短波Chirp探測(cè)激勵(lì)器的射頻功率自適應(yīng)算法研究

譚正輝

【摘 要】為了解決功放設(shè)備或環(huán)境等因素的變化對(duì)短波Chirp探測(cè)激勵(lì)器輸出功率造成影響的問(wèn)題，通過(guò)分析輸出射頻、實(shí)際功率與目標(biāo)功率三者之間的相關(guān)聯(lián)性，采用差值迭代的方法，提出了自適應(yīng)輸出算法。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，自適應(yīng)輸出算法可以自動(dòng)調(diào)整射頻，使得實(shí)際功率逐漸趨近目標(biāo)功率，避免因外部因素給射頻功率帶來(lái)的影響，具有較好的適應(yīng)性和實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】短波 探測(cè)激勵(lì)器 射頻功率 自適應(yīng)

1 引言

短波Chirp探測(cè)激勵(lì)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“激勵(lì)器”）通過(guò)發(fā)射Chirp探測(cè)信號(hào)，經(jīng)功放設(shè)備放大后輸出，使接收方能實(shí)時(shí)感知電離層對(duì)信道的反射情況[1-2]，是頻率管理系統(tǒng)中RTCE（Real Time Channel Evaluation，實(shí)時(shí)信道探測(cè)）的重要組成部分[3]，具有硬件簡(jiǎn)單、信號(hào)靈活、互擾性低等特點(diǎn)[4]。

由于設(shè)備和環(huán)境等因素對(duì)射頻功率有一定的影響，在一定的環(huán)境條件下，激勵(lì)器需要結(jié)合功放設(shè)備對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，以便得到較為準(zhǔn)確的輸出功率。然而，在實(shí)際使用過(guò)程中設(shè)備和環(huán)境等因素都有可能出現(xiàn)變動(dòng)，每變動(dòng)一次激勵(lì)器就要重新校準(zhǔn)一次射頻，顯得十分被動(dòng)。因此，本文根據(jù)激勵(lì)器射頻校準(zhǔn)原理和流程，提出了射頻功率自適應(yīng)算法，以提高激勵(lì)器的自動(dòng)適應(yīng)能力。

2 射頻輸出與控制

激勵(lì)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(jù)探測(cè)工作參數(shù)產(chǎn)生FM/CW或FM/CW+LSB的射頻信號(hào)，并通過(guò)控制放大單元中的數(shù)控衰減碼來(lái)調(diào)整射頻輸出的大小。放大單元對(duì)輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、數(shù)控衰減和集成寬帶放大處理后輸出。窄帶跟蹤濾波單元對(duì)輸入的射頻頻率中心附近一定范圍以外的信號(hào)進(jìn)行抑制，對(duì)當(dāng)前的工作頻率進(jìn)行跟蹤濾波[5]。

基帶控制單元是激勵(lì)器的核心，主要包括主控CPU（ARM）、控制接口（FPGA）以及數(shù)字上變頻器（AD9957）等部分。為了達(dá)到功率自適應(yīng)的目的，要在ARM控制軟件中新增一個(gè)射頻功率自適應(yīng)算法模塊，再通過(guò)控制模塊調(diào)整數(shù)控衰減碼的數(shù)量，從而起到動(dòng)態(tài)調(diào)整射頻功率大小的效果。

3 射頻功率自適應(yīng)算法

3.1 自適應(yīng)流程

激勵(lì)器在掃頻前，ARM控制軟件根據(jù)功能等級(jí)讀取存儲(chǔ)器中與之對(duì)應(yīng)的射頻衰減表，然后將工作參數(shù)寫(xiě)入FPGA中，并通過(guò)控制口定時(shí)查詢(xún)功放設(shè)備的輸出功率。射頻功率自適應(yīng)流程主要有以下3個(gè)步驟[6]。

（1）控制模塊將查詢(xún)周期設(shè)置為掃過(guò)一個(gè)頻點(diǎn)間隔所需的時(shí)間，則能獲取到每個(gè)頻點(diǎn)間隔內(nèi)的輸出功率，并將目標(biāo)功率和輸出功率發(fā)送給射頻自適應(yīng)算法模塊。

（2）射頻自適應(yīng)算法模塊將輸出功率與目標(biāo)功率進(jìn)行分析比較，計(jì)算出下一輪掃頻時(shí)需要調(diào)控的衰減碼個(gè)數(shù)，并將結(jié)果返回給控制模塊。

（3）控制模塊在下一輪掃頻時(shí)，根據(jù)需要調(diào)控的衰減碼個(gè)數(shù)自動(dòng)調(diào)整數(shù)控衰減碼的數(shù)量，使得輸出的射頻功率得到自動(dòng)調(diào)整。

激勵(lì)器的射頻功率經(jīng)過(guò)多次迭代調(diào)整后得到一個(gè)接近目標(biāo)值的輸出功率[7-9]，射頻功率自適應(yīng)算法流程如圖1所示。

3.2 算法建模

假設(shè)目標(biāo)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(biāo)射頻，單位為dBm。

r0=30+l0lg（p0） （1）

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

r'0=r0-g0 （2）

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

（3）

當(dāng)功放設(shè)備在第一輪發(fā)射的射頻r1=r0時(shí)，輸出功率為p'1。從第二輪開(kāi)始，根據(jù)目標(biāo)功率與實(shí)際功率的差異，利用公式（3）計(jì)算出增益或衰減值來(lái)調(diào)整數(shù)控衰減碼，采用類(lèi)推法和歸納法列出激勵(lì)器的輸出射頻r'n、功放設(shè)備返回的功率p'n與目標(biāo)功率p0之間的關(guān)系如公式組（4）所示：

（4）

由于每個(gè)衰減碼衰減0.25 dB，可以通過(guò)公式（5）計(jì)算出激勵(lì)器在第n輪掃頻時(shí)需增加或減少的衰減碼個(gè)數(shù)?dcn。

（5）

為了避免激勵(lì)器輸出的射頻信號(hào)過(guò)高對(duì)功放設(shè)備造成損壞，對(duì)數(shù)控衰減碼的取值采取小增益大衰減的方式進(jìn)行處理，逐漸趨近目標(biāo)功率，當(dāng)計(jì)算的結(jié)果不為整數(shù)時(shí)向下取整。那么第m個(gè)頻點(diǎn)在第n輪掃頻時(shí)與數(shù)控衰減碼個(gè)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)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(quán)衡系數(shù)，當(dāng)p'i≥p0時(shí)采取大衰減處理，λ=1；當(dāng)p'i

（6）

函數(shù)F（fm， ?dcn）表示序號(hào)為m的頻點(diǎn)fm，與在第n輪與之對(duì)應(yīng)的衰減碼個(gè)數(shù)?dcn的關(guān)系；floor表示將計(jì)算結(jié)果向下取整。當(dāng)?dcn>0時(shí)，表示頻率fm在下一輪掃頻需要對(duì)射頻進(jìn)行增益處理，在上一輪的基礎(chǔ)上減少?dcn個(gè)衰減碼；當(dāng)?dcn<0時(shí)，表示頻率fm在下一輪掃頻需要對(duì)射頻進(jìn)行衰減處理，在上一輪的基礎(chǔ)上增加?dcn個(gè)衰減碼。

4 仿真分析

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

現(xiàn)有的激勵(lì)器掃頻范圍為2 MHz—30 MHz，掃頻速率為100 kHz/s。產(chǎn)生一個(gè)約26 dBm的射頻信號(hào)，射頻衰減表中的頻率間隔為12.2 kHz，共有2 296個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的衰減值，通過(guò)127個(gè)衰減碼來(lái)控制輸出大小，每個(gè)衰減碼衰減0.25 dB，因此，整機(jī)輸出的射頻范圍約為-5.75 dBm—26 dBm。

假設(shè)目標(biāo)功率p0=100 W，功放設(shè)備增益量g0=34 dB時(shí)，在理想狀態(tài)下，通過(guò)公式（1）和（2）可以算出激勵(lì)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(shè)置為10 dB，需啟用40個(gè)衰減碼。

假設(shè)由于設(shè)備和環(huán)境等因素的影響，2 296個(gè)頻點(diǎn)在第一輪掃頻時(shí)的輸出功率調(diào)整到50 W～150 W之間進(jìn)行波動(dòng)，利用MATLAB7.6.0仿真軟件模擬射頻功率自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)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(diào)整情況如圖3所示，其中正數(shù)部分為需要新增的衰減碼個(gè)數(shù)，負(fù)數(shù)部分為需要減少的衰減碼個(gè)數(shù)。

通過(guò)圖2和圖3可以看出，射頻功率自適應(yīng)算法使得激勵(lì)器每輪的輸出功率不斷向目標(biāo)功率進(jìn)行收斂，在5次迭代調(diào)整后，可使得輸出功率調(diào)整到94.4 W～100 W之間，最大限度地趨近目標(biāo)功率，且不會(huì)超出目標(biāo)功率，能有效地保護(hù)功放設(shè)備不會(huì)被損壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)激勵(lì)器射頻信號(hào)的輸出和控制流程進(jìn)行分析，利用“控制衰減碼-查詢(xún)功率-控制衰減碼-查詢(xún)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(yīng)算法。仿真實(shí)驗(yàn)證明射頻功率自適應(yīng)算法可以根據(jù)前一輪的實(shí)際功率自動(dòng)調(diào)整下一輪的射頻輸出。通過(guò)若干輪自動(dòng)調(diào)整后，可使得實(shí)際功率逐漸趨近目標(biāo)功率，可以解決因設(shè)備和環(huán)境等因素的變動(dòng)對(duì)射頻功率造成的影響，故也適用于因射頻加載了FSK調(diào)制而引起的功率降低的問(wèn)題[10]，加強(qiáng)了激勵(lì)器的適應(yīng)性和健壯性，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張春艷，徐開(kāi)軍，王書(shū)旺，等. 短波通信實(shí)時(shí)選頻技術(shù)研究及其實(shí)現(xiàn)[J]. 電子世界， 2012（19）： 18-19.

[2] 張艷娜，羅德宏. 寬帶Chirp技術(shù)的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2009，32（9）： 11-14.

[3] 李曉陸. 電離層Chirp探測(cè)信號(hào)處理及應(yīng)用研究[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2003.

[4] 王朝相. 基于短波Chirp信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2006.

[5] 蔣正萍. 調(diào)頻激勵(lì)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 通信技術(shù)， 2010，43（9）： 50-53.

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

[7] 趙洪新，陳憶元，洪偉. 一種基帶預(yù)失真RF功率放大器線(xiàn)性化技術(shù)的模型仿真與實(shí)驗(yàn)[J]. 通信學(xué)報(bào)， 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(yīng)預(yù)失真結(jié)構(gòu)的射頻功率放大器線(xiàn)性化方法[J]. 電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)， 2003，8（2）： 134-138.

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

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