放大器功率自动控制系统.doc

北斗功放的外部功率补偿
蔡士琦1，2孙晓红2 张晓东3高怀3
（1东南大学国家ASIC系统工程技术研究中心，南京210096
2苏州科技学院，苏州215123
3苏州英诺迅科技有限公司，苏州215123）

摘要：本文利用单片机检测在不同温度下的电压，然后运用模糊控制理论改变数字衰减器的工作模式，产生不同程度的增益，从而达到控制放大器输出功率的目的。实验结果表明，当放大器工作温度上升的到55℃时，虽然放大器的内部增益会有所下降，但该控制系统仍然可以将放大器输出功率保持在37dbm稳定状态。
关键词：单片机；模糊控制；自动增益控制；功率放大器

External power compensation of BeiDou Power Amplifier
Shiqi Cai1,2, Xiaohong Sun2,Xiaodong Zhang3, Huai Gao3
(1Southeast University, Naitonal ASIC System Engineering Center, Nanjing 210096, China)
(2Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215123, China)
(3 Suzhou Innotion Tech. Co., Ltd., Suzhou 215123, China)
Abstract:The MCU is used to detect the voltage when the PA work under different temperatures.Then we make use of Fuzzy Control to change the mode of digital attenuator for generating gain to varying degrees.The test turns out that though the temprature exceed 55℃，the control system can still force the output power of the PA 37dbm.
Keywords:MCU;Fuzzy Control;AGC;PA

引言：
射频功率放大器作为北斗系统中一个基本的模块，其输出性能对于后续的应用和用户的体验有很大的影响。但是一般功率放大器功耗较大 ，工作一段时间以后会出现温度上升导致增益下降的情况，放大器的输出功率也随之出现我们并不希望看到的波动情况[]赖小强，李双田. 数字闭环自动增益控制系统设计与实现 . 网络新媒体技术 ISTIC ，2013, 2(3)
。为了解决这个问题，我们运用已经在雷达通信等领域发挥着重要的作用[]Isaac Martinez G． Automatic Gain Control ( AGC) Circuits Theory and Design［R］．ECE1352 Analog Integrated Circuits I.Toronto: University of Toronto，2001．
，[]Patrick F．Camilleri，Gerald E．Sobelman．Digital Automatic Gain Control for Hearing Aids． La Jolla，CA: VLSI Signal Processing VII，1994: 3－12
的自动增益控制( Automatic Gain Control，AGC) 。本文中使用的放大器为Innotion YP163137芯片，是一个工作在1.6GHz的5W功率放大器。当工作温度上升时，PA内部增益会减小，输出功率也同时变小。根据这款芯片的特性我们利用模糊控制理论，将含A/D转化功能的单片机和数字衰减器配合使用，组成一个基于放大器功率变化情况来进行工作的AGC系统。

1、AGC基本工作原理
本文中的AGC主要目的就是当放大器的输出功率由于PA工作温度变化导致增益改变而无法维持稳定时，可以快速的对数字衰减器进行调整，改变整个系统的增益，从而让放大器的输出功率重新回到在我们需要的范围内。简单的来说，就是当放大器工作在常温时我们设置8dB的默认衰减值，同时维持PA输出功率在37dbm。而当放大器工作温度上升，输出功率减小时，系统通过AGC系统来减小衰减值，从而使输出功率变大[]蔡凌云，方振和，李铭祥，赵安康 ，韩建国，葛建民.自动增益控制技术应用.《电子工程师》，2002年04期
，重新回到37dbm。
我们利用单片机的A/D输入引脚检测热敏电阻的电压值，经过A/D转换并在单片机内部进行模糊逻辑运算处理后，通过I/O口向数字衰减器发送控制命令，数字衰减器接收到指令后产生相应的衰减来控制整个系统的增益变化。
与这篇传统模拟开环增益控制算法[]Jeon O, Fox R M Myers B A. “Analog AGC circuitry for a CMOS WLAN receiver,” IEEE J.Solid-State Circuits, 2006, 41(10):2297.
来控制整个电路增益的模拟AGC电路相比较，这种全数字的AGC电路将会消耗更少的能量，并且更加容易的维持整个AGC电路的稳定性[]Xie Jun ，Chi Baoyong ，Xu Yang ，Qi Nan ，Chen Lei，Chen Zhou.A low power 45-dB DR all-digital assisted AGC loop for a GNSS receiver in 0.18 um CMOS.Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT).2012 IEEE 11th International Conference on.2012,Page(s): 1-3
。但目前一般的数字AGC也存在干扰噪声大运算量大等问题。
2、系统结构及电路设计
控制放大器增益的方法主要有两种[]谭军. 微波收信机中频放大器的自动增益控制.《西部广播电视》，2007年04期
：一种是控制放大器本身的某些参数,使其放大倍数产生相应的变化；另一种是在各放大器之间插入可变衰减器,利用电调或人工的方法改变其衰减量,以实现增益控制。本文根据实际需要选择第二种方式。如图1所示，当输入信号进入整个系统时，先要经过数字衰减器PE4302ds的衰减，之后再进入放大器进行放大。而当放大器工作温度升高时，热敏电阻会产生不同的电压发送到单片机STC12C5201AD中[]Garate, J.I，Garate, Jose Ignacio，de Diego, J.M，De Diego, Jose Miguel，Perea, S.P，Perea, Salvadora Piedra.Mixed RF Output Power Control for Low Power Transmitters in Mobile Cellular Terminals.2006 IEEE International Symposium on Industrial Electronics.2006.pp. 2760 - 2766
，该单片机含有A/D转换功能，并将转换后的数据保存在单片机内部的寄存器中。我们利用寄存器中的值进行计算处理后，用单片机其他I/O引脚发送指令到数字衰减器中，重新定义衰减值，从而改变衰减器发送到射频功率放大器输入端的信号强度，达到稳定放大器输出功率的目的。

图1：AGC系统基本结构

3、算法设计及实现
该设计中选用的数字衰减器有串行和并行两种输入控制字的方式，我们选用并行的方式，避免了单片机和数字衰减器的时钟同步误差问题。并行工作方式由一个6位控制寄存器决定，从低位到高位分别控制衰减0.5dB，1dB，2dB，4dB，8dB和16dB，对应输入端C0.5，C1，C2，C4，C8，、和C16。可以控制衰减范围从0.5dB到31.5dB，衰减间隔为0.5dB。根据以上特性，我们选择对输入变量模糊化逻辑判断的方法来编写单片机的程序，可以达到简洁、快速、稳定的目的。
首先测定功率放大器在不同工作温度时的输出功率，并测定热敏电阻在该温度下相应的电压值，再通过单片机A/D转换计算公式计算出单片机内8位寄存器的值（该单片机为0~5V对应0~255）：
（1）
然后对该值运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊控制讯号。最后将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，做为数字衰减器的输入值。这些步骤都是在单片机内部进行处理完成的，程序主要步骤如下图：

图2：单片机程序运行步骤
4、实验结果
PA的输出功率如图3所示，通过对比可以发现，当温度上升后，虽然PA的内部增益会减小，但是我们可以控制数字衰减器减小对输入功率的衰减，从而提高输出功率。将输出功率保持在约5W的范围内，不会因温度上升而受到太大的影响。不同温度下的数字衰减器增益值如图4所示。

图3：左边是未加agc系统前PA输出功率与温度的关系
右边是加了agc系统后PA的输出功率与温度的关系

图4：衰减增益与温度的关系
整体电路如下图所示：

图5：完整电路
5、总结
通过数字衰减器改变PA的输入功率，从而让放大器的输出功率在一定范围内可控，不会因为温度上升而导致输出功率下降。这不但保证了电路工作的稳定性，还为下一级的工作电路提供了方便。

参考文献：