短波電臺發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

談江海

(中國電子科技集團公司第30研究所，四川成都610041)

0 引言

短波通信具有獨特的優(yōu)點，其設(shè)備簡單、使用方便靈活、通信距離遠、抗干擾強，與有線通信及常規(guī)無線通信相比，短波通信介質(zhì)的電離層不易遭受人為的破壞。因此在現(xiàn)代軍事中，短波通信起著重要的作用，并有著廣泛的應(yīng)用。短波電臺是短波通信的主要載體，作為其重要組成部分之一的發(fā)射機系統(tǒng)，如何進一步消除雜波、諧波、有效控制發(fā)射機功率、可靠的保護發(fā)射機系統(tǒng)成為短波電臺設(shè)計的重要內(nèi)容。

文中重點介紹了短波電臺的發(fā)射機控制系統(tǒng)設(shè)計，詳細討論了增益控制、保護控制的算法及實現(xiàn)方法，工程試驗表明該設(shè)計具有較好的性能。

1 發(fā)射機系統(tǒng)

電臺發(fā)射機系統(tǒng)由基帶數(shù)字部分、信道部分和功放功率放大部分構(gòu)成?；鶐?shù)字部分發(fā)射中頻信號送入信道部分，經(jīng)混頻、放大、濾波處理后送入功率放大部分，信號放大后送入天線［1］。電臺發(fā)射機的主要功能是完成對輸入信號的調(diào)制、頻率改變、濾波、放大等功能。一般情況下，射頻發(fā)射機有兩種實現(xiàn)方式，一種是直接上變頻法，即將調(diào)制與上變頻在一個電路里完成;另外一種是超外差式，即將調(diào)制與上變頻分開，先在比較低的中頻進行調(diào)制，再將調(diào)制好的信號變頻到發(fā)射到載波頻率上［2］。第二種方式目前使用較廣泛。

為了保證發(fā)射機保持最大效率，即在不同工作頻率、不同工作溫度，不同發(fā)射波形等條件下，都能夠滿功率發(fā)射，必須對發(fā)射機進行有效的功率控制。同時為了保證發(fā)射機能夠可靠的工作，避免出現(xiàn)故障，必須設(shè)計好發(fā)射機的保護系統(tǒng)。

1．1 發(fā)射機增益控制

對發(fā)射機的增益控制，可以從硬件和軟件兩方面入手來考慮。在硬件設(shè)計中，電臺采用了自動電平控制(ALC)，它是指當輸入電平在較大范圍內(nèi)變化時，輸出電平恒定不變或在允許的波動范圍內(nèi)變化，即當輸入信號功率很不穩(wěn)定或者有較大變化時，經(jīng)過ALC環(huán)路控制后，輸出信號的功率值在較寬的頻帶上都會穩(wěn)定在一個相對恒定的幅度值上，起到自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)增益的作用［3］。電臺主要采用了衰減器的環(huán)路反饋設(shè)計方法來控制功放系統(tǒng)增益。

軟件方面，則主要考慮發(fā)射功率的校準，其目的是保證發(fā)射機在不同的工作溫度、不同的頻率，都能輸出相同的功率。此外由于溫度、電流、電壓等變化都能引起發(fā)射功率變化，因此應(yīng)考慮自動增益控制，既保護好發(fā)射機，又同時使其發(fā)揮最大效率。

1．2 發(fā)射機保護控制

發(fā)射機在工作過程中，其溫度、電流、駐波比、發(fā)射功率等都在發(fā)生變動，發(fā)射機保護系統(tǒng)的主要目的就是保證發(fā)射機在各種異常情況下不被損壞，并盡可能的堅持工作［4］。其主要功能有兩方面:①在過壓、過流、過溫、過激勵的時候?qū)Πl(fā)射機的工作狀態(tài)做相應(yīng)處理，并同時報警;②監(jiān)測發(fā)射機的工作狀態(tài)，電臺會實時監(jiān)測電壓、電流、溫度、發(fā)射功率，駐波比等信息，并上報到顯示終端。

在具體的保護控制設(shè)計中，通常需要考慮過激勵保護、駐波保護、溫度保護以及過流保護等，在發(fā)射機工作過程中，這些保護措施相互協(xié)作來完成保護控制。

2 發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

短波電臺的發(fā)射控制系統(tǒng)基本的組成包括信道處理、功率放大器等。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，為了在中頻信號及射頻信號中濾出雜波及諧波，分別增加了預(yù)后選器和諧波濾波器。其基本的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

整個發(fā)射控制系統(tǒng)主要由信道處理單元、預(yù)后選器單元、選頻檢波單元、功率放大單元、功放保護單元等組成。其中功率檢測器件實時向功放保護單元上報正向和反向功率檢測電壓，利用該檢測值，可以計算出此時的發(fā)射功率以及駐波比，從而進行激勵保護控制和駐波保護控制。功率放大器主要由驅(qū)動放大器和末級功放組成，其中末級功放配有溫度檢測器，定時上報當前溫度。功放保護單元和信道控制單元可以做出相應(yīng)的溫度保護控制和增益控制。

圖1 發(fā)射控制系統(tǒng)框Fig．1 Transmission control system frame

除射頻組件外，在具體的控制設(shè)計過程中，主要設(shè)計了信道控制板，功放控制板，以及顯示控制板。信道控制板主要功能是信道機控制，包括發(fā)射增益控制、收發(fā)控制、換頻控制等，同時還要和功放控制板以及顯示控制板通信，控制芯片采用DSP;功放控制板的主要功能是功放保護、正反向功率檢測電壓、功放溫度、電流等信息采集，狀態(tài)上報等，控制芯片采用單片機;顯示控制板主要功能是菜單顯示，參數(shù)控制等，控制芯片采用ARM。這三塊板子之間通過網(wǎng)口和串口進行通信，共同完成發(fā)射機系統(tǒng)控制。

2．1 發(fā)射機增益控制設(shè)計與應(yīng)用

由于發(fā)射機系統(tǒng)的衰減器、預(yù)后選器、諧波濾波器等在不同工作頻率下、不同溫度下，其特性并不一致。比如對不同的頻率，輸出相同的發(fā)射衰減量，輸出的功率可能不一致，為了達到工作在任意頻率，發(fā)射機都能輸出相同的功率，必須進行功率校準。

在校準之前，需要先進行功率定標，即在整個短波頻段，根據(jù)濾波器的特性，每個頻段選擇部分頻率作為基準參考點。借助于頻譜分析儀，對每個參考點進行發(fā)射功率測定，確定該頻點對應(yīng)的正向功率參考值。定標的算法流程圖如圖2所示。

定標完成之后再進行功率校準。功率校準前，需生成校準頻率庫。選擇的依據(jù)是短波信道頻段劃分和濾波器特性，通常低頻段頻率選擇的多一些，高頻頻率選擇的少一些，同時濾波器頻率特性拐點處的頻率應(yīng)作為校準頻率。

圖2 功率定標算法流程Fig．2 Power confirming flow chart

自動校準開始后，電臺從第一個頻率開始校準，完成之后，再進行第二個頻率校準，直到最后一個頻率校準完成。此時，會生成一張頻率與發(fā)射衰減量對應(yīng)的一張表。功率校準的算法流程圖如圖3所示。

圖3 功率校準算法流程Fig．3 Power adjusting flow chart

發(fā)射機工作過程中通過查表的方法確定當前工作頻率對應(yīng)的控制衰減量，從而控制其發(fā)射功率。另外由于預(yù)后選器、功放等在不同的工作溫度，其輸出特性存在不一致，從而給發(fā)射功率帶來影響。因此，電臺專門測試出了溫度、功率的變化曲線，根據(jù)該曲線對發(fā)射功率再做進一步的細微調(diào)整。通過實際的驗證測試，發(fā)射功率的波動范圍可以控制在－1～+0．5 dB范圍內(nèi)，基本滿足實際需要。

2．2 發(fā)射機保護控制設(shè)計與應(yīng)用

發(fā)射機保護系統(tǒng)包括過激勵、過駐波、過溫保護等。諧波濾波器輸出檢波后的功率正向、反向電壓，然后功放控制單元的ADC進行采集，計算并判斷是否過激勵或過駐波。功放控制單元直接通過溫度傳感器采集溫度，判斷溫度是否過高，當過激勵、過駐波或過溫的時候，會關(guān)閉功放，并將這些狀態(tài)信息上報給信道控制單元進行下一步處理。保護控制框圖如圖4所示。

圖4 保護控制框Fig．4 Protection control frame

2．2．1 發(fā)射機過激勵保護設(shè)計與應(yīng)用

過激勵保護是指發(fā)射功率超過額定值一定程度時，為避免發(fā)射系統(tǒng)受到損壞而采取的相應(yīng)措施。

功放控制單元采集正向和反向功率電壓。需要指出的是，該檢測電壓值包含了噪聲電平。同時，由于硬件電路的特性，該檢測電壓并不是絕對不變的，而是波動的，有波峰、波谷。因此為了得到準確的正、反向檢測電壓，一方面，應(yīng)首先檢測出各個頻段的正向和反向的噪聲電平。在實際的計算過程中，再分別減去各自的噪聲電平;另一方面，開始發(fā)射后，考慮到剛開始發(fā)射瞬間，功率可能出現(xiàn)過沖等不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此采樣的時候，延時一段時候再采集數(shù)據(jù)，并采集多個樣點，求取的平均值作為最終值。通過這兩個方法，我們可以得到比較準確的正、反向電壓，并據(jù)此計算出發(fā)射功率和駐波比。

具體的過激勵保護措施為:當檢測計算出的功率超過門限值的時候，發(fā)射機立即切換為接收狀態(tài)。且當再次發(fā)射的時候，發(fā)射功率應(yīng)減半，然后再逐步提升功率至額定值。

2．2．2 發(fā)射機駐波保護設(shè)計與應(yīng)用

駐波比(SWR)全稱為電壓駐波比(VSWR)。在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機的阻抗不匹配，高頻能量就會在天線產(chǎn)生反射波折回，和入射波在天饋系統(tǒng)匯合產(chǎn)生駐波。駐波比可以反應(yīng)天饋系統(tǒng)中的駐波特性，檢驗饋線傳輸效率。電壓駐波比過大，將縮短通信距離，反射功率將返回發(fā)射機功放部分致其燒壞，影響通信系統(tǒng)正常工作。因此有必要進行駐波保護。

硬件上，通常采用的保護電路有:基于隔離器的保護電路、基于環(huán)行器的駐波保護電路和基于雙向定向耦合器的反射保護電路［5］。軟件上，則需要采集功率的正向和反向電壓，通過計算得到駐波比。然后根據(jù)駐波比的大小采取相應(yīng)的保護措施。

駐波比(VSWR)與正向、反向功率電壓的關(guān)系如下:

式中，ρ=V－/V+，V－為反向功率電壓檢測平均值減去對應(yīng)頻段的噪聲電平，V+為正向功率電壓檢測平均值減去對應(yīng)頻段的噪聲電平。

理想情況下，完全無反射時，駐波比為1，但實際情況下，始終存在著反射，因此采取的保護措施為:①VSWR＜2，不做任何處理; ②2≤VSWR＜3，發(fā)射功率降半;③VSWR≥3，關(guān)閉發(fā)射機。

2．2．3 發(fā)射機溫度保護設(shè)計與應(yīng)用

溫度保護也是發(fā)射機保護系統(tǒng)中一個重要設(shè)計。硬件上通常采用的方法有:傳熱通路盡可能短、其橫截面盡可能大、熱傳導(dǎo)面積盡可能大、發(fā)熱較大的元器件盡可能安裝于散熱器上等［1］。軟件上則主要從溫度的變化考慮增益的變化以及發(fā)射狀態(tài)的控制。根據(jù)檢測到溫度分階段進行控制，溫度控制設(shè)置3個門限，從小到大，具體的值確定需要根據(jù)實際的測試來確定。當溫度超過第一個門限時，發(fā)射功率適當降低;當溫度超過第二個門限時，發(fā)射功率再適當降低;當溫度超過第三個門限時，關(guān)閉發(fā)射機。當再次發(fā)射時，發(fā)射功率先減半，然后根據(jù)溫度情況逐步提高發(fā)射功率。

3 結(jié)語

發(fā)射機保護系統(tǒng)設(shè)計是研究的熱點之一，文中基于當前新的平臺，探討和提出了短波電臺發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，并在實踐中得到了驗證和應(yīng)用，具有一定的理論和實際意義。但由于目前發(fā)射機系統(tǒng)射頻組件的輸出特性具有不一致性，因此如何進一步的將發(fā)射功率控制到更小的誤差范圍、提高檢測參數(shù)的準確性、提供高可靠效性的發(fā)射系統(tǒng)保護值得進一步的研究。

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