Рф ру: Правительство России официальный сайт

Рис. 1: Современная сигнальная цепь РЧ

Несмотря на то, что сигнальные цепочки, подобные этой, бывают всех форм и размеров, в коммуникационных приложениях существует универсальная потребность в измерении и контроле мощности сигнала. На передающей стороне мы должны убедиться, что усилитель мощности (PA) соответствует нормативным требованиям по излучению. Мы также должны убедиться, что мощность передачи усилителя не превышает некоторого уровня, который может привести к его повреждению из-за перегрева.

На приемной стороне уровень входного сигнала обычно изменяется в некотором динамическом диапазоне. Это может быть связано с погодными условиями или с тем, что источник принимаемого сигнала удаляется от приемника (например, мобильный телефон работает в быстром автомобиле). цифровой преобразователь (АЦП), так как это максимизирует отношение сигнал-шум (SNR). Для этого в цепях приема сигналов обычно используется один или несколько усилителей с переменным усилением (VGA), которые управляются устройствами измерения мощности, которые завершают автоматическую регулировку усиления. (АРУ) петля. Обратите внимание, что хотя управление мощностью передачи может происходить либо на РЧ, либо на ПЧ, обработка сигнала на приемной стороне обычно выполняется на ПЧ.

В обоих случаях точность измерения уровня сигнала может иметь решающее значение. Например, рассмотрим базовую станцию, которая передает среднюю мощность +50 дБм (100 Вт). Если детектор, который регулирует передаваемую мощность от базовой станции, имеет непредсказуемую ошибку по температуре ±3 дБ, возможно, станция может в какой-то момент быть направлена ​​на передачу 53 дБм (200 Вт). Это явно неприемлемо, поскольку это приведет к чрезмерным затратам на дополнительные тепловые параметры устройства.

На приемной стороне неточная схема измерения приведет к плохому выравниванию сигнала, подаваемого на АЦП. Это приведет либо к перегрузке АЦП (слишком большой входной сигнал), либо к потере ценного динамического диапазона (слишком слабый входной сигнал).

В этой серии рассматриваются многие вопросы, связанные с измерением и управлением уровнями радиочастотной мощности. Будут рассмотрены различные методы измерения мощности, такие как диодные, тепловые, среднеквадратичные и логарифмические усилители. Также будут рассмотрены такие вопросы, как время отклика, динамический диапазон, разрешение, переменный коэффициент амплитуды, температурная стабильность, размер и стоимость.

Мощность

Мощность в ваттах может быть выражена несколькими способами, например

, где V — среднеквадратичное значение напряжения, I — среднеквадратичное значение тока, а R — сопротивление, на котором рассеивается мощность. Поскольку большинство систем связи имеют постоянные импедансы нагрузки и источника, обычно равные 50 Ом, из этого следует, что для расчета мощности нам нужно знать только среднеквадратичное значение напряжения. В результате многие практические схемы измерения мощности основаны на измерении среднеквадратичного значения напряжения.

Преобразование между дБм, дБмВ, Вт, среднеквадратичным значением и размахом напряжения

Уровни сигналов в приложениях проводной связи обычно указываются в дБм. Однако для тех «мощных» детекторов, которые реагируют на напряжение, нам действительно следует указать выходное напряжение по отношению к его входному напряжению . Это может сбивать с толку людей, живущих в мире дБ. Дело еще более осложняется изменением отклика многих детекторов при изменении отношения пикового значения к среднему на входном сигнале.

Единица дБм определяется как уровень мощности в дБ относительно 1 мВт, т. е.

, где мощность указана в ваттах.

Поскольку мощность в ваттах равна квадрату среднеквадратичного напряжения, деленному на импеданс, мы также можем записать это как

Отсюда следует, что 0 дБм соответствует 1 мВт, +10 дБм соответствует 10 мВт, +30 дБм соответствует 1 Вт и т. д. Уровни дБм (например, 20 дБм: Re 50 Ом.)

Единица дБВ определяется как уровень напряжения в дБ относительно 1 В среднеквадратичного значения, т. е.

Следовательно, 0 дБВ соответствует 1 В среднеквадратичного значения. На рис. 2 показано, как соотносятся между собой среднеквадратичное значение напряжения, размах напряжения, дБВ, дБм и мВт. Однако это справедливо только для импеданса нагрузки 50 Ом и пик-фактора 1,4142 (т. е. синусоида, где Vrms = Vпик-пик/2/1,4142). Обратите внимание, что в системе 50 Ом существует постоянное смещение 13 дБ между дБВ и дБм (дБм = дБВ + 13.)

Рис. 2: Преобразование мощности в напряжение

Определение RMS

RMS (или среднеквадратичное значение) — это фундаментальное измерение величины сигнала переменного тока. Его определение может быть как практическим, так и математическим. Практическое определение: среднеквадратичное значение, присвоенное сигналу переменного тока, представляет собой количество постоянного тока, необходимого для производства эквивалентного количества тепла при той же нагрузке. Например, сигнал переменного тока 1 В (среднеквадратичное значение) будет выделять такое же количество тепла в резисторе, что и сигнал 1 В постоянного тока. Среднеквадратичное значение напряжения, определенное математически, равно

Это включает возведение сигнала в квадрат, взятие среднего значения и получение квадратного корня. Время усреднения должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить фильтрацию на самых низких рабочих частотах.

Определение крест-фактора

Коэффициент амплитуды сигнала представляет собой отношение его пикового значения к среднеквадратичному значению. Такие сигналы, как амплитудно-симметричные прямоугольные волны или уровни постоянного тока, имеют коэффициент амплитуды, равный единице. Другие формы сигналов, более сложные по своей природе, имеют более высокие коэффициенты амплитуды. Синусоидальная волна имеет пик-фактор, равный 2 (т. е. 1,4142). Таким образом, синусоидальная волна со среднеквадратичным уровнем 1 В имеет размах амплитуды 2,8284 В.)

Методы измерения амплитуды сигнала

I Обнаружение диода

На рис. 3 показана схема популярной схемы обнаружения диодов. Это простой однополупериодный выпрямитель с выходной фильтрацией. Резистор 68 Ом на входе создает входное согласование номиналом 50 Ом.

Рис. 3: Простой диодный детектор 2

На рис. 4 показано выходное напряжение в зависимости от входного сигнала в дБм.

Рис. 4: Vout Vs. Пин для схемы простого диодного детектора

Хотя передаточная функция этой схемы при 25°C достаточно линейна, производительность значительно ухудшается при низких входных уровнях и перегреве. На рис. 5 показана модифицированная схема диодного детектора, которая включает некоторую температурную компенсацию. В этой схеме температурная зависимость напряжения диода компенсируется вторым диодом. Так как падение напряжения на D1 увеличивается с температурой, одинаковое напряжение поддерживается на D2. Это поддерживает постоянное напряжение в центре резистивного делителя, который используется в качестве выхода.

Рис. 5: Диодный детектор с температурной компенсацией 2

Рис. 6: Vout и Error Vs. Вывод для термокомпенсированного диодного детектора

На рис. 6 показана передаточная функция этого контура с температурной компенсацией. Чтобы более подробно рассмотреть улучшенную линейность и температурную стабильность, линейная регрессия может рассчитать наилучшую прямолинейную аппроксимацию для этих точек; то есть уравнение вида

Обратите внимание, что для выполнения этого расчета необходимо преобразовать значения мощности в дБм в напряжение (передаточная функция входного/выходного напряжения дает номинально линейную зависимость). Используя эту идеальную прямую линию, мы можем изобразить линейность отклика над его динамическим диапазоном. В практических приложениях мы хотели бы калибровать схему при комнатной температуре, но не при превышении температуры. Поэтому мы рассчитываем ошибку по температуре относительно лучшей прямой, измеренной при комнатной температуре. Это дает нам хорошую меру точности этого решения на уровне системы.

На рис. 6 показано, что диодный детектор с температурной компенсацией имеет хорошую температурную стабильность при высоких уровнях мощности, но все же становится менее температурно-стабильным и менее линейным при низких уровнях входного сигнала. Важно отметить, что выход схемы нельзя нагружать каким-либо значительным сопротивлением. При низких температурах эта схема имеет чрезвычайно высокое выходное сопротивление. На самом деле управление чем-либо меньшим, чем буферный усилитель на полевых транзисторах, приведет к отказу алгоритма температурной компенсации, что даст характеристики, подобные показанным на рис. 4.9.0007

Цепи диодных детекторов не измеряют действительную среднеквадратичную мощность сигнала, при этом выходное напряжение этих детекторов изменяется в зависимости от коэффициента амплитуды входного сигнала, даже если среднеквадратичная мощность входного сигнала остается постоянной (чем выше коэффициент амплитуды, тем ниже выходное напряжение). Однако , в системе, где сигналы имеют постоянный коэффициент амплитуды, это может не иметь значения, если детектор правильно откалиброван. Таким образом, если в радиоканале, например, используется только одна схема модуляции (например, QPSK), могут быть выполнены точные измерения мощности. Однако в системах с различными коэффициентами амплитуды, таких как CDMA или WCDMA, измерения истинного среднеквадратичного значения становятся затруднительным. Одним из решений этой проблемы является использование различных справочных таблиц, основанных на загрузке вызовов в базовой станции (именно загрузка вызовов в конкретном канале изменяет коэффициент амплитуды). Однако это требует калибровки базовой станции для каждый сценарий загрузки вызова. Проблема усугубляется в системах с несколькими несущими, где коэффициент амплитуды нескольких несущих меняется независимо друг от друга.

II Термическое обнаружение

Тепловое обнаружение по существу включает в себя практическую реализацию классического определения среднеквадратичного значения, которое мы рассмотрели ранее. Теоретически это самый простой метод измерения истинных среднеквадратичных значений; однако на практике это сложно и дорого реализовать. Он включает в себя сравнение значения нагрева неизвестного сигнала переменного тока со значением нагрева известного откалиброванного опорного напряжения постоянного тока (см. рис. 7). сигнальный резистор (R1), мощность, рассеиваемая на этих двух согласованных резисторах, будет одинаковой. Следовательно, по базовому определению среднеквадратичного значения значение опорного напряжения постоянного тока будет равно среднеквадратичному значению неизвестного напряжения сигнала.

Рис. 7: Тепловое обнаружение

Каждый тепловой блок содержит стабильный резистор с низкой температурой сопротивления (R1, R2), который находится в тепловом контакте с линейным преобразователем температуры в напряжение (S1, S2), примером которого может служить термопара. Выходное напряжение S1/S2 изменяется пропорционально среднему квадрату Vin; отношение температура/напряжение первого порядка будет изменяться как K Vin/R1.

Схема на рис. 7 обычно имеет очень низкую ошибку (приблизительно 0,1%), а также широкую полосу пропускания. Однако фиксированная постоянная времени теплового блока (R1S1, R2S2) ограничивает низкочастотную эффективность этой схемы расчета среднеквадратичных значений.

В дополнение к этому базовому типу также доступны термопреобразователи с переменным коэффициентом усиления, которые могут преодолеть ограничения динамического диапазона преобразователей с фиксированным коэффициентом усиления за счет повышенной сложности и стоимости.