基于C5509A的功放閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(wú)線信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，射頻信號(hào)必須經(jīng)功放放大，再經(jīng)天線發(fā)射出去，信號(hào)經(jīng)功放后的幅度和穩(wěn)定性對(duì)通信的可靠性和抗干擾起著關(guān)鍵作用。攻放輸出信號(hào)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，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(duì)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DSP的數(shù)字閉環(huán)功放控制系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)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(cè)輸出功率是否超過(guò)額定輸出功率，如超過(guò)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)閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于采用DSP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C5509A、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，DSP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(guò)天線發(fā)射出去，AD9857的控制信號(hào)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(chǔ)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(duì)AD9857、AD7655、SRAM以及Flash都是經(jīng)過(guò)DSP的EMIF接口連接，EMIF接口是DSP的外部存儲(chǔ)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，C5509A的EMIF接口適合滿(mǎn)足其速度要求。

閉環(huán)控制算法

對(duì)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(lái)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(cè)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(cè)電壓：

（1）

反向功率檢測(cè)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(duì)應(yīng)的正向功率檢測(cè)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(cè)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(lái)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(duì)應(yīng)的正向功率檢測(cè)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）

由于POUT最大為b，所以有：

（6）
當(dāng) ，也就是說(shuō)，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(wú)法輸出額定功率的，例如，駐波比為3，n為3無(wú)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(huà)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(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)。但控制粗糙，對(duì)于質(zhì)量好的功放，沒(méi)有充分發(fā)揮其性能，對(duì)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(zhǎng)就會(huì)燒毀功放。這是因?yàn)?，線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(tái)，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(duì)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(guò)計(jì)算正反向功率檢測(cè)電壓，確定允許功放輸出功率升降的最大步徑來(lái)控制功放輸出功率。整個(gè)系統(tǒng)采用DSP和AD9857來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)短波和超短波系統(tǒng)測(cè)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(duì)提高功放的效率具有實(shí)用價(jià)值。