基于跳频系统的ALC方法*

王宗谦 卿 剑

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)



基于跳频系统的ALC方法*

王宗谦 卿 剑

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)

提出了一种适合跳频系统下的自动电平控制(ALC)方法,通过优化设计大幅度提高系输出功率的稳定度,文中详细说明了设计过程,并在实际系统中验证了其性能。

自动电平控制; 跳频

Class Number TN914.42

1 引言

自动电平控制(Automatic Level Control,ALC)[1～2]的作用是当输入电平在较大范围内变化时,输出电平恒定不变,即当输入信号功率很不稳定或者有较大变化时,经过ALC环路[3～4]稳幅后,输出信号的功率值都会稳定在一个相对恒定的幅度值上。为保证整机输出功率稳定,在射频放大器电路中设置ALC环路电路尤为必要。本文设计的这种控制方法主要用于跳频电台后端输出,可满足带宽频段射频信号稳幅输出要求。当前很多ALC是基于模拟电路设计,电路调试复杂,参数不易更改,通用性差,控制精度低,且对波形有一定限制。基于以上缺点,本文中采用的方案是基于数字控制的ALC闭环设计,软件可编程的控制方法极大地提高的射频硬件的通用性。

2 ALC原理

本文所设计的ALC框图如图1所示。整个系统由数控衰减器[5]、增益可变放大器、检波器[6]、平滑滤波器、AD以及FPGA组成。数控衰减器可以选择较宽控制范围,如0～40dB,这样可以输出不同大小的功率。可变增益放大链路是由多级固定增益级联,每个固定增益衰减器也可以直通,这样整个链路的调控范围大大增加,同时也减小了对数控衰减器的要求,提高了链路控制精度。检波器采用AD8362,可以检测-52dBm～+8dBm强度的信号。平滑滤波主要是为了减小场强检测的误差,AD是将模拟电压表示的场强量化为数字信息,然后送给FPGA做判决进行电平控制。

图1 ALC原理框图

3 跳频下的ALC方法

目前常见跳频[7]系统中的ALC是在一跳数据的跳头加入训练头,用训练头评估输出功率,一般用于做ALC的训练头有几十微秒,在高速跳频系统中开销较大,而且进行功率计算的时间短,误差大,导致输出的功率抖动大。本文中的方法主要是针对现在跳频系统中的ALC做出的改进。

主要思想是将整个工作频段平分为若干段,每个段包含若干频率如图2,发射频率落在段内的频率都认为是该段所发的功率。发射功率时用当前跳来计算发功率,由于采用接近一整跳的数据计算发射功率,所以误差非常小,然后在跳尾根据计算的功率将要调整的衰减器值存储在对应段的寄存器中,在下次该段频率出现时,从其对应段的寄存器中读出衰减值控制数控衰减器。

图2 频段划分

4 参考功率校准

在功放生产完成后,由于器件、工艺的差异,放大性能有一定偏差,需要对每个功放的标准功率进行校准。校准采用VF电压[8],VF电压对环境温度不敏感,以此做为功率检测误差较小。校准框图如图3,由PC机、信号源、功率计和功放单元组成,校准的目的是将整个频段上所有频点输出的标准功率时所对应的VF检测电压保存在功放内部的E2PROM。

图3 参考功率校准原理框图

首先将整个频段f0～f1划分为N段,每段带宽为(f1-f0)/N,频率间隔也为(f1-f0)/N如图2所示。

用信号源给出固定功率的Ui,通过调整数控衰减器使得Uo输出功率逼近于功放要求,待输出功率稳定后,将正向电压值存储在E2PROM中,正常工作时,从中取作为参考值使用。

5 初始功率校准

在跳频系统中,跳频规律由跳频图案[9]决定,各个频率出现的概率可能不同,甚至部分频率长时间不会出现,那么开机后各个频点上输出的功率差异较大。如果要保证开机后各频点上输出的功率快速达到系统指标范围内,可以在系统开机后快速对整个频段上的频点进行功率扫描,即在每个频段上发几次让ALC快速闭环,扫描后使得各频段输出功率快速收敛,然后正常发功率时再进行实时功率校准动态更新衰减值。

6 功率计算

图4 功率计算

功率计算对的准确度对ALC控制的稳定度影响很大,一般的跳频系统中会在一跳的开始加入固定的载波信号用来估算功率[10],跳速越高开销越大(有效数据占整跳的比例),所以对高速跳频系统不太合适,同时这种方法中用于计算功率的数据短,误差大,导致控制效果差。本文中提出的方法是用接近一整跳的时间来计算功率,由于积分时间长,误差小,计算功率时尽量去掉跳头/跳尾如图4,因为在跳头/跳尾存在频率切换信号会突变。功率计算完成后将其存入当前频率fx所对应的寄存器中,在下一次该频率出现时根据上一次计算的功率值调整数控衰减器,调整时刻在当前跳的起始位置,调整时间非常短,基本上可认为是零开销。

7 实时功率校准

参考功率校准值本身随波形温度的变化很小,可以认为是恒定不变的。但是由于射频模块中的放大器等器件特性与工艺、温度有关,所以不同的模块的增益也会变化,要调整数控衰减器保证所有模块的VF检测电压接近参考VF参考值,使得最终输出的功率保持稳定。VF电压检测实际上是对VF电压一段时间内积分,积分时间越长,电压检测越准,但是时间越长会导致切频时间过长,在高速跳频应用中难以使用。VF检测在模拟电路中是用电容来调整积分时间的,在FPGA中实现通过对VF电压求平均,平均时间为积分时间,软件控制的方式比硬件更加灵活。

本文中所提出的方法是在电台频率为fx时对整跳的VF电压求平均,同时与该频率对应的VF参考值比较,将差值记录下来在下一次fx频率到来时调整数控衰减器如图5。Atten[fx]表示下一次fx频率到来时数控衰减器需要调整的值,是当前跳计算出来的,整跳中ALC的调整时间为数控衰减器的切换时间,一般为1μs的量级。

图5 衰减值更新

8 测试结果

图6是采用使用此方法实际测试效果,从图中可以看出每段持续时间为1跳,跳之间有间隙。间隙有两个目的: 1) 避免换频时杂散过大,不满足电磁兼容要求; 2) 切频时信号突变可能导致功放保护,待频合锁定后再开始输出功率。

图6 ALC测试效果

从图6中可以看出功率与参考功率相差较大时,控制的步进较大,反之则减小控制步进,最终收敛到稳定的功率上。

9 结语

本文提出了一种跳频系统下的ALC方法,针对于跳频系统的特殊时隙结构,对控制方法做了优化,提高了系统带宽利用和功率输出的稳定度,控制简单,较好的解决了目前跳频系统下的ALC问题。

[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.宽带大动态范围自动电平控制技术研究电[J].电子测量技术,2010,33(5):7-9.

[4] 盛振旗,樊晓腾.微波信号发生器中自动电平控制系统设计[J].国外电子测量技术,2007,26(7):64-67.

[5] 谷涛.数控衰减器在雷达DAGC系统中的应用[J].现代电子技术,2009,303(16):169-170.

[6] 徐楠,陈星,陈立泽.一种高精度自动电平控制系统的实现[J].电子测量技术,2009,32(9):147-150.

[7] 梅文华,王淑波.跳频通信[M].北京:国防工业出版社,2005:115.

[8] 宫志超.射频接收机中自动增益控制及功率检测器设计[D].上海:复旦大学,2009.

[9] 张鹏.跳频通信中跳频图案与跳频同步的研究[D].西安:西安电子科技大学,2007.

[10] 刘继林.跳频发射机自动电平控制的实现方法[J].电讯技术,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

王宗谦,男,硕士,工程师,研究方向:数字信号处理。卿剑,男,硕士,工程师,研究方向:射频前端。

TN914.42

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.018