摘 要： 設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頻段的信號功率強度，以STC12C5A60S2微處理器為核心，設計制作了信號強度檢測系統(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射頻訓練系統(tǒng)模擬900 MHz手機信號進行測試并確定相關參數(shù)后，通過天線收集GSM 900 MHz信號進行了實際測試。測量結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達到了設計要求。
關鍵詞： 信號強度檢測；GSM 900 MHz；STC12C5A60S2；AD8362
手機信號的強度與手機終端、SIM卡、網(wǎng)絡覆蓋、終端與基站之間的路徑、阻隔介質(zhì)等有關。中國移動規(guī)定，手機接收電平大于等于-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)值進行劃分的，將比較復雜的數(shù)據(jù)以信號格數(shù)直觀地表達在我們眼前。手機信號強度直接影響到電話接通的成功率和通話的話音質(zhì)量。手機信號強度越大，則通話質(zhì)量越好；強度越小，不僅影響通話質(zhì)量，更加耗電，還加大手機的輻射，影響人體健康。因此，手機信號強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]。本設計以簡單的電路提供了GSM 900 MHz手機信號強度的測量方案，并通過程序補償了由于器件插入損耗和噪聲干擾等導致的測量誤差。實驗室模擬測試和室內(nèi)外實際測試表明，測量結(jié)果較穩(wěn)定。
1 方案設計
本設計主要完成GSM 900 MHz手機信號強度的檢測。首先需要將收集到的手機信號進行放大，使信號強度保持在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
射頻變壓器廣泛應用于小功率電子線路中，用于實現(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。實驗中采用的是美國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。通過實驗室模擬實驗確定PZ和kS的大小。
2.5 微處理器
本設計選用的是STC12C5A60S2單片機[12]，是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1 T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，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）。本設計中，由AD8362的VOUT口輸出的電壓信號輸入到P1.1口進行A/D轉(zhuǎn)換完成電平采集，單片機控制LCD1602顯示相應的Uo和PIN大小。
3 軟件設計
本設計的軟件設計主要包括LCD及ADC寄存器的初始化、電平信號采集、數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)顯示等。在實驗室測試階段，利用兩臺ZY12RFSys32BB1射頻訓練系統(tǒng)進行模擬實驗，A設備發(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變化的手機信號。B設備作為檢驗設備，顯示A設備發(fā)出的模擬手機信號的功率大小。
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輸出電壓值和對應的B設備顯示的功率值）用最小二乘法求得擬合直線并與AD8362參考輸出曲線進行了比較，結(jié)果如圖7所示。
本文基于STC12C5A60S2單片機對手機信號強度檢測系統(tǒng)進行了研究與設計，模擬測試和實際測試表明，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%，符合設計要求。本設計對將來提高移動通信網(wǎng)的覆蓋與檢測技術具有重要意義。
參考文獻
[1] 沙占友.智能傳感器系統(tǒng)設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.
[2] 沙占友.功率測量技術及其應用[J].電源技術應用，2006，9（7）：56-59.
[3] 司朝良.基于AD8362的射頻功率計設計[J].國外電子元器件，2003，18（11）：25-27.
[4] 周平，胡永紅.基于ATmega1280接收機功率檢測控制器的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2008，16（10）：1436-1438.
[5] 徐君，王雪梅.基于AVR的機載應答機射頻功率探測模塊設計[J].測控技術，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.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.
[8] 胡革.中頻功率在線監(jiān)測研究與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2006.
[9] 朱君豪.高頻衰減器的設計與制作[J].軍事通信技術，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.