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、更強的抗干擾能力。在無線信號發(fā)射過程中，射頻信號必須經(jīng)功放放大，再經(jīng)天線發(fā)射出去，信號經(jīng)功放后的幅度和穩(wěn)定性對通信的可靠性和抗干擾起著關(guān)鍵作用。功放可以說是各類音響器材中的一個家族了，其作用主要是將音源器材輸入的較微弱信號進(jìn)行放大后，產(chǎn)生足夠大的電流去推動揚聲器進(jìn)行聲音的重放。由于考慮功率、阻抗、失真、動態(tài)以及不同的使用范圍和控制調(diào)節(jié)功能，不同的功放在內(nèi)部的信號處理、線路設(shè)計和生產(chǎn)工藝上也各不相同 。功率放大器的功率指標(biāo)嚴(yán)格來講又有標(biāo)稱輸出功率和瞬間輸出功率之分。前者就是額定輸出功率，它可以解釋為諧波失真在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化、能長時間安全工作時輸出功率的值；后者是指功率放大器的“峰值”輸出功率，它解釋為功率放大器接受電信號輸入時，在保證信號不受損壞的前提下瞬間所能承受的輸出功率值。

　　本文提出一種基于DSP的數(shù)字閉環(huán)功放控制系統(tǒng)，通過檢測正反向功率電壓確定輸出功率上升或下降的步徑，按該步徑增加或者減少功放輸出功率，并隨時檢測輸出功率是否超過額定輸出功率，如超過額定輸出功率，根據(jù)求出的下降步徑進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，及時將功放輸出功率減小到額定功率，這樣形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于采用DSP為處理，處理速度和計算都得到保證。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)射的功率。

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　整個系統(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)過天線發(fā)射出去，AD9857的控制信號由DSP的SPI接口實現(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存儲發(fā)射的基帶數(shù)據(jù)，以及實時計算發(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，實現(xiàn)和PC的連接。DSP對AD9857、AD7655、SRAM以及Flash都是經(jīng)過DSP的EMIF接口連接，EMIF接口是DSP的外部存儲器接口（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，數(shù)據(jù)傳輸速率為AD9857的48Mb/s，C5509A的EMIF接口適合滿足其速度要求。

　　閉環(huán)控制算法

　　基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。

　　對發(fā)射機功放輸出功率的典型控制方法是根據(jù)駐波比來調(diào)整發(fā)射機的輸出功率。發(fā)射機的正、反向功率檢測電壓與功放輸出功率及駐波比之間的數(shù)值關(guān)系如下。

　　正向功率檢測電壓：

（1）

    反向功率檢測電壓：

（2）

    駐波比： 

　　（3） 式中，VF_Full表示當(dāng)功放輸出額定功率時對應(yīng)的正向功率檢測電壓，PFWD表示功放輸出的正向功率，PREV表示反向功率，PF_Full表示功放輸出的額定功率。

　　設(shè)PR_Full為功放能承受的反向功率，并且PR_Full＝b（常數(shù)）；POUT為反向電壓達(dá)到VR_Limit時的輸出功率；輸出額定功率時對應(yīng)的正向功率檢測電壓VF_Full＝a（常數(shù)）；PF_Full/PR_Full=n（常數(shù)）。這三個常數(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時的駐波比如下：

（4）
（5）

    由于POUT為b，所以有：

　　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，功放是無法輸出額定功率的，例如，駐波比為3，n為3無法輸出額定功率。此時，功放能夠輸出的功率將小于額定功率，但可以輸出的功率是多少呢？根據(jù)式（5），圖2畫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，所以其控制簡單，比較容易實現(xiàn)。但控制粗糙，對于質(zhì)量好的功放，沒有充分發(fā)揮其性能，對于質(zhì)量差的功放，又容易燒毀功放。

　　如圖2中n＝9時，此時功放的指標(biāo)較差，一般情況下不能使用。尤其在使用線性控制方法時，工作時間稍長就會燒毀功放。這是因為，線性控制方法在駐波比等于2時，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時不能輸出額定功率，確保不會燒毀功放。

　　如圖2中n＝5時，此時功放的指標(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。

　　實際工作情況下，駐波比大于4時功放和天線都將明顯變差，此時為了保證系統(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。

　　實驗

　　為了驗證本文提出的方法的有效性和實用性，將該方法應(yīng)用于短波和超短波電臺，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)定后曲線波動較小，功率輸出幾乎恒定。

圖3 功率控制收斂曲線

　　總結(jié)

　　功率閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于具有晶閘管調(diào)壓控制系統(tǒng)的高頻設(shè)備，具有自動控制高頻輸出功率的特點，這對于改造和提高我國目前的高頻設(shè)備自動控制能力，尤其是提高生產(chǎn)線自動化水平，具有積極的意義。帶閉環(huán)控制系統(tǒng)的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備已有多臺在現(xiàn)場投入運行，使用方便，運行穩(wěn)定，故障率低，效果頗佳，深受廣大用戶的好評。