一种基于FPGA的双馈自动电平控制系统的制作方法

一种基于fpga的双馈自动电平控制系统
技术领域
1.本发明属于射频微波技术领域，具体涉及一种基于fpga的双馈自动电平控制系统。


背景技术：

2.自动电平控制系统(alc)是针对元器件本身性能的不稳定或环境引起的工作点漂移而引入的一种系统，它可以将原来偏离预定值的信号功率拉回到理想值，广泛应用于信号源和移动通信系统的发射机中。具体来说，自动电平控制系统的作用主要体现在两方面：一个是将前级链路中，由于链路器件不稳定或外界干扰带来的有波动的输出信号功率进行自动调节、校正，最后输出一个非常稳定的信号；二是根据后级系统的需求，实时自动调整输出信号的功率大小，并且保持恒定。
3.图1为现有技术的一种模拟alc环路，射频信号在主链路上经过放大衰减再放大之后经过耦合器输出，同时耦合部分信号经过检波和对数放大形成一个与输出功率成比例关系的电压信号，该电压与预置功率参考电压求和后进行环路积分，得到控制电压经过指数放大后控制线性衰减电路的衰减量，从而实现对主链路上射频信号功率的调节。当射频信号功率大于期望值时，检波电压增大，与参考电压求和再经环路积分后的控制电压增大，线性衰减量增大，输出功率减小，反之亦然。但是，该控制方法存在一定的缺陷：首先，由于输出功率和检波电压的非线性关系以及控制电压与衰减量的非线性关系，需要额外的对数放大和指数放大电路，导致电路设计复杂；其次，由于存在环路积分电路，响应时间较长，在am调制(调幅调制)时环路可能响应太慢导致信号幅度出错，参数调试繁杂，同时还占用大量印制板面积资源，造成仪器小型化困难的问题。
4.图2为另一种现有技术的数字alc环路，该方法和模拟alc的区别在于将耦合检波出来的电压直接送入数字处理器进行参考电压的比较，形成数字控制信号控制主链路上的数字衰减器的衰减量，从而调节功率大小。数字alc环路避免了复杂的电路设计，但是却存在以下局限：动态范围不够，只有数字衰减器提供的最大衰减量；功率分辨率取决于数控衰的最低位，一般只能做到0.5db，不能满足现有信号源输出功率分辨率的需求；另外在开环情况下，当输入功率变化时，已有的参考功率值不能实现对输出功率的精准控制。
5.目前信号源中使用的alc环路大多为模拟环路的方式，通过耦合检波的方式将信号和参考信号进行比较处理，来控制衰减器。这种方式的alc可调节的动态范围不大，环路响应时间在us级，检波电压受温度影响较大，不能满足捷变频信号源的需求。而数字alc环路通过将比较电路和环路积分在数字域实现，避免了复杂的硬件电路，但由于电路只存在反馈环路，当电路开环时数字alc电路不能捕捉输入功率的变化，会导致输出功率的不准确；而且，数字alc电路的输出动态范围不够大，通常只有30db。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于fpga的双馈自动
电平控制系统。本发明采用双馈环路的数字alc方案，有效避免了复杂的硬件电路，实现带温度补偿特性的、高精度、大动态范围的功率输出，开环状态下实现了功率捷变。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
8.一种基于fpga的双馈自动电平控制系统，其特征在于，所述控制系统包括主链路和前馈环路；
9.所述主链路包括依次连接的第一耦合器、第一数字衰减电路、第一放大电路、第二数字衰减电路、模拟衰减电路、第二放大电路和第二耦合器；输入信号传输至第一耦合器，经第一耦合器耦合后，耦合端输出的第一耦合信号传输至第一温度检测检波电路，直通端输出的信号传输至最大衰减量为30db的第一数字衰减电路，经第一数字衰减电路调整信号幅度后，传输至第一放大电路进行放大处理，放大处理后的信号再输入最大衰减量为30db的第二数字衰减电路，经第二数字衰减电路调整信号幅度后，传输至模拟衰减电路对信号幅度进行调整，模拟衰减电路的衰减步进≤0.01db、最大衰减量为10db，调整后的信号经第二放大电路进行放大处理、保证主链路的增益，放大后的信号传输至第二耦合器，经第二耦合器耦合后，耦合端输出的第二耦合信号传输至第二温度检测检波电路，直通端为输出信号；
10.所述前馈环路包括第一温度检测检波电路、第一adc采样电路、fpga和dac转换电路；其中，第一耦合信号输入第一温度检测检波电路，经第一温度检测检波电路转化为电压信号(第一检波电压)、并检测环境温度后，第一检波电压信号传输至第一adc采样电路，经第一adc采样电路转换为第一数字电压信号后传输至fpga，环境温度直接传输至fpga；fpga根据接收到的第一数字电压信号和环境温度计算得到输入功率，根据输入功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号至第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和dac转换电路，调控第一数字衰减电路和第二数字衰减电路的衰减量，dac转换电路将fpga下发的数字控制信号转化为模拟电压信号，控制模拟衰减电路的衰减量。
11.进一步地，所述双馈自动电平控制系统还可以包括反馈环路，所述反馈环路包括第二温度检测检波电路、第二adc采样电路、fpga和dac转换电路；其中，第二耦合信号输入第二温度检测检波电路，经第二温度检测检波电路转化为电压信号(第二检波电压)、并检测环境温度后，第二检波电压信号传输至第二adc采样电路，经第二adc采样电路转换为第二数字电压信号后传输至fpga，环境温度直接传输至fpga；fpga根据接收到的第二数字电压信号和环境温度计算得到输出功率，根据输出功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号至第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和dac转换电路，调控第一数字衰减电路和第二数字衰减电路的衰减量，dac转换电路将fpga下发的数字控制信号转化为模拟电压信号，控制模拟衰减电路的衰减量。
12.一种基于双馈自动电平控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
13.步骤1、主链路的功率校准：
14.在输入功率固定为p0、频率固定为f0、环境温度为常温的条件下，通过fpga下发数字信号控制第一数字衰减电路和第二数字衰减电路在衰减量为0～30db的范围内以5db的步进进行衰减，fpga下发数字信号通过dac转换电路，控制模拟衰减电路在衰减量为0～10db的范围内以0.01db的步进进行衰减；获得第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值(第二耦合器输出信号)，得到功率校准表；
15.步骤2、主链路的频率响应校准：
16.改变输入信号的频率，重复步骤1的过程，获得在不同的输入频率下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值，得到频率
‑
功率二维校准表；
17.步骤3、主链路的温度校准：
18.改变环境温度，重复步骤2的过程，获得在不同的环境温度、不同的输入频率下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值，得到温度
‑
频率
‑
功率三维校准表，记为表1；
19.步骤4、建立输入功率与第一数字电压信号对应关系：
20.改变输入信号的功率，记录在不同输入信号功率下的第一数字电压信号值，建立输入信号功率与第一数字电压信号值的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输入信号功率与第一数字电压信号值的关系；改变环境温度，记录在不同环境温度、不同输入信号频率下，输入信号功率与第一数字电压信号值的关系，得到一张三维表，记为表2；
21.步骤5、自动电平控制：
22.假设预设输出功率为p1，fpga根据接收到的第一数字电压信号和环境温度，查询表2，获得当前输入功率值p；计算当前功率值p与输入功率p0的差值δp，δp＝p
‑
p0，得到当前输入功率下输出功率值p2＝p1‑
δp；在表1中查找功率值p2下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量，然后，通过fpga下发数字信号，控制第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量，实现对输出功率的快速精准控制。
23.一种基于双馈自动电平控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
24.步骤1、主链路的功率校准：
25.在输入功率固定为p0、频率固定为f0、环境温度为常温的条件下，通过fpga下发数字信号控制第一数字衰减电路和第二数字衰减电路在衰减量为0～30db的范围内以5db的步进进行衰减，fpga下发数字信号通过dac转换电路，控制模拟衰减电路在衰减量为0～10db的范围内以0.01db的步进进行衰减；获得第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值(第二耦合器输出信号)，得到功率校准表；
26.步骤2、主链路的频率响应校准：
27.改变输入信号的频率，重复步骤1的过程，获得在不同的输入频率下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值，得到频率
‑
功率二维校准表；
28.步骤3、主链路的温度校准：
29.改变环境温度，重复步骤2的过程，获得在不同的环境温度、不同的输入频率下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值，得到温度
‑
频率
‑
功率三维校准表，记为表1；
30.步骤4、建立输入功率与第一数字电压信号对应关系：
31.改变输入信号的功率，记录在不同输入信号功率下的第一数字电压信号值，建立输入信号功率与第一数字电压信号值的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输入信号功率与第一数字电压信号值的关系；改变环境温度，记录在不同环境温
度、不同输入信号频率下，输入信号功率与第一数字电压信号值的关系，得到一张三维表，记为表2；
32.步骤5、建立输出功率与第二数字电压信号对应关系：
33.改变输入信号的功率，记录在不同输出功率下的第二数字电压信号值，建立输出功率与第二数字电压信号值的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输出功率与第二数字电压信号值的关系；改变环境温度，记录在不同环境温度、不同输入信号频率下，输出功率与第二数字电压信号值的关系，得到一张三维表，记为表3；
34.步骤6、自动电平控制：
35.假设预设输出功率为p1，fpga根据接收到的第一数字电压信号和环境温度，查询表2，获得当前输入功率值p；计算当前功率值p与输入功率p0的差值δp，δp＝p
‑
p0，得到当前输入功率下输出功率值p2＝p1‑
δp；在表1中查找功率值p2下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量，然后，通过fpga下发数字信号，控制第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量；
36.根据反馈环路输出的第二数字电压信号v
r
，查询表3，获得v
r
对应的输出功率值p
r
，以功率值p2与功率值p
r
的差值作为自变量进行pid运算，得到fpga的控制信号，实现对第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量的调控。
37.进一步地，步骤3中，环境温度的范围为
‑
40℃～80℃，步进为5℃。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
39.1、本发明提供的一种基于fpga的双馈自动电平控制系统，采用双馈环路，在开环情况下，前馈环路的增加使得系统能根据输入功率的大小自动改变固有的电压参考值，保证输出功率的准确性。
40.2、本发明提供的一种基于fpga的双馈自动电平控制系统，相比于传统的自动电平控制系统，电路实现方式简单，在不同场景应用时，只需重新建表，无需更改电路结构。
41.3、本发明提供的一种基于fpga的双馈自动电平控制系统，在检波电路中加入温度检测模块，实现不同温度下检波电压与输入输出功率的精准对应关系，具有温度补偿特性，避免了传统复杂的硬件电路设计实现温度补偿。
附图说明
42.图1为现有技术的一种模拟alc环路；
43.图2为另一种现有技术的数字alc环路；
44.图3为本发明提供的一种基于fpga的双馈自动电平控制系统的结构示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
46.实施例
47.如图3所示，为本发明提供的一种基于fpga的双馈自动电平控制系统的结构示意图。包括主链路、前馈环路和反馈环路；
48.所述主链路包括依次连接的第一耦合器、第一数字衰减电路、第一放大电路、第二数字衰减电路、模拟衰减电路、第二放大电路和第二耦合器；输入信号传输至第一耦合器，
经第一耦合器耦合后，耦合端输出的第一耦合信号传输至第一温度检测检波电路，直通端输出的信号传输至最大衰减量为30db的第一数字衰减电路，经第一数字衰减电路调整信号幅度后，传输至第一放大电路进行放大处理，放大处理后的信号再输入最大衰减量为30db的第二数字衰减电路，经第二数字衰减电路调整信号幅度后，传输至模拟衰减电路对信号幅度进行调整，模拟衰减电路的衰减步进≤0.01db、最大衰减量为10db，调整后的信号经第二放大电路进行放大处理、保证主链路的增益，放大后的信号传输至第二耦合器，经第二耦合器耦合后，耦合端输出的第二耦合信号传输至第二温度检测检波电路，直通端为输出信号；
49.所述前馈环路包括第一温度检测检波电路、第一adc采样电路、fpga和dac转换电路；其中，第一耦合信号输入第一温度检测检波电路，经第一温度检测检波电路转化为电压信号(第一检波电压)、并检测环境温度后，第一检波电压信号传输至第一adc采样电路，经第一adc采样电路转换为第一数字电压信号后传输至fpga，环境温度直接传输至fpga；fpga根据接收到的第一数字电压信号和环境温度计算得到输入功率，根据输入功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号至第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和dac转换电路，调控第一数字衰减电路和第二数字衰减电路的衰减量，dac转换电路将fpga下发的数字控制信号转化为模拟电压信号，控制模拟衰减电路的衰减量；
50.所述反馈环路包括第二温度检测检波电路、第二adc采样电路、fpga和dac转换电路；其中，第二耦合信号输入第二温度检测检波电路，经第二温度检测检波电路转化为电压信号(第二检波电压)、并检测环境温度后，第二检波电压信号传输至第二adc采样电路，经第二adc采样电路转换为第二数字电压信号后传输至fpga，环境温度直接传输至fpga；fpga根据接收到的第二数字电压信号和环境温度计算得到输出功率，根据输出功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号至第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和dac转换电路，调控第一数字衰减电路和第二数字衰减电路的衰减量，dac转换电路将fpga下发的数字控制信号转化为模拟电压信号，控制模拟衰减电路的衰减量。
51.实施例基于fpga的双馈自动电平控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：
52.步骤1、主链路的功率校准：
53.在输入功率固定为p0＝
‑
10dbm、频率固定为f0＝1ghz、环境温度为常温(25℃)的条件下，通过fpga下发数字信号0到60控制第一数字衰减电路和第二数字衰减电路在衰减量为0～30db的范围内以5db的步进进行衰减，fpga下发数字信号0到4095通过dac转换电路，控制模拟衰减电路在衰减量为0～10db的范围内以0.01db的步进进行衰减；获得第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值(第二耦合器输出信号)，得到功率校准表；
54.步骤2、主链路的频率响应校准：
55.改变输入信号的频率，输入频率范围从400mhz到3.2ghz、以10mhz为步进，重复步骤1的过程，获得在不同的输入频率下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路在不同衰减量下的输出功率值，得到频率
‑
功率二维校准表；
56.步骤3、主链路的温度校准：
57.改变环境温度，环境温度的范围为
‑
40℃～80℃、步进为5℃，重复步骤2的过程，获得在不同的环境温度、不同的输入频率下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰
减电路在不同衰减量下的输出功率值，得到温度
‑
频率
‑
功率三维校准表，记为表1；
58.步骤4、建立输入功率与第一数字电压信号对应关系：
59.改变输入信号的功率，输入信号功率范围为
‑
10到10dbm、步进0.1db，记录在不同输入信号功率下的第一数字电压信号值，建立输入信号功率与第一数字电压信号值的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输入信号功率与第一数字电压信号值的关系；改变环境温度，环境温度的范围为
‑
40℃～80℃、步进为5℃，记录在不同环境温度、不同输入信号频率下，输入信号功率与第一数字电压信号值的关系，得到一张三维表，记为表2；
60.步骤5、建立输出功率与第二数字电压信号对应关系：
61.改变输入信号的功率，输入信号功率范围为
‑
10到10dbm、步进0.1db，记录在不同输出功率下的第二数字电压信号值，建立输出功率与第二数字电压信号值的关系；改变输入信号的频率，输入频率范围从400mhz到3.2ghz、以10mhz为步进，记录在不同输入信号频率下、输出功率与第二数字电压信号值的关系；改变环境温度，环境温度的范围为
‑
40℃～80℃、步进为5℃，记录在不同环境温度、不同输入信号频率下，输出功率与第二数字电压信号值的关系，得到一张三维表，记为表3；
62.步骤6、自动电平控制：
63.假设预设输出功率为p1，fpga根据接收到的第一数字电压信号和环境温度，查询表2，获得当前输入功率值p；计算当前功率值p与输入功率p0的差值δp，δp＝p
‑
p0，得到当前输入功率下输出功率值p2＝p1‑
δp；在表1中查找功率值p2下，第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量，然后，通过fpga下发数字信号，控制第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量；
64.根据反馈环路输出的第二数字电压信号v
r
，查询表3，获得v
r
对应的输出功率值p
r
，以功率值p2与功率值p
r
的差值作为自变量进行pid运算，得到fpga的控制信号，实现对第一数字衰减电路、第二数字衰减电路和模拟衰减电路的衰减量的调控。
65.本发明提供的一种基于fpga的双馈自动电平控制系统，采用前馈环路，实现了对输入功率的采集，解决了一般数字alc电路开环输出时功率精度的问题；由于没有传统模拟alc电路中的对数转换电路和指数转换电路，大大简化了电路结构，降低了成本和复杂度；同时采用两级数字衰减器和一级模拟衰减器，充分利用了检波器的大动态范围检波特性，实现了大动态范围的功率输出和0.01db的功率分辨率。基于本发明双馈自动电平控制系统的控制方法，没有模拟alc积分换路，采用直接查表下发控制字的方式，实现功率的捷变，闭环时采用pid算法能实现更快的稳定速度；同时由于在不同温度下对数据的采集，实现了对alc电路的温度补偿。
66.上述实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。