高精度的短波发射机功率校准控制系统设计

Computer Measurement & Control控制技术DOI： 10. 16526/j. cnki. 11 — 4762/tp. 2020. 03. 027 中图分类号：TN919 文献标识码：A高精度的短波发射机功率校准控制系统设计钟维辉，于津，张盼华(同方电子科技有限公司高端通信研究所，江西九江332000)摘要：短波发射机功率存在控制精度问题&而校准生成的衰减值表格是其关键；针对该问题&设计一种高精度的短波发射机

功率校准系统；首先&对发射机系统组成进行介绍&分析了功率校准生成的衰减值表格和AD值表格的精度之间存在着非线性关 系&给出了功率校准原理框图；其次&设计了衰减值调整算法&并在实际工程中进行试验和应用；实验结果表明&能够提高发射

机功率控制精度35% &提升了发射机使用性能％关键词：短波通信；发射机；功率控制；高精度Design of High Precision Calibration Control System of

Short Wave Transmitter PowerZhong Weihui, Yu Jin, Zhang Panhua(Tong Fang Electronic Science and Technology Co. , Ltd. , High End Communications Institute,JiuJiang 332000, China)Abstract: The power of short — wave transmitter has the problem of control precision, and the attenuation value table generated

by calibration is the key. Aiming at this problem, a high—precision short—wave transmitter power calibration system is designed. Firstly, the composition of the transmitter system is introduced, and the non — linear relation between the accuracy of attenuation val­

ue table and AD value table generated by power calibration is analyzed. Secondly, the attenuation value adjustment algorithm is de­signed and tested and applied in practical engineering. Experimental results show that the power control precision of the transmitter canbeimprovedby35% .Theperformanceof5he5ransmi5ercanbeimproved.Keywords: short wave； transmitter； power control； high precision0引言由于短波通信相比其他通信方式具有设备简单、价格 低廉、通信距离远、抗摧毁能力强、抗干扰能力强、机动

发射功率控制精度，是系统的重要指标％根据闭环控

制原理和实际短波电台设计经验，设计一种高精度的短波 发射机功率校准系统％该功率校准系统对提升发射机的实

灵活不需中继等优点［1］,在军事领域的应用具有不可替代

际工作输岀功率及其输岀精度提供重要支撑与保障％作用［2］„短波电台作为短波通信载体，发射机又是短波电

1发射机系统发射机系统是指由控制单元、激励器、预后选器、功

台主要组成部分，其发射功率大小、发射频率成分是否干 净、保护系统设计是否合理，直接关乎发射机的使用性能 和寿命［3］»其中，发射机功率的控制研究是一个重要的研

率放大器、谐波滤波器和天调接口单元组成的有机统一整 体％其主要作用是完成对输入信号的调制、频率改变、滤 波、放大等功能［7*%发射时射频信号流程为：从控制单元

究方向％实际发射机功率控制过程中，存在如下问题：功率校

前面板进入的话音或数据信号经过音频放大、滤波处理后 送至激励器，然后进行音频A/D转换、调制、变频、射频

D/A转换、滤波、放大等处理，产生1.6〜30 MHz的射频

准的操作过程非常繁琐、发射机功放管非线性输岀、射频 器件差异，用检测电压计算输岀功率精度不足等％其中, 文献［4*设计了高效率高线性度的功率放大器，文献［5*

对功率放大器非线性特性及矫正技术进行了研究、文献

［6*对高功率放大器预失真技术进行了研究；文献［7*对

激励信号送至预后选器进行激励信号放大，再送到功率放 大器放大后送至谐波滤波器进行滤波&滤波后的射频功率

宽带高速电台发射机系统的保护设计应用进行了研究；文

信号通过天调接口模块进行射频、电源和控制信号合路, 送至天馈系统或假负载，发射岀去％发射时控制信号流程

献［8*对短波发射机的输岀功率及其控制实现进行了 研究％收稿日期2019 -09 - 27；修回日期2019-11-05%作者简介：钟维辉(1993 -),男，江西会昌人，本科，助理工程师,

为：外部设备输入发射键控PTT信号送至控制单元前面 板，控制单元开启发射通道，控制激励器的激励放大电路、

功放的功率放大电路、谐波滤波器的波段切换电路、天调 的调谐电路工作%其中&控制单元用于对发射机功率的控 制，是发射机系统的核心部分％主要从事短波电台控制方向的研究％第3期钟维辉，等：高精度的短波发射机功率校准控制系统设计・129・1・1发射机功率控制控制单元对射频输出功率的控制&是根据自动电平控

制原理&以功率校准时得到的衰减值表格和AD值表格为依 据&通过查表的方式&找到对应工作频率下的衰减值&作

•衰减值• AD值为初始衰减值&送给功率放大器的数控衰减器&使能射频

通路功率输出％然后根据天调接口单元检波电路反馈的电 压动态调整衰减值&使功率输出不受外界影响，稳定在允 许范围内。具体步骤是：把采集的天调接口单元正向检测AD值和

基准AD值表格中对应工作频率的AD值换算成功率值&与 频率基准功率相比较。检测功率值大&则增大数控衰减器的衰

减值；检测功率值小&则按台阶减小数控衰减器的衰减值。

慢抬快降&动态调整&从而使得射频输出功率稳定在允许 范围内。其中&功率校准时生成的衰减值表格和基准电压

AD值表格&其精度和准确度会直接影响功率控制的精度。

其原理框图如图1。图1功率控制原理框图由检测电压值换算检测功率的公式为:其中：P采为检测电压换算后的检测功率值，P基准为功率 控制的基准功率值& AD采为采集的天调接口正向检测电压

AD值，AD表为查基准电压AD值表格获得的AD值。从图2可以看出&表格中的衰减值和AD值与频率不存 在线性相关&但是其随频率变化趋势光滑&而且数控衰减 器控制精度只有0.25KB,为简化计算&落在两个测试频点

之间的频率的衰减值和AD值可以按就近原则&取邻近频点 的衰减值和AD值做功率控制。若需再提高控制精度&则减 小校准步进&但是存储数据量相应增加&校准效率降低。在实际发射时&功率控制可以弥补由于温度上升等引 起的功率变化。另外为了防止过大的驻波损坏元件&还需 结合反向检测AD值来计算反射系数和驻波比等参数调整衰

减值囚。1.2发射机功率校准由于发射机系统工作在不同频率、不同温度下&其输 出特性并不一致。如不同的频率下&给功放相同的衰减值&

其功率输出差异较大。为了达到在不同的工作频率下&能

输出稳定的功率幅度&则必须先进行功率校准⑼。因此& 功率校准是实现不同频点、不同温度下功率输出幅度的重

要手段和保障。常见的发射机功率校准方式有两种：“人工校准”和/MHz图2衰减值和AD值随频率变化散点图“内部环路校准”。1\"人工校准：通过功率放大器单板调试获取衰减值表

格&写入控制软件并烧写至发射机控制单元。操作发射机 转发后对功率计进行读数，由于功放管非线性输出，调整

相同的衰减值与获得的功率增幅不成正比&需根据读数与 基准功率差值不断修改表格&直至读数在误差允许范围内,

操作起来既耗时耗力又难于保证精度。其次&由于电子器

件差异&比如功放管的差异&还有焊接工艺的影响，使得 每台发射机不能使用相同的衰减表格&完全不适用于发射

机在车间批量生产的情况。2\"内部环路校准：开始校准时&发射机按初始衰减值

表格输出；通过控制单元实时采集正向检测电压&并换算 成功率与基准功率进行比较。控制软件根据功率差值（KB 表示）自动调整数控衰减器的增益&直至判断认为功率值

在误差允许范围内，功率校准结束。这种方式相比人工校

准的方式&有了很大的改进&但是由于检测头检测值不是 一个线性值，将检测电压换算成功率&其精度仍然存在

缺陷。2系统设计2. 1 系统原理高精度的短波发射机功率校准系统&是通过结合精密

测量的功率计和人机友好的终端机&根据闭环控制原理& 数以功率计获取的射频功率和驻波比信息作为系统的反馈参 &发射机控制单 元 根 据 反 馈 参 数 自 动 调 整 功 率 放 大 器 中 数控衰减器的增益&使得出去的射频功率能够输出在误差

允许范围内。其工作原理如图3。开始校准后& ALC终端下发控制命令和配置参数给控

制单元&控制单元置激励工作模式和工作频率&并按初始 衰减值送数控衰减器。当收到ALC终端的发射指令后&控 制单元打开射频发射通路。等待功率稳定后& ALC终端通 过向功率计发配置和读取命令获取到功率和驻波比信息&

并反馈给控制单元。同时&控制单元从天调接口单元采集 正向检测根据获取 的AD 功 值率 ，和记录并上传给 驻 波 比 信 息 &ALC 与 基 准终端显示 功 率 相 。比 控制单元较 & 自 动 ・1 30・计算机测量与控制第28卷每一轮只更新一次衰减值&当次更新后等待下一轮再作更

新&这样可以把功放烧热&保证功率输出与实际输出状态

一致&从而提高数据准确性；（6）所有频点校准完毕后,

控制单元把衰减值表格和基准电压AD值表格固化在内部

Flash,数据不易丢失％如图4,衰减值调整算法把从终端获取的功率、驻波比

和控制单元采集的天调接口单元检波电压获得的AD值综合

考虑&排除通信故障或设备故障&避免数据不可靠％主要

图3功率校准原理框图分四种情况：（1）获取的功率值为0； （2）获取的功率值较 计算应调整的衰减数值，记录并保存等待下一轮更新数控

衰减器&然后按步进增加&继续下一个频点％经过多次调

整后&所有工作频率输出功率均逼近于基准功率&控制单

元把此时记录的正向检测AD值和衰减数值生成随频点变化 的两张表格&并保存作为实际发射时功率控制的基准表格%

实际功率与基准功率衰减差值计算公式为：AdB = 10Xg（严\"

（2）其中：AdB为实际功率与基准功率衰减差值（单位

dB）, !基准为基准功率值& !实际为实际功率值%2.2功率校准

功率校准生成控制单元做功率控制的衰减表格和AD值 表格％其具体流程是：（1）控制单元收到功率校准指令后& 置激励等幅报模式&控收发开关发；（2）获取ALC终端下

发的功率等级、步进和校准频率等信息&送激励频率字和 谐波滤波器波段码&置数控衰减器衰减值；（3）获取ALC终端的开始发射指令&打开射频发射通道；（4） ALC终端

等待3 s读取功率计功率值和驻波比信息&若功率值过大& 则送停止校准指令&结束功率校准流程&否则&通知发射

机撤功率&送停止发射指令；（5）控制单元获取停止发射 指令后采集正向检测电压&关闭发射通道&上报衰减值和

AD值信息；（6） ALC终端送功率值和驻波比信息&获取

控制单元上报的衰减值和AD值信息&保存数据&打印显 示；（7）控制单元获取功率值和驻波比信息后&根据算法 调整衰减值；（8）校准频率按步进增加& ALC终端判断校

准频率是否为终止频率&若是则送停止校准指令&结束功 率校准流程, 否则继续下一个频点的功率校准%功率校准需要注意以下几点：（1）控制单元把收发开

关控发后&校准过程保持&可以防止发通道开启延时&功 率反射烧毁功放管；（2） ALC终端下发频率前&先判断该 频率上一次的发射功率是否在允许范围内，如果是，则跳

过该频点&按步进增加&发送下一个频点&功率合格情况 下不必再次调整&目的是提高校准效率；（3）发射单音后 等待3 s, ALC终端再读取功率计&目的是稳定输出功率& 保证数据准确性；（4）当ALC终端读取的功率值过大时& 为了防止功放硬件保护电路启动告警&导致校准流程紊乱&

应立即发送结束校准指令&结束校准流程；（5）每个频点

大时&驻波比不合格；（3）获取的功率值较大时& AD值较

小；（4）获取的功率值较小时& AD值较大％出现任一种情 况&校准数据都会无效&衰减值不作调整％图4控制单元衰减值调整算法若四种情况均未出现&则判断功率值是否在允许范围

内％若功率值在允许范围内，则衰减值不作调整％否则, 计算实际功率与基准功率差值（dB表示）,并按照功率差值 范围决定衰减码调整步进&但衰减码调整步进需要解决校

准效率和功放安全之间的矛盾％若衰减码调整步进过小,

则会增加调整次数&从而降低功率校准效率；如果调整步

进过大&由于功放管非线性输出&在功率抬升时&功放硬

件保护电路可能会启动告警&甚至功放管被烧毁％实际在 其它型号发射机上&应当调整参数以满足上述要求％2. 3 检查表格2. 3. 1查询表格子模块查询表格是查询每个测试频点对应的衰减值和AD值。 其具体流程是：（1） ALC终端下发开始查询&并送功率等

第 3 期钟维辉，等：高精度的短波发射机功率校准控制系统设计・131・级和步进&控制单元收到后保存；（2） ALC终端下发频率& 控制单元收到频率后上报衰减值和AD值& ALC终端获取

差值&就可以快速生成中功率、低功率、调谐功率的衰减

表格％具体流程是：在配置文件修改三个差值&修改完毕

打印结果；（3） ALC终端频率按步进增加&继续给控制单 后&打开ALC终端，点击更新功率表格& ALC终端会下发 更新功率 表 格 的 命 令 ， 控 制 单 元 收 到 后 根 据 三 个 差 值 ， 更

元下发频率&重复此步骤&直至下发频率为终止频率&则

查询流程结束％最终可以从ALC终端上看到各个频点对应 的衰减值和AD值&供操作人员分析和校对数据％2. 3. 2功率检查子模块新中功率、 低 功 率、 调 谐 功 率 的 衰 减 表 格 ， 并 保 存 在 内 部

Flash%在发射机功放特性差异较大&没有经验值或不想修

改配置文件时&通过这种方式生成衰减表格&操作方便, 准确性高 ， 又能提高校准效率%功率校准完毕后进行功率检查％其具体流程是：（1）控 制单元收到功率检查指令后&置激励等幅报模式&控收发开

3实验与分析实验平台：（1）硬件：125W短波收发信机、RS功率 关发；（2）获取ALC终端下发的功率等级、步进和检查频

率等信息&送激励频率字和谐波滤波器波段码&置数控衰 减器功率校准获得的衰减数据；（3）获取ALC终端的发射

指令&打开射频发射通道；（4） ALC终端读取功率计功率

值和驻波比信息&若功率值过大&则送停止检查指令&结 束功率检查流程&否则&送停止发射指令&通知发射机撤 功率；（5）控制单元采集正向检测电压&关闭发射通道&

上报衰减值和AD值信息；（6） ALC终端获取后将功率值、

驻波比、衰减值和AD值等打印显示；（7）检查频率按步进 增加 &ALC 终端判断 检 查 频 率 是 否 为 终 止 频 率& 若 是 则送 停止检查指令&结束功率检查流程&否则继续下一个频点 的功率检查流程％大致与功率校准相同&区别在于ALC终

端不向控制单元下发功率值和驻波比&同时控制单元也不

调整衰减值％功率检查是为了检查功率校准数据&如若功 率检查发射功率在误差允许范围内，则认定数据无误％

2.4初始化表格2. 4. 1本地初始化子模块本地初始化是一键式更新发射机内部的功率校准初始 数据％其具体流程是：ALC终端下发本地初始化命令&控 制单元收到后&按衰减码的历史经验值初始化衰减表格& 并更新内部Flash%历史经验值是过去十台发射机校准结果

取平均值得到，能接近实际衰减值&减少校准所花费的时

间&提高发射机校准的效率％2.4.2 人工初始化子模块当发现发射机功放特性差异较大时&可以通过个人经

验手动编辑&调整表格&从而达到快速校准的目的％具体

过程是先修改配置文件&然后打开ALC终端，点击人工初 始化& ALC终端会下发初始化命令&并附带配置文件里的

衰减数据％控制单元收到后&获取并初始化衰减表格&同 时更新内部Flash%2.4.3 更新功率表格子模块中功率该发射机功率校准分为四个功率等级 率 ，分别是高功率、 、 低 功、 调 谐 功 率% 高 功 率 等 级 校 准 结 束 后 & 高

功率的衰减表格和基准AD值表格已生成％因功率控制高功 率以下等级不需基准AD值表格&所以只要通过高功率衰减

表格&根据经验得到高功率与中功率衰减差值（KB表示& 下同 ）、 高功率与低功率衰 减 差 值 、 高 功 率 与 调 谐 功 率 衰 减

计、PC机、USB转RS232串口线、定制网口线；（2）件 软 ：短波电台控制软件 、 ALC 终端软件等 %实验参数：频率范围1.6〜30 MHz、步进500 kHz、功 率等级高功率%如图5,为ALC终端软件&将软件模式选择本地初始

化&执行ALC终端令控制单元打开射频通路发射功率,

ALC终端读取功率计功率值并下发给控制单元处理&控制

单元根据衰减值调整算法更新衰减值&等待下一次校准。

经过多次校准后&实际输出功率无限逼近于基准功率％这 时保存的衰减值和AD值即作为功率控制的基准表格％图5 ALC终端软件配置界面图 6 分别 使 用 本 文 方 法 、 内 部 校 准 方 法 和 人 工 校 准 方

法生成的表格 ， 发 射 机 做 功 率 控 制 后 其 输 出 功 率 随 频 率 变 化曲线％本文介绍的功率校准方法生成的表格输出功率与

125 W基准功率更加逼近&具有更高的精度&输出功率完

全能够满足发射机电性能指标中的要求％输出功率随频率变化曲线频率/MHz图6输岀功率随频率变化曲线（下转第137页）第3期常明伟，等：垃圾破碎机控制系统设计・137・黑体字是指在状态图中所示的状态(695页)。位6结束语文中介绍了垃圾破碎机的基本构成&重点阐述 了其控制系统的设计理念&通过Profmet总线通信、

0123456789101112131415准备合闸准备运行准备给定值跳闸Off2失败Off3失败合闸禁止警告设定点远程控制超出限值用尸位2用户位3F

-名称值状态/描述10101010101010101010READY TO SWITCH ON.NOT READY TO SWITCH 0汕READY TO OPERATE.0FF1 ACTIVE.OPERATION ENABLED.OPERATION INHIBITED.FAULT.模块化处理、多重背景、优化核心算法及抗干扰处

理&提高了程序的运行效率及可靠性％针对上游垃 圾来量不同&可通过变频调速系统选择不同的处理 速度&达到经济节能的目的％经调试运行&控制系

无故障。0FF2失效。J0FF2 ACTIVEo0FF3失效。0FF3 ACTIVEoSWITCH-ON INHIBITEDo统各采样参数稳定、操作方便、运行可靠％参考文献：警告激活。无警告激活。（实际值等于给定值二在允许误差范围之内用参数46. 21... 46. 23）。实际宿与给定值不同二超岀允许误差范围传动査制地：REMOTE (外部1或外部2) o。传动査制地：LOCALo参见参數0&. 29主)犬态字位10选择。参见参数06. 30主)犬态字位11选择。-参见参薮06. 31主庆态字彳立12选擢。参见参薮06. 32亟犬态李位13选掾。参见参薮06. 33亚犬态字位14选择。OPERATINGo*+张利平•液压传动系统及设计[M].北京：化工工业

出版社，2005.*+陆德民.石油化工自动控制设计手册[M+.北京：化

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图13 ABB变频器现场总线状态字内容(ABB传动协议)京，机械工业出版社，2004.*+崔 坚.SIMATIC S7 — 1500与TIA博途软件使用指南

[M].北京：机械工业出版社，2019.*+深入浅出西门子人机界面[Z].北京：西门子(中国)有限公

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*0]吴薛红，濮天伟，廖德利.防雷与接地技术[M].北京：化

学 工 业 出 版 社 ， 2008及时停车保护整个液压系统和破碎机主机％(上接第131页)[4]南敬昌，方杨，李厚儒.高效率高线性度功率放大器的设计

4结语高精度的短波发射机功率校准方法获得的衰减值表格 和基准电压AD值表格，在实际发射时输出功率有更高的精

与实现*].固体电子学研究与进展，2013，33 (3)： 244

- 253.*]许高明.功率放大器非线性特性及矫正技术研究[D].宁波:

宁波大学，2015.度，精度提升约35% %同时，工作自动化省时省力，解决 了校准过程中操作繁琐、发射机频响差、电子器件差异及 检测头精度不足等问题％但是受外场仪表配置所限，目前

*]张涛涛.高功率放大器预失真技术的研究[D].北京：清华

大 学 ， 2009*]彭 麟，苏 场，袁凤国.宽带高速电台发射机系统的保护设

计应用*].通信技术，2013，46 (5)： 16-18该方法只应用于车间发射机校试、返修，同时，若能够提

高数控衰减器控制精度，则发射机能够获得更高精度的功 率输出％参考文献：*]李宏哲，霍青松，李政.短波发射机的输出功率及其控制实

现 *].中国设备工程，2017： 136-138*]谈江海.短波电台发射控制系统设计与应用*].通信技术,2014，47 (5) : 566 - 569.*]安琳.无线电短波通信在信息化时代的应用*].珠江水

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