CN113867238B - 带有幅度和脉冲调制功能的捷变alc系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波射频技术领域，提供一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统及其控制方法，系统包括主链路和反馈环路，主链路包括依次连接的模拟衰减电路、放大电路、开关和耦合器；反馈环路包括检波电路、第一电压处理电路、ADC采样电路、FPGA、DAC转换电路、第二电压处理电路和开关驱动电路。本发明通过简单的硬件电路设计和数字控制方法，实现带幅度调制和脉冲调制功能的精准快速的功率输出。通过FPGA+高速AD/DA和查表的方式，实现功率捷变时间为ns级，解决了调幅速率受ALC稳定时间的限制问题，同时保证了脉冲调制下有载波输出时的电平准确度，避免了复杂的硬件电路设计。

Description

带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统及其控制方法

技术领域

本发明属于微波射频技术领域，具体涉及一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统及其控制方法。

背景技术

自动电平控制（ALC）技术用于精准控制输出功率，广泛应用于信号源和移动通信系统的发射机中，通常在ALC链路中加入调幅电路和脉冲调制电路来实现信号源的功率稳定控制、幅度调制和脉冲调制功能。

如图1所示，为现有技术的一种射频微波信号源调幅ALC环路，参考电平和调幅信号叠加后形成前馈信号先作用在线性衰减器上，射频信号在主链路上经过放大、线性调制、再放大之后，经过耦合器耦合部分信号经过检波和对数放大形成一个与输出功率成比例关系的电压信号，该电压与前馈信号求和后进行环路积分，得到控制电压再修正线性衰减电路的衰减量，调整信号幅度。然而，该电路只能在一定调幅范围工作，在深度调幅时会和ALC的控制冲突，ALC环路响应时间很长，一般在us级，影响了功率稳定速度，调幅带宽受限于ALC系统的迟滞特性；同时硬件电路复杂，调试工作量大，不易实现。

发明内容

针对上述相关现有技术不足，本发明提供一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统及其控制方法，通过简单的硬件电路设计和数字控制方法，实现带幅度调制和脉冲调制功能的精准快速的功率输出，相比于一般的ALC系统，实现功率捷变时间为ns级。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统，包括：

主链路，其包括依次连接的模拟衰减电路、放大电路、开关和耦合器；

反馈环路，其包括检波电路、第一电压处理电路、ADC采样电路、FPGA、DAC转换电路、第二电压处理电路和开关驱动电路；

其中，模拟衰减电路用于对输入信号的信号幅度进行调整，放大电路用于对调整幅度后的信号进行放大处理，开关用于对放大后的信号进行脉冲调制处理，耦合器用于对脉冲调制处理后的信号进行耦合，从耦合端输出耦合信号至检波电路，从直通端输出信号；

检波电路用于将耦合信号转换为电压信号，第一电压处理电路用于将检波电路输出的电压信号拓展成符合ADC输入量程的电压信号，ADC采样电路用于将拓展后的电压信号转换为数字电压信号，FPGA用于根据数字电压信号进行计算得到输出功率，并根据输出功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号，DAC转换电路用于将数字控制信号转化为模拟电压信号，第二电压处理电路用于将模拟电压信号转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，以控制模拟衰减电路的衰减量，实现调幅；FPGA还用于产生脉冲信号，开关驱动电路用于根据脉冲信号控制开关的闭合和开启，实现脉冲调制。

一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统的控制方法，包括步骤：

S1、建立不同频率下数字控制信号和输出功率的对应关系：

在输入功率固定、频率固定的条件下，通过FPGA下发数字控制信号控制模拟衰减电路进行衰减，以获得在不同数字控制信号下的输出功率，并得到数字控制信号和输出功率的对应关系；改变输入信号的频率，重复执行通过FPGA下发数字控制信号控制模拟衰减电路进行衰减，以获得在不同数字控制信号下的输出功率的过程，记录在不同的输入频率下，不同数字控制信号和输出功率的对应关系，得到一张二维表，记为表1。

S2、建立输出功率与数字电压信号对应关系：

在输入功率固定、频率固定的条件下，改变数字控制信号，记录在不同输出功率下数字电压信号，建立输出功率与数字电压信号的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输出功率与数字电压信号的关系，得到一张二维表，记为表2。

S3、自动电平控制：

设预设输出频率f ₁，预设输出功率为P₁，FPGA在表1中查找f ₁下P₁对应的数字控制信号，并下发该数字控制信号控制模拟衰减电路的衰减量；根据反馈环路输出的数字电压信号，查表2获得对应的输出功率，然后根据该输出功率与P₁的差值和当前数字控制信号，查表1找到新的数字控制信号并下发，实现模拟衰减电路的衰减量的调控，最终使输出功率稳定在P₁。

S4、幅度调制功能的实现：

设调幅深度为a（0<a<1），调幅速率为f，先根据步骤S3的自动电平控制使输出功率稳定在P₁，然后根据P₁和a计算得到需要的衰减量，然后根据当前数字控制信号X1和衰减量查表1，得到该衰减量下对应的数字控制信号X2，最后控制FPGA以频率f输出数字控制信号X1~数字控制信号X2区间的值。

S5、脉冲调制功能的实现：

设期望脉冲调制时的脉冲周期为T，脉冲宽度为T0，先根据S3的自动电平控制使输出功率稳定在P₁，然后由FPGA发送脉冲周期为T，脉冲宽度为T0数字脉冲信号，经开关驱动电路控制主链路上开关的闭合和开启，当开关闭合且脉冲宽度T0大于等于ALC稳定时间时，ALC反馈环路正常工作；当开关开启时，或当脉冲宽度T0小于ALC稳定时间时，控制ALC反馈环路不工作，FPGA输出的数字控制信号维持步骤S3中的初始值不变。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用模拟衰减电路和FPGA搭建的反馈环路，实现大动态范围的功率校准和深度调幅功能；

2、本发明采用开关电路的方式，实现了高关断比的脉冲调制功能，且能保证脉冲调制下载波电平准确度；

3、本发明的捷变ALC系统，相比于一般的ALC系统，通过FPGA+高速AD/DA和查表的方式，实现捷变ALC系统的功率响应时间较快，实现功率捷变时间为ns级，解决了调幅速率受ALC稳定时间的限制问题，同时保证了脉冲调制下有载波输出时的电平准确度，避免了复杂的硬件电路设计。

附图说明

图1为现有技术的一种射频调幅ALC环路。

图2为本申请实施例的带幅度和脉冲调制的捷变数字ALC系统的电路结构示意图。

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，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本申请实施例的一个方面，提供一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统，如图2所示，包括主链路和反馈环路。

具体的，主链路包括依次连接的模拟衰减电路、放大电路、开关和耦合器；反馈环路包括检波电路、第一电压处理电路、ADC采样电路、FPGA、DAC转换电路、第二电压处理电路和开关驱动电路。检波电路连接耦合器的耦合端，第一电压处理电路连接检波电路，ADC采样电路连接第一电压处理电路，FPGA连接ADC采样电路、DAC转换电路、开关驱动电路，DAC转换电路连接第二电压处理电路，第二电压处理电路连接模拟衰减电路，开关驱动电路连接开关。

其中，输入信号传输至模拟衰减电路，经模拟衰减电路调整信号幅度后，传输至放大电路进行放大处理，放大处理后的信号传输至开关，经开关进行脉冲调制后，传输至耦合器，经耦合器耦合后，耦合端输出的耦合信号传输至检波电路，直通端为输出信号。

其中，耦合信号输入检波电路，经检波电路转化为电压信号，检波电压信号传输至第一电压处理电路，经第一电压处理电路拓展成符合ADC输入量程的电压信号，传输至ADC采样电路，经ADC采样电路转换为数字电压信号后传输至FPGA，FPGA根据接收到的数字电压信号（即ADC值）计算得到输出功率，根据输出功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号（即DAC控制字）给DAC转换电路，DAC转换电路将FPGA下发的数字控制信号转化为模拟电压信号，模拟电压信号经过第二电压处理电路转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，控制模拟衰减电路的衰减量。

幅度调制时，由FPGA下发数字控制信号，经DAC转换电路将数字控制信号转化为模拟电压信号，再经第二电压处理电路将模拟电压信号转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，以控制模拟衰减电路的衰减量，实现调幅。

脉冲调制时，由FPGA产生脉冲信号经开关驱动电路控制主链路上开关的闭合和开启，实现脉冲调制。

本申请实施例的另一个方面，提供一种基于带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、建立不同频率下DAC控制字和输出功率的对应关系：

在输入功率固定、频率固定的条件下，通过FPGA下发DAC控制字，经DAC转换电路将DAC控制字转化为模拟电压信号，再经第二电压处理电路将模拟电压信号转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，以控制模拟衰减电路的进行衰减；获得在不同DAC控制字下的输出功率，得到DAC控制字和输出功率的对应关系；改变输入信号的频率，重复上述过程，即重复执行通过FPGA下发数字控制信号控制模拟衰减电路进行衰减，以获得在不同数字控制信号下的输出功率的过程，记录在不同的输入频率下，不同DAC控制字和输出功率值的对应关系，得到一张二维表，记为表1。

步骤2、建立输出功率与ADC值对应关系：

在输入功率固定、频率固定的条件下，改变DAC控制字，记录在不同输出功率下ADC值，建立输出功率与ADC值的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输出功率与ADC值的关系，得到一张二维表，记为表2。

步骤3、自动电平控制：

假设预设输出频率f ₁，预设输出功率为P₁，FPGA根据P₁和f ₁在表1中查找频率f ₁下功率值P₁对应的DAC控制字，然后下发该DAC控制字，经DAC转换电路将DAC控制字转化为模拟电压信号，再经第二电压处理电路将模拟电压信号转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，以控制模拟衰减电路的衰减量；根据反馈环路输出的ADC值，查询表2获得对应的输出功率，然后该输出功率与预设输出功率P₁的差值和当前DAC控制字，查表1找到新的DAC控制字，然后下发该DAC控制字，经DAC转换电路将DAC控制字转化为模拟电压信号，再经第二电压处理电路将模拟电压信号转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，以控制模拟衰减电路的衰减量，最终使输出信号功率稳定在P₁。

步骤4、幅度调制功能的实现

假设预设输出功率为P₁，调幅深度为a（0<a<1），调幅速率为f，先根据步骤3自动电平控制使输出功率稳定在P₁。接着根据输出功率值P₁和调幅深度a计算需要的衰减量，具体计算方法为：设调幅深度a对应的衰减量为Y，设衰减量Y对应的输出功率为P₂，利用功率到电压峰峰值的转换公式

得到当前功率P₁对应的电压峰峰值V _pp,再利用公式

计算出需要得到的电压峰峰值V，然后用

得到电压峰峰值V对应的输出功率P₂，最后利用Y=P₁-P₂得到衰减量Y；然后根据当前DAC控制字X1和衰减量Y查表1，得到该衰减量下对应的DAC控制字X2，最后控制FPGA以频率f输出DAC控制字X1~DAC控制字X2的区间的值。

步骤5、脉冲调制功能的实现

假设期望脉冲调制时的脉冲周期为T，脉冲宽度为T0，载波/预设输出功率为P₁，先根据步骤3自动电平控制使输出功率稳定在P₁，然后由FPGA发送脉冲周期为T，脉冲宽度为T0数字脉冲信号，经开关驱动电路控制主链路上开关的闭合和开启，当开关闭合且脉冲宽度T0大于等于ALC稳定时间时，ALC反馈环路正常工作，可以保证载波信号的电平准确度，当开关开启时控制ALC反馈环路不工作；当脉冲宽度T0小于ALC稳定时间时，控制ALC反馈环路不工作，FPGA输出的DAC控制字维持步骤3中的初始值不变。由于该ALC系统的稳定时间在ns级，所以可以保证脉冲宽度在us级下有载波输出时的电平准确度。

以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统的控制方法，所述系统包括：

主链路，其包括依次连接的模拟衰减电路、放大电路、开关和耦合器；

反馈环路，其包括检波电路、第一电压处理电路、ADC采样电路、FPGA、DAC转换电路、第二电压处理电路和开关驱动电路；

其中，模拟衰减电路用于对输入信号的信号幅度进行调整，放大电路用于对调整幅度后的信号进行放大处理，开关用于对放大后的信号进行脉冲调制处理，耦合器用于对脉冲调制处理后的信号进行耦合，从耦合端输出耦合信号至检波电路，从直通端输出信号；

检波电路用于将耦合信号转换为电压信号，第一电压处理电路用于将检波电路输出的电压信号拓展成符合ADC输入量程的电压信号，ADC采样电路用于将拓展后的电压信号转换为数字电压信号，FPGA用于根据数字电压信号进行计算得到输出功率，并根据输出功率和预设输出功率的差值下发数字控制信号，DAC转换电路用于将数字控制信号转化为模拟电压信号，第二电压处理电路用于将模拟电压信号转化成符合模拟衰减电路使用的控制电压信号，以控制模拟衰减电路的衰减量，实现调幅；FPGA还用于产生脉冲信号，开关驱动电路用于根据脉冲信号控制开关的闭合和开启，实现脉冲调制，其特征在于，所述控制方法包括步骤：

S1、建立不同频率下数字控制信号和输出功率的对应关系：

在输入功率固定、频率固定的条件下，通过FPGA下发数字控制信号控制模拟衰减电路进行衰减，以获得在不同数字控制信号下的输出功率，并得到数字控制信号和输出功率的对应关系；改变输入信号的频率，重复执行通过FPGA下发数字控制信号控制模拟衰减电路进行衰减，以获得在不同数字控制信号下的输出功率的过程，记录在不同的输入频率下，不同数字控制信号和输出功率的对应关系，得到一张二维表，记为表1；

S2、建立输出功率与数字电压信号对应关系：

在输入功率固定、频率固定的条件下，改变数字控制信号，记录在不同输出功率下数字电压信号，建立输出功率与数字电压信号的关系；改变输入信号的频率，记录在不同输入信号频率下、输出功率与数字电压信号的关系，得到一张二维表，记为表2；

S3、自动电平控制：

设预设输出频率f ₁，预设输出功率为P₁，FPGA在表1中查找f ₁下P₁对应的数字控制信号，并下发该数字控制信号控制模拟衰减电路的衰减量；根据反馈环路输出的数字电压信号，查表2获得对应的输出功率，然后根据该输出功率与P₁的差值和当前数字控制信号，查表1找到新的数字控制信号并下发，实现模拟衰减电路的衰减量的调控，最终使输出功率稳定在P₁；

S4、幅度调制功能的实现：

设调幅深度为a（0<a<1），调幅速率为f，先根据步骤S3的自动电平控制使输出功率稳定在P₁，然后根据P₁和a计算得到需要的衰减量，然后根据当前数字控制信号X1和衰减量查表1，得到该衰减量下对应的数字控制信号X2，最后控制FPGA以频率f输出数字控制信号X1~数字控制信号X2区间的值；

S5、脉冲调制功能的实现：

设期望脉冲调制时的脉冲周期为T，脉冲宽度为T0，先根据S3的自动电平控制使输出功率稳定在P₁，然后由FPGA发送脉冲周期为T，脉冲宽度为T0数字脉冲信号，经开关驱动电路控制主链路上开关的闭合和开启；

当开关闭合且脉冲宽度T0大于等于ALC稳定时间时，ALC反馈环路正常工作；

当开关开启时，或当脉冲宽度T0小于ALC稳定时间时，控制ALC反馈环路不工作，FPGA输出的数字控制信号维持步骤S3中的初始值不变。

2.根据权利要求1所述的带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统的控制方法，其特征 在于，步骤S4中，根据P₁和a计算得到需要的衰减量的计算方法为：设调幅深度a对应的衰减 量为Y，设衰减量Y对应的输出功率为P₂，利用功率到电压峰峰值的转换公式

得到当前功率P₁对应的电压峰峰值V _pp,再利用公式

计算出需要 得到的电压峰峰值V，然后用

得到电压峰峰值V对应的输出功率P₂，最后利 用Y=P₁-P₂得到衰减量Y。

3.根据权利要求1所述的带有幅度和脉冲调制功能的捷变ALC系统的控制方法，其特征在于，检波电路连接耦合器的耦合端，第一电压处理电路连接检波电路，ADC采样电路连接第一电压处理电路，FPGA连接ADC采样电路、DAC转换电路、开关驱动电路，DAC转换电路连接第二电压处理电路，第二电压处理电路连接模拟衰减电路，开关驱动电路连接开关。

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