基于pid算法的微波鏈路自動增益控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)，包括：可控放大器/衰減器單元，用于接收信號并對信號進行放大/衰減處理；信號調(diào)理單元，與可控放大器/衰減器單元相連，用于對由可控放大器/衰減器單元進行處理后的信號進行預(yù)處理，以獲取預(yù)處理后的模擬信號；ADC單元，用于對模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以獲取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；信號處理單元，用于對數(shù)字信號進行基于PID算法的自動增益控制運算而得到控制信號以便通過所述控制信號對所述微波鏈路進行控制。本發(fā)明的系統(tǒng)，響應(yīng)時間短，輸出功率穩(wěn)定。本發(fā)明還提出一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制方法。
【專利說明】基于PID算法的微波鏈路自動增益控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波鏈路控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]雷達回波模擬器中采用自動增益控制(Automatic Gain ControI,AGC)技術(shù),使得接收鏈路能夠跟蹤輸入信號幅度波動而自動調(diào)整鏈路增益，保證了模擬器輸出功率的穩(wěn)定性。當目標遠時，鏈路應(yīng)該有足夠的增益，以保證微弱信號能夠被檢測到。當目標距離較近或者有較強干擾時，鏈路增益隨之降低，以保證接收機及信號處理機等設(shè)備正常工作。接收鏈路的AGC電路，實際上是一個動態(tài)壓縮裝置，即AGC電路可以使接收鏈路輸入功率的動態(tài)范圍很大而輸出功率穩(wěn)定在很小的范圍。
[0003]常用的AGC控制技術(shù)，雖然采用閉環(huán)控制方式通過對模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analogto Digital Converter，ADC)的輸出來與參考值進行比較，輸出功率變大時，增加衰減器的衰減量。變小時，減少衰減器的衰減量，以此達到目標使輸出功率穩(wěn)定的目的。但是AGC調(diào)整的步進量固定，導(dǎo)致響應(yīng)時間過長。可控衰減器單一且衰減量步進值太大，導(dǎo)致輸出信號功率穩(wěn)定度不夠等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種響應(yīng)時間短，輸出功率穩(wěn)定的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制方法。
[0006]本發(fā)明第一方面實施例提出了一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)，包括:可控放大器/衰減器單元，用于接收信號并對所述信號進行放大/衰減處理；信號調(diào)理單元，所述信號調(diào)理單元與所述可控放大器/衰減器單元相連，用于對由所述可控放大器/衰減器單元進行處理后的信號進行預(yù)處理，以獲取預(yù)處理后的模擬信號；ADC單元，用于對所述模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以獲取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；信號處理單元，用于對所述數(shù)字信號進行基于PID算法的自動增益控制運算而得到控制信號以便通過所述控制信號對所述微波鏈路進行控制。
[0007]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)，信息處理單元采用FPGA來實現(xiàn)PID算法，由于PID算法的先進性，在不同情況下自動增益控制調(diào)整的步進量是變化的，當需要調(diào)整的值大時，步進量變大，小時，則步進量變小，從而減少了自動增益控制過程響應(yīng)時間，又降低了調(diào)整過程的震蕩。同時采用可控放大器/衰減器單元在保證信號質(zhì)量的情況下，通過降低衰減量步進值，提高了出信號功率穩(wěn)定度。
[0008]在一些示例中，所述可控放大器/衰減器單元還用于將輸出信號的功率調(diào)整在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。[0009]在一些示例中，所述信號調(diào)理單元具體包括:信號隔離器，用于對所述處理后的信號進行隔離；濾波器，所述濾波器與所述信號隔離器相連，用于濾除所述處理后的信號的噪聲。
[0010]在一些示例中，所述信息處理單元采用FPGA來實現(xiàn)基于PID算法的自動增益控制運算。
[0011]在一些示例中，所述衰減器包括:數(shù)控衰減器和電調(diào)衰減器。
[0012]本發(fā)明第二方面的實施例提出一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制方法，包括以下步驟:初始化系統(tǒng)及PID運算參數(shù)；識別并采集信號；對所述信號進行處理，以獲取處理后的信號；
[0013]對所述處理后的信號進行基于PID算法的自動增益控制運算，獲取運算后的信號，并對所述運算后的信號進行歸一化處理；判斷所述歸一化處理后的信號是否超出預(yù)設(shè)范圍，若否，則輸出控制信號。
[0014]根據(jù)本發(fā)明實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制方法，使得微波鏈路自動增益控制的響應(yīng)時間變短，同時又保證了信號的輸出功率的穩(wěn)定性。
[0015]在一些示例中，識別并采集信號具體包括:識別所述信號的脈沖重復(fù)周期；對所述信號進行采樣，并將采樣信號與預(yù)設(shè)檢波門限比較，以獲取有效信號。
[0016]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2是本發(fā)明一個實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)的工作過程圖；
[0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的PID算法的工作原理圖；和
[0020]圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。如圖1所示，本發(fā)明第一方面的實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)包括:可控放大器/衰減器單元100、信號調(diào)理單元200、ADC單元300和信號處理單元400。
[0023]其中，可控放大器/衰減器單元100，用于接收信號并對信號進行放大/衰減處理。信號調(diào)理單元200，與可控放大器/衰減器單元100相連，用于對由可控放大器/衰減器單元100進行處理后的信號進行預(yù)處理，以獲取預(yù)處理后的模擬信號。ADC單元300，用于對由信號調(diào)理單元200處理得到的模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以獲取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號。信號處理單元400，用于對由ADC單元300處理得到的數(shù)字信號進行基于PID算法的自動增益控制運算而得到控制信號以便通過控制信號對微波鏈路進行控制。此外，可控放大器/衰減器單元100還用于將輸出信號的功率調(diào)整在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
[0024]在一個示例中，可控放大器/衰減器單元100的衰減器102具體包括:數(shù)控衰減器10和電調(diào)衰減器20。兩者聯(lián)合使用，射頻部分采用數(shù)控衰減器10，中頻部分采用電調(diào)衰減器20，射頻部分數(shù)控衰減器的高衰減量步進值雖然降低了射頻輸出信號的穩(wěn)定度，但是卻提高了信號的信噪比，滿足信號質(zhì)量要求。中頻部分采用低衰減量步進值的電調(diào)衰減器可以對輸出信號功率進行微調(diào)，彌補信號穩(wěn)定度的缺陷，兩者的聯(lián)合使用保證了最終輸出信號的質(zhì)量和穩(wěn)定度。信號調(diào)理單元200包括:信號隔離器201和濾波器202。其中，信號隔離器201，用于對由可控放大器/衰減器單元100進行放大/衰減處理后的信號進行隔離。濾波器200，與信號隔離器201相連，用于濾除處理后的信號的噪聲。這樣就保證了信號的質(zhì)量。信息處理單元300采用FPGA來實現(xiàn)基于PID算法的自動增益控制運算。
[0025]例如，以如圖2所示的動態(tài)雷達信號為例，具體描述本發(fā)明實施例的基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)的工作過程。
[0026]動態(tài)變化的雷達信號首先通過可控放大器/衰減器單元100，其中的放大器101雖然是可控的，但增益一般設(shè)置為固定，60dB左右，以此來滿足鏈路中其他部分的信噪比。衰減器202的衰減量是可調(diào)的，包括數(shù)控衰減器10和電調(diào)衰減器20，數(shù)控衰減器10的衰減范圍31.5dB,電調(diào)衰減器20的衰減范圍40dB。數(shù)控衰減器的衰減量步進值為0.5dB。在具體實現(xiàn)過程中，可控放大器/衰減器單元100中放大器101和衰減器202的控制信號由信號處理單元400的FPGA提供。電調(diào)衰減器20的控制量為模擬信號，F(xiàn)PGA輸出的數(shù)字信號首先控制電壓范圍(O?IV)變化的DAC (Digital-to-Analog Converter), DAC輸出變化的電壓再去控制電調(diào)衰減器20的衰減量，DAC的分辨率對應(yīng)電調(diào)衰減器20的衰減量步進值，在本發(fā)明的一個示例中，采用10位的DAC，對應(yīng)的電調(diào)衰減器衰減量步進值為0.04dB。
[0027]動態(tài)變化的雷達信號經(jīng)過可控放大器/衰減器單元100處理后的信號輸入至信號調(diào)理單元200。先經(jīng)過信號隔離器201隔離處理后，傳送至濾波器202進行濾波，濾掉噪聲，得到預(yù)處理后的模擬信號。之所以采用信號隔離器201隔離處理，是因為泄漏的信號會導(dǎo)致自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)的誤觸發(fā),使AGC無法正常工作。在本發(fā)明的一個實施例中，濾波器202采用帶通濾波器，保證了信號的質(zhì)量。
[0028]將得到的模擬信號輸入到ADC單元300進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，在本發(fā)明的一個實施例中，ADC的采樣頻率為1.2GSPS，采樣精度為8bit，輸出數(shù)字信號為DDR模式，以提高數(shù)據(jù)傳輸率并減少硬件連線數(shù)量。ADC單元300的輸出與信號處理單元400的FPGA輸入連接。信號處理單元400的FPGA接收到所數(shù)字信號后，進行基于PID算法的自動增益控制運算，輸出相應(yīng)的控制信號，即信號處理單元400的FPGA輸出的控制信號與可控放大器/衰減器單元100的控制端連接。
[0029]其中，基于PID算法的自動增益控制運算過程如圖3所示。PID控制(比例、積分、微分控制)主要在信號處理單元FPGA中實現(xiàn)，由于FPGA時鐘周期可以達到納秒級，適于應(yīng)用在高速領(lǐng)域和實時監(jiān)控領(lǐng)域，應(yīng)用在此處可以保證雷達回波模擬器對于輸入信號實時監(jiān)測并進行自動增益控制的實現(xiàn)。在本發(fā)明的一個實施例中，只使用了 PI，即比例和積分兩項就能滿足要求。其中Ref為PID運算的參考值,Kp為比例系數(shù),Ki為積分系數(shù)，e為Ref與目標信號的差值。e實際上是期望的目標信號與實際的目標信號的差值，實際的目標信號是經(jīng)ADC單元300采集后傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧?00的FPGA中保存處理，即經(jīng)信號調(diào)理單元后輸出的雷達信號。偏差值提供給AGC進行PI運算，再進行歸一化處理后得到衰減器的衰減值，從而達到AGC的功能，使目標信號輸出動態(tài)范圍符合系統(tǒng)設(shè)置要求。以上所涉及的離散PID公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制系統(tǒng)，其特征在于，包括: 可控放大器/衰減器單元，用于接收信號并對所述信號進行放大/衰減處理； 信號調(diào)理單元，所述信號調(diào)理單元與所述可控放大器/衰減器單元相連，用于對由所述可控放大器/衰減器單元進行處理后的信號進行預(yù)處理，以獲取預(yù)處理后的模擬信號；ADC單元，用于對所述模擬信號進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，以獲取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號； 信號處理單元，用于對所述數(shù)字信號進行基于PID算法的自動增益控制運算而得到控制信號以便通過所述控制信號對所述微波鏈路進行控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可控放大器/衰減器單元還用于將輸出信號的功率調(diào)整在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)理單元具體包括: 信號隔離器，用于對所述處理后的信號進行隔離； 濾波器，所述濾波器與所述信號隔離器相連，用于濾除所述處理后的信號的噪聲。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信息處理單元采用FPGA來實現(xiàn)基于PID算法的自動增益控制運算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述衰減器包括:數(shù)控衰減器和電調(diào)衰減器。
6.一種基于PID算法的微波鏈路自動增益控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 初始化系統(tǒng)及PID運算參數(shù)； 識別并采集信號； 對所述信號進行處理，以獲取處理后的信號； 對所述處理后的信號進行基于PID算法的自動增益控制運算，獲取運算后的信號，并對所述運算后的信號進行歸一化處理；判斷所述歸一化處理后的信號是否超出預(yù)設(shè)范圍，若否，則輸出控制信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，識別并采集信號具體包括: 識別所述信號的脈沖重復(fù)周期；對所述信號進行采樣，并將采樣信號與預(yù)設(shè)檢波門限比較，以獲取有效信號。
【文檔編號】H03G3/20GK103873002SQ201410133704
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】尤政, 梁志恒, 雷磊, 陶青長 申請人:清華大學(xué)