短波電臺發射控制系統設計與應用

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點，其設備簡單、使用方便靈活、通信距離遠、抗干擾強，與有線通信及常規無線通信相比，短波通信介質的電離層不易遭受人為的破壞。因此在現代軍事中，短波通信起著重要的作用，并有著廣泛的應用。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射機系統，如何進一步消除雜波、諧波、有效控制發射機功率、可靠的保護發射機系統成為短波電臺設計的重要內容。

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

1 發射機系統

電臺發射機系統由基帶數字部分、信道部分和功放功率放大部分構成。基帶數字部分發射中頻信號送入信道部分，經混頻、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］。電臺發射機的主要功能是完成對輸入信號的調制、頻率改變、濾波、放大等功能。一般情況下，射頻發射機有兩種實現方式，一種是直接上變頻法，即將調制與上變頻在一個電路里完成;另外一種是超外差式，即將調制與上變頻分開，先在比較低的中頻進行調制，再將調制好的信號變頻到發射到載波頻率上［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，不同發射波形等條件下，都能夠滿功率發射，必須對發射機進行有效的功率控制。同時為了保證發射機能夠可靠的工作，避免出現故障，必須設計好發射機的保護系統。

1．1 發射機增益控制

對發射機的增益控制，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變化時，輸出電平恒定不變或在允許的波動范圍內變化，即當輸入信號功率很不穩定或者有較大變化時，經過ALC環路控制后，輸出信號的功率值在較寬的頻帶上都會穩定在一個相對恒定的幅度值上，起到自適應調整系統增益的作用［3］。電臺主要采用了衰減器的環路反饋設計方法來控制功放系統增益。

軟件方面，則主要考慮發射功率的校準，其目的是保證發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射功率變化，因此應考慮自動增益控制，既保護好發射機，又同時使其發揮最大效率。

1．2 發射機保護控制

發射機在工作過程中，其溫度、電流、駐波比、發射功率等都在發生變動，發射機保護系統的主要目的就是保證發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、過激勵的時候對發射機的工作狀態做相應處理，并同時報警;②監測發射機的工作狀態，電臺會實時監測電壓、電流、溫度、發射功率，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，在發射機工作過程中，這些保護措施相互協作來完成保護控制。

2 發射控制系統設計與應用

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

整個發射控制系統主要由信道處理單元、預后選器單元、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的溫度保護控制和增益控制。

圖1 發射控制系統框Fig．1 Transmission control system frame

除射頻組件外，在具體的控制設計過程中，主要設計了信道控制板，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，包括發射增益控制、收發控制、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，參數控制等，控制芯片采用ARM。這三塊板子之間通過網口和串口進行通信，共同完成發射機系統控制。

2．1 發射機增益控制設計與應用

由于發射機系統的衰減器、預后選器、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射功率測定，確定該頻點對應的正向功率參考值。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射衰減量對應的一張表。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

發射機工作過程中通過查表的方法確定當前工作頻率對應的控制衰減量，從而控制其發射功率。另外由于預后選器、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，根據該曲線對發射功率再做進一步的細微調整。通過實際的驗證測試，發射功率的波動范圍可以控制在－1～+0．5 dB范圍內，基本滿足實際需要。

2．2 發射機保護控制設計與應用

發射機保護系統包括過激勵、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，會關閉功放，并將這些狀態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 發射機過激勵保護設計與應用

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

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，開始發射后，考慮到剛開始發射瞬間，功率可能出現過沖等不穩定現象，因此采樣的時候，延時一段時候再采集數據，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，并據此計算出發射功率和駐波比。

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，發射機立即切換為接收狀態。且當再次發射的時候，發射功率應減半，然后再逐步提升功率至額定值。

2．2．2 發射機駐波保護設計與應用

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射機的阻抗不匹配，高頻能量就會在天線產生反射波折回，和入射波在天饋系統匯合產生駐波。駐波比可以反應天饋系統中的駐波特性，檢驗饋線傳輸效率。電壓駐波比過大，將縮短通信距離，反射功率將返回發射機功放部分致其燒壞，影響通信系統正常工作。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。然后根據駐波比的大小采取相應的保護措施。

駐波比(VSWR)與正向、反向功率電壓的關系如下:

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

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，發射功率降半;③VSWR≥3，關閉發射機。

2．2．3 發射機溫度保護設計與應用

溫度保護也是發射機保護系統中一個重要設計。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、熱傳導面積盡可能大、發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射狀態的控制。根據檢測到溫度分階段進行控制，溫度控制設置3個門限，從小到大，具體的值確定需要根據實際的測試來確定。當溫度超過第一個門限時，發射功率適當降低;當溫度超過第二個門限時，發射功率再適當降低;當溫度超過第三個門限時，關閉發射機。當再次發射時，發射功率先減半，然后根據溫度情況逐步提高發射功率。

3 結語

發射機保護系統設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射控制系統的設計方法，并在實踐中得到了驗證和應用，具有一定的理論和實際意義。但由于目前發射機系統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射功率控制到更小的誤差范圍、提高檢測參數的準確性、提供高可靠效性的發射系統保護值得進一步的研究。

［1］ 彭麟，蘇旸，袁鳳國．寬帶高速電臺發射機系統的保護設計應用［J］．通信技術，2013，46(05):16－18．PEN Lin，SU Yang，YUAN Feng－guo．Protection Design on Transmitting System of Wideband High－Speed Receiver Radio［J］．Communications Technology:2013，(05):16－18．

［2］ 查光明，熊賢柞．擴頻通信［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2002:60－100．CHA Guang－ming，XIONG Xian－zha．Spectrum Spread Communication［M］．Xi’an:Xidian University Press，2002:60－100．

［3］ 劉繼林．跳頻發射機自動電平控制的實現方法［J］．電訊技術，2012(05):709－711．LIU Ji－lin．Implementation of Automatic Level Control in Frequency Hopping Transmitter［J］．Telecommunication Engineering:2012，(5):709－711．

［4］ 梅文華，王淑波．跳頻通信［M］．北京:國防工業出版社，2005:60－80．MEI Wen－hua，WANG Shu－bo．Frequency Hopping Communication［M］．Beijing:National Defence Industry Press，2005:60－80．

［5］ 王斌，趙偉剛．發射機駐波保護電路設計［J］．通信技術，2008，41(01):62－64．WANG Bin，ZHAO Wei－gang．Design of Standing Wave Protection Circuit of Transmitter［J］．Electronic Information Warfare Technology:2008，(01):62－64．