嵌入式智能矢量天線調(diào)諧系統(tǒng)（下）

② LC 調(diào)諧匹配模塊

        當(dāng)矢量阻抗測(cè)量模塊對(duì)天線進(jìn)行測(cè)量后，DSP 計(jì)算出未知天線的實(shí)際阻抗，最后就需要LC 調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配了。通過(guò)電路分析理論可知，要使信號(hào)源傳送到負(fù)載的功率最大，信號(hào)源阻抗必須等于負(fù)載的共軛阻抗，即：Rs + jXs = RL - jXL 。在這個(gè)條件下，從信號(hào)源到負(fù)載傳輸?shù)哪芰孔畲?。另外，為有效傳輸功率，滿足這個(gè)條件可以避免能量從負(fù)載反射到信號(hào)源，尤其是在諸如視頻傳輸、RF 或微波網(wǎng)絡(luò)的高頻應(yīng)用環(huán)境更是如此。
 

        LC 調(diào)諧匹配模塊設(shè)計(jì)時(shí)，使用T 型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)匹配。T 型匹配網(wǎng)絡(luò)，主要由一系列的調(diào)配電容、調(diào)配電感和控制繼電器組成

        LC 調(diào)諧匹配模塊的工作原理，DSP56F8323 處理器通過(guò)計(jì)算得到天線的實(shí)際阻抗，計(jì)算出天線工作頻率下T 型匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)配電容、調(diào)配電感的匹配數(shù)值，然后通過(guò)I/O 端口輸出控制調(diào)配繼電器，一次性完成匹配過(guò)程。

③ DSP 處理器模塊

        DSP 處理器使用是Motorola 公司的DSP56F8323 芯片，56F8300 系列被稱為“合成控制器”，其含義是該器件采用的是結(jié)合了DSP 與MCU 功能的56800E 內(nèi)核，它以16 位的代碼密度實(shí)現(xiàn)了32 位的性能，可以替代傳統(tǒng)MCU 在32 位系統(tǒng)中的應(yīng)用。DSP56F8323 內(nèi)核在指令集中保留了最常用和最有、用的DSP 和MCU 指令集，簡(jiǎn)化了編程難度，允許習(xí)慣于MCU 的設(shè)計(jì)工程師采用C 編譯器進(jìn)行編程，簡(jiǎn)化了其DSP 代碼的編譯。DSP56F8323 內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的哈佛架構(gòu)，擁有7 條內(nèi)部程序總線和數(shù)據(jù)總線，其中2 條為32位寬；內(nèi)部的數(shù)據(jù)RAM 具有兩個(gè)端口，因此可在單個(gè)周期中進(jìn)行兩次存取，這些特性對(duì)于處理器的信號(hào)處理能力是非常重要。
 

        DSP 處理器模塊主要對(duì)矢量阻抗測(cè)量模塊的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到天線的實(shí)際阻抗，同時(shí)根據(jù)實(shí)際阻抗調(diào)配LC 調(diào)諧匹配模塊，使天線和電臺(tái)或信號(hào)源匹配。

5.系統(tǒng)軟件描述

        系統(tǒng)的軟件主要是由阻抗測(cè)量計(jì)算和天線匹配兩部分組成。

軟件流程如下：
 

        軟件的核心算法是同步檢波數(shù)字信號(hào)處理算法，算法過(guò)程說(shuō)明如下：

        由前面的分析可知，天線阻抗的測(cè)試實(shí)際上就是反射系數(shù)Γ的測(cè)量，最終等效為入射電壓信號(hào)和反射電壓信號(hào)的矢量電壓的測(cè)量。在傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)中對(duì)于矢量電壓比的測(cè)量采用模擬同步相位檢波器對(duì)矢量電壓、電流進(jìn)行正交分解測(cè)試，如圖所示。
 

        但傳統(tǒng)同步檢波器中的模擬乘法器存在非線性失真和交流干擾，因此對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度產(chǎn)生較大的影響。[!--empirenews.page--]

        本系統(tǒng)中使用數(shù)字式同步檢波法算法進(jìn)行處理，（詳見矢量阻抗測(cè)量模塊的硬件構(gòu)成圖）將雙反射電橋法在激勵(lì)信號(hào)U1(即入射電壓)和阻抗產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)U2（即反射電壓）通過(guò)同步采樣技術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)值序列，將響應(yīng)數(shù)值序列U2(n)在由激勵(lì)數(shù)值序列U1(n)構(gòu)成的正交坐標(biāo)系中分解，得到響應(yīng)數(shù)值序列的同相分量和正交分量，進(jìn)而計(jì)算出U1 和U2 的幅度比數(shù)值和相位差（即矢量電壓比值,電壓反射系數(shù)Γ），通過(guò)公式求出測(cè)試阻抗的參數(shù)值。數(shù)字式同步檢波算法,具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),不產(chǎn)生原理測(cè)量誤差,測(cè)量精度高。

數(shù)學(xué)原理如下：
 

        A/D 變換將U1、U2 數(shù)值化，采樣速率為信號(hào)頻率的N 倍，即每個(gè)信號(hào)周期采N 個(gè)點(diǎn)
 

        數(shù)字式同步檢波法內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與采樣同步的標(biāo)準(zhǔn)離散正交信號(hào)，將它分別與測(cè)試信號(hào)相乘。
 

        當(dāng)U1(ｎ)和U2(ｎ)為一個(gè)周期的數(shù)值序列時(shí)(ｎ=0,1,2,…,Ｎ)時(shí),對(duì)U1(n)*U2(n)和U1(n)*U2(n+pi/2)在一個(gè)周期內(nèi)求和，并由正、余弦信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)整數(shù)倍采樣其和為零則得：
 

        即
 

        因此激勵(lì)信號(hào)U1 和阻抗產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)U2，經(jīng)過(guò)A/D 采樣量化后，矢量電壓比值為
 

        通過(guò)響應(yīng)數(shù)值序列和由激勵(lì)數(shù)值序列求出。

         由以上推導(dǎo)過(guò)程可知，數(shù)字式同步檢波法與A/D 的采樣頻率和量化精度有關(guān)，不產(chǎn)生原理測(cè)量誤差,測(cè)量精度高。

6.結(jié)論

         采用Motorola 公司的DSP56F8323 處理為核心的嵌入式智能矢量天線調(diào)諧系統(tǒng)，充分利用Motorola DSP56F8323 處理的運(yùn)算速度快，功能強(qiáng)大，兼有數(shù)據(jù)信號(hào)處理和通用微處理器的功能，天線系統(tǒng)的測(cè)量和調(diào)配實(shí)現(xiàn)了嵌入式、智能化、并將其小型化為一個(gè)獨(dú)立的測(cè)試系統(tǒng)，并可以進(jìn)一步發(fā)展付諸應(yīng)用到軟無(wú)線電短波電臺(tái)的嵌入式模塊化結(jié)構(gòu)中，將對(duì)提高各種車載、機(jī)載、艦載短波寬帶天線的適應(yīng)能力，對(duì)電臺(tái)的使用、維護(hù)及提高電臺(tái)的工作效率具有重要意義。