卿剑 王宗谦
广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663
摘要：本文提出了一种适合高速跳频系统的数字自动电平控制（ALC）方法，通过优化设计显著改善系统输出功率的平坦度，文中详细说明了设计过程，并在实际系统中验证了其性能。
关键词：跳频通信；ALC；功率平坦度
A ALC method based on Frequency Hopping
Qing Jian，Wang ZongQian
（Guangzhou Haige Communications Industry Group Co.，Ltd，Guangzhou 510663）
Abstract In this paper，a ALC method based on Frequency Hopping is proposed，with which the power flatness 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.
Key words FH communication；ALC；power flatness
1.引言
在跳频无线通信系统中发射链路的增益会随着工作频点跳变、环境温度变化出现较大波动，导致输出功率不平坦，影响系统正常工作。自动电平控制（ALC）电路的作用是当发射链路部分电路的增益出现波动时自动进行补偿，实现发射链路总增益稳定在一个相对恒定的值。为保证整机输出功率稳定，在系统发射链路中设置ALC电路尤为必要。当前很多跳频系统的ALC是基于模拟电路设计，对射频发射链路的检测平坦度要求高，电路调试复杂，参数不易更改通用性差，增益调整范围有限，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，降低射频发射链路的检测平坦度要求，具有较高的灵活性与性价比。
2.数字ALC原理
图1 数字ALC原理框图
本文所设计的数字ALC框图如图1所示。整个系统由数控衰减器，放大器，定向耦合器，检波器，ADC，EEPROM以及FPGA组成。数控衰减器的衰减值调整步可达0.25dB，调整范围为0~31.5dB。调整数控衰减器的衰减量可以补偿放大器的增益波动。检波器采用大动态范围的均方根值检波器AD8362，可以检测?52 dBm~+8dBm范围内的信号。通过配置AD8362的外围电路可以对检测电压进行平滑滤波，减小功率检测的误差，ADC将模拟电压表示的功率值量化为数字信息，EEPROM用于存储发射功率参考值Pre和数控衰减器初始衰减值Aini，FPGA比较功率检测值Pout和发射功率参考值Pre，并调整数控衰减器衰减值，实现ALC控制。
3.数字ALC流程
目前常见跳频系统中，波形设计会在一跳数据的跳头加入训练头，用于射频信道的AGC和ALC调整。在高速跳频系统中为减少开销提高传输效率，需尽量压缩训练头时间，这就要求跳频系统的ALC能快速响应并精准控制输出功率。本文根据跳频系统对ALC的要求，提出一种数字ALC方法，该方法能降低射频硬件检测平坦度要求，提高射频硬件的通用性和灵活性，同时能快速、准确响应，缩短ALC时间，提高系统传输效率。
本文中数字ALC的主要工作流程是：①FPGA解析频率字，获取当前工作频率；②FPGA读取EEPROM中对应频率的发射功率参考值Pre和数控衰减器初始衰减值Aini；③FPGA将数控衰减器的衰减值设置为Aini；④FPGA通过ADC检测发射功率Pout；⑤FPGA比较Pout与Pre，计算出两者的差值；⑥FPGA根据上述差值修正数控衰减器的衰减值，使Pout逼近Pre，实现功率闭环控制。跳频数字ALC流程图见图2。
图2 数字ALC流程图
4.参考功率校准
本文设计的数字ALC需要在功放单元射频指标调试完成后，对功放单元进行参考功率校准操作。功放单元参考功率校准框图如图3所示。参考功率校准系统由PC机、信号源、功率计和功放单元组成。参考功率校准的目的是检测功放单元在所有工作频点输出标准功率时所对应的正向功率检测电压，并将该检测电压保存在功放内部的EEPROM中。该数值即为各频点的发射功率参考值Pre。通过参考功率校准，可以得到功放单元功率检测电路的频响特性，降低射频硬件检测平坦度要求。
图3 参考功率校准原理框图
参考功率校准流程是：①PC控制信号源在工作频段内的起始频点输出固定激励Pin；②PC调整功放单元数控衰减器的衰减值，同时通过功率计检测功放单元输出功率Pout，使其逼近于系统要求的标准输出功率；③PC控制功放单元将对应的正向功率检测电压Vf存储在EEPROM中；④PC控制信号源切换至下一工作频率，重复步骤②、步骤③，直至所有工作频点校准完毕。
5.初始功率扫描
在跳频系统中，跳频规律由跳频图案决定，各个频率随机出现。由于射频发射链路的频率特性，系统在各个频点上输出的功率差异较大。为保证各频点上输出的功率能快速稳定在系统指标范围内，本文中的数字ALC在系统开机自检阶段快速对整个频段上的频点进行初始功率扫描。初始功率扫描的过程如下：①系统从EEPROM中读取该频点的发射功率参考值Pre；②系统控制功放激励单元在该频点输出固定激励Pin；③系统调整功放单元数控衰减器的衰减值，同时通过ADC检测功放单元输出功率Pout，使其逼近于发射功率参考值Pre；④系统控制功放单元将对应的衰减值存储在EEPROM中，该值即为数控衰减器初始衰减值；⑤系统控制功放激励单元切换至下一工作频率，重复步骤①、②、③、④，直至所有工作频点扫描完毕。
初始功率扫描完成后，系统跳频工作时从EEPROM中读取当前工作频率的初始衰减值并配置数控衰减器，将功放单元输出功率迅速调整在发射功率参考值Pre附近，大幅减少后续实时功率校正时间。
6.实时功率校准
射频发射链路中放大器的增益、滤波器的插入损耗会随温度变化。这些器件的温度特性逐级累加，导致整个射频发射链路的增益随温度变化有较大波动。但是发射功率检测电路中的定向耦合器、检波器、ADC随温度的变化很小，因此正向功率检测电压Vf随温度的变化也很小，可以认为是恒定不变的。本文设计的数字ALC在波形的训练头部分，根据Vf实时调整数控衰减器的衰减值，保证功放单元的输出功率逼近发射功率参考值Pre，使得系统在整个工作温度范围内输出功率保持稳定。
Vf检测电压实际上是对Vf电压一段时间内的积分，积分时间越长，电压纹波越小，检测越准。但是积分时间越长检测电压的响应速度越慢，会导致检测电压稳定时间过长，在高速跳频应用中难以使用。Vf检测电压积分时间在模拟电路中是用电容来调整，也可以在FPGA中通过对Vf电压求平均值的方法实现，其平均时间即为积分时间。通过软硬件的优化可以得到Vf电压检测精度与响应速度的最佳平衡。
在实时功率校正过程中，ALC的调整时间一般为微秒的量级，为减少调整误差和缩短收敛时间，需要通过初始功率校准得到各工作频点的数控衰减器初始衰减值，并在初始衰减值的基础上连续小步进调整。
7.测试结果
图4展示了使用此方法实际测试效果。从图中可以看出由于初始发射功率偏小，在该跳的训练头里数字ALC连续小步进调整了三次，每调整一次约10μs，共耗时30μs。在数字ALC的调整下，系统发射功率逐渐增大，
最终收敛到稳定的功率上。
图4 数字ALC测试效果
8.结束语
ALC作为射频发射链路的必要组成部分对跳频通信系统发射功率的准确度、平坦度起了决定性的影响。本文提出了一种适合高速跳频通信系统的数字ALC方法，避免了传统模拟ALC的弊端，在实际跳频通信系统中获得了很好的使用效果。该方法具有通用性好，响应速度快，增益调整精度高，调整范围宽等优点，是一种理想的跳频发射信道功率控制方案，ALC的响应时间可以达到微秒级。
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作者简介：
卿剑，男，硕士，研究方向：射频前端；王宗谦，男，硕士，研究方向：数字信号处理。
论文作者:卿剑,王宗谦
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/23
标签：衰减器论文; 功率论文; 功放论文; 系统论文; 射频论文; 单元论文; 电压论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;