跳頻發射機自動電平控制的實現方法

劉繼林

(中國西南電子技術研究所, 成都610036)

1 引 言

最近幾年,跳頻通信技術取得了很大的發展,與此同時,它對發射信道自動電平控制(ALC)的要求也隨之提高。在跳頻通信中,對ALC 的主要要求就是響應時間要快(一般要求到微秒級),若響應時間過長,則會在通信過程中丟失數據幀頭的同步信息,接收端將無法同步,導致不能通信;但是,傳統ALC 控制過程中難免會有功率過沖,功率過沖過大又會帶來ALC 阻尼振蕩,使得功率回零而導致功率達到穩定值的時間變長,即ALC 控制穩定的響應時間變長(約1～2 ms),這在跳頻通信中是絕對不能接受的。

傳統的ALC 控制技術是通過衰減器(PIN 管調制器)來控制功放系統增益的,衰減器在初始狀態時使用的控制電壓最大因而獲得最小衰減,以此來滿足功放增益動態范圍調整的需要,這樣就使得功放在衰減器初始狀態下處于最大增益狀態,功放一旦獲得RF 激勵信號,在短時間內將不可避免地出現功率過沖。功率過沖有相當大的危害性,必須予以解決。

本文從ALC 閉環控制技術出發, 分析了傳統ALC 的動態建立過程,提出了控制跳頻功放增益增長的新方法。這種方法既有效地解決了功率過沖問題,又縮短了ALC 的響應時間。實踐證明,該方法是有效、可行的。

2 ALC 的基本工作原理

2.1 基本概念

所謂自動電平控制(ALC),是指當輸入電平在較大范圍內變化時,輸出電平恒定不變或在允許的波動范圍內變化,即當輸入信號功率很不穩定或者有較大變化時,經過ALC 環路控制后,輸出信號的功率值在較寬的頻帶上都會穩定在一個相對恒定的幅度值上,起到自適應調整系統增益的作用。

2.2 工作原理

傳統的ALC 工作原理框圖如圖1 所示,主要完成輸出功率控制和防止功率放大器過激勵的保護等功能,加入ALC 電路,從而在功放內部形成一個帶有閉環性質的工作流程。從原理框圖上看,ALC 電路的實現必須有一個隨輸出信號強度改變的電壓,然后再通過這個電壓去控制PIN 衰減器來改變功放鏈路的增益,以達到控制輸出功率的目的。ALC反饋電路由四部分功能電路組成,即定向耦合器、檢波放大電路、求和運放電路和PIN 調制器。

圖1 ALC 基本工作原理框圖Fig.1 Basic functional block diagram of ALC

2.3 S 域數學模型

ALC 電路的設計必須嚴格遵循閉環控制理論,否則就可能帶來閉環工作時產生的振蕩和穩定性問題[1]。為了評估和分析ALC 閉環控制的性能,圖1的等效數學模型如圖2 所示,信號模型用Laplace 變換表示,X(s)代表輸入功率電平值, C(s)為ALC 閉環控制器,G(s)為功放的等效傳遞函數模型,F(S)為反饋函數模型。

圖2 S 域數學模型Fig.2 S Domain mathematics model

由S 域數學模型可以推導出功放控制的傳遞函數H(s)為

閉環控制的設計目標是保證F(s)G(s)C(s)的全部極點都處于復平面的左半平面,以得到閉環的絕對穩定性;同時優化控制器C(s)、F(s)的參數,保證F(s)G(s)C(s)的單位階躍響應具有暫態響應時間短、無過沖等特性。

3 ALC 的動態建立過程分析

按圖2 模型設計的功放系統的ALC 控制電路會存在嚴重的過沖問題。因為,從功率輸出到檢測器輸出、PIN 管調制器開始起控有一定的時延,即便是功率輸出達到飽和狀態,檢測器、PIN 管調制器也需要一定的響應時間來反應系統的這個狀態,這就是傳統的ALC 控制技術導致功放過沖問題的重要原因。

現在從時域上分析ALC 的動態建立過程。傳統ALC 控制電路主要組成電路如圖3 所示。

圖3 傳統ALC 控制電路Fig.3 Traditional ALC circuit

如圖3,為了簡化分析,假定電阻阻值R1=R 2=R3=R4,可推導出U(t)的表達式為

其中,ε(t)為階躍函數,用來模擬收發轉換的電壓函數關系,t0為環路開始控制的時間。

令

根據式(2)可以討論ALC 的動態建立過程。通常定義ALC 的響應時間為功放輸出功率達到穩定值所需的時間。

(1)當t=t0-時,B =0,U(t)最大(接近運放的正電源電壓),輸出功率最大(飽和功率),表現為功率過沖現象。

(2)當t >t 0時,為起控過程,反饋控制電壓增加,假設達到設定的穩定功率值時的反饋控制電壓為C。若B ≤C,功率達到穩定的時間t =t1,即ALC 響應時間t=t1;若B

(3)當t =t0+時,雖然過程2 C ≥A, 暫時把U(t)拉為負值,使得輸出功率為零,但是A 是始終存在的,再次使得U(t)為正值,但已擺不到最大值,過沖功率也不為飽和功率,此時B 也不為第一次過沖時的最大值,若B 繼續比A 大,將會持續阻尼振蕩的過程,直至B 小于A 后方可進入到功率穩態的過程,此時功率達到穩態功率的時間為t3,即ALC響應時間為t3。

從上述ALC 的動態建立過程分析,顯然t 1

4 跳頻發射信道ALC 的實現方法

從上述的ALC 的動態過程分析來看,要滿足跳頻通信對ALC 響應時間的特別要求,就必須解決跳頻功放的功率過沖和回零問題[2]。從工程實踐過程中,筆者總結出一種利用跳頻時鐘禁發的方法,有效地解決了傳統ALC 控制電路的弊端。

禁發法的實現原理就是利用跳頻時鐘產生輔助電路,使式(2)中的電壓U(t)經過處理后,由負值往正值方向擺動,功率由無到有,再到穩定。這種方法既解決了功率過沖現象又縮短了ALC 的相應時間。

實踐證明,利用跳頻時鐘的解決方案是可行的,原理電路見圖4,就是增加利用跳頻時鐘的輔助電路來控制運放的加電過程,來實現電壓由低向高增長。

圖4 禁發法原理電路圖Fig.4 Circuit diagram for transmission prohibition method

5 禁發法測試結果

測試條件:室溫,輸出功率15 W。利用禁發法改進后的ALC 響應及功率響應如圖5 所示。由圖可見,ALC 的控制電壓的增長從低到高,實現了功率的增長由無到設定的穩定功率,消除了傳統的ALC控制的功率過沖和回零問題,縮短了ALC 的響應時間。此外,ALC 的響應時間小于20 μs。通過上系統測試,電臺通信的誤碼率和掉包率均滿足技術要求。

圖5 ALC 響應時間測試結果Fig.5 Test result of ALC response time

6 結束語

本文通過對ALC 分析,認識了傳統ALC 控制跳頻發射信道的弊端,找到了利用跳頻時鐘作為輔助手段的解決方法,在某工程電臺上獲得了很好的使用效果。該方法具有輔助電路簡單、響應時間快和無功率過沖等優點,是一種理想的跳頻發射信道環路控制方案,ALC 的響應時間可以達到微秒級。

[1] 劉明俊, 于明祁, 楊泉林.自動控制原理[M] .長沙:國防科技大學出版社,2000.

LIU Ming-jun,YU Ming-qi,YANG Quan-lin.Automatic Control Principle[M] .Changsha:National Defense University of Science and Technology Press,2000.(in Chinese)

[2] 梅文華, 王淑波.跳頻通信[ M] .北京:國防工業出版社,2005.

MEI Wen-hua,WANG Shu-bo.FH Communication[M] .Beijing:National Defense Industry Press,2005.(in Chinese)