頻放大器的增益分配、P1 dB和估算出來的OIP3。在世界幾大主要的射頻器件供應(yīng)商中選擇滿足鏈路功率、增益、OIP3的需求，同時保證整個放大電路工作良好的放大狀態(tài)，最后整個基站的發(fā)射部分射頻放大管選項(xiàng)如下：

第一級推動放大管采用PGA-103+，內(nèi)置輸入、輸出匹配電路，工作頻率0.05～4GHz，增益為+22dB，OIP3＞+39dBm，P1dB為21.5dBm，工作溫度為-40℃～+85℃。第二級預(yù)推動放大管采用芯片GVA-84+，同樣內(nèi)置輸入、輸出匹配電路，在工作頻率DC～6GHz，OIP3＞+36dBm，P1dB為19dBm，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。通過仿真可知，第三級預(yù)推動放大器級輸出功率為 35dBm，所以第三級預(yù)推動放大管采用三菱公司的RD04HMS2芯片，輸出需要LC重新匹配，頻段DC-950MHz最大輸出功率5W（37dBm），價格便宜，而且熱阻比較小，有利于適應(yīng)高溫環(huán)境。末級功放管采用三菱公司的RD70HUF2，12.5V的供電時輸出功率為70W，效率可以達(dá)到65%，輸入輸出同樣采用LC進(jìn)行匹配，完全滿足PDT的功率和效率要求。

根據(jù) Genesys的仿真和放大管器件的型號，對于鏈路的數(shù)字衰減器，采用PE4302，其具有良好的動態(tài)范圍和低功耗。溫度補(bǔ)償部分采用國產(chǎn)器件 TCA0605N，具有性能好，易于控制，滿足系統(tǒng)的要求。功率檢測芯片采用業(yè)界廣為使用的ADI公司的AD8362，具有大的動態(tài)范圍和很好的線性范圍的功率檢測芯片。

6 PDT基站發(fā)射測試驗(yàn)證

對研制的PDT基站發(fā)射部分經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證、器件選型、原理圖和PCB設(shè)計(jì)、以及調(diào)試驗(yàn)證之后，進(jìn)行參數(shù)固化，對發(fā)射部分進(jìn)行了下面四項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測試：①工作頻段；②發(fā)射功率；③鄰道抑制比；④載波間隔。

測試結(jié)果如下滿足研制要求：①發(fā)射工作頻帶：360.8-366.2MHz；②發(fā)射功率 50.5W；③鄰道抑制比±12.5KHz@-≤65dB；④載波間隔12.5KHz。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)是采用的直接調(diào)制的方式，將已調(diào)制好的射頻信號經(jīng)過四級放大器將-6dBm放大至47dBm的信號從天線口發(fā)射出去，并且采用Genesys軟件提供指導(dǎo)依據(jù)，提高設(shè)計(jì)水平和速度，最后結(jié)合目前的射頻器件的工藝水平，設(shè)計(jì)了一個國內(nèi)最新PDT的基站，為國內(nèi)PDT基站提供了一套解決方案，打破國外數(shù)字集群其它標(biāo)準(zhǔn)的壟斷。

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The simulation design and implementation of PDT police digital trunking base station transmission link

This paper studies the transmitter of base station for PDT, after complete design proposal, using the software of Genesys to do system simulation, then break down the index of gain and power of transmitter, and select reasonable key devices for this design, then the result from debug and test matches the expected goal, and meet the design requirements.

PDT;Genesys; gain; power

TN702

A

1008-1151(2015)05-0005-03

2015-04-13

胡展威，男，供職于廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，研究生，研究方向?yàn)樯漕l電路開發(fā)設(shè)計(jì)。