引言

　　考慮到日益迫近的全球能源危機和人們對環境保護的期望日益增高，節能對高效無線網絡的運營至關重要。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，而且可以使系統操作人員及時發現和解決問題，進而提高可靠性和可維護性。

　　ADI公司提供三種PA監測器1實現方案：一種是分立器件方案，一種是基于AD729422的12位的集成型監測和控制系統的方案，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布局復雜，PCB面積也較大，這些因素都導致較高的成本。AD7294的優點是集成度高、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PA監控功能。ADuC7026與AD7294具有很多相同的優點，主要的區別是ADuC7026包含MCU。另外，ADuC7026支持外部同步采樣，這個特性在TD-SCDMA應用中很有用。

　　本文介紹了一個基于ADuC7026實現功率放大器監控的參考設計，功能包括設置輸出功率、監測電壓駐波比(VSWR)、監測橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)場效應管的漏極電流和溫度，并在某個參數超過預定的閾值時發出報警信號。

　　系統框圖

　　圖1給出了PA監測器的系統框圖。RF信號在經由可變電壓衰減器(VVA)、ADL5323預驅動器、功率放大器和雙向耦合器處理后，由天線發射出去。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把采樣數據發送到PC以便在用戶界面(UI)上顯示。操作人員可通過用戶界面調整系統參數。

　　圖1：系統框圖。

　　PA監測模塊

　　溫度監測：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工作點，但輸出功率較低。大量的能量在LDMOS器件上被轉換成熱量，這不僅浪費了能量，而且降低了可靠性。監測PA的溫度，調整其靜態工作點可以使系統達到最佳性能。

　　圖2給出了溫度監測器的功能框圖，該系統使用ADT75數字溫度傳感器來監測兩個LDMOS級的溫度。ADT75(有8引腳MSOP和SOIC封裝形式可供選擇)把溫度轉化成分辨率為0.0625℃的數字信號，其關斷模式可將電源電流降低到3μA(典型值)。

　　圖2：溫度監測器功能框圖。

　　圖3給出了溫度監測程序的流程圖。在收到溫度檢測指令后，ADuC7026 MCU首先設置溫度檢測標識，然后通過I2C?總線從ADT75讀出溫度數據，并把該數據發送到PC。接著，程序檢查ADT75的過溫引腳(OS/ALERT)狀態，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讀入配置數據并通過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：溫度監測程序的流程圖。

　　電流監測: ：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整的輸出功率范圍之內。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測器來測量LDMOS的漏極電流。如果連續地監測漏極電流，當在電源上出現電壓波動時，操作人員可重新調整柵極電壓使LDMOS保持在最佳工作點。

　　圖4給出了電流監測器的功能框圖。該系統使用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轉換器，由ADuC7026的片上ADC進行采樣。漏極電流閾值由AD5243數字電位計設定，ADuC7026通過I22C總線對AD5243進行控制。系統根據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，系統點亮相應的LED向操作人員報警。

　　圖4：電流監測器功能框圖。

　　電壓駐波比(VSWR)監測: VSWR是天線系統的一個關鍵參數，它反映天線系統中元件之間的匹配程度。反向功率影響PA的輸出功率，反向功率過大會導致發射出去的信號產生失真。因而，有必要監測VSWR使基站具有最優性能。

　　圖5給出了VSWR監測器的功能框圖。該系統使用雙向耦合器和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、無線電收發器AGC電路和其它通訊系統實施監測和控制，其輸出可用于計算VSWR和監測傳輸線的匹配度。較大的VSWR值表明天線出現故障，操作人員應通過調整PA增益或電源電壓對系統進行保護。

　　圖5：VSWR監測器功能框圖。自動功率控制 ：根據通信系統的要求，發射機必須確保功率放大器能滿足發射的需要，調整基站發射功率保持在精準值，控制輸出功率在覆蓋允許范圍內，不至過小無法滿足網絡規劃時的覆蓋距離要求，而減少小區覆蓋范圍，又不會產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生非線性失真，系統應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。基于上述原因，必須對輸出功率進行測量和控制以使之保持穩定。

　　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，該程序設定初始控制參數Kp、Ki和Kd并設定輸出功率的期望值。然后，ADC對AD8364的輸出采樣，采樣得到的數據經濾波后轉換成功率。程序根據系統的傳遞函數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。

　　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，實時顯示檢測數據，并響應操作員的輸入命令。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℃。當環境溫度上升到新閾值之上時，過溫警報燈變紅，PC發出連續的警鈴聲。

　　圖9：用于顯示溫度測試結果的界面。

　　硬件連接

　　圖10給出了PA監測器的演示電路板的連接圖。主板由6V適配器供電，它與PC機之間通過串口線相連，以便下位機ADuC7026與上位機PC通信;通過ADF4252評估板產生的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→可調衰減器AV103→PA前級驅動功率放大器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機控制，PC與ADF4252之間通過一根并口轉串口的電纜連接。

　　圖10：PA監測器演示電路板的硬件連接。

　　結論

　　該參考設計為在蜂窩基站(GSM、EDGE、UMTS、CDMA、TD-SCDMA)、點到多點和其它RF傳輸系統中監測和控制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實現PA監測器應用可以增加靈活性，因為它具有多通道高性能12位ADC和DAC，以及片上可編程邏輯陣列(PLA)。其AD轉換可通過外部轉換輸入或PLA轉換輸出來啟動，這個特性對需使用同步信號對前向功率進行采樣的TD-SCDMA應用系統很有幫助。PLA集成到芯片上的好處非常明顯：用戶可以根據要求輕松、簡潔地實現各種邏輯。而且各種算法，例如PID控制、VSWR監測、溫度監測和電流監測等算法都可通過ADuC7026來實現，無需使用其它控制器。從系統設計的角度來看，這個集成解決方案可節省PCB面積、方便PCB布局，降低系統成本并提高系統可靠性。