Использование логарифмических усилителей для точного измерения мощности

В статье рассматривается реализация систем регулирования мощности на логарифмических усилителях, и описывается возможность температурной компенсации с помощью микроконтроллера.

Иван Самков

Точное радиочастотное (РЧ) измерение мощности на базовой станции беспроводной связи является очень важным. Принудительное задание мощности передающего усилителя сверх необходимого уровня может повлечь лишние расходы. Использование повышенного тока приводит к увеличению стоимости узлов питания, а также к необходимости отводить дополнительное тепло. В худшем случае это может привести к выходу оборудования из строя.

Управление выходной мощностью в мобильных устройствах также полезно и позволяет минимизировать токопотребление. Точное ограничение РЧ-мощности до минимально необходимого уровня сокращает потребление от батареи и, тем самым, продлевает работу мобильного устройства в режиме разговора. Существует множество способов контроля мощности РЧ-сигнала, но большинство решений построено на постоянно развивающейся технологии логарифмических усилителей (ЛУ).

Есть несколько путей измерения мощности, включая использование систем с обратной связью (см. рис. 1а ). Для измерения мощности, передаваемой от усилителя мощности (УМ) к антенне, используется направленный ответвитель (с типичным значением ответвления 10...30 дБ). Дополнительное ослабление требуется, в основном, для снижения мощности до пределов измерительного диапазона детектора. Результат измерений сравнивается с заданным значением напряжения; разница поступает на интегратор, а также обычно передается на усилитель ошибки. Выходное напряжение усилителя ошибки изменяется до тех пор, пока выходная мощность УМ не будет соответствовать установленному значению напряжения. Усилитель ошибки не обязательно управляет током УМ; система будет не менее эффективна, если УМ имеет фиксированное усиление, а усилитель ошибки контролирует параметры усилителя промежуточной частоты с регулируемым коэффициентом усиления.

Такой тип контроля мощности полезен для систем, требующих быстрого управления мощностью, таких как многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA) где мощность передаётся точно разбитыми во времени пачками импульсов. Быстрый "локальный" контроль позволяет линейно менять мощность вверх и вниз. Если используется логарифмический детектор, то мощностью можно управлять в довольно широком диапазоне (около 40...60 дБ).

На рисунке 1б показана схема контроля мощности, в которой выходной сигнал детектора оцифровывается.

Программное обеспечение процессора цифровой обработки сигналов (DSP) или микроконтроллера выполняет регулирование, основанное на измеренных результатах, и затем подстраивает выходную мощность, используя ЦАП.

Поскольку такое регулирование не подходит для быстрого контроля, оно чаще используется в системах с непрерывно передаваемой мощностью (таких как CDMA, WCDMA, и TD/SCDMA). С цифровым контролем в измерительную схему может добавиться дополнительная калибровка. Например, если детектор мощности "плывёт" (но с хорошей повторяемостью) при изменении температуры, можно применить алгоритм компенсации (при условии, что в системе присутствует температурный датчик).

На рисунке 1в изображён беспроводной передатчик со вспомогательным приёмником, в котором образец переданного сигнала смешивается с переданным. Использование вспомогательного приёмника распространено в схемах линеаризации с усилителями большой мощности, таких, как схемы с прямой связью и схемы с цифровым предыскажением, где он обеспечивает обратную связь с алгоритмом контроля качества передаваемого спектра. Точность измерения здесь определяется стабильностью усиления приёмника.

На рисунке 1г показана альтернативная архитектура управления мощностью, по которой работают некоторые мобильные телефоны. В этой архитектуре за основу принимается то, что мощность передачи должна определяться принятой мощностью. Например, если мощность принимаемого сигнала убывает, передаваемая мощность увеличивается. Это медленная и отчасти неточная система. Однако, этот вариант пригоден для установления мощности при включении связи.

В основном, точность измерений наиболее критична в случае, когда УМ работает на полной мощности. Например, в передатчике 50 дБм (100 Вт) ошибка в 1 дБ в напряжении схемы контроля мощности выразится в 51 дБм (126 Вт) передаваемой мощности. Из-за возможности подобной неточности усилители мощности делают на 25% мощнее, чем нужно, а значит, у них будут большие физические размеры и более высокая цена. Однако при малых мощностях передачи допуск выходной мощности определяется только необходимостью не выходить за границы стандартов беспроводной сети. В данных применениях критичным параметром является температурная стабильность детектора. Долгое время для регулирования РЧ-мощности в передатчиках использовались диодные детекторы. Они проявляли хорошую термостабильность, но имели плохие характеристики на малых мощностях. Даже со схемой термокомпенсации диодные детекторы могут обеспечивать совсем небольшой рабочий диапазон.

Популярная альтернатива диодным детекторам -- демодулирующие логарифмические усилители.

На рисунке 2 показана структура типичной схемы управления РЧ-мощностью. Передающая часть состоит из трёх ступеней: канал прямой передачи, радио и усилитель мощности. Прежде чем достичь антенны, часть передаваемого сигнала проходит через направленный ответвитель. Далее сигнал поступает на детектор мощности, где он преобразуется в постоянное напряжение. Выходное напряжение детектора мощности оцифровывается и передается на цифровой сигнальный процессор (DSP) или микроконтроллер. Микроконтроллер корректирует выходную мощность, используя ЦАП и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (VGA) для контроля мощности в сигнальной части, включая канал прямой передачи, радиоканал и усилитель мощности. С помощью схемы управления РЧ-мощностью достигается устойчивость, так как измеренная и требуемая мощности балансируются. Для обеспечения температурной стабильности на управляющий микроконтроллер можно подавать сигнал с датчика температуры.

Современные логарифмические детекторы могут принимать входные сигналы с частотой более 8 ГГц, замещая собой более традиционные диодные детекторы. Используя стабильные ЛУ и датчики температуры, микроконтроллеры могут компенсировать ошибки температурного дрейфа для улучшения общей точности РЧ-системы контроля мощности. ЛУ с плотным температурным распределением позволяют применять простую компенсацию ошибки соответствия. Двухточечная калибровка с умеренным значением характеристики температурного дрейфа позволяет создать точные системы управления РЧ-мощностью с температурным размахом до 0,5 дБ.

Литература

1. E. Nash, High-speed logamps precisely

detect power//Microwaves&RF, September, 2004.

2. C.Calvo, A. Mazzei, Tightening the screws in

RF-power measurement, http://rfdesign.com, April,

2005.

Полную иллюстрированную версию статьи Применение логарифмических усилителей можно скачать с сайта www.Delirium.2x4.ru

Оставить комментарий © Copyright Самков Иван Юрьевич Размещен: 30/03/2008, изменен: 07/05/2009. 10k. Статистика. Статья: Изобретательство Электроника		Ваша оценка:
Аннотация: В статье рассматривается реализация систем регулирования мощности на логарифмических усилителях, и описывается возможность температурной компенсации с помощью микроконтроллера.

Самков Иван Юрьевич : другие произведения.

Использование логарифмических усилителей

Использование логарифмических усилителей для точного измерения мощности