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嵌入式智能矢量天线调谐系统 |
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作者：桂林电子工业学院 秦旭 |
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1．引言
天线是现代无线电通信系统很重要的一个组成部分，天线输入参考面上电压与电流的比值称为天线的输入阻抗。它直接影响着无线电发射机输出馈线与天线的匹配效果。研究功率传输、噪声、有源器件的稳定度时，天线输入阻抗是一个很重要的参数。通常天线的有效频带主要取决于天线的阻抗频带特性。
天线是馈线的端接元件，相当一个单端口网络，因此可以直接采用集总参数测量、微波测量中的各种阻抗测量技术，从普通的谐振法到先进的自动网络分析仪法。但是天线作为一个特殊的辐射元件，可以不通过导线与周围物体产生复杂的关系。这些关系可能使理想实验时条件下测量的阻抗数值难以置信。因此在实际天线的使用中，如移动车载天线、飞机的机载天线、舰载天线等的工作环境就是天线的一部，如果只根据实验室、工厂测量的天线阻抗数值，在实际工作状态下可能因为多种误差源的存在而影响发射机输出与天线的匹配效果。所以天线阻抗测试在实际工程中，特别是在移动的情况下是有必要根据工作环境的改变对天线的阻抗进行重新测试，以保证天线的工作效率。
在宽带短波天线系统中，由于短波天线的物理尺寸不可能自然谐振于短波的全频带（1—30MHz），因此在设计全频带短波天线系统时就必须通过适当的匹配网络使天线的阻抗与发射机的输出阻抗相匹配，同时由于天线的阻抗测量与其工作环境有一定关系，各种短波电台在移动情况下也需要对不同工作环境时的天线阻抗进行匹配。常用的匹配网络有L型(图1-1 A)、π型(图1-1 B)、T 型(图1-1 C)，在短波电台中多用T 型匹配网络进行自动匹配，自动匹配系统（称之为自动天调系统Auto-Turner）使用的方式是试探算法，即首先短波发射机输出小功率（1W 或更低），由步进电机带动(图1.C)C1、C2、L2 进行不停的试探，同时记录下试探时VSWR 数值，最后根据记录的数值得到C1、C2、L2 的最佳取值使天线的反射功率最小，从而完成匹配。通常自动天调系统进行试探匹配需要大量的测试时间（秒级），对于短波跳频电台这是不允许的，同时电台的小功率输出也容易暴露电台位置。如果我们能以极微弱的信号快速的测试天线的射频阻抗(R+jX),测量阻抗的实部和虚部，或模和相角的关系，就能根据天线的阻抗直接一次调整T 型匹配网络的各项参数完成匹配，避免了使用原来传统的试探算法测量，加快了天线的匹配速度。为了进一步加快匹配速度，还可以将天线在短波全频段的射频阻抗数据预先测试存入T 型匹配网络系统的EPROM 中，在电台每次频率跳变时，直接从EPROM 中读取并直接匹配而无须测试，避免了进行天线测试而暴露电台的位置。同时随着短波电台的移动、工作环境的改变导致天线的阻抗产生变化后，能及时的重新修正匹配网络保证电台与天线的匹配。
图1-1 匹配网络
2.系统的设计目标
因此，对短波天线系统研制一个嵌入式智能矢量天线调谐系统并将其小型化为一个独立的测试系统，并进一步发展付诸应用到软无线电短波电台的嵌入式模块化结构中，将对提高各种车载、机载、舰载短波宽带天线的适应能力，对短波电台的使用、维护及提高电台的工作效率具有重要意义。
目前在天线的阻抗测试技术、特别是短波电台的天线测试技术，主要是依赖于国外的矢量网络分析仪进行测试，但这些仪器价格昂贵、体积大主要用于实验室测试和工厂生产中的天线调试工作，不可能作为一种嵌入式模块加入到短波电台中。而在实际工程中，现有的各种车载、机载、舰载短波电台需要嵌入一个小型化天线阻抗测量模块对其不同工作环境、快速跳频通信体制的天线进行准确的测量，以便迅速的完成天线匹配。研制满足嵌入式、高精度、高速测量的天线阻抗参数测量和匹配系统，将有很大的市场前景、经济效益。
3.系统概述
系统工作原理：
①初始化工作时，系统的切换开关将短波天线直接接入矢量阻抗测量模块，同时LC 调谐匹配模块直通到天线。
②矢量阻抗测量模块工作，对短波天线进行1MHz—30MHz 全频段测量，采集的测量数据经过DSP56F8323 处理器计算得到天线在整个短波频段内的精确阻抗数值，并存储在系统内作为LC 调谐匹配的计算参数。
③短波电台工作时，将发射、接收工作频率参数发送给矢量天线调谐系统，系统的DSP56F8323 处理器根据当前的工作频率和初始化时在此工作频率上测量的天线阻抗数值，经过计算和优化得到LC 调谐匹配模块的最佳值，通过LC 网络调配使短波天线与电台高效率匹配。
④系统中有一个VSWR 电压驻波比检测模块，它使用DSP56F8323 的内部ADC 进行数据采集,该模块对电台和天线的匹配进行实时的监控,并将监控的VSWR 数据实时的传送给电台；当系统监测到电台和天线出现失配时，通过系统的通信模块给短波电台发出告警信号，根据电台的指示对天线重新进行测量和调谐匹配。
Motorola DSP56F8323 处理的运算速度快，功能强大，兼有数据信号处理和通用微处理器的功能，因此非常的合适本作品的应用。在矢量阻抗模块的输出数据流大，需要进行大量的数字滤波、数据处理、计算得到测量的阻抗，同时天线匹配系统又需要根据测量的阻抗数据通过I/O 去开关相应的匹配电容、电感网络，需要大量的判断、过程语句等通用微处理器功能，Motorola DSP56F8323 的结构功能非常的合适。
4.系统硬件描述
本系统的核心部分是矢量阻抗测量模块，LC 调谐匹配模块，DPS 处理器模块三部分；矢量阻抗测量模块主要完成对未知天线的实际阻抗进行测量，DSP 处理器模块根据测量数据得到天线的实际阻抗数据，最后DSP 处理器模块I/O 端口直接控制LC 调谐匹配模块使天线匹配；具体的硬件设计描述如下：
① 矢量阻抗测量模块
由于直接根据射频阻抗的定义对测量参考面上的矢量电压、电流进行测量是非常困难的，因此射频阻抗数值的测试都是通过间接的方法通过测量与阻抗有关的相关参数，通过公式计算得出。实际工程中，常用的阻抗测量有多种方法,每种方法都有其特点和其最适合的应用范围内。
本系统中使用的是反射电桥法，反射电桥工作原理和结构与电路中的惠更斯电桥完全相同，只不过将结构尺寸减小以降低分布参数的影响以适用于射频测量。同时反射电桥也不需要调平衡，而是直接读取误差电压。根据反射电桥的工作原理，特别是对与匹配电桥进行有意的讨论。对于匹配电桥在一定条件下可以认为是一个定向耦合器。在阻抗测量中可以使用两个定向耦合器分别将未知输入阻抗DUT的入射波电压，反射波电压测量出来，从而得到未知输入阻抗的反射系数，再根据公式求出阻抗。如图定向耦合器测量反射系数。
定向耦合器测量反射系数
由此，可以用两个匹配电桥做两个定向耦合器，分别测量系统的入射电压和未知输入耦阻抗的反射电压。称之为双反射电桥法，它要比用一般的定向耦合器的工作频率范围宽，频率响应曲线好。
矢量阻抗测量模块的硬件构成：
矢量阻抗测量模块的工作原理，首先由DDS 频率合成器产生所需要测量频率的信号源，通过功两个定向耦合器分配成两路反射信号，一路为输入电压参考信号，另一路为上未知测量天线反射回电桥（称之为反射信号）；接着参考信号、反射信号将分别经过高速A/D 芯片TLC5540 数字量化后将采样点送入SRAM 32K CY7C199，最后DSP 通过读取两路SRAM 存储器中的A/D 采样数据，在DSP 内部进行同步检波数字信号算法处理得到，得到未知天线的各种阻抗参量。
② LC 调谐匹配模块
当矢量阻抗测量模块对天线进行测量后，DSP 计算出未知天线的实际阻抗，最后就需要LC 调谐网络进行匹配了。通过电路分析理论可知，要使信号源传送到负载的功率最大，信号源阻抗必须等于负载的共轭阻抗，即：Rs + jXs = RL - jXL 。在这个条件下，从信号源到负载传输的能量最大。另外，为有效传输功率，满足这个条件可以避免能量从负载反射到信号源，尤其是在诸如视频传输、RF 或微波网络的高频应用环境更是如此。
LC 调谐匹配模块设计时，使用T 型匹配网络进行自动匹配。T 型匹配网络，主要由一系列的调配电容、调配电感和控制继电器组成。
LC 调谐匹配模块的工作原理，DSP56F8323 处理器通过计算得到天线的实际阻抗，计算出天线工作频率下T 型匹配网络的调配电容、调配电感的匹配数值，然后通过I/O 端口输出控制调配继电器，一次性完成匹配过程。
③ DSP 处理器模块
DSP 处理器使用是Motorola 公司的DSP56F8323 芯片，56F8300 系列被称为“合成控制器”，其含义是该器件采用的是结合了DSP 与MCU 功能的56800E 内核，它以16 位的代码密度实现了32 位的性能，可以替代传统MCU 在32 位系统中的应用。DSP56F8323 内核在指令集中保留了最常用和最有、用的DSP 和MCU 指令集，简化了编程难度，允许习惯于MCU 的设计工程师采用C 编译器进行编程，简化了其DSP 代码的编译。DSP56F8323 内部总线结构是一种经过改进的哈佛架构，拥有7 条内部程序总线和数据总线，其中2 条为32位宽；内部的数据RAM 具有两个端口，因此可在单个周期中进行两次存取，这些特性对于处理器的信号处理能力是非常重要。
DSP 处理器模块主要对矢量阻抗测量模块的测量数据进行处理得到天线的实际阻抗，同时根据实际阻抗调配LC 调谐匹配模块，使天线和电台或信号源匹配。
5.系统软件描述
系统的软件主要是由阻抗测量计算和天线匹配两部分组成。
软件流程如下：
软件的核心算法是同步检波数字信号处理算法，算法过程说明如下：
由前面的分析可知，天线阻抗的测试实际上就是反射系数Γ的测量，最终等效为入射电压信号和反射电压信号的矢量电压的测量。在传统测试技术中对于矢量电压比的测量采用模拟同步相位检波器对矢量电压、电流进行正交分解测试，如图所示。
但传统同步检波器中的模拟乘法器存在非线性失真和交流干扰，因此对系统测量精度产生较大的影响。
本系统中使用数字式同步检波法算法进行处理，（详见矢量阻抗测量模块的硬件构成图）将双反射电桥法在激励信号U1(即入射电压)和阻抗产生的响应信号U2（即反射电压）通过同步采样技术转换成数值序列，将响应数值序列U2(n)在由激励数值序列U1(n)构成的正交坐标系中分解，得到响应数值序列的同相分量和正交分量，进而计算出U1 和U2 的幅度比数值和相位差（即矢量电压比值,电压反射系数Γ），通过公式求出测试阻抗的参数值。数字式同步检波算法,具有独特的优点,不产生原理测量误差,测量精度高。
数学原理如下：
A/D 变换将U1、U2 数值化，采样速率为信号频率的N 倍，即每个信号周期采N 个点
数字式同步检波法内部产生一个与采样同步的标准离散正交信号，将它分别与测试信号相乘。
当U1(ｎ)和U2(ｎ)为一个周期的数值序列时(ｎ=0,1,2,…,Ｎ)时,对U1(n)*U2(n)和U1(n)*U2(n+pi/2)在一个周期内求和，并由正、余弦信号一个周期内整数倍采样其和为零则得：
即
因此激励信号U1 和阻抗产生的响应信号U2，经过A/D 采样量化后，矢量电压比值为
通过响应数值序列和由激励数值序列求出。
由以上推导过程可知，数字式同步检波法与A/D 的采样频率和量化精度有关，不产生原理测量误差,测量精度高。
6.结论
采用Motorola 公司的DSP56F8323 处理为核心的嵌入式智能矢量天线调谐系统，充分利用Motorola DSP56F8323 处理的运算速度快，功能强大，兼有数据信号处理和通用微处理器的功能，天线系统的测量和调配实现了嵌入式、智能化、并将其小型化为一个独立的测试系统，并可以进一步发展付诸应用到软无线电短波电台的嵌入式模块化结构中，将对提高各种车载、机载、舰载短波宽带天线的适应能力，对电台的使用、维护及提高电台的工作效率具有重要意义。(end)
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(5/23/2005) |
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