楊文龍，陳 強

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620)

0 引 言

射頻信號功率測量廣泛應(yīng)用在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)接收系統(tǒng)、3G、4G、數(shù)字電視接收系統(tǒng)中[1～2]，一般采用頻譜儀和功率計進行測量，雖然說頻譜儀能夠很好地分析出信號的特征，但其存在著體積較大和價格昂貴等缺點，不適合隨身攜帶或野外測量，無法大規(guī)模應(yīng)用，目前僅在實驗室研究應(yīng)用階段。功率計按照測量方式不同，可以分為通過式和吸收式[3]。通過式功率計主要用來測量大功率信號，對小功率信號并不敏感，受到自身硬件結(jié)構(gòu)的限制，測量帶寬也要比吸收式功率計小很多。吸收式功率計具有帶寬高，測量精度好等優(yōu)點，但也存在著無法測量大功率信號等問題。所以設(shè)計出一種測量精度高、功率大、頻帶寬、并且便于攜帶的功率計具有研究意義。

本文設(shè)計的頻率計是對普通吸收式功率計的改善，搭載功率分配器、射頻放大器、射頻衰減器、射頻開關(guān)、電壓跟隨器和AD8362真有效值檢波芯片，擴展了其兩端的功率測量范圍，并配備通信模塊，搭建固定的服務(wù)器，便于遠程訪問和控制。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

射頻功率計系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。被測信號經(jīng)過功率分配器被一分為三，其中兩路分別通過放大模塊、衰減模塊連接到射頻開關(guān)，剩下一路直通到射頻開關(guān)。射頻開關(guān)選擇送入AD8362檢波模塊的信號，檢波模塊將射頻信號的功率信息轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的直流電壓量進行輸出。直流電壓經(jīng)過電壓跟隨器送入MSP430F149內(nèi)部的12位AD進行采集。MSP430F149根據(jù)電壓與功率的關(guān)系計算出所測信號的功率大小，最后根據(jù)功率的大小確定射頻開關(guān)送入檢波模塊的信號，TFT觸屏?xí)@示測量結(jié)果，并可觸摸修改參數(shù)；同時所得的結(jié)果通過GSM模塊使用MQTT協(xié)議上傳到云服務(wù)器，將其存儲在MySQL數(shù)據(jù)庫中，從而方便用戶在移動端和PC端查看，用戶也可以遠程對功率計的各項參數(shù)進行修改。

圖1 總體設(shè)計方案框圖

2 功率計硬件系統(tǒng)

功率計的硬件主要由MSP430顯示和通信部分和信號檢波部分組成。

2.1 MSP430顯示和通信部分

功率計的硬件主要由MSP430最小系統(tǒng)、觸摸屏和GSM通信部分組成。1)MSP430最小系統(tǒng):選用MSP430F149搭配時鐘電路、復(fù)位電路和電源電路構(gòu)成最小系統(tǒng)[4]。時鐘電路采用外接8 MHz晶振，復(fù)位電路采用按鍵控制，電源電路采用9V鋰電池供電，經(jīng)AMS117—5.0和AMS117—3.3分別降壓到5 V和3.3 V給外設(shè)和控制器供電。2)系統(tǒng)采用的TFT觸摸屏型號為2.4 in(1in=2.54 cm)的ILI9341電阻觸摸屏,分辨率為380×240，顯示部分通過8080接口與控制器相連，觸摸部分通過SPI接口與控制器相連接[5]。3)GSM通信部分:系統(tǒng)采用SIM900作為通信模塊，控制器通過串口與其相連，使用MQTT協(xié)議實現(xiàn)與服務(wù)器的通信[6]。

2.2 信號檢波部分

信號檢波部分包括功率分配器、放大模塊和衰減模塊、射頻開關(guān)、檢波模塊和電壓跟隨器。1)功率分配器:將一路信號能量分成多路輸出的器件，本設(shè)計采用一分三功率分配器，將信號均分為3份輸出，輸入輸出阻抗都為50 Ω[7]。2)放大模塊和衰減模塊:放大模塊采用ADL5243程控增益射頻放大器，工作頻率為100 MHz至4 GHz，控制器采用SPI協(xié)議實現(xiàn)ADL5243的控制，ADL5243提供以0.5 dB步長最多31.5 dB的增益;衰減模塊采用PE4302程控衰減器，最高頻率可達4 GHz，通過SPI控制，能夠提供以0.5 dB步長最多31.5 dB的衰減。3)射頻開關(guān):射頻開關(guān)采用RF1604單極四擲開關(guān)，經(jīng)過控制器的控制，可選擇信號輸出到檢波模塊。4)檢波模塊:采用AD8362真有效值檢波芯片,模塊原理圖如圖2所示，采用變壓器進行耦合，使得輸入阻抗為50 Ω，工作頻率為50 Hz～2.7 GHz，輸入功率范圍大于60 dB,能將信號功率轉(zhuǎn)換為直流電壓量輸出，功率每增加1 dBm，電壓增加50 mV，并且輸出結(jié)果與信號波形和調(diào)制無關(guān)。5)電壓跟隨器:采用芯片為LM324，呈現(xiàn)高輸入阻抗，低輸出阻抗的特點，可以減小后級電路對前級電路的影響，使得測量更精確。

圖2 AD8362原理圖

3 功率計軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括控制器程序設(shè)計、服務(wù)器端設(shè)計、PC端和移動端程序設(shè)計。

3.1 MSP430控制器程序設(shè)計

基于IAR，利用C語言編寫程序，使用仿真器進行相應(yīng)程序的燒錄。首先控制器會初始化相關(guān)外設(shè)，然后進行參數(shù)設(shè)置，放大模塊的放大和衰減模塊的衰減倍數(shù)默認為30 dB,射頻開關(guān)默認選擇衰減通道，防止開始輸入大功率信號，檢波模塊輸出電壓過大，燒壞430內(nèi)部AD，從而起到保護硬件的效果。之后控制器讀取檢波芯片輸出的電壓，若電壓為0，則認為沒有輸入，射頻開關(guān)選擇衰減通道，若是有電壓但過小，則將射頻開關(guān)選到直通通道，若電壓還是過小，則將射頻開關(guān)切換到放大通道，直到輸出的電壓合理適中。然后根據(jù)電壓與功率的關(guān)系算出功率的大小，同時將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。與此同時，控制器一直開啟串口中斷，等待服務(wù)器給其發(fā)送指令，根據(jù)收到的指令重新設(shè)定一些參數(shù)，比如放大和衰減的倍數(shù)。

3.2 服務(wù)器端設(shè)計

采用阿里云的服務(wù)器，運行CenTos系統(tǒng)，安裝MySQL數(shù)據(jù)庫，開啟MQTT服務(wù)后，服務(wù)器通過不同的主題來區(qū)分信息的來源和發(fā)送的對象，服務(wù)器將功率計的測量結(jié)果和參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便遠程訪問[8]。

3.3 PC端和移動端程序設(shè)計

PC端程序采用QT進行編寫，QT具有很強的移植性，可以應(yīng)用到其他嵌入式設(shè)備中，移動端程序采用JAVA編寫，PC端和移動端都是利用MQTT協(xié)議實現(xiàn)與服務(wù)器的通信，因為MQTT協(xié)議具有通信開銷小，開發(fā)簡單等優(yōu)點，非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的使用，利用MQTT協(xié)議，PC端和移動端就能實現(xiàn)對功率計測量結(jié)果的查看以及參數(shù)的設(shè)定，非?？焖俦憬荨?/p>

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

經(jīng)過逐級測試，各個模塊都能正常工作，服務(wù)器通信也正常，整個工作的重心轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)的處理上，通過研究輸出電壓與功率的關(guān)系，驗證整個設(shè)計的正確性。

4.1 測試結(jié)果

經(jīng)過多次實驗與分析，根據(jù)輸出電壓和輸入信號的數(shù)值，利用Origin軟件對U-P關(guān)系進行直線擬合和數(shù)據(jù)分析[10]，最終擬合出如圖3所示的輸出電壓U(V)與輸入功率P(dBm)之間的一次關(guān)系曲線。

圖3 輸出與輸入關(guān)系

圖3中通道1,2,3分別為放大、直通和衰減通道的U-P關(guān)系圖，U與P之間的關(guān)系式如下

(1)

根據(jù)式(1)可知:當(dāng)輸入信號功率-70 dBm≤P<-40 dBm時，選擇放大通道;當(dāng)輸入信號功率-40 dBm≤P<0 dBm時，選擇直通通道;當(dāng)輸入信號功率0 dBm≤P≤30 dBm時，選擇衰減通道。通過通道的自動切換，使檢波模塊輸出的電壓不至于太大，也不至于太小,讓電壓位于檢波芯片最好的線性區(qū)域內(nèi)，以此來得到最好的測量效果。功率計首先選擇的是衰減通道，若此時檢波模塊輸出電壓U滿足0.851V≤U≤2.35V,則根據(jù)式(1)0 dBm≤P≤30 dBm的情況，算出此時功率，若不滿足，說明輸入信號功率P不在0～30 dBm范圍內(nèi)，則通道自動切換到直通通道。直通情況時輸出電壓U滿足0.27V≤U≤2.271V,則根據(jù)式(1)-40 dBm≤P<0 dBm的情況，算出此時功率，若不滿足，說明輸入信號功率P不在-40～0 dBm范圍內(nèi)；若U<0.271 V,則通道自動切換到放大通道；若U≥2.271V,則通道自動切換到衰減通道。放大情況時若檢波模塊輸出電壓滿足0.154V≤U≤1.654V,則根據(jù)式(1)-70 dBm≤P<-40 dBm的情況，算出此時功率；若電壓U<0.154V，說明輸入信號功率P太小，已經(jīng)超出了-70 dBm的最小測量值；若電壓U≥1.654V,則自動切換到直通通道。功率計就是根據(jù)上面一個過程，依照輸入功率的大小，自動切換到一個合適的檔位，實現(xiàn)對功率的準(zhǔn)確測量。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，功率每增加1 dBm,輸出電壓增加50 mV，符合檢波芯片的官方手冊數(shù)據(jù)。最后選取了0.1,1.0,2.0,30 GHz的信號，以5 dBm為步長，通過測量，得到了從-70～+30 dBm的測量絕對誤差值，圖4直觀地展示了絕對誤差的大小。觀察圖表，實際測得的信號功率與理論的誤差值都在±0.5 dBm范圍之內(nèi)，達到了一定的測量水準(zhǔn)。

圖4 測量數(shù)據(jù)誤差圖

4.2 結(jié)果分析

實驗結(jié)果證明，設(shè)計的功率計在100～3 000 MHz范圍內(nèi)，可以測量-70～+30 dBm的信號功率，誤差小于0.5 dBm，相較于目前市場上已有的功率計而言，在量程上取得了很大的進展，不需要攜帶多個量程的功率計去測量多種功率信號。由于硬件誤差和算法擬合誤差導(dǎo)致實驗測量結(jié)果存在一些偏差。硬件誤差的來源主要是一些元件的性能會受到信號頻率的影響，比如放大器和衰減器的效果會因頻率的改變會有細微的變化，檢波模塊會因頻率的變化導(dǎo)致輸出電壓的線性度下降，算法擬合誤差主要是擬合出來的U-P關(guān)系式不能完全與電壓、功率一一對應(yīng)，只能盡可能逼近。因為程控放大器和衰減器的倍數(shù)是固定的，所以參數(shù)也是唯一的，如果用戶在后期還想繼續(xù)調(diào)整范圍獲得更好的效果，就需要重新擬合輸入和輸出關(guān)系曲線，因此留了參數(shù)修改的接口，用戶可以自行修改。目前，5 G正在逐步走進人們的生活，但是市場上的吸收式功率計受制于芯片的帶寬還無法測量更高頻率的信號。隨著以后芯片技術(shù)的發(fā)展，吸收式射頻功率計一定可以做到更大的測量范圍。

5 結(jié)束語

基于MSP430的精密射頻功率計，利用放大器、衰減器和射頻開關(guān)巧妙地實現(xiàn)了量程的自動切換，擴大了測量范圍，并且提高了準(zhǔn)確性。使用觸摸屏，使得人機交互更加智能便捷。利用GSM模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳以及遠程操控，搭建服務(wù)器使得數(shù)據(jù)地存儲以及訪問變得簡單。該設(shè)計有效地克服了傳統(tǒng)吸收式功率計測量范圍小、人機交互不智能，數(shù)據(jù)沒有統(tǒng)一存儲和無法遠程訪問的缺點。除此以外，該設(shè)計相較于市場上價格成千上萬的功率計而言，價格也是一個很大的優(yōu)勢，更容易走進市場。綜上所述，設(shè)計的功率計是對傳統(tǒng)功率計的一次很大的改進，使得功率計能夠測量范圍更大的信號，適用不同的場景。