CN109298657B - 一种基于fpga的时变信号功率检测与自动增益控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仪器仪表领域，尤其涉及一种基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法：通过校准，得到检波电压与各个频率功率输入的对应关系，得到以频率、功率为坐标的数据表，数据表的频率和功率步进等长且固定。系统运行时，软件会加载完整的数据表用作功率的精确判断，同时，软件会将数据表部分数据作为参考电压置入FPGA，用于比较器比较。系统在得到检波电压后，通过ADC将数字信号传入FPGA内部逻辑。FPGA一方面直接将电压值传入软件，由软件比对完整数据表，得到精确的功率值。本发明实现了将检波电压判决为输入功率值，将电压值送交两路做处理，结合校准数据，在软件端保证了对结果准确性的要求，在硬件端保证高速响应的实时性要求。

Description

一种基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及仪器仪表功率校准、控制、测量领域。具体指一种在数字域稳定判决射频输入功率水平的方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，需要使用信号分析仪对各种无线信号做解调和分析。一个完整的信号分析仪系统，包括主控及基带模块、模数转换(Analog/DigitalConvert，简称ADC)模块、射频接收模块。

通常情况，用户在使用信号分析仪测量信号时，需要手动向分析仪设置输入信号的功率大小。如果实现仪器能够自动识别功率大小，并自动配置射频输入通道的增益参数，可以大大减轻仪器使用的繁琐程度，减少用户操作配置的步骤。

识别输入信号的功率大小，即功率检测。射频接收模块首先对输入信号进行耦合和检波，检波得到一个与信号功率大小成正比的电压值，电压值经过ADC转换为数字信号输送给FPGA，最终根据这个电压值判断出输入功率的大小。

功率检测功能一方面用于告知仪器使用者当前的输入功率，另一方面还需要实时判决当前功率所在的大致范围。对于这一过程，既要保证功率判决的实时性和响应速度，也要保证判决结果的准确度。同时输入功率的数值如果在判决临界点附近，功率的微小抖动会影响判决结果的稳定，导致判决区间上下跳变。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种包括功率检测前的校准过程，检测功能实现的算法逻辑，以及增加检测稳定性的逻辑结构的基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法：

包括：获知检波电压与输入功率之间的对应关系；使用信号源先向电路输入已知功率的信号，然后读取检波电压值，各个可用频点、各个功率点都需获取它对应的电压值，最终得到一张以频率、功率为坐标的二维数据表，存有各点的电压值；根据数据表，用当前的检波电压值在数据表中做比对，得到当前的输入功率值。

作为本发明一种优选技术方案，对于信号分析仪的射频接收模块，获取到的输入功率有两个用途，一是告知用户当前的功率大小，选择由计算机软件来实现；FPGA获取电压值后，直接发送至工控机软件端，由计算机代码负责判定功率值。

作为本发明一种优选技术方案，功率值的另一个用途是根据功率大小变化改变射频电路器件的配置参数，需要将输入功率分为若干个区间，根据不同的区间配置相应的射频器件参数，在输入功率发生改变后，需要在最短的时间内配置好相应参数，选择直接在FPGA内部处理数据。

作为本发明一种优选技术方案，FPGA每个功率数值区间的边界都对应一组比较器，检波电压输入后，与判断边界对应的参考电压同时输入比较器，做大小比较，全部比较器输出集合为一串N比特长度的比较结果，然后对结果进行重新编码，即可判决出当前的功率区间，同时得到相应的控制寄存器地址，最终根据地址配置射频电路。

作为本发明一种优选技术方案，在获知频率、功率相对应的检波电压数据时，每隔固定频率步进和固定功率步进读取一组电压值。

作为本发明一种优选技术方案，在对比过程中，由于输入功率存在微小跳变，为了避免跳变影响功率区间的判决结果，每个区间边界的比较逻辑由2个比较器组成，2个比较器的参考电压有较小的差别，输入功率微小跳变幅度小于两个比较器参考电压之间的差值

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明实现了将检波电压判决为输入功率值，将电压值送交两路做处理，结合校准数据，在软件端保证了对结果准确性的要求，在硬件端保证高速响应的实时性要求。解决了信号功率微小跳变带来的判决结果不稳定的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的简要实施框图。

图2是FPGA逻辑示意图。

图3是FPGA详细的逻辑示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法，在实现功率检测之前，要先获知检波电压与输入功率之间的对应关系，方法是使用信号源先向电路输入已知功率的信号，然后读取检波电压值，各个可用频点、各个功率点都需获取它对应的电压值，最终得到一张以频率、功率为坐标的二维数据表，存有各点的电压值。通常情况下，频率步进与功率步进固定且等长。

得到数据表后，就可以用当前的检波电压值在数据表中做比对，得到当前的输入功率值。如图1所示，对于信号分析仪的射频接收模块，获取到的输入功率有两个用途，一是告知用户当前的功率大小，这就要求得到的功率结果有相对较高的精度，由于数据表数据量较多，数据比对又耗费逻辑资源，因而这部分功能不适合在FPGA内部实现，选择由计算机软件来实现。FPGA获取电压值后，直接发送至工控机软件端，有计算机代码负责判定功率值。

功率值的另一个用途是根据功率大小变化改变射频电路器件的配置参数，这一功能对功率的精确度要求不高，只需要将输入功率分为若干个区间，根据不同的区间配置相应的射频器件参数，但对实时性要求较高，在输入功率发生改变后，需要在最短的时间内配置好相应参数，如果将电压数据发往软件端做处理，整个过程消耗的时间长，难以满足实时性要求，因而选择直接在FPGA内部处理数据。

FPGA内部逻辑结构如图2所示，每个功率数值区间的边界都对应一组比较器，检波电压输入后，与判断边界对应的参考电压同时输入比较器，做大小比较，全部比较器输出集合为一串N比特长度的比较结果，然后对结果进行重新编码，即可判决出当前的功率区间，同时得到相应的控制寄存器地址，最终根据地址配置射频电路。由于输入功率存在微小跳变，为了避免跳变影响功率区间的判决结果，每个区间边界的比较逻辑由2个比较器组成，2个比较器的参考电压有较小的差别，输入功率微小跳变幅度小于两个比较器参考电压之间的差值，以保证判决结果的稳定。

首先通过校准，得到检波电压与各个频率功率输入的对应关系，得到以频率、功率为坐标的数据表，数据表的频率步进与功率步进固定且等长。系统运行时，软件会加载完整的数据表用作功率的精确判断，同时，软件会将数据表部分数据作为参考电压置入FPGA，用于比较器比较。

系统在得到检波电压后，通过ADC将数字信号传入FPGA内部逻辑。FPGA一方面直接将电压值传入软件，由软件比对完整数据表，得到精确的功率值。

同时，FPGA每次接收到电压数据，在逻辑内部会与已经预设好的参考电压作比较。如图3所示，在硬件内部实现粗略的功率判决功能，功率值被分为数个5dB步进的功率区间，软件预先传入一组参考电压，作为每个区间的判决边界。为了避免判决结果受功率抖动发生跳变，每个区间边界配置2个差值很小的参考电压，功率抖动幅度决定了两个参考电压的差值大小。同时在逻辑上实现2个比较器，区间的判决结果由2个比较器共同决定。

判决完成后，得到一串结果序列Y

Y＝{y₁，y₂，y₃，y₄，...，y_N}

为避免校准误差导致结果错乱，将每一位结果与前面比特位做按位“与”

y′₁＝y₁

y′₂＝y₁|y₂

y′₃＝y₁|y₂|y₃

y′_N＝y₁|y₂|...|y_N

得到结果Y′＝{y′₁，y′₂，y′₃，y′₄，…，y′_N}

最后使用有限状态机将Y′转换为位宽4bit的地址，利用地址取出射频配置寄存器的参数，对射频电路进行配置。FPGA便完成了对输入功率的判决和响应。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法，用于信号分析仪中，其特征在于，

所述方法包括：获知检波电压与输入功率之间的对应关系；使用信号源先向电路输入已知功率的信号，然后读取检波电压值，各个可用频点、各个功率点都需获取它对应的电压值，最终得到一张以频率、功率为坐标的二维数据表，存有各点的电压值；根据数据表，用当前的检波电压值在数据表中做比对，得到当前的输入功率值；

对于信号分析仪的射频接收模块，获取到的输入功率有两个用途，一是告知用户当前的功率大小，选择由计算机软件来实现；FPGA获取电压值后，直接发送至工控机软件端，由计算机代码负责判定功率值；

功率值的另一个用途是根据功率大小变化改变射频电路器件的配置参数，需要将输入功率分为若干个区间，根据不同的区间配置相应的射频器件参数，在输入功率发生改变后，需要在最短的时间内配置好相应参数，选择直接在FPGA内部处理数据；

FPGA每个功率数值区间的边界都对应一组比较器，检波电压输入后，与判断边界对应的参考电压同时输入比较器，做大小比较，全部比较器输出集合为一串N比特长度的比较结果，然后对结果进行重新编码，即可判决出当前的功率区间，同时得到相应的控制寄存器地址，最终根据地址配置射频电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的时变信号功率检测与自动增益控制的方法，其特征在于，在获知频率、功率相对应的检波电压数据时，每隔固定频率步进和固定功率步进读取一组电压值；

在对比过程中，由于输入功率存在微小跳变，为了避免跳变影响功率区间的判决结果，每个区间边界的比较逻辑由2个比较器组成，2个比较器的参考电压有较小的差别，输入功率微小跳变幅度小于两个比较器参考电压之间的差值。