Самков И.Ю. Использование логарифмических усилителей для точного измерения мощности

Использование логарифмических усилителей для точного измерения мощности

Самков Иван

Статья опубликована в журнале «Электронные компоненты», №3, 2008
Первоисточник - электронный ресурс www.delirium.2x4.ru

Точное РЧ измерение мощности на базовой станции беспроводной связи является очень важным. Принудительное задание мощности передающего усилителя сверх необходимого уровня может быть довольно дорогостоящим. Использование повышенного тока приводит к увеличению стоимости, а также к возникновению дополнительного рассеяния температуры. В наихудшем случае это может привести к перегоранию проводников. С возможностью точного контроля выходной мощности, в мобильных устройствах можно минимизировать токопотребление. Например, управление РЧ мощностью позволяет точно ограничить мощность передачи до минимального уровня, тем самым снизив потребление от батареи и расширив время работы мобильного устройства в режиме разговора. Существует множество способов контроля мощности РЧ сигнала, но больше всего решений построено на постоянно-развивающейся технологии логарифмических усилителей (ЛУ).

Есть несколько путей измерения этой мощности, включая использование систем с обратной связью (рис.1а). В этом подходе используется направленный ответвитель (с типичным значением ответвления 10…30 дБ) для получения значения мощности, передаваемой от усилителя мощности (УМ) в антенну. Дополнительное ослабление требуется, в основном, для снижения мощности до пределов измерительного диапазона детектора. Измеренный результат сравнивается с установленным значением напряжения; разница поступает на интегратор (также обычно передаётся на усилитель ошибки). Выходное напряжение усилителя ошибки изменяется до тех пор, пока выход УМ не будет соответствовать установленному значению напряжения. Усилитель ошибки не обязательно управляет током УМ; система будет также эффективна, если УМ имеет фиксированное усиление, а усилитель ошибки контролирует усиление 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. 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 рис.1b показана схема контроля мощности, в которой выход детектора оцифровывается. Программное обеспечение процессора цифровой обработки сигналов (DSP) или микроконтроллера выполняет регулирование, основанное на измеренных результатах, и затем приводит в порядок выходную мощность, используя ЦАП. Т.к. такое регулирование не подходит для быстрого контроля, оно больше 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, если в системе присутствует температурный датчик.

На рис.1с изображён беспроводной передатчик со вспомогательным приёмником, в котором берётся образец переданного сигнала и смешивается обратно в полосу передачи. Использование вспомогательного приёмника распространено в схемах линеаризации с усилителями большой мощности, таких как схемы с прямой связью и схемы цифрового предыскажения, где он обеспечивает обратную связь с алгоритмом, обеспечивающим качество передаваемого спектра. Точность измерения здесь определяется стабильностью усиления приёмника.

Рис.1d представляет собой схему альтернативной архитектуры управления мощностью, используемую в некоторых телефонных трубках. Данная архитектура принимает за основу то, что мощность передачи должна определяться принятой мощностью. Например, если мощность принимаемого сигнала убывает, передаваемая мощность увеличивается. Это медленная и отчасти неточная система. Однако, это пригодный вариант установления мощности при включении связи.

Рис.1. Навигационный модуль для PND с процессором прикладных задач.

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 передаваемой мощности +51 дБм (126 Вт). Это заставляет делать УМ на 25% большим (физически более большим и, соответственно, более дорогим) для гарантии правильной работы. Однако при малых мощностях передачи допуск выходной мощности определяется только необходимостью попасть в 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 довольно маленький рабочий диапазон с ухудшением температурной характеристики при малых входных мощностях. Популярная альтернатива диодным детекторам - демодулирующие логарифмические усилители. На рис.2 показана структура типичной схемы управления РЧ мощностью. Передающая часть состоит из трёх ступеней: канал прямой передачи, радио и усилитель мощности. Прежде чем достигнуть антенну, часть передаваемого сигнала ответвляется через направленный ответвитель. Далее сигнал поступает на детектор мощности, где он конвертируется в постоянное напряжение. Выходное напряжение детектора мощности оцифровывается и идёт на цифровой сигнальный процессор (DSP) или микроконтроллер. Микроконтроллер корректирует выходную мощность, используя ЦАП и усилитель с нелинейной характеристикой (VGA) для контроля мощности в сигнальной части, включая канал прямой передачи, радио и усилитель мощности. С помощью схемы управления РЧ мощностью достигается устойчивость, т.к. измеренная и требуемая мощности балансируются. Для обеспечения температурной стабильности на управляющий микроконтроллер можно подавать сигнал с датчика температуры.

Рис.2. Структура типичной схемы управления РЧ мощностью.

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 ±0,5 дБ.

Список литературы:

[1]. E. Nash, "High-Speed Logamps Precisely Detect Power" // Microwaves&RF, Sept.2004