Поліпшення можливостей бездротових передавачів шляхом калібрування потужності
Рубрикатор
наші новини
Підписка на новини
Неш Імон (Nash Eamon)
При конструюванні бездротового передавача важливим є вимірювання потужності високочастотного сигналу та керування нею. Підсилювачі потужності (УМ) високої частоти працюють виключно в режимі розімкнутого контуру, це означає, що в деякому сенсі потужність, що підводиться до антени, не є величиною, що спостерігається. Такі зовнішні чинники, як вимоги регулюючих органів до кількості енергії, що передається, стійкості мережі та взаємодії з іншими бездротовими мережами, роблять необхідним жорстке управління потужністю трансмітера. Крім того, точне керування виходом високочастотного сигналу може дозволити покращити спектральні характеристики, зменшити вартість та витрати енергії у підсилювачі потужності передавача. Для забезпечення потрібного рівня вихідної потужності може знадобитися будь-яка форма фабричного калібрування РОЗУМ. Алгоритми цієї процедури значно різняться за складністю та ефективністю. У пропонованих вказівках із застосування описується типова схема управління потужністю високочастотного сигналу, а також порівнюються продуктивність та ефективність різних фабричних алгоритмів калібрування.
Типовий бездротовий передавач із вбудованим керуванням потужністю
На рис. 1 показана блок-схема типового передавача, що володіє функціями вимірювання та управління потужністю. Внутрішній приймач забезпечує безперервну зворотний зв'язок лише на рівні струму, контролює рівень потужності на виході. Для калібрування трансмітера можна використовувати зовнішній вимірювач потужності разом із вбудованим. Невелика частина сигналу відводиться від РОЗУМ за допомогою спрямованої зв'язаної пари (directional coupler) таподається на приймач високочастотного сигналу. У цьому випадку пов'язана пара знаходиться в безпосередній близькості від антени, але після подвійника (duplexer) та ізолятора. Супутня втрата потужності враховується відповідною поправкою під час калібрування.
Спрямована зв'язана пара зазвичай має коефіцієнт зв'язку 20-30 дБ, отже сигнал, що проходить через неї, на стільки ж слабше, ніж в антені. Такий спосіб відведення потужності вносить деякі втрати тракт передачі. Зазвичай вони становлять кілька десятих децибелів. При використанні в бездротовій інфраструктурі, де найбільша потужність, що передається зазвичай становить 30-50 дБм (1-100 Вт), сигнал, що проходить через спрямований зв'язок, все ще залишається занадто великим для вимірювання високочастотним детектором. Тому між ним та антеною необхідний додатковий атенюатор.
Сучасні середньоквадратичні і середньоквадратичні детектори дозволяють вимірювати потужність в діапазоні 30-100 дБ, при цьому їх вихід не залежить від температури і частоти. У більшості випадків сигнал з них подається на аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Вихідні значення останнього, з використанням калібрувальних коефіцієнтів, що зберігаються в енергонезалежній пам'яті (EEPROM), перетворюються на значення потужності, що передається. Вони й порівнюються із встановленим рівнем. Якщо є відмінності, то відбувається підстроювання потужності. Її можна здійснити у багатьох точках шляхом поширення сигналу. Наприклад, змінити амплітуду немодульованих даних, що керують радіоканалом, змінний коефіцієнт передачі підсилювачів ПЧ або ВЧ, а також коефіцієнт посилення РОЗУМ. При цьому ланцюги зворотного зв'язку, що регулюють коефіцієнти посилення, будуть підтримувати потужність, що передається, в бажаних межах. Важливо, що передавальніфункції управління коефіцієнтом посилення РОЗУМ та керованих напругою атенюаторів (voltage variable attenuator, VVA) часто є досить нелінійними. Тому дійсні зміни коефіцієнта посилення, що відбулися після підстроювання, можуть бути невизначеними. Це робить обов'язковим наявність керуючої зворотного зв'язку, що забезпечує даними про зміни, що відбулися, наступний ітеративний процес.
Необхідність фабричного калібрування
В описаній вище типовій системі передавача майже немає компонентів з дуже гарною абсолютно точною характеристикою передавального коефіцієнта. Розглянемо випадок, коли потрібно підтримувати зміну потужності в межах ±1 дБ. Абсолютний передавальний коефіцієнт пристроїв типу РОЗУМ, керованих напругою атенюаторів, блоків посилення радіосигналу та інших компонентів у ланцюзі його поширення, може варіювати настільки значно, що зміни вихідної потужності можуть несподівано перевищити ±1 дБ. Крім того, передавальний коефіцієнт тракту поширення сигналу може змінюватися також з температурою і частотою. В результаті необхідно безперервно спостерігати за випромінюваною потужністю та керувати нею.
Калібрування вихідної потужності можна визначити як перенесення точності зовнішнього еталона на систему, що калібрується. В даному випадку антена відключається та замінюється зовнішнім еталонним вимірювачем, таким, як зображений на рис. 1. При цьому точність зовнішнього вимірювача потужності переноситься на внутрішній датчик. У ході процедури калібрування встановлюються кілька рівнів потужності, знімаються показання вимірювача потужності та детектора, які потім поміщаються в енергонезалежну пам'ять (EEPROM). Після того, як антена повертається на своє місце, передавач стає здатним точно керувати своїм виходом. У випадку, якщо зтемпературою «відходить» коефіцієнт посилення, змінюється частота передачі або рівень бажаної вихідної потужності, то вбудований калібрований приймач високочастотного сигналу діє як внутрішній вимірювач потужності з абсолютною точністю, що завжди гарантує випромінювання передавачем запланованого рівня енергії, що не виходить за межі допуску. Заводська процедура калібрування описана у розділі «Калібрування петлі керування потужністю радіосигналу». Насамперед мають бути зняті характеристики типового детектора потужності радіосигналу. Його лінійність і стабільність при зміні температури і частоти значно впливають на складність програми калібрування і точність, що досягається в подальшому.
Передатна функція приймача радіосигналу
На рис. 2. показана дещо гіперболізована для наочності передавальна функція приймача радіосигналу з логарифмічним виходом (log amp, логарифмічний підсилювач) при різній температурі. Передатна функція логарифмічного підсилювача в межах лінійної робочої ділянки може бути промодельована за допомогою простого рівняння першого порядку. Три криві показують залежність вихідної напруги від вхідної потужності за +25, +85 і –40 °C. При температурі +25 °C вихідна напруга приймача змінюється від 1,8 при вхідній потужності -60 дБм до 0,4 при 0 дБм. Передатна функція добре збігається з уявною прямою, накладеною на графік. Хоча вона відхиляється від прямої в самому кінці, але слід зазначити, що також є ознаки нелінійності при рівнях потужності, що лежать між -10 і -5 дБм.
Швидкий підрахунок показує, що цей детектор має нахил характеристики приблизно -25 мВ/дБ, тобто при зміні вхідної потужності на 1 дБ, вихідна напруга зміниться на 25 мВ. Цей нахилзалишається постійним на лінійній частині динамічного діапазону. Таким чином, незважаючи на дещо гіршу лінійність, що виявляється в районі –10 дБм, поведінка передавальної функції при +25 °C може моделюватись рівнянням:
деIntercept- точка, в якій екстраполована пряма перетинає вісь x (рис. 2). Отже, передавальна функція приймача може моделюватися цим простим рівнянням першого порядку, що дуже корисно з позицій перспектив калібрування, оскільки при цьому можна визначити передатну функцію детектора, приклавши і вимірявши лише два рівні потужності.
Тепер давайте обговоримо поведінку уявного приймача за зміни температури. Зазначимо, що при вхідній потужності –10 дБм вихідна напруга змінюється приблизно на 100 мВ як у разі зниження температури до –40 °C, так і її підвищення до +85 °C. Виходячи з попереднього розрахунку нахилу (–25 мВ/дБ), це еквівалентно девіації вимірюваної потужності на ±4 дБ, що є прийнятним для більшості реальних систем. Насправді ж необхідний детектор з передатною функцією, що має мінімальний дрейф з температурою. Такий підхід гарантує, що процедура калібрування передавача, виконана за нормальної температури, буде також дійсна за її зміни. Це дозволяє проводити цю процедуру на заводі у звичайних умовах, без дорогих і витратних за часом циклів калібрування при охолодженні та нагріванні. Якщо трансмітер швидко перебудовується по частоті і необхідно, щоб він працював при декількох її значеннях в межах заданої смуги, то користувачеві треба звернути увагу на поведінку приймача при її зміні. В ідеальному випадку має використовуватися пристрій, чий відгук несуттєво змінюється всередині певної смуги частот. Це дозволить проводитикалібрування трансмітера на єдиній частоті (загалом на середині діапазону) і гарантує, що при зміні частоти його точність погіршиться ненабагато або цього зовсім не станеться.
У таблиці наведені робочі діапазони та значення температурної стабільності різних приймачів фірми Analog Devices із середньоквадратичним та не середньоквадратичним виходом.
Таблиця. Детектори потужності радіосигналу із середньоквадратичним та не середньоквадратичним виходом