一种功放闭环数字控制系统设计和实现

　　随着通信系统的发展，要求通信具有更高的传输可靠性、更强的抗干扰能力。在无线信号发射过程中，射频信号必须经功放放大，再经天线发射出去，信号经功放后的幅度和稳定性对通信的可靠性和抗干扰起着关键作用。功放可以说是各类音响器材中的一个家族了，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大的电流去推动扬声器进行声音的重放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态以及不同的使用范围和控制调节功能，不同的功放在内部的信号处理、线路设计和生产工艺上也各不相同 。功率放大器的功率指标严格来讲又有标称输出功率和瞬间输出功率之分。前者就是额定输出功率，它可以解释为谐波失真在标准范围内变化、能长时间安全工作时输出功率的值；后者是指功率放大器的“峰值”输出功率，它解释为功率放大器接受电信号输入时，在保证信号不受损坏的前提下瞬间所能承受的输出功率值。

　　本文提出一种基于DSP的数字闭环功放控制系统，通过检测正反向功率电压确定输出功率上升或下降的步径，按该步径增加或者减少功放输出功率，并随时检测输出功率是否超过额定输出功率，如超过额定输出功率，根据求出的下降步径进行相应的调整，及时将功放输出功率减小到额定功率，这样形成一个闭环控制系统。由于采用DSP为处理，处理速度和计算都得到保证。这样既能保证功放的安全可靠又可以使功放尽量输出可发射的功率。

　　系统硬件结构

　　整个系统由C5509A、AD9857、AD7655组成，系统框图如图1所示。

图1 系统结构框图

　　从图1可以看出，DSP是控制单元；AD9857用于发射数据，进行上变频，并输出模拟数据到功放，再经过天线发射出去，AD9857的控制信号由DSP的SPI接口实现。AD7655负责采集功放的正向和反向电压值，将电压值回送到DSP，DSP根据电压值进行功放控制。SRAM存储发射的基带数据，以及实时计算发射基带数据的中间变量。Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上电调用；DSP和PC之间使用HPI口，使用PCI桥芯片，实现和PC的连接。DSP对AD9857、AD7655、SRAM以及Flash都是经过DSP的EMIF接口连接，EMIF接口是DSP的外部存储器接口（External Memory Interface），可以方便的和外部Flash、异步SRAM等设备连接。本系统的外部设备数据通信速率均较低，数据传输速率为AD9857的48Mb/s，C5509A的EMIF接口适合满足其速度要求。

　　闭环控制算法

　　基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。

　　对发射机功放输出功率的典型控制方法是根据驻波比来调整发射机的输出功率。发射机的正、反向功率检测电压与功放输出功率及驻波比之间的数值关系如下。

　　正向功率检测电压：

（1）

    反向功率检测电压：

（2）

    驻波比： 

　　（3） 式中，VF_Full表示当功放输出额定功率时对应的正向功率检测电压，PFWD表示功放输出的正向功率，PREV表示反向功率，PF_Full表示功放输出的额定功率。

　　设PR_Full为功放能承受的反向功率，并且PR_Full＝b（常数）；POUT为反向电压达到VR_Limit时的输出功率；输出额定功率时对应的正向功率检测电压VF_Full＝a（常数）；PF_Full/PR_Full=n（常数）。这三个常数都由功放的指标确定。

　　根据式（3），在反向电压达到VR_Limit时的驻波比如下：

（4）
（5）

    由于POUT为b，所以有：

　　根据上面的讨论，功放输出额定功率受限于功放的PF_Full/PR_Full的比值n。在一定驻波比情况下，功放是无法输出额定功率的，例如，驻波比为3，n为3无法输出额定功率。此时，功放能够输出的功率将小于额定功率，但可以输出的功率是多少呢？根据式（5），图2画出了功率控制曲线图。图中设定输出额定功率为0dB，为了比较，图中给出了n＝9和n＝5以及线性控制方法的曲线。

图2 功率控制曲线

　　线性控制方法为根据驻波比直接进行线性比例控制方法。线性控制不考虑功放自身的情况，所以其控制简单，比较容易实现。但控制粗糙，对于质量好的功放，没有充分发挥其性能，对于质量差的功放，又容易烧毁功放。

　　如图2中n＝9时，此时功放的指标较差，一般情况下不能使用。尤其在使用线性控制方法时，工作时间稍长就会烧毁功放。这是因为，线性控制方法在驻波比等于2时，输出额定功率。而使用基于闭环控制算法后，由于n＝9，在驻波比等于2时不能输出额定功率，确保不会烧毁功放。

　　如图2中n＝5时，此时功放的指标较好，使用线性控制方法，仍然严格遵守图中斜线，闭环控制方法的功率输出则明显偏大，充分利用了功放的特性。

　　实际工作情况下，驻波比大于4时功放和天线都将明显变差，此时为了保证系统的稳定，将直接将曲线设置成 －12dB，使得功放的输出维持在较低的水平。

　　实验

　　为了验证本文提出的方法的有效性和实用性，将该方法应用于短波和超短波电台，图3为其功率控制收敛曲线。从图中可以看出，功率控制大概在10次步径后达到稳定状态，稳定后曲线波动较小，功率输出几乎恒定。

图3 功率控制收敛曲线

　　总结

　　功率闭环控制系统适用于具有晶闸管调压控制系统的高频设备，具有自动控制高频输出功率的特点，这对于改造和提高我国目前的高频设备自动控制能力，尤其是提高生产线自动化水平，具有积极的意义。带闭环控制系统的高频感应加热设备已有多台在现场投入运行，使用方便，运行稳定，故障率低，效果颇佳，深受广大用户的好评。