CN101826849A - 一种数字式快速自动增益预调节的装置 - Google Patents

Abstract

一种数字式快速自动增益预调节的装置，包括一个耦合器、一个检波器、一个模数转换器、一个数模转换器、一个可变增益放大器、一个高精度模数转换器、一个FPGA规则处理器和一个数字信号处理器，本装置采用前馈结构，耦合器输出两路信号，一路进入可变增益放大器，另一路进入检波器，检波器的输出经过模数转换器采样得到中频信号功率值，输入到FPGA规则处理器按一定规则处理后得到可变增益放大器的控制量，该控制量经过数模转换后去控制可变增益放大器的增益值。本发明所述的装置，在保证动态范围、稳定度、准确度的条件下，数量级的缩减自动增益调节所需时间，提高电磁信号分析仪的扫描速度，控制逻辑由FPGA规则处理器完成，不占用数字信号处理器的资源。

Description

一种数字式快速自动增益预调节的装置

技术领域

本发明涉及电磁信号分析仪中频增益调节，具体的说是一种数字式快速自动增益预调节的装置。

背景技术

电磁信号分析仪需要对中频信号进行采样，但是当电磁信号分析仪要监测复杂电磁环境下的电磁频谱时，空间信号经过固定增益放大后得到的中频信号功率有时波动可达几十分贝，这超出了模数转换器的输入动态范围，现有的模数转换器很难满足电磁信号分析仪输入动态范围的需求。为了解决这个矛盾，电磁信号分析仪中都采用自动增益控制技术，每次模数转换前需将中频增益进行适当调节以使信号功率处在模数转换器的采样范围之内。

现有自动增益控制的方式基本上可分为三种：

一、模拟电路方式，分立器件的放大器，经过直流放大和驱动电路产生控制电压，这种方式的缺点是调试费时费力、一致性差、改变不灵活，现在应用的已经不多。

二是数模混合式式，使用集成的可变增益放大器取代模拟放大电路，这种方式应用比较普遍。

三是基于软件计算的方式，无需检波器，直接采样，再经过软件计算分析获得信号的功率电平，但这种方式的消耗的时间长。

现在电磁信号分析仪中常用的自动增益控制技术是上面提到的第三种方式，即采用软件预采集一段数据，软件再对预采集的数据经过FFT(快速傅立叶变换)运算分析后得到信号功率，再通过软件设置中频增益，此种进行增益调整的方式，由于需要FFT运算，所以整个过程消耗时间较长，处理时间为毫秒级。例如蒋亚武和季晓勇发表于《微处理机》2007年第4期上的“一种用于软件无线电中的AGC技术”，就属于上面提到第三种方式，通过软件计算的方式获得信号电平。

随着科学技术的发展，对电磁信号分析仪的扫描速度提出更高的要求。现在电磁信号分析仪中频增益调节方法对提高数据处理的速度已是一个瓶颈，所以现有的中频增益调节方法很难满足现在电磁信号分析仪的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种数字式快速自动增益预调节的装置，在保证动态范围、稳定度、准确度的条件下，可大幅度缩减自动增益调节所需的时间(数量级的缩减)，为提高电磁信号分析仪的扫描速度提供可能性。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种数字式快速自动增益预调节的装置，其特征在于：

起分路作用的耦合器的输入端接收经过电磁信号分析仪前端处理过的中频信号，

耦合器输出一路中频信号进入检波器，耦合器输出另一路中频信号进入可变增益放大器，

检波器对中频信号检波并输出检波电压，该检波电压为直流电压，检波电压随着输入到检波器的中频信号的功率线性变化，

检波器输出的检波电压送入一个10位的模数转换器对该检波电压进行模数转换，将中频信号的功率值转变成数字量，

接收检波器输出的模数转换器将数字量的中频信号的功率值送到FPGA规则处理器，数字量的中频信号的功率值经过FPGA规则处理器内部的程序规则处理后，按照当前的中频信号功率计算得出一个使中频信号功率处在高精度模数转换器最佳转换范围内的可变增益放大器的控制量，

FPGA规则处理器的一路输出信号将得到的可变增益放大器的控制量输出到数模转换器，

数模转换器将可变增益放大器的控制量转换为模拟电压，通过该电压控制可变增益放大器的增益值，从而调节信号通路的中频增益，使中频信号功率处在高精度模数转换器的最佳转换范围内，

由耦合器输出并进入到可变增益放大器的中频信号，经过可变增益放大器增益调节，使其功率处在高精度模数转换器的最佳转换范围内，然后输入到高精度模数转换器进行模数转换，

FPGA规则处理器接收高精度模数转换器的输出，同时FPGA规则处理器将此次自动增益控制等级数据输出给数字信号处理器，即完成了一次中频自动增益的调整。

在上述技术方案的基础上，所述耦合器为采用电阻电容搭建的交流耦合器，

所述检波器型号为AD8307，

所述接收检波器输出的模数转换器型号为MAX1242，

所述FPGA规则处理器型号为EP3SE80C1152C4，

所述数模转换器型号为AD7243，

所述可变增益放大器型号为AD8367，

所述高精度模数转换器型号为AD9445BSVZ-125，

所述数字信号处理器型号为ADSP-TS201。

本发明所述的数字式快速自动增益预调节的装置，在保证动态范围、稳定度、准确度的条件下，数量级的缩减自动增益调节所需时间，提高电磁信号分析仪的扫描速度。

附图说明

本发明有如下附图：

图1数字式快速自动增益预调节的装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明公开了一种如图1所示的数字式快速自动增益预调节的装置：

起分路作用的耦合器的输入端接收经过电磁信号分析仪前端处理过的中频信号，所述耦合器为交流耦合器，可采用现有公知技术用电阻电容搭建，本文不再详述，

耦合器输出一路中频信号进入检波器，耦合器输出另一路中频信号进入可变增益放大器，所述检波器型号可以为AD8307，所述可变增益放大器型号可以为AD8367，送入可变增益放大器的中频信号是以备后面进行中频信号分析时使用，

检波器对中频信号检波并输出检波电压，该检波电压为直流电压，检波电压随着输入到检波器的中频信号的功率线性变化，例如使用型号为AD8307的检波器接收耦合器的输出，检波器输出的直流电压(单位是伏)随着输入到检波器的中频信号的功率(单位是分贝)线性变化；

检波器输出的检波电压送入一个10位的模数转换器对该检波电压进行模数转换，将中频信号的功率值转变成数字量，所述模数转换器的型号可以为MAX1242；

接收检波器输出的模数转换器将数字量的中频信号的功率值送到FPGA(现场可编程门阵列)规则处理器，数字量的中频信号的功率值经过FPGA规则处理器内部的程序规则处理后，按照当前的中频信号功率计算得出一个使中频信号功率处在高精度模数转换器最佳转换范围内的可变增益放大器的控制量，所述FPGA规则处理器可以使用ALTERA公司型号为EP3SE80C1152C4的FPGA，控制量的具体计算过程为：按照当前的信号功率和高精度模数转换器的最佳转换范围得出所需可变增益放大器的增益，再根据此增益和可变增益放大器的特性，计算得出其控制电压，根据此电压和数模转换器的特性，计算得出一个使信号功率处在高精度模数转换器最佳转换范围内的可变增益放大器的控制量，此处提及的器件特性可以查看器件手册。

所述FPGA规则处理器内部的程序的设计思路为：程序将整机同步信号HSCAN作为触发信号，在触发之后，首先是模式判断；若是手动模式，FPGA读取数字信号处理器提供的手动增益值，送到数模转换器，就完成了手动增益的一次调整，然后回到等待状态，等待下一次的触发产生；若是自动模式，FPGA首先要读取信号的检波值，以这个检波值作为当前信号的功率值。按照前面所述计算可变增益放大器控制量的方法，做一个包含若干自动增益控制等级的表，表中每一等级对应一个可变增益放大器的控制数据和输入信号的功率值范围，以信号功率为依据，查表得到该功率下对应的可变增益放大器的控制数据和自动增益等级数据，而后将控制数据输出去控制可变增益放大器的增益、自动增益控制等级输出至数字信号处理器接口，自动增益控制结束，回到触发等待状态。

FPGA规则处理器的一路输出信号将得到的可变增益放大器的控制量输出到数模转换器，例如使用型号为AD7243的数模转换器接收FPGA规则处理器的输出，

数模转换器将可变增益放大器的控制量转换为模拟电压，通过该电压控制可变增益放大器的增益值，从而调节信号通路的中频增益，使中频信号功率处在高精度模数转换器的最佳转换范围内，所述高精度模数转换器的型号可以为AD9445BSVZ-125；

由耦合器输出并进入到可变增益放大器的中频信号，经过可变增益放大器增益调节，使其功率处在高精度模数转换器的最佳转换范围内，然后输入到高精度模数转换器进行模数转换，

FPGA规则处理器接收高精度模数转换器的输出，同时FPGA规则处理器将此次自动增益控制等级数据输出给数字信号处理器，该自动增益控制等级数据做信号功率归一化时采用，即完成了一次中频自动增益的调整。所述数字信号处理器可以使用Analog公司的型号为ADSP-TS201的数字信号处理器。

本发明的硬件电路采用前馈结构，通过耦合器旁路出一路信号专用于增益控制，采用集成检波器加模数转换器的方法获得中频信号的功率值。本发明的优点在于：

1、FFT频谱分析是以前自动增益控制时间消耗的关键所在，而其这一功能是在数字信号处理器内完成，在做自动增益调整的时候，正常的信号分析就只能暂停。为了减少自动增益调节的时间，本发明选用了硬件检波获取信号的功率方法代替原来有软件做FFT频谱分析获取信号的功率方法，自动增益调节功能不再由数字信号处理器完成，而由另外一片FPGA(现场可编程门阵列)完成。控制逻辑由FPGA规则处理器完成，不占用数字信号处理器的资源。而且本发明同时满足了实时性要求、精确度、输入动态范围要求和灵活性的要求，采用全数字集成器件，调试简单，用硬件检波的方法取代原有软件获取信号功率的方法，自动增益控制不再由数字信号处理器完成，而是使用FPGA。

2、本发明不需要软件做FFT处理，消耗的时间少，调节反应快，最快二十微秒即可完成；而且自动增益调节功能是作为一个单独的功能模块，在信号被采样前完成调节，不需要占用数字信号处理器的资源，留给信号分析更多的资源；由于硬件电路的功能器件全是选用的数字集成的芯片加智能处理芯片，由程序完成控制，控制方式灵活，具有模式选择，修改方便，中频增益准确度高，具有增益校准功能，经过校准后准确度更高；集成的芯片稳定性好，对系统没有特殊要求，实现起来容易。

本发明所述装置的具体工作过程是：中频信号通路上通过一个交流耦合器(电阻电容搭建，无型号和指标要求)分路，一路中频信号进入检波器(AD8307)，检波器的输出电压(单位是伏)是随着信号功率(单位是分贝)线性变化的，然后用一个10位的模数转换器(MAX1242)对中频信号的检波电压进行采样，这样中频信号的功率值转变成数字量，再经过FPGA规则处理器内部的程序规则处理，按照当前的信号功率计算得出一个合适的中频增益值的控制量，然后将得到的控制量输出到数模转换器(AD7243)，数模转换器的输出电压控制可变增益放大器(AD8367)的增益值，从而调节信号通路的中频增益，使信号功率处在高精度的模数转换器的最佳转换范围内，同时FPGA规则处理器将此次自动增益控制等级数据输出，以供数字信号处理器做信号功率归一化时采用，即完成了一次中频自动增益的调整。

Claims (2)

1.一种数字式快速自动增益预调节的装置，其特征在于：

起分路作用的耦合器的输入端接收经过电磁信号分析仪前端处理过的中频信号，

耦合器输出一路中频信号进入检波器，耦合器输出另一路中频信号进入可变增益放大器，

检波器对中频信号检波并输出检波电压，该检波电压为直流电压，检波电压随着输入到检波器的中频信号的功率线性变化，

检波器输出的检波电压送入一个10位的模数转换器对该检波电压进行模数转换，将中频信号的功率值转变成数字量，

接收检波器输出的模数转换器将数字量的中频信号的功率值送到FPGA规则处理器，数字量的中频信号的功率值经过FPGA规则处理器内部的程序规则处理后，按照当前的中频信号功率计算得出一个使中频信号功率处在高精度模数转换器最佳转换范围内的可变增益放大器的控制量，

FPGA规则处理器的一路输出信号将得到的可变增益放大器的控制量输出到数模转换器，

数模转换器将可变增益放大器的控制量转换为模拟电压，通过该电压控制可变增益放大器的增益值，从而调节信号通路的中频增益，使中频信号功率处在高精度模数转换器的最佳转换范围内，

由耦合器输出并进入到可变增益放大器的中频信号，经过可变增益放大器增益调节，使其功率处在高精度模数转换器的最佳转换范围内，然后输入到高精度模数转换器进行模数转换，

FPGA规则处理器接收高精度模数转换器的输出，同时FPGA规则处理器将此次自动增益控制等级数据输出给数字信号处理器，即完成了一次中频自动增益的调整。

2.如权利要求1所述的数字式快速自动增益预调节的装置，其特征在于：所述耦合器为采用电阻电容搭建的交流耦合器，

所述检波器型号为AD8307，

所述接收检波器输出的模数转换器型号为MAX1242，

所述FPGA规则处理器型号为EP3SE80C1152C4，

所述数模转换器型号为AD7243，

所述可变增益放大器型号为AD8367，

所述高精度模数转换器型号为AD9445BSVZ-125，

所述数字信号处理器型号为ADSP-TS201。

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