文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)11-0023-03
摘 要: 本套加速器高頻低電平系統(tǒng)(LLRF)是中國ADS注入器II高頻系統(tǒng)的原型機,其工作頻率為162.5 MHz,以實現(xiàn)超導(dǎo)加速腔的幅度與相位穩(wěn)定控制和諧振頻率調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)主要由射頻前端和數(shù)字信號處理FPGA兩部分組成。射頻前端主要實現(xiàn)高頻信號的上下變頻和電平匹配;數(shù)字信號處理FPGA是系統(tǒng)的核心,主要完成射頻信號幅值與相位的數(shù)字穩(wěn)定控制,超導(dǎo)腔諧振頻率控制,以及1 000 M以太網(wǎng)通信。在實驗室環(huán)境下,對該系統(tǒng)進行了幅度和相位穩(wěn)定度測試,相位穩(wěn)定度峰峰值為±0.3°,有效值為0.09°,幅值相對穩(wěn)定度峰峰值為±5×10-3,有效值為3.2×10-3,達到了設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞: 低電平系統(tǒng);FPGA;正交解調(diào);控制算法;閉環(huán)控制
0 引言
高頻低電平系統(tǒng)(LLRF)是加速器高頻系統(tǒng)的一個重要組成部分。C-ADS注入器II超導(dǎo)直線超導(dǎo)腔為半波長諧振(HWR)腔,其工作頻率為162.5 MHz;有載Q在超導(dǎo)條件下約為1×106。運行時要求相位穩(wěn)定度小于±0.7°,腔壓幅值穩(wěn)定度小于±6×10-3,頻率失諧角度小于±0.6°。針對超導(dǎo)腔高有載Q值,低帶寬(約200 Hz)的特點,本文介紹了一種基于高性能FPGA的全數(shù)字高頻LLRF原型機的算法實現(xiàn)與測試。
該LLRF系統(tǒng)的FPGA平臺,主要實現(xiàn)高頻信號的數(shù)字鑒相與解幅、數(shù)字I/Q解調(diào)、數(shù)字PI、CIC平滑與濾波、數(shù)字幅度調(diào)制、數(shù)字NCO、幅相穩(wěn)定控制環(huán)路、頻率控制環(huán)路以及1 000 M以太網(wǎng)通信。由于低溫系統(tǒng)未完善,只在常溫條件下進行測試。LLRF的12小時測試結(jié)果為相位穩(wěn)定度峰峰值為±0.3°,幅值穩(wěn)定度峰峰值為±5×10-3,達到設(shè)計要求。本文主要介紹該全數(shù)字LLRF采用的核心算法。
1 LLRF的整體結(jié)構(gòu)
數(shù)字LLRF系統(tǒng)主要由射頻前端、時鐘系統(tǒng)、信號處理FPGA、網(wǎng)絡(luò)通信和上位機監(jiān)控五部分構(gòu)成,其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。射頻前端主要完成射頻信號的上下變頻和電平匹配;時鐘系統(tǒng)主要完成時鐘與射頻信號的鎖相與時鐘分配;信號處理FPGA主要完成LLRF的核心算法與網(wǎng)絡(luò)通信終端算法實現(xiàn);上位機監(jiān)控完成實現(xiàn)LLRF參數(shù)調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。
2 數(shù)字LLRF核心算法的FPGA實現(xiàn)
2.1 IQ正交解調(diào)
在軟件無線電中,IQ的數(shù)字解調(diào)有多種方式,如零中頻解調(diào)、RLC濾波解調(diào)[1-2]、多通道CIC濾波解調(diào)等方式[3],該LLRF系統(tǒng)采用了IQ正交解調(diào)。當(dāng)ADC采樣時鐘頻率和中頻IF頻率滿足式如下關(guān)系:
其中,fS為ADC采樣時鐘頻率,fIF為中頻信號IF的頻率,n為整數(shù);該LLRF采用了n=0時的4倍頻采樣,則IF中頻信號的ADC離散序列為:
如圖2所示的Q、I、-Q、-I……的離散序列(其采樣值分別為X0,X1,X2,X3),在FPGA中只需很少的存儲器單元和時序控制就能完成Q和I信號的正交解調(diào)。此外這種方法具有信號直流濾波與抑制作用,其伯特圖如圖3所示。
2.2 CIC平滑濾波
LLRF系統(tǒng)中時鐘抖動、電源噪聲、RF諧波等都會影響ADC的信噪比和采樣精度[4-5]。FPGA解調(diào)出的數(shù)字I/Q會出現(xiàn)一些奇異值,將直接影響LLRF 的性能。系統(tǒng)對廣泛應(yīng)用的抽樣與插值CIC濾波器進行了改進,采用單級抽樣平滑的CIC濾波,用以完成I/Q兩路信號的平滑與濾波,其平滑濾波結(jié)果如圖4所示。
2.3 數(shù)字鑒相與解幅
為了獲取超導(dǎo)腔的RF信號的實時幅值和相位,以及腔體失諧角度,在LLRF系統(tǒng)中采用了基于FPGA的改進CORDIC算法來實現(xiàn)RF信號的鑒相與解幅。改進CORDIC算法結(jié)構(gòu)如圖5所示。為盡量減少CORDIC的無效旋轉(zhuǎn)和結(jié)果精度,首先對I/Q信號進行象限的轉(zhuǎn)換,并將其換到π/4內(nèi)的I/Q值;變換處理后進行21位CORDIC角度旋轉(zhuǎn),最后對輸出的幅值進行旋轉(zhuǎn)補償和角度的象限對應(yīng)轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)122.88 MHz時鐘信號下,18個時鐘周期就能完成一次角度和幅值的更新,其鑒相精度能達到0.005°。
2.4 數(shù)字環(huán)路算法
數(shù)字環(huán)路是LLRF的核心算法,主要分為3個數(shù)字穩(wěn)定控制環(huán)路即頻率控制環(huán)路、腔壓環(huán)路和相位環(huán)路。FPGA通過ADC采集超導(dǎo)腔的入射信號、反射信號、腔壓取樣信號和參考信號,并對這4路信號進行I/Q解調(diào)和CIC平滑濾波。然后對入射和反射信號的I/Q分別進行CORDIC鑒相,并對其相位進行求差,以判斷腔的失諧情況,再通過PI算法和調(diào)諧電機的控制策略,產(chǎn)生超導(dǎo)腔調(diào)諧電機所需要的脈沖、方向和電機使能控制信號,完成對超導(dǎo)腔失諧的調(diào)節(jié)控制。與此同時,對腔壓信號的I/Q進行鑒相與解幅,并將幅值信號與設(shè)定值進行比較,經(jīng)幅值PI控制環(huán)路,產(chǎn)生數(shù)字NCO的幅值調(diào)制輸入;把腔壓信號的相位與參考相位以及設(shè)定相位進行比較,經(jīng)數(shù)字相位PI控制環(huán)路,產(chǎn)生數(shù)字NCO的相位調(diào)制輸入,最后完成對LLRF輸出射頻頻信號的數(shù)字幅值與相位調(diào)制,實現(xiàn)超導(dǎo)腔電壓的幅值與相位的調(diào)節(jié)與穩(wěn)定控制[6],具體的環(huán)路控制如圖6所示。
3 系統(tǒng)測試
由于低溫系統(tǒng)的限制,LLRF控制系統(tǒng)只在實驗室環(huán)境下進行了幅度和相位穩(wěn)定度測試。由于是常溫,腔的有載Q值不同,需要對腔的環(huán)路控制參數(shù)進行修改,才能實現(xiàn)幅值與相位控制環(huán)路的閉環(huán)測試。測試系統(tǒng)中采用模型銅腔和1 000 W的寬帶放大器以及步進電機來模擬高頻系統(tǒng),系統(tǒng)幅值和相位的測試結(jié)果如圖7所示。
4 結(jié)論
在實驗室環(huán)境下,對LLRF進行了12小時的連續(xù)測試,其相位穩(wěn)定度峰峰值為±0.3°,有效值為0.09°;幅值相對穩(wěn)定度峰峰值為±5×10-3,有效值為3.2×10-3,閉環(huán)噪聲的抑制能力大于60 dB,整體滿足LLRF的穩(wěn)定度指標(biāo)要求。后續(xù)將繼續(xù)對原型機LLRF進行算法優(yōu)化,盡量減小在FPGA中的算法延時,提高環(huán)路穩(wěn)定性能,以及提高系統(tǒng)的集成度,優(yōu)化控制模型,以適應(yīng)超導(dǎo)腔的實際運行環(huán)境。
參考文獻
[1] Qiu Feng,Gao Jie,Lin Haiying,et al.A new IQ detection method for LLRF[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A,2012,675(5):139-143.
[2] Altera CIC Mega Core Function User Guide V9.1[Z].2012.
[3] KUNDERT K.Predicting the phase noise and jitter of PLL-based frequency synthesizers[Z].Designer′s Guide Consulting,Inc.2006.
[4] GARDNER F M.Phaselock techniques[M].Second Edition.John Wiley & Sons,1979.
[5] MA J,LI M,MARLETT M.A new measurement and analysismethod for a third-order phase looked loop transfer func-tion[C].IEEE International Test Conference,2005:56-65.
[6] Wen Lianghua,He Yuan.R&D of an LLRF control system for a 162.5 MHz radio frequency system[J],Chinese Physics C,2013,37(8):087004.