一種高速跳頻通信系統(tǒng)發(fā)射功率自動控制方法*

陸 陽，趙敏丞

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 引 言

在未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭中，復(fù)雜的電磁環(huán)境及全面的電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)將成為常態(tài)。如何在這樣的環(huán)境中保持通信系統(tǒng)正常工作并減小無線信號被敵方偵測、截獲的幾率，是每一個軍用通信系統(tǒng)必須考慮的問題。當(dāng)前，采用高速跳頻技術(shù)和精確控制發(fā)射功率成為一種行之有效的手段。受制于現(xiàn)有元器件和電路加工工藝，功放電路的增益及輸出功率存在明顯的個體差異，且隨工作溫度、工作頻率的改變而發(fā)生改變。在跳頻工作模式下，功放輸出功率的最大值和最小值有時會相差3 dB甚至更多。當(dāng)最小功率頻點滿足通信距離時，最大功率頻點往往已經(jīng)被敵人探測到。除了電子戰(zhàn)方面的優(yōu)勢外，更高的發(fā)射功率平坦度會為接收方提供更好的接收條件，降低對接收機(jī)接收動態(tài)范圍、自動增益控制的要求。因此，在射頻領(lǐng)域，工程師們一直致力于提高大功率功放電路在全工作溫度范圍和全工作頻段內(nèi)的輸出平坦度，特別是希望減小高速跳頻發(fā)射時的功率波動，但結(jié)果往往并不理想。本文將從另一個角度，即數(shù)字自動控制的角度闡述一個全新的方法。

1 數(shù)控調(diào)節(jié)功放輸出功率的方法

目前，現(xiàn)役的軍用通信系統(tǒng)大部分不具有輸出功率調(diào)節(jié)能力，或僅能夠設(shè)置大小功率模式，無法進(jìn)行精細(xì)化調(diào)節(jié)。部分新研或在研裝備特別是綜合化通信裝備，正嘗試以數(shù)控方式進(jìn)行輸出功率調(diào)節(jié)。目前，常用的方式主要分為兩種。

一是通過程控衰減器對前級激勵信號進(jìn)行衰減，從而間接減小末級輸出功率。這種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點是原理簡單、易于操作，缺點是受限于數(shù)控衰減器的控制精度和切換時間，無法進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)和精確調(diào)節(jié)，特別是無法對射頻脈沖信號進(jìn)行幅度調(diào)制。

二是通過軟件算法產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器件（DAC）將數(shù)字調(diào)制信號轉(zhuǎn)化為模擬幅度調(diào)制信號。之后，通過電壓和電流放大并輸入功放電路，以此連續(xù)調(diào)制射頻信號的幅度。

外軍最新的機(jī)載通信導(dǎo)航識別系統(tǒng)[1]采用綜合化設(shè)計，集成了航管應(yīng)答機(jī)（ATC）[2]、敵我識別系統(tǒng)[3]、精密測距設(shè)備（DME/P）[4]、塔康（TACAN）[5-6]和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（JTIDS）[7]等功能。各功能共用一臺功放，需要針對各功能調(diào)節(jié)不同的發(fā)射功率，尤其是DME/P及TACAN功能，需要對射頻脈沖信號進(jìn)行幅度調(diào)制。實踐中采用軟件算法產(chǎn)生數(shù)字調(diào)制信號，經(jīng)DAC產(chǎn)生0～3.3 V的調(diào)制信號，再通過多級三極管進(jìn)行電壓放大及一級NMOS器件完成調(diào)制信號電流放大。功放電路采用Si LDMOS器件，采取甲乙類漏極調(diào)制工作方式，以調(diào)制信號調(diào)整漏極脈沖電壓，進(jìn)而連續(xù)控制輸出功率，完成DME/P及TACAN信號的幅度調(diào)制。參考電路如圖1所示。

圖1 脈沖調(diào)制功放參考電路

參考電路中，射頻信號由Pi輸入，經(jīng)A1、A2、A3和A4共4級放大后由Po端輸出。其中，A1、A2和A3采用固定增益放大，A4級的放大增益受調(diào)制信號控制。TTL端輸入發(fā)射門控信號，而0～3.3 V端輸入DAC產(chǎn)生的調(diào)制信號。在Po端后，還可以加入固定增益放大電路，以進(jìn)一步提高輸出功率。采用此種調(diào)節(jié)方式，控制精度將完全取決于調(diào)制信號本身能夠達(dá)到的精度。

2 調(diào)制信號產(chǎn)生電路

調(diào)制信號產(chǎn)生電路主要包含處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、功率檢波及采樣電路等，功能框圖如圖2所示。

處理器主要負(fù)責(zé)執(zhí)行相應(yīng)算法對數(shù)字信號進(jìn)行處理，包括調(diào)制信號產(chǎn)生算法、調(diào)制信號的自動修正等。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路主要負(fù)責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬調(diào)制信號。功率檢波及采樣電路負(fù)責(zé)對發(fā)射信號的功率進(jìn)行采樣記錄，成為調(diào)制信號自動修正算法的重要輸入?yún)?shù)。

圖2 調(diào)制信號產(chǎn)生電路原理

在生產(chǎn)過程中，電路由于器件個體差異及加工工藝限制，會出現(xiàn)實際指標(biāo)與設(shè)計值存在一定差異。因此，需要對電路進(jìn)行標(biāo)定，而標(biāo)定結(jié)果將成為使用過程中發(fā)射功率自動控制算法的依據(jù)。在生產(chǎn)調(diào)試過程中的標(biāo)定稱為初始標(biāo)定。初始標(biāo)定過程主要包含功率檢波標(biāo)定和發(fā)射增益標(biāo)定。標(biāo)定過程由上位機(jī)標(biāo)定工具軟件自動執(zhí)行，具體標(biāo)定流程如下：

（1）通過射頻輸入端口向功率放大電路輸入待標(biāo)定頻點功率為標(biāo)準(zhǔn)值的射頻信號，同時通過通信總線將頻點號發(fā)送給處理器；

（2）處理器根據(jù)通信信號脈沖特征，通過DAC連續(xù)輸出正三角波或幅度不同的方波脈沖調(diào)制信號；

（3）處理器通過DAC連續(xù)讀取檢波信號幅度值；

（4）射頻輸出端口連接功率計，實時監(jiān)測輸出功率，并將測試值通過通信總線實時傳遞給處理器；

（5）處理器將工作頻點、工作溫度、DAC輸入值及其對應(yīng)的ADC輸出值、功率計測得的發(fā)射功率記錄，在處理器內(nèi)部非已失存儲器中形成初始標(biāo)定結(jié)果；

（6）如果有必要，可以調(diào)整射頻輸入功率重復(fù)以上流程，并將輸入功率值一并記錄到標(biāo)定結(jié)果；

（7）根據(jù)以上流程，完成所有頻點的標(biāo)定工作。

3 高速跳頻工作時的功率自動修正

3.1 調(diào)制信號生成算法

系統(tǒng)工作時，遵循以下步驟產(chǎn)生調(diào)制信號：

（1）根據(jù)當(dāng)前工作頻率、通信距離、天線增益、對方接收靈敏度、頻譜感知數(shù)據(jù)和氣象條件等多重因素，計算所需要的最低發(fā)射功率，同時留出適當(dāng)余量應(yīng)對水蒸氣損耗、降雨損耗和多徑干擾損耗等不易精確量化計算的功率損失，最終得出所需的發(fā)射功率；

（2）根據(jù)發(fā)射功率和發(fā)射信號的幅度調(diào)制要求，計算所需的射頻信號包絡(luò)曲線；

（3）上位機(jī)通過通信總線提前將未來一段時間使用的跳頻圖樣發(fā)送給處理器。當(dāng)系統(tǒng)采用加密的偽隨機(jī)序列跳頻圖樣時，上位機(jī)提前將加密過的偽隨機(jī)序列生成種子發(fā)送給處理器，然后處理器通過種子計算出跳頻圖樣。以發(fā)射開關(guān)信號作為頻率切換信號，結(jié)合跳頻圖樣確定工作頻點。

（4）根據(jù)工作頻率、工作溫度和射頻信號包絡(luò)曲線，從標(biāo)定數(shù)據(jù)中查找、計算所對應(yīng)的DAC數(shù)據(jù)，并發(fā)送給DAC產(chǎn)生調(diào)制信號；

（5）當(dāng)系統(tǒng)切換至新的工作頻點時，以發(fā)射門控信號為界，處理器重新查找新的DAC數(shù)據(jù)。

通過以上過程，即使功率放大電路在不同工作頻點下的發(fā)射增益特性不同，由于受到不同發(fā)射頻點的調(diào)制脈沖控制，即使高速跳頻仍可以保證不同頻點的發(fā)射功率一致。

3.2 調(diào)制信號的自動修正

在功放電路工作過程中，由于環(huán)境溫度的不斷改變和功放電路自身產(chǎn)生的熱量，功放電路的工作溫度不斷改變。工作溫度的改變會直接影響功放電路的幅頻特性曲線和功放的增益、飽和功率和1 dB壓縮點等參數(shù)。同時，在功放長期使用后，必然會產(chǎn)生老化現(xiàn)象。受匹配電路等的影響，這種老化產(chǎn)生的影響也不盡相同，不能一概而論。因此，功放必須具有自動修正的能力，具體過程如下：

（1）通信系統(tǒng)開始工作時，從存儲器中讀取初始標(biāo)定數(shù)據(jù)放入內(nèi)存中形成當(dāng)前標(biāo)定數(shù)據(jù)。

（2）讀取當(dāng)前功放中功率器件附近的溫度，利用當(dāng)前標(biāo)定數(shù)據(jù)、當(dāng)前溫度以及功放電路的典型溫度特性曲線，對當(dāng)前標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行上電后的第一次修正。如果需要在通信系統(tǒng)開機(jī)時便保證射頻隱身性能，則需要在第一次修正時將發(fā)射功率盡可能調(diào)低。雖然調(diào)低發(fā)射功率有可能會延長后續(xù)自動修正過程所需的時間，但這樣做可以保證不會有功率過高的信號被發(fā)出，從而避免被敵方偵測到。

（3）當(dāng)通信系統(tǒng)開始發(fā)射信號時，處理器可以通過計算偽隨機(jī)序列得到當(dāng)前的工作頻點。從當(dāng)前標(biāo)定數(shù)據(jù)中讀取調(diào)制信號數(shù)據(jù)，并通過DAC產(chǎn)生模擬調(diào)制信號，同時通過ADC獲得當(dāng)前功率檢波數(shù)據(jù)。

（4）通過比較當(dāng)前功率檢波數(shù)據(jù)與初始標(biāo)定數(shù)據(jù)中理想功率下的檢波數(shù)據(jù)，可以得知當(dāng)前調(diào)制數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。當(dāng)一段時間內(nèi)同一頻點ADC數(shù)據(jù)平均值大于初始標(biāo)定數(shù)據(jù)中的理想值時，減小調(diào)制信號數(shù)據(jù)；反之，則增大調(diào)制信號數(shù)據(jù)。

功放的工作溫度變化和功放老化是一個相對緩慢的過程，而高速跳頻系統(tǒng)頻率切換速率往往為每秒數(shù)萬跳且為偽隨機(jī)序列。功放持續(xù)工作過程中，可通過實時維護(hù)功放各頻點調(diào)制數(shù)據(jù)，使發(fā)射信號功率保持在理想狀態(tài)。

4 某型通信系統(tǒng)功放驗證數(shù)據(jù)

某型通信系統(tǒng)樣機(jī)在生產(chǎn)加工完畢后，對功放進(jìn)行了測試。其中，各工作頻點調(diào)制數(shù)據(jù)全部相同，同時關(guān)閉了自動控制功能。它的發(fā)射功率曲線如圖3所示。

該樣機(jī)設(shè)計發(fā)射功率為57±0.5 dBm。未進(jìn)行自動控制時，實際發(fā)射功率最低為56 dBm，而最大發(fā)射功率達(dá)到了59.6 dBm，顯然不符合設(shè)計指標(biāo)。通過對樣機(jī)進(jìn)行初始標(biāo)定和開啟自動控制功能后，當(dāng)功放工作在偽隨機(jī)序列高速跳頻模式時，測得功放實際發(fā)射脈沖功率結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹?，發(fā)射功率已經(jīng)控制在57 dBm附近，完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

圖3 未進(jìn)行自動控制時的發(fā)射功率曲線

圖4 進(jìn)行自動控制后的發(fā)射功率曲線

5 結(jié) 語

本文介紹的自動控制方法可以在很大程度上將功放發(fā)射功率控制在理想范圍內(nèi)。特別是針對高速跳頻系統(tǒng)中不同工作頻點間的放大增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善功放的幅頻特性，是一般系統(tǒng)無法做到的。

目前，功率控制精度主要受限于檢波器的精度。雖然已經(jīng)通過測量功放工作溫度并對ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定處理，但仍然無法完全修正檢波器工作參數(shù)變化造成的影響。隨著ADC器件和數(shù)字信號處理器件的進(jìn)步，在成本可控的前提下，可以改用寬帶ADC器件直接采樣射頻信號，并提取射頻信號幅度信息，以進(jìn)一步提升自動控制精度。

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