一种数字电压增益控制装置 【技术领域】
本发明涉及电子通信技术领域， 特别涉及一种数字电压增益控制装置。背景技术 当前数字通信技术以日新月异的速度发展， 从第二代时分多址的 GSM 技术， 到第 三代码分多址的 CDMA 技术， 再到最近的正交频分多址的 OFDM 技术， 短短二十年时间， 通信 技术已经发展了若干代。自动增益控制 (AGC) 是通信中的关键技术， 对当前流行的 CDMA 技 术 ( 如我国自行设计的第三代通信 TD-SCDMA 标准 ) 而言， 更是如此。CDMA 技术实现的一个 难点就是功率控制， CDMA 基站需要自动控制各个用户的发射功率， 同时提高每个用户的接 收功率， 减轻 CDMA 系统中 “远近效应” 的影响， 从而改善通信质量。不仅在通信领域， 在工 业控制领域中自动增益控制技术的应用也非常广泛。
自动增益控制可以通过模拟技术在射频端实现， 也可以采用数字信号处理技术在 数字基带实现。 但是上述两者各有优缺点， 模拟方式的自动增益控制具有响应快的优点， 但 其调整精度和调整范围都有限 ； 而数字方式的自动增益控制则具有调整精度高的优势， 但 其响应速度相对较慢， 而且因其处于信号接收的后端， 对信号的信噪比改善作用相对较小。
发明内容 本发明的目的在于提供一种数字电压增益控制装置， 实现调整精度高且响应速度 快的信号增益控制。
本发明提供了一种数字电压增益控制装置， 其包括 ： PC 用户控制模块， 用于通过 PC 预设所需增益水平， 将所述增益水平转换成对应的数字控制信号并按照串口协议发送 ； 串口协议接口模块， 从所述 PC 用户控制模块接收所述数字控制信号， 其包括串口电缆、 串 口接插件以及串口物理层处理单元， 所述串口物理层处理单元用于对所述数字控制信号进 行对应的物理层处理 ； 微处理器模块， 连接所述串口协议接口模块， 用于对所述数字控制信 号进行对应的网络层处理 ； 数模转换模块， 从所述微处理模块接收所述数字控制信号， 并转 变为模拟控制电压 ； 模拟信号输入接口模块， 用于为待控模拟信号提供通道 ； 压控增益模 块， 连接所述数模转换模块和所述模拟信号输入接口模块， 根据所述模拟控制电压实现所 述待控模拟信号的增益变化 ； 模拟信号输出接口模块， 连接所述压控增益模块， 用于为所述 压控增益模块的输出信号提供通道。
在上述数字电压增益控制装置中， 所述数模转换模块使用 TLV5637 芯片。
在上述数字电压增益控制装置中， 所述压控增益模块使用 AD8331 芯片。
在上述数字电压增益控制装置中， 还包括电源输入模块， 用于实现电力的输入和 供给。
在上述数字电压增益控制装置中， 所述电源输入模块包括交流适配器、 电源接插 件以及开关。
在上述数字电压增益控制装置中， 还包括用户编程接口模块， 其连接所述数模转
换模块， 用于对所述数模转换模块编程。
在上述数字电压增益控制装置中， 压控增益模块实现两路待控模拟信号的增益控 制。
与现有技术相比， 本发明提供的数字电压增益控制装置具有以下优点 ：
1、 通过将数字控制信号模数转换为模拟控制电压以作用于压控增益模块， 从而在 中频端实现模拟信号的增益控制， 其可控增益变化范围广、 响应速度快、 调整精度高 ；
2、 通过提供运行于 PC 上的用户控制软件， 用户可以在用户界面指定所需增益水 平， 其操作方便且实现了智能化 ；
3、 通过提供用户编程接口， 用户可以对数模转换模块进行自定义在线编程， 实现 增益的控制与更改、 与客户设备的灵活级联 ( 接入上游主控设备 )， 从而组成完备的自动增 益控制环路， 具有极大的自由度和扩展空间。 附图说明
图 1 为本发明的数字电压增益控制装置的结构示意图 ； 图 2 为本发明 PC 输入模式工作步骤的流程图 ； 图 3 为本发明用户编程模式工作步骤的流程图。具体实施方式
为使本发明的目的、 特征更明显易懂， 下面结合附图对本发明的具体实施方式作 进一步的说明。
请参阅图 1， 图 1 显示了本发明的数字电压增益控制装置的结构示意图。图 1 中， 该数字电压增益控制装置包括 PC 用户控制模块 1、 串口协议接口模块 2、 微处理器模块 3、 数模转换模块 4、 压控增益模块 5、 模拟信号输入接口模块 7 以及模拟信号输出接口模块 8。 下面结合图 1 描述各个模块的功能和结构。
PC 用户控制模块 1 用于通过 PC 预设所需增益水平， 将所述增益水平转换成对应 的数字控制信号并按照串口协议发送。具体地， PC 用户控制模块 1 提供用户界面以及运行 于界面后台的算法计算引擎和接口引擎。通过用户界面， 用户可以输入所需增益水平 ( 以 dB 为单位 )。然而， 实际所需的为压控增益模块 5 中增益水平对应的模拟控制电压， 而该模 拟控制电压又由数模转换模块 4 提供， 因此必须根据用户输入的增益水平得到压控增益模 块 5 的模拟控制电压， 再按照数模转换模块 4 的转换规则由该模拟控制电压得到最后的数 字控制信号。 这里， 在界面后台运行计算引擎， 按照上述增益水平与数字控制信号之间的算 法， 计算得到所需的数字控制信号。通过在 PC 计算数字控制信号而不选择在微处理器模块 3 实现， 可以减少微处理器模块 3 的计算量， 用 PC 的强大运算力降低响应时间损耗。获得 增益水平所对应的数字控制信号后， 运行接口引擎。 在此， 按照定义的协议标准进行信号组 帧 ( 帧信息包括增益水平对应的数字控制信号 )， 并按照串口 RS232 总线标准发送所有数据 帧。
串口协议接口模块 2 从 PC 用户控制模块 1 接收数字控制信号。具体地， 该串口协 议接口模块 2 实现 PC 和微处理器模块 3 之间接口的连接， 其包括串口电缆 21、 串口接插件 22 以及串口物理层处理单元 23。串口电缆 21 为常用的计算机 9 针串口电缆， 串口接插件22 为 DB9 串口母头， 上述两者将 PC 发送的串口数据 ( 即数字控制信号 ) 传往串口物理层处 理单元 23。 串口物理层处理单元 23 用于对数字控制信号进行对应的物理层处理， 将输入的 RS232 总线接口电平转换至微处理器模块 3 接受的电平 ( 例如 TTL 电平或 CMOS 电平 )， 然 后通过 RS232 总线送往微处理器模块 3。
微处理器模块 3 连接串口协议接口模块 2， 用于对数字控制信号进行对应的网络 层处理。微处理器模块 3 为本发明的逻辑控制单元， 其核心为一微处理器， 该微处理器外围 还具有电阻、 电容等电子器件。 微处理器内部集成片上程序存储器和数据存储器， 这样可以 外围添加 flash 闪存和 SRAM， 从而为本发明小型化创造条件。 上电后， 微处理器从片上程序 存储器读取已经固化后的程序， 完成配置。这里， 微处理器模块 3 接收 PC 发出的用户控制 命令， 并按照定义的协议格式解析用户命令， 分解得到对应的数字控制信号。 但是数模转换 模块 4 的数字总线标准可能不是串口协议 ( 本实施例中为 SPI 总线标准 )， 因此微处理器必 须按照数模转换模块 4 的数字总线标准进行重新组帧并发送。
数模转换模块 4 从微处理模块 3 接收数字控制信号， 并转变为模拟控制电压。数 模转换模块 4 核心为一数字模拟转换器 (DAC)， 其输出的模拟控制电压作用于后续的压控 增益模块 5。该数模转换模块 4 具体可选用德州仪器公司的型号为 TLV5637 的数模转换芯 片， 该芯片具有如下优点 ： 一、 SPI 数字总线接口， 串行化数字总线， 接口简单， 便于编程开 发； 二、 数模转换建立时间短， 建立时间仅为 0.8us， 响应速度快 ； 三、 转换精度高， 转换误差 为 0.1LSB( 最低位 )， 而且内部采用高精度的基准电压源 ( 具体为 1.024V)， 输出的模拟电 压误差量为 0.5mV， 该误差量仅给后续的压控增益控制模块带来 0.025dB 的增益误差。 数模 转换模块的精度直接决定了本发明的增益控制误差水平。
模拟信号输入接口模块 7 用于为待控模拟信号提供通道。这里需要注意的是， 模 拟信号输入接口模块 7 可以实现多路待控模拟信号的输入。在本实施例中， 为实现两路待 控模拟信号的输入， 该模拟信号输入接口模块 7 包括两个同轴电缆输入接插件 71、 72， 以及 后续的两路阻抗匹配与隔直电路单元 73、 74。以一路为例进行描述， 同轴电缆输入接插件 71 实现待控模拟信号的输入， 然后传给后续的阻抗匹配与隔直电路单元 73， 而阻抗匹配与 隔直电路单元 73 实现阻抗匹配以及与上游的直流电隔离 ( 实现与上游输入设备间 50 欧姆 的阻抗匹配和直流电隔离 )， 从而避免上游设备和本装置之间的直流耦合影响。 阻抗匹配与 隔直电路单元 73 为由电阻、 电容、 电感组成的功能电路， 另一路组成与此同。模拟信号输入 接口模块 7 为压控增益模块 5 的信号输入提供了通道。
压控增益模块 5 连接数模转换模块 4 和模拟信号输入接口模块 7， 根据模拟控制 电压实现待控模拟信号的增益变化。压控增益模块 5 主体为压控增益处理器， 该压控增益 处理器外围还具有辅助工作的电阻、 电容、 电感等。 压控增益处理器可选用模拟设备公司的 AD8331 芯片， 该芯片内部集成了两个通道的电压控制增益变化功能， 一个模拟控制电压能 够同时实现两个通道的对应增益变化， 由此压控增益模块 5 能够实现两路待控模拟信号的 增益控制。 该芯片具有以下特点 ： 一、 内部功率调整级由输入低燥放、 可编程中放、 输出放大 级组成， 增益最大变化范围可以达到 48dB( 从 -4.5dB 到 43.5dB)， 满足大范围增益变化要 求； 二、 优异的宽带幅频响应一致性， 其 3dB 带宽可以到 120MHz， 完全可以覆盖整个中频领 域， 对保证大带宽输入信号的信号完整性具有重要意义 ； 三、 芯片内同时实现两路模拟输入 信号增益控制， 通道间增益误差在 0.05dB 以内， 可应用于正交、 同相支路增益偏差失衡较小的场景， 如 QPSK 调制。压控增益模块的电压增益控制功能是由其微电子级电路设计决定 的。
模拟信号输出接口模块 8 连接压控增益模块 5， 用于为压控增益模块 5 的输出信 号提供通道。类似的， 该模拟信号输出接口模块 8 可以实现多路控制后的模拟信号的输出。 在本实施例中， 为实现两路控制后的模拟信号的输出， 该模拟信号输出接口模块 8 包括两 路变压器电路单元 81、 82 和后续的同轴电缆输出接插件 83、 84。 仍以一路为例进行描述， 变 压器电路单元 81 核心为变压器及其外围电阻、 电容组成的功能电路。变压器电路单元 81 在此有两个作用 ： 一是阻抗匹配， 将输出阻抗调整为 50 欧姆， 这样可以减少输出信号反射， 维护输出信号完整性 ； 二是隔直作用， 将本装置的输出信号直流偏置与下游设备隔离， 减少 两级设备间直流耦合之间的影响。经过变压器电路单元 81 处理后， 通过 pcb 走线传给后续 的同轴电缆输出接插件 83， 同轴电缆输出接插件 83 负责将控制后的模拟信号沿同轴电缆 输出给下游设备。另一路配置与上述相同。
本装置还包括电源输入模块 6， 用于实现电力的输入和供给。 该电源输入模块 6 包 括交流适配器 61、 电源接插件 62 以及开关 63。交流适配器 61 常规选用输出 5v 至 6v 的类 型。电源接插件 62 和开关 63 为电力接入提供通路。 以上， 本装置通过将数字控制信号模数转换为模拟控制电压以作用于压控增益模 块， 从而在中频端实现模拟信号的增益控制， 其可控增益变化范围广、 响应速度快、 调整精 度高。 例如， 从客户在用户界面指定端口输出到各端口真实输出， 响应时间小于 1ms。 而且， 本装置通过提供运行于 PC 上的用户控制软件， 用户可以在用户界面指定所需增益水平， 其 操作方便且实现了智能化。
此外， 本装置还可以包括用户编程接口模块 9， 其连接数模转换模块 4， 用于对数 模转换模块 4 编程。在本实施例中， 用户编程接口模块 9 为一被动型接插件， 该接插件连接 数模转换模块 4 的数字输入 SPI 总线接口。用户可以不选用 PC 输入模式， 而按照 SPI 协议 标准和数模转换模块 4 的输入数据格式， 通过该接口对数模转换模块 4 编程， 得到对应的数 字控制信号进而实现理想的增益控制。该接口为用户进行自定义开发， 实现与客户设备的 灵活级联， 具有极大的自由度和扩展空间。而且， SPI 总线协议标准为业界通用总线标准之 一， 很多单片机等微处理器都集成了该总线接口， 因此易于设备集成和级联。
由此， 本装置通过提供用户编程接口， 用户可以对数模转换模块进行自定义在线 编程， 实现增益的控制与更改、 与客户设备的灵活级联 ( 接入上游主控设备 )， 从而组成完 备的自动增益控制环路， 具有极大的自由度和扩展空间。
本发明提供 PC 界面输入和用户编程输入两种模式， 为用户立即使用和再开发带 来极大便利。
接下来， 结合图 1 和图 2， 具体描述本发明的 PC 界面输入模式下的工作步骤流程 ：
步骤 S1， 将电源输入模块 6 中交流适配器 61 接入交流电， 通过后续电源接插件 62 和开关 63 实现电力输入。同时模拟信号输入接口模块 7 中同轴电缆输入接插件 71、 72 接 入信号， 串口电缆连接 PC， 本装置开始工作。微处理器模块 3 从片上存储器读取固化程序， 完成配置， 等待数据接收。
步骤 S2， 运行 PC 上的 PC 用户控制模块 1， 用户输入各通道增益水平。PC 用户控制 模块 1 获取增益水平后， 按照相应算法进行后台的数字控制信号计算， 并按照定义的协议
格式和 RS232 标准发送用户控制命令。
步骤 S3， 通过串口协议接口模块 2， 微处理器模块 3 接收 PC 发出的用户控制命令， 并按照定义的协议格式解析用户命令得到所需的数字控制信号， 最后按照数模转换模块 4 的数字输入总线 SPI 标准发送控制命令。
步骤 S4， 数模转换模块 4 接收 SPI 数字总线的信号并进行数模转换， 输出对应的模 拟控制电压给后续的压控增益模块 5。
步骤 S5， 压控增益模块 5 在模拟控制电压的直接控制下同时实现两路信号以用户 指定的增益水平输出。两路信号输出经过模拟信号输出接口模块 8 输出给下游设备。
接下来， 结合图 1 和图 3， 具体描述本发明的用户编程模式下的工作步骤流程 ：
步骤 G1， 将电源输入模块 6 中交流适配器 61 接入交流电， 通过后续电源接插件 62 和开关 63 实现电力输入。同时模拟信号输入接口模块 7 中同轴电缆输入接插件 71、 72 接 入信号， 本装置开始工作。微处理器模块 3 从片上存储器读取固化程序， 完成配置， 等待数 据接收。
步骤 G2， 用户编程接口模块 9 中接插件接入用户上游设备， 用户上游设备可按照 SPI 协议标准和数模转换模块 4 的输入数据格式， 通过该接口对数模转换模块 4 编程， 得到 对应的数字控制信号进而实现理想的增益控制。 步骤 G3， 数模转换模块 4 接收 SPI 数字总线信号并进行数模转换， 输出对应的模拟 控制电压给后续的压控增益模块 5。
步骤 G4， 压控增益模块 5 在模拟控制电压的直接控制下同时实现两路信号以用户 指定的增益水平输出。两路信号输出经过模拟信号输出接口模块 8 输出给下游设备。
无论在用户编程模式和 PC 界面输入模式下， 本发明均可实现两路模拟信号灵活 增益调整。 PC 界面输入模式给用户一个良好的界面， 方便用户实现增益输入， 具有较强的可 视性与易操作性。在用户编程模式下， 用户可以根据自身设备特点， 编写增益控制模块， 结 合本发明， 本发明可作为自动增益控制环路的关键部件， 与用户设备进行级联， 实现自动增 益控制功能。
显然， 本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精 神和范围。这样， 倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围 之内， 则本发明也意图包含这些改动和变型在内。