無線發(fā)射機(jī)可從RF功率測量和控制中獲益。正因?yàn)檫@些因素，與其他無線通訊網(wǎng)絡(luò)共存的監(jiān)管要求及需要，必須監(jiān)測和控制無線發(fā)射機(jī)中高功率放大器(HPA)的RF功率水平。這些測量的精度和準(zhǔn)確性可以提高發(fā)射機(jī)的頻譜特性，并極大節(jié)約HPA的運(yùn)營成本。 

　　某種形式PA輸出功率的工廠校準(zhǔn)，通常作為任何控制PA輸出功率計(jì)劃的一部分來執(zhí)行。校準(zhǔn)算法在其復(fù)雜性和有效性方面有著很大不同。本文將集中討論典型的RF功率控制計(jì)劃如何得以實(shí)現(xiàn)，并將會(huì)對各種工廠校準(zhǔn)算法之間的效益和效率進(jìn)行比較。 

　　圖1表示了具有RF功率測量和控制功能的典型無線發(fā)射機(jī)的框圖。其中來自HPA的一小部分信號耦合并輸入到用于測量的RF檢測器。該耦合器位于天線附近，并在雙工器和隔離器之后；其相關(guān)損耗應(yīng)包括在部分校準(zhǔn)之內(nèi)。 

　　取決于耦合系數(shù)，來自定向耦合器的信號將比輸入天線的信號成比例降低(如低于20或30dB)。這種方式中的耦合功率導(dǎo)致一些發(fā)送路徑中的功率損耗，一般會(huì)有幾十dB，這取決于定向耦合器的品質(zhì)。在無線基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用中最高的發(fā)射功率一般在+30至+50 dBm(1至100W)，這一來自定向耦合器的信號對RF檢測器而言將仍然過大。因此，在耦合器和RF檢測器之間一般要求額外的衰減。 

　　現(xiàn)代對數(shù)響應(yīng)RF檢測器(logamp)具有30至100 dB的功率監(jiān)測范圍，并提供溫度和頻率穩(wěn)定的輸出。在大多數(shù)應(yīng)用中，檢測器輸出被輸入到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，以便被數(shù)字化。采用儲(chǔ)存在非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(EEPROM)中的校準(zhǔn)系數(shù)，來自ADC的代碼被轉(zhuǎn)換成發(fā)射功率讀數(shù)。該功率讀數(shù)與設(shè)定點(diǎn)的功率水平進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)定值與實(shí)測功率之間的任何差異，可以在信號鏈中許多點(diǎn)之間的任何一點(diǎn)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)射頻的基帶數(shù)據(jù)的幅度，可以調(diào)整射頻或中頻(IF)可變增益放大器(VGA)，或者改變HPA的增益的。這樣一來，增益控制回路調(diào)節(jié)自身并在理想限度內(nèi)保持發(fā)射功率。但必須注意的是，電壓可變衰減器(VVA)和HPA的增益控制傳遞函數(shù)通常相當(dāng)?shù)姆蔷€性。因此，自某一增益調(diào)整的實(shí)際增益變化是不確定的。這加劇了對控制回路的需求，該回路在改變設(shè)置和隨后迭代的進(jìn)一步引導(dǎo)上提供了反饋。 

　　在圖 1的系統(tǒng)中，幾乎沒有器件提供很好的絕對增益精度規(guī)范。通過確定±1 dB的發(fā)射功率誤差來表示其影響。器件的絕對增益，例如HPA、VVA、RF增益模塊，以及信號鏈中的其它器件，一般從器件到器件變化很大，從而達(dá)到造成輸出功率不確定性將明顯大于±1dB的程度。此外，信號鏈增益會(huì)隨溫度和頻率變化而有所不同。因此，必須不斷測量發(fā)射功率。 

RF功率校準(zhǔn)技術(shù)助力無線發(fā)射機(jī) 

　　輸出功率校準(zhǔn)可以定義為對傳輸?shù)较到y(tǒng)的高精度外部參考進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程通常涉及到切斷與天線的連接，并連接外部測量參考，例如RF功率計(jì)，為了向發(fā)射機(jī)的集成功率檢測器傳遞或克隆功率計(jì)的高精度。校準(zhǔn)過程包括設(shè)定一個(gè)或更多的功率水平，采用來自功率計(jì)的讀書和來自RF檢測器的電壓，并將全部這些信息儲(chǔ)存在非易失性 EEPROM中。采用這些存儲(chǔ)的信息，發(fā)射機(jī)可以精確調(diào)節(jié)器自身功率，而不必與功率計(jì)進(jìn)行連接。例如放大器增益與溫度關(guān)系、發(fā)射頻率，以及理想輸出功率水平變化等參數(shù)，(已校準(zhǔn))板上RF檢測器的作用就像一臺具有絕對準(zhǔn)確性的內(nèi)置功率計(jì)，這將保證該發(fā)射機(jī)永遠(yuǎn)在規(guī)定的容差內(nèi)發(fā)射理想功率。 

　　在該系統(tǒng)RF檢測器溫度和頻率內(nèi)，該傳輸函數(shù)的線性度和穩(wěn)定性強(qiáng)烈影響著校準(zhǔn)過程的復(fù)雜性和7個(gè)可獲得的后校準(zhǔn)精度。圖2表示了RF 指數(shù)放大器的傳輸函數(shù)的行為與溫度的關(guān)系，該圖為了進(jìn)行解釋說明而進(jìn)行了放大。三條3曲線顯示出：在+25°C、+85°C和-40°C下輸出電壓與輸入功率的關(guān)系。在+25°C下，檢測器的輸出電壓范圍從輸入功率為-60 dBm的大約1.8伏到輸入功率為0 dBm的0.4 V。傳輸函數(shù)緊隨一條直線，這條線覆蓋了這一痕跡。傳輸函數(shù)在末端偏離了這一直線，在-10和-5 dBm功率水平也有一些非線性行為的例子。 

　　快速計(jì)算表明，這種檢測器有大約-25 mV/dB的斜率：輸入功率1 dB變化將導(dǎo)致25 mV的輸出電壓變化。這個(gè)斜率在動(dòng)態(tài)范圍的線性部分為常數(shù)。因此，盡管有大約為-10 dBm的輕微非線性，但還可以得出結(jié)論，在+25°C下該傳輸函數(shù)的行為，可以采用一個(gè)公式1形式的簡單方程來建模： 

　　其中，INTERCEPT = 外推的直線與圖中x軸交叉相吻合的點(diǎn)。 

　　從校準(zhǔn)方面來看，這一簡單的公式是有用的，這是因?yàn)樗鼘⑼ㄟ^采用和測量與校準(zhǔn)過程中兩個(gè)不同功率水平一樣低的功率，來建立檢測器的傳輸函數(shù)。 

　　考慮溫度上圖2中這一假設(shè)的檢測器的行為。在輸入功率為-10 dBm時(shí)，從約為室溫到-40 ℃或+85℃，輸出電壓隨溫度的變化大約為100 mV。根據(jù)早先對檢測器坡度計(jì)算為-25mV/dB，這相當(dāng)于在± 4 dB測量功率下的偏差，這一偏差對大部分使用系統(tǒng)而言實(shí)在太大(現(xiàn)實(shí)的RF檢測器通常也有介于0和+/-0.5 dB之間的溫度漂移)。實(shí)踐中，所需要的是傳遞函數(shù)具有最小漂移隨溫度的檢測器。這將保證在工作溫度范圍以上的常溫下實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程也將是有效的。這使得發(fā)射機(jī)在常溫下實(shí)現(xiàn)工廠校準(zhǔn)，并在炎熱或寒冷溫度下避免昂貴而耗費(fèi)時(shí)間的校準(zhǔn)周期。

　　如果發(fā)射機(jī)頻率變化迅速，并且需要在多種頻率下按照確定的頻段發(fā)送信號，作為頻率函數(shù)的檢測行為也非常重要。最理想的是，RF檢測器按照確定的頻段呈現(xiàn)的反應(yīng)變化并不顯著。這使得有可能在單個(gè)頻率下校準(zhǔn)發(fā)射機(jī)，并且隨頻率變化的精度損失很少或根本沒有。 

　　圖3 表示了發(fā)射機(jī)校準(zhǔn)的流程圖，該圖與圖1中所述相似。簡單而快捷的兩點(diǎn)校準(zhǔn)允許大致設(shè)定功率水平(但功率水平必須進(jìn)行準(zhǔn)確測量)。其有效性依賴于集成RF檢測器隨溫度和頻率變化的穩(wěn)定性，并具有可采用公式1進(jìn)行建模的可預(yù)測響應(yīng)。發(fā)射機(jī)的工作功率范圍也應(yīng)符合RF檢測器的線性工作范圍。 

　　校準(zhǔn)過程始于將功率計(jì)連接到天線，并設(shè)定接近于最大的功率水平。測量天線連接器的功率，并將其傳送給發(fā)射機(jī)的電路板上微控制器或數(shù)字信號處理器(DSP)。在同一時(shí)間內(nèi)，通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)來測量RF檢測器的輸出電壓，并且將其讀數(shù)提供給發(fā)射機(jī)的處理器。 

RF功率校準(zhǔn)技術(shù)助力無線發(fā)射機(jī) 

　　其次，發(fā)射機(jī)的輸出功率減少到一定程度，即接近最低功率，并且重復(fù)這一過程(測量天線連接器和采樣RF檢測器ADC的功率)。與這四個(gè)讀數(shù)(低和高功率水平，低和高ADC編碼)，可以計(jì)算出SLOPE和INTERCEPT(見圖3)，并將其儲(chǔ)存在非揮發(fā)性存儲(chǔ)器中。 

　　圖4 表示了校準(zhǔn)之后，在發(fā)射機(jī)中精確設(shè)定功率的流程圖。在這個(gè)例子中，其目標(biāo)就是要有一個(gè)發(fā)射功率誤差，其小于或等于±0.5 dB。最初，在最佳優(yōu)先推測的基礎(chǔ)上來設(shè)定輸出功率水平。接下來，對該檢測器的ADC進(jìn)行采樣。從存儲(chǔ)器取回SLOPE和INTERCEPT的值，并且計(jì)算所發(fā)射的輸出功率水平。如果輸出功率不在設(shè)定功率水平PSET的±0.5 dB之內(nèi)，使用電壓可變衰減器(VVA)增加或減少輸出功率大約0.5 dB。在這里使用術(shù)語“大約”是因?yàn)橛锌赡躒VA本身具有非線性傳輸函數(shù)。再次測量發(fā)射功率，并進(jìn)一步增加功率，直到發(fā)射功率誤差小于±0.5 dB。一旦功率水平在容差之內(nèi)，進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，并且如果有必要的話，要進(jìn)行調(diào)整(例如，如果信號鏈中的一個(gè)組分隨溫度有顯著的增益漂移)。 

RF功率校準(zhǔn)技術(shù)助力無線發(fā)射機(jī) 

　　圖5 (a)到5(d)表示了來自同一個(gè)RF檢測器的數(shù)據(jù)，但使用了不同的選擇和數(shù)量的校準(zhǔn)點(diǎn)。圖5(a)表示了2.2 GHz下AD8318型檢測器的傳輸函數(shù)，寬動(dòng)態(tài)范圍的RF對數(shù)檢測器工作至8 GHz。在這種情況下，已經(jīng)采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)(在-12和-52 dBm)對檢測器進(jìn)行了校準(zhǔn)。一旦校準(zhǔn)完成后，可以畫出剩余的測量誤差。注意的是誤差并不是零。這是因?yàn)閷?shù)放大器并不完全遵照理想的輸出電壓 (VOUT)與輸入功率(PIN)的方程(VOUT = SLOPE(PIN – INTERCEPT)，即使在其工作區(qū)域內(nèi)。然而，根據(jù)定義，在校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差將等于零。 

　　圖5(a)還包括了-40和+85℃之間的輸出電壓誤差圖。使用+25℃ SLOPE和INTERCEPT校準(zhǔn)系數(shù)來計(jì)算這些誤差圖。除非將采用某種以溫度為基礎(chǔ)的校準(zhǔn)程序，否則有必要依靠+25℃的校準(zhǔn)系數(shù)，并且承認(rèn)有微小的剩余溫度漂移。

 

RF功率校準(zhǔn)技術(shù)助力無線發(fā)射機(jī) 

　　在許多應(yīng)用中，可取的做法是，當(dāng)在最大功率下發(fā)射HPA時(shí)有更高的精度。一方面，可能會(huì)有規(guī)范要求在全部或額定功率下需要更高水平的精度。不過，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來看，額定功率下增加精度也是有價(jià)值的?？紤]用于發(fā)射+45 dBm(大約30 W)輸出功率的發(fā)射機(jī)。如果校準(zhǔn)可以提供最高±2 dB的精度，然后必須設(shè)計(jì)HPA電路(功率晶體管和散熱片)安全地發(fā)射高達(dá)+47 dBm或50 W的輸出功率，這是一項(xiàng)昂貴的有余量設(shè)計(jì)。但是，如果系統(tǒng)可以被設(shè)計(jì)為具有±0.5 dB的后校準(zhǔn)精度，HPA僅必須是超尺寸的，以便其能夠安全發(fā)射45.5 dBm或約36 W的功率。 

　　通過改變其中進(jìn)行校準(zhǔn)的點(diǎn)，在某些情況下，可能極大影響可以達(dá)到的精度。圖5(b)表示了與圖5(a)一樣的測量數(shù)據(jù)，但從-10至-30 dBm具有很高的精度(大約±0.25 dB)。 

　　圖5 (c)表示了如何在犧牲線性度的情況下，移動(dòng)校準(zhǔn)點(diǎn)來增加動(dòng)態(tài)范圍。在這種情況下，校準(zhǔn)點(diǎn)為-4和-60 dBm。這些點(diǎn)在器件線性范圍的底部。再次，在+25℃下校準(zhǔn)點(diǎn)0 dB誤差是顯而易見的。還要指出，超過了AD8318保持小于±1 dB的誤差，在+25°C下將范圍擴(kuò)展至60 dB，并且在該溫度以上為58 dB。這一辦法的缺點(diǎn)是，增加了整體測量誤差，尤其是在檢測器范圍頂部的情況下。 

　　圖5(d)表示了使用更精細(xì)的多點(diǎn)算法的后校準(zhǔn)誤差。在這種情況下，將多輸出功率水平(在這個(gè)例子中間隔6 dB)應(yīng)用于發(fā)射機(jī)，并使用每個(gè)功率水平下的檢測器輸出電壓進(jìn)行測量。這些測量被用于將傳輸函數(shù)分成幾段，每段擁有自己的SLOPE和 INTERCEPT。這種算法往往可以極大減少由檢測器非線性所導(dǎo)致的誤差，并使溫度漂移成為主要的誤差來源。這種辦法的缺點(diǎn)是，校準(zhǔn)過程需要更長的時(shí)間，并需要更多的內(nèi)存來存儲(chǔ)多個(gè)SLOPE和INTERCEPT校準(zhǔn)系數(shù)。 

　　在需要高精度RF功率傳輸?shù)膽?yīng)用中，通常需要某種形式系統(tǒng)校準(zhǔn)?；诂F(xiàn)代集成電路(IC)的RF功率檢測器，具有預(yù)測響應(yīng)以及良好的溫度和頻率穩(wěn)定性，可以大大簡化系統(tǒng)校準(zhǔn)，并可以提供± 0.5 dB或更好的系統(tǒng)精度。校準(zhǔn)點(diǎn)的位置和數(shù)量可以對可達(dá)到的后校準(zhǔn)精度產(chǎn)生顯著的影響。