数字ALC技术在高速跳频通信中的应用

数字ALC技术在高速跳频通信中的应用
摘要：介绍了无线通信中的功率发射控制原理及其作用。

针对模拟ALC（Automatic level control自动电平控制）
技术在高速跳频通信的局限性，提出了一种数字化的ALC功率控制方法。

该方法基于大规模可编程器件（FPGA）、高速AD、大容量存储器和可编程数控衰减器，通过闭环控制算法，实现了快速可靠的大功率发射控制。

应用该技术到某款宽频无线跳频通信设备中，测试结果表明数字ALC控制技术性能优于模拟ALC。

关键词：跳频通信ALC 功率发射控制可编程数控衰减器
中图分类号：TN722.7 文献标识码：A 文章编号：
1007-9416（2015）08-0000-00
Abstract：The theory of power emission control in wireless communication is introduced. In view of the limitation
of ALC technology in high speed frequency hopping communication system，a method of digital power control is proposed. The method is based on the FPGA，large capacity memory，high speed AD and programmable digital attenuator，which can achieve fast and reliable high power control. In the
application of this technology to a broadband frequency hopping communication device，the test results show that the performance of digital ALC is better than that of analog ALC technology。

Key words：hopping communication；Automatic level control；power emission control；programmable digital attenuator.
随着各种电子设备、无线通信设备的不断出现和应用，空间电磁环境愈来愈复杂，通信设备的抗电磁干扰能力要求不断提升。

大功率、宽频段的跳频通信作为有效的抗干扰、抗截获无线通信方式，在军事、救援以及商用通信等方面应用日益广泛[1]。

高速跳频通信系统对实时性的要求较高，每跳的信息必须在极短的时间内完成处理，而无线射频信号的输出功率闭环作为重要的功能，必须在更短的时间使得输出功率达到标准要求[2]。

功率ALC（Automatic level control自动电平控制）作为无线通信设备功率闭环控制技术，能够在各种因素影响输出功率稳定时，实现系统输出功率的自我闭环，从而恒定功率。

恒定的功率一方面保证功率放大器不会长时间工作在过功率状态下，造成设备可靠性降低；另一方面在满足设备通信距离要求的同时，不会产生过强的干扰信号影响其他设备的正常工作[3]。

因此ALC控制技术是大功率无线通信技术的重要部分。

本文针对传统的模拟ALC闭环系统对宽带无线跳频通信系统的不足，结合目前大规模数字集成电路的成熟技术，提出了一种适应高速跳频通信应用的系统的数字ALC闭环方法。

1 模拟ALC功率控制原理及局限
1.1模拟ALC功率控制原理
ALC控制的目的是在输出信号达到设定值时，一定范围
内的增大或者减小输入信号，输出信号电平能够基本保持不变，即功率放大器的增益自动随信号输出强度调整。

一般的ALC电路由两部分组成：功率增益通路和反馈控制通路。

压控衰减器位于功率放大器之前，通过压控衰减器调整功率放大器的输入激励信号来控制功率放大器的输出幅度。

反馈控制电路的基本部件是检波器、低通平滑滤波器和比较器。

放大器的输出信号经过耦合输出到检波器产生检波电平，并经过低通平滑滤波去除调制分量和噪声后，与设定的额定功率对应的电平值进行比较，产生用以控制压控衰减器的电压差Uc。

当输入射频信号RF-IN增大或者其他因素影响，造成输出功率RF-OUT增大时，耦合检波电平Uc随之增大。

作为负反馈电路，Uc增大会增加压控衰减器的衰减值，从而功率放大器的输入激励减小，输出功率随之减小。

如果输出功率RF-OUT偏小则压控衰减器衰减值减小，功率随之增大，
最终达到新的平衡。

1.2模拟ALC在宽频高速跳频通信中的局限性
宽频高速跳频无线通信系统相对于一般的通信系统有
如下特点：
（1）设备工作的频段覆盖比较宽，一般在几百兆赫兹的范围内工作，需要功率放大部分有良好的动态范围和平坦度，能够在几百兆的工作范围内保持基本一致的功率输出；
（2）由于是跳频工作，工作频点在几百甚至上千个频点之间随机快速切换，需要功率闭环在极短时间内完成。

国外一些跳频通信设备的跳频速率甚至可达10000跳，相当于0.1ms频率变化一次。

（3）在特殊应用场合，设备要求在-40℃～+60℃的环境温度下正常工作并保持输出功率基本不变。

传统的模拟ALC闭环系统主要适用于窄带、低速、定频通信设备，在闭环精度、闭环时间上不能很好的满足现代通信的宽频段、跳频大功率系统。

模拟闭环系统由于模拟电路本身的温度特性限制及宽带频率响应特性限制，在宽温环境及宽频段大功率工作条件下，不同频率点输出同样功率的参考电平实际不同，而模拟闭环的参考电平只能保持一种，造成闭环精度低、闭环不及时等问题，造成输出功率不平坦。

2 数字ALC功率控制设计
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。