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          基于C5509A的功放閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)(圖)

          作者: 時(shí)間:2017-06-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          引言
          隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展,要求通信具有更高的傳輸可靠性、更強(qiáng)的抗干擾能力。在無線信號發(fā)射過程中,射頻信號必須經(jīng)放大,再經(jīng)天線發(fā)射出去,信號經(jīng)后的幅度和穩(wěn)定性對通信的可靠性和抗干擾起著關(guān)鍵作用。攻放輸出信號的幅度越大通信可靠性越穩(wěn)定,接收的準(zhǔn)確性和可靠性就越高。在發(fā)射端,輸出功率控制一方面需要保證功放的安全可靠,另一方面又要盡可能使功放輸出功率最大。因此,對功放的輸出功率控制就顯得十分重要,早期的功放控制一般采用模擬等方法實(shí)現(xiàn)。


          本文提出一種基于的數(shù)字功放控制系統(tǒng),通過檢測正反向功率電壓確定輸出功率上升或下降的最佳步徑,按該步徑增加或者減少功放輸出功率,并隨時(shí)檢測輸出功率是否超過額定輸出功率,如超過額定輸出功率,根據(jù)求出的最大下降步徑進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,及時(shí)將功放輸出功率減小到額定功率,這樣形成一個(gè)控制系統(tǒng)。由于采用為處理核心,處理速度和計(jì)算精度都得到保證。這樣既能保證功放的安全可靠又可以使功放盡量輸出可發(fā)射的最大功率。

          系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
          整個(gè)系統(tǒng)由、AD9857、AD7655組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。



          圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖


          從圖1可以看出,是核心控制單元;AD9857用于發(fā)射數(shù)據(jù),進(jìn)行上變頻,并輸出模擬數(shù)據(jù)到功放,再經(jīng)過天線發(fā)射出去,AD9857的控制信號由DSP的SPI接口實(shí)現(xiàn)。AD7655負(fù)責(zé)采集功放的正向和反向電壓值,將電壓值回送到DSP,DSP根據(jù)電壓值進(jìn)行功放控制。SRAM存儲發(fā)射的基帶數(shù)據(jù),以及實(shí)時(shí)計(jì)算發(fā)射基帶數(shù)據(jù)的中間變量。Flash保存DSP所需要的程序,供DSP上電調(diào)用;DSP和PC之間使用HPI口,使用PCI橋芯片,實(shí)現(xiàn)和PC的連接。DSP對AD9857、AD7655、SRAM以及Flash都是經(jīng)過DSP的EMIF接口連接,EMIF接口是DSP的外部存儲器接口(External Memory Interface),可以方便的和外部Flash、異步SRAM等設(shè)備連接。本系統(tǒng)的外部設(shè)備數(shù)據(jù)通信速率均較低,最高數(shù)據(jù)傳輸速率為AD9857的48Mb/s,的EMIF接口適合滿足其速度要求。

          控制算法
          對發(fā)射機(jī)功放輸出功率的典型控制方法是根據(jù)駐波比來調(diào)整發(fā)射機(jī)的輸出功率。發(fā)射機(jī)的正、反向功率檢測電壓與功放輸出功率及駐波比之間的數(shù)值關(guān)系如下。
          正向功率檢測電壓:
          (1)
          反向功率檢測電壓:
          (2)
          駐波比:
          (3)
          式中,VF_Full表示當(dāng)功放輸出最大額定功率時(shí)對應(yīng)的正向功率檢測電壓,PFWD表示功放輸出的正向功率,PREV表示反向功率,PF_Full表示功放輸出的最大額定功率。


          根據(jù)正、反向功率檢測電壓計(jì)算出允許功放輸出功率的最大上升或下降步徑來控制功放輸出功率。


          設(shè)PR_Full為功放能承受的最大反向功率,并且PR_Full=b(常數(shù));POUT為反向電壓達(dá)到VR_Limit時(shí)的輸出功率;輸出額定功率時(shí)對應(yīng)的正向功率檢測電壓VF_Full=a(常數(shù));PF_Full/PR_Full=n(常數(shù))。這三個(gè)常數(shù)都由功放的指標(biāo)確定。



          根據(jù)式(3),在反向電壓達(dá)到VR_Limit時(shí)的駐波比如下:
          (4)



          (5)

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/349386.htm


          由于POUT最大為b,所以有:


          (6)
          當(dāng) ,也就是說,此時(shí)輸出額定功率。


          根據(jù)上面的討論,功放輸出額定功率受限于功放的PF_Full/PR_Full的比值n。在一定駐波比情況下,功放是無法輸出額定功率的,例如,駐波比為3,n為3無法輸出額定功率。此時(shí),功放能夠輸出的功率將小于額定功率,但可以輸出的最大功率是多少呢?根據(jù)式(5),圖2畫出了功率控制曲線圖。圖中設(shè)定輸出額定功率為0dB,為了比較,圖中給出了n=9和n=5以及線性控制方法的曲線。



          圖2 功率控制曲線


          線性控制方法為根據(jù)駐波比直接進(jìn)行線性比例控制方法。線性控制不考慮功放自身的情況,所以其控制簡單,比較容易實(shí)現(xiàn)。但控制粗糙,對于質(zhì)量好的功放,沒有充分發(fā)揮其性能,對于質(zhì)量差的功放,又容易燒毀功放。


          如圖2中n=9時(shí),此時(shí)功放的指標(biāo)較差,一般情況下不能使用。尤其在使用線性控制方法時(shí),工作時(shí)間稍長就會(huì)燒毀功放。這是因?yàn)椋€性控制方法在駐波比等于2時(shí),輸出額定功率。而使用基于閉環(huán)控制算法后,由于n=9,在駐波比等于2時(shí)不能輸出額定功率,確保不會(huì)燒毀功放。


          如圖2中n=5時(shí),此時(shí)功放的指標(biāo)較好,使用線性控制方法,仍然嚴(yán)格遵守圖中斜線,閉環(huán)控制方法的功率輸出則明顯偏大,充分利用了功放的特性。


          實(shí)際工作情況下,駐波比大于4時(shí)功放和天線都將明顯變差,此時(shí)為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定,將直接將曲線設(shè)置成 -12dB,使得功放的輸出維持在較低的水平。

          實(shí)驗(yàn)
          為了驗(yàn)證本文提出的方法的有效性和實(shí)用性,將該方法應(yīng)用于短波和超短波電臺,圖3為其功率控制收斂曲線。從圖中可以看出,功率控制大概在10次步徑后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后曲線波動(dòng)較小,功率輸出幾乎恒定。



          圖3 功率控制收斂曲線

          總結(jié)
          本文介紹了對發(fā)射機(jī)功放輸出功率進(jìn)行控制的閉環(huán)控制算法,以及系統(tǒng)組成。通過計(jì)算正反向功率檢測電壓,確定允許功放輸出功率升降的最大步徑來控制功放輸出功率。整個(gè)系統(tǒng)采用DSP和AD9857來實(shí)現(xiàn),經(jīng)過短波和超短波系統(tǒng)測試,基于閉環(huán)算法的功放輸出效率明顯高于其他典型的線性控制算法,在確保功放安全的情況下,對提高功放的效率具有實(shí)用價(jià)值。



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