伴隨著網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的逐步成熟，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化辦公需求，于是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的概念就應(yīng)運(yùn)而生了。

由于日益迫近的全球能源危機(jī)和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的期望日益增高，節(jié)能對(duì)高效無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。功率放大器(PA)是基站和中繼器的核心，其功耗可能占基站總功耗的一半。對(duì)功率放大器進(jìn)行監(jiān)控不僅可以提高功效、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高輸出功率和線性度， 而且可以使系統(tǒng)操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，進(jìn)而提高可靠性和可維護(hù)性。

本文介紹了一個(gè)基于A DuC7026實(shí)現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計(jì)，功能包括設(shè)置輸出功率、監(jiān)測(cè)電壓駐波比(VSW R)、監(jiān)測(cè)橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 (L DMOS)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流和溫度，并在某個(gè)參數(shù)超過(guò)預(yù)定的閾值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

解決方案

ADI公司提供三種 PA監(jiān)測(cè)器實(shí)現(xiàn)方案：一種是分立器件方案，一種是基于 AD72942的 12位的集成型監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的方案，以及一種基于 ADuC7026 高精度 模擬微控制器3的集成型方案。分立方案需要使用的器件較多，而且 PCB布局復(fù)雜，PCB面積也較大，這些因素都導(dǎo)致較高的成本。A D7294的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、成本低且可靠性高，但缺點(diǎn)是需要使用外部微控制器(MCU)來(lái)實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)控功能。 A DuC7026與A D7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn)，主要的區(qū)別是A DuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個(gè)特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用。

系統(tǒng)框圖

圖1給出了PA監(jiān)測(cè)器的系統(tǒng)框圖。RF信號(hào)在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA)、 ADL5323 預(yù)驅(qū)動(dòng)器、功率放大器和雙向耦合器處理后，由天線發(fā)射出去。A DuC7026的片上MCU對(duì)PA模塊中兩級(jí)LDMOS的溫度和電流及PA模塊的前向和反向功率進(jìn)行采樣。 MCU把采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到PC以便在用戶界面(UI)上顯示。操作人員可通過(guò)用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

圖1. 系統(tǒng)框圖

PA監(jiān)測(cè)模塊

溫度監(jiān)測(cè): 功率放大器的功耗會(huì)影響其性能。PA某些時(shí)候工作在較高的靜態(tài)工作點(diǎn)，但輸出功率較低。大量的能量在LDMOS器件上被 轉(zhuǎn)換成熱量，這不僅浪費(fèi)了能量，而且降低了可靠性。監(jiān)測(cè)PA的溫度，調(diào)整其靜態(tài)工作點(diǎn)可以使系統(tǒng)達(dá)到最佳性能

圖2給出了溫度監(jiān)測(cè)器的功能框圖，該系統(tǒng)使用 ADT75 數(shù)字溫度傳感 器來(lái)監(jiān)測(cè)兩個(gè)LDMOS級(jí)的溫度。ADT75（有8引腳MSOP和SOIC封裝形式可供選擇）把溫度轉(zhuǎn)化成分辨率為0.0625°C的 數(shù)字信號(hào)，其關(guān)斷模式可將電源電流降低到3μA（典型值）。

圖2. 溫度監(jiān)測(cè)器功能框圖。

圖3給出了溫度監(jiān)測(cè)程序的流程圖。在收到溫度檢測(cè)指令后，A Du C7026 MCU首先設(shè)置溫度檢測(cè)標(biāo)識(shí)，然后通過(guò)I2C®總線從A DT75 讀出溫度數(shù)據(jù)，并把該數(shù)據(jù)發(fā)送到PC。接著，程序檢查A DT75的過(guò)溫引腳(O S/alert)狀態(tài)，如果溫度超過(guò)了閾值，則點(diǎn)亮LED。在收到配 置溫度閾值的指令時(shí)， A DuC7026從PC讀入配置數(shù)據(jù)并通過(guò)I2C總線把閾值溫度寫入到A DT75。當(dāng)微控制器收到讀入溫度閾值的指令時(shí)，它從ADT75讀入閾值溫度并把它傳送到PC。

圖3. 溫度監(jiān)測(cè)程序的流程圖

電流監(jiān)測(cè): 控制PA的漏極電流，使其在溫度和時(shí)間變化時(shí)保持恒定，就可以極大地改善功放的總性能，同時(shí)又可確保功放工作在調(diào)整的 輸出功率范圍之內(nèi)。影響PA漏極電流的兩個(gè)主要因素是PA的高壓供電線的變化和片上溫度的變化。PA晶體管的漏極電壓很容易受高壓供電線變化的影響。我們可以用高電壓分流監(jiān)測(cè)器來(lái)測(cè)量LDMOS的漏極電流。如果連續(xù)地監(jiān)測(cè)漏極電流，當(dāng)在電源上出現(xiàn)電壓波動(dòng)時(shí)，操作人員可重新調(diào)整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點(diǎn)。

圖4給出了電流監(jiān)測(cè)器的功能框圖。該系統(tǒng)使用A D 8211高壓高精度分流放大器來(lái)采集PA模塊中兩個(gè)LDMOS級(jí)的漏極電流。A D 8211的增益為固定的20V/ V，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的增益誤差為±0.5%（典型值 ）。 AD8211 緩存的輸出電壓直接輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由A DuC7026 的片上ADC進(jìn)行采樣。漏極電流閾值由A D5243數(shù)字電位計(jì)設(shè)定，A DuC7026通過(guò)I2C總線對(duì) AD5243 進(jìn)行控制。 系統(tǒng)根據(jù) ADCMP600比較器的輸出來(lái)判定漏極電流是否超過(guò)或低于閾值。如果漏極電流超過(guò)  閾值，系統(tǒng)點(diǎn)亮相應(yīng)的LED向操作人員報(bào)警。

圖4. 電流監(jiān)測(cè)器功能框圖。

電壓駐波比(VSWR)監(jiān)測(cè): VSWR是天線系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它反映天線系統(tǒng)中元件之間的匹配程度。反向功率影響PA的輸出功率，反 向功率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)射出去的信號(hào)產(chǎn)生失真。因而，有必要監(jiān)測(cè)VSWR使基站具有最優(yōu)性能。

圖5給出了VSWR監(jiān)測(cè)器的功能框圖。該系統(tǒng)使用雙向耦合器和 AD8364 雙通道TruP wr?檢測(cè)器來(lái)測(cè)量前向和反向功率。AD8364雙通道有效值RF功率測(cè)量子系統(tǒng)可精確地測(cè)量和控制信號(hào)的功率。A D8364 靈活性強(qiáng)，可方便地對(duì)RF功率放大器、無(wú)線電收發(fā)器AGC電路和其它通訊系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)和控制，其輸出可用于計(jì)算VSWR和監(jiān)測(cè)傳輸線的匹配度。較大的VSWR 值表明天線出現(xiàn)故障，操作人員應(yīng)通過(guò)調(diào)整PA增益或電源電壓對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

圖5. VSWR監(jiān)測(cè)器功能框圖。

自動(dòng)功率控制: 根據(jù)通信系統(tǒng)的要求，發(fā)射機(jī)必須確保功率放大器能滿足發(fā)射的需要，調(diào)整基站發(fā)射功率保持在精準(zhǔn)值，控制輸出功 率在覆蓋允許范圍內(nèi)，不至過(guò)小無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)的覆蓋距離要求，而減少小區(qū)覆蓋范圍，又不會(huì)產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的輸出信號(hào)對(duì)相鄰基站 造成干擾。由于過(guò)功率會(huì)引起功率放大器飽和并使信號(hào)發(fā)生非線性失真，系統(tǒng)應(yīng)提供過(guò)功率保護(hù)功能，保證功率放大器不工作在過(guò)功率條件下。基于上述原因，必須對(duì)輸出功率進(jìn)行測(cè)量和控制以使之保持穩(wěn)定。

圖6給出了自動(dòng)功率控制回路的功能框圖，該回路包含雙向耦合器、TruP wr檢測(cè)器、微控制器和可變電壓衰減器。雙向耦合器把前向功率傳送到TruP wr 檢測(cè)器，檢測(cè)器跟蹤信號(hào)幅度的變化。A DuC7026的片上ADC對(duì)檢測(cè)器的輸出采樣。微控制器比較輸出功率的實(shí)際值與期望值，并使用PID 算法來(lái)調(diào)整控制電壓偏差，使功率放大器工作在性能最佳的工作點(diǎn)上。

圖6. 自動(dòng)功率控制回路的功能框圖

圖7給出了PID算法的流程圖。首先，該程序設(shè)定初始控制參數(shù)Kp、Ki和Kd并設(shè)定輸出功率的期望值。然后， ADC對(duì)AD8364的輸出采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換成功率。程序根據(jù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)計(jì)算出輸出功率的期望值與實(shí)際值之差，以及下一個(gè)期望采樣值和控制電壓，并對(duì) DAC寄存器進(jìn)行配置。這樣就完成了一個(gè)采樣和控制過(guò)程周期，這個(gè)過(guò)程不斷循環(huán)。

圖7. PID算法的流程圖

用戶界面

UI主要用來(lái)提供人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，并響應(yīng)操作員的輸入命令。圖8給出了用戶界面程序的流程圖。程序運(yùn)行后，首先 要打開串行端口并啟動(dòng)通訊鏈接。然后，可以選擇各功能模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

圖8. UI控制的流程圖。

圖9給出了一個(gè)溫度測(cè)試結(jié)果。用戶可以隨時(shí)改變高溫和低溫閾值。在本例中，高溫閾值從35°C改到31°C。當(dāng)環(huán)境溫度上升到新閾值之上時(shí)，過(guò)溫警報(bào)燈變紅，PC發(fā)出連續(xù)的警鈴聲。

圖 9. 用于顯示溫度測(cè)試結(jié)果的界面。

硬件連接

圖10給出了PA監(jiān)測(cè)器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電，它與PC機(jī)之間通過(guò)串口線相連，以便下位機(jī)ADuC7026與上位機(jī)PC通信；通過(guò) ADF4252 評(píng)估板產(chǎn)生的RF信號(hào)，連接到主控板的RF信號(hào)輸入端，而后通過(guò)如下鏈路輸出： RF輸入→可調(diào)衰減器A V103→PA前級(jí)驅(qū)動(dòng)功率放大器ADL5323→雙定向耦合器ZABDC10-25HP→RF輸出→頻譜儀Agilent 4396B。其中ADF4252評(píng)估板的輸出頻率通過(guò) PC機(jī)控制，PC與ADF4252之間通過(guò)一根并口轉(zhuǎn)串口的電纜連接。

圖 10. PA監(jiān)測(cè)器演示電路板的硬件連接。

結(jié)論

該參考設(shè)計(jì)為在蜂窩基站（GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA），點(diǎn)到多點(diǎn)和其它RF傳輸系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)和控制PA提供了一個(gè)集成的解決方案。利用ADI 公司的高精度模擬微控制器A DuC7026實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)測(cè)器應(yīng)用可以增加靈活性，因?yàn)樗哂卸嗤ǖ栏咝阅?2位ADC和DAC，以及片上可編程邏輯陣列(PL A)。其 AD轉(zhuǎn)換可通過(guò)外部轉(zhuǎn)換輸入或PLA轉(zhuǎn)換輸出來(lái)啟動(dòng)，這個(gè)特性對(duì)需使用同步信號(hào)對(duì)前向功率進(jìn)行采樣的TD-SCDM A應(yīng)用系統(tǒng)很有幫助。PLA 集成到芯片上的好處非常明顯：用戶可以根據(jù)要求輕松、簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)各種邏輯。而且各種算法，例如PID控制、VSWR監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)和電流監(jiān)測(cè)等算法都可通 過(guò)ADuC7026來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需使用其它控制器。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，這個(gè)集成解決方案可節(jié)省PCB面積、方便PCB布局，降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)可靠性。