圖 1.顯示了典型的現(xiàn)代通信信號鏈。要傳輸?shù)男盘栍?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/數(shù)模轉(zhuǎn)換器/" target="_blank">數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在基帶上產(chǎn)生。然后將該信號混頻到中頻（IF），在那里進(jìn)行濾波，然后再混頻到最終的射頻（RF）。 在接收側(cè)發(fā)生逆變換。接收到的信號被放大，混頻至IF并濾波，然后混頻到基帶進(jìn)行數(shù)字化。

圖1：現(xiàn)代RF信號鏈

雖然此類信號鏈有各種形狀和尺寸，但通信應(yīng)用中普遍需要測量和控制信號功率。在發(fā)射端，我們必須確保功率放大器（PA）符合監(jiān)管輻射要求。我們還必須確保 PA 的傳輸不會超過某個功率水平，這會因過熱而造成損壞。

在接收端，輸入信號電平通常會在某個動態(tài)范圍內(nèi)變化。這可能是由于天氣條件或接收信號源遠(yuǎn)離接收器（例如，在快速汽車中操作的移動聽筒）。通常，我們希望向模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）提供恒定的信號電平，因為這將最大限度地提高信噪比（SNR）。為此，接收信號鏈通常使用一個或多個可變增益放大器（VGA），這些放大器由完成自動增益控制（AGC）環(huán)路的功率測量器件控制。請注意，雖然發(fā)射功率控制可以在RF或IF進(jìn)行，但接收側(cè)信號處理通常在IF進(jìn)行。

在這兩種情況下，信號強(qiáng)度測量的精度都可能至關(guān)重要。例如，考慮一個基站，其傳輸?shù)钠骄β蕿?+50 dBm （100 W）。如果調(diào)節(jié)基站發(fā)射功率的檢測器在溫度范圍內(nèi)具有±3 dB的不可預(yù)測誤差，則基站可能會在某個點(diǎn)被定向傳輸53 dBm（200 W）。這顯然是不可接受的，因為它會增加裝置的額外熱尺寸成本過高。

在接收端，不精確的測量電路將導(dǎo)致提供給ADC的信號電平不佳。這將導(dǎo)致ADC過載（輸入信號太大），或者浪費(fèi)寶貴的動態(tài)范圍（輸入信號太?。?。

本系列涉及與測量和控制RF功率電平相關(guān)的許多問題。將研究各種功率測量技術(shù)，如二極管、熱、均方根直流和對數(shù)放大器。還將研究響應(yīng)時間、動態(tài)范圍、分辨率、變化的波峰因數(shù)、溫度穩(wěn)定性、尺寸和成本等問題。

權(quán)力

以瓦特為單位的功率可以用多種方式表示，即

其中V是均方根電壓，I是均方根電流，R是功率耗散的電阻。由于大多數(shù)通信系統(tǒng)具有恒定的負(fù)載和源阻抗，通常為50 Ω，因此我們只需要知道均方根電壓即可計算功率。因此，許多實際的功率測量電路依賴于測量均方根電壓。

在dBm、dBmV、W、RMS和峰峰值電壓之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換

有線通信應(yīng)用中的信號電平通常以dBm為單位。然而，對于那些具有電壓響應(yīng)的“功率”檢測器，我們實際上應(yīng)該指定相對于其輸入電壓的輸出電壓。對于生活在dB世界中的人來說，這可能會非常令人困惑。由于輸入信號的峰均比發(fā)生變化，許多檢測器的響應(yīng)會發(fā)生變化，因此問題變得更加復(fù)雜。

dBm 單位定義為以 dB 為單位的功率電平，以 1 mW 為基準(zhǔn)，即

其中功率以瓦特為單位指定。

由于以瓦特為單位的功率等于均方根電壓的平方除以阻抗，我們也可以將其寫為

因此，0 dBm 等于 1 mW，+10 dBm 等于 10 mW，+30 dBm 等于 1 W，依此類推。由于阻抗是該等式的一個組成部分，因此在討論dBm電平時，我們通常應(yīng)指定線路阻抗（例如20 dBm：Re 50 Ω）。

dBV 單位定義為以 dB 為單位的電壓電平，以 1 Vrms 為基準(zhǔn)，即

因此，0 dBV等于1 Vrms.圖2顯示了均方根伏特，峰峰值伏特，dBV，dBm和mW如何相互關(guān)聯(lián)。但是，這僅適用于負(fù)載阻抗為 50 且波峰因數(shù)為 1.4142（即 Vrms = Vpeak- 峰值/2/1.4142 的正弦波）。請注意，在 50 系統(tǒng)中，dBV 和 dBm 之間存在 13 dB 的恒定偏移 （dBm = dBV + 13）。

圖 2：功率和電壓之間的轉(zhuǎn)換

RMS的定義1

RMS（或均方根）是交流信號幅度的基本測量值。它的定義既可以是實用的，也可以是數(shù)學(xué)的。實際定義：分配給交流信號的均方根值是在相同負(fù)載下產(chǎn)生等量熱量所需的直流量。例如，1 Vrms 的交流信號將在電阻器中產(chǎn)生與 1 Vdc 信號相同的熱量。根據(jù)數(shù)學(xué)定義，電壓的均方根值為，

這涉及對信號進(jìn)行平方、取平均值和獲得平方根。平均時間必須足夠長，以允許在所需的最低工作頻率下進(jìn)行濾波。

波峰因數(shù)的定義

波形的波峰因數(shù)是其峰值與其均方根值的比值。幅度對稱方波或直流電平等信號的波峰因數(shù)為 2。其他波形本質(zhì)上更復(fù)雜，具有更高的波峰因數(shù)。正弦波的波峰因數(shù)為 1（即 4142.1）。因此，均方根電平為2 V的正弦波的峰峰值幅度為8284.<> V。

信號幅度測量技術(shù)

I 二極管檢測

圖3所示為常用二極管檢測電路的原理圖。這是一個具有輸出濾波功能的簡單半波整流器。輸入端的 68 電阻產(chǎn)生標(biāo)稱 50 輸入匹配。

圖 3： 一個簡單的二極管檢測器 2

圖4顯示了輸出電壓與輸入信號的函數(shù)關(guān)系，單位為dBm。

圖 4：簡單二極管檢波器電路的 Vout 與引腳

雖然該電路在25°C時的傳遞函數(shù)是合理的線性，但在低輸入電平和整個溫度范圍內(nèi)性能會顯著下降。圖5顯示了一個經(jīng)過改進(jìn)的二極管檢波器電路，該電路包含一些溫度補(bǔ)償。在該電路中，二極管電壓的溫度依賴性由第二個二極管補(bǔ)償。因此，當(dāng)D1兩端的壓降隨溫度升高時，D2兩端的電壓保持不變。這使電阻分壓器中心的電壓保持恒定，分壓器用作輸出。

圖 5： 溫度補(bǔ)償二極管檢測器 2

圖6：溫度補(bǔ)償二極管檢測器的Vout和誤差與引腳的關(guān)系

圖6顯示了該溫度補(bǔ)償電路的傳遞函數(shù)。為了仔細(xì)研究改進(jìn)的線性度和溫度穩(wěn)定性，線性回歸可以計算這些點(diǎn)的最佳直線擬合;也就是說，一個方程的形式，

請注意，為了進(jìn)行此計算，有必要將以dBm為單位的功率數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓（電壓輸入/電壓輸出傳遞函數(shù)給出名義上的線性關(guān)系）。使用這條理想的直線，我們可以繪制響應(yīng)在其動態(tài)范圍內(nèi)的線性度。在實際應(yīng)用中，我們希望在室溫下校準(zhǔn)電路，而不是在溫度下校準(zhǔn)電路。因此，我們計算在室溫下測量的最佳直線隨溫度變化的誤差。這為我們提供了該解決方案的系統(tǒng)級精度的良好衡量標(biāo)準(zhǔn)。

圖6顯示，溫度補(bǔ)償二極管檢波器在高功率水平下具有良好的溫度穩(wěn)定性，但在低輸入電平時仍然變得溫度穩(wěn)定性降低，線性度降低。需要注意的是，電路的輸出不能加載任何顯著的電阻。在低溫下，該電路具有極高的輸出阻抗。事實上，驅(qū)動小于FET緩沖放大器的任何東西都會導(dǎo)致溫度補(bǔ)償算法失效，從而產(chǎn)生類似于圖4的性能。

二極管檢波器電路不測量真均方根信號強(qiáng)度，即使輸入均方根信號強(qiáng)度保持不變（波峰因數(shù)越高，輸出電壓越低），這些檢波器的輸出電壓也會隨輸入信號波峰因數(shù)而變化。然而，在信號具有恒定波峰因數(shù)的系統(tǒng)中，只要探測器已正確校準(zhǔn)，這可能無關(guān)緊要。因此，例如，如果無線電鏈路僅使用一種調(diào)制方案（例如QPSK），則可以進(jìn)行精確的功率測量。然而，在具有不同波峰因數(shù)的系統(tǒng)中，例如CDMA或WCDMA，真正的均方根測量變得困難。此問題的一個解決方案是根據(jù)基站中的呼叫負(fù)載使用不同的查找表（特定信道中的呼叫加載會改變波峰因數(shù)）。但是，這需要為每個呼叫加載場景校準(zhǔn)基站。在多載波系統(tǒng)中，問題變得更加嚴(yán)重，其中多個載波的波峰因數(shù)彼此獨(dú)立地變化。

二、熱檢測

熱檢測本質(zhì)上涉及我們之前研究的均方根經(jīng)典定義的實際實現(xiàn)。這是理論上最簡單的真均方根測量技術(shù);然而，在實踐中，實施起來既困難又昂貴。它涉及將未知交流信號的熱值與已知校準(zhǔn)直流參考電壓的熱值進(jìn)行比較（見圖7）。當(dāng)校準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓調(diào)整為使基準(zhǔn)電阻（R2）和信號電阻（R1）之間的溫差為零時，這兩個匹配電阻的功耗將相等。因此，根據(jù)均方根的基本定義，直流基準(zhǔn)電壓的值將等于未知信號電壓的均方根值。

圖 7： 熱檢測

每個熱單元包含一個穩(wěn)定的低TC電阻器（R1，R2），該電阻器與線性溫度電壓轉(zhuǎn)換器（S1，S2）熱接觸，例如熱電偶。S1/S2的輸出電壓與Vin的均方成比例變化;一階溫度/電壓比隨K Vin/R1而變化。

圖7所示電路通常具有非常低的誤差（約0.1%）和寬帶寬。然而，熱量單元（R1S1、R2S2）的固定時間常數(shù)限制了該均方根計算方案的低頻有效性。

除了這種基本類型之外，還有可變增益熱轉(zhuǎn)換器可用，可以克服固定增益轉(zhuǎn)換器的動態(tài)范圍限制，但代價是增加復(fù)雜性和成本。

審核編輯：郭婷