CN116800216A - 一种基于pid算法的高频宽带自动增益控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，包括依次相连的可调增益电路、输出检波电路和AGC控制电路，可调增益电路包括前级放大器、宽带压控衰减器和后级放大器，AGC控制电路包括AD转换器、控制器及DA转换器，AD转换器用于将功率电压转换成数字信号，控制器用于将功率电压与期望功率电压作对比以计算出电压的偏差量并将其转换为电压增益偏差量，将电压增益偏差量通过PID算法转换成增益控制量，然后将其传输到DA转换器，DA转换器将其转换为模拟的电压信号并将其输出到可调增益电路以由其进行通道的自动增益控制。其可将自动增益控制电路的适用频段有效延宽，且采用单片机参与核心控制，更为简洁，智能，且成本低。
Description
技术领域
本发明属于电子通信技术领域，涉及一种自动增益控制***，尤其涉及一种基于PID算法的高频宽带自动增益控制***。
背景技术
自动增益控制是指使通信通路中的放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制方法，实现这种功能的电路简称AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)。AGC电路广泛用于各种接收机、录音机和测量仪器中。
AGC的作用是：当输入信号功率变化很大时，保持接收机输出功率恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。这样，当接收信号强度变化时，接收机的输出端的功率基本不变或保持恒定。因此，对AGC电路的要求是：在输入信号较小时，AGC电路不起作用，只有当输入信号增大到一定程度后，AGC电路才起控制作用，使增益随输入信号的增大而减少。
现代电子战接收机要求具有瞬时宽带频率覆盖，高灵敏度和高动态范围，采用宽带AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)控制是获取高动态的主要方式之一。
但是，当前电子战接收机常用的AGC实现方式为单脉冲自动增益控制，该方式需要同时采用双射频通道实现：其中一个通道完成目标特征参数快速采集(频率、重频、脉宽、幅度等参数)，利用采集的幅度信息判断通道是否饱和，然后决策是否启动对另一个通道(信号需经延时电路进行一定延时处理)进行快速AGC自动增益控制。这种方式可确保通道具有一定的动态扩展，但增加了射频通道，提高了***复杂度。
同时，现有的AGC技术多应用于中频信号，频率段较低。而适用于高频段的方法多为使用数控衰减器实现，但是，使用数控衰减器的增益控制不连续且误差较大。
因此，针对上述现有技术中存在的缺陷，需要研发一种新型的高频宽带自动增益控制***。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其基于单通道实现，能够完成对目标宽带射频信号的接收，在大信号输入时能完成单通道快速的自动增益控制功能，扩展了电子战***接收机的动态范围，可在实现***快速自适应AGC功能的同时，降低***复杂度。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其包括可调增益电路、输出检波电路和AGC控制电路，所述可调增益电路的输出与所述输出检波电路的输入连接，所述输出检波电路的输出与所述AGC控制电路的输入连接，所述AGC控制电路的输出连接到所述可调增益电路，以此形成自动增益控制环路，其特征在于，所述可调增益电路包括依次连接的前级放大器、宽带压控衰减器和后级放大器，所述AGC控制电路包括AD转换器、控制器以及DA转换器，所述AD转换器用于将所述输出检波电路检出的实际功率的检波电压转换成数字信号，所述控制器用于将所述AD转换器转换后的实际功率的检波电压与期望功率对应的检波电压作对比以计算出增益检波电压的偏差量并将所述增益检波电压的偏差量转换为增益电压偏差量，之后，将所述增益电压偏差量通过PID算法转换成所述宽带压控衰减器的增益控制量，然后将所述宽带压控衰减器的增益控制量传输到所述DA转换器，所述DA转换器将所述宽带压控衰减器的增益控制量转换为模拟的电压信号并将其输出到所述可调增益电路以由所述宽带压控衰减器进行通道的自动增益控制。
优选地，所述控制器中设有数据采集模块、数据处理模块、增益电压偏差计算模块和增益控制电压计算模块，所述数据采集模块用于在一个AGC调节窗口内连续采集所述AD转换器输出的所述输出检波电路检出的实际功率的检波电压值并输出采集的数据，所述数据处理模块分析处理所述采集的数据以获取当前信号的实际功率的检波电压值，所述增益电压偏差计算模块用于将所述实际功率的检波电压值与期望功率对应的检波电压值做差值计算以获得增益检波电压的偏差量，并将所述增益检波电压的偏差量发送给所述增益控制电压计算模块，所述增益控制电压计算模块首先将所述增益检波电压的偏差量转换为增益电压偏差量，然后将所述增益电压偏差量带入PID算法以计算获得所述可调增益电路的增益控制量，最后将所述增益控制量转化为所述宽带压控衰减器的的控制电压，并将所述宽带压控衰减器的控制电压通过所述DA转换器转化以将数字信号转换为模拟的电压信号，然后发送给所述宽带压控衰减器进行通道的自动增益控制。
优选地，所述控制器为微控制器且所述AD转换器和DA转换器均采用所述微控制器内部自带的内核实现。
优选地，所述微控制器采用单片机GD32F303CGT6。
优选地，所述前级放大器和后级放大器均为宽带放大器，所述宽带压控衰减器为HMC346ALP3E型号的芯片。
优选地，所述输出检波电路包括耦合电路以及检波电路，所述耦合电路用于将所述可调增益电路的输出信号耦合到所述检波电路，通过所述检波电路检测出耦合信号的功率对应的检波电压并通过检出的检波电压计算耦合路的功率，以通过耦合率推算出输出信号的输出功率。
优选地，所述检波电路为ARW253型号的芯片。
与现有技术相比，本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***具有如下有益技术效果中的一者或多者：
1、本发明通过PID算法控制宽带压控衰减器的衰减量实现高频宽带信号自动增益控制的设计目标，可以将自动增益控制电路的适用频段有效延宽。
2、本发明采用单片机参与核心控制，较基于全模拟电路的AGC，本发明更为简洁，智能，且成本低，有极好的经济效益和应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***的结构示意图。
图2为本发明的可调增益电路的结构示意图。
图3为本发明的输出检波电路的结构示意图。
图4为本发明的AGC控制电路的结构示意图。
图5为本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***的增益控制的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
现代电子战接收机要求具有瞬时宽带频率覆盖，高灵敏度和高动态范围，采用宽带AGC控制是获取高动态的主要方式之一。但是，常用的AGC实现方式为低频端的AGC，高频带AGC多同时采用双射频通道实现：其中一个通道完成目标特征参数快速采集，然后判断是否启动对另一个通道进行快速AGC自动增益控制，这种方式可确保通道具有一定的动态扩展，但增加了射频通道，提高了***复杂度。
基于此，本发明提供一种基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其可以将自动增益控制电路的适用频段有效延宽，且有单片机参与核心控制，较基于全模拟电路的AGC更为简洁，智能，且成本低。
图1示出了本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***的结构示意图。如图1所示，本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***包括可调增益电路、输出检波电路和AGC控制电路。所述可调增益电路的输出与所述输出检波电路的输入连接，所述输出检波电路的输出与所述AGC控制电路的输入连接，所述AGC控制电路的输出连接到所述可调增益电路，以此形成自动增益控制环路。
其中，所述可调增益电路用于将输入的射频信号自动调整到设定的增益状态。所述输出检波电路用于将所述可调增益电路的输出信号进行耦合检波，并将检波结果作为增益调解的依据输入到所述AGC控制电路进行后续处理。所述AGC控制电路用于输出所述可调增益电路的控制信号。
具体地，如图2所示，所述可调增益电路包括依次连接的前级放大器、宽带压控衰减器和后级放大器。所述前级放大器和后级放大器用于通路增益放大。所述宽带压控衰减器用于实现输入信号变化时调整输出信号增益的作用，从而实现整个通路的增益自动可变。
在本发明中，在所述可调增益电路中，通路中增益控制使用宽带压控衰减器，其控制为衰减量为负增益，当大信号输入时，所述宽带压控衰减器衰减量大，当小信号输入时，所述宽带压控衰减器衰减量小，以此来实现通道增益调解，使最终的输出增益基本一致。
优选地，所述前级放大器和后级放大器均为宽带放大器，其频段范围内增益在18dB左右，P-1为10dBm，保证通路中不存在放大器饱和的情况。所述宽带压控衰减器为HMC346ALP3E型号的芯片。由此，在本发明中，通路增益可以设置在4-34dB，输入功率范围设定为-10dBm至-40dBm，最终输出信号的功率设置为6dBm，通路频率范围设置为2-6GHz。
如图3所示，所述输出检波电路包括耦合电路以及检波电路。其中，所述耦合电路用于将所述可调增益电路的输出信号耦合到所述检波电路，通过所述检波电路检测出耦合信号的功率的检波电压并通过检出的检波电压计算耦合路的功率，以通过耦合率推算出输出信号的输出功率。
优选地，所述检波电路为ARW253型号的芯片。
由此，在本发明中，通过所述耦合电路将所述可调增益电路的输出信号耦合一路到所述检波电路，其中，耦合度设置在20dB左右，检波电路的检测范围为-60-0dBm，可有效的覆盖输出信号的功率范围。
如图4所示，所述AGC控制电路包括AD转换器(也就是，ADC)、控制器以及DA转换器(也就是，DAC)。所述AD转换器用于将所述输出检波电路检出的实际功率的检波电压转换成数字信号。所述控制器用于将所述AD转换器转换后的实际功功率的检波电压与期望功率对应的加拨电压作对比以计算出增益检波电压的偏差量并将所述增益检波电压的偏差量转换为增益电压偏差量，之后，将所述增益电压偏差量通过PID算法转换成所述宽带压控衰减器的增益控制量，然后将所述宽带压控衰减器的增益控制量传输到所述DA转换器。所述DA转换器将所述宽带压控衰减器的增益控制量转换为模拟的电压信号并将其输出到所述可调增益电路以由所述宽带压控衰减器进行通道的自动增益控制。
在本发明中，所述控制器为微控制器且所述AD转换器和DA转换器均采用所述微控制器内部自带的内核实现。
优选地，所述微控制器采用单片机GD32F303CGT6，其包含内置12位的ADC以及DAC。此微控制器最高***时钟为120MHz，内置12bit的DAC以及12bit的ADC。DAC控制时钟为APB1时钟最高60MHz，ADC控制时钟为APB2时钟最高120MHz，可满足设计中增益调解瞬时性的需求。本发明选用的微控制器，其体积小、自带时钟参考、内置DAC、内置ADC，可大大简化电路设计。
由此，本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***通过可调增益电路可以实现通路增益调节，通过输出检波电路可以检测输出信号的功率，与AGC控制电路配合可以实现将实际功率的检波电压与期望功率对应的检波电压作对比，然后通过PID算法计算出宽带压控衰减器的控制电压，然后通过此电压调节宽带压控衰减器衰减量，以此实现通道的自动增益控制，***设计简单易实现，有极好的经济效益和应用前景。
在本发明中，优选地，所述控制器中设有数据采集模块、数据处理模块、增益电压偏差计算模块和增益控制电压计算模块。
其中，所述数据采集模块用于在一个AGC调节窗口内连续采集所述AD转换器输出的所述输出检波电路检出的实际功率的检波电压值并输出采集的数据。
所述数据处理模块用于分析处理所述采集的数据以获取当前信号的实际功率的检波电压值。
所述增益电压偏差计算模块用于将所述实际功率的检波电压值与期望功率对应的检波电压值做差值计算以获得增益检波电压的偏差量，并将所述增益检波电压的偏差量发送给所述增益控制电压计算模块。
其中，所述输出检波电路中，检波电路将耦合射频信号的功率转换为检波电压，也就是，实际功率的检波电压。实际功率的检波电压通过所述ADC转换后获得实际功率的检波电压的数字值，然后将数字化的实际功率的检波电压值与期望功率对应的检波电压值做偏差量计算，就获得了增益检波电压的偏差量。
***增益控制主要靠宽带压控衰减器。所述宽带压控衰减器的控制电压后称增益电压，输出信号检波电压大表明输出增益大，为实现自动增益控制的目标，输出信号大后需将宽带压控衰减器衰减值增大，即增大衰减器的控制电压。这样，根据实际测试情况，能够总结出增益检波电压的偏差量与增益电压偏差量的对应曲线。
所述增益控制电压计算模块将所述增益检波电压的偏差量按照所述对应曲线转换为增益电压偏差量，然后将所述增益电压偏差量带入PID算法，以此增益电压偏差量作为PID算法中的偏差量，通过计算不断调整可调增益电路的增益控制量，偏差量为正值时，增大增益控制量，偏差量为负值时，减小增益控制量，最终将偏差量控制在偏差量可允许范围内(一般是将偏差量绝对值控制在0附近，具体数值根据调试中的实际情况设置)，此时可完成整个自动增益控制过程。
将所述增益控制量转化为所述宽带压控衰减器的控制电压数据，并将所述宽带压控衰减器的控制电压数据通过DA转换器将数字信号转换为模拟的电压信号，然后发送给所述宽带压控衰减器进行通道的自动增益控制。
其中，PID算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，PID算法的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。本发明基于PID算法计算增益控制量，可以减小***误差，提高***响应速度和响应效果。
图5示出了本发明的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***的增益控制的流程图。如图5所示，在进行增益控制时，首先对AGC控制电路进行初始化。
可调增益电路的功能是接收射频输入信号，并对射频输入信号的功率进行调节，最终输出功率调整过的射频信号，实际电路实现时是通过改变控制宽带压控衰减器的衰减控制电压来实现相应增益调整功能。ADC连接功率调整过的射频信号的输出检波电路，对输出检波电路检测的检波电压进行采样。控制器中的数据采集模块在一个AGC调节窗口内，连续采集ADC输出的射频信号的实际功率的检波电压值，输出采集的数据。数据处理模块分析处理采集的数据，获取当前信号的实际功率的检波电压值。
增益电压偏差计算模块将接收到的实际功率的检波电压值和期望功率对应的检波电压值进行对比，计算得到增益检波电压的偏差量，并将所述增益检波电压的偏差量发送给增益控制电压计算模块。
增益控制电压计算模块将增益检波电压的偏差量首先转换为增益电压偏差量，然后将此增益电压偏差量带入PID算法，计算获得AGC的增益控制量，最后将此增益控制量转化为宽带压控衰减器的控制量，并通过DAC将控制量转化为控制电压输出到增益控制模块完成闭环。
本发明可通过PID算法控制宽带压控衰减器，可实现2-6GHz宽频带的增益自动控制，增益可控制范围0-30dB。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员，依据本发明的思想，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其包括可调增益电路、输出检波电路和AGC控制电路，所述可调增益电路的输出与所述输出检波电路的输入连接，所述输出检波电路的输出与所述AGC控制电路的输入连接，所述AGC控制电路的输出连接到所述可调增益电路，以此形成自动增益控制环路，其特征在于，所述可调增益电路包括依次连接的前级放大器、宽带压控衰减器和后级放大器，所述AGC控制电路包括AD转换器、控制器以及DA转换器，所述AD转换器用于将所述输出检波电路检出的检波电压转换成数字信号，所述控制器用于将所述AD转换器转换后的检波电压与期望功率对应的检波电压作对比以计算出增益检波电压的偏差量并将所述增益检波电压的偏差量转换为增益电压偏差量，之后，将所述增益电压偏差量通过PID算法转换成所述宽带压控衰减器的增益控制量，然后将所述宽带压控衰减器的增益控制量传输到所述DA转换器，所述DA转换器将所述宽带压控衰减器的增益控制量转换为模拟的电压信号并将其输出到所述可调增益电路以由所述宽带压控衰减器进行通道的自动增益控制。
2.根据权利要求1所述的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其特征在于，所述控制器中设有数据采集模块、数据处理模块、增益电压偏差计算模块和增益控制电压计算模块，所述数据采集模块用于在一个AGC调节窗口内连续采集所述AD转换器输出的所述输出检波电路检出的检波电压值并输出采集的数据，所述数据处理模块分析处理所述采集的数据以获取当前信号的实际功率的检波电压值，所述增益电压偏差计算模块用于将所述实际功率的检波电压值与期望功率对应的检波电压值做差值计算以获得增益检波电压的偏差量，并将所述增益检波电压的偏差量发送给所述增益控制电压计算模块，所述增益控制电压计算模块首先将所述增益检波电压的偏差量转换为增益电压偏差量，然后将所述增益电压偏差量带入PID算法以计算获得所述可调增益电路的增益控制量，最后将所述增益控制量转化为所述宽带压控衰减器的控制电压，并将所述宽带压控衰减器的控制电压通过所述DA转换器转化以将数字信号转换为模拟的电压信号，然后发送给所述宽带压控衰减器进行通道的自动增益控制。
3.根据权利要求1或2所述的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其特征在于，所述控制器为微控制器且所述AD转换器和DA转换器均采用所述微控制器内部自带的内核实现。
4.根据权利要求3所述的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其特征在于，所述微控制器采用单片机GD32F303CGT6。
5.根据权利要求1或2所述的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其特征在于，所述前级放大器和后级放大器均为宽带放大器，所述宽带压控衰减器为HMC346ALP3E型号的芯片。
6.根据权利要求1或2所述的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其特征在于，所述输出检波电路包括耦合电路以及检波电路，所述耦合电路用于将所述可调增益电路的输出信号耦合到所述检波电路，通过所述检波电路检测出耦合信号的功率对应的电压并通过检出的电压计算耦合路的功率，以通过耦合率推算出输出信号的输出功率。
7.根据权利要求6所述的基于PID算法的高频宽带自动增益控制***，其特征在于，所述检波电路为ARW253型号的芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |