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        短波Chirp探測(cè)激勵(lì)器的射頻功率自適應(yīng)算法研究

        2017-09-29 16:23:45譚正輝
        移動(dòng)通信 2017年13期
        關(guān)鍵詞:自適應(yīng)短波

        譚正輝

        【摘 要】為了解決功放設(shè)備或環(huán)境等因素的變化對(duì)短波Chirp探測(cè)激勵(lì)器輸出功率造成影響的問(wèn)題,通過(guò)分析輸出射頻、實(shí)際功率與目標(biāo)功率三者之間的相關(guān)聯(lián)性,采用差值迭代的方法,提出了自適應(yīng)輸出算法。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明,自適應(yīng)輸出算法可以自動(dòng)調(diào)整射頻,使得實(shí)際功率逐漸趨近目標(biāo)功率,避免因外部因素給射頻功率帶來(lái)的影響,具有較好的適應(yīng)性和實(shí)用性。

        【關(guān)鍵詞】短波 探測(cè)激勵(lì)器 射頻功率 自適應(yīng)

        1 引言

        短波Chirp探測(cè)激勵(lì)器(以下簡(jiǎn)稱“激勵(lì)器”)通過(guò)發(fā)射Chirp探測(cè)信號(hào),經(jīng)功放設(shè)備放大后輸出,使接收方能實(shí)時(shí)感知電離層對(duì)信道的反射情況[1-2],是頻率管理系統(tǒng)中RTCE(Real Time Channel Evaluation,實(shí)時(shí)信道探測(cè))的重要組成部分[3],具有硬件簡(jiǎn)單、信號(hào)靈活、互擾性低等特點(diǎn)[4]。

        由于設(shè)備和環(huán)境等因素對(duì)射頻功率有一定的影響,在一定的環(huán)境條件下,激勵(lì)器需要結(jié)合功放設(shè)備對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn),以便得到較為準(zhǔn)確的輸出功率。然而,在實(shí)際使用過(guò)程中設(shè)備和環(huán)境等因素都有可能出現(xiàn)變動(dòng),每變動(dòng)一次激勵(lì)器就要重新校準(zhǔn)一次射頻,顯得十分被動(dòng)。因此,本文根據(jù)激勵(lì)器射頻校準(zhǔn)原理和流程,提出了射頻功率自適應(yīng)算法,以提高激勵(lì)器的自動(dòng)適應(yīng)能力。

        2 射頻輸出與控制

        激勵(lì)器射頻輸出與控制的主要單元有基帶控制單元、放大單元和窄帶跟蹤濾波單元。其中基帶控制單元根據(jù)探測(cè)工作參數(shù)產(chǎn)生FM/CW或FM/CW+LSB的射頻信號(hào),并通過(guò)控制放大單元中的數(shù)控衰減碼來(lái)調(diào)整射頻輸出的大小。放大單元對(duì)輸入的射頻信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、數(shù)控衰減和集成寬帶放大處理后輸出。窄帶跟蹤濾波單元對(duì)輸入的射頻頻率中心附近一定范圍以外的信號(hào)進(jìn)行抑制,對(duì)當(dāng)前的工作頻率進(jìn)行跟蹤濾波[5]。

        基帶控制單元是激勵(lì)器的核心,主要包括主控CPU(ARM)、控制接口(FPGA)以及數(shù)字上變頻器(AD9957)等部分。為了達(dá)到功率自適應(yīng)的目的,要在ARM控制軟件中新增一個(gè)射頻功率自適應(yīng)算法模塊,再通過(guò)控制模塊調(diào)整數(shù)控衰減碼的數(shù)量,從而起到動(dòng)態(tài)調(diào)整射頻功率大小的效果。

        3 射頻功率自適應(yīng)算法

        3.1 自適應(yīng)流程

        激勵(lì)器在掃頻前,ARM控制軟件根據(jù)功能等級(jí)讀取存儲(chǔ)器中與之對(duì)應(yīng)的射頻衰減表,然后將工作參數(shù)寫入FPGA中,并通過(guò)控制口定時(shí)查詢功放設(shè)備的輸出功率。射頻功率自適應(yīng)流程主要有以下3個(gè)步驟[6]。

        (1)控制模塊將查詢周期設(shè)置為掃過(guò)一個(gè)頻點(diǎn)間隔所需的時(shí)間,則能獲取到每個(gè)頻點(diǎn)間隔內(nèi)的輸出功率,并將目標(biāo)功率和輸出功率發(fā)送給射頻自適應(yīng)算法模塊。

        (2)射頻自適應(yīng)算法模塊將輸出功率與目標(biāo)功率進(jìn)行分析比較,計(jì)算出下一輪掃頻時(shí)需要調(diào)控的衰減碼個(gè)數(shù),并將結(jié)果返回給控制模塊。

        (3)控制模塊在下一輪掃頻時(shí),根據(jù)需要調(diào)控的衰減碼個(gè)數(shù)自動(dòng)調(diào)整數(shù)控衰減碼的數(shù)量,使得輸出的射頻功率得到自動(dòng)調(diào)整。

        激勵(lì)器的射頻功率經(jīng)過(guò)多次迭代調(diào)整后得到一個(gè)接近目標(biāo)值的輸出功率[7-9],射頻功率自適應(yīng)算法流程如圖1所示。

        3.2 算法建模

        假設(shè)目標(biāo)功率為p0,單位為W,射頻與功率之間的換算如公式(1)所示,其中r0表示目標(biāo)射頻,單位為dBm。

        r0=30+l0lg(p0) (1)

        功放設(shè)備對(duì)激勵(lì)器輸送的射頻增益為g0 dB,因此,激勵(lì)器輸出的射頻r'0如公式(2)所示:

        r'0=r0-g0 (2)

        假設(shè)rn和p'n分別表示某個(gè)頻點(diǎn)在第n輪掃頻時(shí)功放設(shè)備的輸出射頻和輸出功率,那么在第(n+1)輪時(shí),需要對(duì)輸出射頻進(jìn)行增益或衰減處理,增益或衰減值可以通過(guò)公式(3)得到,單位為dB。

        (3)

        當(dāng)功放設(shè)備在第一輪發(fā)射的射頻r1=r0時(shí),輸出功率為p'1。從第二輪開始,根據(jù)目標(biāo)功率與實(shí)際功率的差異,利用公式(3)計(jì)算出增益或衰減值來(lái)調(diào)整數(shù)控衰減碼,采用類推法和歸納法列出激勵(lì)器的輸出射頻r'n、功放設(shè)備返回的功率p'n與目標(biāo)功率p0之間的關(guān)系如公式組(4)所示:

        (4)

        由于每個(gè)衰減碼衰減0.25 dB,可以通過(guò)公式(5)計(jì)算出激勵(lì)器在第n輪掃頻時(shí)需增加或減少的衰減碼個(gè)數(shù)?dcn。

        (5)

        為了避免激勵(lì)器輸出的射頻信號(hào)過(guò)高對(duì)功放設(shè)備造成損壞,對(duì)數(shù)控衰減碼的取值采取小增益大衰減的方式進(jìn)行處理,逐漸趨近目標(biāo)功率,當(dāng)計(jì)算的結(jié)果不為整數(shù)時(shí)向下取整。那么第m個(gè)頻點(diǎn)在第n輪掃頻時(shí)與數(shù)控衰減碼個(gè)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式(6)所示,其中f0為起始頻率,s0表示頻率間隔,λ為小增益大衰減的權(quán)衡系數(shù),當(dāng)p'i≥p0時(shí)采取大衰減處理,λ=1;當(dāng)p'i

        (6)

        函數(shù)F(fm, ?dcn)表示序號(hào)為m的頻點(diǎn)fm,與在第n輪與之對(duì)應(yīng)的衰減碼個(gè)數(shù)?dcn的關(guān)系;floor表示將計(jì)算結(jié)果向下取整。當(dāng)?dcn>0時(shí),表示頻率fm在下一輪掃頻需要對(duì)射頻進(jìn)行增益處理,在上一輪的基礎(chǔ)上減少?dcn個(gè)衰減碼;當(dāng)?dcn<0時(shí),表示頻率fm在下一輪掃頻需要對(duì)射頻進(jìn)行衰減處理,在上一輪的基礎(chǔ)上增加?dcn個(gè)衰減碼。

        4 仿真分析

        根據(jù)算法模型中的公式(6)建立仿真方案,通過(guò)分析多輪掃頻中衰減碼與輸出功率的變化情況來(lái)驗(yàn)證射頻功率自適應(yīng)算法。

        現(xiàn)有的激勵(lì)器掃頻范圍為2 MHz—30 MHz,掃頻速率為100 kHz/s。產(chǎn)生一個(gè)約26 dBm的射頻信號(hào),射頻衰減表中的頻率間隔為12.2 kHz,共有2 296個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的衰減值,通過(guò)127個(gè)衰減碼來(lái)控制輸出大小,每個(gè)衰減碼衰減0.25 dB,因此,整機(jī)輸出的射頻范圍約為-5.75 dBm—26 dBm。

        假設(shè)目標(biāo)功率p0=100 W,功放設(shè)備增益量g0=34 dB時(shí),在理想狀態(tài)下,通過(guò)公式(1)和(2)可以算出激勵(lì)器的輸出射頻為r'0=r0-g0=10lg(105)-34=16 dBm,因此,若射頻衰減表中的衰減值設(shè)置為10 dB,需啟用40個(gè)衰減碼。

        假設(shè)由于設(shè)備和環(huán)境等因素的影響,2 296個(gè)頻點(diǎn)在第一輪掃頻時(shí)的輸出功率調(diào)整到50 W~150 W之間進(jìn)行波動(dòng),利用MATLAB7.6.0仿真軟件模擬射頻功率自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整衰減碼,在多輪迭代下的輸出功率如圖2所示,衰減碼的調(diào)整情況如圖3所示,其中正數(shù)部分為需要新增的衰減碼個(gè)數(shù),負(fù)數(shù)部分為需要減少的衰減碼個(gè)數(shù)。

        通過(guò)圖2和圖3可以看出,射頻功率自適應(yīng)算法使得激勵(lì)器每輪的輸出功率不斷向目標(biāo)功率進(jìn)行收斂,在5次迭代調(diào)整后,可使得輸出功率調(diào)整到94.4 W~100 W之間,最大限度地趨近目標(biāo)功率,且不會(huì)超出目標(biāo)功率,能有效地保護(hù)功放設(shè)備不會(huì)被損壞。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文對(duì)激勵(lì)器射頻信號(hào)的輸出和控制流程進(jìn)行分析,利用“控制衰減碼-查詢功率-控制衰減碼-查詢功率”的差值迭代模型,提出了小增益大衰減的射頻功率自適應(yīng)算法。仿真實(shí)驗(yàn)證明射頻功率自適應(yīng)算法可以根據(jù)前一輪的實(shí)際功率自動(dòng)調(diào)整下一輪的射頻輸出。通過(guò)若干輪自動(dòng)調(diào)整后,可使得實(shí)際功率逐漸趨近目標(biāo)功率,可以解決因設(shè)備和環(huán)境等因素的變動(dòng)對(duì)射頻功率造成的影響,故也適用于因射頻加載了FSK調(diào)制而引起的功率降低的問(wèn)題[10],加強(qiáng)了激勵(lì)器的適應(yīng)性和健壯性,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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