一種基于自動掃頻的信道發(fā)射功率標定系統(tǒng)

蘇 鋒，李 飛，安超群

（1.廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

超短波電臺主要工作于超短波頻段，該頻段的無線電波主要以視距傳播的方式傳輸信息[1]。在軍用領(lǐng)域，超短波電臺得到了非常廣泛的應(yīng)用[2]。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對軍用超短波通信的性能也提出了更高的要求，包括保密性、傳輸速率以及抗干擾性等。在超短波通信設(shè)備系統(tǒng)工作中，電臺發(fā)射機射頻前端要保證線性地將數(shù)字中頻信號成功變頻為射頻信號，在保持功率平坦度的前提下送入功放進行功率放大發(fā)射[3]。超短波電臺工作頻段在30～88 MHz，頻段范圍較廣，對超短波電臺發(fā)射機的設(shè)計提出了更高的要求。電臺發(fā)射機發(fā)射信號經(jīng)過無線信道傳輸，其功率的平坦度直接影響接收機接收信號的各項性能指標。

在超短波電臺信道電路中，模擬器件組成的信號收發(fā)通道工作在不同頻點時具有一定的頻響差異，導(dǎo)致信號收發(fā)功率離散性較大。離散性的存在對于生產(chǎn)同一款超短波電臺的不同個體之間信號收發(fā)功率設(shè)計指標影響顯著，這些超短波電臺必須經(jīng)過某些測試系統(tǒng)校準才能滿足信號收發(fā)功率指標的要求。為了克服頻響差異導(dǎo)致同款超短波電臺不同個體之間信號收發(fā)功率存在的差異問題，需要尋找高效的功率校準算法對每個超短波電臺進行功率指標校準。移動臺在組裝完畢后，元器件及工藝流程本身存在誤差，使得每臺移動設(shè)備的電氣性能不盡相同，這可能對移動設(shè)備的通信質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。為了獲得最佳的通信質(zhì)量，每臺移動設(shè)備在出廠前都要進行校準并調(diào)整相關(guān)參數(shù)，這個過程就是功率校準[4]。

在超短波電臺設(shè)計生產(chǎn)中，根據(jù)每一部電臺的個體差異對電臺工作全頻段的工作頻點進行發(fā)射功率校準。根據(jù)不同通信波形的帶寬特性，超短波全頻段校準頻點各不相同，如果通信波形空口協(xié)議所需的通信帶寬較窄，在超短波電臺工作頻段30～512 MHz的范圍內(nèi)所需較準的頻點可能高達幾萬個?；诖?，有必要根據(jù)研發(fā)產(chǎn)品的特性開發(fā)一款全頻段發(fā)射信道功率自動掃頻校準系統(tǒng)。

1 通信系統(tǒng)發(fā)信機信道ALC控制過程

發(fā)射機信號發(fā)射組成框架如圖1所示，其發(fā)射通路主要組成部分為2次混頻模塊、混頻濾波器、諧波濾波器組、定向耦合器、檢波器、線性衰減器以及運算放大器。

圖1 發(fā)射機發(fā)射通路組成框架

數(shù)字信號在經(jīng)過調(diào)制和上變頻處理后，由數(shù)字/模擬（Digital/Analog，D/A）轉(zhuǎn)換成固定載波的中頻信號再傳輸給發(fā)射機。發(fā)射機將發(fā)射中頻信號經(jīng)過2次混頻后轉(zhuǎn)換為算法需要的發(fā)射頻點，經(jīng)過混頻濾波器對目標信號進行濾波處理。將信號傳輸至功率放大電路單元進行放大，定向耦合器和檢波器對信號進行功率檢測，根據(jù)檢測結(jié)果再對信號進行自動電平控制（Auto Level Control，ALC）。當經(jīng)過電路的信號波動較大時，通過ALC使輸出信號功率穩(wěn)定不變或變化極小[5]。

為了保證發(fā)射機輸出功率穩(wěn)定，在發(fā)射通道中加入ALC電路很有必要，其由定向耦合器、檢波器以及線性衰減器構(gòu)成反饋控制環(huán)路[6,7]。當發(fā)射通路信號較小時，調(diào)整線性衰減器減小衰減值，將信號功率增大再傳輸至空口發(fā)送；當發(fā)射通路信號較大時，調(diào)整線性衰減器增大衰減值，將信號功率減小再傳輸至空口發(fā)送。通過閉環(huán)控制，使空口輸出信號的功率基本保持恒定[8]。

對于超短波電臺設(shè)計來說，超短波常用的數(shù)字通信波形包括戰(zhàn)斗網(wǎng)、語音中繼網(wǎng)以及數(shù)據(jù)鏈等，這些通信波形均以跳頻通信的方式傳輸，其頻點跳動范圍具有不確定性。每一跳數(shù)據(jù)周期一般在1 ms左右，周期較短的能達到0.2 ms。由于每一跳數(shù)據(jù)的ALC時間較短，因此在工程應(yīng)用中需要根據(jù)電臺的個體差異對每部電臺在超短波頻段范圍內(nèi)每個工作頻點的發(fā)射功率進行掃頻標定，掃頻完成后將標定得到的對應(yīng)頻點的衰減值和檢波目標值寫入可擦除可編程ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）存儲單元[9]。在電臺工作過程中，信道控制單元根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的跳頻頻點從EEPROM中調(diào)取相應(yīng)的衰減參數(shù)和檢波模擬電壓參數(shù)，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)環(huán)境變化對發(fā)射平坦度進行微調(diào)，實現(xiàn)快速ALC調(diào)整[10]。

2 基于自動掃頻的信道發(fā)射參數(shù)標定方法

自動掃頻功率標定系統(tǒng)由上位計算機、功率檢測裝置、信號發(fā)生器以及電臺信道控制模塊等組成，如圖2所示。

圖2 自動掃頻功率標定系統(tǒng)構(gòu)成

在整個掃頻過程中，上位計算機通過串口協(xié)議向信道控制模塊下發(fā)控制參數(shù)，包括目標功率、初始頻率、掃頻頻段以及線性衰減器初始值，同時讀取對應(yīng)參數(shù)檢波器檢測的模擬量。自動掃頻發(fā)射功率標定算法流程如圖3所示。

圖3 自動掃頻功率標定算法流程

系統(tǒng)上電開始工作，上位機軟件先向信號發(fā)生器下發(fā)輸出信號功率值，控制信號發(fā)生器輸出穩(wěn)定功率的信號。通過串口控制協(xié)議向信道控制模塊下發(fā)標定頻點和線性衰減器的初始值，控制信道模塊混頻器工作在此頻點下。通過網(wǎng)口讀取功率檢測裝置檢測射頻輸出口輸出信號的功率值，根據(jù)實時功率值調(diào)整線性衰減器的衰減值，基于閉環(huán)控制將輸出功率控制在目標功率平坦度要求的范圍內(nèi)。當功率輸出達到目標值時，上位機軟件通過串口協(xié)議將該頻點校準的衰減值和檢波器的模擬電壓值存儲至信道模塊的EEPROM中，然后標定下一個頻點，不斷重復(fù)，直到將整個頻段的發(fā)射頻點標定存儲完成。

通過軟件實現(xiàn)算法設(shè)計，在信道板發(fā)射功率的整個標定過程中只需要設(shè)定初始參數(shù)，之后將自動標定存儲完成。當電臺處于發(fā)射狀態(tài)時，根據(jù)發(fā)射頻點調(diào)取存儲的功率控制參數(shù)，使電臺在該發(fā)射頻點的發(fā)射功率快速達到指標要求。以此為基礎(chǔ)，當環(huán)境發(fā)生變化時再根據(jù)實時檢測的偏差值對發(fā)射功率進行微調(diào)，從而有效補償器件離散性和同一器件頻向差異導(dǎo)致的功率差異。

3 分析與驗證

在系統(tǒng)標定前，對信道控制模塊輸入固定功率的中頻信號，然后控制混頻單元掃頻輸出不同頻點的功率值。通過頻譜儀觀察記錄，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 信道模塊標定前的掃頻輸出

在系統(tǒng)標定后，對信道控制模塊輸入固定功率的中頻信號，然后控制混頻單元掃頻輸出不同頻點的信號發(fā)射功率值。通過頻譜儀觀察記錄，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 信道模塊標定后的掃頻輸出

由圖4和圖5可知：在信道模塊標定前，信道板在30～88 MHz頻段內(nèi)射頻輸出最大功率與最小功率差值約為3.5 dBm；在信道模塊標定后，信道板在30～88 MHz頻段內(nèi)射頻輸出最大功率與最小功率差值約為1 dBm，實現(xiàn)了較好的功率平坦輸出。

4 結(jié) 論

基于自動掃頻的信道功率發(fā)射標定系統(tǒng)由上位計算機、信號發(fā)生器、功率測試裝置以及信道控制模塊等組成，通過軟件實現(xiàn)合理的標定算法，使該系統(tǒng)具有全自動化、參數(shù)靈活配置的高效標定能力。該標定系統(tǒng)能夠準確標定各個頻點的發(fā)射功率控制參數(shù)，實現(xiàn)發(fā)射頻率跳變后的快速標定。與常規(guī)發(fā)射功率反饋控制系統(tǒng)相比，具有系統(tǒng)反應(yīng)時間短、功率平坦度好以及標定效率高等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用意義。