CN111917424A - 一种低发射宽带噪声空载短波电台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低发射宽带噪声空载短波电台及其实现方法，包括：接收激励器，用于实现对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；功率放大器，用于将接收的射频激励信号功率放大到额定功率输出；天线调谐器，用于根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配；功率放大器由功放电源、功放控制单元、后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元组成。本发明采用高射频激励、低功放增益设计，集成化程度高，可极大降低空载短波电台发射时产生的噪声、杂散等信号，可以实现机上短波电台和其他电子装备的协同工作。

Description

一种低发射宽带噪声空载短波电台及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种低发射宽带噪声空载短波电台及其实现方法，属于短波通信的技术领域。

背景技术

在军用特种系列飞机上装备着大量电子设备，各电子装备同时工作时相互产生电磁辐射干扰，影响整个通信***的作战使用效能。由于短波通信的传播特性，机上装备的短波电台(工作频率2MHz～30MHz)作为重要的中、远距离通信手段，其发射功率很大(最高可达500W)。短波电台发射时，产生的射频辐射干扰会影响机上其他电子装备的正常工作。以往的通信***设计架构是在短波电台收发信机后端配装大功率低通滤波器，在100MHz～400MHz、900MHz～1300MHz频段内宽带噪声只能达到-145dBm/Hz左右，且体积、重量均较大，已不适用于新型特种飞机的装机需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种低发射宽带噪声空载短波电台及其实现方法，可解决一直以来存在的短波电台满功率发射影响飞机上其他电子装备正常工作的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种低发射宽带噪声空载短波电台，包括：

接收激励器，用于实现对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；

功率放大器，用于将接收的短波射频激励信号功率放大到额定功率，输出得到功率射频信号；

天线调谐器，用于根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配；

其中，功率放大器由功放电源、功放控制单元、后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元组成；接收激励器与后选器单元相连接，后选器单元与功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元依次相连接；并且，功放控制单元分别与后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元相连接。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述接收激励器包括依次相连的FPGA、D/A变换器、变压器、带通滤波器、发射放大器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述后选器单元由两个射频放大器、一个调谐带通滤波器和五选一开关组成，接收激励器连接一个射频放大器的输入端，该射频放大器的输出端连接至五选一开关的输入端，五选一开关的输出端与另一个射频放大器的输入端相连接；另一个射频放大器的输出端与调谐带通滤波器相连接。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述谐波滤波单元由六个波段低通滤波器组成，实现对各次谐波的衰减。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述谐波滤波单元采用6阶椭圆函数滤波器。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述天线调谐器由检测单元、控制单元和匹配网络组成，其中检测单元对功率放大器输出的功率射频信号进行电压电流采样，得到的电压、电流采样信号送至控制单元进行处理；控制单元根据内部CPLD计算得出的阻抗和相位信息控制匹配网络继电器的切换，进而调整网络参数；匹配网络在控制单元的控制命令下调整电容电感值构成各种不同的网络参数模型，完成功率放大器与短波天线的阻抗匹配。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述匹配网络采用的网络参数模型为电感、电容组成的τ形网络。

一种基于所述低发射宽带噪声空载短波电台的实现方法，包括以下步骤：

利用接收激励器对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；

功率放大器将接收的短波射频激励信号功率放大到额定功率，输出得到功率射频信号，具体为：利用功放电源进行供电；功放控制单元根据接收的接收激励器的控制指令对后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元进行控制，接收激励器输出的短波射频激励信号经后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元滤波、放大到额定功率；功放滤波检测单元对谐波滤波单元输出的前、反向功率信号取样，输出前、反向功率对应的直流电压信号，用于电台发射功率控制和驻波比保护，并对功率放大单元输出的杂散和宽带噪声信号抑制；同时对功率放大器的工作状态进行检测，异常时由接收激励器进行控制保护；

天线调谐器根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的短波电台及其实现方法，采用高射频激励、低功放增益的设计方案，集成化程度高，采用全新的发射通道设计方案，极大降低空载短波电台发射时产生的噪声、杂散等信号，可解决一直以来存在的短波电台满功率发射影响飞机上其他电子装备正常工作的问题；在100MHz～400MHz、900MHz～1300MHz频段内发射宽带噪声不大于-165dBm/Hz，可以实现机上短波电台和其他电子装备的协同工作，不会影响飞机上其他电子装备的正常工作，有效解决了机上电子装备间的电磁兼容问题，有效提高整个通信***的作战使用效能。

附图说明

图1为本发明短波电台的组成结构示意图。

图2为本发明接收激励器的结构示意图。

图3为本发明后选器的结构示意图。

图4为本发明天线调谐器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种低发射宽带噪声空载短波电台，短波电台主要包括：接收激励器、功率放大器和天线调谐器。其中，功率放大器由功放电源、功放控制单元、后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元组成。接收激励器与后选器单元相连接，后选器单元与功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元依次相连接；并且，功放控制单元分别与后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元相连接。

接收激励器，与功率放大器和天线调谐器之间采用RS485总线的异步通信方式。接收激励器主要用于实现对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；实现对接收的音频信号进行解调处理、产生激励信号、完成与***之间的音频信号处理、接收***控制指令、实现短波通信功能的算法以及实现功能自检、状态回传、信息查询等功能。

功率放大器，用于将接收的短波射频激励信号功率放大到额定功率，输出得到功率射频信号；主要完成射频信号的功率放大，将来自接收激励器的射频激励信号放大到400W±1dB额定功率。

天线调谐器，用于根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配；主要功能是实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配，让短波天线获得最大的射频辐射功率，同时为接收射频信号提供通路。

接收激励器基于软件无线电设计思想，采用零中频收发技术，发射时实现对音频基带调制信号上变频后进行零中频数字化处理，以及接收时实现对射频信号直接采样进行零中频数字化处理。接收激励器的信号处理单元采用基于DSP+FPGA构建的嵌入式数字信号处理平台设计，DSP芯片实现短波通信的调制解调、各种数据话音业务、以及短波参数加载、自检等，FPGA实现对短波信号的上/下变频、基带调制/解调、数据内插/抽取等处理；实现接收/激励信号的零中频数字化处理；实现为接收激励器的所有外部接口分配相应资源、提供底层物理通道等。

接收激励器的结构如图2所示，接收激励器包括依次相连的FPGA、D/A变换器、变压器、带通滤波器、发射放大器；接收激励器发射时，根据短波电台的工作种类如单边带、调幅对音频信号进行A/D变换，然后由FPGA根据一定的算法在数字域内进行调制处理，经调制后的数字信号由FPGA进行上变频，再经D/A变换器变换成已调制的射频信号，已调射频信号经变压器耦合、带通滤波器进行带通滤波、发射放大器进行宽带线性放大后作为短波射频激励信号送往功率放大器。D/A变换器采用14位、1GSPS的数模转换器；带通滤波器使用LC带通滤波设计，抑制D/A变换器输出带外杂散干扰；发射放大器使用低功耗、高线性放大器，输出IP3高达47dBm。接收激励器输出的短波射频激励信号幅度为5dBm±2dB左右，100MHz以上的宽带噪声可达-150dBm/Hz以上。

短波电台在发射状态时，功率放大器中利用功放电源进行供电；功放控制单元根据接收的接收激励器的控制指令对后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元进行控制，接收激励器输出的短波射频激励信号经后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元滤波、放大到额定功率；功放滤波检测单元对谐波滤波单元输出的前、反向功率信号取样，输出前、反向功率对应的直流电压信号，用于电台发射功率控制和驻波比保护，并由内置的带通滤波器对功率放大单元输出的杂散和宽带噪声信号进一步抑制；同时对功率放大器的工作状态进行检测，异常时由接收激励器进行控制保护。

所述后选器单元是电台在发射状态时，接入接收激励器与功率放大单元之间的带通滤波器。其作用是滤除激励器的无用杂散信号，抑制电台发射时的杂散信号，对激励信号工作频段外的宽带噪声进行衰减。其结构如图3所示，由两个射频放大器、一个调谐带通滤波器和五选一开关组成，接收激励器连接一个射频放大器的输入端，该射频放大器的输出端连接至五选一开关的输入端，五选一开关的输出端与另一个射频放大器的输入端相连接；另一个射频放大器的输出端与调谐带通滤波器相连接。

后选器通过3线SPI串行数据接口接收功放控制单元送来的工作频率信息，串行频率信号经串并转换电路转换为并行的14位频率码，频率码作为地址码由flash存储器配置生成16位数据码，最后由三态八进制缓冲器输出波段控制信号和调谐控制信号。波段控制信号经译码器生成波段选择信号，如波段1～4或旁路，来控制五选一开关的切换；调谐控制信号经驱动电路驱动后，通过控制调谐带通滤波器PIN管的导通和截止来改变接入调谐回路的电容，从而改变调谐回路的谐振频率。

来自接收激励器的短波射频激励信号经射频放大器放大到15dBm±3dB左右，送入调谐带通滤波器进行滤波。调谐带通滤波器对工作频点±10％以外有40dB以上衰减，对杂散和宽带噪声也有40dB以上的抑制。调谐带通滤波器输出信号经射频放大、带通滤波后输出20dBm±3dB左右的激励信号。后级的2MHz～30MHz带通滤波器对100MHz以上频率有40dB以上衰减，经过两组滤波器后发射杂散抑制可达80dB以上，可保证后选器输出的激励信号在100MHz以上宽带噪声低于-165dBm/Hz。

功率放大单元完成后选器输出的短波射频信号功率放大，考虑到功率放大器的频响以及后级谐波滤波单元和带通滤波器损耗、环境等因素的影响，功率放大单元总增益需有一定的设计余量。综合考虑将功率放大单元总增益设计为42dB，频响小于2dB，可保证电台在各种使用条件下输出56dBm±1dB额定功率。谐波滤波单元由六个波段低通滤波器组成，实现对各次谐波的衰减。谐波滤波单元选用6阶椭圆函数滤波器，可满足二次、三次谐波衰减、通带及匹配的要求。由于谐波滤波单元低通滤波器的阻带衰减特性，在某个波段对100MHz以上频率衰减可能不超过-20dB。即使进入功率放大单元的激励信号在频率100MHz以上的宽带噪声为理想状态下的-174dBm/Hz，最终谐波滤波单元输出的射频信号宽带噪声为-174dBm/Hz+42dBm/Hz-20dBm/Hz＝-152dBm/Hz，无法达到宽带噪声低于-165dBm/Hz的要求，因此在谐波滤波单元后端需对杂散和宽带噪声再次进行滤波。功放滤波检测单元内置的2MHz～30MHz带通滤波器在100MHz～400MHz、900MHz～1300MHz频段内的带外抑制不小于40dB，功率放大器输出的宽带噪声经带通滤波器衰减后可降到-165dBm/Hz以下。

天线调谐器的结构如图4所示，主要由检测单元、控制单元和匹配网络组成。电台发射时，功率放大器送来的功率射频信号由检测单元的电压电流检测电路进行采样，电压、电流采样信号送至控制单元进行处理，比较精确的阻抗和相位值，控制单元根据内部CPLD计算得出的阻抗和相位信息来控制匹配网络继电器的切换，进而调整网络参数，以对网络参数进行调整，直至天线调谐器备妥。50Ω/200Ω阻抗变换可以增大可调谐区域，增强天线调谐器的匹配能力。在设计时考虑匹配网络的小型化设计，匹配网络采用的调谐基本网络为电感、电容组成的τ形网络。该匹配网络在控制单元的命令下调整电容电感值构成各种不同的网络参数模型，完成功率放大器与短波天线的阻抗匹配。天线调谐器对功率放大器输出的射频功率有一定的传输损耗，不会增大电台的发射宽带噪声值，在有些频点甚至会更低。

在上述结构的基础上，本发明还提出一种低发射宽带噪声空载短波电台的实现方法，包括以下步骤：

利用接收激励器对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；

功率放大器将接收的短波射频激励信号功率放大到额定功率，输出得到功率射频信号，具体为：利用功放电源进行供电；功放控制单元根据接收的接收激励器的控制指令对后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元进行控制，接收激励器输出的短波射频激励信号经后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元滤波、放大到额定功率；功放滤波检测单元对谐波滤波单元输出的前、反向功率信号取样，输出前、反向功率对应的直流电压信号，用于电台发射功率控制和驻波比保护，并对功率放大单元输出的杂散和宽带噪声信号抑制；同时对功率放大器的工作状态进行检测，异常时由接收激励器进行控制保护；

天线调谐器根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配。

因此，本发明的短波电台及其实现方法，采用高射频激励、低功放增益的设计方案，集成化程度高，可极大降低空载短波电台发射时产生的噪声、杂散等信号，在100MHz～400MHz、900MHz～1300MHz频段内发射宽带噪声不大于-165dBm/Hz，可以实现机上短波电台和其他电子装备的协同工作，有效提高整个通信***的作战使用效能。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于，包括：

接收激励器，用于实现对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；

功率放大器，用于将接收的短波射频激励信号功率放大到额定功率，输出得到功率射频信号；

天线调谐器，用于根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配；

其中，功率放大器由功放电源、功放控制单元、后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元组成；接收激励器与后选器单元相连接，后选器单元与功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元依次相连接；并且，功放控制单元分别与后选器单元、功率放大单元、谐波滤波单元、功放滤波检测单元相连接。

2.根据权利要求1所述低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于：所述接收激励器包括依次相连的FPGA、D/A变换器、变压器、带通滤波器、发射放大器。

3.根据权利要求1所述低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于：所述后选器单元由两个射频放大器、一个调谐带通滤波器和五选一开关组成，接收激励器连接一个射频放大器的输入端，该射频放大器的输出端连接至五选一开关的输入端，五选一开关的输出端与另一个射频放大器的输入端相连接；另一个射频放大器的输出端与调谐带通滤波器相连接。

4.根据权利要求3所述低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于：所述谐波滤波单元由六个波段低通滤波器组成，实现对各次谐波的衰减。

5.根据权利要求3所述低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于：所述谐波滤波单元采用6阶椭圆函数滤波器。

6.根据权利要求1所述低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于：所述天线调谐器由检测单元、控制单元和匹配网络组成，其中检测单元对功率放大器输出的功率射频信号进行电压电流采样，得到的电压、电流采样信号送至控制单元进行处理；控制单元根据内部CPLD计算得出的阻抗和相位信息来控制匹配网络继电器的切换，进而调整网络参数；匹配网络在控制单元的控制命令下调整电容电感值构成各种不同的网络参数模型，完成功率放大器与短波天线的阻抗匹配。

7.根据权利要求6所述低发射宽带噪声空载短波电台，其特征在于：所述匹配网络采用的网络参数模型为电感、电容组成的τ形网络。

8.一种基于权利要求1至7任意一项所述低发射宽带噪声空载短波电台的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用接收激励器对接收的音频信号进行数字化处理，得到和输出短波射频激励信号；

功率放大器将接收的短波射频激励信号功率放大到额定功率，输出得到功率射频信号，具体为：利用功放电源进行供电；功放控制单元根据接收的接收激励器的控制指令对后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元进行控制，接收激励器输出的短波射频激励信号经后选器单元、功率放大单元和谐波滤波单元滤波、放大到额定功率；功放滤波检测单元对谐波滤波单元输出的前、反向功率信号取样，输出前、反向功率对应的直流电压信号，用于电台发射功率控制和驻波比保护，并对功率放大单元输出的杂散和宽带噪声信号抑制；同时对功率放大器的工作状态进行检测，异常时由接收激励器进行控制保护；

天线调谐器根据功率放大器输出的功率射频信号的阻抗和相位信息来调整匹配网络的网络参数模型，实现功率放大器输出与短波天线之间的阻抗匹配。

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