摘 要： 設(shè)計了用于檢測我國蜂窩數(shù)字移動通信網(wǎng)GSM通信采用的900 MHz頻段的信號功率強(qiáng)度，以STC12C5A60S2微處理器為核心，設(shè)計制作了信號強(qiáng)度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括小信號放大模塊、可調(diào)衰減器、0900BL18B200射頻變壓器、AD8362功率電壓轉(zhuǎn)換電路和LCD1602顯示模塊等。在用ZY12RFSys32BB1射頻訓(xùn)練系統(tǒng)模擬900 MHz手機(jī)信號進(jìn)行測試并確定相關(guān)參數(shù)后，通過天線收集GSM 900 MHz信號進(jìn)行了實(shí)際測試。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞： 信號強(qiáng)度檢測；GSM 900 MHz；STC12C5A60S2；AD8362
手機(jī)信號的強(qiáng)度與手機(jī)終端、SIM卡、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、終端與基站之間的路徑、阻隔介質(zhì)等有關(guān)。中國移動規(guī)定，手機(jī)接收電平大于等于-90 dB（城市）或-94 dB（鄉(xiāng)村），則滿足覆蓋要求。手機(jī)屏幕上的信號格數(shù)就是工程師根據(jù)接收電平數(shù)值進(jìn)行劃分的，將比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)以信號格數(shù)直觀地表達(dá)在我們眼前。手機(jī)信號強(qiáng)度直接影響到電話接通的成功率和通話的話音質(zhì)量。手機(jī)信號強(qiáng)度越大，則通話質(zhì)量越好；強(qiáng)度越小，不僅影響通話質(zhì)量，更加耗電，還加大手機(jī)的輻射，影響人體健康。因此，手機(jī)信號強(qiáng)度的檢測是很必要的。
在通信系統(tǒng)中，功率電平用dBm表示。被測功率電平可表示為：P[dBm]=10 lg[P（mW）/1 mW]=10 lg[（U2RMS/R）/1 mW]，其中URMS是有效值電壓。
一般情況下，城市中手機(jī)信號的動態(tài)范圍是-90 dBm~ -40 dBm，在-50 dBm~-40 dBm范圍內(nèi)，說明在基站附近；在-70 dBm~-50 dBm范圍內(nèi)，說明信號良好；在 -90 dBm~-70 dBm范圍內(nèi)，說明信號較弱[1-2]。本設(shè)計以簡單的電路提供了GSM 900 MHz手機(jī)信號強(qiáng)度的測量方案，并通過程序補(bǔ)償了由于器件插入損耗和噪聲干擾等導(dǎo)致的測量誤差。實(shí)驗(yàn)室模擬測試和室內(nèi)外實(shí)際測試表明，測量結(jié)果較穩(wěn)定。
1 方案設(shè)計
本設(shè)計主要完成GSM 900 MHz手機(jī)信號強(qiáng)度的檢測。首先需要將收集到的手機(jī)信號進(jìn)行放大，使信號強(qiáng)度保持在AD8362線性范圍內(nèi)，接著通過可調(diào)衰減器使功率信號在一定范圍內(nèi)變化，衰減后的900 MHz信號再經(jīng)過射頻變壓器由單端輸入轉(zhuǎn)化為差分輸入，AD8362接收到差分輸入信號后，將信號轉(zhuǎn)換為一定大小的直流電平輸出[3]。STC12C5A60S2微處理器利用其內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換完成電平信號的采集[4]，并通過LCD1602顯示輸出電平和對應(yīng)的信號功率大小[5]。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.3 射頻變壓器
射頻變壓器廣泛應(yīng)用于小功率電子線路中，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、直流隔離、共態(tài)抑制和平衡與不平衡變換等，可分為磁耦合變壓器和傳輸線變壓器。實(shí)驗(yàn)中采用的是美國Johanson Technology公司推出的針對GSM 900 MHz頻段，阻抗比為50：200的射頻變壓器0900BL18B200[10]。其適用信號頻率為800 MHz~1 000 MHz，覆蓋了GSM 900 MHz的上下行頻段。使用射頻變壓器做前端，將單端輸入轉(zhuǎn)化為差分輸入，提高了傳輸信號的抗干擾能力，而且使電路測量的精度和穩(wěn)定性也得到提高。
2.4 AD8362轉(zhuǎn)換電路
功率-電壓轉(zhuǎn)換電路由AD8362型單片高精度射頻真有效值功率檢測芯片為核心[11]。AD8362能在50 Hz~2.7 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量真有效值功率，在50 Ω系統(tǒng)中測量功率的范圍為-50 dBm~+10 dBm，動態(tài)范圍為60 dBm，輸出電壓靈敏度為50 mV/dBm，測量誤差為±0.5 dBm[1]。
由AD8362構(gòu)成的功率-電壓轉(zhuǎn)換電路如圖5所示，信號由INHI、INLO口差分輸入。AD8362的輸出電壓是以分貝來度量的，功率-電壓關(guān)系曲線如圖6所示，有公式：Uo=kS（PIN-PZ）。式中，Uo的變化范圍為0.5 V~3.5 V，kS為輸出電壓靈敏度，PIN為輸入功率，PZ為輸出電壓的線性方程式中功率的截距。通過實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)確定PZ和kS的大小。
2.5 微處理器
本設(shè)計選用的是STC12C5A60S2單片機(jī)[12]，是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期（1 T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12倍，內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250 kb/s）。本設(shè)計中，由AD8362的VOUT口輸出的電壓信號輸入到P1.1口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換完成電平采集，單片機(jī)控制LCD1602顯示相應(yīng)的Uo和PIN大小。
3 軟件設(shè)計
本設(shè)計的軟件設(shè)計主要包括LCD及ADC寄存器的初始化、電平信號采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示等。在實(shí)驗(yàn)室測試階段，利用兩臺ZY12RFSys32BB1射頻訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，A設(shè)備發(fā)出900 MHz余弦信號并通過小信號放大模塊和可調(diào)衰減器模擬-90 dBm~-40 dBm變化的手機(jī)信號。B設(shè)備作為檢驗(yàn)設(shè)備，顯示A設(shè)備發(fā)出的模擬手機(jī)信號的功率大小。
在電平信號采集部分，為了減小噪聲干擾，采用30次采樣的均方根值作為輸出電平信號的大小。在數(shù)據(jù)運(yùn)算部分，考慮到器件插入損耗及線路損耗的存在，為了獲得準(zhǔn)確的參數(shù)kS和PZ，將測量的100組數(shù)據(jù)（AD8362輸出電壓值和對應(yīng)的B設(shè)備顯示的功率值）用最小二乘法求得擬合直線并與AD8362參考輸出曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖7所示。
本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)對手機(jī)信號強(qiáng)度檢測系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計，模擬測試和實(shí)際測試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，在AD8362動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.5%，符合設(shè)計要求。本設(shè)計對將來提高移動通信網(wǎng)的覆蓋與檢測技術(shù)具有重要意義。
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