数字ALC技术在高速跳频通信中的应用

ｌ敦字技术　＿＿十　通信技术　数字ＡＬＣ技术在高速跳频通信中的应用　李元帅　（广州海格通信集团股份有限公司广东广州５１０６６３）　摘要：介绍了无线通信中的功率发射控制原理及其作用。针对模拟ＡＬＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ自动电平控制）技术在高速跳频通信的局限性，提　出了一种数字化的ＡＬｃ功率控制方法。该方法基于大规模可编程器件（ＦＰＧＡ）、高速ＡＤ、大容量存储器和可编程数控衰减器，通过闭环控制算法，实现了　快速可靠的大功率发射控制。应用该技术到某款宽频无线跳频通信设备中，测试结果表明数字ＡＬＣ控制技术性能优于模拟ＡＬＣ。　关键词：跳频通信ＡＬＣ功率发射控制可编程数控衰减器　中图分类号：ＴＮｒ７２２－７　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—９４１６（２０１５）０８—００４５．０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆｐｏｗｅｒ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆＡＬＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｏｐｐｉｎｇ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｄｉｇｉｔａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＦＰＧＡ，ｌａｒｇｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｍｅｍｏｒｙ，ｈｉ　ｓｐｅｅｄ　ＡＤ　ａｎｄ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｈｉ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏ１．Ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ａ　ｂｒｏａｄｂａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｏｐｐｉｎｇ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ，ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ＡＬＣ　ｉｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ａｎａｌｏｇ　ＡＬＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｈｏｐｐｉｎｇ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｏｗｅｒ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ．　随着各种电子设备、无线通信设备的不断出现和应用，空间电　磁环境愈来愈复杂，通信设备的抗电磁干扰能力要求不断提升。大　功率、宽频段的跳频通信作为有效的抗干扰、抗截获无线通信方式，　在军事、救援以及商用通信等方面应用日益广泛Ｉｔ］。高速跳频通信系　统对实时性的要求较高，每跳的信息必须在极短的时间内完成处　理，而无线射频信号的输出功率闭环作为重要的功能，必须在更短　的时间使得输出功率达到标准要求［２１。功率ＡＬＣ（Ａｕｔｏｍａｆｉｃ　ｌｅｖｅｌ　ｃｏｎ￣：ｏｌ自动电平控制胙为无线通信设备功率闭环控制技术，能够在　

图１模拟ＡＬＣ功率控制原理图　

…一…　一…一…Ｉ　图２数字ＡＬＣ基本原理图　

图３数字ＡＬＣ功率控制详细设计方案　各种因素影响输出功率稳定时，实现系统输出功率的自我闭环，从而　恒定功率。恒定的功率一方面保证功率放大器不会长时间工作在过　功率状态下，造成设备可靠陛降低；另一方面在满足设备通信距离要　求的同时，不会产生过强的干扰信号影响其他设备的正常工作［３】ａ因　此ＡＬＣ控制技术是大功率无线通信技术的重要部分。　本文针对传统的模拟ＡＬＣ闭环系统对宽带无线跳频通信系统　的不足，结合目前大规模数字集成电路的成熟技术，提出了一种适　应高速跳频通信应用的系统的数字ＡＬＣ闭环方法。　１模拟ＡＬＣ功率控制原理及局限　１．１模拟ＡＬＣ功率控制原理　ＡＬＣ控制的目的是在输出信号达到设定值时，一定范围内的增　大或者减小输人信号，输出信号电平能够基本保持不变，即功率放　大器的增益自动随信号输出强度调整。一般的ＡＬＣ电路由两部分组　成：功率增益通路和反馈控制通路。工作原理如图１所示。　压控衰减器位于功率放大器之前，通过压控衰减器调整功率放　大器的输入激励信号来控制功率放大器的输出幅度。反馈控制电路　

收稿日期：２０１５－０７—２３　作者简介：李元帅（１９８０—），男，河南南阳人，硕士，主要研究方向：自动化控制。　跣频频率切换　◆　读取当前温度　取出ｃ０￣ｖｚ值　◆　ｃｏ写入数控衰减嚣　◆　ｒ一～　一…‘＇　发送射频信号　｛　Ｇ值写入衰减器［　捡授《功率值ｖＲ　…一……ｉ一一　ｈ。’‘——　‘——’。——’。——’’——一——　—＋—————　‘　｝　ｔ　ｌ　ｌ＿＿＿…墅　一一　｛　豪值　蜃＝：　；　＞　、＼／　结柬　图４　

ＡＬＣ功率闭环控制流程　通信技术　

图５自动功率检测原理图　常锰功率平坦度比较　

２００　２５０　３００　３５０　４００　４５１１　５００　５Ｓ０　６００　｛ＭＩ－ＩＺ　—－一数字闭环—・一摸擞｝ｉｊ环　图６常温两种闭环方式下功率平坦度比较　的基本部件是检波器、低通平滑滤波器和比较器。放大器的输出信　号经过耦合输出到检波器产生检波电平，并经过低通平滑滤波去除　调制分量和噪声后，与设定的额定功率对应的电平值进行比较，产　生用以控制压控衰减器的电压差Ｕｃ。当输入射频信号ＲＦ－ＩＮｔ￣大或　者其他因素影响，造成输出功率ＲＦ－ＯＵＴ增大时，耦合检波电平Ｕｃ　随之增大。作为负反馈电路，Ｕｃ增大会增加压控衰减器的衰减值，从　而功率放大器的输入激励减小，输出功率随之减小。如果输出功率　ＲＦ—ＯＵＴＮ４，￣Ｊ压控衰减器衰减值减小，功率随之增大，最终达到　新的平衡。　１．２模拟ＡＬＣ在宽频高速跳频通信中的局限性　宽频高速跳频无线通信系统相对于一般的通信系统有如下特　点：　（１）设备工作的频段覆盖比较宽，一般在几百兆赫兹的范围内工　作，需要功率放大部分有良好的动态范围和平坦度，能够在几百兆　的工作范围内保持基本一致的功率输出。　（２）由于是跳频工作，工作频点在几百甚至上千个频点之间随机　快速切换，需要功率闭环在极短时间内完成。国外一些跳频通信设　备的跳频速率甚至可达１００００Ｎｇ，相当于０．１ｍｓ频率变化一次。　（３）在特殊应用场合，设备要求在一４０￣Ｃ～＋６０￣Ｃ的环境温度下　正常工作并保持输出功率基本不变。　传统的模拟ＡＬＣ闭环系统主要适用于窄带、低速、定频通信设　备，在闭环精度、闭环时间上不能很好的满足现代通信的宽频段、跳　频大功率系统。模拟闭环系统由于模拟电路本身的温度特性限制及　宽带频率响应特性限制，在宽温环境及宽频段大功率工作条件下，　不同频率点输出同样功率的参考电平实际不同，而模拟闭环的参考　电平只能保持一种，造成闭环精度低、闭环不及时等问题，造成输出　功率不平坦。　２数字ＡＬＣ功率控制设计　２．１数字ＡＬＣ基本原理　数字ＡＬＣ电路主要通过ＡＤ对检测电平进行采样并通过数字算　法控制增益衰减实现对功率的闭环控制。主要功能部件为ＡＤ采样　电路、参数存储、反馈控制算法和数字控制衰减器，能够更快更精确　可靠的实现ＡＬＣ闭环。基本实现原理如图２所示。　２．２数字ＡＬＣ详细实现方案　本设计以大规模可编程集成电路（ＦＰＧＡ）及高精度ＡＤ转换为　高温功率平坦度｝￡鞍　

２００　２５０　３００　３５０　４００　４５０　５００　５５０　６００｛ＭＨｚ》　～～数字阍环　一模拟吲环　图７高温两种闭环方式下功率平坦度比较　中心构建数字化的反馈控制环路，增加了温度补偿和标准值存储功　能，使得功率的输出闭环更精确和快速。设计主要分为两个单元：功　率放大单元和ＡＬＣ单元。详细硬件设计方案如图３所示。　２．２．１功率放大单元设计　功率放大单元包括两级功率放大和功率级多通道滤波器。同时　针对ＡＬＣ闭环需求设计了正向功率检测电路，包括射频功率耦合　器、积分器、平滑滤波器。经过正向功率检测电路获取代表射频功率　输出大小的正向功率电平ＶＲ。　其中功率放大单元的多通道滤波器能够根据工作频点及时切　换滤波器的通带范围，从而避免设备间的无线信道干扰，更好满足　多个设备同时同址工作。由于多通道滤波器本身不同通道的插入损　耗不同，为保证耦合检波对输出功率检测的准确性，耦合检波器必　须放置在多通道滤波器之后。功率放大单元中的ＥＥＰＲＯＭ２用来存　储不同频率、不同温度下的标准正向功率电平值Ⅶ，作为ＡＬＣ控制　算法的参考标准，相当于模拟ＡＬＣ电路中比较器的参考电平。该值　为功率放大单元本身的特性值，因此放置在功率放大单元能够降低　ＡＬＣ单元与功率放大单元的耦合『生，模块更换无需重新进行参考值　设定，保证模块的独立性和可互换性。　功率放大单元设计了温度传感器电路，能够实时监控功率放大　单元的温度，为ＡＬＣ控制提供温度参考，并通过ＡＬＣ单元的软件实　现功率放大单元的过温保护功能。　２．２．２　ＡＬＣ单元设计　ＡＬＣ单元以实现ＡＬＣ算法的ＦＰＧＡ为核心，通过ＳＰＩ总线接口　与跳频通信控制、温度传感器及ＡＤ转换器连接，通过ＩＩＣ接口与数控　衰减器、ＥＥＰＲ０Ｍ１以及功率放大单元中的ＥＥＰＲＯＭ２连接。　其中的存储器ＥＥＰＲＯＭ１中存储着不同温度等级下、不同频率　下数控衰减器的初始衰减值ＧＯ，作为ＡＬＣ闭环的初始控制值，写人　数控衰减器。　跳频通信控制器为跳频通信系统核心，实时发送频率切换信息　给ＦＰＧＡ，数控衰减器能够ＡＬＣ算法控制下实时调整输入到功率放　大单元的信号增益，ＡＤ转化芯片能够让ＦＰＧＡ实时获取当前功率放　大单元的输出功率。　２．２．３控制流程实现　ＡＬＣ闭环的整个流程如图４所示。首先跳频通信控制器通过ＩＳＰ　接口把频率信息送到ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ解析频率信息并采样温度传感　器的温度值，根据当前工作频率和温度，读Ｉ￣ＥＥＰＲＯＭ１中的对应的　初始衰减值，写入数控衰减器，实现增益控制的初始化。之后，射频　信号发生器产生的射频小信号经过数控衰减器进入功率放大单元，　经过两级放大和多通道滤波器进行带通滤波后送到天线。同时发射　信号在末端通过耦合检波器转换成检波电平，经放大、平滑滤波后　送ＡＤ采样。ＦＰＧＡ快速多次获取采样数据并计算平均功率电平Ⅵ　，　同时读取ＥＥＰＲＯＭ２中存储的标准功率电平ｖＥ，用ＶＲ与ｖＥ进行比　较，根据差值进一步调整数控衰减器的衰减值，然后再次采样、比较　功率输出电平并调整数控衰减器，多次循环最终使得输出功率与标　准功率基本一致，实现对输出功率的动态调整。由于ＦＰＧＡ等核心器　什８　８　６　４　２　７　８　６　４　２舂　曲４　４娘她姬轭４　作８　８　Ｓ　４　２　７　Ｓ　６　４　２　６　托盹　豫　｝　Ｈ　技术　■　ｌ　通信技术　件的运行速率高、数控衰减器的反应灵敏，因此在极短时间内即可　完成闭环流程。　２．３标准Ⅶ值的获取　Ⅵ　值作为功率放大单元的特性存储在ＥＥＰＲＯＭ２中，根据设备　要求的功率波动范围和功率正向检测电路的温度特性，通过自动功　率检测流程获得Ⅵｅ值并写入存储器。实际应用中，Ⅵｅ值的大小主要　与工作频率点、输出功率大小有关，设备工作温度（一４０￣Ｃ～６０＂Ｃ）对　Ⅶ值的影响可以忽略，这与功率检测电路对温度的不敏感性有关。　因此为简化设计复杂度，认为该Ⅵ￡值在所允许的温度范围内保持不　变。　自动功率检测原理图如图５所示，通过在系统中接人数字功率　计来实现功率检测，获取ｖＥ值。　通信控制器通过ＳＰＩ口发送频率信息给ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ向数控衰　减器写入最大衰减值，然后控制射频信号发生器单元发射稳定信　号，跳频通信控制器通过Ｒｓ２３２串行接口读取数字功率计的功率值，　与额定功率相比较，根据差值，以一定的步进减少数控衰减器的衰　减值。经过多次调整，可获得额定功率输出。　为防止功率放大器由于输入激励步进过大造成功率非线性失　真，衰减值以０．５ｄＢ步进调整。在功率差值调整Ｎｏ．５ｄＢ以内后，以数　控衰减器的最低有效位步进调整。最终功率输出在数控衰减器精度　范围内达到功率额定值。此时ＦＰＧＡ通过ＳＰＩ总线读ＡＤ采样的正向　功率检测电平，作为该频率点的标准功率参考值，即Ⅵ　值，写入功率　放大单元的ＥＥＰＲＯＭ２中。同时把此时数控衰减器的衰减值作为常　温下的初始衰减值ＧＯ写入ＡＬＣ单元的ＥＰＲＯＭ１中。　跳频通信控制器把所需的频率依次发送到ＦＰＧＡ，通过以上流　程，所有的频率下的标准Ⅶ值和常温初始衰减值ＧＯ均写入各自的　存储器中。　２．４不同温度下初始衰减值ＧＯ的获取　标准ｖＥ值获取并存储在存储器中后，理论上ＡＬＣ的闭环在限　定的温度范围内均能实现。但考虑到功率放大单元在低温～２０℃以　下、高温＋４０＂Ｃ以上的增益变化较大，如果以常温下的初始衰减值　开始进行闭环调整，ＡＬＣ闭环时间会大大增加，不能满足快速跳频　系统的要求。因此根据功率放大单元的高低温特性，以低温～２０℃和　高温＋４０＂Ｃ为温度点增加两类初始衰减值Ｇ００和Ｇ０１。实际工作中一　２０Ｃ以下用Ｇ０ｏ做为初始衰减值，＋４０Ｃ以上用Ｇ０１作为初始衰减　值。　Ｇ０Ｏ值的获取是在环境温度一２０℃下进行。设备在低温环境开　机后，启动功率补偿模式，跳频通信控制器发送频率信息给ＦＰＧＡ，　……上接第４４页　创新光缆结构设计创造了有利条件。诚然我国光纤光缆和通信电缆　技术已有发展，紧随世界顶级技术之后，但技术创新方面仍存在很　大的不足。这就决定了未来我国光纤光缆和通信电缆行业要注重技　术创新，着力于新型电缆产品的研发。　２．２改进光纤光缆和通信电缆安装维护方法　为了减少光缆或电缆施工对道路以及环境的破坏，国际上常借　助不挖沟、微地沟技术完成光电缆的铺设工作。同时为降低光电缆　监测、维护难度，简化相关工作程序，光缆网也逐步引进了自动化技　术，保证了光缆网络的正常使用。而今后需要开发与之适应的元器　件、工具及设备，并不断完善相关体制建设。国际电信联盟组织给予　了Ｅｔ本ＮＴＴ公司开发光缆选择器、意大利某公司提出的光纤纤芯　和光缆护套指标综合监测等方案高度的重视，反映了未来光纤光缆　和通信电缆技术向自动化发展的大体趋势。这一发展促进了光网络　改革，保证了光网络工作的稳定，对用户降低使用成本、节省资源、　提高工作效率具有极大的效益。因此，我们要牢牢把握光纤光缆和　通信电缆技术的这一发展趋势，致力于改进光纤光缆和通信电缆安　装维护方法，以适应市场需求，促进产业发展。　ＦＰＧＡ根据频率信息把常温衰减值ＧＯ写入数控衰减器，然后射频信　号发生器发射稳定的射频信号，ＦＰＧＡ通过ｓＰＩ总线读取正向功率检　测电平，并与存储在ＥＥＰＲＯＭ２中的标准功率电平Ⅶ值比较，根据　差值调整数控衰减器的衰减值。通过多次调整后达到与标准Ⅵ难【在　精度范围内相等。此时数控衰减器内的衰减值即为低温初始衰减值　Ｇ００。高温初始衰减值在环境温度＋４０Ｃ下进行，获取流程与低温　Ｇ００值的获取流程相同。　３在宽频段高速跳频通信中的应用　在某型号宽频段高速跳频通信设备研制中，为满足宽频段内所　有频点的功率平坦度要求，利用该数字ＡＬＣ技术替代原来的模拟　ＡＬＣ技术实现ＡＬＣ单元与功率放大单元的完美结合，获得了稳定快　速的功率闭环，而且功率输出的平坦度明显优于模拟ＡＬＣ闭环。数　字ＡＬＣ闭环精度取决于数控衰减器的最低有效位，在本电台设计中　结合实际性能指标要求采用了０．５ｄＢ步进的数控衰减器，使得输出　功率的波动控制在１．０ｄＢ范围内。如果采用０．２５ｄＢ步进或者更高精　度的数控衰减器，功率波动的范围能能够控制在０．５ｄＢ范围内。为了　节省存储空间，结合功率放大单元的功率输出的非突变性特点，标　准功率值以１ＭＨ濒率间隔获取，其他频点假设为相邻两频点间的　线性变化，通过计算获取。试验测试了本文设计的数字闭环设备和　原模拟闭环设备的在常温和高温情况下的功率输出随工作频率的　变化，实际测试结果如图６、图７所示。　由实际测试可以看出，数字闭环在常温和高温环境下的功率基　本不变，功率偏差能够控制在ｌｄＢ范围内，功率输出平坦度优于模拟　闭环。而模拟闭环功率在高温下功率下降较多，这与模拟闭环的参　考电平固定及模拟电路参数的温度敏感性有关。　４结语　数字ＡＬＣ结合成熟的可编程数字技术和快速ＡＤ技术实现了快　速稳定的宽带无线通信功率闭环。通过本设计验证了数字ＡＬＥ的功　能和性能，并在宽带高速跳频设备的设计中得到有效应用，为宽频　段高速跳频系统提供了一种实用有效的功率控制方法。　参考文献　［１］许晓丽，赵明涛．无线通信原理［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２Ｏ１４．　［２］梅文华，王淑波，邱永红，杜兴民．跳频通信．长沙：国防工业出版社，　２００５　［３］雷森．ＰＬＣ应用于微波发射机控制保护系统的研究［Ｊ］．电器自动　化。２０００（０４）：７５—７７．　２．３服务于数字新业务　对已有的铜电缆我们只能尽量利用先进技术，结合其特性增开　新的数字业务。以ＨＹＡ电缆现有的特性来看，虽可以开通ＡＤＳＬ等　新型数字业务，但是受电缆传输容量的限制，一旦ＡＤＳＬ￣务流量超　出电缆的承受范围时，势必会造成干扰问题。所以，我们希望今后能　对新铺设的铜电缆提出更高一级的宽带指标，以为数字新业务提供　更好的服务。未来电缆生产企业应适度加大技术研发的投入力度，　力争提高电缆技术水平，用先进的技术不断改进电缆结构设计和生　产制作工艺，从而为用户提供具有更宽频带特性的电缆。　参考文献　［１］苏静．浅谈通信系统光纤技术及其发展［Ｊ］．中小企业管理与科技　（上旬刊），２０１０（０８）．　［２］梁爽．光纤电缆和通信电缆的发展和前景［Ｊ］．中国新通信，２０１　２　（１　５）．　［３］张静，吴艳芹。张乐，尧昱，赵洪波．ＯＤＮ集中式自动告警触发故障测　量方法［Ｊ］．光通信技术，２０１　２（０８）．　［４］尧昱，张静，张乐，吴艳芹，冯晓冬．光分配网故障诊断技术研究与应　用［Ｊ］．光通信研究，２０１　２（０１）．