引言

　　考慮到日益迫近的全球能源危機和人們對環(huán)境保護的期望日益增高,，節(jié)能對高效無線網(wǎng)絡(luò)的運營至關(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,。對功率放大器進行監(jiān)控不僅可以提高功效,、降低運營成本,、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，進而提高可靠性和可維護性,。

　　ADI公司提供三種PA監(jiān)測器1實現(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)點是集成度高,、成本低且可靠性高，但缺點是需要使用外部微控制器(MCU)來實現(xiàn)PA監(jiān)控功能,。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優(yōu)點,，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,，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)工作點可以使系統(tǒng)達到最佳性能,。

　　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,。

　　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，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)進行保護,。



　　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主要用來提供人機交互界面,，實時顯示檢測數(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,。