基于軟件校準(zhǔn)的短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹青琳，丁 莉

(1.西寧城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西寧 810000；2.青海師范大學(xué)，西寧 810000)

0 引言

為方便人們隨時(shí)隨地能夠交換信息，實(shí)現(xiàn)信息之間的傳遞與共享，通信技術(shù)發(fā)揮了獨(dú)一無(wú)二的作用。短波發(fā)射機(jī)是通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用過(guò)程中的重要組成設(shè)備之一，其作用是通過(guò)發(fā)射短波波段無(wú)線電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，原理是將要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換為短波無(wú)線電信號(hào)信號(hào)形式，然后在發(fā)射器的作用下，發(fā)射出去[1]。短波發(fā)射機(jī)對(duì)工作環(huán)境要求較高，一旦受到外界環(huán)境的干擾，如溫度、氣候、濕度等，都會(huì)造成發(fā)射機(jī)功率的波動(dòng)，從而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降，而發(fā)射機(jī)功率的波動(dòng)會(huì)使得無(wú)線電信號(hào)中包含大量噪聲，進(jìn)而造成通信信號(hào)失真，導(dǎo)致通信信號(hào)質(zhì)量下降，最終無(wú)法準(zhǔn)確傳遞信息[2]。面對(duì)這種情況，如何有效控制短波發(fā)射機(jī)功率，維持功率穩(wěn)定成為通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

針對(duì)上述問(wèn)題，為有效控制短波發(fā)射機(jī)功率，很多專家和學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定的研究成果。例如，張娜在其發(fā)表的文章中針對(duì)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)，開(kāi)發(fā)了一種“N+1”控制系統(tǒng)，在該研究中首先分析了發(fā)射機(jī)工作原理，然后通過(guò)設(shè)計(jì)的中央控制系統(tǒng)同時(shí)控制每臺(tái)發(fā)射機(jī)的開(kāi)關(guān)和切換器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電視發(fā)射機(jī)各功能的自動(dòng)化切換[3]。鄒煒在其發(fā)表的文章中設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)，在該系統(tǒng)當(dāng)中在發(fā)射機(jī)上大范圍布設(shè)了分布式傳感器組，采集發(fā)射機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行大數(shù)據(jù)，然后借助保護(hù)算法對(duì)這些采集到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得出反饋電壓數(shù)值，最后利用這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)輸出功率大小，維持其穩(wěn)定輸出，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)長(zhǎng)期可靠工作，提高其工作穩(wěn)定性[4]。

雖然前人研究都取得了一定的研究成果，但是由于缺乏有效的校準(zhǔn)算法，無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)地控制，導(dǎo)致短波中仍包含大量的噪聲。針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一種基于軟件校準(zhǔn)的短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)。通過(guò)本系統(tǒng)以期提高短波發(fā)射機(jī)工作穩(wěn)定性，改善通信信號(hào)發(fā)射質(zhì)量。

1 基于軟件校準(zhǔn)的短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

受到工作環(huán)境的影響，短波發(fā)射機(jī)功率難以避免地會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，導(dǎo)致傳輸出去的無(wú)線電信號(hào)失真，使得傳遞的信息出現(xiàn)偏差，影響了信息傳達(dá)的準(zhǔn)確性。面對(duì)上述問(wèn)題，為提高無(wú)線通信質(zhì)量，對(duì)短波發(fā)射機(jī)功率進(jìn)行有效控制是十分必要的[5]。在此背景下，設(shè)計(jì)一種基于軟件校準(zhǔn)的短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)。下面針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行具體分析。

1.1 系統(tǒng)基礎(chǔ)框架搭建

借鑒MVC設(shè)計(jì)模式，搭建基于軟件校準(zhǔn)的短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架[6]。MVC設(shè)計(jì)模式如圖1所示。

圖1 MVC設(shè)計(jì)模式

在MVC設(shè)計(jì)模式當(dāng)中，主要包括了三部分，即模型(model)、視圖(view)和控制器(controller)。其中，模型的作用是編寫(xiě)應(yīng)用程序以及管理數(shù)據(jù)庫(kù)；視圖的作用是負(fù)責(zé)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)交互操作的可視化；控制器的作用是負(fù)責(zé)執(zhí)行控制程序[7]。

MVC設(shè)計(jì)模式的優(yōu)點(diǎn)在于耦合性較強(qiáng)，能最大程度地集成和協(xié)調(diào)各種物理設(shè)備，從而提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率。此外，重用性高，能極大節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本[8]。

基于此，借鑒MVC設(shè)計(jì)模式設(shè)計(jì)本系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)庫(kù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、控制層以及界面顯示層。下面進(jìn)行分析。

1)數(shù)據(jù)庫(kù)層：負(fù)責(zé)監(jiān)控短波發(fā)射機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，采集短波發(fā)射機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。

2)業(yè)務(wù)邏輯層：負(fù)責(zé)編寫(xiě)各種業(yè)務(wù)邏輯，并存儲(chǔ)到各個(gè)功能模塊當(dāng)中。

3)控制層：負(fù)責(zé)調(diào)用并執(zhí)行各種業(yè)務(wù)邏輯程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備的控制。

4)界面顯示層：負(fù)責(zé)人機(jī)交互，用戶通過(guò)界面輸出控制指令，以及顯示控制反饋結(jié)果[9]。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文研究短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 功率控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

由圖2可知，音頻信號(hào)輸入到天線輸出部分是短波發(fā)射機(jī)的發(fā)射通路，其功率控制部分主要由功率檢測(cè)單元和軟件校準(zhǔn)控制器，利用功率檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)功率采樣，利用軟件校準(zhǔn)控制器實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)功率與預(yù)期功率之間的偏差，完成偏差校準(zhǔn)。

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)關(guān)鍵組成元件包括7個(gè)，即功率計(jì)、信號(hào)處理器、傳輸元件、控制器、驅(qū)動(dòng)裝置、輸入輸出信號(hào)接口板以及存儲(chǔ)芯片。下面針對(duì)這7個(gè)關(guān)鍵硬件進(jìn)行具體分析。

1.3.1 功率計(jì)

功率計(jì)的作用是實(shí)時(shí)感知工作狀態(tài)下的短波發(fā)射機(jī)功率數(shù)值，為控制提供參考依據(jù)[10]。功率計(jì)主要布設(shè)在短波發(fā)射機(jī)上。該功率計(jì)能夠精準(zhǔn)測(cè)量，誤差控制在±0.5 dB以內(nèi)；支持SCVFCST三種接口，無(wú)須復(fù)雜轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集更加靈活方便。休眠電流低至2 μA。低功耗，使用14 250電池供電，每1分鐘采集發(fā)送一次數(shù)據(jù)，可持續(xù)使用3年以上。該硬件的主要特點(diǎn)如下：

1)功率測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬達(dá)65 dB；

2)分辨率可達(dá)001 dB；

3)自動(dòng)調(diào)零和校正自動(dòng)量程切換；

4)任意設(shè)置測(cè)量和顯示范圍內(nèi)的頻響補(bǔ)償和偏置數(shù)據(jù)；

5)液晶顯示方式，視覺(jué)效果舒適。

1.3.2 信號(hào)處理器

信號(hào)處理器與功率計(jì)相連，主要作用是對(duì)功率計(jì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理，提高信號(hào)質(zhì)量[11]。信號(hào)處理器是數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，其電路圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理器電路圖

圖3信號(hào)處理器各個(gè)引腳和功能如表1所示。

表1 信號(hào)處理器引腳和功能表

1.3.3 傳輸元件

傳輸元件是系統(tǒng)信息傳遞和交互的硬件載體。本系統(tǒng)當(dāng)中的傳輸元件為一個(gè)傳輸串口服務(wù)器[12]。該硬件支持3路網(wǎng)絡(luò)鏈接，實(shí)現(xiàn)Modbus RTU與 Modbustcp之間的互轉(zhuǎn)，適合連接支持 modbus RTU協(xié)議的串口設(shè)備與PC端組態(tài)軟件之間的通訊。同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，采用了擁有穩(wěn)定的連接處理機(jī)制和保活機(jī)制的成熟 TCP/IP協(xié)議棧，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和串口數(shù)據(jù)的通訊情況，靈活進(jìn)行流量控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸，但是一旦發(fā)生連接中斷，串口服務(wù)器將不斷嘗試重連直到成功若鏈接成功，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不錯(cuò)包、不丟包。

1.3.4 控制器

控制器是本系統(tǒng)的核心硬件，作用是遵照用戶的指令調(diào)動(dòng)控制程序，控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)和關(guān)停等[13]。本系統(tǒng)當(dāng)中的控制器為一臺(tái)嵌入式工控機(jī)，具有CPU的計(jì)算能力、較大的硬盤存儲(chǔ)、友好的人機(jī)界面等。該工控機(jī)為采用Intel Core i7-3610QE 2.3 GHz 四核處理器，具有高速反應(yīng)、操作簡(jiǎn)單、安全可靠等特點(diǎn)，7×24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，功耗低節(jié)能。前置控制面板，支持10/100/1 000 Mbps自適應(yīng)，支持網(wǎng)絡(luò)喚醒、PXE功能；可更換千兆網(wǎng)口，萬(wàn)兆光口，自定義內(nèi)外網(wǎng)口，可多外線疊加流控負(fù)載均衡，靈活組合多種配置，組網(wǎng)簡(jiǎn)單；具備較大內(nèi)存，最大支持128 GB。

1.3.5 驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)裝置的用途是在電源的作用下帶動(dòng)短波發(fā)射機(jī)中的發(fā)射裝置做功，在控制器的命令下調(diào)節(jié)發(fā)射功率[14]。本系統(tǒng)當(dāng)中的驅(qū)動(dòng)裝置為二相混合式，可以高頻斬波，正弦波矢量控制，具有較強(qiáng)的抗干擾性、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。具體功能特點(diǎn)如下：

1)供電電源：交流AC18 V--80 V/4 A(或直流DC20 V--100 V/5 A)。

2)每相最大驅(qū)動(dòng)器電流為7.2安培。

3)采用精準(zhǔn)細(xì)分正弦波電流控制技術(shù)，低噪音，高平穩(wěn)性。

4)電機(jī)鎖相時(shí)，電機(jī)電流自動(dòng)分流。

5)具有欠壓、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)等。

6)內(nèi)部跳線可改變單/雙脈沖控制，出廠設(shè)置為單脈沖。

7)內(nèi)部測(cè)試(TEST)：內(nèi)部測(cè)試時(shí)電機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn)，不需要外部控制。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)器細(xì)分?jǐn)?shù)或外接電位器(RES端子)可以改變電機(jī)的運(yùn)行速度。

1.3.6 輸入輸出信號(hào)接口板

輸入輸出信號(hào)接口板提供控制系統(tǒng)與短波發(fā)射機(jī)的連接接口[15]。該輸入輸出信號(hào)接口板提供5個(gè)輸入信號(hào)端和6個(gè)信號(hào)輸出端，并且搭載了高速固態(tài)繼電器，能滿足高使用頻率和高響應(yīng)速度的要求。所有輸入輸出信號(hào)端都采用先進(jìn)的光電隔離和濾波技術(shù)，能有效隔離外部電路的千擾，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3.7 存儲(chǔ)芯片

存儲(chǔ)芯片在系統(tǒng)中的作用主要是放置數(shù)據(jù)以及控制程序，方便系統(tǒng)讀取，是系統(tǒng)中必不可少的硬件之一[16]。本系統(tǒng)當(dāng)中的存儲(chǔ)芯片卡片體積小巧，儲(chǔ)存容量達(dá)到128 Mbit。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)控制程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵，主要包括各種業(yè)務(wù)邏輯，指導(dǎo)系統(tǒng)物理設(shè)備的運(yùn)行。本系統(tǒng)軟件包括登錄注冊(cè)模塊、信號(hào)采集處理模塊、串口通信模塊以及軟件校準(zhǔn)控制模塊[17]。下面針對(duì)這4個(gè)模塊程序進(jìn)行具體分析。

1.4.1 登錄注冊(cè)模塊

登錄注冊(cè)模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能模塊，在使用系統(tǒng)前，需要用戶進(jìn)行注冊(cè)并登錄，以保障系統(tǒng)安全[18]。登錄注冊(cè)過(guò)程如下。

步驟1：用戶點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)初始界面；

步驟2：用戶在登錄窗口輸入信息，判斷該賬號(hào)是否已經(jīng)存在。

步驟3：該賬號(hào)若存在，判斷輸入的登錄密碼是否正確？若正確，系統(tǒng)賦予該用戶登錄權(quán)限，并進(jìn)入主頁(yè)；若不正確，則重新回到登錄頁(yè)面，重新進(jìn)行登錄操作。

步驟4：該賬號(hào)若不存在，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入注冊(cè)頁(yè)面，按照注冊(cè)程序，用戶進(jìn)行賬號(hào)注冊(cè)，輸入個(gè)人信息。

步驟5：判斷賬號(hào)是否注冊(cè)成功。若成功，重新轉(zhuǎn)入登錄頁(yè)面，按照注冊(cè)信息進(jìn)行系統(tǒng)登錄；若不成功，重新進(jìn)行注冊(cè)[19]。

以上流程為系統(tǒng)的登錄注冊(cè)程序，是系統(tǒng)最基礎(chǔ)的程序。

1.4.2 信號(hào)采集處理模塊

信號(hào)采集處理模塊主要是控制功率計(jì)執(zhí)行短波發(fā)射機(jī)功率信號(hào)采集和處理工作[20]。該模塊主要程序過(guò)程如下。

步驟1：功率計(jì)接入系統(tǒng)；

步驟2：判斷是否成功接入：若成功，進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)；若不成功，則重新接入；

步驟3：功率計(jì)初始化；

步驟4：設(shè)置功率計(jì)采集相關(guān)參數(shù)；

步驟5：功率計(jì)開(kāi)始采集；

步驟6：采集是否結(jié)束？若結(jié)束，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；若未結(jié)束，則繼續(xù)采集；

步驟7：預(yù)處理包括放大、濾波等處理。

(1)

式中，F(xiàn)1(x,y)代表放大后信號(hào)輸出；R2代表電流；R1代表相位；F(x,y)′代表原始信號(hào)。

(2)

式中，F(xiàn)2(x,y)代表濾波后的信號(hào)輸出；F(x,y)′代表原始信號(hào)；F0代表截止頻率；n代表濾波器階數(shù)；0.347代表衰減率系數(shù)。

步驟8：將處理好的信號(hào)進(jìn)行打包；

步驟9：建立存儲(chǔ)隊(duì)列；

等待存儲(chǔ)隊(duì)列所有數(shù)據(jù)包都完成存儲(chǔ)后，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。

1.4.3 串口通信模塊

串口通信模塊的作用是將存儲(chǔ)器當(dāng)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到控制器當(dāng)中，具體過(guò)程如下。

步驟1：傳輸元件初始化，并設(shè)置模塊參數(shù)；

步驟2：按照讀取頻率讀取數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的數(shù)據(jù)包；

步驟3：建立轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列；

步驟4：按照轉(zhuǎn)發(fā)頻率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包；

步驟5：轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列是否為空？若為空，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；若隊(duì)列不為空，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包[21]。

串口通信模塊設(shè)計(jì)中，若是需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)過(guò)大，還需要編寫(xiě)通信擁塞控制算法，以防止在通信過(guò)程中丟失數(shù)據(jù)包，以影響后續(xù)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，保證功率控制的準(zhǔn)確性。

1.4.4 軟件校準(zhǔn)控制模塊

軟件校準(zhǔn)控制模塊是系統(tǒng)核心功能模塊，該模塊主要是利用改進(jìn)PID算法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)短波發(fā)射機(jī)功率的控制[22]。PID算法工作原理是根據(jù)功率計(jì)實(shí)時(shí)采集短波發(fā)射機(jī)工作參數(shù)，然后與設(shè)置的預(yù)期參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，校準(zhǔn)是否符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，并計(jì)算二者之間的差值，根據(jù)差值按照比例(proportional)、積分(integral)、微分(differential)進(jìn)行運(yùn)算，得出控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)短波發(fā)射機(jī)功率的控制[13]。簡(jiǎn)而言之，PID算法是通過(guò)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)誤差來(lái)進(jìn)行控制，使得短波發(fā)射機(jī)功率能夠不斷靠近預(yù)期，維持發(fā)射功率穩(wěn)定。原理公式如下：

A(t)=B(t)-C(t)

(3)

式中，A(t)代表短波發(fā)射機(jī)實(shí)際功率與預(yù)期之間的偏差量；B(t)代表輸入的預(yù)期功率值；C(t)代表實(shí)際短波發(fā)射機(jī)實(shí)際功率值。

按照A(t)控制被控對(duì)象運(yùn)行，其控制公式如下：

(4)

其中:

(5)

(6)

式中，D(t)代表PID輸出的短波發(fā)射機(jī)功率控制量；KP、Ki、Kd分別代表比例、積分以及微分系數(shù)；Ti代表積分時(shí)間常數(shù)；Td代表微分時(shí)間常數(shù)。

PID三個(gè)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵，但是基礎(chǔ)的PID缺乏靈活性，每一個(gè)工況都需要重新設(shè)置PID參數(shù)。針對(duì)這一點(diǎn)，利用模糊邏輯對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定，即構(gòu)建一種基于模糊PID的軟件校準(zhǔn)控制器，如圖4所示[24]。

圖4 基于模糊PID的軟件校準(zhǔn)控制器

常規(guī)PID控制器的控制算是為

(7)

式中，Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)，e(t)代表系統(tǒng)誤差。令誤差變化率為

(8)

在本文控制器的設(shè)計(jì)中，輸入為e(t)和ec，輸出為PID控制器參數(shù)的變化量ΔKp、ΔKi、ΔKd。根據(jù)e與ec的變化特點(diǎn)進(jìn)行Kp、Ki、Kd參數(shù)的整定：

1)當(dāng)|e|較大時(shí)，為提高系統(tǒng)的跟蹤性，Kp取較大值，Kd取較小值，為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，Ki取0。

2)當(dāng)|e|較小時(shí)，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，Kp和Ki均取較大值，此時(shí)當(dāng)|ec|較大時(shí)，Kd取較小值，當(dāng)|ec|較小時(shí)，Kd取較大值。

3)當(dāng)|e|和|ec|均為中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp和Kd取較小值，Ki適當(dāng)取值即可。

根據(jù)上述參數(shù)整定原則完成模糊規(guī)則表的制定，

通過(guò)改進(jìn)PID實(shí)現(xiàn)了功率發(fā)送的穩(wěn)定性，有效控制了短波發(fā)射機(jī)的工作狀態(tài)[25]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

為測(cè)試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制性能，進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試，同時(shí)在相同測(cè)試條件下，以“N+1”控制系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果作為對(duì)比項(xiàng)，以MATLAB作為工具，進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 測(cè)試環(huán)境搭建

控制系統(tǒng)的目標(biāo)是控制短波發(fā)射機(jī)的功率，因此以一臺(tái)短波發(fā)射機(jī)作為對(duì)象，搭建系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境。短波發(fā)射機(jī)主要用于機(jī)動(dòng)用戶與車載臺(tái)或固定臺(tái)的短波通信。該發(fā)射機(jī)特點(diǎn)如下：第一中頻9 MHz，下變頻，搭載滾切波波器；400 MHz HRDDS；締造C/N特性優(yōu)越的基準(zhǔn)振蕩電路；混合式SDR結(jié)構(gòu)，同時(shí)搭載窄帶SDR和寬帶SDR；采用18比特A/D轉(zhuǎn)換器，具備數(shù)據(jù)的高分辨處理能力；高精度步進(jìn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)干擾信號(hào)最大70 dB的衰減量；主副接收機(jī)完全獨(dú)立的雙通道接收電路。

將系統(tǒng)硬件搭建在一起，并將功率計(jì)布置在圖6短波發(fā)射機(jī)上，實(shí)時(shí)采集工作參數(shù)，然后傳輸?shù)较到y(tǒng)上，通過(guò)系統(tǒng)處理后，輸出校準(zhǔn)后的控制參數(shù)，控制圖6短波發(fā)射機(jī)功率。

2.2 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)控制方案受控端和控制端、操控軟件三部分組成，首先短波發(fā)射機(jī)主機(jī)及天線架設(shè)到空曠的野外或遠(yuǎn)端合適的地點(diǎn)，控制器的控制端與受控端有線相連，然后控制端放置在工作地點(diǎn)(如地下指揮所無(wú)線通信室)，通過(guò)傳輸元件連接功率計(jì)收發(fā)短波發(fā)射機(jī)功率數(shù)據(jù)，系統(tǒng)操控計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過(guò)操作工控機(jī)對(duì)遠(yuǎn)端的短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程功率控制操作，完成短波發(fā)射機(jī)功率控制流程。

2.3 功率控制預(yù)期與實(shí)際曲線

功率控制預(yù)期即功率隨著時(shí)間的推移而要實(shí)現(xiàn)的控制標(biāo)準(zhǔn)。以100 s作為一個(gè)時(shí)間段，要求短波發(fā)射機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)維持功率在30～35 W之間。

利用MATLAB中的simulink工具建立模糊PID控制模型，利用該模型對(duì)圖6短波發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)行控制?？刂坪?，繪制100 s內(nèi)短波發(fā)射機(jī)的功率變化曲線。

短波發(fā)射機(jī)功率控制預(yù)期與實(shí)際曲線如圖5所示。

圖5 100 s內(nèi)短波發(fā)射機(jī)的功率變化預(yù)期和實(shí)際曲線圖

從圖5中可以看出，100 s內(nèi)短波發(fā)射機(jī)的功率變化預(yù)期和實(shí)際曲線存在一些差異，其中主要集中在前10 s，因?yàn)榍?0 s的功率控制并不在預(yù)期內(nèi)，因?yàn)橄到y(tǒng)在初始時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)試，從而發(fā)生波動(dòng)。基于此，在后期對(duì)比計(jì)算時(shí)，可以將前10 s的功率軌跡排除在外。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇擬合優(yōu)度指數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。短波發(fā)射機(jī)功率實(shí)際變化曲線越接近預(yù)期，擬合優(yōu)度指數(shù)越高，就越接近1，系統(tǒng)功率控制表現(xiàn)越好。擬合優(yōu)度計(jì)算公式如下：

(7)

式中，R2代表擬合優(yōu)度；S代表實(shí)際值和預(yù)期值之間的離差平方和；T代表實(shí)際值和預(yù)期值之間的總體平方和。

2.5 校準(zhǔn)精度分析

為保證測(cè)試結(jié)果具有對(duì)比性，在相同測(cè)試條件下，利用“N+1”控制系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)對(duì)圖6中的短波發(fā)射機(jī)進(jìn)行100 s內(nèi)的功率控制，得出控制結(jié)果，然后根據(jù)控制結(jié)果繪制短波發(fā)射機(jī)的功率變化實(shí)際曲線，再然后分別計(jì)算本系統(tǒng)實(shí)際控制曲線以及兩種對(duì)比方法控制結(jié)果曲線與預(yù)期曲線之間的擬合優(yōu)度指數(shù)。結(jié)果如表2所示。

表2 校準(zhǔn)精度分析

從表2中可以看出，隨著短波發(fā)射機(jī)布置距離的增大，與“N+1”控制系統(tǒng)、自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)應(yīng)用相比較，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用控制下，100 s內(nèi)短波發(fā)射機(jī)的功率變化曲線與圖7預(yù)期曲線之間的擬合優(yōu)度指數(shù)更大，更接近1，說(shuō)明本系統(tǒng)控制表現(xiàn)更好，更能維持短波發(fā)射機(jī)功率穩(wěn)定，避免信息丟失，提高無(wú)線通信質(zhì)量，達(dá)到了研究目標(biāo)，改善了當(dāng)前短波發(fā)射機(jī)存在的問(wèn)題。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，短波發(fā)射機(jī)是無(wú)線電通信領(lǐng)域的重要設(shè)備，起到信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的重要作用。維持短波發(fā)射機(jī)功率穩(wěn)定是當(dāng)前通信領(lǐng)域一直致力提高和改善的問(wèn)題，短波發(fā)射機(jī)功率穩(wěn)定直接關(guān)系到無(wú)線電波的質(zhì)量，關(guān)系到通信是否失真，是否清晰?；谏鲜霰尘?，設(shè)計(jì)一種基于軟件校準(zhǔn)的短波發(fā)射機(jī)功率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集短波發(fā)射機(jī)功率數(shù)值，實(shí)時(shí)進(jìn)行誤差校準(zhǔn)來(lái)控制其功率變化，以便讓功率一直在預(yù)期范圍內(nèi)波動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)定功率的目的。最后通過(guò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與分析，證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制性能，達(dá)到了研究目標(biāo)，實(shí)際波動(dòng)一直控制在預(yù)期范圍內(nèi)。然而，本研究由于個(gè)人的能力以及時(shí)間的不充足，軟件功能模塊設(shè)計(jì)上有待進(jìn)一步細(xì)化，優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。