一种预/后选器控制系统的设计及应用

李　红，柴　瑞，赵　凡，阮　斌

(陕西烽火通信集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

0　引言

当今电磁信号日益密集、复杂，对通信对抗设备的反干扰能力要求越来越高。短波跳频电台[1]作为新一代的通信对抗设备，具有较强的抗干扰、抗截获能力，使其在现代的电子战中显示出巨大的优越性。短波预/后选器[2]就是针对新一代通信对抗设备研制的关键件。预选器置于电台接收机前端，滤除工作频带以外的无用信号，提高其信噪比。后选器置于发信机功率放大器前端，滤除工作频带以外的谐波，减小其辐射干扰。因此，它对提升短波跳频电台的性能及通话质量具有重要的意义。

本文提出的短波预/后选器的重要组成部分是数字调谐跳频滤波器[3]，且收发共用。国内外针对跳频通信系统中跳频滤波器的高性能、小型化设计和收发共用进行了广泛研究[4]，如：机械传动跳频滤波器、大功率频选组件和基于MEMS技术的调谐滤波器等。在实际应用中，跳频滤波器主要有单元组合式滤波器组、使用可变参数器件式滤波器、数字式滤波器和数字调谐滤波器4种实现方案。其中，数字调谐跳频滤波器与其他跳频滤波器相比，具有频率控制特性好、高速、点数多、体积小、窄带、功率高和低差损的特点，因而被越来越多的预/后选器采用。

数字调谐跳频滤波器外部调谐码为标准8位并行二进制编码，允许最多256个调谐点。这些谐振点控制码储存在跳频滤波器存储器中。不同的跳频滤波器电容阵列中的电容存在误差，引起滤波器谐振电路控制码一致性差，造成存储器中控制程序不固定；跳频滤波器中的存储器擦除、写入都需要专门编程器，在使用时即使只要求修改一个或少数几个数据也需要将其从系统中取出，编程后再装入系统；而该存储器贴片封装，引脚多且密集，引脚间距0.5 mm，对焊接工技能要求高。

本文利用可在线擦写程序的单片机，提出去掉跳频滤波器中的存储器，由单片机控制电路直接控制跳频滤波器谐振电路控制码的方法，有效地解决了上述问题，并得到推广和应用，效果良好。

1　数字调谐跳频滤波器的控制原理

传统的数字调谐跳频滤波器由硬件和软件组成，可以达到250点小步进跳频[5]。硬件由并行EEPROM存储器AT28C256[6]、高压驱动电路、PIN二极管阵列电路和谐振电路组成。谐振电路由电容阵列、电感线圈组成。软件写在存储器中，存储器接收预/后选器控制电路输出的8位控制码信号，根据控制指令调用内部特定中心频率点数据，输出12路谐振电路控制码信号。谐振电路控制信号经过高压驱动器反相，再控制PIN二极管阵列电路，选择电容阵列中的电容是否接入谐振电路组成LC谐振回路。谐振回路用于选择短波射频信号是否通过。电感线圈用于LC谐振电路、阻抗匹配器和耦合器。本文提出的数字调谐跳频滤波器由硬件组成，同样实现250点小步进跳频。12路谐振电路控制码信号由短波预/后选器控制电路产生。

2　预/后选器控制系统的设计

本文提出的短波预/后选器的滤波电路由二级3个波段的数字调谐跳频滤波器组成，覆盖频率范围1.6～30 MHz。该滤波电路是一种多达750点、小步进跳频、频率精度高、可通过一定功率和适合射频段的程控带通滤波器。传统的短波预/后选器控制系统有多种方式，常用的有2种：① 由整机数据和时钟控制，遵循I2C同步串行接口，采用移位寄存器作为控制电路；② 由整机的收发数据控制，遵循RS232C异步串行接口[7]，采用单片机作为控制电路。

以上2种控制系统都是产生11位并行控制码，其中，8位码是12路谐振电路控制码的地址码，2位码控制跳频滤波器波段转换电路，1位码控制收/发转换电路。

本文提出的短波预/后选器控制系统，采用单片机作为控制电路，产生15位并行控制码，其中12位码控制12路谐振电路工作状态，2位码控制跳频滤波器波段转换电路，1位码控制收/发转换电路。该控制系统交联关系示意图如图1所示。

图1　预/后选器控制系统示意

本控制系统的优点是不需要增加工装、仪器和设备，就可以在线擦写控制码。避免了修改一个或少数几个数据也需要将存储器从系统中取出，编程后再装入系统的工作；另外，由于原8位控制码改为12位控制码，每个谐振电路控制码都可随机改变，每个频率点滤波器可选择最佳谐振电路，使得滤波器幅频特性曲线最佳，能有效地提高增益平坦度，降低中心频率偏差。

3　电路设计的关键问题

3.1　控制电路带载能力

短波数字调谐跳频滤波器分为3个波段：1.6～4 MHz、4～10 MHz和10～30 MHz，每个波段都是独立的跳频滤波器，包含10～12个谐振电路，由12位控制码控制。传统的跳频滤波器需要预/后选器控制电路提供8位控制码，选择其12位谐振电路控制码。每个波段的谐振电路控制码存储在各自的存储器中，每位谐振电路控制码控制2路相同的谐振电路(跳频滤波器为双调谐切比雪夫响应)。而本短波预/后选器控制系统直接产生12位谐振电路控制码，每次输出控制二级3个波段的跳频滤波器，每位控制码控制4～6个谐振电路。所以在设计中要考虑控制系统的带载能力，必要时增加驱动电路。

3.2　减小波段间干扰

本控制系统中12位谐振电路控制码同时控制多路数字调谐跳频滤波器，相比控制传统跳频滤波器，该控制系统的缺点是使3段跳频滤波器波段之间存在信号干扰。为了减小各波段间的相互干扰，电路设计时应注意：① 每个波段的跳频滤波器是否接入通道，由波段转换电路控制决定，因此，波段转换电路应采用高隔离度的微电子开关；② 采用电源分控技术，使每个波段的跳频滤波器的5 V电源不同时加电，使谐振电路的干扰降低到最小。

3.3　跳频滤波器匹配

短波预/后选器的滤波电路采用二级数字调谐跳频滤波器级联而成。本短波预/后选器中的二级跳频滤波器共用12位谐振电路控制码，要求2个跳频滤波器谐振电路一致性要好，在实际生产中存在匹配问题。

为了解决二级数字调谐跳频滤波器匹配问题，可在控制电路中增加2个Flash存储器。

4　控制电路的实现

本控制电路采用单片机LPC2194[8]。LPC2194基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU[9]，并带有256 kByte嵌入的高速Flash存储器，可以将数字调谐跳频滤波器的谐振电路控制码存入该高速Flash存储器中，而不需要另外增加存储芯片(存在滤波器匹配问题)；A/D转换器转换时间低至2.44 μs，保证了预/后选器跳频速度；I/O口可以承受5 V电压，高电平输出电流最小-4 mA，低电平输出电流最小4 mA，不需要另加驱动电路，可以直接控制PIN二极管高压驱动电路，优化了控制方式，提高了预/后选器的可靠性和跳频速度。

控制电路由单片机和RS-232转换电路[10]组成。单片机通过RS-232接口，接收到整机串行控制命令后，将串行码转换成15位并行码，其中：P0～P11为谐振电路控制码，P12和P13为波段控制码，分别控制数字调谐跳频滤波器和波段转换电路，选择所需滤波器或直通工作；P14为收发控制码，控制收/发转换电路，选择预选器或者后选器工作。

本控制系统中，为了方便在线更改谐振电路控制码，软件在HEX文件的基础上，增加了BIN文件。实际操作中，必须先烧写HEX文件。若更改谐振电路控制码，再烧写更改好的可执行BIN文件即可。

5　实验结果

在上述设计原理的基础上研制的短波预/后选器经过反复实验和优化设计后，可以达到如下指标：

① 工作频率范围：1.6～30 MHz。

② 增益：1.5～3.5 dB。

③ -3 dB带宽：

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 换频时间：≤10 ms。

中心频率为2 MHz和29 MHz时矢量网络分析仪上的测试曲线如图2和图3所示，测试结果如表1所示。

图2　2 MHz特性曲线

图3　29 MHz特性曲线

表12 MHz和29 MHz测试结果

工作频率/MHz增益/dB-3dB带宽/%10%选择性/dB左[1]右[1]左[1]右[1]结论22．352．872．423136合格292．471．361．625157合格注1：距离工作频率相对值

由表1可以看出，提出的短波预/后选器在保证了选择性指标的前提下，有较好的通带带宽，满足短波跳频电台跳频带宽的需要。

由于本控制系统软件增加在线更改数据功能，与原短波预/后选器相比，其换频时间会延长近0.7 ms。该控制系统下的短波预/后选器换频时间测试图如图4和图5所示，最大换频时间为9.48 ms，符合不大于10 ms的设计要求。

图4　有信号到无信号换频时间

图5　无信号到有信号换频时间

6　结束语

本文提出了一种短波预/后选器控制系统的设计方法，解决了不能在线修改数字调谐跳频滤波器控制码的问题，有利于提高产品部分性能和可靠性。经过测试，该控制系统的短波预/后选器与原产品相

比，各频率点增益变化低(可选择最佳谐振电路)，说明跳频滤波器增益平坦，但换频时间延长近0.7 ms，其他性能指标相当。经过实验验证和整机测试，表明采用该控制系统的短波预/后选器能够满足短波跳频电台数字化、高性能的发展要求。

另外，由于该控制系统可以直接控制数字调谐跳频滤波器12路谐振电路控制码，如果顾客需要，在合理设计数字调谐跳频滤波器中的12路谐振电路的基础上，在10～30 MHz频段，跳频步进由80 kHz提升到40 kHz成为可能。

[1]王赛宇.跳频传输帧结构设计与频率估计研究[J].无线电工程，2014，44(9)：25-27.

[2]李红，包真明，冯菊芬，等.一种短波预/后选器[P].中国.ZL 2014 1 0457936.7，2016-05-25.

[3]庄永河，孟坚.数字调谐滤波器原理及方案[J].现代电子技术，2009(17)：75-78.

[4]杨玲玲.高性能跳频滤波器设计[J].电讯技术，2011，51(7)：161-165.

[5]攸立准.认知无线电跳频信号检测及特征参数提取[J].无线电通信技术，2016，42(1)：57-60.

[6]王彦.基于FPGA的工程设计与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[7]胡玮，魏伟.RS232与RS485串行接口转换电路及其编程实现[J].实验科学与技术，2010，8(1)：69-71.

[8]LPC2194.PHILIPS公司单片机数据手册[Z]，1-34.

[9]广州周立功单片机发展有限公司.PHILIPS单片16/32位微控制—LPC2194数据手册[Z]，1-27.

[10] 罗维国，吴微.RS232/TTL电平转换芯片MAX232的原理以及应用[J].电子与电脑，1993(5)：46-47.