数字ALC技术在高速跳频通信中的应用

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2.1 数字ALC基本原理

数字ALC电路主要通过AD对检测电平进行采样并通过数字算法控制增益衰减实现对功率的闭环控制。主要功能部件为AD采样电路、参数存储、反馈控制算法和数字控制衰减器，能够更快更精确可靠的实现ALC闭环。

2.2数字ALC详细实现方案

本设计以大规模可编程集成电路（FPGA）及高精度AD转换为中心构建数字化的反馈控制环路，增加了温度补偿和标准值存储功能，使得功率的输出闭环更精确和快速。设计主要分为两个单元：功率放大单元和ALC单元。

3.2.1功率放大单元设计

功率放大单元包括两级功率放大和功率级多通道滤波器。同时针对ALC闭环需求设计了正向功率检测电路，包括射频功率耦合器、积分器、平滑滤波器。经过正向功率检测电路获取代表射频功率输出大小的正向功率电平VR。

其中功率放大单元的多通道滤波器能够根据工作频点及时切换滤波器的通带范围，从而避免设备间的无线信道干扰，更好满足多个设备同时同址工作。由于多通道滤波器本身不同通道的插入损耗不同，为保证耦合检波对输出功率检测的准确性，耦合检波器必须放置在多通道滤波器之后。功率放大单元中的EEPROM2用来存储不同频率、不同温度下的标准正向功率电平值VE，作为ALC控制算法的参考标准，相当于模拟ALC电路中比较器的参考电平。该值为功率放大单元本身的特性值，因此放置在功率放大单元能够降低ALC单元与功率放大单元的耦合性，模块更换无需重新进行参考值设定，保证模块的独立性和可互换性。

功率放大单元设计了温度传感器电路，能够实时监控功率放大单元的温度，为ALC控制提供温度参考，并通过ALC单元的软件实现功率放大单元的过温保护功能。

3.2.2 ALC单元设计

ALC单元以实现ALC算法的FPGA为核心，通过SPI总线接口与跳频通信控制、温度传感器及AD转换器连接，通过IIC接口与数控衰减器、EEPROM1以及功率放大单元中的EEPROM2连接。

其中的存储器EEPROM1中存储着不同温度等级下、不同频率下数控衰减器的初始衰减值G0，作为ALC闭环的初始控制值，写入数控衰减器。

跳频通信控制器为跳频通信系统核心，实时发送频率切换信息给FPGA，数控衰减器能够ALC算法控制下实时调整输入到功率放大单元的信号增益，AD转化芯片能够让FPGA实时获取当前功率放大单元的输出功率。

3.2.3控制流程实现

ALC闭环的整个流程如图4所示。首先跳频通信控制器通过ISP接口把频率信息送到FPGA，FPGA解析频率信息并采样温度传感器的温度值，根据当前工作频率和温度，读取EEPROM1中的对应的初始衰减值，写入数控衰减器，实现增益控制的初始化。之后，射频信号发生器产生的射频小信号经过数控衰减器进入功率放大单元，经过两级放大和多通道滤波器进行带通滤波后送到天线。同时发射信号在末端通过耦合检波器转换成检波电平，经放大、平滑滤波后送AD采样。FPGA快速多次获取采样数据并计算平均功率电平VR，同时读取EEPROM2中存储的标准功率电平VE，用VR与VE进行比较，根据差值进一步调整数控衰减器的衰减值，然后再次采样、比较功率输出电平并调整数控衰减器，多次循环最终使得输出功率与标准功率基本一致，实现对输出功率的动态调整。由于FPGA等核心器件的运行速率高、数控衰减器的反应灵敏，因此在极短时间内即可完成闭环流程。

2.3 标准VE值的获取

VE值作为功率放大单元的特性存储在EEPROM2中，根据设备要求的功率波动范围和功率正向检测电路的温度特性，通过自动功率检测流程获得VE值并写入存储器。实际应用中，VE值的大小主要与工作频率点、输出功率大小有关，设备工作温度（-40℃～60℃）对VE值的影响可以忽略，这与功率检测电路对温度的不敏感性有关。因此为简化设计复杂度，认为该VE值在所允许的温度范围内保持不变。

自动功率检测原理图如图5所示，通过在系统中接入数字功率计来实现功率检测，获取VE值。

通信控制器通过SPI口发送频率信息给FPGA，FPGA向数控衰减器写入最大衰减值，然后控制射频信号发生器单元发射稳定信号，跳频通信控制器通过RS232串行接口读取数字功率计的功率值，与额定功率相比较，根据差值，以一定的步进减少数控衰减器的衰减值。经过多次调整，可获得额定功率输出。

为防止功率放大器由于输入激励步进过大造成功率非线性失真，衰减值以0.5dB步进调整。在功率差值调整到0.5dB以内后，以数控衰减器的最低有效位步进调整。最终功率输出在数控衰减器精度范围内达到功率额定值。此时FPGA通过SPI总线读AD采样的正向功率检测电平，作为该频率点的标准功率参考值，即VE值，写入功率放大单元的EEPROM2中。同时把此时数控衰减器的衰减值作为常温下的初始衰减值G0写入ALC单元的EPROM1中。

跳频通信控制器把所需的频率依次发送到FPGA，通过以上流程，所有的频率下的标准VE值和常温初始衰减值G0均写入各自的存储器中。

2.4不同温度下初始衰减值G0的获取

标准VE值获取并存储在存储器中后，理论上ALC的闭环在限定的温度范围内均能实现。但考虑到功率放大单元在低温-20℃以下、高温+40℃以上的增益变化较大，如果以常温下的初始衰减值开始进行闭环调整，ALC闭环时间会大大增加，不能满足快速跳频系统的要求。因此根据功率放大单元的高低温特性，以低温-20℃和高温+40℃为温度点增加两类初始衰减值G00和G01。实际工作中-20℃以下用G00做为初始衰减值，+40℃以上用G01作为初始衰减值。

G00值的获取是在环境温度-20℃下进行。设备在低温环境开机后，启动功率补偿模式，跳频通信控制器发送频率信息给FPGA，FPGA根据频率信息把常温衰减值G0写入数控衰减器，然后射频信号发生器发射稳定的射频信号，FPGA通过SPI总线读取正向功率检测电平，并与存储在EEPROM2中的标准功率电平VE值比较，根据差值调整数控衰减器的衰减值。通过多次调整后达到与标准VE值在精度范围内相等。此时数控衰减器内的衰减值即为低温初始衰减值G00。高温初始衰减值在环境温度+40℃下进行，获取流程与低温G00值的获取流程相同。

3 在宽频段高速跳频通信中的应用

在某型号宽频段高速跳频通信设备研制中，为满足宽频段内所有频点的功率平坦度要求，利用该数字ALC技术替代原来的模拟ALC技术实现ALC单元与功率放大单元的完美结合，获得了稳定快速的功率闭环，而且功率输出的平坦度明显优于模拟ALC闭环。数字ALC闭环精度取决于数控衰减器的最低有效位，在本电台设计中结合实际性能指标要求采用了0.5dB步进的数控衰减器，使得输出功率的波动控制在1.0dB范围内。如果采用0.25dB步进或者更高精度的数控衰减器，功率波动的范围能能够控制在0.5dB范围内。为了节省存储空间，结合功率放大单元的功率输出的非突变性特点，标准功率值以1MHz频率间隔获取，其他频点假设为相邻两频点间的线性变化，通过计算获取。试验测试了本文设计的数字闭环设备和原模拟闭环设备的在常温和高温情况下的功率输出随工作频率的变化，实际测试结果如图6、图7所示。

由实际测试可以看出，数字闭环在常温和高温环境下的功率基本不变，功率偏差能够控制在1dB范围内，功率输出平坦度优于模拟闭环。而模拟闭环功率在高温下功率下降较多，这与模拟闭环的参考电平固定及模拟电路参数的温度敏感性有关。

4 结语

数字ALC结合成熟的可编程数字技术和快速AD技术实现了快速稳定的宽带无线通信功率闭环。通过本设计验证了数字ALC的功能和性能，并在宽带高速跳频设备的设计中得到有效应用，为宽频段高速跳频系统提供了一种实用有效的功率控制方法。

参考文献

[1]许晓丽，赵明涛.无线通信原理[M].北京：北京大学出版社，2014

[2]梅文华，王淑波，邱永红，杜兴民.跳频通信.长沙：国防工业出版社，2005

[3]雷森.PLC应用于微波发射机控制保护系统的研究[J].电器自动化，2000（04）：75-77.

收稿日期：2015-07-23

作者简介：李元帅（1980—），男，河南南阳人，硕士，主要研究方向：自动化控制。

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