一种功率校准方法

一种功率校准方法

计双鹏 但小莉

中兴通讯 陕西省西安市 710000

摘要

PC（功率校准）功能在无线基站和UE（终端）中至关重要，通常用来保证发射的射频功率在满足链路各级SNR（信噪比）、ACLR（临道功率抑制比）的情况下，能准确的反映设备的真实发射功率，确保基站和UE的发射机始终处在一个高精度的功率值和理想的覆盖范围。

关键词：

PC、功率校准、基站

背景：

随着移动通信的不断演进，5G凭借其技术的先进性、场景的多样性、使用的灵活性、备受各大运营商青睐，陆续进入商用阶段。基站是5G网络的重要组成部分，作为移动设备接入互联网的接口设备，在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递。

基站在与终端通信时，由于UE的用户数量随机、位置的移动多变、天线的灵活性、电磁环境的多样性等特点，基站为了保证对每个UE都能进行充分的功率覆盖和业务覆盖，需要采取一些智能策略来实现。

比如，基站需要动态的测量UE数量的多少、业务模型、资源占用率、实时性等（比如哪些用户在打电话、哪些用户在刷网页、哪些用户在高清直播，哪些用户在快速移动等等），基站通过分析业务特征，对不同的用户分配不同的时域、频域、空域、码域等资源，以及要根据用户的位置变化、电磁衰落等判断功率的变化，分配不同的功率资源。

为了实现准确的功率覆盖，基站需要频繁的进行功率校准，使得辐射功率能符合预期，并进行实施监控。

传统方案介绍

传统功率校准都是设备在生产制造时，基站发射某固定数字基带信号P0，然后通过功率计或者频谱仪直接测量实际功率P1。通过计算得到发射通道的增益G=P1-P0。然后将这个增益值存在本地存储器件内部。

当设备在外场使用时，通过软件读取G，送给基带处理单元，此时基带在发射某基带信号时，因为数字功率是已知的（如P2），通过简单的计算得到空口的射频功率P3=P2+G；

传统方案不足

传统方案都是基于生产时某一个固定硬件状态，测量并记录此时的链路增益值，然后在外场直接调用。而这种方法存在若干问题，必然导致功率校准不准确，基站辐射功率精度无法得到充分保证。

1. 传统方法在生产时，约定发射链路处于某个固定硬件状态下进行的测量，但是实际使用时，业务信号的大小功率波动，链路的增益是呈现不同的状态。比如5G基站里面采用的高效氮化镓功放，其在输出小功率下时，增益下降非常厉害，所以无法用一个固定的增益来衡量链路状态；

2. 传统方法在生产时，通常是常温状态，此时测量的链路增益无法覆盖全温范围，即设备在外面经过风吹雨淋、酷暑严寒下的状态是变化多样的，因此链路增益存在严重的波动和误差；

3. 硬件器件都存在一定的老化周期，随着时间的推移，生产得到的增益值在外场表现中差异会越来越大。

这种功率校准不准确的情况，除了影响业务覆盖之外，甚至存在输出过功率导致的功放烧毁、电源拉翻或打嗝、对其他基站形成强干扰等严重影响。

功率校准方法介绍：

本文设计移动通信技术领域，提供了一种应用于基站发射机的功率校准方法，用于保证基站适应5G环境下发射功率即便是快速变化，也能满足较大的功率动态范围、功率精度，能够有效满足基站在发射功率快速变化场景下准确无误的实现功率覆盖。

本文提出一种功率校准的设计方法，要求硬件和软件配合实现。

硬件设计包括如下环节：

1. 硬件设计时，基站发射通道在射频口的输出端，增加一段微带线耦合网络，通过耦合线，将发射口的实际信号进行采样。通常微带线耦合器属于无源链路，精度取决于PCB加工工艺，现在板材的加工工艺、板材的介电常数精度都很高，所以微带线耦合器的一致性和耦合度都非常高，而且非常稳定；

2. 耦合网络的作用是对整机发射口的大功率信号进行采样，然后将功率较小的射频采样信号送入一个解调器器件，实现频率从射频下变频至中频，便于后处理；

3. 将解调器的输出中频模拟信号送入一路接收模数转换器器件，实现模数转换，便于后续数字信号处理；

4. 将模数转换器的输出数字中频信号送至数字信号处理单元，便于后续数字信号处理。

为了便于描述，将耦合链路至模数转换器，统一称之为反馈链路。

显然，反馈链路主要就包括了耦合器、解调器、模数转换器。一方面耦合器和模数转换器增益基本不波动，解调器波动极小且可以校准。同时，反馈链路自始至终处理的都是小功率信号，不会存在因功率波动导致增益波动的情况。

软件实现包括如下步骤：

1. 生产制造时，基带通过发射某固定信号，从射频端口输出，此时用功率计或频谱仪进行功率测量记录。同时数字处理单元读取反馈链路送回来的数字功率。二者做差，得到反馈链路增益。

2. 实际外场使用时，通过计算反馈链路送回来的数字功率，可以折算到空口的实际发射功率。

3. 通常为了确保反馈链路的精准，需要采用多次测量，同时摸底高低温下调制器的温度变化特性，并存储在本地存储器件。在调用时进行增益补偿。

功率校准实例应用：

传统方案都是基于生产时某一个固定硬件状态，测量并记录此时的链路增益值，然后在外场直接调用。而这种方法存在若干问题，必然导致功率校准不准确，基站辐射功率精度无法得到充分保证。

本文基于一种简单的射频链路架构，通过生产测试和实时补偿，来确保基站在外场复杂的业务环境、物理环境下的功率是符合预期的，而且精度非常高。

相关实例步骤如下：

1. 假设基站发射额定功率20w（43dBm）；

2. 硬件设计时，增加耦合器按照30dB进行设计，通常解调器插损8dB左右，考虑到链路走线长度、各种Pi的匹配等（预估8dB），理论反馈链路增益约-46dB；生产时进行校准测量，得到准确的反馈链路增益-45dB，将（45dB）存入本地存储。

3. 研发摸底时对反馈链路的高低温特性进行摸底，比如高温下增益波动-2dB，低温下增益波动2dB。也可以根据不同的温度拟合温度增益曲线。

4. 外场使用时，假如是高温环境，要求发射功率10w（40dBm）。通道那么基带发送功率P多少合适呢？

此时基带数字处理单元读取到的反馈功率是-20dBm，当前的基带发射功率-35dBm，（忽略dBm和dBFs转换增益，通常其实定值），按照如下方法计算得到当前基带发射功率：

P= -35+40-（-20-（-45）+2）= -22dBm。

5. 为了更大程度的获得功率准确度，可以将温度曲线进行拟合，调用时通过整机内部的温度传感器读取整机环境温度，然后在拟合曲线里面进行调用温度增益补偿值，通常可以精确到0.1dB以内。同时，在外场使用时，可以根据业务需求频繁的进行校准（如每个时隙），确保更高的功率精度。

结束语

综上，本文所涉及的基站发射功率校准方法，以基站内部反馈链路设计和生产测试为基础，通过准确的反馈信号功率计算、和温度增益补偿，准确地计算出基站发射口实际的功率值。解决了传统方案中固定增益引入的功率波动、温度变化、老化、离散性等各种因素引入的功率不准确的情况。

本领域的普通技术人员可以理解本文具体实施方式，本文中提及的方法或者策略可以通过过任何数字、射频处理单元实现，其全部或者部分模块也可以使用一个或多个硬件设备来实现，也可以采用软件功能或者软硬结合的形式实现。

作者简介：

计双鹏，1983年1月出生，陕西西安人。通信专业中级职称，研究方向为无线通信中的射频技术研究及5G RRU 新技术研究。

但小莉，1977年9月出生，陕西西安人。通信专业高级职称，研究方向为无线通信中的射频技术研究及5G AAU 新技术研究。