1．引言
TD-SCDMA（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access時分同步碼分多址）技術是我國獲得國際電聯批準的第一個第三代移動通信系統標準，該標準能滿足日益增長的無線通信高速多媒體業務和可在世界范圍移動的需求，采用了智能天線、聯合檢測、軟件無線電和接力切換等新技術，它必然成為我國部署3G網絡的主角。在TD-SCDMA系統中直放站是不可或缺的一部分。直放站的應用不僅可以增加網絡覆蓋，使施主基站的覆蓋得到延伸，也能增加空閑基站的話務負荷，或是分攤繁忙基站的話務量，還可以起到優化網絡的作用等，同時也是解決室內覆蓋的重要設備。
本文所討論的ALC(Automatic level control自動電平控制)是直放站系統中極為重要的一環，它是指當放大器輸出信號電平到達ALC設定值時，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技術所實現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下,另一方面控制直放站的輸出功率在覆蓋允許范圍內，既能夠滿足網絡規劃時的覆蓋距離要求，又不會產生過強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設定值時，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度而調整,使系統的輸出電平保持在一定范圍內,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 經檢波并經濾波器濾除低頻調制分量和噪聲后，與設定的最大輸出功率進行比較，產生用以控制增益受控放大器的電壓Uc 。當輸入信號Ui增大時，Uo和Uc亦隨之增大 。而作為一個負反饋網絡， 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，以達到控制輸出電平的目的。
2.2 TD-SCDMA信號的特點
圖2 TD-SCDMA信號結構
TD-SCDMA信號的結構如上圖所示。其幀結構將10ms的無線幀分成兩個5ms的子幀，每個子幀中有7個常規時隙和3個特殊時隙。三個特殊時隙分別為下行導頻時隙DwPTS、主保護時隙GP和上行導頻時隙UpPTS。在7個常規時隙中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，使TD-SCDMA適用于上下行對稱及非對稱業務模式。上行時隙和下行時隙之間由轉換點分開。在TD-SCDMA系統中，每個 5ms的子幀有兩個轉換點：第一個轉換點是從下行鏈路轉到上行鏈路，位置在DwPTS和UpPTS之間的GP；第二個轉換點是從上行鏈路轉到下行鏈路，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，第一個轉換點相對于每個子幀的開始時間是固定的；第二個轉換點隨著分配給上下行的時隙數不同而變化。
由于TD-SCDMA綜合使用了時分、頻分、碼分和空分多種復用技術，也就是說，在每個頻點的每個常規時隙都可同時承載多個用戶，這些用戶按照不同的擴頻碼來區分,在智能天線技術更加成熟之后甚至可以同擴頻碼根據空間區分。而系統根據一定的DCA算法動態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，而多個連續子幀的同一常規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現，這是一種高峰均比的突發脈沖信號，而并非連續信號，這就對普通放大器的自動電平控制帶來一定的困難，當信號出現的時候由于自動電平控制不能立即做出響應，而自動電平控制開始響應后造成突發信號已經失真，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，那么傳統的電平控制就存在這樣一個問題：在進行電平控制的時候是對于整個鏈路的衰減，所以當某個時隙功率過大后，會將整個鏈路進行衰減，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ALC的控制原理和TD-SCDMA子幀的特點，直接的解決方案是通過減小ALC回路中RC濾波器的時間常數以提高反應速度，使 ALC電路在每個時隙的突發時刻都進行一次增益控制，但同時帶來的問題就是當RC的時間常數較小時，高峰均比的TD突發信號就會通過RC低通濾波器頻繁控制壓控衰減器動作，使時隙內鏈路增益波動，造成EVM指標惡化。
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，以百分數形式表示，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，用于衡量總體調制質量，反應信號的損傷程度。經過實驗，不同時間常數的EVM惡化情況可見下表（轉換點在TS3和TS4之間）：
由于實驗所用ATT（attenuator衰減器）電路不能對TD突發信號有效的控制（即達到輸入增加1dB，輸出增加在0.2dB內），因而我們用加在壓控ATT上的控制電壓的有效值來區別衰減量的大小，0.68V約對應起控3dB；0.80V約對應起控5dB。
可以發現：
ALC起控衰減越大，EVM惡化越嚴重；
起控回路濾波器的時間常數越小，EVM惡化越嚴重；
突發
信號的前沿（TS4）比突發信號的后沿（TS0），EVM惡化嚴重；
同樣的時隙，碼道數少時EVM受ALC電路動作影響大。
由此可知，TD-SCDMA信號的突發特性和高峰均比用傳統的ALC硬件電路是難以實現分時隙電平控制的：時間常數大則無法對突發信號前沿進行控制，且易導致此時放大器工作于過功率等非線性狀態，造成放大器損壞；時間常數小則使得整個回路在一個子幀內頻繁動作，造成各時隙信號削波，EVM指標惡化。
因此我們提出軟件分時隙上下行ALC的實現方案。
2.3.2 軟件分時隙ALC
此方案的主要思想是當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行采集，多幀對應時隙累加取平均并將結果存入對應各時隙輸出功率寄存器中，再根據所設置的ALC值、當前各時隙輸出功率以及第二轉換點，計算出各時隙的衰減值存入寄存器，然后根據系統同步計數器值分別在不同時隙命令按照衰減值寄存器中的值執行衰減。
此方案的優點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，只對這個時隙進行控制，而不會影響其它時隙功率，經過驗證，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都不會受到影響；并且控制靈活，只需要軟件設置ALC值即可，不需要調節電位器來改變ALC值。
3. 小結
采用軟件分時隙ALC對TD-SCDMA信號進行功率控制輕易避免了傳統的硬件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正常，對其它時隙也沒有影響，軟件控制衰減器在時隙保護間隔動作，保證不會損傷信號，且控制靈活，調測時易于修改，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確度是軟件分時隙ALC需要不斷改進的方向。