基于跳頻系統的ALC方法*

王宗謙 卿 劍

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

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基于跳頻系統的ALC方法*

王宗謙 卿 劍

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

提出了一種適合跳頻系統下的自動電平控制(ALC)方法,通過優化設計大幅度提高系輸出功率的穩定度,文中詳細說明了設計過程,并在實際系統中驗證了其性能。

自動電平控制; 跳頻

Class Number TN914.42

1 引言

自動電平控制(Automatic Level Control,ALC)[1～2]的作用是當輸入電平在較大范圍內變化時,輸出電平恒定不變,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[3～4]穩幅后,輸出信號的功率值都會穩定在一個相對恒定的幅度值上。為保證整機輸出功率穩定,在射頻放大器電路中設置ALC環路電路尤為必要。本文設計的這種控制方法主要用于跳頻電臺后端輸出,可滿足帶寬頻段射頻信號穩幅輸出要求。當前很多ALC是基于模擬電路設計,電路調試復雜,參數不易更改,通用性差,控制精度低,且對波形有一定限制。基于以上缺點,本文中采用的方案是基于數字控制的ALC閉環設計,軟件可編程的控制方法極大地提高的射頻硬件的通用性。

2 ALC原理

本文所設計的ALC框圖如圖1所示。整個系統由數控衰減器[5]、增益可變放大器、檢波器[6]、平滑濾波器、AD以及FPGA組成。數控衰減器可以選擇較寬控制范圍,如0～40dB,這樣可以輸出不同大小的功率?？勺冊鲆娣糯箧溌肥怯啥嗉壒潭ㄔ鲆婕壜?每個固定增益衰減器也可以直通,這樣整個鏈路的調控范圍大大增加,同時也減小了對數控衰減器的要求,提高了鏈路控制精度。檢波器采用AD8362,可以檢測-52dBm～+8dBm強度的信號。平滑濾波主要是為了減小場強檢測的誤差,AD是將模擬電壓表示的場強量化為數字信息,然后送給FPGA做判決進行電平控制。

圖1 ALC原理框圖

3 跳頻下的ALC方法

目前常見跳頻[7]系統中的ALC是在一跳數據的跳頭加入訓練頭,用訓練頭評估輸出功率,一般用于做ALC的訓練頭有幾十微秒,在高速跳頻系統中開銷較大,而且進行功率計算的時間短,誤差大,導致輸出的功率抖動大。本文中的方法主要是針對現在跳頻系統中的ALC做出的改進。

主要思想是將整個工作頻段平分為若干段,每個段包含若干頻率如圖2,發射頻率落在段內的頻率都認為是該段所發的功率。發射功率時用當前跳來計算發功率,由于采用接近一整跳的數據計算發射功率,所以誤差非常小,然后在跳尾根據計算的功率將要調整的衰減器值存儲在對應段的寄存器中,在下次該段頻率出現時,從其對應段的寄存器中讀出衰減值控制數控衰減器。

圖2 頻段劃分

4 參考功率校準

在功放生產完成后,由于器件、工藝的差異,放大性能有一定偏差,需要對每個功放的標準功率進行校準。校準采用VF電壓[8],VF電壓對環境溫度不敏感,以此做為功率檢測誤差較小。校準框圖如圖3,由PC機、信號源、功率計和功放單元組成,校準的目的是將整個頻段上所有頻點輸出的標準功率時所對應的VF檢測電壓保存在功放內部的E2PROM。

圖3 參考功率校準原理框圖

首先將整個頻段f0～f1劃分為N段,每段帶寬為(f1-f0)/N,頻率間隔也為(f1-f0)/N如圖2所示。

用信號源給出固定功率的Ui,通過調整數控衰減器使得Uo輸出功率逼近于功放要求,待輸出功率穩定后,將正向電壓值存儲在E2PROM中,正常工作時,從中取作為參考值使用。

5 初始功率校準

在跳頻系統中,跳頻規律由跳頻圖案[9]決定,各個頻率出現的概率可能不同,甚至部分頻率長時間不會出現,那么開機后各個頻點上輸出的功率差異較大。如果要保證開機后各頻點上輸出的功率快速達到系統指標范圍內,可以在系統開機后快速對整個頻段上的頻點進行功率掃描,即在每個頻段上發幾次讓ALC快速閉環,掃描后使得各頻段輸出功率快速收斂,然后正常發功率時再進行實時功率校準動態更新衰減值。

6 功率計算

圖4 功率計算

功率計算對的準確度對ALC控制的穩定度影響很大,一般的跳頻系統中會在一跳的開始加入固定的載波信號用來估算功率[10],跳速越高開銷越大(有效數據占整跳的比例),所以對高速跳頻系統不太合適,同時這種方法中用于計算功率的數據短,誤差大,導致控制效果差。本文中提出的方法是用接近一整跳的時間來計算功率,由于積分時間長,誤差小,計算功率時盡量去掉跳頭/跳尾如圖4,因為在跳頭/跳尾存在頻率切換信號會突變。功率計算完成后將其存入當前頻率fx所對應的寄存器中,在下一次該頻率出現時根據上一次計算的功率值調整數控衰減器,調整時刻在當前跳的起始位置,調整時間非常短,基本上可認為是零開銷。

7 實時功率校準

參考功率校準值本身隨波形溫度的變化很小,可以認為是恒定不變的。但是由于射頻模塊中的放大器等器件特性與工藝、溫度有關,所以不同的模塊的增益也會變化,要調整數控衰減器保證所有模塊的VF檢測電壓接近參考VF參考值,使得最終輸出的功率保持穩定。VF電壓檢測實際上是對VF電壓一段時間內積分,積分時間越長,電壓檢測越準,但是時間越長會導致切頻時間過長,在高速跳頻應用中難以使用。VF檢測在模擬電路中是用電容來調整積分時間的,在FPGA中實現通過對VF電壓求平均,平均時間為積分時間,軟件控制的方式比硬件更加靈活。

本文中所提出的方法是在電臺頻率為fx時對整跳的VF電壓求平均,同時與該頻率對應的VF參考值比較,將差值記錄下來在下一次fx頻率到來時調整數控衰減器如圖5。Atten[fx]表示下一次fx頻率到來時數控衰減器需要調整的值,是當前跳計算出來的,整跳中ALC的調整時間為數控衰減器的切換時間,一般為1μs的量級。

圖5 衰減值更新

8 測試結果

圖6是采用使用此方法實際測試效果,從圖中可以看出每段持續時間為1跳,跳之間有間隙。間隙有兩個目的: 1) 避免換頻時雜散過大,不滿足電磁兼容要求; 2) 切頻時信號突變可能導致功放保護,待頻合鎖定后再開始輸出功率。

圖6 ALC測試效果

從圖6中可以看出功率與參考功率相差較大時,控制的步進較大,反之則減小控制步進,最終收斂到穩定的功率上。

9 結語

本文提出了一種跳頻系統下的ALC方法,針對于跳頻系統的特殊時隙結構,對控制方法做了優化,提高了系統帶寬利用和功率輸出的穩定度,控制簡單,較好的解決了目前跳頻系統下的ALC問題。

[1] CHOW H C, WANG I H. High performance automatic gain control circuit using a S/H peak-detector for ASK receiver[J]. Digital Object Identifier,2002,2:429-432.

[2] NARY K R, TUYL R L. An MMIC amplifier for automaticlevel control applications[C]//IEEE Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuit Symposium,1990:73-76.

[3] 李卓明.寬帶大動態范圍自動電平控制技術研究電[J].電子測量技術,2010,33(5):7-9.

[4] 盛振旗,樊曉騰.微波信號發生器中自動電平控制系統設計[J].國外電子測量技術,2007,26(7):64-67.

[5] 谷濤.數控衰減器在雷達DAGC系統中的應用[J].現代電子技術,2009,303(16):169-170.

[6] 徐楠,陳星,陳立澤.一種高精度自動電平控制系統的實現[J].電子測量技術,2009,32(9):147-150.

[7] 梅文華,王淑波.跳頻通信[M].北京:國防工業出版社,2005:115.

[8] 宮志超.射頻接收機中自動增益控制及功率檢測器設計[D].上海:復旦大學,2009.

[9] 張鵬.跳頻通信中跳頻圖案與跳頻同步的研究[D].西安:西安電子科技大學,2007.

[10] 劉繼林.跳頻發射機自動電平控制的實現方法[J].電訊技術,2012,52(5):709-711.

A ALC Method Based on Frequency Hopping

WANG Zongqian QING Jian

(Guangzhou Haige Communications Industry Group Co., Ltd, Guangzhou 510663)

In this paper, a ALC method based on Frequency is proposed, with which the stabel of output power is greatly improved. The detailed description of this method is presented, and its performance of the method is verified in actual system.

ALC, frequency hopping

2015年3月1日,

2015年4月29日

王宗謙,男,碩士,工程師,研究方向:數字信號處理。卿劍,男,碩士,工程師,研究方向:射頻前端。

TN914.42

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.018