王中航, 許海濤, 謝 明, 莫世波, 林春材

(成都天奧測控技術(shù)有限公司，四川 成都 610054)

為了滿足無線通信的需求，調(diào)制方式從最初的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等模擬調(diào)制向PSK、GMSK、QAM等數(shù)字調(diào)制發(fā)展，工作方式也從最初連續(xù)波或脈沖信號向跳頻、擴(kuò)頻或跳擴(kuò)頻結(jié)合演進(jìn)。而一個(gè)武器平臺往往需要具備多種不同頻段的通信方式來傳送語音、數(shù)據(jù)、導(dǎo)航和敵我識別信號，因此在戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境下對武器平臺這種多調(diào)制方式、多工作方式和不同輸出功率的信號進(jìn)行快速準(zhǔn)確的功率測量往往有一定的難度。

測量功率一般可用中國電科41所或者是德科技的功率計(jì)來完成，例如是德科技的N1913A功率計(jì)可以達(dá)到±0.02 dB的測量精度，但工作溫度范圍只有0～55 ℃，而且如果要滿足大功率或者大動態(tài)范圍的測量，一般需要選擇不同的功率傳感器或者前端加衰減器。這種測試設(shè)備往往不能滿足武器的現(xiàn)場維修需求，也不能適用現(xiàn)場嚴(yán)苛的環(huán)境。本文中的設(shè)備旨在為武器的現(xiàn)場檢修和檢測提供專用的功率測試設(shè)備。

周啟明從手術(shù)室出來后，臉色慘白，渾身發(fā)抖，他睜開眼問她的第一句話是：“有沒有整個(gè)切除？”錢海燕看著他滿懷期待的眼神，哭得稀里嘩啦。

國內(nèi)有不少從業(yè)人員對功率測量進(jìn)行過研究，文獻(xiàn)[1]中對常見的幾種功率檢波方式的原理進(jìn)行了介紹，但并沒有實(shí)際的設(shè)計(jì)和測試結(jié)果。文獻(xiàn)[2]中對常見的功率測量類型進(jìn)行了介紹，分為平均功率、脈沖功率、峰值包絡(luò)功率和有效值功率。文獻(xiàn)[3]以AD8307為基礎(chǔ)進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，對不同輸入頻率時(shí)的功率-電壓曲線進(jìn)行了測試和分析，但沒有具體的應(yīng)用產(chǎn)品和形成實(shí)際的推廣價(jià)值。

筆者以對數(shù)檢波器理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，采用ADC對檢波信號進(jìn)行采樣，以MCU和FPGA相結(jié)合的方式來完成不同調(diào)制類型的數(shù)據(jù)處理。在-40～65 ℃的工作溫度范圍內(nèi)對測量鏈路進(jìn)行了校準(zhǔn)。經(jīng)過試驗(yàn)，本文的功率測量設(shè)備可在復(fù)雜環(huán)境下滿足武器平臺的測量需求，具有重要的推廣意義。

由于輸入頻率范圍較寬，如果帶內(nèi)插入損耗波動較大或者回波損耗較差，會使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)量大幅增加。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證整個(gè)鏈路的插入損耗平坦，特別是不能出現(xiàn)凹坑，端口回波損耗控制在-15 dB以下。

1 對數(shù)檢波原理

射頻功率檢測一般用射頻功率檢波器完成。從應(yīng)用角度來說，檢波器可以分為對數(shù)檢波器、均方根檢波器、包絡(luò)檢波器。對數(shù)檢波器響應(yīng)較快，動態(tài)范圍大，但會受到峰均比的影響。均方根檢波器不受調(diào)制信號峰均比的影響，但由于均方根檢波器要對時(shí)間求均值，因此響應(yīng)速度較慢。均方根檢波器對低輸入功率精度不高，動態(tài)范圍小。包絡(luò)/峰值檢波器具有極快的響應(yīng)速度，但動態(tài)范圍較小。3種檢波器的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 3種功率檢波器性能對比

圖1為一個(gè)典型的對數(shù)檢波器的原理框圖[4]，其核心是一系列級聯(lián)的線性放大器，通常放大器的增益在10～20 dB。為了簡化問題，以5級放大器級聯(lián)為例，假設(shè)每個(gè)放大器的增益是20 dB。

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圖1 對數(shù)檢波器原理框圖

一個(gè)小的正弦波信號輸入到第1級放大器，將會被放大10倍(20 dB)。隨著信號被逐級放大，最后一級會最先達(dá)到飽和或者限幅狀態(tài)，形成限幅的波形。隨著輸入信號進(jìn)一步增大，第4級、第3級也會先后進(jìn)入飽和狀態(tài)，在圖1中假設(shè)所有放大器的限幅值為1 V。每一級放大器的輸出信號都會經(jīng)過全波整流器，整流的輸出相加后得到4 V的峰值，輸入到低通濾波器濾除整流后的紋波，就得到檢波器的輸出值。

“蔡先生大鑒，適才與我們民族博物館館長提倫紐斯教授商量過您的事情。他認(rèn)為，您夫人在漢堡大學(xué)注冊一事，當(dāng)不成問題。我草擬了一份入學(xué)申請，隨信寄上。務(wù)請您夫人盡快向大學(xué)提出申請。您若需要其他幫助，不妨去找漢堡大學(xué)漢學(xué)研究所的助教，他有意結(jié)識您及您夫人……希望不久能在此見到您和您夫人，并致以衷心問候?！盵14]207

圖2 對數(shù)檢波器增益曲線

對數(shù)檢波器的傳輸函數(shù)為[5]

Uo=Ks·Pin-Ks·b

整個(gè)測試設(shè)備的硬件分為主控模塊、大功率調(diào)理模塊和測量模塊。本文著重介紹測量用到的幾個(gè)核心模塊。測量鏈路原理框圖如圖5所示。

表4列示了薪酬激勵(lì)和股權(quán)激勵(lì)對管理層能力與技術(shù)創(chuàng)新關(guān)系的調(diào)節(jié)作用回歸結(jié)果。與全樣本基本一致，無論是國有還是民營組，均很大程度上依賴工資薪酬的激勵(lì)效應(yīng)，股權(quán)激勵(lì)影響依舊不明顯。進(jìn)一步比較影響系數(shù)發(fā)現(xiàn)，國有組高管薪酬的正向激勵(lì)程度稍低于民營組，可能是因?yàn)?，相比民營企業(yè)，在國有背景高新企業(yè)任職的管理者擁有更多形式的其他回報(bào)，如潛在的行政晉升激勵(lì)以及隱形償付等，因此在給定相同的激勵(lì)機(jī)制條件下，國有企業(yè)的管理者可能不會熱衷于需要較高成本的研發(fā)投資風(fēng)險(xiǎn)利益，驗(yàn)證了假設(shè)3b。

圖3 對數(shù)檢波器輸出波形

從以上對數(shù)檢波器的工作原理可以得出，對輸入的恒包絡(luò)射頻信號將檢出直流信號，對輸入的變包絡(luò)射頻信號將檢出交流信號。對變包絡(luò)輸入信號，用ADC采集交流電壓信號后，進(jìn)而計(jì)算功率最大值。

當(dāng)5級放大器全部處于線性放大時(shí)，鏈路總增益最大，每當(dāng)一級放大器進(jìn)入飽和狀態(tài)，總增益都會下降。級聯(lián)的級數(shù)越多，得到的增益曲線就越逼近對數(shù)曲線，如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控模塊軟件的功能是實(shí)現(xiàn)對單刀多擲開關(guān)、步進(jìn)衰減器、ADC采樣進(jìn)行控制，完成采樣數(shù)據(jù)處理、鏈路校準(zhǔn)補(bǔ)償，以及與上位機(jī)通信。每個(gè)功能塊的作用簡述如下。

需要注意的是，對數(shù)檢波器是對輸入信號的包絡(luò)進(jìn)行檢波，因此對于不同的包絡(luò)信號，對數(shù)檢波器的輸出也不相同。假設(shè)一個(gè)10 MHz的正弦波信號被一個(gè)100 kHz的三角波信號調(diào)制，采用對數(shù)檢波后的波形如圖3所示?？梢钥闯?，隨著包絡(luò)電平的改變，檢波器的輸出呈現(xiàn)出對數(shù)函數(shù)的形式。

系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。被測武器平臺的不同頻段輸入信號功率差別較大，分兩級進(jìn)行功率調(diào)理，將輸入信號功率調(diào)理至檢波器的合理范圍內(nèi)。測量模塊除了產(chǎn)生檢波后的信號外，還需要產(chǎn)生觸發(fā)信號和溫度數(shù)據(jù)提供給主控模塊。主控模塊采用MCU+FPGA的方式，MCU主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)計(jì)算和外部通信，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)控制、數(shù)據(jù)采集存儲和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

圖4 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

式中，Ks為對數(shù)檢波器的斜率；Pin為輸入信號功率；-Ks·b為截距，即輸入為0時(shí)的輸出值。

錢從哪里來，成了擺在林燕玲面前的一大難題。根據(jù)規(guī)劃，項(xiàng)目建設(shè)需要將近500萬元，但是他只有省里撥付的20萬元和縣里配套的20萬元，可謂杯水車薪。

圖5 測量鏈路原理框圖

3.1 主控模塊

采用MCU+FPGA的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。MCU采用STM32系列的高端單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，完成功率值的計(jì)算，同時(shí)通過RS422接口與上位機(jī)通信。MCU需要外擴(kuò)Flash來存儲誤差修正參數(shù)。FPGA采用Xilinx公司的Spartan6系列器件，完成對功率調(diào)理模塊內(nèi)的單刀多擲開關(guān)控制、測量模塊步進(jìn)衰減器和ADC的采樣控制和數(shù)據(jù)存儲。FPGA還需要完成采樣數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將得到的電壓信號發(fā)送給MCU計(jì)算功率值。ADC采用ADI公司的14-bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2313-14，確保在測量脈沖信號時(shí)能準(zhǔn)確地采集到信號的幅值并滿足動態(tài)范圍的要求。

3.2 大功率調(diào)理模塊

輸入信號具有頻段多、功率大、動態(tài)范圍大的特點(diǎn)，同時(shí)本系統(tǒng)還需具備通聯(lián)測試功能，因此使用大功率衰減器對每個(gè)頻段的信號進(jìn)行衰減。單刀多擲開關(guān)對信號進(jìn)行分路，其中一路進(jìn)入測量模塊進(jìn)行功率測量。

3.3 測量模塊

測量模塊主要由步進(jìn)衰減器、射頻開關(guān)、對數(shù)功率檢波器、觸發(fā)信號產(chǎn)生電路和溫度采集電路組成。對數(shù)功率檢波器采用ADI公司的HMC602LP4E，該檢波器具有極好的溫度穩(wěn)定性、高達(dá)60 dB的動態(tài)范圍和10 ns的快速響應(yīng)時(shí)間，對本系統(tǒng)的多種輸入信號都有較好的檢波能力。觸發(fā)信號產(chǎn)生電路主要用于界定采樣時(shí)間。溫度采集電路用于采集模塊內(nèi)的環(huán)境溫度，以便于軟件根據(jù)不同的環(huán)境溫度對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器應(yīng)盡量靠近檢波器放置。

測量模塊實(shí)際輸入信號功率范圍為-25～20 dBm，頻率范圍為2～1300 MHz，校準(zhǔn)時(shí)功率范圍按-30～25 dBm、頻率范圍按2～1300 MHz進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)HMC602LP4E的器件手冊，檢波器的線性區(qū)在-55～5 dBm之間，鏈路插損設(shè)計(jì)為約21 dB，則可以保證到檢波器輸入端的功率落在線性區(qū)內(nèi)。

1.2.1 甘薯黑斑病菌最佳產(chǎn)孢方法篩選。采用PDA平板接種活化后的黑斑病菌菌碟，將接種好的平板置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～ 6 d，采用30 mL無菌水洗滌平板表面孢子，紗布過濾去除菌絲后，測量孢子懸浮液中目鏡10倍及物鏡20倍顯微鏡下一個(gè)視野內(nèi)孢子數(shù)，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)制片3張。該方法設(shè)為對照組①。

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，可以用來抑制或殺死多種病原菌，因此也可用于果蔬采后病害的防治。Sharpe等[24]研究了臭氧對灰霉菌的抑制作用，發(fā)現(xiàn)用6×10-7 mol/L的臭氧對灰霉菌處理48 h，氣生菌絲長度由4.6 mm下降到1 mm，孢子的形成能力受到抑制，死亡率達(dá)到90%以上，顯示出直接的殺菌能力。嚴(yán)德卿等[25]研究了臭氧對楊梅果實(shí)采后病害的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過臭氧處理后好果率達(dá)到96.3%以上，明顯高于未經(jīng)處理的好果率(76.6%)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于被測平臺具有多個(gè)輸入頻段(如HF、UV、L波段)、多種調(diào)制方式(如AM、FM、BPSK、調(diào)制脈沖等)和多種工作方式(如跳頻、擴(kuò)頻、跳擴(kuò)頻)，輸入功率大且動態(tài)范圍較高，因此對數(shù)檢波器成為較好的選擇。對數(shù)檢波器一般僅適用于正弦波信號，對其他信號其容易受峰均比的影響造成誤差，但誤差往往表現(xiàn)為截距的上下偏移，應(yīng)用時(shí)較容易進(jìn)行修正。

① 大功率調(diào)理模塊控制功能：根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的開關(guān)切換指令控制單刀多擲開關(guān)動作以便在被測設(shè)備和測試設(shè)備之間建立信號通道。

張仲平下海多年，早已不把自己當(dāng)作什么知識分子，他寧愿把自己定位成一個(gè)合格的生意人。什么叫合格的生意人？就是在遵紀(jì)守法的前提下獲取最大利益的商人。張仲平對自己目前的生活狀態(tài)很滿意，那就是外面的生意做得順風(fēng)順?biāo)?，家里夫妻和睦、夫唱婦隨，有那么一種中產(chǎn)階級的從容自信。

那么不找熟人找誰?這是患者們問得最多的一個(gè)問題。專家指出，現(xiàn)在不少醫(yī)院推出了導(dǎo)診、首診負(fù)責(zé)制、投訴待崗制等等服務(wù)。這些“正途”都應(yīng)該引起患者重視，通過這些方式，患者可以及時(shí)找到想要找的專家，還可以準(zhǔn)確投訴。

② 測量模塊控制功能：根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的控制指令控制步進(jìn)衰減器將電平調(diào)理到合理的范圍之內(nèi)，控制內(nèi)部的射頻開關(guān)建立信號通道。

③ ADC控制和數(shù)據(jù)處理功能：控制ADC完成信號采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理，計(jì)算得到輸入信號的功率值；由于對數(shù)檢波器對不同的調(diào)制信號的檢波信號并不相同，對于恒包絡(luò)信號，由采到的直流電壓信號即可計(jì)算出功率值，而對于變包絡(luò)信號，需要先對檢波信號尋找最小電壓值(對應(yīng)功率最大值)再計(jì)算功率值。

④ 功率校準(zhǔn)控制功能：根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的校準(zhǔn)命令對鏈路進(jìn)行校準(zhǔn)，擬合測量曲線，存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，完成誤差修正。以合適的步進(jìn)對頻率、功率和溫度進(jìn)行分擋，擋位的劃分以滿足測量精度為原則，過度的分擋會造成校準(zhǔn)數(shù)據(jù)量激增。在線性度較好的區(qū)域可以適當(dāng)減少擋位，在非線性區(qū)則需要適當(dāng)?shù)卦黾訐跷弧?/p>

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 誤差修正技術(shù)

誤差修正的主要任務(wù)是用一定方法補(bǔ)償分離的儀器各組成環(huán)節(jié)的確定性系統(tǒng)誤差[6]。本文中系統(tǒng)誤差主要包括偏移誤差、增益誤差和溫度漂移誤差。偏移誤差是指將儀器的射頻信號輸入端為0測得的零值電壓。增益誤差是指輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號在不同的增益下，得出實(shí)際測試數(shù)據(jù)和理想輸出數(shù)據(jù)的差異。偏移誤差和增益誤差均以一定頻率步進(jìn)進(jìn)行測試和校正，將誤差值存儲在Flash中，進(jìn)行誤差修正。溫度漂移誤差是指在加溫測試過程中儀器的測試數(shù)據(jù)與常溫下的測試數(shù)據(jù)的差異[7]。以一定溫度步進(jìn)和頻率步進(jìn)進(jìn)行測試和校正，將誤差值存儲在Flash中，進(jìn)行誤差修正。另外，還應(yīng)考慮不同的調(diào)制信號會使對數(shù)檢波器的輸出發(fā)生垂直偏移，以及其他原因引起的誤差(如阻抗失配帶來的誤差)[8]。

5.2 精確采樣技術(shù)

被測信號中包含窄脈沖信號，如果系統(tǒng)采用連續(xù)采樣的工作方式，那么對系統(tǒng)硬件的要求很高，導(dǎo)致成本上升。如果采用觸發(fā)采樣的工作方式，那么系統(tǒng)需要準(zhǔn)確知道脈沖的出現(xiàn)和持續(xù)時(shí)間(或消失時(shí)間)，否則，ADC會采集到非真實(shí)的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中采用觸發(fā)采樣的工作方式，以高速比較器來界定脈沖信號的有效時(shí)間。同時(shí)，盡量減小對數(shù)檢波器的“拖尾”問題造成的影響也非常重要。

6 系統(tǒng)調(diào)測

6.1 誤差修正

上位機(jī)控制標(biāo)準(zhǔn)信號源輸出一定功率和頻率的射頻信號，同時(shí)將頻率和功率值下發(fā)到MCU。FPGA計(jì)算得到檢波電壓信號后發(fā)送給MCU，每得到一組功率和電壓值即是功率-電壓坐標(biāo)系的一個(gè)點(diǎn)(Pin,Uo)，兩個(gè)點(diǎn)即可確定一條直線。只要線段足夠多，即可精確地?cái)M合功率-電壓曲線，如圖6所示。MCU需要將得到的多組功率值和電壓值進(jìn)行存儲。同時(shí)，MCU還需要存儲此時(shí)的溫度值和頻率值。

圖6 直線近似曲線校準(zhǔn)圖

采用直線近似曲線的方法會導(dǎo)致誤差，實(shí)際上有很多軟件或算法可以實(shí)現(xiàn)曲線的直接擬合，從而得到曲線的系數(shù)，但用曲線直接擬合的方式往往對算法和編程要求較高，也有可能需要人為參與中間過程，效率較低。相比之下，直線近似的方式更容易實(shí)現(xiàn)自動化校準(zhǔn)，同時(shí)也保證了精度。

6.2 多波形采樣

輸入信號的調(diào)制方式有AM、FM、BPSK等。當(dāng)輸入信號是連續(xù)波時(shí)，ADC采用較低的采樣速率進(jìn)行采樣，降低系統(tǒng)的處理速度，節(jié)省功耗；當(dāng)輸入信號是脈沖信號時(shí)，ADC采用較高的采樣速率進(jìn)行采樣，以防漏掉有用數(shù)據(jù)。

圖7為AM調(diào)制信號的檢波輸出測試圖，上面的曲線為AM檢波信號，下面的曲線為ADC的采樣時(shí)鐘，調(diào)制信號頻率為1 kHz，載波信號為150 MHz。如前所述，輸入變包絡(luò)信號時(shí)，檢波信號會隨著包絡(luò)的變化而變化。

圖7 AM信號檢波電壓

圖8為脈沖信號的檢波輸出測試圖，從上到下的曲線依次為脈沖檢波信號、觸發(fā)信號和ADC的采樣時(shí)鐘。脈沖寬度約為4 μs，脈沖周期約為12 μs，載波信號頻率為1 GHz?？梢钥闯?，檢波后的信號上升沿和下降沿時(shí)間約為1 μs，遠(yuǎn)高于HMC602LP4E器件手冊上給出的10 ns。為了得到較為平滑的檢波信號，在檢波器電路和ADC之前都加入了濾波電路，以犧牲一定的延遲時(shí)間換取較低的紋波。

圖8 脈沖信號檢波電壓

7 測試結(jié)果

目前僅對測量模塊進(jìn)行校準(zhǔn)和測試，大功率調(diào)理模塊可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量鏈路插入損耗，將插入損耗補(bǔ)償進(jìn)系統(tǒng)即可。為了測試的方便性，用是德科技公司的標(biāo)準(zhǔn)信號源E8257D按頻率、功率、溫度、信號類型進(jìn)行組合，在25 ℃，-40 ℃，65 ℃三個(gè)溫度點(diǎn)對測量模塊進(jìn)行測試。測量模塊的測試結(jié)果如表2所示。

表2 溫度25 ℃，-40 ℃，65 ℃下功率測量值

從測試數(shù)據(jù)可以看出，總體上，高頻的測量誤差要大于低頻的誤差，高低溫時(shí)的誤差明顯大于常溫時(shí)的誤差，比較符合對數(shù)檢波器的特性。常溫25 ℃的測量誤差均控制在±1 dB內(nèi)，高溫65 ℃和低溫-40 ℃時(shí)的測量精度均控制在±2 dB內(nèi)，符合要求。

不過，盡管短周期存在周期及基數(shù)壓力，空調(diào)依然是最為穩(wěn)固的家電細(xì)分板塊，格力美的的雙寡頭地位穩(wěn)固，維持市場大體穩(wěn)定，也讓行業(yè)均價(jià)處于緩慢提升通道。不過從競爭格局來看，二線品牌還能保持一定市場空間，但其它雜牌生存空間則日益狹小。

8 結(jié)束語

本文利用對數(shù)檢波器對多種調(diào)制信號波形的功率進(jìn)行了檢測。開發(fā)的射頻功率測量系統(tǒng)具有體積小、檢測精度高、溫度穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍大的特點(diǎn)?？稍趹?zhàn)場環(huán)境中快速地對武器平臺的輸出功率進(jìn)行檢測，給武器平臺的維護(hù)帶來了很大的方便。