一種基于自動掃頻的信道發射功率標定系統

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.廣東機電職業技術學院，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]。在軍用領域，超短波電臺得到了非常廣泛的應用[2]。隨著無線通信技術的不斷發展，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。在超短波通信設備系統工作中，電臺發射機射頻前端要保證線性地將數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，對超短波電臺發射機的設計提出了更高的要求。電臺發射機發射信號經過無線信道傳輸，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通道工作在不同頻點時具有一定的頻響差異，導致信號收發功率離散性較大。離散性的存在對于生產同一款超短波電臺的不同個體之間信號收發功率設計指標影響顯著，這些超短波電臺必須經過某些測試系統校準才能滿足信號收發功率指標的要求。為了克服頻響差異導致同款超短波電臺不同個體之間信號收發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，使得每臺移動設備的電氣性能不盡相同，這可能對移動設備的通信質量產生較大影響。為了獲得最佳的通信質量，每臺移動設備在出廠前都要進行校準并調整相關參數，這個過程就是功率校準[4]。

在超短波電臺設計生產中，根據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射功率校準。根據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的范圍內所需較準的頻點可能高達幾萬個。基于此，有必要根據研發產品的特性開發一款全頻段發射信道功率自動掃頻校準系統。

1 通信系統發信機信道ALC控制過程

發射機信號發射組成框架如圖1所示，其發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 發射機發射通路組成框架

數字信號在經過調制和上變頻處理后，由數字/模擬（Digital/Analog，D/A）轉換成固定載波的中頻信號再傳輸給發射機。發射機將發射中頻信號經過2次混頻后轉換為算法需要的發射頻點，經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，根據檢測結果再對信號進行自動電平控制（Auto Level Control，ALC）。當經過電路的信號波動較大時，通過ALC使輸出信號功率穩定不變或變化極小[5]。

為了保證發射機輸出功率穩定，在發射通道中加入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成反饋控制環路[6,7]。當發射通路信號較小時，調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送；當發射通路信號較大時，調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送。通過閉環控制，使空口輸出信號的功率基本保持恒定[8]。

對于超短波電臺設計來說，超短波常用的數字通信波形包括戰斗網、語音中繼網以及數據鏈等，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。每一跳數據周期一般在1 ms左右，周期較短的能達到0.2 ms。由于每一跳數據的ALC時間較短，因此在工程應用中需要根據電臺的個體差異對每部電臺在超短波頻段范圍內每個工作頻點的發射功率進行掃頻標定，掃頻完成后將標定得到的對應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，信道控制單元根據系統下發的跳頻頻點從EEPROM中調取相應的衰減參數和檢波模擬電壓參數，在此基礎上再根據環境變化對發射平坦度進行微調，實現快速ALC調整[10]。

2 基于自動掃頻的信道發射參數標定方法

自動掃頻功率標定系統由上位計算機、功率檢測裝置、信號發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構成

在整個掃頻過程中，上位計算機通過串口協議向信道控制模塊下發控制參數，包括目標功率、初始頻率、掃頻頻段以及線性衰減器初始值，同時讀取對應參數檢波器檢測的模擬量。自動掃頻發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

系統上電開始工作，上位機軟件先向信號發生器下發輸出信號功率值，控制信號發生器輸出穩定功率的信號。通過串口控制協議向信道控制模塊下發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，根據實時功率值調整線性衰減器的衰減值，基于閉環控制將輸出功率控制在目標功率平坦度要求的范圍內。當功率輸出達到目標值時，上位機軟件通過串口協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，直到將整個頻段的發射頻點標定存儲完成。

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

3 分析與驗證

在系統標定前，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，測試結果如圖4所示。

圖4 信道模塊標定前的掃頻輸出

在系統標定后，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射功率值。通過頻譜儀觀察記錄，測試結果如圖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頻段內射頻輸出最大功率與最小功率差值約為1 dBm，實現了較好的功率平坦輸出。

4 結 論

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