CN106953600B - 一种基于dds的后置混频式数字alc控制系统装置 - Google Patents

一种基于dds的后置混频式数字alc控制系统装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，包括了直接数字频率合成器DDS、混频器、滤波单元、功率放大器、功率分配单元、对数检波器、电压放大器、A/D采集芯片和数据处理单元。数字频率合成器DDS替换了传统ALC控制系统中的PIN变阻管或者数控衰减器，并且置于混频单元之前；反馈回路上的数据处理单元替换了传统ALC控制系统中的繁琐的模拟处理电路。该装置具有温度稳定性好、稳幅精度高和大带宽响应的优点，适用于很多测量装置领域。

Description

一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置
技术领域
本发明涉及自动电平控制系统领域，具体是一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置。
背景技术
自动电平控制(Automatic Level Control，ALC)系统在通信、雷达发射机和多种测量仪器等通信电子领域具有十分广泛的应用，而且它对系统的性能指标具有十分显著的影响。ALC控制系统之所以广泛应用于各种信号源中，是由于信号源电子元器件的不稳定或者不理想，以及系统受外界干扰等原因，很难保持输出信号电平的准确度和稳定性。而ALC控制系统则是保证以上性能指标的主要途径。
闭环反馈式模拟ALC控制系统是发射机上非常常见的一种模拟稳幅系统，相比开环系统，不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还引入了从输出端到输入端的反馈通路。一种闭环反馈式ALC控制系统的典型结构如图1所示。输出信号耦合一路至射频检波器，检波器将功率信号转换成电压信号与参考值做比较经过比例积分电路获得相应的控制调节电压，该调节电压可以调节可变衰减器或者可调增益器件改变通道信号功率值，以达到输出信号电平稳定的目的。闭环反馈式ALC系统的输出信号能自动跟踪给定值，减小了跟踪误差，提高了控制精度，抑制了扰动信号的影响。但是这种闭环反馈式的模拟ALC控制系统存在一定的缺陷：
1、检波回路的反馈电压控制可变衰减器以实现通道的功率调节，可变衰减器一般由PIN二极管构成，由于二极管本身容易受温度变化影响，随着整个芯片工作时间加长，芯片本身和周围环境温度都在不断发生变化。而当环境温度发生变化时，可变衰减器的二极管电压电流关系也发生变化。可变衰减器的二极管驱动分为恒流驱动和恒压驱动，恒流驱动时，电压改变，反之恒压驱动时，电流改变。从理论分析可知，恒流驱动状态下的可变衰减器的温度稳定性高于恒压驱动，因为二极管的伏安关系可以近似使用如下函数表示：
Figure BDA0001235183050000021
IS为反向饱和电流，室温下为一常数，当环境温度发生变化时该值也会跟随变化，而且随温度变化范围较大；UT为温度的电压当量，与温度成线性关系，当电流固定不变时，交流阻抗近似与UT成线性关系；当电压固定不变时，交流阻抗与温度成复杂的关系。IS的变化将会引起交流阻抗发生很大改变。
2、反馈式ALC控制系统一般还需实现调幅信号调制功能，在此过程中，一方面模拟通道的放大、比较等处理都会造成调制信号的失真，另外频率高的调制波对可变衰减器的响应速度也有一定的要求。而对于单频稳幅则要求反馈控制系统有较高的幅度精度，这就需要权衡系统响应时间和系统的稳定性。当反馈回路的响应时间很快时，系统稳定性会受到很大影响，可能会导致输出信号抖动甚至稳不住的问题产生；当反馈回路的响应时间比较长时，系统稳定性虽然有保证，但是对于快速幅度变化的信号，该装置就难以实现跟踪调节。所以，这些都会对调幅信号造成了非常大的性能影响。
3、上述的反馈式ALC控制系统为前置式混频方式实现，可变衰减器一般置于混频之后，其输入输出的频率范围为非常宽，但是由于二极管的电压非线性特性限制了衰减器的响应带宽，会导致其性能下降而不能满足系统要求。
另外，现有ALC控制技术也有用数字电路取代反馈回路上的模拟电路，一般称其为闭环反馈式数字ALC控制系统，典型结构如图2所示。该ALC反馈控制系统中，将检波器的输出检波电压通过A/D采样转换成数字信号进行处理，在数字处理芯片内部进行比较、积分和预置。在功率调节端利用小步进的数控衰减器替换模拟ALC控制系统里的PIN二极管，可以减少温度特性对调节器的影响。但是该ALC控制技术同样存在一些不可避免的缺陷：
1、整个ALC控制系统的调节精度完全由数控衰减器的最小步进决定，例如数控衰减器的最小步进量为1dB，整个ALC控制系统的调节精度则为±1dB；另外，ALC控制系统的调节动态范围同样受限于数控衰减器的衰减范围，并且要小于衰减器的衰减器范围。
2、由于数控衰减器的步进式特性，无法在该ACL控制环路上实现幅度调制。
3、由于是前置混频式控制系统，数控衰减器置于混频之后，其输入输出的频率范围为非常宽，衰减器的频率工作范围也会导致ALC控制系统性能下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，以解决现有技术中模拟ALC控制系统和数字ALC控制的现有缺陷而导致控制幅度精度和稳定差、无法实现模拟调制的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，其特征在于：包括数字频率合成器DDS、射频混频通道、定向耦合器、宽带检波器、数据采集单元、数据处理单元，其中：
数字频率合成器DDS为直接数字频率合成器；
射频混频通道由混频器、滤波单元、功率放大器构成，数字频率合成器DDS产生中频信号输入至混频器，在混频器中与本地振荡器进行混频获得频率符合要求的载波信号，载波信号再经过滤波单元滤波、功率放大器放大后输出至定向耦合器；
定向耦合器为功率分配单元，功率分配单元的主路输出端与射频信号的输出主通道连接，功率分配单元的耦合端连接宽带检波器，射频混频通道输出的载波信号经定向耦合器耦合至宽带检波器；
宽带检波器为对数检波器，对数检波器检测载波信号功率幅度，并将载波信号功率幅度转换为检波电压信号输出至数据采集单元；
数据采集单元由电压放大器、A/D采集芯片构成，对数检波器输出的检波电压信号经电压放大器放大后被A/D采集芯片采集，A/D采集芯片将采集的检波电压信号传送至数字处理单元；
数字处理单元中将检波电压信号与预设的基准电压值进行差值比较、积分和量化处理，计算获得DDS相应变化的幅度控制值，并通过自身SPI接口将幅度控制值发送至数字频率合成器DDS；
数字频率合成器DDS根据数字处理单元发送的幅度控制值进行信号幅度调节。
所述的一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，其特征在于：所述数字处理单元基于FPGA可编程逻辑芯片实现。
所述的一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，其特征在于：A/D采样芯片对电压放大器输出的检波电压信号进行采集并传输至FPGA可编程逻辑芯片，在FPGA可编程逻辑芯片内部完成了检波电压数据和基准电压数据的比较和积分处理，获得的积分值与基准电压值叠加形成数字频率合成器DDS的幅度控制值。
本发明中，数字频率合成器DDS为直接数字频率合成器，在射频信号发生器中是数字ALC控制系统的幅度调节器。在控制系统调节器功能时，通过ALC检波回路中的检波幅度处理和反馈，并对DDS的幅度控制字进行更改，达到快速调节信号幅度的目的。数字频率合成器DDS的幅度调节动态范围高达50dB以上，调节精度可达0.01dB。另外，作为一款后置混频式数字ALC控制系统装置，数字频率合成器DDS可充当初始激励源参与后续的频率上变混频。
本发明中，利用对数检波器对功率分配单元输出的支路信号进行对数检波，并将检波电压进行放大处理，提高检波精度和小功率信号的稳定度。利用高速A/D采集芯片对检波电压进行采集并将数据传输至数据处理单元。数据处理单元将利用FPGA可编程逻辑芯片实现，检波电压数据与基准电压数据进行比较，获得幅度差值数据。为了防止在稳幅的过程中出现信号抖动或小幅跳变，在差值电压数据输出做了积分处理，可以将最终输出信号幅度平滑过渡至所设置信号幅度。在此数字处理单元中，完全替换了原有ALC控制系统的模拟积分和预置单元，使得控制的稳定性更好。
本发明中，数字频率合成器DDS作为幅度调节器可以直接取代PIN二极管和数控衰减器，由于在混频之前实现调节，不需要考虑调节器本身的频率响应问题；数字频率合成器DDS本身具有极高的幅度分辨率，可以达到0.1dB以内，从而提高了整个ALC控制系统的幅度稳定精度；另外，数字频率合成器DDS的输出幅度对温度不是很敏感，可以避免PIN二极管出现的温度漂移和稳定性问题。
附图说明
图1是闭环反馈式模拟ALC控制系统的典型结构示意图。
图2是闭环反馈式数字ALC控制系统的典型结构示意图。
图3是本发明的基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置原理框图。
图4是本发明的数据处理单元的原理框图。
图5是又一种幅度调制功能的实现形式。
具体实施方式
如图3所示，一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，包括数字频率合成器DDS、射频混频通道、定向耦合器、宽带检波器、数据采集单元、数据处理单元，其中：
数字频率合成器DDS为直接数字频率合成器9；
射频混频通道由混频器1、滤波单元2、功率放大器3构成，数字频率合成器DDS产生中频信号输入至混频器1，在混频器1中与本地振荡器进行混频获得频率符合要求的载波信号，载波信号再经过滤波单元2滤波、功率放大器3放大后输出至定向耦合器；
定向耦合器为功率分配单元4，功率分配单元4的主路输出端与射频信号的输出主通道连接，功率分配单元4的耦合端连接宽带检波器，射频混频通道输出的载波信号经定向耦合器耦合至宽带检波器；
宽带检波器为对数检波器5，对数检波器5检测载波信号功率幅度，并将载波信号功率幅度转换为检波电压信号输出至数据采集单元；
数据采集单元由电压放大器6、A/D采集芯片7构成，对数检波器5输出的检波电压信号经电压放大器6放大后被A/D采集芯片7采集，A/D采集芯片7将采集的检波电压信号传送至数字处理单元8；
数字处理单元8中将检波电压信号与预设的基准电压值进行差值比较、积分和量化处理，计算获得DDS相应变化的幅度控制值，并通过自身SPI接口将幅度控制值发送至数字频率合成器DDS；
数字频率合成器DDS根据数字处理单元发送的幅度控制值进行信号幅度调节。
数字处理单元8基于FPGA可编程逻辑芯片实现。
A/D采样芯片7对电压放大器6输出的检波电压信号进行采集并传输至FPGA可编程逻辑芯片，在FPGA可编程逻辑芯片内部完成了检波电压数据和基准电压数据的比较和积分处理，获得的积分值与基准电压值叠加形成数字频率合成器DDS的幅度控制值。
本发明中，数字频率合成器DDS产生一路中频信号输入至混频器，与本地振荡器进行混频获得想要的载波频率，经过滤波单元滤除无用的频率成份。载波信号通过功率放大器进行功率放大，经作为定向耦合器的功率分配单元和对数检波器检测功放输出的载波信号幅度，该载波信号幅度以电压的方式输出至运算放大器。由于小信号功率检波电压值非常小，为了保证不被ADC(模数转换器)芯片的噪声位淹没以及提高检波精度，输出的检波电压被运算放大器放大至ADC的最大动态采集范围之内。本实施案例中，为了提高检波电压分辨率，可以提高ADC采集芯片的位数。
整机校准之后已经获得了不同频点下不同功率值的标准检波电压值和对应的DDS置数值，并将数据存储于数据处理单元中。在稳幅功能开启后的过程中，数据处理单元通过ADC采集芯片实时获取检波电压值，并将检波电压与设定功率值的标准电压进行实时比较，获取当前功率值与标准值的差值。为了防止在稳幅的过程中出现抖动或者幅度突变，将输出的差值经过一个加权的积分处理，可以平滑的将幅度过渡到设定的幅度大小，该权值根据不同的情况可以随意设定：
VOUT(t)＝K*VIN(t)+(1-K)*VOUT(t-1)
K为需要添加的权值；VIN是获得的检波电压差值；VOUT则是平滑过后的输出控制电压。获得处理差值以后，数据处理单元需要将该差值电压值转换成DDS的幅度控制字，并将该值与数据处理单元内部保存的DDS置数值进行添加去调节数字频率合成器DDS，达到了快速调节的目的。数字频率合成器DDS的幅度调节动态范围高达50dB以上，调节精度可达0.01dB。数字处理单元的实施原理框图如图4所示。
本实施例中，ALC控制系统作为一款后置混频式数字ALC控制系统装置可以实现幅度调制功能和调制信号的产生。产生的调制信号与标准的参考电压进行求和并且与检波单元的检波电压进行实时比较，可以获得幅度调制的时域电压包络，并将此包络电压转换成幅度控制字与预置的幅度控制字进行叠加，在数字频率合成器DDS内部形成所设定的调幅信号。
作为一种变形，所述调制信号产生还可以利用上位机等实现，利用上位机将设置幅度调制功能的相关参数并下达至数据处理单元，数据处理单元将设置的功能和参数转化电压波形并存储。存储后的幅度电压波形与标准的参考电压求和并进行幅度调节，以达到幅度调制的要求。
作为另一种变形，调制信号还可以接收外部调制信号输入，如图5所示。利用高速ADC采集芯片将输入的模拟调制信号转换成数字信号，然后通过用户设定的调幅参数在数字处理单元进行调制信号的幅度比例调节，调节好的电压波形与标准参考电压进行求和并实时调节，以达到幅度调制的要求。
作为一种变形，所述数据处理单元可以采用单独的FPGA型可编程逻辑芯片实现，或采用DSP芯片或ARM芯片等实现。
作为一种变形，本实施例中的数字频率合成器DDS可以采用固定的信号发生器加数控衰减器的方式去实现，同样可以实现整体幅度调节并且可以满足外中频上变频ALC控制系统的实现要求，但是稳幅效果不如采用数字频率合成器DDS的方案好，并且难以实现幅度调制功能。
作为说明，数字ALC控制系统在测量装置中具有很多应用领域，例如可以应用于如射频信号源的自动电平控制电路中，也可以应用于如频谱分析仪的校准源电路或监测接收机的自动增益控制电路中。
以上具体实施方案仅用于说明本发明，而非用于限定本发明，本领域内一般技术人根据上述设计思想所作任何不具有创造性的创造，均应视为在本专利的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于DDS的后置混频式数字ALC控制系统装置，其特征在于：包括数字频率合成器DDS、射频混频通道、定向耦合器、宽带检波器、数据采集单元、数据处理单元，其中：
数字频率合成器DDS为直接数字频率合成器；
射频混频通道由混频器、滤波单元、功率放大器构成，数字频率合成器DDS产生中频信号输入至混频器，在混频器中与本地振荡器进行混频获得频率符合要求的载波信号，载波信号再经过滤波单元滤波、功率放大器放大后输出至定向耦合器；
定向耦合器为功率分配单元，功率分配单元的主路输出端与射频信号的输出主通道连接，功率分配单元的耦合端连接宽带检波器，射频混频通道输出的载波信号经定向耦合器耦合至宽带检波器；
宽带检波器为对数检波器，对数检波器检测载波信号功率幅度，并将载波信号功率幅度转换为检波电压信号输出至数据采集单元；
数据采集单元由电压放大器、A/D采集芯片构成，对数检波器输出的检波电压信号经电压放大器放大后被A/D采集芯片采集，A/D采集芯片将采集的检波电压信号传送至数字处理单元；
数字处理单元中将检波电压信号与预设的基准电压值进行差值比较、积分和量化处理，计算获得DDS相应变化的幅度控制值，并通过自身SPI接口将幅度控制值发送至数字频率合成器DDS；
数字频率合成器DDS根据数字处理单元发送的幅度控制值进行信号幅度调节；
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A/D采样芯片对电压放大器输出的检波电压信号进行采集并传输至FPGA可编程逻辑芯片，在FPGA可编程逻辑芯片内部完成了检波电压数据和基准电压数据的比较和积分处理，获得的积分值与基准电压值叠加形成数字频率合成器DDS的幅度控制值。
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Denomination of invention: A DDS based post mixing digital ALC control system device

Effective date of registration: 20230613

Granted publication date: 20200612

Pledgee: Anhui pilot Free Trade Zone Hefei area sub branch of Huishang Bank Co.,Ltd.

Pledgor: ANHUI EGRETS ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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