曹青琳,丁 莉
(1.西寧城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西寧 810000;2.青海師范大學(xué),西寧 810000)
為方便人們隨時隨地能夠交換信息,實現(xiàn)信息之間的傳遞與共享,通信技術(shù)發(fā)揮了獨一無二的作用。短波發(fā)射機是通信技術(shù)實現(xiàn)和應(yīng)用過程中的重要組成設(shè)備之一,其作用是通過發(fā)射短波波段無線電信號來實現(xiàn)信息的傳輸,原理是將要傳輸?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換為短波無線電信號信號形式,然后在發(fā)射器的作用下,發(fā)射出去[1]。短波發(fā)射機對工作環(huán)境要求較高,一旦受到外界環(huán)境的干擾,如溫度、氣候、濕度等,都會造成發(fā)射機功率的波動,從而導(dǎo)致穩(wěn)定性下降,而發(fā)射機功率的波動會使得無線電信號中包含大量噪聲,進而造成通信信號失真,導(dǎo)致通信信號質(zhì)量下降,最終無法準確傳遞信息[2]。面對這種情況,如何有效控制短波發(fā)射機功率,維持功率穩(wěn)定成為通信領(lǐng)域研究的重點內(nèi)容。
針對上述問題,為有效控制短波發(fā)射機功率,很多專家和學(xué)者都進行了相關(guān)研究,并取得了一定的研究成果。例如,張娜在其發(fā)表的文章中針對數(shù)字電視發(fā)射機,開發(fā)了一種“N+1”控制系統(tǒng),在該研究中首先分析了發(fā)射機工作原理,然后通過設(shè)計的中央控制系統(tǒng)同時控制每臺發(fā)射機的開關(guān)和切換器,實現(xiàn)了數(shù)字電視發(fā)射機各功能的自動化切換[3]。鄒煒在其發(fā)表的文章中設(shè)計了一種自動調(diào)諧系統(tǒng),在該系統(tǒng)當(dāng)中在發(fā)射機上大范圍布設(shè)了分布式傳感器組,采集發(fā)射機處于工作狀態(tài)時的運行大數(shù)據(jù),然后借助保護算法對這些采集到的大數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,得出反饋電壓數(shù)值,最后利用這些數(shù)據(jù)實時調(diào)節(jié)發(fā)射機輸出功率大小,維持其穩(wěn)定輸出,最終實現(xiàn)發(fā)射機長期可靠工作,提高其工作穩(wěn)定性[4]。
雖然前人研究都取得了一定的研究成果,但是由于缺乏有效的校準算法,無法進行精準地控制,導(dǎo)致短波中仍包含大量的噪聲。針對上述問題,開發(fā)一種基于軟件校準的短波發(fā)射機功率控制系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)以期提高短波發(fā)射機工作穩(wěn)定性,改善通信信號發(fā)射質(zhì)量。
受到工作環(huán)境的影響,短波發(fā)射機功率難以避免地會出現(xiàn)波動,導(dǎo)致傳輸出去的無線電信號失真,使得傳遞的信息出現(xiàn)偏差,影響了信息傳達的準確性。面對上述問題,為提高無線通信質(zhì)量,對短波發(fā)射機功率進行有效控制是十分必要的[5]。在此背景下,設(shè)計一種基于軟件校準的短波發(fā)射機功率控制系統(tǒng)。下面針對系統(tǒng)設(shè)計步驟進行具體分析。
借鑒MVC設(shè)計模式,搭建基于軟件校準的短波發(fā)射機功率控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架[6]。MVC設(shè)計模式如圖1所示。
圖1 MVC設(shè)計模式
在MVC設(shè)計模式當(dāng)中,主要包括了三部分,即模型(model)、視圖(view)和控制器(controller)。其中,模型的作用是編寫應(yīng)用程序以及管理數(shù)據(jù)庫;視圖的作用是負責(zé)人機交互,實現(xiàn)交互操作的可視化;控制器的作用是負責(zé)執(zhí)行控制程序[7]。
MVC設(shè)計模式的優(yōu)點在于耦合性較強,能最大程度地集成和協(xié)調(diào)各種物理設(shè)備,從而提高系統(tǒng)開發(fā)效率。此外,重用性高,能極大節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)成本[8]。
基于此,借鑒MVC設(shè)計模式設(shè)計本系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),即數(shù)據(jù)庫層、業(yè)務(wù)邏輯層、控制層以及界面顯示層。下面進行分析。
1)數(shù)據(jù)庫層:負責(zé)監(jiān)控短波發(fā)射機運行狀態(tài),采集短波發(fā)射機運行參數(shù),并存儲到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。
2)業(yè)務(wù)邏輯層:負責(zé)編寫各種業(yè)務(wù)邏輯,并存儲到各個功能模塊當(dāng)中。
3)控制層:負責(zé)調(diào)用并執(zhí)行各種業(yè)務(wù)邏輯程序,實現(xiàn)對物理設(shè)備的控制。
4)界面顯示層:負責(zé)人機交互,用戶通過界面輸出控制指令,以及顯示控制反饋結(jié)果[9]。
本文研究短波發(fā)射機功率控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖2所示。
圖2 功率控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖
由圖2可知,音頻信號輸入到天線輸出部分是短波發(fā)射機的發(fā)射通路,其功率控制部分主要由功率檢測單元和軟件校準控制器,利用功率檢測單元實現(xiàn)功率采樣,利用軟件校準控制器實現(xiàn)發(fā)射機功率與預(yù)期功率之間的偏差,完成偏差校準。
本系統(tǒng)關(guān)鍵組成元件包括7個,即功率計、信號處理器、傳輸元件、控制器、驅(qū)動裝置、輸入輸出信號接口板以及存儲芯片。下面針對這7個關(guān)鍵硬件進行具體分析。
1.3.1 功率計
功率計的作用是實時感知工作狀態(tài)下的短波發(fā)射機功率數(shù)值,為控制提供參考依據(jù)[10]。功率計主要布設(shè)在短波發(fā)射機上。該功率計能夠精準測量,誤差控制在±0.5 dB以內(nèi);支持SCVFCST三種接口,無須復(fù)雜轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)采集更加靈活方便。休眠電流低至2 μA。低功耗,使用14 250電池供電,每1分鐘采集發(fā)送一次數(shù)據(jù),可持續(xù)使用3年以上。該硬件的主要特點如下:
1)功率測量動態(tài)范圍寬達65 dB;
2)分辨率可達001 dB;
3)自動調(diào)零和校正自動量程切換;
4)任意設(shè)置測量和顯示范圍內(nèi)的頻響補償和偏置數(shù)據(jù);
5)液晶顯示方式,視覺效果舒適。
1.3.2 信號處理器
信號處理器與功率計相連,主要作用是對功率計采集的信號進行放大、濾波、轉(zhuǎn)換等處理,提高信號質(zhì)量[11]。信號處理器是數(shù)?;旌蠈S眉呻娐?,其電路圖如圖3所示。
圖3 信號處理器電路圖
圖3信號處理器各個引腳和功能如表1所示。
表1 信號處理器引腳和功能表
1.3.3 傳輸元件
傳輸元件是系統(tǒng)信息傳遞和交互的硬件載體。本系統(tǒng)當(dāng)中的傳輸元件為一個傳輸串口服務(wù)器[12]。該硬件支持3路網(wǎng)絡(luò)鏈接,實現(xiàn)Modbus RTU與 Modbustcp之間的互轉(zhuǎn),適合連接支持 modbus RTU協(xié)議的串口設(shè)備與PC端組態(tài)軟件之間的通訊。同時,為確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸,采用了擁有穩(wěn)定的連接處理機制和?;顧C制的成熟 TCP/IP協(xié)議棧,可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和串口數(shù)據(jù)的通訊情況,靈活進行流量控制,實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸,但是一旦發(fā)生連接中斷,串口服務(wù)器將不斷嘗試重連直到成功若鏈接成功,確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不錯包、不丟包。
1.3.4 控制器
控制器是本系統(tǒng)的核心硬件,作用是遵照用戶的指令調(diào)動控制程序,控制電動機的啟動、調(diào)速、制動和關(guān)停等[13]。本系統(tǒng)當(dāng)中的控制器為一臺嵌入式工控機,具有CPU的計算能力、較大的硬盤存儲、友好的人機界面等。該工控機為采用Intel Core i7-3610QE 2.3 GHz 四核處理器,具有高速反應(yīng)、操作簡單、安全可靠等特點,7×24小時穩(wěn)定運行,功耗低節(jié)能。前置控制面板,支持10/100/1 000 Mbps自適應(yīng),支持網(wǎng)絡(luò)喚醒、PXE功能;可更換千兆網(wǎng)口,萬兆光口,自定義內(nèi)外網(wǎng)口,可多外線疊加流控負載均衡,靈活組合多種配置,組網(wǎng)簡單;具備較大內(nèi)存,最大支持128 GB。
1.3.5 驅(qū)動裝置
驅(qū)動裝置的用途是在電源的作用下帶動短波發(fā)射機中的發(fā)射裝置做功,在控制器的命令下調(diào)節(jié)發(fā)射功率[14]。本系統(tǒng)當(dāng)中的驅(qū)動裝置為二相混合式,可以高頻斬波,正弦波矢量控制,具有較強的抗干擾性、運行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小等優(yōu)點。具體功能特點如下:
1)供電電源:交流AC18 V--80 V/4 A(或直流DC20 V--100 V/5 A)。
2)每相最大驅(qū)動器電流為7.2安培。
3)采用精準細分正弦波電流控制技術(shù),低噪音,高平穩(wěn)性。
4)電機鎖相時,電機電流自動分流。
5)具有欠壓、過壓、過流保護等。
6)內(nèi)部跳線可改變單/雙脈沖控制,出廠設(shè)置為單脈沖。
7)內(nèi)部測試(TEST):內(nèi)部測試時電機一直運轉(zhuǎn),不需要外部控制。通過改變驅(qū)動器細分數(shù)或外接電位器(RES端子)可以改變電機的運行速度。
1.3.6 輸入輸出信號接口板
輸入輸出信號接口板提供控制系統(tǒng)與短波發(fā)射機的連接接口[15]。該輸入輸出信號接口板提供5個輸入信號端和6個信號輸出端,并且搭載了高速固態(tài)繼電器,能滿足高使用頻率和高響應(yīng)速度的要求。所有輸入輸出信號端都采用先進的光電隔離和濾波技術(shù),能有效隔離外部電路的千擾,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1.3.7 存儲芯片
存儲芯片在系統(tǒng)中的作用主要是放置數(shù)據(jù)以及控制程序,方便系統(tǒng)讀取,是系統(tǒng)中必不可少的硬件之一[16]。本系統(tǒng)當(dāng)中的存儲芯片卡片體積小巧,儲存容量達到128 Mbit。
軟件是系統(tǒng)控制程序?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵,主要包括各種業(yè)務(wù)邏輯,指導(dǎo)系統(tǒng)物理設(shè)備的運行。本系統(tǒng)軟件包括登錄注冊模塊、信號采集處理模塊、串口通信模塊以及軟件校準控制模塊[17]。下面針對這4個模塊程序進行具體分析。
1.4.1 登錄注冊模塊
登錄注冊模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能模塊,在使用系統(tǒng)前,需要用戶進行注冊并登錄,以保障系統(tǒng)安全[18]。登錄注冊過程如下。
步驟1:用戶點擊進入系統(tǒng)初始界面;
步驟2:用戶在登錄窗口輸入信息,判斷該賬號是否已經(jīng)存在。
步驟3:該賬號若存在,判斷輸入的登錄密碼是否正確?若正確,系統(tǒng)賦予該用戶登錄權(quán)限,并進入主頁;若不正確,則重新回到登錄頁面,重新進行登錄操作。
步驟4:該賬號若不存在,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入注冊頁面,按照注冊程序,用戶進行賬號注冊,輸入個人信息。
步驟5:判斷賬號是否注冊成功。若成功,重新轉(zhuǎn)入登錄頁面,按照注冊信息進行系統(tǒng)登錄;若不成功,重新進行注冊[19]。
以上流程為系統(tǒng)的登錄注冊程序,是系統(tǒng)最基礎(chǔ)的程序。
1.4.2 信號采集處理模塊
信號采集處理模塊主要是控制功率計執(zhí)行短波發(fā)射機功率信號采集和處理工作[20]。該模塊主要程序過程如下。
步驟1:功率計接入系統(tǒng);
步驟2:判斷是否成功接入:若成功,進入下一個環(huán)節(jié);若不成功,則重新接入;
步驟3:功率計初始化;
步驟4:設(shè)置功率計采集相關(guān)參數(shù);
步驟5:功率計開始采集;
步驟6:采集是否結(jié)束?若結(jié)束,對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理;若未結(jié)束,則繼續(xù)采集;
步驟7:預(yù)處理包括放大、濾波等處理。
(1)
式中,F(xiàn)1(x,y)代表放大后信號輸出;R2代表電流;R1代表相位;F(x,y)′代表原始信號。
(2)
式中,F(xiàn)2(x,y)代表濾波后的信號輸出;F(x,y)′代表原始信號;F0代表截止頻率;n代表濾波器階數(shù);0.347代表衰減率系數(shù)。
步驟8:將處理好的信號進行打包;
步驟9:建立存儲隊列;
等待存儲隊列所有數(shù)據(jù)包都完成存儲后,實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。
1.4.3 串口通信模塊
串口通信模塊的作用是將存儲器當(dāng)中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到控制器當(dāng)中,具體過程如下。
步驟1:傳輸元件初始化,并設(shè)置模塊參數(shù);
步驟2:按照讀取頻率讀取數(shù)據(jù)庫當(dāng)中的數(shù)據(jù)包;
步驟3:建立轉(zhuǎn)發(fā)隊列;
步驟4:按照轉(zhuǎn)發(fā)頻率轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包;
步驟5:轉(zhuǎn)發(fā)隊列是否為空?若為空,完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā);若隊列不為空,則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包[21]。
串口通信模塊設(shè)計中,若是需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)過大,還需要編寫通信擁塞控制算法,以防止在通信過程中丟失數(shù)據(jù)包,以影響后續(xù)數(shù)據(jù)校準,保證功率控制的準確性。
1.4.4 軟件校準控制模塊
軟件校準控制模塊是系統(tǒng)核心功能模塊,該模塊主要是利用改進PID算法對控制參數(shù)進行實時校準,實現(xiàn)對短波發(fā)射機功率的控制[22]。PID算法工作原理是根據(jù)功率計實時采集短波發(fā)射機工作參數(shù),然后與設(shè)置的預(yù)期參數(shù)進行對比,校準是否符合預(yù)期標準,并計算二者之間的差值,根據(jù)差值按照比例(proportional)、積分(integral)、微分(differential)進行運算,得出控制參數(shù),實現(xiàn)對短波發(fā)射機功率的控制[13]。簡而言之,PID算法是通過實時校準誤差來進行控制,使得短波發(fā)射機功率能夠不斷靠近預(yù)期,維持發(fā)射功率穩(wěn)定。原理公式如下:
A(t)=B(t)-C(t)
(3)
式中,A(t)代表短波發(fā)射機實際功率與預(yù)期之間的偏差量;B(t)代表輸入的預(yù)期功率值;C(t)代表實際短波發(fā)射機實際功率值。
按照A(t)控制被控對象運行,其控制公式如下:
(4)
其中:
(5)
(6)
式中,D(t)代表PID輸出的短波發(fā)射機功率控制量;KP、Ki、Kd分別代表比例、積分以及微分系數(shù);Ti代表積分時間常數(shù);Td代表微分時間常數(shù)。
PID三個參數(shù)是實現(xiàn)控制的關(guān)鍵,但是基礎(chǔ)的PID缺乏靈活性,每一個工況都需要重新設(shè)置PID參數(shù)。針對這一點,利用模糊邏輯對PID參數(shù)進行實時整定,即構(gòu)建一種基于模糊PID的軟件校準控制器,如圖4所示[24]。
圖4 基于模糊PID的軟件校準控制器
常規(guī)PID控制器的控制算是為
(7)
式中,Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù),e(t)代表系統(tǒng)誤差。令誤差變化率為
(8)
在本文控制器的設(shè)計中,輸入為e(t)和ec,輸出為PID控制器參數(shù)的變化量ΔKp、ΔKi、ΔKd。根據(jù)e與ec的變化特點進行Kp、Ki、Kd參數(shù)的整定:
1)當(dāng)|e|較大時,為提高系統(tǒng)的跟蹤性,Kp取較大值,Kd取較小值,為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào),Ki取0。
2)當(dāng)|e|較小時,為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,Kp和Ki均取較大值,此時當(dāng)|ec|較大時,Kd取較小值,當(dāng)|ec|較小時,Kd取較大值。
3)當(dāng)|e|和|ec|均為中等大小時,為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào),Kp和Kd取較小值,Ki適當(dāng)取值即可。
根據(jù)上述參數(shù)整定原則完成模糊規(guī)則表的制定,
通過改進PID實現(xiàn)了功率發(fā)送的穩(wěn)定性,有效控制了短波發(fā)射機的工作狀態(tài)[25]。
為測試所設(shè)計系統(tǒng)的控制性能,進行系統(tǒng)實現(xiàn)與測試,同時在相同測試條件下,以“N+1”控制系統(tǒng)、自動調(diào)諧系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果作為對比項,以MATLAB作為工具,進行對比分析。
控制系統(tǒng)的目標是控制短波發(fā)射機的功率,因此以一臺短波發(fā)射機作為對象,搭建系統(tǒng)測試環(huán)境。短波發(fā)射機主要用于機動用戶與車載臺或固定臺的短波通信。該發(fā)射機特點如下:第一中頻9 MHz,下變頻,搭載滾切波波器;400 MHz HRDDS;締造C/N特性優(yōu)越的基準振蕩電路;混合式SDR結(jié)構(gòu),同時搭載窄帶SDR和寬帶SDR;采用18比特A/D轉(zhuǎn)換器,具備數(shù)據(jù)的高分辨處理能力;高精度步進馬達,實現(xiàn)干擾信號最大70 dB的衰減量;主副接收機完全獨立的雙通道接收電路。
將系統(tǒng)硬件搭建在一起,并將功率計布置在圖6短波發(fā)射機上,實時采集工作參數(shù),然后傳輸?shù)较到y(tǒng)上,通過系統(tǒng)處理后,輸出校準后的控制參數(shù),控制圖6短波發(fā)射機功率。
系統(tǒng)控制方案受控端和控制端、操控軟件三部分組成,首先短波發(fā)射機主機及天線架設(shè)到空曠的野外或遠端合適的地點,控制器的控制端與受控端有線相連,然后控制端放置在工作地點(如地下指揮所無線通信室),通過傳輸元件連接功率計收發(fā)短波發(fā)射機功率數(shù)據(jù),系統(tǒng)操控計算機進行相關(guān)運算,現(xiàn)場操作人員通過操作工控機對遠端的短波發(fā)射機進行遠程功率控制操作,完成短波發(fā)射機功率控制流程。
功率控制預(yù)期即功率隨著時間的推移而要實現(xiàn)的控制標準。以100 s作為一個時間段,要求短波發(fā)射機在這段時間內(nèi)維持功率在30~35 W之間。
利用MATLAB中的simulink工具建立模糊PID控制模型,利用該模型對圖6短波發(fā)射機的功率進行控制??刂坪?,繪制100 s內(nèi)短波發(fā)射機的功率變化曲線。
短波發(fā)射機功率控制預(yù)期與實際曲線如圖5所示。
圖5 100 s內(nèi)短波發(fā)射機的功率變化預(yù)期和實際曲線圖
從圖5中可以看出,100 s內(nèi)短波發(fā)射機的功率變化預(yù)期和實際曲線存在一些差異,其中主要集中在前10 s,因為前10 s的功率控制并不在預(yù)期內(nèi),因為系統(tǒng)在初始時,需要進行調(diào)試,從而發(fā)生波動?;诖?,在后期對比計算時,可以將前10 s的功率軌跡排除在外。
評價指標選擇擬合優(yōu)度指數(shù)作為評價標準。短波發(fā)射機功率實際變化曲線越接近預(yù)期,擬合優(yōu)度指數(shù)越高,就越接近1,系統(tǒng)功率控制表現(xiàn)越好。擬合優(yōu)度計算公式如下:
(7)
式中,R2代表擬合優(yōu)度;S代表實際值和預(yù)期值之間的離差平方和;T代表實際值和預(yù)期值之間的總體平方和。
為保證測試結(jié)果具有對比性,在相同測試條件下,利用“N+1”控制系統(tǒng)、自動調(diào)諧系統(tǒng)對圖6中的短波發(fā)射機進行100 s內(nèi)的功率控制,得出控制結(jié)果,然后根據(jù)控制結(jié)果繪制短波發(fā)射機的功率變化實際曲線,再然后分別計算本系統(tǒng)實際控制曲線以及兩種對比方法控制結(jié)果曲線與預(yù)期曲線之間的擬合優(yōu)度指數(shù)。結(jié)果如表2所示。
表2 校準精度分析
從表2中可以看出,隨著短波發(fā)射機布置距離的增大,與“N+1”控制系統(tǒng)、自動調(diào)諧系統(tǒng)應(yīng)用相比較,所設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用控制下,100 s內(nèi)短波發(fā)射機的功率變化曲線與圖7預(yù)期曲線之間的擬合優(yōu)度指數(shù)更大,更接近1,說明本系統(tǒng)控制表現(xiàn)更好,更能維持短波發(fā)射機功率穩(wěn)定,避免信息丟失,提高無線通信質(zhì)量,達到了研究目標,改善了當(dāng)前短波發(fā)射機存在的問題。
綜上所述,短波發(fā)射機是無線電通信領(lǐng)域的重要設(shè)備,起到信號轉(zhuǎn)發(fā)的重要作用。維持短波發(fā)射機功率穩(wěn)定是當(dāng)前通信領(lǐng)域一直致力提高和改善的問題,短波發(fā)射機功率穩(wěn)定直接關(guān)系到無線電波的質(zhì)量,關(guān)系到通信是否失真,是否清晰?;谏鲜霰尘埃O(shè)計一種基于軟件校準的短波發(fā)射機功率控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時采集短波發(fā)射機功率數(shù)值,實時進行誤差校準來控制其功率變化,以便讓功率一直在預(yù)期范圍內(nèi)波動,從而達到穩(wěn)定功率的目的。最后通過系統(tǒng)實現(xiàn)與分析,證明了所設(shè)計系統(tǒng)的控制性能,達到了研究目標,實際波動一直控制在預(yù)期范圍內(nèi)。然而,本研究由于個人的能力以及時間的不充足,軟件功能模塊設(shè)計上有待進一步細化,優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計。