CN101368986A - 一种宽频带射频功率检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽频带射频功率检测装置，包括如下部分：增益频率补偿单元、功率电压转换单元和分析处理单元，取样的射频信号经过增益频率补偿单元进行增益补偿后，送到功率电压转换单元，最后进入分析处理单元；所述的增益频率补偿单元，用于既补偿取样在宽频带中各个频点引入的取样误差，又补偿功率转换单元在宽频带中各个频点把射频信号的功率转换成电压信号时引入的转换误差；所述的功率电压转换单元，用于把射频信号的功率转换成电压信号和电压信号的滤波处理。本发明有益的效果是：本装置检测射频信号功率在470～860MHz宽频带范围内不需要知道射频信号的频率就可以精准地检测出射频信号功率，而检测误差控制在±0.2dB之内。

Description

一种宽频带射频功率检测装置

技术领域

本发明涉及移动通信领域和数字电视广播领域，特别涉及UHF宽频带数字电视发射机系统中大功率射频信号检测领域的一种频带射频功率检测装置。

背景技术

对于移动通信领域和数字电视广播通信领域，都需要对射频信号进行测量，特别是大功率发射设备，因此几乎所有的射频发射机都含有测量发射功率的电路。而每个发射机对于同一系统或不同系统来说都是一个干扰信号源，射频性能的好坏直接影响系统的通信质量。因此，良好的功率检测对于确保产品的质量和提高系统性能来说十分重要。同时发射机设备在系统成本中所占的比例非常大，有时可以达到2/3。如此昂贵的设备需要有效的保护，而精确的功率测量则是实现保护的关键。

对于功率检测技术，大多数都是针对窄带的移动通信领域。例如GSM通信系统，基站下行频率为935～960MHz，相对带宽约为2.6％；WCDMA通信系统基站下行频率为2110～2170MHz，相对带宽约为2.8％。而对于UHF频段的数字电视广播系统，频率从470～860MHz，相对带宽约58.6％。在如此宽的全频带范围内都需要很高精度的功率测量，窄带的功率检测技术已经不能满足要求。目前对于宽带功率检测技术中，公开号为CN1529523A把射频信号通过下变频单元处理后变频到中频，再对中频信号输入告诉A/D转换后进行量化、分析、计算、查表得到相应频率的发射功率。还有一种解决方法就是把宽频带分成很窄的子频带进行单独检测定标。

现有宽频带射频信号功率检测技术虽然扩展了频率范围，但有一个很大的缺点是检测时必须知道射频信号的频率。知道射频信号的频率后才能处理、定标。存在处理复杂、精度不高、调试难度大、成本高等缺点。数字电视广播技术的快速发展急需一种在频段范围470～860MHz内简单有效、高精度、不需要预先知道射频信号频率就能检测出功率的装置和定标算法。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提出一种宽频带射频功率检测装置，此装置和算法不需要预先知道射频信号频率，方便快捷检测宽频带射频信号功率，提高功率检测精度。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

本发明所述的这种宽频带射频功率检测装置，包括如下部分：增益频率补偿单元、功率电压转换单元、分析处理单元；取样的射频信号经过增益频率补偿单元进行增益补偿后，送到功率电压转换单元，最后进入分析处理单元。所述的增益频率补偿单元既补偿取样器在宽频带中各个频点的响应差异，又补偿功率转换单元在宽频带中各个频点把射频信号的功率转换成电压信号时转换效率的不同；所述的功率电压转换单元把射频信号的功率转换成电压信号和电压信号的滤波平均处理；所述的分析处理单元对滤波平均处理后的电压信号进行10bit A/D采样量化得到电压采样AD值V_AD，最后根据定标算法公式对采样电压进行分析处理得到射频信号的功率

本发明所述的功率检测定标算法公式，

$P\_\mathrm{dBm}=A*\mathrm{Log}\{20*{\left(\frac{3.3*V_{\mathrm{AD}}/1023-B}{6.6}\right)}^2\}+\frac{P\_\mathrm{Adjust}}{100}$

其中A，B，P_Adjust是定标算法中的关键参数。

本发明所述的增益频率补偿单元，包括电阻R1、R2、R3、R4，电容C1，电感L1；所述的电阻R1一个脚接节点1，另一个脚接地(GND)；所述的电阻R2一个脚接节点1，另一个脚接节点2；所述的电阻R3一个脚接节点2，一个脚接节点3；所述的电阻R4一个脚接节点3，一个脚接地(GND)；所述的电容C1一个脚接节点2，一个脚接节点3；所述的电感L1一个脚接节点3，一个脚接节点4；节点1是所述增益频率补偿单元的输入端；节点4是所述增益频率补偿单元的输出端。增益频率补偿单元会根据射频信号的频率自动改变其增益。

本发明有益的效果是：通过一个开环增益频率补偿单元，它的增益在不同频率是不同的，有效地解决了电路器件因频率不同而引入的检测误差。同时增益频率补偿单元还可以调节射频信号进入功率电压转换单元之前的功率大小，使功率电压转换单元工作在精度最高的电平范围内，有利于提高检测精度。本装置检测射频信号功率在470～860MHz宽频带范围内不需要知道射频信号的频率就可以精准地检测出射频信号功率，而检测误差控制在±0.2dB之内。本装置实现简单、器件少成本低、非常实用。

附图说明

附图1是本发明装置的总体结构图；

附图2是增益频率补偿单元原理图；

附图3是功率电压转换单元；

附图4是定标算法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

本发明所述装置和定标算法针对的UHF470～860MHz宽频带射频信号，特别是DVB-T数字电视信号，在这频率范围内只需要一种定标算法，不需要预先知道射频信号的频率。对射频信号功率的检测范围主要由真值功率检测器的工作范围和增益频率补偿来确定的。

本发明构造了一种简单易行、高精度、宽频带，特别适合数字电视广播系统中用到的射频功率检测装置，主要包括三部分(如图1所示)：增益频率补偿单元、功率电压转换单元、分析处理单元。

增益频率补偿单元(图2)主要实现对射频信号进行功率大小调整，信号功率大小调整时主要考虑：功率电压转换单元的线性工作范围，和功率电压转换单元的频率响应。对于所有频率，当信号功率过大，可通过增益频率补偿单元把射频信号的功率值调低；当信号功率过低时，可通过增益频率补偿单元把射频信号的功率值调高。对于不同频率相同功率的射频信号，要选定中心频率为参考值，当射频信号的频率小于中心频率时，功率电压转换单元把射频信号的功率转换成的电压信号相对于中心频率来说会偏大，增益频率补偿单元的频率响应会把小于中心频率的射频信号功率值调低；当射频信号大于中心频率时，功率电压转换单元把射频信号的功率转换成的电压信号相对于中心频率来说会偏小，增益频率补偿单元的频率响应会把大于中心频率的射频信号功率值调高。

功率电压转换单元(图3)主要实现对射频信号功率值转换成可以采样测量的直流电压信号，并对电压信号进行滤波平均处理，降低A/D采样时产生的误差，提高检测精度。

分析处理单元主要实现对电压信号进行A/D采样量化变成微控制器可处理的数字信号，然后根据给定的定标算法公式进行处理，得到射频信号的功率值(dBm)。

取样的射频信号经过增益频率补偿单元进行增益补偿，既补偿取样器在宽频带中各个频点的响应差异，又补偿功率转换单元在宽频带中各个频点把射频信号的功率转换成电压信号时转换效率的不同；然后送到功率电压转换单元，在470～860MHz范围内，补偿后的不同频率相同功率的射频信号转换成的电压信号值是一样的；最后进入分析处理单元对滤波处理后的电压信号进行10bit A/D采样量化得到电压采样AD值V_AD，最后根据定标算法公式： $P\_\mathrm{dBm}=A*\mathrm{Log}\{20*{\left(\frac{3.3*V_{\mathrm{AD}}/1023-B}{6.6}\right)}^2\}+\frac{P\_\mathrm{Adjust}}{100}$ 对采样电压进行分析处理得到射频信号的功率(dBm)。下面将分别阐述个单元如何实现。

1.增益频率补偿单元

此单元的具体原理图如图2所示。

此单元的输入是采样后的射频信号；单元功能：实现射频信号功率值的调整和功率值的频率补偿；此单元的输出是经过功率值调整和功率值的频率补偿后的射频信号。

功率频率补偿单元包括5颗电阻R1、R2、R3、R4，电容C1，电感L1；电阻R1一个脚接节点1，另一个脚接地(GND)；电阻R2一个脚接节点1，另一个脚接节点2；电阻R3一个脚接节点2，一个脚接节点3；电阻R4一个脚接节点3，一个脚接地(GND)；电容C1一个脚接节点2，一个脚接节点3；电感L1一个脚接节点3，一个脚接节点4；节点1是增益频率补偿单元的输入端；节点4是增益频率补偿单元的输出端。

在确定这些器件值之前，首先要确定取样后的射频信号功率，确定增益功率补偿单元在470～860MHz宽频段内的中心频点(如650MHz)增益大小，使中心频点(650MHz)的射频信号的功率在功率电压转换单元的最佳工作点；然后在宽频带内选取几个频点，如470MHz、500MHz、550MHz、600MHz、650MHz、700MHz、750MHz、800MHz、850MHz、860MHz，在相同射频信号功率的前提下，以中心频点650MHz为参考，得出各个频点的增益响应；最后得出各个频点所需要的增益曲线，通过仿真增益频率补偿单元中各个元器件的具体值，使增益频率补偿单元的频率响应曲线和测量得出的曲线吻合。这样，取样的射频信号通过增益频率补偿后，不同的频点补偿的量是不一样的，但补偿后再经过功率电压转换单元后在频段470～860MHz内转换出来的电压值是一样的。增益频率补偿单元对射频信号的功率大小在频率方面进行预校正。

2.功率电压转换单元

此单元的结构如图2所示。

此单元把射频信号功率转换成可以测量的直流电压信号，然后进行滤波平均处理。

图中的功率真值功率检测器可以为ADL5501。

图中的电阻R5和电容C2组成直流滤波器，能对转换后的直流电压信号平均处理，减少突发事件，提高检测精度。

3.处理单元

处理单元是带有A/D转换模块、存储模块、ARM内核的微控制器。

微控制器可以为LPC2103。

4.定标算法

定标算法公式为 $P\_\mathrm{dBm}=A*\mathrm{Log}\{20*{\left(\frac{3.3*V_{\mathrm{AD}}/1023-B}{6.6}\right)}^2\}+\frac{P\_\mathrm{Adjust}}{100}$

其中A，B，P_Adjust是定标算法中的参数，现举例阐述如何实现，如图4所示。

在中心频点650MHz处测量10各不同功率值，记录下实际功率值和检测的AD值。这10个实际的功率值可以拟合出一条曲线。检测的AD值通过算法公式可以算出检测的功率大小，这10个值也可以拟合出一条曲线；实际功率值和检测功率值之间的误差也可以拟合出一条曲线。综合调整A，B，P_Adjust三个参数的值，使实际功率值曲线和检测功率值曲线一样，误差曲线在±0.1dB之内。这样A，B，P_Adjust三个参数的值就确定了。

在本装置中，增益频率补偿单元和定标算法特别关键，直接关系到检测精度。大多数严格的射频发射标准都要求发射功率检测精度为±1dB。而使用本发明装置，检测精度在470～860MHz宽频带范围内可以达到±0.2dB，性能远优于±1dB。本发明装置非常简单实用方便，精度又高，可以大大节约工程技术人员安装发射机时的调试时间。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变就可以用于在其它频段实现射频功率检测，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种宽频带射频功率检测装置，其特征在于，该检测装置包括如下部分：增益频率补偿单元、功率电压转换单元和分析处理单元，取样的射频信号经过增益频率补偿单元进行增益补偿后，送到功率电压转换单元，最后进入分析处理单元；所述的增益频率补偿单元，用于既补偿取样在宽频带中各个频点引入的取样误差，又补偿功率转换单元在宽频带中各个频点把射频信号的功率转换成电压信号时引入的转换误差；所述的功率电压转换单元，用于把射频信号的功率转换成电压信号和电压信号的滤波处理；所述的分析处理单元，用于对滤波处理后的电压信号进行10bit A/D采样量化得到电压采样AD值V_AD，并根据定标算法公式对采样电压进行分析处理得到射频信号的功率值。

2.根据权利要求1所述的宽频带射频功率检测装置，其特征在于：所述的定标算法公式为：

$P\_\mathrm{dBm}=A*\log \{20*{\left(\frac{3.3*V_{\mathrm{AD}}/1023-B}{6.6}\right)}^2\}+\frac{P\_\mathrm{Adjust}}{100}$

其中A，B，P_Adjust是定标算法中的关键参数。

3.根据权利要求1所述的宽频带射频功率检测装置，其特征在于：所述增益频率补偿单元包括电阻R1、R2、R3、R4，电容C1，电感L1；所述的电阻R1一个脚接节点1，另一个脚接地；所述的电阻R2一个脚接节点1，另一个脚接节点2；所述的电阻R3一个脚接节点2，一个脚接节点3；所述的电阻R4一个脚接节点3，一个脚接地；所述的电容C1一个脚接节点2，一个脚接节点3；所述的电感L1一个脚接节点3，一个脚接节点4；节点1是所述增益频率补偿单元的输入端；节点4是所述增益频率补偿单元的输出端。

4.根据权利要求1所述的宽频带射频功率检测装置，其特征在于：所述的功率电压转换单元包括真值功率检测器和滤波网络；所述的真值功率检测器用于将增益频率补偿后的射频信号功率转换为电压信号；所述的滤波网络是由RC网络组成，对转换后的电压信号进行滤波处理。

5.根据权利要求1所述的宽频带射频功率检测装置，其特征在于：所述的分析处理单元是一个微控制器；该微控制器包括10bit A/D转换器，将模拟的电压信号转换为数字信号；包括能运行定标算法的ARM内核；包括用于存储程序和数据的存储模块。

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