單鴻昌，高 俊，屈曉旭，何憲文

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢430033)

0 引言

在短波通信中，功率是非常重要的資源。在短波組網(wǎng)［1］通信信號傳輸過程中，會出現(xiàn)很多問題，例如信號經(jīng)過信道會產(chǎn)生衰落，信號的功率會衰減。在接收端的信號幅值并不穩(wěn)定，若接收端信號功率過小，接收機將無法把信號解調(diào)出來。但發(fā)射端信號功率過大，又是一種資源浪費［2］。短波信道中對信號存在很多干擾，如大氣噪聲、工業(yè)干擾及工作頻率相近的其他無線電臺的干擾，在發(fā)射機端進行功率控制可有效抗干擾［3］。當(dāng)短波發(fā)射機功放的輸出端通過天線調(diào)諧器連接天線時，反向功率可能過大而燒壞功放，要對功率進行控制以保護天線調(diào)諧器和功放［4］。綜上所述，短波發(fā)射機功率的自適應(yīng)控制在短波通信中具有重要意義。

本文設(shè)計一個基于FPGA和DSP芯片的數(shù)字化短波發(fā)射機功率自適應(yīng)系統(tǒng)，以在短波組網(wǎng)通信中解決信號衰落和信道干擾給信號功率帶來的問題，并對反向功率進行保護。

1 功率自適應(yīng)系統(tǒng)的總體設(shè)計

數(shù)字化短波發(fā)射機功率自適應(yīng)系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 數(shù)字化短波發(fā)射機功率自適應(yīng)系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Digital shortwave transmitter power control system overall design

由圖1總體框圖可看出，本文的功率自適應(yīng)包括以信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制及反向功率保護2個方面。以信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制，總體設(shè)計為發(fā)信方發(fā)射機將信號通過天調(diào)發(fā)射出去，各個收信方的接收機收到信號后，將誤碼率及信噪比通過各個收信方的發(fā)射機反饋給發(fā)信方，發(fā)信方發(fā)射機的DSP單元根據(jù)反饋回來的信噪比及誤碼率產(chǎn)生控制命令，送給衰減器單元，達到功率控制的目的;反向功率保護總體設(shè)計為發(fā)射機的FPGA功率檢測單元將檢測到的反向功率送給DSP單元，DSP單元根據(jù)反向功率產(chǎn)生衰減碼，送給衰減器單元，達到反向功率保護的目的。

2 反向功率保護單元設(shè)計

2.1 FPGA功率檢測單元的設(shè)計與實現(xiàn)

FPGA功率檢測單元的設(shè)計如圖2所示。

圖2 FPGA功率檢測單元的設(shè)計框圖Fig.2 Design of FPGA power detection unit

設(shè)計FPGA功率檢測單元的目的，是因為發(fā)射機激勵器部分存在數(shù)字上變頻過程，即將音頻信號進行頻譜搬移到射頻上，以便在短波中進行信號的發(fā)射，此時采樣率過高，不便于在DSP中進行計算，所以要經(jīng)過FPGA功率檢測單元，將數(shù)據(jù)的采樣率降低，傳輸?shù)紻SP中。

由功率后端的耦合器耦合出來的反向功率首先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)字下變頻模塊，此模塊是將信號從發(fā)射射頻上進行頻譜搬移到基帶上，數(shù)字下變頻的原理［5］如圖3所示，本模塊由FPGA實現(xiàn)，NCO IP核產(chǎn)生正弦波，以I路為例，信號與NCO產(chǎn)生的正弦波相乘后，會產(chǎn)生一個高頻分量和一個低頻分量，Q路相同，NCO產(chǎn)生正弦波的頻率由DSP決定。

數(shù)字下變頻后，要經(jīng)過降采樣濾波模塊處理。降采樣濾波的作用是降低數(shù)據(jù)的采樣率同時濾除帶外的雜波分量。降采樣濾波由FPGA模塊實現(xiàn)，降采樣濾波模塊應(yīng)用 CIC濾波器［6］，CIC濾波器由FPGA通過IP核實現(xiàn)，其作用是將由經(jīng)過數(shù)字下變頻處理后的I路、Q路2路信號的高頻分量濾掉，保留低頻分量，達到降低采樣速率的目的。

2.2 反向功率保護的算法實現(xiàn)

反向功率保護的算法流程如圖4所示。

FPGA功率檢測單元將檢測到的反向功率送至DSP單元，與設(shè)定的反向功率門限值進行比較，若低于反向功率門限值，功率衰減值Δ=0;若高于或等于反向功率門限值，則需要降低發(fā)射功率，DSP計算出功率衰減值Δ送給衰減器單元。

反向功率保護是功率自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)，沒有反向功率保護，則可能燒壞功放，一切功率自適應(yīng)控制都要以反向功率保護為基礎(chǔ)。

3 以信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制單元設(shè)計

3.1 外環(huán)功率控制算法

外環(huán)功率控制主要對目標(biāo)信噪比門限值根據(jù)實際情況進行調(diào)整和修正，修正門限值是給內(nèi)環(huán)控制一個更加精確的參考值。

外環(huán)的功率控制以用戶的通信質(zhì)量為依據(jù)，這種通信質(zhì)量通常以誤碼率作為測量指標(biāo)，根據(jù)在接收端接收到的每個用戶的誤碼率，對實際信噪比進行調(diào)整［7］。

3.2 內(nèi)環(huán)功率控制算法

HU Rong在文獻［8］提出了平衡功率控制算法，在移動通信應(yīng)用中，以信噪比平衡為準(zhǔn)則，解決了信號在傳輸過程中信號衰落、信道干擾所帶來的問題。該算法保證了發(fā)射功率能夠保持在一個合理的范圍內(nèi)，并且不破壞算法的收斂性?，F(xiàn)將此算法應(yīng)用在短波通信中。

設(shè)pi為發(fā)信方向第i個收信方發(fā)射信號的發(fā)射功率，ri為第i個收信方接收信號的信噪比，則內(nèi)環(huán)功率控制算法可表述為:

式中ci(n)為對第i個收信方發(fā)射功率的控制系數(shù)，其取值如下

當(dāng)n=0，

當(dāng)n＞0，pi(n)≥pmax時，

pmin＜pi(n)＜pmax時，

pi(n)≤p時，

此算法在發(fā)射功率降低到保護功率pmin時，可適當(dāng)增加發(fā)射功率;在發(fā)射功率等于或高于pmax時，可適當(dāng)減小功率，故可將發(fā)射功率保持在一個合理的范圍內(nèi)，保護功率的最高值和最低值可以根據(jù)發(fā)射功率動態(tài)范圍來決定。其算法流程圖如圖5所示。

圖5 BDPC算法流程圖Fig.5 The flow chart of BDPC algorithm

4 實驗仿真效果及分析

4.1 反向功率保護實驗結(jié)果及分析

圖6為反向功率保護前后功放輸出功率的實驗結(jié)果，當(dāng)功放輸出為1 kW時，頻率從0～29.9 MHz每隔0.1 MHz測量一個反向功率數(shù)值，設(shè)定的反向功率保護門限值為200 W，不進行反向功率保護時，測量到的300個反向功率數(shù)據(jù)中存在大量功率值超過門限值200 W，經(jīng)過反向功率保護后，200 W以下的功率未發(fā)生變化，200 W以上的功率被控制到門限值以下，在190 W左右。由實驗結(jié)果可以看出，本文反向功率保護算法效果較好。

圖6 反向功率實驗結(jié)果Fig.6 The experiment result of feedback power

4.2 基于信噪比和誤碼率為準(zhǔn)則的功率控制算法仿真及效果分析

仿真設(shè)定1個發(fā)信方和10個收信方，發(fā)信方的初始發(fā)射功率設(shè)定為1 kW，發(fā)射功率保護門限值為300 W，初始信噪比為7 dB，圖7為從發(fā)射功率觀察的算法仿真圖，初始發(fā)射功率為1 000 W，經(jīng)過一定步數(shù)的迭代之后，發(fā)射功率收斂為596 W，在迭代步數(shù)為20步時，改變目標(biāo)信噪比，發(fā)射功率經(jīng)過一定步數(shù)的迭代控制之后，再次收斂為一穩(wěn)定值520 W。從圖中可看出，本算法已達到功率控制的目的。

圖7 以發(fā)射功率為指標(biāo)的算法仿真圖Fig.7 The simulation of the algorithm according to transmitting power

圖8為從信噪比觀察的算法仿真圖，初始目標(biāo)信噪比為7 dB，經(jīng)過一定步數(shù)的迭代之后，實際信噪比收斂于9.1 dB，在迭代步數(shù)為20步時，目標(biāo)信噪比更改為3 dB，經(jīng)過一定步數(shù)的迭代之后，實際信噪比再次收斂于一穩(wěn)定值4.0 dB。從圖中可看出，本算法已達到功率控制的目的。

圖8 以實際信噪比為指標(biāo)的算法仿真圖Fig.8 The simulation of the algorithm according to SNR in practice

5 結(jié)語

當(dāng)前短波通信中對于發(fā)射機功率的控制僅限于保持功放的輸出線性化和穩(wěn)定性，并未考慮短波組網(wǎng)通信中信號在傳輸過程中所遇到的信號衰落、信道干擾等問題，本文設(shè)計了一種數(shù)字化短波發(fā)射機功率自適應(yīng)系統(tǒng)，充分考慮了這些問題，詳細分析了反向功率保護和BDPC算法的信號處理過程和算法流程，用FPGA和DSP芯片實現(xiàn)，易于移植，適用于不同的短波通信平臺。仿真分析表明了該系統(tǒng)的可行性。在實際應(yīng)用中效果較好。

［1］ 孫鳳娟，焦培男，李鐵成．短波信道衰落特性實驗研究與仿真［J］．中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2009(8):399－403．SUN Feng-juan， JIAO Pei-lan， LI Tie-cheng． The experimental study on decline characteristic of shortwave channel and simulation［J］．Journal of Chinese Institute of Electronics，2009(8):399 －403．

［2］ 謝國新，李新．短波干擾有效壓制距離的計算方法［J］．航天電子對抗，2004(5):53－55．XIE Guo-xin，LI Xin．The calculation method of short wave interference suppressing distance effectively［J］．Space Electronic Countermeasure，2004(5):53 －55．

［3］ 崔浩貴，高俊，屈曉旭．?dāng)?shù)字化短波發(fā)射機功率反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］．電訊技術(shù)，2011，51(8):134 －137．CUI Hao-gui，GAO Jun，QU Xiao-xu．The design and implementation of power feedback control system of digital shortwave transmitter［J］．Telecommunication Technology，2011，51(8):134 －137．

［4］ 劉云龍．基于FPGA的數(shù)字下變頻的設(shè)計［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007．LIU Yun-long．The design of digital down-conversion based on FPGA［D］．Harbin:Harbin Institute of Technology，2007．

［5］ 于進強，陶小魚，歐斌．基于 CIC濾波的重采樣技術(shù)［J］．信息技術(shù)，2008(12):65 －71．YU Jin-qiang，TAO Xiao-yu，OU Bin．Resampling technology based on CICfilter［J］．Information Technology，2008(12):65－71．

［6］ 常珍．CDMA移動通信系統(tǒng)中功率控制算法的研究［D］．濟南:山東大學(xué)，2011．CHANG Zhen．The study of the power control algorithm of the CDMA mobile communication system［D］．Jinan:Electronics and Information Engineering Department of Shandong University，2011．

［7］ WANG Hong-yu，HU Rong，HUANG Ai-ping．A power control algorithm for celluar radio systems［C］//In proc．WCC2000，Beijing China，2000．