跳頻發(fā)射機自動電平控制的實現(xiàn)方法

劉繼林

(中國西南電子技術(shù)研究所, 成都610036)

1 引 言

最近幾年,跳頻通信技術(shù)取得了很大的發(fā)展,與此同時,它對發(fā)射信道自動電平控制(ALC)的要求也隨之提高。在跳頻通信中,對ALC 的主要要求就是響應(yīng)時間要快(一般要求到微秒級),若響應(yīng)時間過長,則會在通信過程中丟失數(shù)據(jù)幀頭的同步信息,接收端將無法同步,導(dǎo)致不能通信;但是,傳統(tǒng)ALC 控制過程中難免會有功率過沖,功率過沖過大又會帶來ALC 阻尼振蕩,使得功率回零而導(dǎo)致功率達到穩(wěn)定值的時間變長,即ALC 控制穩(wěn)定的響應(yīng)時間變長(約1～2 ms),這在跳頻通信中是絕對不能接受的。

傳統(tǒng)的ALC 控制技術(shù)是通過衰減器(PIN 管調(diào)制器)來控制功放系統(tǒng)增益的,衰減器在初始狀態(tài)時使用的控制電壓最大因而獲得最小衰減,以此來滿足功放增益動態(tài)范圍調(diào)整的需要,這樣就使得功放在衰減器初始狀態(tài)下處于最大增益狀態(tài),功放一旦獲得RF 激勵信號,在短時間內(nèi)將不可避免地出現(xiàn)功率過沖。功率過沖有相當(dāng)大的危害性,必須予以解決。

本文從ALC 閉環(huán)控制技術(shù)出發(fā), 分析了傳統(tǒng)ALC 的動態(tài)建立過程,提出了控制跳頻功放增益增長的新方法。這種方法既有效地解決了功率過沖問題,又縮短了ALC 的響應(yīng)時間。實踐證明,該方法是有效、可行的。

2 ALC 的基本工作原理

2.1 基本概念

所謂自動電平控制(ALC),是指當(dāng)輸入電平在較大范圍內(nèi)變化時,輸出電平恒定不變或在允許的波動范圍內(nèi)變化,即當(dāng)輸入信號功率很不穩(wěn)定或者有較大變化時,經(jīng)過ALC 環(huán)路控制后,輸出信號的功率值在較寬的頻帶上都會穩(wěn)定在一個相對恒定的幅度值上,起到自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)增益的作用。

2.2 工作原理

傳統(tǒng)的ALC 工作原理框圖如圖1 所示,主要完成輸出功率控制和防止功率放大器過激勵的保護等功能,加入ALC 電路,從而在功放內(nèi)部形成一個帶有閉環(huán)性質(zhì)的工作流程。從原理框圖上看,ALC 電路的實現(xiàn)必須有一個隨輸出信號強度改變的電壓,然后再通過這個電壓去控制PIN 衰減器來改變功放鏈路的增益,以達到控制輸出功率的目的。ALC反饋電路由四部分功能電路組成,即定向耦合器、檢波放大電路、求和運放電路和PIN 調(diào)制器。

圖1 ALC 基本工作原理框圖Fig.1 Basic functional block diagram of ALC

2.3 S 域數(shù)學(xué)模型

ALC 電路的設(shè)計必須嚴格遵循閉環(huán)控制理論,否則就可能帶來閉環(huán)工作時產(chǎn)生的振蕩和穩(wěn)定性問題[1]。為了評估和分析ALC 閉環(huán)控制的性能,圖1的等效數(shù)學(xué)模型如圖2 所示,信號模型用Laplace 變換表示,X(s)代表輸入功率電平值, C(s)為ALC 閉環(huán)控制器,G(s)為功放的等效傳遞函數(shù)模型,F(S)為反饋函數(shù)模型。

圖2 S 域數(shù)學(xué)模型Fig.2 S Domain mathematics model

由S 域數(shù)學(xué)模型可以推導(dǎo)出功放控制的傳遞函數(shù)H(s)為

閉環(huán)控制的設(shè)計目標(biāo)是保證F(s)G(s)C(s)的全部極點都處于復(fù)平面的左半平面,以得到閉環(huán)的絕對穩(wěn)定性;同時優(yōu)化控制器C(s)、F(s)的參數(shù),保證F(s)G(s)C(s)的單位階躍響應(yīng)具有暫態(tài)響應(yīng)時間短、無過沖等特性。

3 ALC 的動態(tài)建立過程分析

按圖2 模型設(shè)計的功放系統(tǒng)的ALC 控制電路會存在嚴重的過沖問題。因為,從功率輸出到檢測器輸出、PIN 管調(diào)制器開始起控有一定的時延,即便是功率輸出達到飽和狀態(tài),檢測器、PIN 管調(diào)制器也需要一定的響應(yīng)時間來反應(yīng)系統(tǒng)的這個狀態(tài),這就是傳統(tǒng)的ALC 控制技術(shù)導(dǎo)致功放過沖問題的重要原因。

現(xiàn)在從時域上分析ALC 的動態(tài)建立過程。傳統(tǒng)ALC 控制電路主要組成電路如圖3 所示。

圖3 傳統(tǒng)ALC 控制電路Fig.3 Traditional ALC circuit

如圖3,為了簡化分析,假定電阻阻值R1=R 2=R3=R4,可推導(dǎo)出U(t)的表達式為

其中,ε(t)為階躍函數(shù),用來模擬收發(fā)轉(zhuǎn)換的電壓函數(shù)關(guān)系,t0為環(huán)路開始控制的時間。

令

根據(jù)式(2)可以討論ALC 的動態(tài)建立過程。通常定義ALC 的響應(yīng)時間為功放輸出功率達到穩(wěn)定值所需的時間。

(1)當(dāng)t=t0-時,B =0,U(t)最大(接近運放的正電源電壓),輸出功率最大(飽和功率),表現(xiàn)為功率過沖現(xiàn)象。

(2)當(dāng)t >t 0時,為起控過程,反饋控制電壓增加,假設(shè)達到設(shè)定的穩(wěn)定功率值時的反饋控制電壓為C。若B ≤C,功率達到穩(wěn)定的時間t =t1,即ALC 響應(yīng)時間t=t1;若B

(3)當(dāng)t =t0+時,雖然過程2 C ≥A, 暫時把U(t)拉為負值,使得輸出功率為零,但是A 是始終存在的,再次使得U(t)為正值,但已擺不到最大值,過沖功率也不為飽和功率,此時B 也不為第一次過沖時的最大值,若B 繼續(xù)比A 大,將會持續(xù)阻尼振蕩的過程,直至B 小于A 后方可進入到功率穩(wěn)態(tài)的過程,此時功率達到穩(wěn)態(tài)功率的時間為t3,即ALC響應(yīng)時間為t3。

從上述ALC 的動態(tài)建立過程分析,顯然t 1

4 跳頻發(fā)射信道ALC 的實現(xiàn)方法

從上述的ALC 的動態(tài)過程分析來看,要滿足跳頻通信對ALC 響應(yīng)時間的特別要求,就必須解決跳頻功放的功率過沖和回零問題[2]。從工程實踐過程中,筆者總結(jié)出一種利用跳頻時鐘禁發(fā)的方法,有效地解決了傳統(tǒng)ALC 控制電路的弊端。

禁發(fā)法的實現(xiàn)原理就是利用跳頻時鐘產(chǎn)生輔助電路,使式(2)中的電壓U(t)經(jīng)過處理后,由負值往正值方向擺動,功率由無到有,再到穩(wěn)定。這種方法既解決了功率過沖現(xiàn)象又縮短了ALC 的相應(yīng)時間。

實踐證明,利用跳頻時鐘的解決方案是可行的,原理電路見圖4,就是增加利用跳頻時鐘的輔助電路來控制運放的加電過程,來實現(xiàn)電壓由低向高增長。

圖4 禁發(fā)法原理電路圖Fig.4 Circuit diagram for transmission prohibition method

5 禁發(fā)法測試結(jié)果

測試條件:室溫,輸出功率15 W。利用禁發(fā)法改進后的ALC 響應(yīng)及功率響應(yīng)如圖5 所示。由圖可見,ALC 的控制電壓的增長從低到高,實現(xiàn)了功率的增長由無到設(shè)定的穩(wěn)定功率,消除了傳統(tǒng)的ALC控制的功率過沖和回零問題,縮短了ALC 的響應(yīng)時間。此外,ALC 的響應(yīng)時間小于20 μs。通過上系統(tǒng)測試,電臺通信的誤碼率和掉包率均滿足技術(shù)要求。

圖5 ALC 響應(yīng)時間測試結(jié)果Fig.5 Test result of ALC response time

6 結(jié)束語

本文通過對ALC 分析,認識了傳統(tǒng)ALC 控制跳頻發(fā)射信道的弊端,找到了利用跳頻時鐘作為輔助手段的解決方法,在某工程電臺上獲得了很好的使用效果。該方法具有輔助電路簡單、響應(yīng)時間快和無功率過沖等優(yōu)點,是一種理想的跳頻發(fā)射信道環(huán)路控制方案,ALC 的響應(yīng)時間可以達到微秒級。

[1] 劉明俊, 于明祁, 楊泉林.自動控制原理[M] .長沙:國防科技大學(xué)出版社,2000.

LIU Ming-jun,YU Ming-qi,YANG Quan-lin.Automatic Control Principle[M] .Changsha:National Defense University of Science and Technology Press,2000.(in Chinese)

[2] 梅文華, 王淑波.跳頻通信[ M] .北京:國防工業(yè)出版社,2005.

MEI Wen-hua,WANG Shu-bo.FH Communication[M] .Beijing:National Defense Industry Press,2005.(in Chinese)