CN114244379A - 一种大动态rdss自动增益控制接收机系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统及控制方法，本系统包括S波段接收天线，以及与所述S波段接收天线依次连接的第一级射频低噪声放大器、连接射频带通滤波器、第二级可变增益射频低噪声放大器、射频耦合器、混频器、中频低通滤波器、中频耦合器、可变增益放大器、中频模数转换器、FPGA控制板；还包括射频功率测量模块和中频功率测量模块。本发明能够同时适应到达的强信号和弱信号，有效扩大了系统的瞬时动态范围，很好的解决了目标高速移动以及姿态变化过程中，使得接收的RDSS信号都能够被很好的接收和处理，显著提高了系统的信号环境适应能力，提高了RDSS信号的接收能力。

Description

一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统及控制方法
技术领域
本发明属于无线电导航领域，涉及一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统及控制方法。
背景技术
高动态条件即接收机进行PNT解算的环境处于高速度(不低于8km/h)、高加速度(不低于20g)或高加速度(不低于20g)的运动当中。当RDSS接收机安装在目标上时，随着目标位置的移动、姿态的变化，其接收的RDSS信号会发生剧烈变化。对于RDSS接收机而言，保持其输出功率的恒定有利于实现RDSS信号的解调，或者提高RDSS解调信号的输出频率。因此，需在大动态范围下，通过快速功率控制的方式，保持RDSS输出信号的稳定。检索现有专利，现有的大动态功率控制方法包括：ZL98819900提供了可编程动态范围接收机，涉及接收机后端ADC部分，提高ADC动态范围。ZL20030026363强调采用增益可控的放大器提高动态范围，实现算法复杂，适应场合有限。
综上，现有的导航定位要求具有大动态信号接收能力、能够保持RDSS输出信号稳定的射频接收机，而传统的增加ADC位数、单纯采用可变增益放大器的方案难以满足功率的动态范围。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统及控制方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统，包括S波段接收天线，以及与所述S波段接收天线依次连接的第一级射频低噪声放大器、连接射频带通滤波器、第二级可变增益射频低噪声放大器、射频耦合器、混频器、中频低通滤波器、中频耦合器、可变增益放大器、中频模数转换器、FPGA控制板；还包括射频功率测量模块和中频功率测量模块。
进一步，所述射频功率测量模块包括与射频耦合器连接的射频功率检测模块和低通双通道模数转换器。
进一步，所述中频功率测量模块包括与中频耦合器连接的中频频功率检测模块和低通双通道模数转换器。
进一步，所述S波段接收天线，其接收的功率值大于-128dBm。
另一方面，本发明提供一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，包括以下步骤：
(1)射频低增益通道和中频高增益通道同时工作时，在低增益变频通道设置一个信号功率门限，当检测到接收的信号功率小于门限值时，启动射频低增益通道上的低噪声放大器，提供20dB的增益；
(2)当信号超过这个信号功率门限时，旁路射频低增益通道上的低噪声放大器，依靠中频高增益通道上的可变增益放大器提供RDSS信号的增益；
(3)低增益通道和高增益通道的功率检波信号经过AD采集量化后，送入检测与参数提取，实现功率测量；
(4)完成对信号的检测，对低增益通道和高增益通道上的可变增益放大器的功率值进行控制。
进一步，所述步骤(1)信号功率门限是设置在对高频低增益通道AD采集之后，通过对数字化后的高频信号功率进行判定后实现。
进一步，所述步骤(3)中所述高频低增益通道信号被AD量化后，成为数字信号，所述数字信号经过对数检波后形成能够代表信号功率大小的包络信号，通过对所述包络信号进行过信号功率门限比较判断，生成第二级射频可变增益低噪声放大器的选择信号。
进一步，所述包络信号大于所述信号功率门限时，所述射频可变增益低噪声放大器被旁路，表示选择所述低频高增益通道的输出进行后续处理，对RDSS信号进行放大；所述包络信号小于信号功率门限时，所述射频可变增益低噪声放大器提供20dB的增益，并由所述的低频高增益通道的对RDSS信号进行继续放大。
进一步，将射频端检测到的功率与中频端检测到的功率作为变量，采用卡尔曼滤波算法使得输出功率快速接近恒定值。
进一步，在射频和中频功率检波器的作用下，低频双通道ADC将功率信号转换为数字信号，并输入到FPGA控制板；在FPGA控制板上，首先通过低通滤波，得到射频与中频的准确增益信号，通过公式来计算低频高增益放大器的控制输出：
f(n)＝kp*R(n)+kI*RInt(n)+kD*RDiff(n) (3)
其中R(n)表示中频、射频两级可变增益放大器的增益之差，RInt(n)为R(n)的积分，RDiff为R(n)的差分，即：
Figure BDA0003421141600000031
其中，Ts为调节步进。
本发明的有益效果在于：本发明使用两个增益通道，两个功率检测模块以及双通道AD同时工作，能够同时适应到达的强信号和弱信号，有效扩大了系统的瞬时动态范围，很好的解决了目标高速移动以及姿态变化过程中，使得接收的RDSS信号都能够被很好的接收和处理，显著提高了系统的信号环境适应能力，提高了RDSS信号的接收能力。
附图说明
图1为本发明提供的大动态RDSS自动增益控制接收机系统处于小信号接收的原理结构框图；
图2为本发明提供的大动态RDSS自动增益控制接收机系统处于大信号接收的原理结构框图；
图3为实施例中的接收的RDSS信号功率与测量得到的RDSS信号的功率的比较情况；
图4为实施例中接收的RDSS信号功率发生突变后，由算法调节得到的RDSS信号的输出功率。
具体实施方式
本发明的上述目的可以通过以下措施达到。本发明中所述的RDSS接收机包括两级功率检测模块与可变增益放大模块。第一级在射频端，采用对数检波器测量耦合后的射频信号的功率，并采用旁路的方式来改变可变增益放大模块的增益。通常在旁路有效及无效状态下，射频端的可变增益放大模块能提供0dB以及20dB的增益。其旁路状态与否取决于两级功率检波器的输出以及算法的判断结果。第二级在中频端，同样采用对数检波器测量耦合后的中频信号的功率，在采集后输入到FPGA中，由FPGA对中频可变增益放大器的增益进行控制，进而控制输出的RDSS信号的功率。
一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统及方法，包括S波段接收天线、第一级低噪声放大器、射频带通滤波器、第二级可变增益低噪声放大器、射频耦合器、射频功率检测模块、混频器、射频本振、中频低通滤波器、中频耦合器、中频功率检测模块、中频模数转换器、低频双通道模数转换器以及FPGA控制板。
作为优选的实施方式，所述射频功率测量模块由射频耦合器、射频功率检测模块、低通双通道模数转换器连接而成。
作为优选的实施方式，所述中频功率测量模块由中频耦合器、中频频功率检测模块、低通双通道模数转换器连接而成。
作为优选的实施方式，所述的大动态RDSS自动增益控制接收机，其连接方式为：S波段接收天线连接第一级射频低噪声放大器，第一级射频低噪声放大器连接射频带通滤波器，射频带通滤波器连接第二级可变增益射频低噪声放大器。第二级可变增益射频低噪声放大器连接射频耦合器，射频耦合器连接混频器，混频器连接中频低通滤波器，中频低通滤波器连接中频耦合器，中频耦合器连接中频模数转换器，中频模数转换器连接FPGA控制板。
作为优选的实施方式，所述S波段接收天线，其接收的功率值应大于-128dBm。
本发明所提供的一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统及方法，还包括以下步骤：
(1)射频低增益通道和中频高增益通道同时工作时，在低增益变频通道设置一个信号功率门限，当检测到接收的信号功率小于这个门限值时，启动射频低增益通道上的低噪声放大器，提供约20dB的增益；
(2)当信号超过这个信号功率门限时，旁路射频低增益通道上的低噪声放大器，此时依靠中频高增益通道上的可变增益放大器提供RDSS信号的增益；
(3)低增益通道和高增益通道的功率检波信号经过AD采集量化后，送入检测与参数提取，实现功率测量；
(4)完成对信号的检测，对低增益通道和高增益通道上的可变增益放大器的功率值进行控制。
作为优选的实施方式，所述步骤(1)信号功率门限是放在对高频低增益通道AD采集之后，通过对数字化后的高频信号功率进行判定后实现。
作为优选的实施方式，所述步骤(3)中所述高频低增益通道信号被AD量化后，成为数字信号，所述数字信号经过对数检波后形成能够代表信号功率大小的包络信号，通过对所述包络信号进行过信号功率门限比较判断，生成第二级射频可变增益低噪声放大器的选择信号。
作为优选的实施方式，所述包络信号大于所述信号功率门限时，所述射频可变增益低噪声放大器被旁路，表示选择所述低频高增益通道的输出进行后续处理，对RDSS信号进行放大；所述包络信号小于信号功率门限时，所述射频可变增益低噪声放大器提供20dB的增益，并由所述的低频高增益通道的对RDSS信号进行继续放大。
实施例：大动态RDSS信号自动增益接收及控制方法
请同时参阅附图1至图2。
本实施例提供了大动态、以及功率突变情况下，本发明提供的RDSS接收机对RDSS信号的接收情况以及功率控制方法。
天线接收的RDSS信号的最小输入功率为-128dBm，RDSS接收机输出的信号功率为0dBm。在FPGA控制板中，当射频功率检波模块测得输入信号的功率小于于-40dBm时，设置RDSS接收机的第二级射频可变增益低噪声放大器处于增益状态，如附图1所示。当射频功率检波模块测得信号功率大于-40dBm，设置RDSS接收机的第二级射频可变增益低噪声放大器处于旁路状态，如附图2所示。
当输入的RDSS信号发生变化时，通过射频功率检测模块得到的测量值如附图3所示。从图中可以看出，射频功率检测模块的输出值可以根据输入的RDSS信号的功率变化。
在射频和中频功率检波器的作用下，低频双通道ADC将功率信号转换为数字信号，并输入到FPGA控制板。在FPGA控制板上，首先通过低通滤波，得到射频与中频的准确增益信号(反映了接收的射频及中频RDSS信号的包络)。通过公式：
f(n)＝kp*R(n)+kI*RInt(n)+kD*RDiff(n) (5)
来计算低频高增益放大器的控制输出，其中R(n)中频、射频两级可变增益放大器的增益之差。RInt(n)为R(n)的积分，RDiff为R(n)的差分，即：
Figure BDA0003421141600000051
其中，Ts为调节步进。在设置1ms的仿真步进的条件下，假设输入的RDSS信号的突然增加30dB，在该方法下观察输出信号的功率，如附图4所示。从图中可以看出，当输入的RDSS信号的功率值突然增加时，输出的RDSS的功率首先会发生振荡，进而经过10次(约10ms)左右的迭代，使得输出的功率重新回到0dBm。仿真结果验证了本发明提供的一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统和方法的有效性。

Claims (10)

1.一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统，其特征在于：包括S波段接收天线，以及与所述S波段接收天线依次连接的第一级射频低噪声放大器、连接射频带通滤波器、第二级可变增益射频低噪声放大器、射频耦合器、混频器、中频低通滤波器、中频耦合器、可变增益放大器、中频模数转换器、FPGA控制板；还包括射频功率测量模块和中频功率测量模块。
2.根据权利要求1所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统，其特征在于：所述射频功率测量模块包括与射频耦合器连接的射频功率检测模块和低通双通道模数转换器。
3.根据权利要求1所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统，其特征在于：所述中频功率测量模块包括与中频耦合器连接的中频频功率检测模块和低通双通道模数转换器。
4.根据权利要求1所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统，其特征在于：所述S波段接收天线，其接收的功率值大于-128dBm。
5.一种大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：射频低增益通道和中频高增益通道同时工作时，在低增益变频通道设置一个信号功率门限，当检测到接收的信号功率小于门限值时，启动射频低增益通道上的低噪声放大器，提供20dB的增益；
步骤S2：当信号超过这个信号功率门限时，旁路射频低增益通道上的低噪声放大器，依靠中频高增益通道上的可变增益放大器提供RDSS信号的增益；
步骤S3：低增益通道和高增益通道的功率检波信号经过AD采集量化后，送入检测与参数提取，实现功率测量；
步骤S4：完成对信号的检测，对低增益通道和高增益通道上的可变增益放大器的功率值进行控制。
6.根据权利要求5所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，其特征在于：所述步骤S1信号功率门限是设置在对高频低增益通道AD采集之后，通过对数字化后的高频信号功率进行判定后实现。
7.根据权利要求5所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，其特征在于：所述步骤S3中所述高频低增益通道信号被AD量化后，成为数字信号，所述数字信号经过对数检波后形成能够代表信号功率大小的包络信号，通过对所述包络信号进行过信号功率门限比较判断，生成第二级射频可变增益低噪声放大器的选择信号。
8.根据权利要求5所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，其特征在于：所述包络信号大于所述信号功率门限时，所述射频可变增益低噪声放大器被旁路，表示选择所述低频高增益通道的输出进行后续处理，对RDSS信号进行放大；所述包络信号小于信号功率门限时，所述射频可变增益低噪声放大器提供20dB的增益，并由所述的低频高增益通道的对RDSS信号进行继续放大。
9.根据权利要求5所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，其特征在于：将射频端检测到的功率与中频端检测到的功率作为变量，采用卡尔曼滤波算法使得输出功率快速接近恒定值。
10.根据权利要求5所述的大动态RDSS自动增益控制接收机系统控制方法，其特征在于：在射频和中频功率检波器的作用下，低频双通道ADC将功率信号转换为数字信号，并输入到FPGA控制板；在FPGA控制板上，首先通过低通滤波，得到射频与中频的准确增益信号，通过公式来计算低频高增益放大器的控制输出：
f(n)＝kp*R(n)+kI*RInt(n)+kD*RDiff(n) (1)
其中R(n)表示中频、射频两级可变增益放大器的增益之差，RInt(n)为R(n)的积分，RDiff为R(n)的差分，即：
Figure FDA0003421141590000021
其中，Ts为调节步进。
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