一種預/后選器控制系統的設計及應用

李　紅，柴　瑞，趙　凡，阮　斌

(陜西烽火通信集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

0　引言

當今電磁信號日益密集、復雜，對通信對抗設備的反干擾能力要求越來越高。短波跳頻電臺[1]作為新一代的通信對抗設備，具有較強的抗干擾、抗截獲能力，使其在現代的電子戰中顯示出巨大的優越性。短波預/后選器[2]就是針對新一代通信對抗設備研制的關鍵件。預選器置于電臺接收機前端，濾除工作頻帶以外的無用信號，提高其信噪比。后選器置于發信機功率放大器前端，濾除工作頻帶以外的諧波，減小其輻射干擾。因此，它對提升短波跳頻電臺的性能及通話質量具有重要的意義。

本文提出的短波預/后選器的重要組成部分是數字調諧跳頻濾波器[3]，且收發共用。國內外針對跳頻通信系統中跳頻濾波器的高性能、小型化設計和收發共用進行了廣泛研究[4]，如：機械傳動跳頻濾波器、大功率頻選組件和基于MEMS技術的調諧濾波器等。在實際應用中，跳頻濾波器主要有單元組合式濾波器組、使用可變參數器件式濾波器、數字式濾波器和數字調諧濾波器4種實現方案。其中，數字調諧跳頻濾波器與其他跳頻濾波器相比，具有頻率控制特性好、高速、點數多、體積小、窄帶、功率高和低差損的特點，因而被越來越多的預/后選器采用。

數字調諧跳頻濾波器外部調諧碼為標準8位并行二進制編碼，允許最多256個調諧點。這些諧振點控制碼儲存在跳頻濾波器存儲器中。不同的跳頻濾波器電容陣列中的電容存在誤差，引起濾波器諧振電路控制碼一致性差，造成存儲器中控制程序不固定；跳頻濾波器中的存儲器擦除、寫入都需要專門編程器，在使用時即使只要求修改一個或少數幾個數據也需要將其從系統中取出，編程后再裝入系統；而該存儲器貼片封裝，引腳多且密集，引腳間距0.5 mm，對焊接工技能要求高。

本文利用可在線擦寫程序的單片機，提出去掉跳頻濾波器中的存儲器，由單片機控制電路直接控制跳頻濾波器諧振電路控制碼的方法，有效地解決了上述問題，并得到推廣和應用，效果良好。

1　數字調諧跳頻濾波器的控制原理

傳統的數字調諧跳頻濾波器由硬件和軟件組成，可以達到250點小步進跳頻[5]。硬件由并行EEPROM存儲器AT28C256[6]、高壓驅動電路、PIN二極管陣列電路和諧振電路組成。諧振電路由電容陣列、電感線圈組成。軟件寫在存儲器中，存儲器接收預/后選器控制電路輸出的8位控制碼信號，根據控制指令調用內部特定中心頻率點數據，輸出12路諧振電路控制碼信號。諧振電路控制信號經過高壓驅動器反相，再控制PIN二極管陣列電路，選擇電容陣列中的電容是否接入諧振電路組成LC諧振回路。諧振回路用于選擇短波射頻信號是否通過。電感線圈用于LC諧振電路、阻抗匹配器和耦合器。本文提出的數字調諧跳頻濾波器由硬件組成，同樣實現250點小步進跳頻。12路諧振電路控制碼信號由短波預/后選器控制電路產生。

2　預/后選器控制系統的設計

本文提出的短波預/后選器的濾波電路由二級3個波段的數字調諧跳頻濾波器組成，覆蓋頻率范圍1.6～30 MHz。該濾波電路是一種多達750點、小步進跳頻、頻率精度高、可通過一定功率和適合射頻段的程控帶通濾波器。傳統的短波預/后選器控制系統有多種方式，常用的有2種：① 由整機數據和時鐘控制，遵循I2C同步串行接口，采用移位寄存器作為控制電路；② 由整機的收發數據控制，遵循RS232C異步串行接口[7]，采用單片機作為控制電路。

以上2種控制系統都是產生11位并行控制碼，其中，8位碼是12路諧振電路控制碼的地址碼，2位碼控制跳頻濾波器波段轉換電路，1位碼控制收/發轉換電路。

本文提出的短波預/后選器控制系統，采用單片機作為控制電路，產生15位并行控制碼，其中12位碼控制12路諧振電路工作狀態，2位碼控制跳頻濾波器波段轉換電路，1位碼控制收/發轉換電路。該控制系統交聯關系示意圖如圖1所示。

圖1　預/后選器控制系統示意

本控制系統的優點是不需要增加工裝、儀器和設備，就可以在線擦寫控制碼。避免了修改一個或少數幾個數據也需要將存儲器從系統中取出，編程后再裝入系統的工作；另外，由于原8位控制碼改為12位控制碼，每個諧振電路控制碼都可隨機改變，每個頻率點濾波器可選擇最佳諧振電路，使得濾波器幅頻特性曲線最佳，能有效地提高增益平坦度，降低中心頻率偏差。

3　電路設計的關鍵問題

3.1　控制電路帶載能力

短波數字調諧跳頻濾波器分為3個波段：1.6～4 MHz、4～10 MHz和10～30 MHz，每個波段都是獨立的跳頻濾波器，包含10～12個諧振電路，由12位控制碼控制。傳統的跳頻濾波器需要預/后選器控制電路提供8位控制碼，選擇其12位諧振電路控制碼。每個波段的諧振電路控制碼存儲在各自的存儲器中，每位諧振電路控制碼控制2路相同的諧振電路(跳頻濾波器為雙調諧切比雪夫響應)。而本短波預/后選器控制系統直接產生12位諧振電路控制碼，每次輸出控制二級3個波段的跳頻濾波器，每位控制碼控制4～6個諧振電路。所以在設計中要考慮控制系統的帶載能力，必要時增加驅動電路。

3.2　減小波段間干擾

本控制系統中12位諧振電路控制碼同時控制多路數字調諧跳頻濾波器，相比控制傳統跳頻濾波器，該控制系統的缺點是使3段跳頻濾波器波段之間存在信號干擾。為了減小各波段間的相互干擾，電路設計時應注意：① 每個波段的跳頻濾波器是否接入通道，由波段轉換電路控制決定，因此，波段轉換電路應采用高隔離度的微電子開關；② 采用電源分控技術，使每個波段的跳頻濾波器的5 V電源不同時加電，使諧振電路的干擾降低到最小。

3.3　跳頻濾波器匹配

短波預/后選器的濾波電路采用二級數字調諧跳頻濾波器級聯而成。本短波預/后選器中的二級跳頻濾波器共用12位諧振電路控制碼，要求2個跳頻濾波器諧振電路一致性要好，在實際生產中存在匹配問題。

為了解決二級數字調諧跳頻濾波器匹配問題，可在控制電路中增加2個Flash存儲器。

4　控制電路的實現

本控制電路采用單片機LPC2194[8]。LPC2194基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU[9]，并帶有256 kByte嵌入的高速Flash存儲器，可以將數字調諧跳頻濾波器的諧振電路控制碼存入該高速Flash存儲器中，而不需要另外增加存儲芯片(存在濾波器匹配問題)；A/D轉換器轉換時間低至2.44 μs，保證了預/后選器跳頻速度；I/O口可以承受5 V電壓，高電平輸出電流最小-4 mA，低電平輸出電流最小4 mA，不需要另加驅動電路，可以直接控制PIN二極管高壓驅動電路，優化了控制方式，提高了預/后選器的可靠性和跳頻速度。

控制電路由單片機和RS-232轉換電路[10]組成。單片機通過RS-232接口，接收到整機串行控制命令后，將串行碼轉換成15位并行碼，其中：P0～P11為諧振電路控制碼，P12和P13為波段控制碼，分別控制數字調諧跳頻濾波器和波段轉換電路，選擇所需濾波器或直通工作；P14為收發控制碼，控制收/發轉換電路，選擇預選器或者后選器工作。

本控制系統中，為了方便在線更改諧振電路控制碼，軟件在HEX文件的基礎上，增加了BIN文件。實際操作中，必須先燒寫HEX文件。若更改諧振電路控制碼，再燒寫更改好的可執行BIN文件即可。

5　實驗結果

在上述設計原理的基礎上研制的短波預/后選器經過反復實驗和優化設計后，可以達到如下指標：

① 工作頻率范圍：1.6～30 MHz。

② 增益：1.5～3.5 dB。

③ -3 dB帶寬：

1.6～4 MHz：≥│±1.8%│；

4～10 MHz：≥│±1.5%│；

10～30 MHz：≥│±1%│。

1.6～4 MHz：≥20 dB；

4～30 MHz：≥45 dB。

⑤ 換頻時間：≤10 ms。

中心頻率為2 MHz和29 MHz時矢量網絡分析儀上的測試曲線如圖2和圖3所示，測試結果如表1所示。

圖2　2 MHz特性曲線

圖3　29 MHz特性曲線

表12 MHz和29 MHz測試結果

工作頻率/MHz增益/dB-3dB帶寬/%10%選擇性/dB左[1]右[1]左[1]右[1]結論22．352．872．423136合格292．471．361．625157合格注1：距離工作頻率相對值

由表1可以看出，提出的短波預/后選器在保證了選擇性指標的前提下，有較好的通帶帶寬，滿足短波跳頻電臺跳頻帶寬的需要。

由于本控制系統軟件增加在線更改數據功能，與原短波預/后選器相比，其換頻時間會延長近0.7 ms。該控制系統下的短波預/后選器換頻時間測試圖如圖4和圖5所示，最大換頻時間為9.48 ms，符合不大于10 ms的設計要求。

圖4　有信號到無信號換頻時間

圖5　無信號到有信號換頻時間

6　結束語

本文提出了一種短波預/后選器控制系統的設計方法，解決了不能在線修改數字調諧跳頻濾波器控制碼的問題，有利于提高產品部分性能和可靠性。經過測試，該控制系統的短波預/后選器與原產品相

比，各頻率點增益變化低(可選擇最佳諧振電路)，說明跳頻濾波器增益平坦，但換頻時間延長近0.7 ms，其他性能指標相當。經過實驗驗證和整機測試，表明采用該控制系統的短波預/后選器能夠滿足短波跳頻電臺數字化、高性能的發展要求。

另外，由于該控制系統可以直接控制數字調諧跳頻濾波器12路諧振電路控制碼，如果顧客需要，在合理設計數字調諧跳頻濾波器中的12路諧振電路的基礎上，在10～30 MHz頻段，跳頻步進由80 kHz提升到40 kHz成為可能。

[1]王賽宇.跳頻傳輸幀結構設計與頻率估計研究[J].無線電工程，2014，44(9)：25-27.

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[9]廣州周立功單片機發展有限公司.PHILIPS單片16/32位微控制—LPC2194數據手冊[Z]，1-27.

[10] 羅維國，吳微.RS232/TTL電平轉換芯片MAX232的原理以及應用[J].電子與電腦，1993(5)：46-47.