李云，馮永浩，吳曉麗，王寶良

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077）

超短波電臺節(jié)電單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?

李云，馮永浩，吳曉麗，王寶良

（空軍工程大學(xué)電訊工程學(xué)院，西安710077）

為實(shí)現(xiàn)便攜式超短波電臺節(jié)電目的，從降低靜態(tài)和動態(tài)功率消耗兩方面，提出了某型電臺節(jié)電改造方案。通過簡化改進(jìn)頻合電路，減少靜態(tài)功耗；采用功率自適應(yīng)控制，利用嵌入式技術(shù)和數(shù)字電位器，使電臺隨接收信號強(qiáng)弱自動調(diào)整發(fā)射功率大小，并較好解決了電波傳輸損耗與通信距離、數(shù)字電位器控制關(guān)系的非線性問題，降低了動態(tài)功耗。實(shí)測表明，在保持原電臺通信性能不變的情況下，靜態(tài)功耗可降低40%，動態(tài)功耗可降低16%～58%。該方法的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)途徑可供其它類似電臺節(jié)電改造或設(shè)計(jì)時(shí)參考。

超短波電臺；節(jié)電；數(shù)字電位器；自適應(yīng)功率控制；功耗

1 引言

隨著節(jié)能降耗、綠色環(huán)保理念的普及，節(jié)電技術(shù)不僅在能源、機(jī)電、化工等高耗能行業(yè)得到重視和應(yīng)用［1-3］，也正日益擴(kuò)展到電子、通信等方面。雖然電子設(shè)備用電量相對較低，但研究其節(jié)電技術(shù)意義同樣很大，以電池供電的各種通信設(shè)備，特別是便攜式、背負(fù)式電臺，為了攜帶方便，且使電池供電時(shí)間盡可能地長，通常都要求其耗電量減小到最低限度。由于用電方式和具體結(jié)構(gòu)的差異，各領(lǐng)域在節(jié)電技術(shù)方面各有不同。在通信領(lǐng)域，移動通信基站數(shù)量大，耗電量占到總運(yùn)營耗電的60%～70%，通過采用基站智能節(jié)電技術(shù)，評估基站實(shí)時(shí)話務(wù)水平，根據(jù)判決結(jié)果，將不需要的TCH TRX轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)電目的［4］。由于一個(gè)基站有多個(gè)收發(fā)通道，因此，主要是通過增加軟件功能，實(shí)現(xiàn)對TCHTRX的管理。針對便攜式電臺，同樣可以利用智能化方式，通過增加判斷和響應(yīng)模塊，降低發(fā)射功率和待機(jī)消耗，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。本文基于上述思想研制了以微處理器為核心的電臺節(jié)電單元，它不改變電臺原有操作規(guī)程，通過數(shù)字器件和單片機(jī)，使電臺的發(fā)射功率由固定發(fā)射變?yōu)樽赃m應(yīng)發(fā)射，從而在保證通信質(zhì)量的條件下，降低了電源消耗，達(dá)到了節(jié)電的目的，效果顯著。

2 便攜式超短波電臺的節(jié)電設(shè)計(jì)

圖1 某超短波電臺的節(jié)電改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of a VHF radio power saving improvement

某通用超短波電臺的基本組成（不含其中的虛線部分）如圖1所示。節(jié)電技術(shù)改造主要針對原電臺功耗較大、電臺持續(xù)工作時(shí)間短的問題，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用技術(shù)水平，有選擇地對部分單元進(jìn)行改進(jìn)。靜態(tài)功耗，主要通過對原電臺頻合單元的改造實(shí)現(xiàn)。新的數(shù)字頻合單元以大規(guī)模集成電路145156為核心，以單片機(jī)為控制單元，取代了原電臺的中、小規(guī)模集成電路，將原電臺中的兩個(gè)屏蔽盒合并為一個(gè)屏蔽盒，簡化了電路，明顯降低了靜態(tài)待機(jī)功耗。二是降低動態(tài)功耗，主要通過發(fā)射功率自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。即新增的控制單元根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱，自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率的大小，將原電臺的固定發(fā)射功率變?yōu)槎嗉壵{(diào)節(jié)，既明顯降低了發(fā)射功率，又有利于通信的隱蔽性。圖1中的虛線部分是某超短波電臺增加的節(jié)電控制單元及與原電臺其它部分的關(guān)系。

2.2.1 數(shù)字頻合部分改進(jìn)設(shè)計(jì)

數(shù)字頻合部分組成框圖見圖2，由數(shù)字部分和VCO部分組成。與原電臺相比，用MC145156鎖相環(huán)芯片配以前置分頻器MC12051，采用單片機(jī)預(yù)置分頻系數(shù)，對VCO信號直接分頻，取消了過去的混頻方案，去掉原電臺的諧選部分，大大簡化了頻合部分結(jié)構(gòu)，降低了電源消耗。

2.1 節(jié)電改進(jìn)的基本要求

對在用電臺的節(jié)電改進(jìn)，應(yīng)不改變原電臺的功能、主要技術(shù)性能（功耗除外）和使用方法等，不對其作結(jié)構(gòu)性的調(diào)整，改造完成的功能模塊完全安裝在電臺內(nèi)部，并安全可靠。

對電臺的改進(jìn)需要增加監(jiān)測和控制電路，為便于安裝，將這兩部分集成一體，該節(jié)電控制單元具有以下功能：

（1）狀態(tài)檢測：根據(jù)接收機(jī)高放部分檢出的信號，決定高放之后所有電路（包括中放、頻合、基帶等電路）是否工作，達(dá)到接收機(jī)的休眠／工作控制；

（2）功率控制：根據(jù)接收機(jī)中放檢出信號強(qiáng)度自適應(yīng)控制發(fā)射功率大小，降低發(fā)射機(jī)功耗；

（3）節(jié)電控制單元短接控制：必要時(shí)，可通過簡單的操作短路節(jié)電單元，恢復(fù)原來供電方式，不影響電臺原功能和性能。

2.2 節(jié)電設(shè)計(jì)方案

節(jié)能降耗改造主要從兩個(gè)方面入手。一是降低

圖2 數(shù)字頻合部分改進(jìn)方框圖Fig.2 Block diagram of digital frequency synthesizer improvement

10 MHz溫補(bǔ)晶振信號經(jīng)74HC390組成的÷50分頻器，送到MC145152的OSCin端，經(jīng)內(nèi)部參考分頻比為8的固定分頻后得到25 kHz鑒相器輸入?yún)⒖夹盘栴l率，鑒相器另一路輸入信號是由VCO信號直接經(jīng)由MC12015前置分頻器和MC145156內(nèi)部÷N、÷A計(jì)數(shù)器、單片機(jī)等組成的吞除可變分頻器分頻得到，兩路信號同時(shí)加到鑒相器，鑒相器將兩信號的相位差轉(zhuǎn)為控制電壓輸出，經(jīng)二階有源環(huán)路低通濾波器的濾波，控制VCO的頻率變化，直到進(jìn)入同步狀態(tài)為止。

波道編碼部分的作用是將原電臺面板頻率旋鈕的13個(gè)端口的模擬量轉(zhuǎn)換為能為單片機(jī)識別的數(shù)字量。單片機(jī)將根據(jù)面板設(shè)置的頻率，計(jì)算出所要的÷N、÷A計(jì)數(shù)器編碼對應(yīng)的分頻比，收、發(fā)時(shí)分頻比不同，由PTT信號決定計(jì)算公式。分頻比通過SPA總線送到PLL芯片。

2.2.2 節(jié)電控制單元

節(jié)電控制單元從動態(tài)降低電臺發(fā)射功率考慮，通過對通信過程中接收信號的電平估計(jì)，在保證通信質(zhì)量的條件下，控制和調(diào)節(jié)發(fā)射功率，使電臺發(fā)射功率由一個(gè)基本恒定值變?yōu)殡S通信過程可變的動態(tài)值。節(jié)電控制單元的工作流程如圖3所示。

圖3 節(jié)電控制單元的工作流程Fig.3 Flowchartof power saving control unit

由于超短波電臺利用直射波通信，其信號經(jīng)空中傳播到達(dá)電臺接收端，具有一定的衰減，衰減量主要與通信距離有關(guān)［5］，在同一種電臺構(gòu)成的通信系統(tǒng)中，最大作用距離是確定的，接收信號電平大小基笨能反映通信雙方之間的距離。如果檢測并判斷出接收信號大小，在保證通信質(zhì)量的前提下，按照一定的算法，就可以設(shè)法控制功放電路的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率根據(jù)通信距離需要進(jìn)行調(diào)節(jié)?；诖怂枷耄O(shè)計(jì)節(jié)電控制單元的組成框圖如圖4所示。智能化控制發(fā)揮作用。具體應(yīng)用時(shí)，用控制脈沖計(jì)數(shù)的方法來調(diào)整數(shù)字電位器的阻值，其外特性表現(xiàn)不是電流或電壓，而是電阻或電阻比率，其實(shí)質(zhì)是一種特殊形式的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它有功耗低、溫度漂移性低、可靠性高、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，在現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣。數(shù)字電位器根據(jù)阻值變化范圍、可承受耐壓等，有不同的型號。不同數(shù)字電位器器件的管腳、電氣性能和控制條件等有所不同。如具有相同的阻值（電壓），則該器件中的電阻陣列越多，分辨率就越高。由于數(shù)字電位器輸出的是電壓VW，其實(shí)質(zhì)上是一種特殊形式的數(shù)模變換器。

圖5及表1是一種較典型的非易失性數(shù)字電位器MAX5160的結(jié)構(gòu)框圖和功能表，它由上／下計(jì)數(shù)器、EPROM、存儲和復(fù)位控制電路、32選一譯碼器、開關(guān)陣列和電阻陣列組成。INC、U／D和CS是3個(gè)輸入控制端，INC為控制脈沖輸入端，用于調(diào)整阻值大小，當(dāng)片選CS為低電平時(shí)，MAX5160工作，INC在脈沖的下降沿使計(jì)數(shù)器的值根據(jù)U／D的值加1或減1，加／減計(jì)數(shù)器通過32選1譯碼器去控制接通某個(gè)電子開關(guān)，從而把電阻陣列上的某個(gè)點(diǎn)連接到中間的輸出滑動抽頭W上。當(dāng)需要記憶時(shí)，CS上升沿到來，且使INC為高電平，計(jì)數(shù)器的數(shù)值被存貯在EPROM存儲器中，因此數(shù)字電位器同模擬電位器一樣具有阻值記憶功能。

圖4 節(jié)電控制單元組成框圖Fig.4 Block diagram of power saving control unit

選擇電臺中頻信號，經(jīng)放大和A／D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收信號的強(qiáng)弱，依據(jù)一定的算法，判斷通信雙方相對距離，進(jìn)而決定發(fā)射功率的大小，并將計(jì)算結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為輸出脈沖數(shù)對數(shù)字電位器進(jìn)行控制，使數(shù)字電位器改變阻值而作用于功率自動電平控制電路，達(dá)到根據(jù)通信距離自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小的目的。

這里，利用數(shù)字電位器取代了原來自動電平控制電路中的固定電阻，通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來實(shí)現(xiàn)功率自適應(yīng)控制。

2.2.3 數(shù)字電位器運(yùn)用

數(shù)字電位器可看作是一種動態(tài)可控器件，它可通過編程賦值，改變阻值大小，為在電路中達(dá)到某種

圖5 非易失性數(shù)字電位器結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Block diagram of non-volatile digital potentiometer

表1 MAX5160功能表Table 1 MAX5160′s function

3 調(diào)試試驗(yàn)

3.1 控制關(guān)系的非線性修正

在實(shí)現(xiàn)功率動態(tài)控制過程中，控制算法要保證達(dá)到整個(gè)通信系統(tǒng)的質(zhì)量要求，需要處理好各種非線性關(guān)系。

3.1.1 電波空間傳播損耗與距離的非線性

根據(jù)電波傳播理論，發(fā)射功率Pt與接收功率Pr比值為

式（1）說明，在收、發(fā)兩端之間，存在著功率傳輸損耗，且傳輸損耗與兩者間的距離r、工作頻率波長λ呈非線性關(guān)系。

由于通信頻率在通信過程中保持不變，這里重點(diǎn)考慮消除由于通信距離不同而產(chǎn)生的接收電平變化的非線性影響。

以式（1）為參考，通過建立接收電平E與通信距離r函數(shù)關(guān)系模型，即式（2），使得控制單元能夠根據(jù)輸入電平數(shù)據(jù)，調(diào)整控制數(shù)據(jù)輸出，以準(zhǔn)確反映通信距離。

式中，k是修正系數(shù)。

3.1.2 數(shù)字電位器控制脈沖與輸出電壓的非線性

控制數(shù)字電位器阻值大小的脈沖數(shù)值與輸出電壓間一般不是線性關(guān)系，具有式（3）描述的非線性控制特性，即控制脈沖與輸出電壓的關(guān)系可用一函數(shù)近似表示為

即當(dāng)控制脈沖數(shù)值達(dá)到一定程度時(shí)，其輸出電壓不再隨其線性變化，而且不同型號的數(shù)字電位器的曲線斜率有所不同。同時(shí)，在使用數(shù)字電位器時(shí)，選定的最大輸出電壓不同，上述非線性關(guān)系也有所不同。

總體上，在利用VW對輸出功率A控制時(shí)，由于通信系統(tǒng)特性、電波傳播特性（不同通信頻段的傳播損耗和多徑衰落有差異），使得控制關(guān)系更加復(fù)雜。經(jīng)過分析，利用數(shù)字電位器為手段實(shí)現(xiàn)對電臺輸出功率的有效控制，需采用一個(gè)分段線性的關(guān)系函數(shù)：

式中，f為工作頻率（段），Ki（f）是一分段函數(shù)。由于非線性關(guān)系特性的存在，要保證通信質(zhì)量與發(fā)射功率最佳匹配，應(yīng)考慮不同工作頻段及所采用的數(shù)字電位器的特性等因素，實(shí)施非線性修正。

在設(shè)計(jì)控制單元時(shí)，利用單片機(jī)的運(yùn)算能力，以式（4）為依據(jù)，建立修正算法，根據(jù)通信過程獲得的接收信號分析數(shù)據(jù)，自動對數(shù)字電位器進(jìn)行控制調(diào)整，達(dá)到對發(fā)射功率的自適應(yīng)控制。

3.2 測試結(jié)果及分析

利用無線電綜合測試儀等測試設(shè)備和儀表對改造后的某超短波電臺的發(fā)射功率、調(diào)制頻偏、接收靈敏度、電臺電源功耗等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)測試，其測試結(jié)果見表2。實(shí)際通信條件下的電臺功耗對比見圖6。

表2 改進(jìn)前后主要技術(shù)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)Table 2Main test data of before-and-after improvement

圖6 通話狀態(tài)發(fā)射功率對比曲線Fig.6 Contrast curve of transmitting power in converse state

從測試結(jié)果中可看出：

（1）在靜態(tài)情況下，處于待通信狀態(tài)的功耗主要是電路靜態(tài)功耗。由于更換了原電臺頻合單元、簡化電路構(gòu)成、采用低功耗器件等，雖然增加了功放部分的節(jié)電控制單元，但靜態(tài)條件下的節(jié)電效果依然較為明顯，可達(dá)40%，說明針對原電臺設(shè)計(jì)時(shí)的不足進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)是節(jié)電的有效途徑；

（2）在動態(tài)條件下，節(jié)電效果隨通信距離的變化是不同的。通信距離較近時(shí)，電臺功耗下降明顯，而在通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，降低功耗的效果有限。這是由于通信距離較近時(shí)，電臺接收信號電平較強(qiáng)，自適應(yīng)功率控制單元降低了發(fā)射功率，電臺功放電路功耗下降；而在通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，為保證通信效果，則要維持一定的發(fā)射功率，電臺功放電路的功耗就下降不多，節(jié)電效果不明顯?？傮w上，動態(tài)節(jié)電效果可在16%～58%之間。

4 結(jié)束語

降低便攜式通信電臺功耗具有重要意義。在不改變電池配置條件下，可增加電臺工作時(shí)限，有利于延長執(zhí)行通信任務(wù)的時(shí)間；另一方面，在電臺工作時(shí)限不變的條件下，可以減少電池?cái)?shù)量，降低整體負(fù)重。

針對某超短波電臺，通過分析其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用技術(shù)，提出了進(jìn)行節(jié)電改造的方案。從降低靜態(tài)功耗與動態(tài)功耗兩方面，采取不同策略和方法，達(dá)到了降低電臺工作時(shí)功率消耗的目的。尤其是利用功率自適應(yīng)控制原理，選用低耗且性價(jià)比高的微處理器和A／D轉(zhuǎn)換器及其它器件，通過對被控對象進(jìn)行認(rèn)真分析，找出最佳控制部位和控制方式，增加節(jié)點(diǎn)控制單元，從而降低了動態(tài)功耗。實(shí)際測試表明，在保證通信質(zhì)量的情況下，電臺根據(jù)通信條件（距離、地形、電臺運(yùn)動情況等）可自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小，總體可節(jié)電40%左右。

采用降低發(fā)射功率的改進(jìn)后，不僅節(jié)電，還減少了對電磁環(huán)境的干擾。這一設(shè)計(jì)思想對類似電臺的節(jié)電改造具有參考意義。

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LIYun was born in Suzhou，Jiangsu Province，in 1962.She received the M.S.degree in 2003.She is now an associate professor. Her research concerns electronics technique of communication.

Email：liyun0000＠163.com

馮永浩（1963—），男，江蘇無錫人，1991年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為教授，主要從事無線電導(dǎo)航裝備技術(shù)研究；

FENGYong-hao was born in Wuxi，Jiangsu Province，in 1963. He received the M.S.degree in 1991.He is now a professor.His research concerns technique of radio navigation equipment.

吳曉麗（1964—），女，陜西銅川人，2010年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事通信電子技術(shù)方面的研究；

WU Xiao-li was born in Tongchuan，Shaanxi Province，in 1964.She received the Ph.D.degree in 2010.She is now an associate professor.Her research concerns electronics technique of communication.

王寶良（1961—），男，河南鄭州人，2005年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事通信裝備技術(shù)方面的研究。

WANG Bao-liang was born in Zhengzhou，Henan Province，in 1961.He received the M.S.degree in 2005.He is now an associate professor.His research concerns communication equipment technique.

Design and Realization of Power Saving Unit for a VHF Radio

LIYun，F(xiàn)ENG Yong-hao，WU Xiao-li，WANGBao-liang
（Telecommunication Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi′an 710077，China）

In order to realize power saving of portable VHF radio，a power saving alteration plan is proposed for a radio based on reducing static and dynamic power consumption.The static power consumption is reduced through improving frequency synthesizer circuit.The dynamic power consumption is reduced through adaptive control of transmitted power，which is realized by using embedded technology and digital resistance tomake radio automatically adjust the transmitted power according to the

signal level，meanwhile the nonlinear problem between transmission loss，communication distance and digital resistance is solved.Practicalmeasurement shows that the static power consumption is reduced 40%and the dynamic power consumption 16%～58% under condition that the radio′s performance remains unchanged.The design philosophy and technique can be referenced by similar power saving improvement and design.

VHF radio；power saving；digital resistance；adaptive power control；power consumption

TN924；TN86

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.09.001

李云（1962—），女，江蘇蘇州人，2003年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事通信電子技術(shù)方面的研究；

1001-893X（2011）09-0001-05

2011-04-26；

2011-06-23