短波发射机功率自适应系统的设计与实现

单鸿昌，高 俊，屈晓旭，何宪文

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033)

0 引言

在短波通信中，功率是非常重要的资源。在短波组网［1］通信信号传输过程中，会出现很多问题，例如信号经过信道会产生衰落，信号的功率会衰减。在接收端的信号幅值并不稳定，若接收端信号功率过小，接收机将无法把信号解调出来。但发射端信号功率过大，又是一种资源浪费［2］。短波信道中对信号存在很多干扰，如大气噪声、工业干扰及工作频率相近的其他无线电台的干扰，在发射机端进行功率控制可有效抗干扰［3］。当短波发射机功放的输出端通过天线调谐器连接天线时，反向功率可能过大而烧坏功放，要对功率进行控制以保护天线调谐器和功放［4］。综上所述，短波发射机功率的自适应控制在短波通信中具有重要意义。

本文设计一个基于FPGA和DSP芯片的数字化短波发射机功率自适应系统，以在短波组网通信中解决信号衰落和信道干扰给信号功率带来的问题，并对反向功率进行保护。

1 功率自适应系统的总体设计

数字化短波发射机功率自适应系统的总体设计如图1所示。

图1 数字化短波发射机功率自适应系统总体设计框图Fig.1 Digital shortwave transmitter power control system overall design

由图1总体框图可看出，本文的功率自适应包括以信噪比和误码率为准则的功率控制及反向功率保护2个方面。以信噪比和误码率为准则的功率控制，总体设计为发信方发射机将信号通过天调发射出去，各个收信方的接收机收到信号后，将误码率及信噪比通过各个收信方的发射机反馈给发信方，发信方发射机的DSP单元根据反馈回来的信噪比及误码率产生控制命令，送给衰减器单元，达到功率控制的目的;反向功率保护总体设计为发射机的FPGA功率检测单元将检测到的反向功率送给DSP单元，DSP单元根据反向功率产生衰减码，送给衰减器单元，达到反向功率保护的目的。

2 反向功率保护单元设计

2.1 FPGA功率检测单元的设计与实现

FPGA功率检测单元的设计如图2所示。

图2 FPGA功率检测单元的设计框图Fig.2 Design of FPGA power detection unit

设计FPGA功率检测单元的目的，是因为发射机激励器部分存在数字上变频过程，即将音频信号进行频谱搬移到射频上，以便在短波中进行信号的发射，此时采样率过高，不便于在DSP中进行计算，所以要经过FPGA功率检测单元，将数据的采样率降低，传输到DSP中。

由功率后端的耦合器耦合出来的反向功率首先经过A/D转换器，转换后的数据经过数字下变频模块，此模块是将信号从发射射频上进行频谱搬移到基带上，数字下变频的原理［5］如图3所示，本模块由FPGA实现，NCO IP核产生正弦波，以I路为例，信号与NCO产生的正弦波相乘后，会产生一个高频分量和一个低频分量，Q路相同，NCO产生正弦波的频率由DSP决定。

数字下变频后，要经过降采样滤波模块处理。降采样滤波的作用是降低数据的采样率同时滤除带外的杂波分量。降采样滤波由FPGA模块实现，降采样滤波模块应用 CIC滤波器［6］，CIC滤波器由FPGA通过IP核实现，其作用是将由经过数字下变频处理后的I路、Q路2路信号的高频分量滤掉，保留低频分量，达到降低采样速率的目的。

2.2 反向功率保护的算法实现

反向功率保护的算法流程如图4所示。

FPGA功率检测单元将检测到的反向功率送至DSP单元，与设定的反向功率门限值进行比较，若低于反向功率门限值，功率衰减值Δ=0;若高于或等于反向功率门限值，则需要降低发射功率，DSP计算出功率衰减值Δ送给衰减器单元。

反向功率保护是功率自适应控制的基础，没有反向功率保护，则可能烧坏功放，一切功率自适应控制都要以反向功率保护为基础。

3 以信噪比和误码率为准则的功率控制单元设计

3.1 外环功率控制算法

外环功率控制主要对目标信噪比门限值根据实际情况进行调整和修正，修正门限值是给内环控制一个更加精确的参考值。

外环的功率控制以用户的通信质量为依据，这种通信质量通常以误码率作为测量指标，根据在接收端接收到的每个用户的误码率，对实际信噪比进行调整［7］。

3.2 内环功率控制算法

HU Rong在文献［8］提出了平衡功率控制算法，在移动通信应用中，以信噪比平衡为准则，解决了信号在传输过程中信号衰落、信道干扰所带来的问题。该算法保证了发射功率能够保持在一个合理的范围内，并且不破坏算法的收敛性。现将此算法应用在短波通信中。

设pi为发信方向第i个收信方发射信号的发射功率，ri为第i个收信方接收信号的信噪比，则内环功率控制算法可表述为:

式中ci(n)为对第i个收信方发射功率的控制系数，其取值如下

当n=0，

当n＞0，pi(n)≥pmax时，

pmin＜pi(n)＜pmax时，

pi(n)≤p时，

此算法在发射功率降低到保护功率pmin时，可适当增加发射功率;在发射功率等于或高于pmax时，可适当减小功率，故可将发射功率保持在一个合理的范围内，保护功率的最高值和最低值可以根据发射功率动态范围来决定。其算法流程图如图5所示。

图5 BDPC算法流程图Fig.5 The flow chart of BDPC algorithm

4 实验仿真效果及分析

4.1 反向功率保护实验结果及分析

图6为反向功率保护前后功放输出功率的实验结果，当功放输出为1 kW时，频率从0～29.9 MHz每隔0.1 MHz测量一个反向功率数值，设定的反向功率保护门限值为200 W，不进行反向功率保护时，测量到的300个反向功率数据中存在大量功率值超过门限值200 W，经过反向功率保护后，200 W以下的功率未发生变化，200 W以上的功率被控制到门限值以下，在190 W左右。由实验结果可以看出，本文反向功率保护算法效果较好。

图6 反向功率实验结果Fig.6 The experiment result of feedback power

4.2 基于信噪比和误码率为准则的功率控制算法仿真及效果分析

仿真设定1个发信方和10个收信方，发信方的初始发射功率设定为1 kW，发射功率保护门限值为300 W，初始信噪比为7 dB，图7为从发射功率观察的算法仿真图，初始发射功率为1 000 W，经过一定步数的迭代之后，发射功率收敛为596 W，在迭代步数为20步时，改变目标信噪比，发射功率经过一定步数的迭代控制之后，再次收敛为一稳定值520 W。从图中可看出，本算法已达到功率控制的目的。

图7 以发射功率为指标的算法仿真图Fig.7 The simulation of the algorithm according to transmitting power

图8为从信噪比观察的算法仿真图，初始目标信噪比为7 dB，经过一定步数的迭代之后，实际信噪比收敛于9.1 dB，在迭代步数为20步时，目标信噪比更改为3 dB，经过一定步数的迭代之后，实际信噪比再次收敛于一稳定值4.0 dB。从图中可看出，本算法已达到功率控制的目的。

图8 以实际信噪比为指标的算法仿真图Fig.8 The simulation of the algorithm according to SNR in practice

5 结语

当前短波通信中对于发射机功率的控制仅限于保持功放的输出线性化和稳定性，并未考虑短波组网通信中信号在传输过程中所遇到的信号衰落、信道干扰等问题，本文设计了一种数字化短波发射机功率自适应系统，充分考虑了这些问题，详细分析了反向功率保护和BDPC算法的信号处理过程和算法流程，用FPGA和DSP芯片实现，易于移植，适用于不同的短波通信平台。仿真分析表明了该系统的可行性。在实际应用中效果较好。

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