短波Chirp探測激勵器的射頻功率自適應算法研究

譚正輝

【摘 要】為了解決功放設備或環境等因素的變化對短波Chirp探測激勵器輸出功率造成影響的問題，通過分析輸出射頻、實際功率與目標功率三者之間的相關聯性，采用差值迭代的方法，提出了自適應輸出算法。經仿真實驗證明，自適應輸出算法可以自動調整射頻，使得實際功率逐漸趨近目標功率，避免因外部因素給射頻功率帶來的影響，具有較好的適應性和實用性。

【關鍵詞】短波 探測激勵器 射頻功率 自適應

1 引言

短波Chirp探測激勵器（以下簡稱“激勵器”）通過發射Chirp探測信號，經功放設備放大后輸出，使接收方能實時感知電離層對信道的反射情況[1-2]，是頻率管理系統中RTCE（Real Time Channel Evaluation，實時信道探測）的重要組成部分[3]，具有硬件簡單、信號靈活、互擾性低等特點[4]。

由于設備和環境等因素對射頻功率有一定的影響，在一定的環境條件下，激勵器需要結合功放設備對射頻信號進行校準，以便得到較為準確的輸出功率。然而，在實際使用過程中設備和環境等因素都有可能出現變動，每變動一次激勵器就要重新校準一次射頻，顯得十分被動。因此，本文根據激勵器射頻校準原理和流程，提出了射頻功率自適應算法，以提高激勵器的自動適應能力。

2 射頻輸出與控制

激勵器射頻輸出與控制的主要單元有基帶控制單元、放大單元和窄帶跟蹤濾波單元。其中基帶控制單元根據探測工作參數產生FM/CW或FM/CW+LSB的射頻信號，并通過控制放大單元中的數控衰減碼來調整射頻輸出的大小。放大單元對輸入的射頻信號進行低噪聲放大、數控衰減和集成寬帶放大處理后輸出。窄帶跟蹤濾波單元對輸入的射頻頻率中心附近一定范圍以外的信號進行抑制，對當前的工作頻率進行跟蹤濾波[5]。

基帶控制單元是激勵器的核心，主要包括主控CPU（ARM）、控制接口（FPGA）以及數字上變頻器（AD9957）等部分。為了達到功率自適應的目的，要在ARM控制軟件中新增一個射頻功率自適應算法模塊，再通過控制模塊調整數控衰減碼的數量，從而起到動態調整射頻功率大小的效果。

3 射頻功率自適應算法

3.1 自適應流程

激勵器在掃頻前，ARM控制軟件根據功能等級讀取存儲器中與之對應的射頻衰減表，然后將工作參數寫入FPGA中，并通過控制口定時查詢功放設備的輸出功率。射頻功率自適應流程主要有以下3個步驟[6]。

（1）控制模塊將查詢周期設置為掃過一個頻點間隔所需的時間，則能獲取到每個頻點間隔內的輸出功率，并將目標功率和輸出功率發送給射頻自適應算法模塊。

（2）射頻自適應算法模塊將輸出功率與目標功率進行分析比較，計算出下一輪掃頻時需要調控的衰減碼個數，并將結果返回給控制模塊。

（3）控制模塊在下一輪掃頻時，根據需要調控的衰減碼個數自動調整數控衰減碼的數量，使得輸出的射頻功率得到自動調整。

激勵器的射頻功率經過多次迭代調整后得到一個接近目標值的輸出功率[7-9]，射頻功率自適應算法流程如圖1所示。

3.2 算法建模

假設目標功率為p0，單位為W，射頻與功率之間的換算如公式（1）所示，其中r0表示目標射頻，單位為dBm。

r0=30+l0lg（p0） （1）

功放設備對激勵器輸送的射頻增益為g0 dB，因此，激勵器輸出的射頻r'0如公式（2）所示：

r'0=r0-g0 （2）

假設rn和p'n分別表示某個頻點在第n輪掃頻時功放設備的輸出射頻和輸出功率，那么在第（n+1）輪時，需要對輸出射頻進行增益或衰減處理，增益或衰減值可以通過公式（3）得到，單位為dB。

（3）

當功放設備在第一輪發射的射頻r1=r0時，輸出功率為p'1。從第二輪開始，根據目標功率與實際功率的差異，利用公式（3）計算出增益或衰減值來調整數控衰減碼，采用類推法和歸納法列出激勵器的輸出射頻r'n、功放設備返回的功率p'n與目標功率p0之間的關系如公式組（4）所示：

（4）

由于每個衰減碼衰減0.25 dB，可以通過公式（5）計算出激勵器在第n輪掃頻時需增加或減少的衰減碼個數?dcn。

（5）

為了避免激勵器輸出的射頻信號過高對功放設備造成損壞，對數控衰減碼的取值采取小增益大衰減的方式進行處理，逐漸趨近目標功率，當計算的結果不為整數時向下取整。那么第m個頻點在第n輪掃頻時與數控衰減碼個數的對應關系如公式（6）所示，其中f0為起始頻率，s0表示頻率間隔，λ為小增益大衰減的權衡系數，當p'i≥p0時采取大衰減處理，λ=1；當p'i

（6）

函數F（fm， ?dcn）表示序號為m的頻點fm，與在第n輪與之對應的衰減碼個數?dcn的關系；floor表示將計算結果向下取整。當?dcn>0時，表示頻率fm在下一輪掃頻需要對射頻進行增益處理，在上一輪的基礎上減少?dcn個衰減碼；當?dcn<0時，表示頻率fm在下一輪掃頻需要對射頻進行衰減處理，在上一輪的基礎上增加?dcn個衰減碼。

4 仿真分析

根據算法模型中的公式（6）建立仿真方案，通過分析多輪掃頻中衰減碼與輸出功率的變化情況來驗證射頻功率自適應算法。

現有的激勵器掃頻范圍為2 MHz—30 MHz，掃頻速率為100 kHz/s。產生一個約26 dBm的射頻信號，射頻衰減表中的頻率間隔為12.2 kHz，共有2 296個頻點對應的衰減值，通過127個衰減碼來控制輸出大小，每個衰減碼衰減0.25 dB，因此，整機輸出的射頻范圍約為-5.75 dBm—26 dBm。

假設目標功率p0=100 W，功放設備增益量g0=34 dB時，在理想狀態下，通過公式（1）和（2）可以算出激勵器的輸出射頻為r'0=r0-g0=10lg（105）-34=16 dBm，因此，若射頻衰減表中的衰減值設置為10 dB，需啟用40個衰減碼。

假設由于設備和環境等因素的影響，2 296個頻點在第一輪掃頻時的輸出功率調整到50 W～150 W之間進行波動，利用MATLAB7.6.0仿真軟件模擬射頻功率自適應算法自動調整衰減碼，在多輪迭代下的輸出功率如圖2所示，衰減碼的調整情況如圖3所示，其中正數部分為需要新增的衰減碼個數，負數部分為需要減少的衰減碼個數。

通過圖2和圖3可以看出，射頻功率自適應算法使得激勵器每輪的輸出功率不斷向目標功率進行收斂，在5次迭代調整后，可使得輸出功率調整到94.4 W～100 W之間，最大限度地趨近目標功率，且不會超出目標功率，能有效地保護功放設備不會被損壞。

5 結束語

本文對激勵器射頻信號的輸出和控制流程進行分析，利用“控制衰減碼-查詢功率-控制衰減碼-查詢功率”的差值迭代模型，提出了小增益大衰減的射頻功率自適應算法。仿真實驗證明射頻功率自適應算法可以根據前一輪的實際功率自動調整下一輪的射頻輸出。通過若干輪自動調整后，可使得實際功率逐漸趨近目標功率，可以解決因設備和環境等因素的變動對射頻功率造成的影響，故也適用于因射頻加載了FSK調制而引起的功率降低的問題[10]，加強了激勵器的適應性和健壯性，具有很強的實用價值。

參考文獻：

[1] 張春艷，徐開軍，王書旺，等. 短波通信實時選頻技術研究及其實現[J]. 電子世界， 2012（19）： 18-19.

[2] 張艷娜，羅德宏. 寬帶Chirp技術的應用[J]. 現代電子技術， 2009，32（9）： 11-14.

[3] 李曉陸. 電離層Chirp探測信號處理及應用研究[D]. 廣州： 華南理工大學， 2003.

[4] 王朝相. 基于短波Chirp信號的數據傳輸系統調制解調器的研究與實現[D]. 廣州： 華南理工大學， 2006.

[5] 蔣正萍. 調頻激勵器的設計與實現[J]. 通信技術， 2010，43（9）： 50-53.

[6] 徐碩，王宇，沈丹丹，等. 基于Chirp信號的傳輸功率控制超短波漁船通信系統[J]. 漁業現代化， 2015，42（5）： 48-52.

[7] 趙洪新，陳憶元，洪偉. 一種基帶預失真RF功率放大器線性化技術的模型仿真與實驗[J]. 通信學報， 2000，21（5）： 41-47.

[8] 毛文杰，冉立新，陳抗生. 一種基于雙查找表自適應預失真結構的射頻功率放大器線性化方法[J]. 電路與系統學報， 2003，8（2）： 134-138.

[9] 秦貞良，張濤，劉艷平，等. 基于自適應遺傳算法多項式預失真技術研究[J]. 電子科技， 2014，27（4）： 12-15.

[10] 唐輝敏. 利用短波Chirp探測信號傳送短信息[J]. 移動通信， 2004（S2）： 172-173. ★endprint