短波發射機功率自適應系統的設計與實現

單鴻昌，高 俊，屈曉旭，何憲文

(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢430033)

0 引言

在短波通信中，功率是非常重要的資源。在短波組網［1］通信信號傳輸過程中，會出現很多問題，例如信號經過信道會產生衰落，信號的功率會衰減。在接收端的信號幅值并不穩定，若接收端信號功率過小，接收機將無法把信號解調出來。但發射端信號功率過大，又是一種資源浪費［2］。短波信道中對信號存在很多干擾，如大氣噪聲、工業干擾及工作頻率相近的其他無線電臺的干擾，在發射機端進行功率控制可有效抗干擾［3］。當短波發射機功放的輸出端通過天線調諧器連接天線時，反向功率可能過大而燒壞功放，要對功率進行控制以保護天線調諧器和功放［4］。綜上所述，短波發射機功率的自適應控制在短波通信中具有重要意義。

本文設計一個基于FPGA和DSP芯片的數字化短波發射機功率自適應系統，以在短波組網通信中解決信號衰落和信道干擾給信號功率帶來的問題，并對反向功率進行保護。

1 功率自適應系統的總體設計

數字化短波發射機功率自適應系統的總體設計如圖1所示。

圖1 數字化短波發射機功率自適應系統總體設計框圖Fig.1 Digital shortwave transmitter power control system overall design

由圖1總體框圖可看出，本文的功率自適應包括以信噪比和誤碼率為準則的功率控制及反向功率保護2個方面。以信噪比和誤碼率為準則的功率控制，總體設計為發信方發射機將信號通過天調發射出去，各個收信方的接收機收到信號后，將誤碼率及信噪比通過各個收信方的發射機反饋給發信方，發信方發射機的DSP單元根據反饋回來的信噪比及誤碼率產生控制命令，送給衰減器單元，達到功率控制的目的;反向功率保護總體設計為發射機的FPGA功率檢測單元將檢測到的反向功率送給DSP單元，DSP單元根據反向功率產生衰減碼，送給衰減器單元，達到反向功率保護的目的。

2 反向功率保護單元設計

2.1 FPGA功率檢測單元的設計與實現

FPGA功率檢測單元的設計如圖2所示。

圖2 FPGA功率檢測單元的設計框圖Fig.2 Design of FPGA power detection unit

設計FPGA功率檢測單元的目的，是因為發射機激勵器部分存在數字上變頻過程，即將音頻信號進行頻譜搬移到射頻上，以便在短波中進行信號的發射，此時采樣率過高，不便于在DSP中進行計算，所以要經過FPGA功率檢測單元，將數據的采樣率降低，傳輸到DSP中。

由功率后端的耦合器耦合出來的反向功率首先經過A/D轉換器，轉換后的數據經過數字下變頻模塊，此模塊是將信號從發射射頻上進行頻譜搬移到基帶上，數字下變頻的原理［5］如圖3所示，本模塊由FPGA實現，NCO IP核產生正弦波，以I路為例，信號與NCO產生的正弦波相乘后，會產生一個高頻分量和一個低頻分量，Q路相同，NCO產生正弦波的頻率由DSP決定。

數字下變頻后，要經過降采樣濾波模塊處理。降采樣濾波的作用是降低數據的采樣率同時濾除帶外的雜波分量。降采樣濾波由FPGA模塊實現，降采樣濾波模塊應用 CIC濾波器［6］，CIC濾波器由FPGA通過IP核實現，其作用是將由經過數字下變頻處理后的I路、Q路2路信號的高頻分量濾掉，保留低頻分量，達到降低采樣速率的目的。

2.2 反向功率保護的算法實現

反向功率保護的算法流程如圖4所示。

FPGA功率檢測單元將檢測到的反向功率送至DSP單元，與設定的反向功率門限值進行比較，若低于反向功率門限值，功率衰減值Δ=0;若高于或等于反向功率門限值，則需要降低發射功率，DSP計算出功率衰減值Δ送給衰減器單元。

反向功率保護是功率自適應控制的基礎，沒有反向功率保護，則可能燒壞功放，一切功率自適應控制都要以反向功率保護為基礎。

3 以信噪比和誤碼率為準則的功率控制單元設計

3.1 外環功率控制算法

外環功率控制主要對目標信噪比門限值根據實際情況進行調整和修正，修正門限值是給內環控制一個更加精確的參考值。

外環的功率控制以用戶的通信質量為依據，這種通信質量通常以誤碼率作為測量指標，根據在接收端接收到的每個用戶的誤碼率，對實際信噪比進行調整［7］。

3.2 內環功率控制算法

HU Rong在文獻［8］提出了平衡功率控制算法，在移動通信應用中，以信噪比平衡為準則，解決了信號在傳輸過程中信號衰落、信道干擾所帶來的問題。該算法保證了發射功率能夠保持在一個合理的范圍內，并且不破壞算法的收斂性。現將此算法應用在短波通信中。

設pi為發信方向第i個收信方發射信號的發射功率，ri為第i個收信方接收信號的信噪比，則內環功率控制算法可表述為:

式中ci(n)為對第i個收信方發射功率的控制系數，其取值如下

當n=0，

當n＞0，pi(n)≥pmax時，

pmin＜pi(n)＜pmax時，

pi(n)≤p時，

此算法在發射功率降低到保護功率pmin時，可適當增加發射功率;在發射功率等于或高于pmax時，可適當減小功率，故可將發射功率保持在一個合理的范圍內，保護功率的最高值和最低值可以根據發射功率動態范圍來決定。其算法流程圖如圖5所示。

圖5 BDPC算法流程圖Fig.5 The flow chart of BDPC algorithm

4 實驗仿真效果及分析

4.1 反向功率保護實驗結果及分析

圖6為反向功率保護前后功放輸出功率的實驗結果，當功放輸出為1 kW時，頻率從0～29.9 MHz每隔0.1 MHz測量一個反向功率數值，設定的反向功率保護門限值為200 W，不進行反向功率保護時，測量到的300個反向功率數據中存在大量功率值超過門限值200 W，經過反向功率保護后，200 W以下的功率未發生變化，200 W以上的功率被控制到門限值以下，在190 W左右。由實驗結果可以看出，本文反向功率保護算法效果較好。

圖6 反向功率實驗結果Fig.6 The experiment result of feedback power

4.2 基于信噪比和誤碼率為準則的功率控制算法仿真及效果分析

仿真設定1個發信方和10個收信方，發信方的初始發射功率設定為1 kW，發射功率保護門限值為300 W，初始信噪比為7 dB，圖7為從發射功率觀察的算法仿真圖，初始發射功率為1 000 W，經過一定步數的迭代之后，發射功率收斂為596 W，在迭代步數為20步時，改變目標信噪比，發射功率經過一定步數的迭代控制之后，再次收斂為一穩定值520 W。從圖中可看出，本算法已達到功率控制的目的。

圖7 以發射功率為指標的算法仿真圖Fig.7 The simulation of the algorithm according to transmitting power

圖8為從信噪比觀察的算法仿真圖，初始目標信噪比為7 dB，經過一定步數的迭代之后，實際信噪比收斂于9.1 dB，在迭代步數為20步時，目標信噪比更改為3 dB，經過一定步數的迭代之后，實際信噪比再次收斂于一穩定值4.0 dB。從圖中可看出，本算法已達到功率控制的目的。

圖8 以實際信噪比為指標的算法仿真圖Fig.8 The simulation of the algorithm according to SNR in practice

5 結語

當前短波通信中對于發射機功率的控制僅限于保持功放的輸出線性化和穩定性，并未考慮短波組網通信中信號在傳輸過程中所遇到的信號衰落、信道干擾等問題，本文設計了一種數字化短波發射機功率自適應系統，充分考慮了這些問題，詳細分析了反向功率保護和BDPC算法的信號處理過程和算法流程，用FPGA和DSP芯片實現，易于移植，適用于不同的短波通信平臺。仿真分析表明了該系統的可行性。在實際應用中效果較好。

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