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[摘 要]本文首先阐述了ALC环路的基本工作原理，然后在对比分析了前馈式ALC环路相对于普通ALC环路的优点基础上，给出了AV31型合成信号发生器中前馈式ALC环路的具体应用方法。最后以1431为例，对ALC环路的维修思路进行了简要说明。
[关键词]ALC 调制器 检波器 对数放大 积分器 指数放大
中图分类号：R58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0317-02
一、引言
信号发生器是现代通信及雷达设备测试中不可缺少的一种基础测试仪器。随着电子技术和计算机技术的不断进步，各种设备对信号发生器的要求变得越来越专业化，尤其是用户对功率控制的要求也越来越高。自动电平控制（Automatic Level Control，以下简称ALC）系统是现代信号发生器中使用的两类负反馈系统之一（另一类是频率/相位负反馈系统），是实现信号发生器的功率准确度、功率平坦度、功率分辨率以及幅度调制指标的关键。可以说，ALC系统的性能直接决定了信号发生器功率特性指标的高低。
二、ALC环的基本原理
信号源功率控制的目的是为得到理想功率，从自动控制理论的观点来分，有开环控制和闭环控制两大类。一般开环控制指的是直接对信号源的输出进行放大或衰减，来得到预期的功率，由于没有反馈校准环节，它的功率稳定性比较差，难以实现高性能功率控制和幅度调制，一般微波信号源中使用较少。在微波信号源中广泛采用的是利用反馈控制的闭环功率控制系统，即通常所说的ALC系统（ALC是自动电平控制Auto Level control的缩写）。该系统通过将输出功率的一部分反馈回来和由CPU控制的稳定参考比较，利用所得误差对信号源输出功率进行控制，实现最终功率输出。目前无论微波信号源的功率控制技术有多复杂，大多是基于这种理论的。从电平控制系統发展的角度，信号源中电平控制系统的类型可以分为简单电平控制系统、基本ALC系统、前馈式ALC系统。
1、简单电平控制系统
简单的电平控制系统如图1所示。
它通过可变增益模块满足了输出信号电平连续可变的要求。后面加入步进衰减器可以扩展信号输出功率范围。该方案简单易行，但由于没有反馈校准环节，它的功率稳定性比较差，难以实现高性能幅度调制，只能用于点频信号或者其他使用载波功率恒定的调制格式（比如频率调制）的信号。
2、基本ALC系统
基本ALC系统在上图所示方案基础上引入了电平负反馈环路，如下图所示。
射频驱动信号先通过一个线性调制器再到输出放大器。二极管检波器、误差放大器和线性调制器构成功率负反馈环路。二极管检波器的输出与输出放大器的输出信号的电平成比例，它与参考电平的误差信号经过误差放大器后控制线性调制器修正输出信号的电平。ALC的伺服作用保证线性调制器的驱动电压和输出放大器的增益变化时不会影响射频输出端的功率电平。
这种类型的ALC系统对调制性能有三个主要限制。第一，调幅动态范围（深度）受限于电平检波器和相关电路，通常它远远低于线性调制器的功率可变范围。第二，调幅带宽受限于ALC系统的迟滞特性。第三，由于ALC系统的伺服作用，脉冲调制器必须放在ALC环路外面，无法保证脉冲调制时的功率电平准确度。
三、前馈式ALC系统
根据前边介绍，可以了解了普通的ALC系统的构成和设计原理，但是随着信号源实际应用的不断扩展，我们逐渐发现了普通的ALC系统的一些限制，其中主要限制有四个方面：第一，稳幅滞后于电平控制信号的变化；第二，ALC环路带宽限制其调幅带宽；第三，受检波器检波灵敏度限制，调幅动态范围也不可能大；第四，由于ALC系统的伺服作用脉冲调制功能的实现，必须使ALC环的开环、闭环状态和脉冲开关一致，否则就会引起混乱。因此脉冲调制器必须放在ALC环路外面，无法保证脉冲调制时的功率电平准确度。因此我们便引入了前馈式ALC系统。
前馈式ALC系统如图3所示。
电平控制信号首先加到线性衰减器上，同时，延迟电路使电平控制信号和受控射频电平的检波信号的变化同步到达采样保持积分器前的求和电路，其微小差值再通过积分负反馈电路进一步修正射频功率电平。
这样，当调幅深度超出ALC系统控制的功率范围或者调制信号速率超出ALC带宽时，由前馈信号控制线性调制器随之变化，从而解决了ALC系统对调幅性能的限制。另外，积分器的取样保持开关与脉冲调制信号同步动作，实现了载波脉冲断续情况下稳幅的连续性，从而保证了脉冲调制状态下载波的电平准确度。如今，这种先进的前馈式ALC系统在现代高性能微波信号源中得到了推广应用。
四、基于前馈式ALC环路设计在AV1431中的应用
在1431，输出功率电平控制采用前馈式ALC系统来实现。耦合器从信号输出通路的输出端按一定比例提取输出功率电平，经检波器转化成对应的直流电压信号，送回电路調整环路。经过双斜率对数放大后与预置功率电平信号、调幅信号等求和、积分，误差输出信号驱动功率调制器改变衰减量，从而调整源模块的输出功率直至积分输入为零，积分器达到稳定状态，则源模块输出功率稳定于预置电平。
功率调制器是一种电调衰减器，由PIN二极管为可变电阻的衰减电阻网络构成。可以看出，在其它补偿信号确定的前提下，只要预先测出检波组件的功分比、频响及检波器的检波灵敏度和频响以及温度特性，理论上可以计算出所有频率、功率输出状态下所需的预置电压值。在本项目中，要求电调衰减器的调谐范围至少30dB，可控输出功率范围为-15～+15dBm，这样才能保证经过定向耦合器和程控衰减器到达输出端口的功率在-110～+7dBm，并有一定的余量。
功率预置电压是ALC环路最重要的补偿信号，用来设定ALC环的功率参考电压，从而决定最终输出功率大小；补偿电压按照频段划分，对应不同频段使用不同的电压值，每个频段开始置一次数；D/A转换器的参考电压来自于温度补偿电路中精密摄氏温度传感器的电压输出。所以预置电压的大小将随机箱温度而变化，实现不同温度下预置电压的微调，使输出功率保持稳定。这样使自动稳幅（ALC）环路同时对检波信号和参考信号完成了温度补偿。 调幅也是在ALC系统中实现的，简单的调幅只需把调制信号按比例叠加到参考电压当中去，在ALC系统的响应速度之内，参考电平的起伏自然导致输出电平的调制。考虑到系统的稳定性，应对ALC系统的响应速度适当加以控制。脉冲调制是一种特殊的幅度调制，要求脉冲开放期间输出电平可知，脉冲关闭期间输出电平越低越好，两种状态的切换要快但不能造成脉冲开放期间的电平不稳定。同线性调制器相比，脉冲调制器要求插损小、衰减量大、过渡区窄。把脉冲调制器放在ALC系统之后，可以簡单的实现脉冲调制功能，但是不容易实现输出电平的精确控制，为此，本项目将脉冲调制器装在ALC系统内部，同时为了避免关脉冲期间ALC系统发生错误动作，在检波放大器之后插入取样保持电路：开脉冲期间电路直通，系统自动稳幅；关脉冲期间脉冲调制器关断检波信号电平，同时保持电路工作，在线性调制器上维持开脉冲期间的驱动信号，以保证下次开脉冲时有良好的稳幅起始电平。
为了保证ALC系统的性能和稳定，还需要设置一些调理电路。当温度变化时，检波器检波电压会有一定的漂移，这时可以通过随温度调整对数放大器的偏置电流进行补偿；当载波频率变化时，由于定向耦合器、检波器等部件存在或大或小的频响，导致输出信号的功率平坦度很差，这时可以通过随频率调整参考电平信号进行补偿。检波范围比较器用于在参考电平信号超出ALC系统控制的功率范围时断开ALC环路。脉冲调制信号除了控制脉冲调制器的开关外，同时控制积分器处于积分或者保持状态，当调制信号为高电平时，调制器处导通，环路积分器正常积分，实现输出电平稳幅；当调制信号处于低电平时，调制器关断信号，同时断开环路，积分器保持积分电压，等下一次高电平是环路只需要在此基础上作微小修正即可。这就实现了载波脉冲断续情况下稳幅的连续性，从而保证了脉冲调制状态下载波的电平准确度。
五、AV1431中ALC环路的故障分析
ALC环路有问题，主要是整机功率输出不正常，整机显示不稳幅告警信息，不稳幅分为高不稳幅和低不稳幅两种。
高不稳幅（信号发生器告警“不稳幅”）：当检波电压所反映的实际输出功率小于设置功率值，参考和经对数放大后的检波电压求差为负数，环路误差积分电压积到正极限，使整机功率过高。 失锁判断电路将指示信号发生器高不稳幅。在我们调试时由于高波段和射频波段调制器不同，故障分析分为3.2G以上和以下两个部分。当整机频率大于3.2GHz出现不稳幅故障提示时，也就说当前输出功率偏小或者干脆无功率输出时，将ALC板输出到射频扩展组件的电缆断开，如果功率能够输出最大功率，说明为ALC板问题；如果功率没有改变，故障一般可以判断为微波通路问题。
频率小于3.2GHz 出现不稳幅故障时，需要将数字下变频到定向耦合器的半刚电缆断开来检查是ALC板问题还是微波组件问题。从经验来讲，一般高端频率稳幅在此时没有问题，可间接证明ALC板是没有问题，问题应该出在数字下变频或者检波器上。
低不稳幅：当检波电压所反映的实际输出功率大于设置功率值，参考和经对数放大后的检波电压求差为正数，环路误差积分电压积到负极限，使得整机功率过低。失锁判断电路将指示信号发生器低不稳幅。说明功率输出过高时，我们可以对调制电压（在ALC板的测试点TP11在處）进行测量，一般电压应该在5V左右，如果随着功率的改变其电压值也会做相应的变化，可说明ALC板工作正常，问题出在微波器件上。否则问题便出在ALC板上。
通过以上故障诊断，基本可以判断故障是由微波器件引起还是由ALC板引起。若是由微波器件引起，可以按照振荡器、分频板、射频扩展组件（高波段）、定向耦合器检波器（高波段）、数字下变频（低波段）、定向耦合器检波器（低波段）的次序根据表1依次检查，表1为主要微波件功率测试值：若是由ALC板引起，则按照下面的方法检查定位. 利用ALC开环功能，将环路一分为二，分别进行功率不稳幅的故障排查（表1）。
六、结束语
以上通过对AV1431信号发生器中的自动电平控制系统进行了简单的分析，我们可以看到前馈式ALC的优点。ALC环路方案中提供多路自测试选择通路，可以实现整机的自检测自校准能力，ALC环路中的各个模块的关键电压位置均引出自测试点，用于环路状态监测和状态自测试，我们结合所内生产的各类信号源对ALC的原理和发展变化及维修思路进行了一定的分析与说明。但是要想深入的理解应用和改善ALC环路还需要我们不停地学习与实践。
参考文献
[1] 《AV1431用户手册》.中电第四十一研究所.
[2] 《现在通信测量仪器》.夏征难，郭诠水，钟希铭，编著.
作者简介
孟勇萍（1983-），女，山东青岛人，汉，专科，山东省青岛市第四十一研究所助理工程师，主要从事生产调试。
[关键词]ALC 调制器 检波器 对数放大 积分器 指数放大
中图分类号：R58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0317-02
一、引言
信号发生器是现代通信及雷达设备测试中不可缺少的一种基础测试仪器。随着电子技术和计算机技术的不断进步，各种设备对信号发生器的要求变得越来越专业化，尤其是用户对功率控制的要求也越来越高。自动电平控制（Automatic Level Control，以下简称ALC）系统是现代信号发生器中使用的两类负反馈系统之一（另一类是频率/相位负反馈系统），是实现信号发生器的功率准确度、功率平坦度、功率分辨率以及幅度调制指标的关键。可以说，ALC系统的性能直接决定了信号发生器功率特性指标的高低。
二、ALC环的基本原理
信号源功率控制的目的是为得到理想功率，从自动控制理论的观点来分，有开环控制和闭环控制两大类。一般开环控制指的是直接对信号源的输出进行放大或衰减，来得到预期的功率，由于没有反馈校准环节，它的功率稳定性比较差，难以实现高性能功率控制和幅度调制，一般微波信号源中使用较少。在微波信号源中广泛采用的是利用反馈控制的闭环功率控制系统，即通常所说的ALC系统（ALC是自动电平控制Auto Level control的缩写）。该系统通过将输出功率的一部分反馈回来和由CPU控制的稳定参考比较，利用所得误差对信号源输出功率进行控制，实现最终功率输出。目前无论微波信号源的功率控制技术有多复杂，大多是基于这种理论的。从电平控制系統发展的角度，信号源中电平控制系统的类型可以分为简单电平控制系统、基本ALC系统、前馈式ALC系统。
1、简单电平控制系统
简单的电平控制系统如图1所示。
它通过可变增益模块满足了输出信号电平连续可变的要求。后面加入步进衰减器可以扩展信号输出功率范围。该方案简单易行，但由于没有反馈校准环节，它的功率稳定性比较差，难以实现高性能幅度调制，只能用于点频信号或者其他使用载波功率恒定的调制格式（比如频率调制）的信号。
2、基本ALC系统
基本ALC系统在上图所示方案基础上引入了电平负反馈环路，如下图所示。
射频驱动信号先通过一个线性调制器再到输出放大器。二极管检波器、误差放大器和线性调制器构成功率负反馈环路。二极管检波器的输出与输出放大器的输出信号的电平成比例，它与参考电平的误差信号经过误差放大器后控制线性调制器修正输出信号的电平。ALC的伺服作用保证线性调制器的驱动电压和输出放大器的增益变化时不会影响射频输出端的功率电平。
这种类型的ALC系统对调制性能有三个主要限制。第一，调幅动态范围（深度）受限于电平检波器和相关电路，通常它远远低于线性调制器的功率可变范围。第二，调幅带宽受限于ALC系统的迟滞特性。第三，由于ALC系统的伺服作用，脉冲调制器必须放在ALC环路外面，无法保证脉冲调制时的功率电平准确度。
三、前馈式ALC系统
根据前边介绍，可以了解了普通的ALC系统的构成和设计原理，但是随着信号源实际应用的不断扩展，我们逐渐发现了普通的ALC系统的一些限制，其中主要限制有四个方面：第一，稳幅滞后于电平控制信号的变化；第二，ALC环路带宽限制其调幅带宽；第三，受检波器检波灵敏度限制，调幅动态范围也不可能大；第四，由于ALC系统的伺服作用脉冲调制功能的实现，必须使ALC环的开环、闭环状态和脉冲开关一致，否则就会引起混乱。因此脉冲调制器必须放在ALC环路外面，无法保证脉冲调制时的功率电平准确度。因此我们便引入了前馈式ALC系统。
前馈式ALC系统如图3所示。
电平控制信号首先加到线性衰减器上，同时，延迟电路使电平控制信号和受控射频电平的检波信号的变化同步到达采样保持积分器前的求和电路，其微小差值再通过积分负反馈电路进一步修正射频功率电平。
这样，当调幅深度超出ALC系统控制的功率范围或者调制信号速率超出ALC带宽时，由前馈信号控制线性调制器随之变化，从而解决了ALC系统对调幅性能的限制。另外，积分器的取样保持开关与脉冲调制信号同步动作，实现了载波脉冲断续情况下稳幅的连续性，从而保证了脉冲调制状态下载波的电平准确度。如今，这种先进的前馈式ALC系统在现代高性能微波信号源中得到了推广应用。
四、基于前馈式ALC环路设计在AV1431中的应用
在1431，输出功率电平控制采用前馈式ALC系统来实现。耦合器从信号输出通路的输出端按一定比例提取输出功率电平，经检波器转化成对应的直流电压信号，送回电路調整环路。经过双斜率对数放大后与预置功率电平信号、调幅信号等求和、积分，误差输出信号驱动功率调制器改变衰减量，从而调整源模块的输出功率直至积分输入为零，积分器达到稳定状态，则源模块输出功率稳定于预置电平。
功率调制器是一种电调衰减器，由PIN二极管为可变电阻的衰减电阻网络构成。可以看出，在其它补偿信号确定的前提下，只要预先测出检波组件的功分比、频响及检波器的检波灵敏度和频响以及温度特性，理论上可以计算出所有频率、功率输出状态下所需的预置电压值。在本项目中，要求电调衰减器的调谐范围至少30dB，可控输出功率范围为-15～+15dBm，这样才能保证经过定向耦合器和程控衰减器到达输出端口的功率在-110～+7dBm，并有一定的余量。
功率预置电压是ALC环路最重要的补偿信号，用来设定ALC环的功率参考电压，从而决定最终输出功率大小；补偿电压按照频段划分，对应不同频段使用不同的电压值，每个频段开始置一次数；D/A转换器的参考电压来自于温度补偿电路中精密摄氏温度传感器的电压输出。所以预置电压的大小将随机箱温度而变化，实现不同温度下预置电压的微调，使输出功率保持稳定。这样使自动稳幅（ALC）环路同时对检波信号和参考信号完成了温度补偿。 调幅也是在ALC系统中实现的，简单的调幅只需把调制信号按比例叠加到参考电压当中去，在ALC系统的响应速度之内，参考电平的起伏自然导致输出电平的调制。考虑到系统的稳定性，应对ALC系统的响应速度适当加以控制。脉冲调制是一种特殊的幅度调制，要求脉冲开放期间输出电平可知，脉冲关闭期间输出电平越低越好，两种状态的切换要快但不能造成脉冲开放期间的电平不稳定。同线性调制器相比，脉冲调制器要求插损小、衰减量大、过渡区窄。把脉冲调制器放在ALC系统之后，可以簡单的实现脉冲调制功能，但是不容易实现输出电平的精确控制，为此，本项目将脉冲调制器装在ALC系统内部，同时为了避免关脉冲期间ALC系统发生错误动作，在检波放大器之后插入取样保持电路：开脉冲期间电路直通，系统自动稳幅；关脉冲期间脉冲调制器关断检波信号电平，同时保持电路工作，在线性调制器上维持开脉冲期间的驱动信号，以保证下次开脉冲时有良好的稳幅起始电平。
为了保证ALC系统的性能和稳定，还需要设置一些调理电路。当温度变化时，检波器检波电压会有一定的漂移，这时可以通过随温度调整对数放大器的偏置电流进行补偿；当载波频率变化时，由于定向耦合器、检波器等部件存在或大或小的频响，导致输出信号的功率平坦度很差，这时可以通过随频率调整参考电平信号进行补偿。检波范围比较器用于在参考电平信号超出ALC系统控制的功率范围时断开ALC环路。脉冲调制信号除了控制脉冲调制器的开关外，同时控制积分器处于积分或者保持状态，当调制信号为高电平时，调制器处导通，环路积分器正常积分，实现输出电平稳幅；当调制信号处于低电平时，调制器关断信号，同时断开环路，积分器保持积分电压，等下一次高电平是环路只需要在此基础上作微小修正即可。这就实现了载波脉冲断续情况下稳幅的连续性，从而保证了脉冲调制状态下载波的电平准确度。
五、AV1431中ALC环路的故障分析
ALC环路有问题，主要是整机功率输出不正常，整机显示不稳幅告警信息，不稳幅分为高不稳幅和低不稳幅两种。
高不稳幅（信号发生器告警“不稳幅”）：当检波电压所反映的实际输出功率小于设置功率值，参考和经对数放大后的检波电压求差为负数，环路误差积分电压积到正极限，使整机功率过高。 失锁判断电路将指示信号发生器高不稳幅。在我们调试时由于高波段和射频波段调制器不同，故障分析分为3.2G以上和以下两个部分。当整机频率大于3.2GHz出现不稳幅故障提示时，也就说当前输出功率偏小或者干脆无功率输出时，将ALC板输出到射频扩展组件的电缆断开，如果功率能够输出最大功率，说明为ALC板问题；如果功率没有改变，故障一般可以判断为微波通路问题。
频率小于3.2GHz 出现不稳幅故障时，需要将数字下变频到定向耦合器的半刚电缆断开来检查是ALC板问题还是微波组件问题。从经验来讲，一般高端频率稳幅在此时没有问题，可间接证明ALC板是没有问题，问题应该出在数字下变频或者检波器上。
低不稳幅：当检波电压所反映的实际输出功率大于设置功率值，参考和经对数放大后的检波电压求差为正数，环路误差积分电压积到负极限，使得整机功率过低。失锁判断电路将指示信号发生器低不稳幅。说明功率输出过高时，我们可以对调制电压（在ALC板的测试点TP11在處）进行测量，一般电压应该在5V左右，如果随着功率的改变其电压值也会做相应的变化，可说明ALC板工作正常，问题出在微波器件上。否则问题便出在ALC板上。
通过以上故障诊断，基本可以判断故障是由微波器件引起还是由ALC板引起。若是由微波器件引起，可以按照振荡器、分频板、射频扩展组件（高波段）、定向耦合器检波器（高波段）、数字下变频（低波段）、定向耦合器检波器（低波段）的次序根据表1依次检查，表1为主要微波件功率测试值：若是由ALC板引起，则按照下面的方法检查定位. 利用ALC开环功能，将环路一分为二，分别进行功率不稳幅的故障排查（表1）。
六、结束语
以上通过对AV1431信号发生器中的自动电平控制系统进行了简单的分析，我们可以看到前馈式ALC的优点。ALC环路方案中提供多路自测试选择通路，可以实现整机的自检测自校准能力，ALC环路中的各个模块的关键电压位置均引出自测试点，用于环路状态监测和状态自测试，我们结合所内生产的各类信号源对ALC的原理和发展变化及维修思路进行了一定的分析与说明。但是要想深入的理解应用和改善ALC环路还需要我们不停地学习与实践。
参考文献
[1] 《AV1431用户手册》.中电第四十一研究所.
[2] 《现在通信测量仪器》.夏征难，郭诠水，钟希铭，编著.
作者简介
孟勇萍（1983-），女，山东青岛人，汉，专科，山东省青岛市第四十一研究所助理工程师，主要从事生产调试。