短波發(fā)射機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

單鴻昌，高 俊，屈曉旭，何憲文

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)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(wǎng)［1］通信信號(hào)傳輸過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，例如信號(hào)經(jīng)過(guò)信道會(huì)產(chǎn)生衰落，信號(hào)的功率會(huì)衰減。在接收端的信號(hào)幅值并不穩(wěn)定，若接收端信號(hào)功率過(guò)小，接收機(jī)將無(wú)法把信號(hào)解調(diào)出來(lái)。但發(fā)射端信號(hào)功率過(guò)大，又是一種資源浪費(fèi)［2］。短波信道中對(duì)信號(hào)存在很多干擾，如大氣噪聲、工業(yè)干擾及工作頻率相近的其他無(wú)線電臺(tái)的干擾，在發(fā)射機(jī)端進(jìn)行功率控制可有效抗干擾［3］。當(dāng)短波發(fā)射機(jī)功放的輸出端通過(guò)天線調(diào)諧器連接天線時(shí)，反向功率可能過(guò)大而燒壞功放，要對(duì)功率進(jìn)行控制以保護(hù)天線調(diào)諧器和功放［4］。綜上所述，短波發(fā)射機(jī)功率的自適應(yīng)控制在短波通信中具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA和DSP芯片的數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)，以在短波組網(wǎng)通信中解決信號(hào)衰落和信道干擾給信號(hào)功率帶來(lái)的問(wèn)題，并對(duì)反向功率進(jìn)行保護(hù)。

1 功率自適應(yīng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(yīng)包括以信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制及反向功率保護(hù)2個(gè)方面。以信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制，總體設(shè)計(jì)為發(fā)信方發(fā)射機(jī)將信號(hào)通過(guò)天調(diào)發(fā)射出去，各個(gè)收信方的接收機(jī)收到信號(hào)后，將誤碼率及信噪比通過(guò)各個(gè)收信方的發(fā)射機(jī)反饋給發(fā)信方，發(fā)信方發(fā)射機(jī)的DSP單元根據(jù)反饋回來(lái)的信噪比及誤碼率產(chǎn)生控制命令，送給衰減器單元，達(dá)到功率控制的目的;反向功率保護(hù)總體設(shè)計(jì)為發(fā)射機(jī)的FPGA功率檢測(cè)單元將檢測(cè)到的反向功率送給DSP單元，DSP單元根據(jù)反向功率產(chǎn)生衰減碼，送給衰減器單元，達(dá)到反向功率保護(hù)的目的。

2 反向功率保護(hù)單元設(shè)計(jì)

2.1 FPGA功率檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FPGA功率檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 FPGA功率檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Design of FPGA power detection unit

設(shè)計(jì)FPGA功率檢測(cè)單元的目的，是因?yàn)榘l(fā)射機(jī)激勵(lì)器部分存在數(shù)字上變頻過(guò)程，即將音頻信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移到射頻上，以便在短波中進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，此時(shí)采樣率過(guò)高，不便于在DSP中進(jìn)行計(jì)算，所以要經(jīng)過(guò)FPGA功率檢測(cè)單元，將數(shù)據(jù)的采樣率降低，傳輸?shù)紻SP中。

由功率后端的耦合器耦合出來(lái)的反向功率首先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻模塊，此模塊是將信號(hào)從發(fā)射射頻上進(jìn)行頻譜搬移到基帶上，數(shù)字下變頻的原理［5］如圖3所示，本模塊由FPGA實(shí)現(xiàn)，NCO IP核產(chǎn)生正弦波，以I路為例，信號(hào)與NCO產(chǎn)生的正弦波相乘后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻分量和一個(gè)低頻分量，Q路相同，NCO產(chǎn)生正弦波的頻率由DSP決定。

數(shù)字下變頻后，要經(jīng)過(guò)降采樣濾波模塊處理。降采樣濾波的作用是降低數(shù)據(jù)的采樣率同時(shí)濾除帶外的雜波分量。降采樣濾波由FPGA模塊實(shí)現(xiàn)，降采樣濾波模塊應(yīng)用 CIC濾波器［6］，CIC濾波器由FPGA通過(guò)IP核實(shí)現(xiàn)，其作用是將由經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻處理后的I路、Q路2路信號(hào)的高頻分量濾掉，保留低頻分量，達(dá)到降低采樣速率的目的。

2.2 反向功率保護(hù)的算法實(shí)現(xiàn)

反向功率保護(hù)的算法流程如圖4所示。

FPGA功率檢測(cè)單元將檢測(cè)到的反向功率送至DSP單元，與設(shè)定的反向功率門限值進(jìn)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(fā)射功率，DSP計(jì)算出功率衰減值Δ送給衰減器單元。

反向功率保護(hù)是功率自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)，沒(méi)有反向功率保護(hù)，則可能燒壞功放，一切功率自適應(yīng)控制都要以反向功率保護(hù)為基礎(chǔ)。

3 以信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制單元設(shè)計(jì)

3.1 外環(huán)功率控制算法

外環(huán)功率控制主要對(duì)目標(biāo)信噪比門限值根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和修正，修正門限值是給內(nèi)環(huán)控制一個(gè)更加精確的參考值。

外環(huán)的功率控制以用戶的通信質(zhì)量為依據(jù)，這種通信質(zhì)量通常以誤碼率作為測(cè)量指標(biāo)，根據(jù)在接收端接收到的每個(gè)用戶的誤碼率，對(duì)實(shí)際信噪比進(jìn)行調(diào)整［7］。

3.2 內(nèi)環(huán)功率控制算法

HU Rong在文獻(xiàn)［8］提出了平衡功率控制算法，在移動(dòng)通信應(yīng)用中，以信噪比平衡為準(zhǔn)則，解決了信號(hào)在傳輸過(guò)程中信號(hào)衰落、信道干擾所帶來(lái)的問(wèn)題。該算法保證了發(fā)射功率能夠保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，并且不破壞算法的收斂性。現(xiàn)將此算法應(yīng)用在短波通信中。

設(shè)pi為發(fā)信方向第i個(gè)收信方發(fā)射信號(hào)的發(fā)射功率，ri為第i個(gè)收信方接收信號(hào)的信噪比，則內(nèi)環(huán)功率控制算法可表述為:

式中ci(n)為對(duì)第i個(gè)收信方發(fā)射功率的控制系數(shù)，其取值如下

當(dāng)n=0，

當(dāng)n＞0，pi(n)≥pmax時(shí)，

pmin＜pi(n)＜pmax時(shí)，

pi(n)≤p時(shí)，

此算法在發(fā)射功率降低到保護(hù)功率pmin時(shí)，可適當(dāng)增加發(fā)射功率;在發(fā)射功率等于或高于pmax時(shí)，可適當(dāng)減小功率，故可將發(fā)射功率保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，保護(hù)功率的最高值和最低值可以根據(jù)發(fā)射功率動(dòng)態(tài)范圍來(lái)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(shí)驗(yàn)仿真效果及分析

4.1 反向功率保護(hù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖6為反向功率保護(hù)前后功放輸出功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)功放輸出為1 kW時(shí)，頻率從0～29.9 MHz每隔0.1 MHz測(cè)量一個(gè)反向功率數(shù)值，設(shè)定的反向功率保護(hù)門限值為200 W，不進(jìn)行反向功率保護(hù)時(shí)，測(cè)量到的300個(gè)反向功率數(shù)據(jù)中存在大量功率值超過(guò)門限值200 W，經(jīng)過(guò)反向功率保護(hù)后，200 W以下的功率未發(fā)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文反向功率保護(hù)算法效果較好。

圖6 反向功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 The experiment result of feedback power

4.2 基于信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制算法仿真及效果分析

仿真設(shè)定1個(gè)發(fā)信方和10個(gè)收信方，發(fā)信方的初始發(fā)射功率設(shè)定為1 kW，發(fā)射功率保護(hù)門限值為300 W，初始信噪比為7 dB，圖7為從發(fā)射功率觀察的算法仿真圖，初始發(fā)射功率為1 000 W，經(jīng)過(guò)一定步數(shù)的迭代之后，發(fā)射功率收斂為596 W，在迭代步數(shù)為20步時(shí)，改變目標(biāo)信噪比，發(fā)射功率經(jīng)過(guò)一定步數(shù)的迭代控制之后，再次收斂為一穩(wěn)定值520 W。從圖中可看出，本算法已達(dá)到功率控制的目的。

圖7 以發(fā)射功率為指標(biāo)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(biāo)信噪比為7 dB，經(jīng)過(guò)一定步數(shù)的迭代之后，實(shí)際信噪比收斂于9.1 dB，在迭代步數(shù)為20步時(shí)，目標(biāo)信噪比更改為3 dB，經(jīng)過(guò)一定步數(shù)的迭代之后，實(shí)際信噪比再次收斂于一穩(wěn)定值4.0 dB。從圖中可看出，本算法已達(dá)到功率控制的目的。

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

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前短波通信中對(duì)于發(fā)射機(jī)功率的控制僅限于保持功放的輸出線性化和穩(wěn)定性，并未考慮短波組網(wǎng)通信中信號(hào)在傳輸過(guò)程中所遇到的信號(hào)衰落、信道干擾等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化短波發(fā)射機(jī)功率自適應(yīng)系統(tǒng)，充分考慮了這些問(wèn)題，詳細(xì)分析了反向功率保護(hù)和BDPC算法的信號(hào)處理過(guò)程和算法流程，用FPGA和DSP芯片實(shí)現(xiàn)，易于移植，適用于不同的短波通信平臺(tái)。仿真分析表明了該系統(tǒng)的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中效果較好。

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