CN103873002B - 基于pid算法的微波链路自动增益控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于PID算法的微波链路自动增益控制系统，包括：可控放大器/衰减器单元，用于接收信号并对信号进行放大/衰减处理；信号调理单元，与可控放大器/衰减器单元相连，用于对由可控放大器/衰减器单元进行处理后的信号进行预处理，以获取预处理后的模拟信号；ADC单元，用于对模拟信号进行模/数转换，以获取转换后的数字信号；信号处理单元，用于对数字信号进行基于PID算法的自动增益控制运算而得到控制信号以便通过所述控制信号对所述微波链路进行控制。本发明的系统，响应时间短，输出功率稳定。本发明还提出一种基于PID算法的微波链路自动增益控制方法。

Description

基于PID算法的微波链路自动增益控制装置及方法

技术领域

本发明涉及微波链路控制领域，尤其涉及一种基于PID算法的微波链路自动增益控制装置及方法。

背景技术

雷达回波模拟器中采用自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)技术，使得接收链路能够跟踪输入信号幅度波动而自动调整链路增益，保证了模拟器输出功率的稳定性。当目标远时，链路应该有足够的增益，以保证微弱信号能够被检测到。当目标距离较近或者有较强干扰时，链路增益随之降低，以保证接收机及信号处理机等设备正常工作。接收链路的AGC电路，实际上是一个动态压缩装置，即AGC电路可以使接收链路输入功率的动态范围很大而输出功率稳定在很小的范围。

常用的AGC控制技术，虽然采用闭环控制方式通过对模拟/数字转换器(Analog to DigitalConverter，ADC)的输出来与参考值进行比较，输出功率变大时，增加衰减器的衰减量。变小时，减少衰减器的衰减量，以此达到目标使输出功率稳定的目的。但是AGC调整的步进量固定，导致响应时间过长。可控衰减器单一且衰减量步进值太大，导致输出信号功率稳定度不够等问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种响应时间短，输出功率稳定的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统。

本发明的另一个目的在于提出一种基于PID算法的微波链路自动增益控制方法。

本发明第一方面实施例提出了一种基于PID算法的微波链路自动增益控制系统，包括：可控放大器/衰减器单元，用于接收信号并对所述信号进行放大/衰减处理；信号调理单元，所述信号调理单元与所述可控放大器/衰减器单元相连，用于对由所述可控放大器/衰减器单元进行处理后的信号进行预处理，以获取预处理后的模拟信号；ADC单元，用于对所述模拟信号进行模/数转换，以获取转换后的数字信号；信号处理单元，用于对所述数字信号进行基于PID算法的自动增益控制运算而得到控制信号以便通过所述控制信号对所述微波链路进行控制。

根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统，信息处理单元采用FPGA来实现PID算法，由于PID算法的先进性，在不同情况下自动增益控制调整的步进量是变化的，当需要调整的值大时，步进量变大，小时，则步进量变小，从而减少了自动增益控制过程响应时间，又降低了调整过程的震荡。同时采用可控放大器/衰减器单元在保证信号质量的情况下，通过降低衰减量步进值，提高了出信号功率稳定度。

在一些示例中，所述可控放大器/衰减器单元还用于将输出信号的功率调整在预设范围内。

在一些示例中，所述信号调理单元具体包括：信号隔离器，用于对所述处理后的信号进行隔离；滤波器，所述滤波器与所述信号隔离器相连，用于滤除所述处理后的信号的噪声。

在一些示例中，所述信息处理单元采用FPGA来实现基于PID算法的自动增益控制运算。

在一些示例中，所述衰减器包括：数控衰减器和电调衰减器。

本发明第二方面的实施例提出一种基于PID算法的微波链路自动增益控制方法，包括以下步骤：初始化系统及PID运算参数；识别并采集信号；对所述信号进行处理，以获取处理后的信号；

对所述处理后的信号进行基于PID算法的自动增益控制运算，获取运算后的信号，并对所述运算后的信号进行归一化处理；判断所述归一化处理后的信号是否超出预设范围，若否，则输出控制信号。

根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制方法，使得微波链路自动增益控制的响应时间变短，同时又保证了信号的输出功率的稳定性。

在一些示例中，识别并采集信号具体包括：识别所述信号的脉冲重复周期；对所述信号进行采样，并将采样信号与预设检波门限比较，以获取有效信号。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统的工作过程图；

图3是根据本发明实施例的PID算法的工作原理图；和

图4是根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统的结构框图。如图1所示，本发明第一方面的实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统包括：可控放大器/衰减器单元100、信号调理单元200、ADC单元300和信号处理单元400。

其中，可控放大器/衰减器单元100，用于接收信号并对信号进行放大/衰减处理。信号调理单元200，与可控放大器/衰减器单元100相连，用于对由可控放大器/衰减器单元100进行处理后的信号进行预处理，以获取预处理后的模拟信号。ADC单元300，用于对由信号调理单元200处理得到的模拟信号进行模/数转换，以获取转换后的数字信号。信号处理单元400，用于对由ADC单元300处理得到的数字信号进行基于PID算法的自动增益控制运算而得到控制信号以便通过控制信号对微波链路进行控制。此外，可控放大器/衰减器单元100还用于将输出信号的功率调整在预设范围内。

在一个示例中，可控放大器/衰减器单元100的衰减器102具体包括：数控衰减器10和电调衰减器20。两者联合使用，射频部分采用数控衰减器10，中频部分采用电调衰减器20，射频部分数控衰减器的高衰减量步进值虽然降低了射频输出信号的稳定度，但是却提高了信号的信噪比，满足信号质量要求。中频部分采用低衰减量步进值的电调衰减器可以对输出信号功率进行微调，弥补信号稳定度的缺陷，两者的联合使用保证了最终输出信号的质量和稳定度。信号调理单元200包括：信号隔离器201和滤波器202。其中，信号隔离器201，用于对由可控放大器/衰减器单元100进行放大/衰减处理后的信号进行隔离。滤波器200，与信号隔离器201相连，用于滤除处理后的信号的噪声。这样就保证了信号的质量。信息处理单元300采用FPGA来实现基于PID算法的自动增益控制运算。

例如，以如图2所示的动态雷达信号为例，具体描述本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统的工作过程。

动态变化的雷达信号首先通过可控放大器/衰减器单元100，其中的放大器101虽然是可控的，但增益一般设置为固定，60dB左右，以此来满足链路中其他部分的信噪比。衰减器202的衰减量是可调的，包括数控衰减器10和电调衰减器20，数控衰减器10的衰减范围31.5dB，电调衰减器20的衰减范围40dB。数控衰减器的衰减量步进值为0.5dB。在具体实现过程中，可控放大器/衰减器单元100中放大器101和衰减器202的控制信号由信号处理单元400的FPGA提供。电调衰减器20的控制量为模拟信号，FPGA输出的数字信号首先控制电压范围(0～1V)变化的DAC(Digital-to-Analog Converter)，DAC输出变化的电压再去控制电调衰减器20的衰减量，DAC的分辨率对应电调衰减器20的衰减量步进值，在本发明的一个示例中，采用10位的DAC，对应的电调衰减器衰减量步进值为0.04dB。

动态变化的雷达信号经过可控放大器/衰减器单元100处理后的信号输入至信号调理单元200。先经过信号隔离器201隔离处理后，传送至滤波器202进行滤波，滤掉噪声，得到预处理后的模拟信号。之所以采用信号隔离器201隔离处理，是因为泄漏的信号会导致自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)的误触发，使AGC无法正常工作。在本发明的一个实施例中，滤波器202采用带通滤波器，保证了信号的质量。

将得到的模拟信号输入到ADC单元300进行模/数转换，在本发明的一个实施例中，ADC的采样频率为1.2GSPS，采样精度为8bit，输出数字信号为DDR模式，以提高数据传输率并减少硬件连线数量。ADC单元300的输出与信号处理单元400的FPGA输入连接。信号处理单元400的FPGA接收到所数字信号后，进行基于PID算法的自动增益控制运算，输出相应的控制信号，即信号处理单元400的FPGA输出的控制信号与可控放大器/衰减器单元100的控制端连接。

其中，基于PID算法的自动增益控制运算过程如图3所示。PID控制(比例、积分、微分控制)主要在信号处理单元FPGA中实现，由于FPGA时钟周期可以达到纳秒级，适于应用在高速领域和实时监控领域，应用在此处可以保证雷达回波模拟器对于输入信号实时监测并进行自动增益控制的实现。在本发明的一个实施例中，只使用了PI，即比例和积分两项就能满足要求。其中Ref为PID运算的参考值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e为Ref与目标信号的差值。e实际上是期望的目标信号与实际的目标信号的差值，实际的目标信号是经ADC单元300采集后传输到信号处理单元400的FPGA中保存处理，即经信号调理单元后输出的雷达信号。偏差值提供给AGC进行PI运算，再进行归一化处理后得到衰减器的衰减值，从而达到AGC的功能，使目标信号输出动态范围符合系统设置要求。以上所涉及的离散PID公式为：

$u\left(n\right)=Kp*e\left(n\right)+Ki*{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n}e\left(i\right),$

其中，Kp为示比例系数、Ki为积分系数。根据被控衰减器的特性，可以对以上参数进行相应调整，达到满意控制效果。其中的系数标定需注意：

比例系数Kp，与系统的反应速度有关，增大Kp可以提高反应速度，但过大将导致系统震荡，影响调节时间和系统稳定度。另外，若只使用Kp，是不能消除系统的稳态误差的。所以系统中一般还会增加积分环节。用于消除系统的稳态误差，但是加入积分环节后，又有可能产生积分饱和效应，增大超调量。为了解决上述问题，可以采用积分分离式算法，即当AGC开始阶段或者参考量与实际值相差很大时，取消积分环节。当参考量与实际值相差很小时，恢复积分环节，以消除稳态误差。另外一种算法同样可以解决上述问题，即当PI的输出值超过控制量的极限值时，保持在极限值，这样当偏差反方向变化时，输出值可以迅速变化。以上做法即可以消除稳态误差又可以减小超调量，改善系统性能，在本发明的实施例中采用用第二种算法解决积分饱和效应。通过以上的阐述，可知使用PI算法，可以得到变化的AGC调整步进量，这样当参考值与目标值相差很大时，步进量大，很小时，步进量变小，从而减少了AGC控制过程响应时间，又降低了调整过程的震荡。

在具体的基于PID的自动增益控制的实现过程中，即系统上电后，首先程序进行系统参数的自检与初始化工作，然后识别雷达信号PRT(脉冲重复周期)，来判断是否开始检波并进行数据处理，接收到上升沿开始检波，将采集到的数据与检波门限值进行比较，采集到的数据大于检波门限值时，表明采集到有效值并开始计算偏差e，采集到的信号小于检波门限值时，不进行偏差运算。如果不使用雷达信号的PRT作为检波周期，可以使用设置的PI运算间隔时间，作为雷达信号检波周期。偏差e为参考值Ref(在一个示例中为-2dBm对应的ADC值)与实际目标信号的差值，通过差值来判断当前增益是否满足要求。实际系统要求到达稳态后，AGC不能频繁启动，而在积累偏差e超过一定范围后进行调整，即此系统的PI为带死区的控制。以上所述的死区实现如下：首先设定追踪误差稳定范围β(0.8dBm)和调整误差稳定范围z(0.5dBm)，当|e|≤|β|，不启动AGC，进入下一轮偏差计算。当|e|≧|β|时，启动PI运算，进入AGC控制，直到当满足|e|≤|z|时，停止AGC，然后再次进入对e和β的比较，如此循环运行，保证输出信号稳定。进行PI运算，依据离散PI公式 及设定的Kp，Ki，和计算后的e得到u(n)，得到的u(n)为PI运算的结果，此值并不能直接用于控制衰减器，还需要进行归一化处理，将之转换成衰减器的控制信号。在进行归一化处理后，判断控制信号是否超出范围，如果超出范围，进入保持处理过程，即保证控制信号不变并保持极限值，AGC运算停止，继续监测e值变化，当e值反向变化时，再次启动AGC。

进一步地，可控放大器/衰减器单元100接收信号处理单元400的控制信号，使得输出信号的功率调整在预设范围内。

根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统，信息处理单元采用FPGA来实现PID算法，由于PID算法的先进性，在不同情况下自动增益控制调整的步进量是变化的，当需要调整的值大时，步进量变大，小时，则步进量变小，从而减少了自动增益控制过程响应时间，又降低了调整过程的震荡。同时采用可控放大器/衰减器单元在保证信号质量的情况下，通过降低衰减量步进值，提高了出信号功率稳定度。

本发明第二方面的实施例提出一种基于PID算法的微波链路自动增益控制方法，包括以下步骤：初始化系统及PID运算参数；识别并采集信号；对信号进行处理，以获取处理后的信号；对处理后的信号进行基于PID算法的自动增益控制运算，获取运算后的信号，并对运算后的信号进行归一化处理；判断归一化处理后的信号是否超出预设范围，若否，则输出控制信号。

图4是根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制方法的流程图。以动态变化的雷达信号为例具体描述本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制方法。过程如下：

步骤S101：初始化系统及PID运算参数。

具体的，首先进行系统参数的自检与初始化工作。其中，PID运算参数具体是指：PID运算参考值、检波门限和PID运算间隔时间。

步骤S102：识别并采集信号。

识别雷达信号的PRT(脉冲重复周期)，来判断是否开始检波并进行数据处理，接收到上升沿开始检波，将采集到的数据与检波门限值进行比较，采集到的数据大于检波门限值时，表明采集到有效值并开始计算偏差，采集到的信号小于检波门限值时，不进行偏差运算。

步骤S103：对信号进行处理，以获取处理后的信号。

对信号的处理过程具体包括：动态变化的雷达信号经过可控放大器/衰减器单元处理后的信号输入至信号调理单元。先经过信号隔离器隔离处理后，传送至滤波器进行滤波，滤掉噪声，得到预处理后的模拟信号。将得到的模拟信号输入到ADC单元进行模/数转换，在本发明的一个实施例中，ADC的采样频率为1.2GSPS，采样精度为8bit，输出数字信号为DDR模式，以提高数据传输率并减少硬件连线数量。ADC单元的输出与信号处理单元的FPGA输入连接。信号处理单元的FPGA接收到所数字信号后，进行基于PID算法的自动增益控制运算，输出相应的控制信号。

步骤S104：对处理后的信号进行基于PID算法的自动增益控制运算，获取运算后的信号，并对运算后的信号进行归一化处理。

基于PID算法的自动增益控制运算过程如图3所示。PID控制(比例、积分、微分控制)主要在信号处理单元FPGA中实现，由于FPGA时钟周期可以达到纳秒级，适于应用在高速领域和实时监控领域，应用在此处可以保证雷达回波模拟器对于输入信号实时监测并进行自动增益控制的实现。在本发明的一个实施例中，只使用了PI，即比例和积分两项就能满足要求。其中Ref为PID运算的参考值，Kp为比例系数，Ki为积分系数，e为Ref与目标信号的差值。e实际上是期望的目标信号与实际的目标信号的差值，实际的目标信号是经ADC单元采集后传输到信号处理单元的FPGA中保存处理，即经信号调理单元后输出的雷达信号。偏差值提供给AGC进行PI运算，再进行归一化处理后得到衰减器的衰减值，从而达到AGC的功能，使目标信号输出动态范围符合系统设置要求。以上所涉及的离散PID公式为：

$u\left(n\right)=Kp*e\left(n\right)+Ki*{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{n}e\left(i\right),$

其中，Kp为示比例系数、Ki为积分系数。根据被控衰减器的特性，可以对以上参数进行相应调整，达到满意控制效果。其中的系数标定需注意：

比例系数Kp，与系统的反应速度有关，增大Kp可以提高反应速度，但过大将导致系统震荡，影响调节时间和系统稳定度。另外，若只使用Kp，是不能消除系统的稳态误差的。所以系统中一般还会增加积分环节。用于消除系统的稳态误差，但是加入积分环节后，又有可能产生积分饱和效应，增大超调量。为了解决上述问题，可以采用积分分离式算法，即当AGC开始阶段或者参考量与实际值相差很大时，取消积分环节。当参考量与实际值相差很小时，恢复积分环节，以消除稳态误差。另外一种算法同样可以解决上述问题，即当PI的输出值超过控制量的极限值时，保持在极限值，这样当偏差反方向变化时，输出值可以迅速变化。以上做法即可以消除稳态误差又可以减小超调量，改善系统性能，在本发明的实施例中采用用第二种算法解决积分饱和效应。通过以上的阐述，可知使用PI算法，可以得到变化的AGC调整步进量，这样当参考值与目标值相差很大时，步进量大，很小时，步进量变小，从而减少了AGC控制过程响应时间，又降低了调整过程的震荡。

步骤S105：判断归一化处理后的信号是否超出预设范围，若否，则输出控制信号。

对上述步骤是S104得到的归一化处理后的信号进行判断，若未超出预设范围，则输出控制信号。若超出范围，则进入保持处理过程，以保证控制信号不变并保持极限值。

根据本发明实施例的基于PID算法的微波链路自动增益控制方法，使得微波链路自动增益控制的响应时间变短，同时又保证了信号的输出功率的稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于PID算法的微波链路自动增益控制系统，其特征在于，包括：

可控放大器/衰减器单元，用于接收信号并对所述信号进行放大/衰减处理，其中，所述衰减器包括数控衰减器和电调衰减器，所述数控衰减器和电控衰减器联合使用，射频部分采用数控衰减器进行处理，中频部分采用电调衰减器进行处理；

信号调理单元，所述信号调理单元与所述可控放大器/衰减器单元相连，用于对由所述可控放大器/衰减器单元进行处理后的信号进行预处理，以获取预处理后的模拟信号，所述信号调理单元包括信号隔离器和滤波器，所述信号隔离器用于对所述处理后的信号进行隔离，所述滤波器与所述信号隔离器相连，用于滤除所述处理后的信号的噪声；

ADC单元，用于对所述模拟信号进行模/数转换，以获取转换后的数字信号，其中，所述ADC单元的采样频率为1.2GSPS，采样精度为8bit，输出数字信号为DDR模式；

信号处理单元，用于对所述数字信号进行基于PID算法的自动增益控制运算而得到控制信号以便通过所述控制信号对所述微波链路进行控制，其中，基于PID算法的自动增益控制运算所涉及的离散PID公式为：

$u\left(n\right)=Kp*e\left(n\right)+Ki*{\Σ}_{i=0}^{n}e\left(i\right),$

其中，Kp为示比例系数、Ki为积分系数，e为PID运算的参考值与目标信号的差值，也即期望的目标信号与实际的目标信号的差值，其中，实际的目标信号是经过所述ADC单元采集后传输到所述信号处理单元中保存处理，然后经所述信号调理单元后输出的雷达信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可控放大器/衰减器单元还用于将输出信号的功率调整在预设范围内。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号处理单元采用FPGA来实现基于PID算法的自动增益控制运算。

4.一种如权利要求1所述的基于PID算法的微波链路自动增益控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始化系统及PID运算参数；

识别并采集信号，具体包括：

识别所述信号的脉冲重复周期，

对所述信号进行采样，并将采样信号与预设检波门限比较，以获取有效信号；

对所述有效信号进行处理，以获取处理后的信号；

对所述处理后的信号进行基于PID算法的自动增益控制运算，获取运算后的信号，并对所述运算后的信号进行归一化处理，其中，基于PID算法的自动增益控制运算所涉及的离散PID公式为：

$u\left(n\right)=Kp*e\left(n\right)+Ki*{\Σ}_{i=0}^{n}e\left(i\right),$

其中，Kp为示比例系数、Ki为积分系数，e为PID运算的参考值与目标信号的差值，也即期望的目标信号与实际的目标信号的差值，其中，实际的目标信号是经过所述ADC单元采集后传输到所述信号处理单元中保存处理，然后经所述信号调理单元后输出的雷达信号；

判断归一化处理后的信号是否超出预设范围，若否，则输出控制信号。