一种基于自动扫频的信道发射功率标定系统

苏 锋，李 飞，安超群

（1.广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663；2.广东机电职业技术学院，广东 广州 510515）

0 引 言

超短波电台主要工作于超短波频段，该频段的无线电波主要以视距传播的方式传输信息[1]。在军用领域，超短波电台得到了非常广泛的应用[2]。随着无线通信技术的不断发展，对军用超短波通信的性能也提出了更高的要求，包括保密性、传输速率以及抗干扰性等。在超短波通信设备系统工作中，电台发射机射频前端要保证线性地将数字中频信号成功变频为射频信号，在保持功率平坦度的前提下送入功放进行功率放大发射[3]。超短波电台工作频段在30～88 MHz，频段范围较广，对超短波电台发射机的设计提出了更高的要求。电台发射机发射信号经过无线信道传输，其功率的平坦度直接影响接收机接收信号的各项性能指标。

在超短波电台信道电路中，模拟器件组成的信号收发通道工作在不同频点时具有一定的频响差异，导致信号收发功率离散性较大。离散性的存在对于生产同一款超短波电台的不同个体之间信号收发功率设计指标影响显著，这些超短波电台必须经过某些测试系统校准才能满足信号收发功率指标的要求。为了克服频响差异导致同款超短波电台不同个体之间信号收发功率存在的差异问题，需要寻找高效的功率校准算法对每个超短波电台进行功率指标校准。移动台在组装完毕后，元器件及工艺流程本身存在误差，使得每台移动设备的电气性能不尽相同，这可能对移动设备的通信质量产生较大影响。为了获得最佳的通信质量，每台移动设备在出厂前都要进行校准并调整相关参数，这个过程就是功率校准[4]。

在超短波电台设计生产中，根据每一部电台的个体差异对电台工作全频段的工作频点进行发射功率校准。根据不同通信波形的带宽特性，超短波全频段校准频点各不相同，如果通信波形空口协议所需的通信带宽较窄，在超短波电台工作频段30～512 MHz的范围内所需较准的频点可能高达几万个。基于此，有必要根据研发产品的特性开发一款全频段发射信道功率自动扫频校准系统。

1 通信系统发信机信道ALC控制过程

发射机信号发射组成框架如图1所示，其发射通路主要组成部分为2次混频模块、混频滤波器、谐波滤波器组、定向耦合器、检波器、线性衰减器以及运算放大器。

图1 发射机发射通路组成框架

数字信号在经过调制和上变频处理后，由数字/模拟（Digital/Analog，D/A）转换成固定载波的中频信号再传输给发射机。发射机将发射中频信号经过2次混频后转换为算法需要的发射频点，经过混频滤波器对目标信号进行滤波处理。将信号传输至功率放大电路单元进行放大，定向耦合器和检波器对信号进行功率检测，根据检测结果再对信号进行自动电平控制（Auto Level Control，ALC）。当经过电路的信号波动较大时，通过ALC使输出信号功率稳定不变或变化极小[5]。

为了保证发射机输出功率稳定，在发射通道中加入ALC电路很有必要，其由定向耦合器、检波器以及线性衰减器构成反馈控制环路[6,7]。当发射通路信号较小时，调整线性衰减器减小衰减值，将信号功率增大再传输至空口发送；当发射通路信号较大时，调整线性衰减器增大衰减值，将信号功率减小再传输至空口发送。通过闭环控制，使空口输出信号的功率基本保持恒定[8]。

对于超短波电台设计来说，超短波常用的数字通信波形包括战斗网、语音中继网以及数据链等，这些通信波形均以跳频通信的方式传输，其频点跳动范围具有不确定性。每一跳数据周期一般在1 ms左右，周期较短的能达到0.2 ms。由于每一跳数据的ALC时间较短，因此在工程应用中需要根据电台的个体差异对每部电台在超短波频段范围内每个工作频点的发射功率进行扫频标定，扫频完成后将标定得到的对应频点的衰减值和检波目标值写入可擦除可编程ROM（Electrically Erasable Programmable ROM，EEPROM）存储单元[9]。在电台工作过程中，信道控制单元根据系统下发的跳频频点从EEPROM中调取相应的衰减参数和检波模拟电压参数，在此基础上再根据环境变化对发射平坦度进行微调，实现快速ALC调整[10]。

2 基于自动扫频的信道发射参数标定方法

自动扫频功率标定系统由上位计算机、功率检测装置、信号发生器以及电台信道控制模块等组成，如图2所示。

图2 自动扫频功率标定系统构成

在整个扫频过程中，上位计算机通过串口协议向信道控制模块下发控制参数，包括目标功率、初始频率、扫频频段以及线性衰减器初始值，同时读取对应参数检波器检测的模拟量。自动扫频发射功率标定算法流程如图3所示。

图3 自动扫频功率标定算法流程

系统上电开始工作，上位机软件先向信号发生器下发输出信号功率值，控制信号发生器输出稳定功率的信号。通过串口控制协议向信道控制模块下发标定频点和线性衰减器的初始值，控制信道模块混频器工作在此频点下。通过网口读取功率检测装置检测射频输出口输出信号的功率值，根据实时功率值调整线性衰减器的衰减值，基于闭环控制将输出功率控制在目标功率平坦度要求的范围内。当功率输出达到目标值时，上位机软件通过串口协议将该频点校准的衰减值和检波器的模拟电压值存储至信道模块的EEPROM中，然后标定下一个频点，不断重复，直到将整个频段的发射频点标定存储完成。

通过软件实现算法设计，在信道板发射功率的整个标定过程中只需要设定初始参数，之后将自动标定存储完成。当电台处于发射状态时，根据发射频点调取存储的功率控制参数，使电台在该发射频点的发射功率快速达到指标要求。以此为基础，当环境发生变化时再根据实时检测的偏差值对发射功率进行微调，从而有效补偿器件离散性和同一器件频向差异导致的功率差异。

3 分析与验证

在系统标定前，对信道控制模块输入固定功率的中频信号，然后控制混频单元扫频输出不同频点的功率值。通过频谱仪观察记录，测试结果如图4所示。

图4 信道模块标定前的扫频输出

在系统标定后，对信道控制模块输入固定功率的中频信号，然后控制混频单元扫频输出不同频点的信号发射功率值。通过频谱仪观察记录，测试结果如图5所示。

图5 信道模块标定后的扫频输出

由图4和图5可知：在信道模块标定前，信道板在30～88 MHz频段内射频输出最大功率与最小功率差值约为3.5 dBm；在信道模块标定后，信道板在30～88 MHz频段内射频输出最大功率与最小功率差值约为1 dBm，实现了较好的功率平坦输出。

4 结 论

基于自动扫频的信道功率发射标定系统由上位计算机、信号发生器、功率测试装置以及信道控制模块等组成，通过软件实现合理的标定算法，使该系统具有全自动化、参数灵活配置的高效标定能力。该标定系统能够准确标定各个频点的发射功率控制参数，实现发射频率跳变后的快速标定。与常规发射功率反馈控制系统相比，具有系统反应时间短、功率平坦度好以及标定效率高等优点，具有较好的应用意义。