引言

　　考慮到日益迫近的全球能源危機(jī)和人們對環(huán)境保護(hù)的期望日益增高，節(jié)能對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營至關(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。對功率放大器進(jìn)行監(jiān)控不僅可以提高功效、降低運(yùn)營成本、提高輸出功率和線性度，而且可以使系統(tǒng)操作人員及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，進(jìn)而提高可靠性和可維護(hù)性。

　　ADI公司提供三種PA監(jiān)測器1實(shí)現(xiàn)方案：一種是分立器件方案，一種是基于AD729422的12位的集成型監(jiān)測和控制系統(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。AD7294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)來實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)控功能。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點(diǎn)，主要的區(qū)別是ADuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個特性在TD-SCDMA應(yīng)用中很有用。

　　本文介紹了一個基于ADuC7026實(shí)現(xiàn)功率放大器監(jiān)控的參考設(shè)計，功能包括設(shè)置輸出功率、監(jiān)測電壓駐波比(VSWR)、監(jiān)測橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)場效應(yīng)管的漏極電流和溫度，并在某個參數(shù)超過預(yù)定的閾值時發(fā)出報警信號。

　　系統(tǒng)框圖

　　圖1給出了PA監(jiān)測器的系統(tǒng)框圖。RF信號在經(jīng)由可變電壓衰減器(VVA)、ADL5323預(yù)驅(qū)動器、功率放大器和雙向耦合器處理后，由天線發(fā)射出去。ADuC7026的片上MCU對PA模塊中兩級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。操作人員可通過用戶界面調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。

　　圖1：系統(tǒng)框圖。

　　PA監(jiān)測模塊

　　溫度監(jiān)測：功率放大器的功耗會影響其性能。PA某些時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)測器的功能框圖，該系統(tǒng)使用ADT75數(shù)字溫度傳感器來監(jiān)測兩個LDMOS級的溫度。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℃的數(shù)字信號，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)測器功能框圖。
圖3給出了溫度監(jiān)測程序的流程圖。在收到溫度檢測指令后，ADuC7026 MCU首先設(shè)置溫度檢測標(biāo)識，然后通過I2C®總線從ADT75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ADT75的過溫引腳(OS/ALERT)狀態(tài)，如果溫度超過了閾值，則點(diǎn)亮LED。在收到配置溫度閾值的指令時，ADuC7026從PC讀入配置數(shù)據(jù)并通過I2C總線把閾值溫度寫入到ADT75。當(dāng)微控制器收到讀入溫度閾值的指令時，它從ADT75讀入閾值溫度并把它傳送到PC。

　　圖3：溫度監(jiān)測程序的流程圖。

　　電流監(jiān)測: ：控制PA的漏極電流，使其在溫度和時間變化時保持恒定，就可以極大地改善功放的總性能，同時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)測器來測量LDMOS的漏極電流。如果連續(xù)地監(jiān)測漏極電流，當(dāng)在電源上出現(xiàn)電壓波動時，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)測器的功能框圖。該系統(tǒng)使用AD8211高壓高精度分流放大器來采集PA模塊中兩個LDMOS級的漏極電流。AD8211的增益為固定的20V/V，在整個工作溫度范圍內(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ADuC7026的片上ADC進(jìn)行采樣。漏極電流閾值由AD5243數(shù)字電位計設(shè)定，ADuC7026通過I22C總線對AD5243進(jìn)行控制。系統(tǒng)根據(jù)ADCMP600比較器的輸出來判定漏極電流是否超過或低于閾值。如果漏極電流超過閾值，系統(tǒng)點(diǎn)亮相應(yīng)的LED向操作人員報警。

　　圖4：電流監(jiān)測器功能框圖。
電壓駐波比(VSWR)監(jiān)測: VSWR是天線系統(tǒng)的一個關(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，反向功率過大會導(dǎo)致發(fā)射出去的信號產(chǎn)生失真。因而，有必要監(jiān)測VSWR使基站具有最優(yōu)性能。

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

　　圖5：VSWR監(jiān)測器功能框圖。自動功率控制 ：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)，不至過小無法滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時的覆蓋距離要求，而減少小區(qū)覆蓋范圍，又不會產(chǎn)生過強(qiáng)的輸出信號對相鄰基站造成干擾。由于過功率會引起功率放大器飽和并使信號發(fā)生非線性失真，系統(tǒng)應(yīng)提供過功率保護(hù)功能，保證功率放大器不工作在過功率條件下?；谏鲜鲈颍仨殞敵龉β蔬M(jìn)行測量和控制以使之保持穩(wěn)定。

　　圖6給出了自動功率控制回路的功能框圖，該回路包含雙向耦合器、TruPwr檢測器、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TruPwr檢測器，檢測器跟蹤信號幅度的變化。ADuC7026的片上ADC對檢測器的輸出采樣。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)計算出輸出功率的期望值與實(shí)際值之差，以及下一個期望采樣值和控制電壓，并對DAC寄存器進(jìn)行配置。這樣就完成了一個采樣和控制過程周期，這個過程不斷循環(huán)。

　　圖7：PID算法的流程圖。
用戶界面

　　UI主要用來提供人機(jī)交互界面，實(shí)時顯示檢測數(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通訊鏈接。然后，可以選擇各功能模塊進(jìn)行監(jiān)測和控制。

　　圖8：UI控制的流程圖。

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

　　圖9：用于顯示溫度測試結(jié)果的界面。
硬件連接

　　圖10給出了PA監(jiān)測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)之間通過串口線相連，以便下位機(jī)ADuC7026與上位機(jī)PC通信;通過ADF4252評估板產(chǎn)生的RF信號，連接到主控板的RF信號輸入端，而后通過如下鏈路輸出：RF輸入→可調(diào)衰減器AV103→PA前級驅(qū)動功率放大器ADL5323→雙定向耦合器ZABDC10-25HP→RF輸出→頻譜儀Agilent 4396B。其中ADF4252評估板的輸出頻率通過PC機(jī)控制，PC與ADF4252之間通過一根并口轉(zhuǎn)串口的電纜連接。

　　圖10：PA監(jiān)測器演示電路板的硬件連接。

　　結(jié)論

　　該參考設(shè)計為在蜂窩基站(GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA)、點(diǎn)到多點(diǎn)和其它RF傳輸系統(tǒng)中監(jiān)測和控制PA提供了一個集成的解決方案。利用ADI公司的高精度模擬微控制器ADuC7026實(shí)現(xiàn)PA監(jiān)測器應(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(PLA)。其AD轉(zhuǎn)換可通過外部轉(zhuǎn)換輸入或PLA轉(zhuǎn)換輸出來啟動，這個特性對需使用同步信號對前向功率進(jìn)行采樣的TD-SCDMA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、溫度監(jiān)測和電流監(jiān)測等算法都可通過ADuC7026來實(shí)現(xiàn)，無需使用其它控制器。從系統(tǒng)設(shè)計的角度來看，這個集成解決方案可節(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。