短波电台发射控制系统设计与应用

谈江海

(中国电子科技集团公司第30研究所，四川成都610041)

0 引言

短波通信具有独特的优点，其设备简单、使用方便灵活、通信距离远、抗干扰强，与有线通信及常规无线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受人为的破坏。因此在现代军事中，短波通信起着重要的作用，并有着广泛的应用。短波电台是短波通信的主要载体，作为其重要组成部分之一的发射机系统，如何进一步消除杂波、谐波、有效控制发射机功率、可靠的保护发射机系统成为短波电台设计的重要内容。

文中重点介绍了短波电台的发射机控制系统设计，详细讨论了增益控制、保护控制的算法及实现方法，工程试验表明该设计具有较好的性能。

1 发射机系统

电台发射机系统由基带数字部分、信道部分和功放功率放大部分构成。基带数字部分发射中频信号送入信道部分，经混频、放大、滤波处理后送入功率放大部分，信号放大后送入天线［1］。电台发射机的主要功能是完成对输入信号的调制、频率改变、滤波、放大等功能。一般情况下，射频发射机有两种实现方式，一种是直接上变频法，即将调制与上变频在一个电路里完成;另外一种是超外差式，即将调制与上变频分开，先在比较低的中频进行调制，再将调制好的信号变频到发射到载波频率上［2］。第二种方式目前使用较广泛。

为了保证发射机保持最大效率，即在不同工作频率、不同工作温度，不同发射波形等条件下，都能够满功率发射，必须对发射机进行有效的功率控制。同时为了保证发射机能够可靠的工作，避免出现故障，必须设计好发射机的保护系统。

1．1 发射机增益控制

对发射机的增益控制，可以从硬件和软件两方面入手来考虑。在硬件设计中，电台采用了自动电平控制(ALC)，它是指当输入电平在较大范围内变化时，输出电平恒定不变或在允许的波动范围内变化，即当输入信号功率很不稳定或者有较大变化时，经过ALC环路控制后，输出信号的功率值在较宽的频带上都会稳定在一个相对恒定的幅度值上，起到自适应调整系统增益的作用［3］。电台主要采用了衰减器的环路反馈设计方法来控制功放系统增益。

软件方面，则主要考虑发射功率的校准，其目的是保证发射机在不同的工作温度、不同的频率，都能输出相同的功率。此外由于温度、电流、电压等变化都能引起发射功率变化，因此应考虑自动增益控制，既保护好发射机，又同时使其发挥最大效率。

1．2 发射机保护控制

发射机在工作过程中，其温度、电流、驻波比、发射功率等都在发生变动，发射机保护系统的主要目的就是保证发射机在各种异常情况下不被损坏，并尽可能的坚持工作［4］。其主要功能有两方面:①在过压、过流、过温、过激励的时候对发射机的工作状态做相应处理，并同时报警;②监测发射机的工作状态，电台会实时监测电压、电流、温度、发射功率，驻波比等信息，并上报到显示终端。

在具体的保护控制设计中，通常需要考虑过激励保护、驻波保护、温度保护以及过流保护等，在发射机工作过程中，这些保护措施相互协作来完成保护控制。

2 发射控制系统设计与应用

短波电台的发射控制系统基本的组成包括信道处理、功率放大器等。在本系统的设计中，为了在中频信号及射频信号中滤出杂波及谐波，分别增加了预后选器和谐波滤波器。其基本的控制系统框图如图1所示。

整个发射控制系统主要由信道处理单元、预后选器单元、选频检波单元、功率放大单元、功放保护单元等组成。其中功率检测器件实时向功放保护单元上报正向和反向功率检测电压，利用该检测值，可以计算出此时的发射功率以及驻波比，从而进行激励保护控制和驻波保护控制。功率放大器主要由驱动放大器和末级功放组成，其中末级功放配有温度检测器，定时上报当前温度。功放保护单元和信道控制单元可以做出相应的温度保护控制和增益控制。

图1 发射控制系统框Fig．1 Transmission control system frame

除射频组件外，在具体的控制设计过程中，主要设计了信道控制板，功放控制板，以及显示控制板。信道控制板主要功能是信道机控制，包括发射增益控制、收发控制、换频控制等，同时还要和功放控制板以及显示控制板通信，控制芯片采用DSP;功放控制板的主要功能是功放保护、正反向功率检测电压、功放温度、电流等信息采集，状态上报等，控制芯片采用单片机;显示控制板主要功能是菜单显示，参数控制等，控制芯片采用ARM。这三块板子之间通过网口和串口进行通信，共同完成发射机系统控制。

2．1 发射机增益控制设计与应用

由于发射机系统的衰减器、预后选器、谐波滤波器等在不同工作频率下、不同温度下，其特性并不一致。比如对不同的频率，输出相同的发射衰减量，输出的功率可能不一致，为了达到工作在任意频率，发射机都能输出相同的功率，必须进行功率校准。

在校准之前，需要先进行功率定标，即在整个短波频段，根据滤波器的特性，每个频段选择部分频率作为基准参考点。借助于频谱分析仪，对每个参考点进行发射功率测定，确定该频点对应的正向功率参考值。定标的算法流程图如图2所示。

定标完成之后再进行功率校准。功率校准前，需生成校准频率库。选择的依据是短波信道频段划分和滤波器特性，通常低频段频率选择的多一些，高频频率选择的少一些，同时滤波器频率特性拐点处的频率应作为校准频率。

图2 功率定标算法流程Fig．2 Power confirming flow chart

自动校准开始后，电台从第一个频率开始校准，完成之后，再进行第二个频率校准，直到最后一个频率校准完成。此时，会生成一张频率与发射衰减量对应的一张表。功率校准的算法流程图如图3所示。

图3 功率校准算法流程Fig．3 Power adjusting flow chart

发射机工作过程中通过查表的方法确定当前工作频率对应的控制衰减量，从而控制其发射功率。另外由于预后选器、功放等在不同的工作温度，其输出特性存在不一致，从而给发射功率带来影响。因此，电台专门测试出了温度、功率的变化曲线，根据该曲线对发射功率再做进一步的细微调整。通过实际的验证测试，发射功率的波动范围可以控制在－1～+0．5 dB范围内，基本满足实际需要。

2．2 发射机保护控制设计与应用

发射机保护系统包括过激励、过驻波、过温保护等。谐波滤波器输出检波后的功率正向、反向电压，然后功放控制单元的ADC进行采集，计算并判断是否过激励或过驻波。功放控制单元直接通过温度传感器采集温度，判断温度是否过高，当过激励、过驻波或过温的时候，会关闭功放，并将这些状态信息上报给信道控制单元进行下一步处理。保护控制框图如图4所示。

图4 保护控制框Fig．4 Protection control frame

2．2．1 发射机过激励保护设计与应用

过激励保护是指发射功率超过额定值一定程度时，为避免发射系统受到损坏而采取的相应措施。

功放控制单元采集正向和反向功率电压。需要指出的是，该检测电压值包含了噪声电平。同时，由于硬件电路的特性，该检测电压并不是绝对不变的，而是波动的，有波峰、波谷。因此为了得到准确的正、反向检测电压，一方面，应首先检测出各个频段的正向和反向的噪声电平。在实际的计算过程中，再分别减去各自的噪声电平;另一方面，开始发射后，考虑到刚开始发射瞬间，功率可能出现过冲等不稳定现象，因此采样的时候，延时一段时候再采集数据，并采集多个样点，求取的平均值作为最终值。通过这两个方法，我们可以得到比较准确的正、反向电压，并据此计算出发射功率和驻波比。

具体的过激励保护措施为:当检测计算出的功率超过门限值的时候，发射机立即切换为接收状态。且当再次发射的时候，发射功率应减半，然后再逐步提升功率至额定值。

2．2．2 发射机驻波保护设计与应用

驻波比(SWR)全称为电压驻波比(VSWR)。在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发射机的阻抗不匹配，高频能量就会在天线产生反射波折回，和入射波在天馈系统汇合产生驻波。驻波比可以反应天馈系统中的驻波特性，检验馈线传输效率。电压驻波比过大，将缩短通信距离，反射功率将返回发射机功放部分致其烧坏，影响通信系统正常工作。因此有必要进行驻波保护。

硬件上，通常采用的保护电路有:基于隔离器的保护电路、基于环行器的驻波保护电路和基于双向定向耦合器的反射保护电路［5］。软件上，则需要采集功率的正向和反向电压，通过计算得到驻波比。然后根据驻波比的大小采取相应的保护措施。

驻波比(VSWR)与正向、反向功率电压的关系如下:

式中，ρ=V－/V+，V－为反向功率电压检测平均值减去对应频段的噪声电平，V+为正向功率电压检测平均值减去对应频段的噪声电平。

理想情况下，完全无反射时，驻波比为1，但实际情况下，始终存在着反射，因此采取的保护措施为:①VSWR＜2，不做任何处理; ②2≤VSWR＜3，发射功率降半;③VSWR≥3，关闭发射机。

2．2．3 发射机温度保护设计与应用

温度保护也是发射机保护系统中一个重要设计。硬件上通常采用的方法有:传热通路尽可能短、其横截面尽可能大、热传导面积尽可能大、发热较大的元器件尽可能安装于散热器上等［1］。软件上则主要从温度的变化考虑增益的变化以及发射状态的控制。根据检测到温度分阶段进行控制，温度控制设置3个门限，从小到大，具体的值确定需要根据实际的测试来确定。当温度超过第一个门限时，发射功率适当降低;当温度超过第二个门限时，发射功率再适当降低;当温度超过第三个门限时，关闭发射机。当再次发射时，发射功率先减半，然后根据温度情况逐步提高发射功率。

3 结语

发射机保护系统设计是研究的热点之一，文中基于当前新的平台，探讨和提出了短波电台发射控制系统的设计方法，并在实践中得到了验证和应用，具有一定的理论和实际意义。但由于目前发射机系统射频组件的输出特性具有不一致性，因此如何进一步的将发射功率控制到更小的误差范围、提高检测参数的准确性、提供高可靠效性的发射系统保护值得进一步的研究。

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