一种快速响应自动电平控制环路的控制系统的制作方法

本发明实施例涉及自动控制技术领域，具体涉及一种快速响应自动电平控制环路的控制系统。

背景技术：

射频链路通道在接收或发射信号时，会遇见输入信号动态范围变化较快的情况，反应到硬件链路上会使得输出信号也具有较大动态范围。而一些应用下，需要输出功率能够在输入信号大动态范围变化时继续保持输出稳定在一定固定值上，就需要链路引入自动环路增益控制电路alc电路部分。其正常工作时能够保证输出信号功率一定范围内稳定在固定值上。

在有些组网应用中，系统存在多个通信节点，各个节点需要相互之间突发通信。若各通信节点距离不同，会导致信号传输中彼此之间衰减值不一致，在通信过程中，一固定节点收到的其他节点发出的信号功率可能大小不一，具有一定的动态范围。由于系统为突发跳频通信，每个节点通信的时隙较小，需要节点通信链路具有实时较快的响应速度去应对大动态范围输入信号的情况，保证在自己时隙内能够快速响应不同大小的输入信号，就需要alc环路需要有较快的稳定速度。当上一个时隙输入信号较大，alc环路调整链路中增益控制部分电路跟踪并稳定到需要的固定值上，下一个时隙若输入信号较小，alc就需要重新调整链路增益控制部分电路的值，使得输出稳定到需要的固定值。若该调整时间较慢，超过了时隙允许的调整时间，时隙就会切换到下一个节点，会使得该时隙内链路不能采样到该信号信息，就会导致通信丢掉了某节点的信息。

传统alc环路电路普遍采用零阶环路或者一阶环路。零阶环路其响应速度并达到稳态平衡的速度较快，但由于没有开环极点的存在，在输入信号非线性变化或者链路系统有较多干扰的情形下，容易使得链路系统不稳定，平衡后的稳态跟踪误差会越来越大，导致alc环路失锁。一阶系统环路普遍采用积分运放形式，其构成了一阶一型极点，能够提高系统的跟踪和抗干扰能力。但其工作在过阻尼状态，响应时间会受到一阶一型系统影响，以指数的形式向平衡点过渡，过渡过程中的响应时间受到初始误差大小和系统本身的调节速度决定，在输入信号动态范围较大情形下，该速度不能在较快的时间内，如50us内完成跟踪，就会导致上述的短时时隙内错过某节点的信号。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种快速响应自动电平控制环路的控制系统，以解决现有自动电平控制环路响应速度慢、稳定性差的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

本发明实施例公开了，一种快速响应自动电平控制环路的控制系统，所述系统包括：预置电压模块和自动电平控制alc环路模块，所述alc环路模块在输入信号产生变化时，前端模拟衰减器工作在之前的控制电压状态，前端模拟衰减器的输出经过定向耦合器进行采样，采样后通过环路检波器转换为实时动态电压，实时动态电压传输至环路运放，环路运放通过比例计算或者积分形式调整其输出电压，再提供给前端模拟衰减器形成闭环，前端模拟衰减器根据最新实时的控制电压调整其自身增益值，alc环路形成动态环路，直到调整到环路运放处设定的需要的输出功率对应的电压值，所述预置电压模块向alc环路加载预置电压，使alc环路稳定在衰减值附近，快速进入稳定状态。

进一步地，所述alc环路模块包括：前端模拟衰减器、定向耦合器、环路检波器和环路运放，所述前端模拟衰减器通过其自身的增益变化来适应输入信号的动态范围，大信号进行比例衰减，小信号进行衰减减小提高增益，所述定向耦合器将前端模拟衰减器的输出信号进行部分提取，提供环路检波器采样，所述环路检波器将定向耦合器输出信号提取的部分近似线性转换成电压值，传输至环路运放，所述环路运放提升alc环路稳态跟踪能力和抗干扰能力。

进一步地，所述环路运放包括环路非积分运放和环路积分运放，环路非积分运放不设置电容积分环节，只有电阻做比例运算，所述环路积分运放中含有电容积分环节，通过积分电容提高系统的稳态跟踪能力和抗干扰能力。

进一步地，所述环路检波器在信号动态范围较大时，采用对数检波器，在信号需要均值检波且峰均较大的调整方式时，采用均值检波器。

进一步地，所述前端模拟衰减器接收输入的动态信号，输入信号产生变化，前端模拟衰减器先工作在之前的控制电压状态上，保持之前的增益值，前端模拟衰减器的输出端与定向耦合器连接，定向耦合器对前端模拟衰减器的输出信号进行提取，检波器将定向耦合器提供的信号进行采样转换为实时的动态电压值提供给环路运放，环路运放调整其输出电压，环路运放输出环路反馈电压，环路反馈电压传送至前端模拟衰减器形成闭环，前端模拟衰减器根据最新实时的控制电压调整其自身增益值，整个alc环路就形成动态环路，直至调整到环路积分运放处设定的需要的输出功率对应的电压值。

进一步地，所述环路运放采用环路非积分运放时，采用电阻做比例计算，在alc环路稳定后，环路运放电路输出电压为非零的固定值，固定值为稳态误差，控制前端模拟衰减器工作在一定增益值；环路运放采用环路积分运放时，通过积分电容实现alc控制，alc环路稳定后，环路积分运放本身稳态误差输出应为零值，电容在alc环路控制过渡过程中，在充电作用下达到稳定控制衰减器的电压值，稳态后电容根据其自身q值，开始放电去维持当前的衰减器控制电压，放电一定程度alc环路需要再一次积分充电跟踪锁定，alc环路就在该过程循环中保持稳定。

进一步地，所述预置电压模块向alc环路加载预置电压，使前端模拟衰减器的衰减值提前达到最终alc环路稳定时稳态衰减值的附近，所述预置电压模块包括：入口耦合器、入口检波器、入口差动运放和减法器，所述入口耦合器接入动态信号，入口耦合器的输出端与入口检波器连接，所述入口检波器输出入口检波电压，入口检波电压接入入口差动运放，入口差动运放的输出接入减法器的正端口，减法器的负端口接入环路积分运放输出的环路反馈电压，减法器的输出端连接前端模拟衰减器。

进一步地，所述减法器快速生成预置电压值，作用于alc环路，使alc环路快速达到稳定状态，当输入的动态信号小时，减法器正端口接入的入口检波电压大，前端模拟衰减器的插损小，当输入的动态信号大时，减法器正端口接入的入口检波电压小，前端模拟衰减器插损大。

进一步地，所述alc环路模块中环路积分运放的积分电容串联零点电阻，产生与均值检波器外接低视频抑制电容产生的极点相消除的闭环零点。

本发明实施例具有如下优点：

本发明实施例公开了一种快速响应自动电平控制环路的控制系统，在传统的alc环路中引入预置电压模块，通过预置电压模块给前端模拟衰减器加载预置电压，使alc环路快速稳定在衰减值附近，alc环路再通过一阶系统的环路跟踪作用，进入稳定状态。同时在原有积分电容处串联电阻构成系统闭环零点的形式，实现视频带宽频点处的偶极子对消，将二阶二型alc系统降低到一阶一型，利用预置电压模块实现alc环路的快速稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种快速响应自动电平控制环路的控制系统电路连接图；

图中：1-预置电压模块、2-alc环路模块、3-前端模拟衰减器、4-定向耦合器、5-环路检波器、6-环路积分运放、7-入口耦合器、8-入口检波器、9-入口差动运放、10-减法器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开了一种快速响应自动电平控制环路的控制系统，包括：预置电压模块1和自动电平控制alc环路模块2，所述alc环路模块2在输入信号产生变化时，前端模拟衰减器3工作在之前的控制电压状态，前端模拟衰减器3的输出经过定向耦合器4进行采样，采样后通过环路检波器5转换为实时动态电压，实时动态电压传输至环路运放，环路运放通过比例计算或者积分形式调整其输出电压，再提供给前端模拟衰减器3形成闭环，前端模拟衰减器3根据最新实时的控制电压调整其自身增益值，alc环路形成动态环路，直到调整到环路运放处设定的需要的输出功率对应的电压值，所述预置电压模块1向alc环路加载预置电压，使alc环路稳定在衰减值附近，快速进入稳定状态。

所述alc环路模块2包括：前端模拟衰减器3、定向耦合器4、环路检波器5和环路运放，所述前端模拟衰减器3通过其自身的增益变化来适应输入信号的动态范围，大信号进行比例衰减，小信号进行衰减减小提高增益，所述定向耦合器4将前端模拟衰减器3的输出信号进行部分提取，提供环路检波器5采样，所述环路检波器5将定向耦合器4输出信号提取的部分近似线性转换成电压值，传输至环路运放，所述环路运放提升alc环路稳态跟踪能力和抗干扰能力。

环路运放包括环路非积分运放和环路积分运放6，环路非积分运放不设置电容积分环节，只有电阻做比例运算，所述环路积分运放6中含有电容积分环节，通过积分电容提高系统的稳态跟踪能力和抗干扰能力。环路检波器5在信号动态范围较大时，采用对数检波器，在信号需要均值检波且峰均较大的调整方式时，采用均值检波器。

前端模拟衰减器3接收输入的动态信号，输入信号产生变化，前端模拟衰减器3先工作在之前的控制电压状态上，保持之前的增益值，前端模拟衰减器3的输出端与定向耦合器4连接，定向耦合器4对前端模拟衰减器3的输出信号进行提取，检波器将定向耦合器4提供的信号进行采样转换为实时的动态电压值提供给环路运放，环路运放调整其输出电压，环路运放输出环路反馈电压，环路反馈电压传送至前端模拟衰减器3形成闭环，前端模拟衰减器3根据最新实时的控制电压调整其自身增益值，整个alc环路就形成动态环路，直至调整到环路积分运放6处设定的需要的输出功率对应的电压值。

当环路运放采用环路非积分运放时，采用电阻做比例计算，在alc环路稳定后，环路运放电路输出电压为非零的固定值，固定值为稳态误差，控制前端模拟衰减器3工作在一定增益值；环路运放采用环路积分运放6时，通过积分电容实现alc控制，alc环路稳定后，环路积分运放6本身稳态误差输出应为零值，电容在alc环路控制过渡过程中，在充电作用下达到稳定控制衰减器的电压值，稳态后电容根据其自身q值，开始放电去维持当前的衰减器控制电压，放电一定程度alc环路需要再一次积分充电跟踪锁定，alc环路就在该过程循环中保持稳定。

由于整个alc闭环系统工作在一阶一型环路的状态，且系统含实数极点，系统过阻尼收敛于平衡点处。输入信号为稳态输入电平，根据一阶一型环路特点，其调整后的稳态误差为0，即稳定工作后输入信号经过前端模拟衰减器3后再被环路检波器5采样得到的电平值和预置电压设置的稳态电平值一致。维持当前前端模拟衰减器3工作的控制电压值来自构成一阶一型环路的环路积分运放6处的积分电容。在系统跟踪的暂态过程中，环路检波器5实时输出电压和预置电压产生暂态误差电压，误差电压对一型环路的运放处的积分电容充电。充电时间远远小于alc环路调整稳态时间，当充电使得误差电压达到需要的控制可调模拟衰减器的稳态电压值后，稳态误差为0，而充电电容保持着对可调模拟衰减器的电平控制。由于是非理想电容，q值有限，充电完成后放电一段时间，误差电压重新产生工作，使得可调模拟衰减器参数变化，环路跳出同步带，alc环路又会自动完成环路增益的控制跟踪。

alc环路正常工作时，对实时输入的信号电平进行采样，根据检波值通过积分运放产生误差电压去控制前端的可调模拟衰减器，调节其工作增益，保证链路alc的最终输出信号电平为积分运放处正极设置电压对应的信号功率值。整个系统工作在过阻尼状态，实时输出信号和预想达到的输出信号的比值按负指数信号为含有1个极点的一阶系统的形式，从最小比值达到稳定值1。当稳态值达到1后，即完成了将不同输入信号通过控制开环增益调整达到了固定的最终输出值。

根据alc环路中环路检波器5的驱动输出能力来设置alc环路中环路积分运放6负端入口的电阻值，为了保证alc环路响应速度，电阻值需要较小，但较小的值就需要alc环路中环路检波器5的输出能力较大。进行折中处理，使得电阻值既能满足检波器驱动能力，也能使得环路响应速度较快；alc环路中环路积分运放6的负端输入为检波器电压，正端为最终稳态时alc环路的输出信号功率对应的检波电压值。当环路最终稳定后，正端和负端的电压达到平衡。

alc环路中环路积分运放6的电容值的阻抗除以积分运放负端入口的电阻值的比例c，为alc环路要达到平衡的值。若alc环路中前端模拟衰减器3的电压控制斜率为adb/v，环路中的检波器的检波斜率为bv/db，积分运放的比例为c，满足环路平衡时动态变化方程a*b*c＝1，得到c＝1/ab。在得到入口电阻值情形下，求出积分运放的电容值大小。

alc环路系统闭环函数推导：环路中前端模拟衰减器3的电压控制斜率为adb/v，环路检波器5的检波斜率为bv/db，环路积分运放6的电阻和电容分别为r和c，在环路积分运放6正端提供的最终稳态时alc环路的输出信号功率对应的检波电压值为ui，alc实时输出信号对应的检波电压值为反馈电压uo，其提供给环路积分运放6负端，环路积分运放6输出变化量值为ut。

则：

从0时刻到t时刻，alc环路中的环路积分运放6输出电压变化量为：

环路积分运放6输出电压控制前端模拟衰减器3，前端模拟衰减器3值的变化量进入环路检波器5，环路检波值提供积分运放负端为反馈电压，则反馈电压变化量为：

ut*a*b＝u0

在实时环路平衡状态中，联立上面方程得到：

将其进行拉氏变化，并换算成系统闭环传递函数：

其中

可见s＝-k为系统闭环一阶极点，且系统无条件稳定。一阶系统的稳定时间计算为t＝3/k，合理rc参数，其参数尽量较小，可以进一步提高环路稳态平衡速度。

当预制电压装置引入后，等效为将一阶环路需要调整的初始误差衰减增益值人为减小了，故可以较快的提高alc的稳态速度。

试验测得结果，当输入信号动态范围为-90～0dbm时，环路检波器5选择对数检波器，alc中的前端模拟衰减器3有60db，需要保证在-90～-60dbm输入时，前端不衰减，-60dbm～0dbm输入时，输出达到0dbm。alc环路需要控制-60dbm～0dbm，保证其入口功率能够得到足够抑制，并随着输入信号变换而调节前端模拟衰减器3。-60dbm输入时不衰减；0dbm输入时衰减最大。当不采用预置电压装置时，根据采集输出信号的变化判断稳定时间约为110μs；当采用预置电压装置时，根据采集输出信号的变化判断稳定时间约为6μs。

预置电压模块1向alc环路加载预置电压，使前端模拟衰减器3的衰减值提前达到最终alc环路稳定时稳态衰减值的附近，所述预置电压模块1包括：入口耦合器7、入口检波器8、入口差动运放9和减法器10，所述入口耦合器7接入动态信号，入口耦合器7的输出端与入口检波器8连接，所述入口检波器8输出入口检波电压，入口检波电压接入入口差动运放9，入口差动运放9的输出接入减法器10的正端口，减法器10的负端口接入环路积分运放6输出的环路反馈电压，减法器10的输出端连接前端模拟衰减器3。

确定输入信号动态范围内对应的入口检波器8的输出电压，其为一条近似线性的直线，将该近线性的电压曲线提供给入口差动运放9做比例差动计算，得到同样为一条近似线性的直线，该直线代表了入口检波器8输出的比例电压。入口差动运放9输出曲线要和前端的模拟衰减器控制电压值近似一一对应，即输入信号最小值对应的入口差动运放9输出值要使得前端模拟衰减器3工作在插损最小处，输入信号最大值对应的入口差动运放9输出值要使得前端模拟衰减器3工作在插损最大处。于是两个端点确定的电压直线就和前端模拟衰减器3的控制电压曲线对应起来，使得提供给预置电压处减法器10正端的值能够较为准确的比例对应输入信号的入口检波电压值。于是根据以上可以计算出入口差动放大器处的正端设置电压和其入口差动运放9的增益。

所述减法器10快速生成预置电压值，作用于alc环路，使alc环路快速达到稳定状态，当输入的动态信号小时，减法器10正端口接入的入口检波电压大，前端模拟衰减器3的插损小，当输入的动态信号大时，减法器10正端口接入的入口检波电压小，前端模拟衰减器3插损大。减法器10作用是快速生成的预置电压值是由于来自输入信号对应电压值的直接正向运算，会导致预置电压值和环路稳定平衡态电压值较为接近，但不精确相同。环路的反馈电压值在积分作用下，能够较为准确的达到控制衰减器的平衡态电压值点处。

本发明实施例公开的一种快速响应自动电平控制环路的控制系统，在传统的alc环路中引入预置电压模块1，通过预置电压模块1给前端模拟衰减器3加载预置电压，使alc环路快速稳定在衰减值附近，alc环路再通过一阶系统的环路跟踪作用，进入稳定状态。

实施例2

当输入信号动态范围不大，且需要独立于调制信号的均值检波，同时其信号的峰均比较大时，需要alc环路中的检波器采用均值检波器并配合外部电容进行。均值检波器本身由于含有求平均部分，其时间响应速度较慢，再加上外部电容对峰均比较高信号进行低视频滤波时，其时间响应时间更慢。为了满足快速实时信号功控的要求，于是需要对alc环路引入上述的新的预置电压模块1，保证alc环路工作前，前端模拟衰减器3的起始衰减态和最终值差值较小。需要通过输入信号对应的电压来设置预置电压值，同时alc环路通过合理设置参数完成alc闭环跟踪。但其存在和大动态对数检波器不一致的地方，因为在alc检波器引入了外部积分电容提高对高峰均比信号的低视频平滑抑制，就相当于在闭环系统环路中引入了一个新的闭环极点。该极点和环路中的积分运放引入的极点一起将闭环系统升级为二阶二型系统，于是系统就从过阻尼的非振荡状态变成了欠阻尼的振荡状态。虽然二阶二型系统的抗干扰和信号突变的稳态跟踪能力更强，但因为在视频带宽点处引入了振荡，就可能使得系统不稳定，若电路硬件参数设置不合理就会导致系统不收敛的振荡，使得稳态跟踪误差越来越大，最终使得环路跟踪失锁，alc环路不能将信号稳定在所需要的输出值上。

在视频带宽处引入和均值检波器后的外部电容所构成的极点产生对消的系统闭环零点，该零点由于同在视频带宽处，就会和均值检波器后的外部电容所构成的极点形成自动控制理论中描述的偶极子对，于是就将该极点对系统带来的影响消除，整个系统又重新工作在一阶一型环的形式，系统稳定性得到了保证。

在设计上，需要在alc环路中的积分运放的积分电容处，将一个零点电阻和积分电容一起串联一起，其在视频带宽处引入的零点就会和alc环路中的检波器低频电容形成的极点构成偶极子。该值为：

r*2π*f*c＝1，其中f为视频带宽频率点，c为之前确定的积分电容值，r为需要求得的零点电阻值。将二阶二型alc系统降低到一阶一型，利用预置电压模块1实现alc环路的快速稳定。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。