短波Chirp探测激励器的射频功率自适应算法研究

谭正辉

【摘 要】为了解决功放设备或环境等因素的变化对短波Chirp探测激励器输出功率造成影响的问题，通过分析输出射频、实际功率与目标功率三者之间的相关联性，采用差值迭代的方法，提出了自适应输出算法。经仿真实验证明，自适应输出算法可以自动调整射频，使得实际功率逐渐趋近目标功率，避免因外部因素给射频功率带来的影响，具有较好的适应性和实用性。

【关键词】短波 探测激励器 射频功率 自适应

1 引言

短波Chirp探测激励器（以下简称“激励器”）通过发射Chirp探测信号，经功放设备放大后输出，使接收方能实时感知电离层对信道的反射情况[1-2]，是频率管理系统中RTCE（Real Time Channel Evaluation，实时信道探测）的重要组成部分[3]，具有硬件简单、信号灵活、互扰性低等特点[4]。

由于设备和环境等因素对射频功率有一定的影响，在一定的环境条件下，激励器需要结合功放设备对射频信号进行校准，以便得到较为准确的输出功率。然而，在实际使用过程中设备和环境等因素都有可能出现变动，每变动一次激励器就要重新校准一次射频，显得十分被动。因此，本文根据激励器射频校准原理和流程，提出了射频功率自适应算法，以提高激励器的自动适应能力。

2 射频输出与控制

激励器射频输出与控制的主要单元有基带控制单元、放大单元和窄带跟踪滤波单元。其中基带控制单元根据探测工作参数产生FM/CW或FM/CW+LSB的射频信号，并通过控制放大单元中的数控衰减码来调整射频输出的大小。放大单元对输入的射频信号进行低噪声放大、数控衰减和集成宽带放大处理后输出。窄带跟踪滤波单元对输入的射频频率中心附近一定范围以外的信号进行抑制，对当前的工作频率进行跟踪滤波[5]。

基带控制单元是激励器的核心，主要包括主控CPU（ARM）、控制接口（FPGA）以及数字上变频器（AD9957）等部分。为了达到功率自适应的目的，要在ARM控制软件中新增一个射频功率自适应算法模块，再通过控制模块调整数控衰减码的数量，从而起到动态调整射频功率大小的效果。

3 射频功率自适应算法

3.1 自适应流程

激励器在扫频前，ARM控制软件根据功能等级读取存储器中与之对应的射频衰减表，然后将工作参数写入FPGA中，并通过控制口定时查询功放设备的输出功率。射频功率自适应流程主要有以下3个步骤[6]。

（1）控制模块将查询周期设置为扫过一个频点间隔所需的时间，则能获取到每个频点间隔内的输出功率，并将目标功率和输出功率发送给射频自适应算法模块。

（2）射频自适应算法模块将输出功率与目标功率进行分析比较，计算出下一轮扫频时需要调控的衰减码个数，并将结果返回给控制模块。

（3）控制模块在下一轮扫频时，根据需要调控的衰减码个数自动调整数控衰减码的数量，使得输出的射频功率得到自动调整。

激励器的射频功率经过多次迭代调整后得到一个接近目标值的输出功率[7-9]，射频功率自适应算法流程如图1所示。

3.2 算法建模

假設目标功率为p0，单位为W，射频与功率之间的换算如公式（1）所示，其中r0表示目标射频，单位为dBm。

r0=30+l0lg（p0） （1）

功放设备对激励器输送的射频增益为g0 dB，因此，激励器输出的射频r'0如公式（2）所示：

r'0=r0-g0 （2）

假设rn和p'n分别表示某个频点在第n轮扫频时功放设备的输出射频和输出功率，那么在第（n+1）轮时，需要对输出射频进行增益或衰减处理，增益或衰减值可以通过公式（3）得到，单位为dB。

（3）

当功放设备在第一轮发射的射频r1=r0时，输出功率为p'1。从第二轮开始，根据目标功率与实际功率的差异，利用公式（3）计算出增益或衰减值来调整数控衰减码，采用类推法和归纳法列出激励器的输出射频r'n、功放设备返回的功率p'n与目标功率p0之间的关系如公式组（4）所示：

（4）

由于每个衰减码衰减0.25 dB，可以通过公式（5）计算出激励器在第n轮扫频时需增加或减少的衰减码个数?dcn。

（5）

为了避免激励器输出的射频信号过高对功放设备造成损坏，对数控衰减码的取值采取小增益大衰减的方式进行处理，逐渐趋近目标功率，当计算的结果不为整数时向下取整。那么第m个频点在第n轮扫频时与数控衰减码个数的对应关系如公式（6）所示，其中f0为起始频率，s0表示频率间隔，λ为小增益大衰减的权衡系数，当p'i≥p0时采取大衰减处理，λ=1；当p'i

（6）

函数F（fm， ?dcn）表示序号为m的频点fm，与在第n轮与之对应的衰减码个数?dcn的关系；floor表示将计算结果向下取整。当?dcn>0时，表示频率fm在下一轮扫频需要对射频进行增益处理，在上一轮的基础上减少?dcn个衰减码；当?dcn<0时，表示频率fm在下一轮扫频需要对射频进行衰减处理，在上一轮的基础上增加?dcn个衰减码。

4 仿真分析

根据算法模型中的公式（6）建立仿真方案，通过分析多轮扫频中衰减码与输出功率的变化情况来验证射频功率自适应算法。

现有的激励器扫频范围为2 MHz—30 MHz，扫频速率为100 kHz/s。产生一个约26 dBm的射频信号，射频衰减表中的频率间隔为12.2 kHz，共有2 296个频点对应的衰减值，通过127个衰减码来控制输出大小，每个衰减码衰减0.25 dB，因此，整机输出的射频范围约为-5.75 dBm—26 dBm。

假设目标功率p0=100 W，功放设备增益量g0=34 dB时，在理想状态下，通过公式（1）和（2）可以算出激励器的输出射频为r'0=r0-g0=10lg（105）-34=16 dBm，因此，若射频衰减表中的衰减值设置为10 dB，需启用40个衰减码。

假设由于设备和环境等因素的影响，2 296个频点在第一轮扫频时的输出功率调整到50 W～150 W之间进行波动，利用MATLAB7.6.0仿真软件模拟射频功率自适应算法自动调整衰减码，在多轮迭代下的输出功率如图2所示，衰减码的调整情况如图3所示，其中正数部分为需要新增的衰减码个数，负数部分为需要减少的衰减码个数。

通过图2和图3可以看出，射频功率自适应算法使得激励器每轮的输出功率不断向目标功率进行收敛，在5次迭代调整后，可使得输出功率调整到94.4 W～100 W之间，最大限度地趋近目标功率，且不会超出目标功率，能有效地保护功放设备不会被损坏。

5 结束语

本文对激励器射频信号的输出和控制流程进行分析，利用“控制衰减码-查询功率-控制衰减码-查询功率”的差值迭代模型，提出了小增益大衰减的射频功率自适应算法。仿真实验证明射频功率自适应算法可以根据前一轮的实际功率自动调整下一轮的射频输出。通过若干轮自动调整后，可使得实际功率逐渐趋近目标功率，可以解决因设备和环境等因素的变动对射频功率造成的影响，故也适用于因射频加载了FSK调制而引起的功率降低的问题[10]，加强了激励器的适应性和健壮性，具有很强的实用价值。

参考文献：

[1] 张春艳，徐开军，王书旺，等. 短波通信实时选频技术研究及其实现[J]. 电子世界， 2012（19）： 18-19.

[2] 张艳娜，罗德宏. 宽带Chirp技術的应用[J]. 现代电子技术， 2009，32（9）： 11-14.

[3] 李晓陆. 电离层Chirp探测信号处理及应用研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2003.

[4] 王朝相. 基于短波Chirp信号的数据传输系统调制解调器的研究与实现[D]. 广州： 华南理工大学， 2006.

[5] 蒋正萍. 调频激励器的设计与实现[J]. 通信技术， 2010，43（9）： 50-53.

[6] 徐硕，王宇，沈丹丹，等. 基于Chirp信号的传输功率控制超短波渔船通信系统[J]. 渔业现代化， 2015，42（5）： 48-52.

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[8] 毛文杰，冉立新，陈抗生. 一种基于双查找表自适应预失真结构的射频功率放大器线性化方法[J]. 电路与系统学报， 2003，8（2）： 134-138.

[9] 秦贞良，张涛，刘艳平，等. 基于自适应遗传算法多项式预失真技术研究[J]. 电子科技， 2014，27（4）： 12-15.

[10] 唐辉敏. 利用短波Chirp探测信号传送短信息[J]. 移动通信， 2004（S2）： 172-173. ★endprint