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

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、更強的抗干擾能力。在無線信號發(fā)射過程中，射頻信號必須經功放放大，再經天線發(fā)射出去，信號經功放后的幅度和穩(wěn)定性對通信的可靠性和抗干擾起著關鍵作用。攻放輸出信號的幅度越大通信可靠性越穩(wěn)定，接收的準確性和可靠性就越高。在發(fā)射端，功放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現(xiàn)。

本文提出一種基于DSP的數(shù)字閉環(huán)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，根據求出的最大下降步徑進行相應的調整，及時將功放輸出功率減小到額定功率，這樣形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于采用DSP為處理核心，處理速度和計算精度都得到保證。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)硬件結構

整個系統(tǒng)由C5509A、AD9857、AD7655組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

從圖1可以看出，DSP是核心控制單元；AD9857用于發(fā)射數(shù)據，進行上變頻，并輸出模擬數(shù)據到功放，再經過天線發(fā)射出去，AD9857的控制信號由DSP的SPI接口實現(xiàn)。AD7655負責采集功放的正向和反向電壓值，將電壓值回送到DSP，DSP根據電壓值進行功放控制。SRAM存儲發(fā)射的基帶數(shù)據，以及實時計算發(fā)射基帶數(shù)據的中間變量。Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上電調用；DSP和PC之間使用HPI口，使用PCI橋芯片，實現(xiàn)和PC的連接。DSP對AD9857、AD7655、SRAM以及Flash都是經過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等設備連接。本系統(tǒng)的外部設備數(shù)據通信速率均較低，最高數(shù)據傳輸速率為AD9857的48Mb/s，C5509A的EMIF接口適合滿足其速度要求。

閉環(huán)控制算法

對發(fā)射機功放輸出功率的典型控制方法是根據駐波比來調整發(fā)射機的輸出功率。發(fā)射機的正、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表示當功放輸出最大額定功率時對應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。


根據正、反向功率檢測電壓計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為反向電壓達到VR_Limit時的輸出功率；輸出額定功率時對應的正向功率檢測電壓VF_Full＝a（常數(shù)）；PF_Full/PR_Full=n（常數(shù)）。這三個常數(shù)都由功放的指標確定。



根據式（3），在反向電壓達到VR_Limit時的駐波比如下：

（4）



（5）

由于POUT最大為b，所以有：

（6）
當 ，也就是說，此時輸出額定功率。


根據上面的討論，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，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？根據式（5），圖2畫出了功率控制曲線圖。圖中設定輸出額定功率為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駐波比直接進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，比較容易實現(xiàn)。但控制粗糙，對于質量好的功放，沒有充分發(fā)揮其性能，對于質量差的功放，又容易燒毀功放。

如圖2中n＝9時，此時功放的指標較差，一般情況下不能使用。尤其在使用線性控制方法時，工作時間稍長就會燒毀功放。這是因為，線性控制方法在駐波比等于2時，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時不能輸出額定功率，確保不會燒毀功放。


如圖2中n＝5時，此時功放的指標較好，使用線性控制方法，仍然嚴格遵守圖中斜線，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。


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

實驗

為了驗證本文提出的方法的有效性和實用性，將該方法應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次步徑后達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后曲線波動較小，功率輸出幾乎恒定。

圖3 功率控制收斂曲線

總結

本文介紹了對發(fā)射機功放輸出功率進行控制的閉環(huán)控制算法，以及系統(tǒng)組成。通過計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。整個系統(tǒng)采用DSP和AD9857來實現(xiàn)，經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用價值。