無線功率放大器的快速自動(dòng)功率閉環(huán)控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線功率放大器的研究領(lǐng)域，特別涉及一種無線功率放大器的快速自動(dòng)功率閉環(huán)控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大功率、寬頻段的跳頻通信作為有效的抗干擾、抗截獲無線通信方式，在軍事、救援以及商用通信等方面應(yīng)用日益廣泛。大功率、寬頻段的跳頻通信對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，每跳的信息必須在極短的時(shí)間內(nèi)完成處理，而無線射頻信號(hào)的輸出功率閉環(huán)作為重要的功能，必須在更短的時(shí)間使得輸出功率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。功率ALC (Automatic level control自動(dòng)電平控制)作為無線通信設(shè)備功率閉環(huán)控制技術(shù)，能夠在各種因素影響輸出功率穩(wěn)定時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率的自我閉環(huán)，從而恒定功率。ALC技術(shù)一方面能夠控制輸出電平以保證功率放大器不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間工作在過功率狀態(tài)下，造成設(shè)備可靠性降低；另一方面能夠控制設(shè)備的輸出功率在設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的范圍內(nèi)，在滿足設(shè)備通信距離要求的同時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生過強(qiáng)的干擾信號(hào)影響其他設(shè)備的正常工作。因此ALC控制技術(shù)是大功率無線通信技術(shù)的重要組成部分。
[0003]目前的功率閉環(huán)方法主要采用模擬ALC方式，傳統(tǒng)的模擬ALC閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)速度低，主要適用于窄帶、低速、定頻通信設(shè)備，不能很好的滿足現(xiàn)代通信的寬頻段、跳頻大功率系統(tǒng)。另外模擬閉環(huán)系統(tǒng)由于模擬電路本身的溫度特性限制及寬帶頻率響應(yīng)特性限制，在寬溫環(huán)境及寬帶大功率工作條件下，不同頻段同樣功率的參考電平實(shí)際不同，而模擬閉環(huán)的參考電平只能保持一種，造成閉環(huán)精度低、閉環(huán)速率慢等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服模擬ALC閉環(huán)的不足，利用成熟的數(shù)字集成芯片，通過數(shù)字化計(jì)算，提供一種既能夠提升ALC控制精度，又能夠滿足快速跳頻通信需求的功率閉環(huán)控制裝置及方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種的無線功率放大器的快速自動(dòng)功率閉環(huán)控制裝置，包括功率放大器單元和ALC單元，所述功率放大器單元，用于將射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的小信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，達(dá)到無線通信的大功率級(jí)發(fā)射，同時(shí)提供多通道濾波器濾除設(shè)備間無線信道干擾以及提供功率檢測(cè)反饋通道、功放標(biāo)準(zhǔn)功率電壓值存儲(chǔ)；
[0007]所述ALC單元，用于預(yù)先獲取頻率數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，確定合適的衰減器初始值，在頻率切換信號(hào)到來時(shí)，根據(jù)功率檢測(cè)的數(shù)據(jù)以及溫度數(shù)據(jù)來控制射頻信號(hào)發(fā)生器送到功率放大單元的信號(hào)幅度，從而快速控制最終輸出的功率大??；
[0008]所述功率放大器單元通過檢測(cè)反饋回路把最終的功率輸出大小和當(dāng)前溫度以電壓的形式實(shí)時(shí)反饋到ALC單元，ALC單元通AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過與標(biāo)準(zhǔn)值比較來實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)控衰減值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率放大器單元輸出信號(hào)大小的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。
[0009]作為優(yōu)選的，所述功率放大器單元包括多級(jí)功率放大器電路、用于根據(jù)工作頻點(diǎn)設(shè)置濾波器的通帶范圍從而避免設(shè)備間的無線信道干擾的多通道濾波器和用于獲取代表射頻功率輸出大小的正向功率電平的正向功率檢測(cè)電路，所述多級(jí)功率放大器單元串聯(lián)連接，串聯(lián)連接后的多級(jí)功率放大器單元與多通道濾波器連接；所述正向功率檢測(cè)電路與ALC單元連接。
[0010]作為優(yōu)選的，所述正向功率檢測(cè)電路包括射頻功率耦合器、積分器和平滑濾波器，所述射頻功率耦合器、積分器和平滑濾波器順序連接。
[0011 ] 作為優(yōu)選的，所述ALC單元包括FPGA芯片、射頻信號(hào)發(fā)生器、跳頻通信控制、第一存儲(chǔ)器、AD轉(zhuǎn)換器以及數(shù)控衰減器，所述FPGA芯片通過SPI總線接口與跳頻通信控制及AD轉(zhuǎn)換器連接，所述FPGA芯片通過IIC接口與數(shù)控衰減器及第一存儲(chǔ)器連接；所述射頻信號(hào)發(fā)生器一端連接FPGA芯片，另一端連接數(shù)控衰減器。
[0012]作為優(yōu)選的，所述第一存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)不同溫度等級(jí)下、不同頻率下數(shù)控衰減器的初始衰減值G0，用作ALC閉環(huán)的初始控制值寫入數(shù)控衰減器；
[0013]所述跳頻通信控制器為跳頻通信系統(tǒng)核心，實(shí)時(shí)發(fā)送頻率切換信息給FPGA芯片；
[0014]所述數(shù)控衰減器，用于在ALC算法控制下實(shí)時(shí)調(diào)整輸入激勵(lì)信號(hào)增益；
[0015]所述AD轉(zhuǎn)換器，用于讓FPGA實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前功率放大單元的輸出功率。
[0016]作為優(yōu)選的，所述功率放大器單元還包括溫度傳感器和第二存儲(chǔ)器；
[0017]所述溫度傳感器通過SPI總線與FPGA芯片連接，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控功率放大單元的溫度，為ALC控制提供溫度參考，并實(shí)現(xiàn)功率放大單元的過溫保護(hù)；
[0018]所述第二存儲(chǔ)器通過IIC接口與FPGA芯片連接，用于存儲(chǔ)不同頻率、不同溫度下的標(biāo)準(zhǔn)正向功率電平值VE，作為ALC控制算法的參考標(biāo)準(zhǔn)。
[0019]本發(fā)明還提供了一種無線功率放大器的快速自動(dòng)功率閉環(huán)控制方法，該方法包括下述步驟:
[0020]跳頻通信控制器在頻率切換信號(hào)到來之前預(yù)先把下一次通信的頻率信息送到FPGA芯片，F(xiàn)PGA芯片解析頻率信息并采樣溫度傳感器的溫度值，根據(jù)當(dāng)前工作頻率和溫度，選擇第一存儲(chǔ)器中的對(duì)應(yīng)的衰減值，在頻率切換信號(hào)到來時(shí)寫入數(shù)控衰減器，實(shí)現(xiàn)功率增益控制的快速初始化；
[0021]射頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的射頻小信號(hào)經(jīng)過數(shù)控衰減器進(jìn)入功率放大單元，經(jīng)過多級(jí)放大和多通道濾波器進(jìn)行帶通濾波后，發(fā)射信號(hào)在末端通過耦合檢波器轉(zhuǎn)換成檢波電平，經(jīng)放大、平滑濾波后送AD采樣；
[0022]FPGA快速多次獲取采樣數(shù)據(jù)并計(jì)算平均功率電平VR，同時(shí)讀取第二存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)功率電平VE，用VR與VE進(jìn)行比較，根據(jù)差值進(jìn)一步調(diào)整數(shù)控衰減器的衰減值，然后再次采樣、比較功率輸出電平并調(diào)整數(shù)控衰減器，多次循環(huán)最終使得輸出功率與標(biāo)準(zhǔn)功率基本一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0023]作為優(yōu)選的，還包括下述步驟:根據(jù)設(shè)備要求的功率波動(dòng)范圍和功率正向檢測(cè)電路的溫度特性，通過自動(dòng)功率檢測(cè)流程獲得VE值并寫入存儲(chǔ)器，所述VE值的獲取方法為:
[0024]通信控制器通過SPI 口發(fā)送頻率信息給FPGA芯片，F(xiàn)PGA向數(shù)控衰減器寫入最大衰減值，然后控制射頻信號(hào)發(fā)生器單元發(fā)射穩(wěn)定信號(hào)，跳頻通信控制器通過RS232接口讀取數(shù)字功率計(jì)的功率值，與額定功率相比較，根據(jù)差值，以一定的步進(jìn)調(diào)整數(shù)控衰減器的衰減值，然后再次控制射頻信號(hào)發(fā)生器發(fā)射，進(jìn)行功率比較，調(diào)整衰減值。
[0025]作為優(yōu)選的，所述衰減值以0.5dB步進(jìn)調(diào)整，在功率差值調(diào)整到0.5dB以內(nèi)后，以數(shù)控衰減器的最低有效位0.2dB步進(jìn)調(diào)整，最終功率輸出在數(shù)控衰減器精度范圍內(nèi)達(dá)到功率額定值，此時(shí)FPGA芯片通過SPI總線讀取正向功率檢測(cè)電平，作為該頻率點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)功率參考值，即VE值，寫入功率放大單元的第二存儲(chǔ)器中。
[0026]作為優(yōu)選的，還包括下述步驟:根據(jù)功率放大單元的高低溫特性，增加兩類初始衰減值:低溫衰減值G00和高溫衰減值G01 ;
[0027]G00值的獲取是低溫環(huán)境度下進(jìn)行，裝置在低溫環(huán)境開機(jī)后，啟動(dòng)功率補(bǔ)償模式，跳頻通信控制器發(fā)送頻率信息給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)頻率信息把常溫衰減值G0寫入數(shù)控衰減器，然后射頻信號(hào)發(fā)生