摘 要： 設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)我國(guó)蜂窩數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)GSM通信采用的900 MHz頻段的信號(hào)功率強(qiáng)度，以STC12C5A60S2微處理器為核心，設(shè)計(jì)制作了信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括小信號(hào)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(hào)進(jìn)行測(cè)試并確定相關(guān)參數(shù)后，通過(guò)天線(xiàn)收集GSM 900 MHz信號(hào)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)量結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： 信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)；GSM 900 MHz；STC12C5A60S2；AD8362
手機(jī)信號(hào)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(guó)移動(dòng)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(mǎn)足覆蓋要求。手機(jī)屏幕上的信號(hào)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(hào)格數(shù)直觀(guān)地表達(dá)在我們眼前。手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度直接影響到電話(huà)接通的成功率和通話(huà)的話(huà)音質(zhì)量。手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度越大，則通話(huà)質(zhì)量越好；強(qiáng)度越小，不僅影響通話(huà)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(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)是很必要的。
在通信系統(tǒng)中，功率電平用dBm表示。被測(cè)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(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是-90 dBm~ -40 dBm，在-50 dBm~-40 dBm范圍內(nèi)，說(shuō)明在基站附近；在-70 dBm~-50 dBm范圍內(nèi)，說(shuō)明信號(hào)良好；在 -90 dBm~-70 dBm范圍內(nèi)，說(shuō)明信號(hào)較弱[1-2]。本設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)單的電路提供了GSM 900 MHz手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量方案，并通過(guò)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(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試和室內(nèi)外實(shí)際測(cè)試表明，測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定。
1 方案設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)主要完成GSM 900 MHz手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)。首先需要將收集到的手機(jī)信號(hào)進(jìn)行放大，使信號(hào)強(qiáng)度保持在A(yíng)D8362線(xiàn)性范圍內(nèi)，接著通過(guò)可調(diào)衰減器使功率信號(hào)在一定范圍內(nèi)變化，衰減后的900 MHz信號(hào)再經(jīng)過(guò)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(hào)后，將信號(hào)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(hào)的采集[4]，并通過(guò)LCD1602顯示輸出電平和對(duì)應(yīng)的信號(hào)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(xiàn)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(xiàn)變壓器。實(shí)驗(yàn)中采用的是美國(guó)Johanson Technology公司推出的針對(duì)GSM 900 MHz頻段，阻抗比為50：200的射頻變壓器0900BL18B200[10]。其適用信號(hào)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(hào)的抗干擾能力，而且使電路測(cè)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(cè)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(cè)量真有效值功率，在50 Ω系統(tǒng)中測(cè)量功率的范圍為-50 dBm~+10 dBm，動(dòng)態(tài)范圍為60 dBm，輸出電壓靈敏度為50 mV/dBm，測(cè)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(hào)由INHI、INLO口差分輸入。AD8362的輸出電壓是以分貝來(lái)度量的，功率-電壓關(guān)系曲線(xiàn)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(xiàn)性方程式中功率的截距。通過(guò)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(jì)選用的是STC12C5A60S2單片機(jī)[12]，是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)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(jì)中，由AD8362的VOUT口輸出的電壓信號(hào)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(jì)
本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要包括LCD及ADC寄存器的初始化、電平信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示等。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，利用兩臺(tái)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(hào)并通過(guò)小信號(hào)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(hào)。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(hào)的功率大小。
在電平信號(hào)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(hào)的大小。在數(shù)據(jù)運(yùn)算部分，考慮到器件插入損耗及線(xiàn)路損耗的存在，為了獲得準(zhǔn)確的參數(shù)kS和PZ，將測(cè)量的100組數(shù)據(jù)（AD8362輸出電壓值和對(duì)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(xiàn)并與AD8362參考輸出曲線(xiàn)進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖7所示。
本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，模擬測(cè)試和實(shí)際測(cè)試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，在A(yíng)D8362動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.5%，符合設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)對(duì)將來(lái)提高移動(dòng)通信網(wǎng)的覆蓋與檢測(cè)技術(shù)具有重要意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 沙占友.智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[2] 沙占友.功率測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2006，9（7）：56-59.
[3] 司朝良.基于A(yíng)D8362的射頻功率計(jì)設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件，2003，18（11）：25-27.
[4] 周平，胡永紅.基于A(yíng)Tmega1280接收機(jī)功率檢測(cè)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16（10）：1436-1438.
[5] 徐君，王雪梅.基于A(yíng)VR的機(jī)載應(yīng)答機(jī)射頻功率探測(cè)模塊設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2011，30（12）：1-3.
[6] 王衛(wèi)東.高頻電子電路（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[7] 王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2007.
[8] 胡革.中頻功率在線(xiàn)監(jiān)測(cè)研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.
[9] 朱君豪.高頻衰減器的設(shè)計(jì)與制作[J].軍事通信技術(shù)，1987，3（23）：75-78.
[10] Johanson Technology.P/N0900BL18B200 datasheet[Z]. 2003.
[11] ADI. AD8362 datasheet[Z]. 2004.
[12] STC. STC12C5A60S2 datasheet[Z]. 2008.