对于射频功率放大器而言，通过一套简单，安全，稳定的闭环回路系统实时监控其输出功率是至关重要的。对其输出功率精确而严格地监控可以提高频谱性能，并且节省发射机功率放大器的成本同时降低功耗。随着现代通信技术日新月异的发展，系统的复杂度，集成度越来越高，由于基站或者移动台的发射功率得不到有效监控而产生的同频干扰，多址干扰以及远近效应等等问题。功率控制的目的是既要能维持高质量的通信，又不能产生对同频道的其他设备造成超过射频防卫度的干扰。

本文针对上述问题，围绕ADI推出的真有效值功率检测芯片AD8362，提出一整套精确实时监控射频功率放大器输出功率的系统设计方案，并成功应用于相关的通信设备中。

射频功率放大器研制的成功与否，是有许多技术指标可以评判的。比如，增益的大小，增益的平坦度，线性度是不是良好，效率的高低等等，而在这些众多指标当中，最大输出功率是否能够满足相关要求就显得尤为重要。如果最大输出功率没有达到指定的要求，那么包含有价值信息的电磁波是没有足够的能量传输到指定位置的，这样即使增益平坦度小，线性度良好，效率比较高也都是徒劳。相反，如果实际的输出功率大于了原本理论设计的最大输出功率，则很有可能是功放片子的工作状态偏离了原本理论的设定状态，甚至可能出现自激振荡的现象，而上述情况的出现会对一个射频功放造成致命性的破坏。

1 系统设计方案

1.1 功率监控系统框图

系统结构框图系统由功率放大器（PA），环形耦合器，AD8362功率真值检测模块以及微控制器（MCU）构成了一套实时环路功率监测系统，例如图1所示。

  图1  实时环路功率监测系统框图

1.2 硬件平台

该系统的硬件平台很简洁，主要由功率放大器（PA），环形耦合器，AD8362真值检测模块以及微控制器四部分构成。通过环形耦合器和衰减器，射频功放输出的一部分能量被耦合到AD8362真值检测模块的RF输入端口，AD8362通过内部的功率真值检测电路将检测到的功率以电压的形式输出到与微控制器（MCU）相联的模数转换模块，从而可以实时精确地将功放的最大输出功率值线性地回馈给微控制器(MCU或DSP)。微控制器（MCU或DSP）在获得这一功率真值结果以后，可以通过内部已经固化的功率校准代码，动态地产生一个调节功放最大输出功率的控制信号给功放的控制端，从而做到对射频功放输出功率的监测和控制。

AD8362能瞬时检测峰值因数不断变化的信号，包括CDMA，W-CDMA，8-PSK，QAM和OFDM信号，同时能提供超过60dB的检测范围，50Ω系统中的检测范围为-45dBm～+15dBm。应用范围包括蜂窝基站发送功率水平控制、接收机信号强度指示（RSSI）、单载波及多载波功率放大器线性化和控制环路、点对多点宽带接入、点对点高容量QAM射频连接、蜂窝中继器和RF仪器仪表设备。

2 自校准算法

2.1 自校准算法的主体思想

通过单片机（MCU）或数字信号处理器（DSP）内部嵌入的“校准”程序，微控制器可以调节功放前端的数位衰减器从而改变源信号的大小达到粗调功放输出或者改变功率放大器栅极（MOS型晶体管）电压使其工作状态发生变化，达到对最大输出功率的微调，从而来满足对相应的的精度的要求。事实上，如果要判定一个功放的输出功率是否达到原本已经设定的数值，需要预先采集一个参考源作为基准，进一步通过比较两者之间差值大小，去调节控制整个信号链路增益这个自由度，从而使实际输出功率和标准值之间的差值减小到一定的范围，这样便可以连续监控发射机输出功率的目的。当然，像上述可以控制整个信号链路增益的自由度有很多，如调节基带数据的幅度，调节可变增益放大器(在IF或RF端)，或者改变功放的工作状态。这样，增益控制环路对其自身进行调节，并使发射功率保持在要求的误差范围内。

2.2  校准射频控制环路

如图2所示，将定向耦合器后端的天线拔掉，更换为外部测量基准源——频谱分析仪。将这样标准的离散的功率计读数和RF检波器电压信息代码作为基准的校准系数固化在MCU或者DSP的内部非易失性存储器中。由于AD8362是均方根对数检波器，因此它的输出检测电压同输入的功率值在非常宽的范围之内成线性关系，可以使用简单的一阶方程对此对数放大器的传递函数建模.

首先，拆掉天线并将功率计连接到天线连接器上，在确保发射机的工作功率范围与RF检波器的线性工作范围匹配，从而可以根据数学中两点确定一直线线原则，然后将输出功率电平设定为接近最大功率，同时对RF功率检测芯片输出端的电压模拟信号进行ADC采样，并将其读数提供给发射机的微处理器；同理对输出功率电平设定为接近最小功率的时候进行同样操作，用这四个读数(低和高功率电平、低和高ADC码)，可以计算出斜率和截距(参见图3)，经过标准件获取的相应斜率可以由以下公式（1）获得，

  斜率=（H(code)-L(code)）/(Phout(dBm)-Plout(dBm))（1）

与此同时，截距也可以由公式（2）获得，

  截距=Phout-(H(code)/斜率)

并且将计算结果存储在非易失性存储器中。

此后，便可以实行基于这样一组标准校代码对已经设定好的输出功率进行调整，具体流程如下。

经过这样的自校准环路，微控制器便可以通过DA转换器将数字信号转换成一个动态的模拟信号去控制衰减器的衰减量值或者射频射功率放大器的栅极电压从而使得功放的输出能够渐进标准值，从而满足对功放输出功率的控制要求。

3 优化自校准系数，减小外界的干扰

     上述两点校准方法中，并没有考虑信号频率，系统外界温度以及对校准输出精度的要求。为了适应复杂的外部环境，必须将更多的影响检测系统线性度的因素考虑进去，满足实际的要求。

3.1 利用多点校准提高精度

     虽然AD8362是一款宽动态范围的RF对数检波器，但是通过实验，观察发现在其动态范围内传输斜率并不是恒定不变的，这是因为对数放大器并非完美地符合理想的VOUT vs. PIN方程(VOUT=斜率*(PIN-截距)，也就是说存在非线性的检测范围。为了减小这种非线性效应的影响，可以使用多点校准的方法，即按照一定的规律多取一些校准值并固化在微处理器的存储器中。经过校准工作之后，所固化的斜率和截距信息便可以随着预设的输出功率值做出相应的改变，也就是说将原本唯一的传输函数根据实际预设值的输出功率值拆分成了许多部分，每个部分都有相应的斜率和截距，从而在很大程度上降低了由于AD8362传输特性中非线性作用而带来的影响。如图4，图5，图6对比可以看出，如果校准点取得多而密，那么检测到的功率值便会更加精确，但这是牺牲了系统的资源，同时增加了系统校准工作的复杂度来实现的。校准点的取法并不是一成不变的，而是要根据整个系统对AD8362传输函数线性度的影响而“智能”地选取，通过改变执行校准的位置，在某些情况下可以很大程度地改变可实现的精度。在一些线性度较好的测量范围，通过上述两点法取到首尾值确定并固化相应的斜率信息和截距信息；而在一些线性度不好的范围，可以多取校准值从而可以将其斜率和截距信息“细化”大大降低系统非线性度的影响，提高检测精度。

3.2  复杂环境影响的补偿

    在恶劣的环境中，必须将外界温度这个自由度引入校准系统中，才能够做到对输出功率的准确监控。图6是在不同测试温度环境下，得到的射频功率检波器的传输函数。观察可知，在某一些测量范围内同一输出功率对应的输出电压幅值在不同的温度条件下离散型比较严重，反之在另一些输入范围内的输出电压幅值具有比较好的收敛性。可以通过一颗温度传感器实时地将周围环境的温度信息回馈给微控制器，即使是同一预置的功率输出微控制器便会及时根据读到的温度不同固化跟温度参数相关的斜率和截距代码，以此有别的控制功率放大器的输出从而减小其离散性。但这样做增加了校准程序的时长，并且需要使用较多的存储器存储多个斜率和截距校准系数。

     在军用无线通信领域，为了防止敌军对有价值信息的窃取和截获，发射机的频率往往是伪跳变的，即在指定频带内需要多个频点发射信号，那么必须考虑检波器的频率相关特性。理想情况是，RF检波器在指定频带内的响应应该比较稳定。这样就可以在单个频率下(通常在中频)校准发射机，并且校准过的发射机在频率变化时变化很小，能够保证精度，而在实际的监控过程中就还有一个信号频率的自由度。通过矩阵式（3）可以非常较为完整地表征出校准参数，并将其嵌入微处理器的存储单元中。

[ X ，Y ，Z ] (3)

X=[x1 x2 x3 x4 x5 ……] （4）

Y=[y1 y2 y3 y4 y5 ……] （5）

Z=[z1 z2 z3 z4 z5 ……]  （6）

X代表输出功率所对应的固化代码

Y 代表温度

Z代表信号的频率

这样每一组数组[ x y z ]即可轻易表征在温度为y,信号频率为z时，所检测到的输出功率对应的固化代码x。有了这样一组经过校准过后的参考源，在预设置一个输出功率的情况下微处理器就可以轻易地根据回馈的监测到功率值给出实时的控制信号去调整功率放大器的输出功率，满足现场监控的要求。

4  后期开发应用

    如果将这样一套功率监控系统中的微处理器同PC上位机通信互联，那么就可以通过非常友好的界面显示功率放大器详细的工作状态，如图8所示

                        图7  上位机显示界面

微处理器与上位机之间通过串口通信实现信息资源共享，这样就可以非常人性化的设置功率放大器输出功率的调整并且将监测到的后端实时功率反应在界面上，实现人机互动。

结束语

      在现代移动通信特别是蜂窝移动通信中，对基站和移动台发射功率实现实时地智能化地监测控制是必须要面对的问题，本文所设计的这一套功率监控系统能够在复杂的工作环境中运行，采用固化标准参数的思想使功率放大器的输出自主的渐进到标准值，降低回馈系统的非线性以及外界温度漂移的影响，达到符合精度要求的输出功率。该系统已经成功应用于中科院03重大专项高度图像传输系统中基站及移动台的干放末端，监控其发射功率，提高发射机的性能。