石玉景，黃　露

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

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電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石玉景，黃露

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

摘要通過(guò)研究電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻的原理和流程，設(shè)計(jì)一種基于FPGA+nios硬件平臺(tái)的自動(dòng)校頻軟件算法，通過(guò)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和數(shù)字處理，實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波器的精確、快速校頻，解決電調(diào)濾波器改頻時(shí)間長(zhǎng)及環(huán)境溫度變化導(dǎo)致頻率定位不準(zhǔn)確問(wèn)題，同時(shí)簡(jiǎn)化了電調(diào)濾波器繁瑣調(diào)試工作，提高工作效率，在微波通信設(shè)備中得到了很好的驗(yàn)證和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞自動(dòng)校頻；FPGA；頻率；內(nèi)嵌式

0引言

目前，連續(xù)電調(diào)諧濾波器在電子對(duì)抗、雷達(dá)和通信[1]等系統(tǒng)中有著重要作用。它往往要求有較高的頻率選擇性，較窄的帶寬，低損耗，并需承載一定的功率，具有頻段分割、頻率選擇、抑制干擾和噪聲以及提高信噪比[2]等功能，是現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)的重要部件。然而，隨著頻段不斷提高，如X和Ku波段，高頻段電調(diào)濾波器[3,4]由于調(diào)諧行程非常短，導(dǎo)致濾波器改頻的定位精度降低，尤其是當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，可能引起較大的頻率漂移[5,6]，使通信設(shè)備無(wú)法工作在設(shè)定頻率，從而嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。

針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題，本文基于FPGA+nios硬件平臺(tái)，在不增加硬件的基礎(chǔ)上采用軟件實(shí)時(shí)控制濾波器調(diào)諧[7,8]，即在通信設(shè)備中嵌入校頻軟件程序[9]，在通信設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)跟蹤，當(dāng)發(fā)生頻率漂移或通信質(zhì)量下降情況時(shí)，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)校準(zhǔn)[10]，同時(shí)以微波通信設(shè)備為硬件平臺(tái)進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證。

1電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻設(shè)計(jì)

1.1工作原理

通信設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)一般能夠輸出工作頻帶內(nèi)任一單載波信號(hào)，該信號(hào)的雜散、諧波性良好，可以作為工作頻率帶寬的中心頻點(diǎn)。在自動(dòng)校頻情況下，通過(guò)單載波信號(hào)引導(dǎo)濾波器調(diào)諧，使得濾波器中心頻點(diǎn)剛好停在預(yù)置的頻點(diǎn)上。正常通信時(shí)信號(hào)通過(guò)自動(dòng)增益控制AGC，保證通信距離和質(zhì)量，而在校正頻率時(shí)，需要真實(shí)反應(yīng)信號(hào)電平幅度，切斷AGC功能，所以在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)增加2級(jí)開(kāi)關(guān)區(qū)分正常通信狀態(tài)和電平檢測(cè)狀態(tài)。電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻技術(shù)基于濾波器的特性，如圖1所示。

由圖1可知，設(shè)備在自動(dòng)校頻狀態(tài)下，發(fā)送單載波信號(hào)給被測(cè)濾波器，該單載波信號(hào)頻率即為該濾波器工作頻率，在自動(dòng)校頻過(guò)程中隨著濾波器的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通過(guò)濾波器后的單載波電平數(shù)值可以準(zhǔn)確獲知濾波器的通帶特性，根據(jù)電平門限值利用算法驅(qū)動(dòng)濾波器轉(zhuǎn)動(dòng)并停在中心頻率處，就可以實(shí)現(xiàn)濾波器的實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確的校頻。

圖1　電調(diào)濾波器的特性

1.2關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)校頻過(guò)程中2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：對(duì)接收信號(hào)電平的數(shù)字處理以及校頻處理過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的快速采集、存儲(chǔ)和處理。

以往的校頻都是通過(guò)單獨(dú)的校頻單元和對(duì)模擬電平的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校頻的，而本設(shè)計(jì)的校頻在不增加硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)信號(hào)電平的FPGA數(shù)字檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校頻，這樣的數(shù)字檢測(cè)可以做到更準(zhǔn)確、更可控，校頻過(guò)程對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理單元來(lái)說(shuō)一般由清零信號(hào)啟動(dòng)，數(shù)字處理過(guò)程送出的電平值必須真實(shí)有效，由圖1可知，在電調(diào)濾波器的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，信號(hào)電平變化很大，由小到大再到小，在保證數(shù)字處理硬件(FPGA)高資源利用率的情況下，要求信號(hào)處理過(guò)程中的飽和截位必須合適，既能容納很大的數(shù)據(jù)范圍又能保證邊緣數(shù)據(jù)沒(méi)有溢出，這樣的數(shù)據(jù)才能反映信號(hào)的真實(shí)信息。因此，對(duì)數(shù)據(jù)的處理必須經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)整個(gè)頻帶范圍的濾波器特性進(jìn)行模擬，做了FPGA數(shù)據(jù)采集和仿真，最終得到數(shù)據(jù)的位數(shù)和飽和截位處理方法。

其次，校頻程序需要對(duì)數(shù)字處理單元送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)校頻，濾波器步進(jìn)越短采集數(shù)據(jù)越密集，反映濾波器通帶特性更真實(shí)，同時(shí)需要采集的數(shù)據(jù)就會(huì)越多，導(dǎo)致會(huì)占用更多的存儲(chǔ)空間，因此單片機(jī)很難滿足這種需求，故在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用nios處理數(shù)據(jù)并控制濾波器的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制濾波器。在每一次的濾波器自動(dòng)校頻過(guò)程中，隨著濾波器的轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)電平值從小到大再變小的過(guò)程，那么大量信號(hào)能量的積分值在統(tǒng)計(jì)結(jié)果上看就是一個(gè)類似于拋物線的形式，在控制濾波器的驅(qū)動(dòng)芯片控制濾波器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，首先需要將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，再進(jìn)行自動(dòng)校頻的處理，使得濾波器中心頻點(diǎn)停在預(yù)置頻率處，實(shí)現(xiàn)濾波器的實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確的校頻。

1.3軟件流程

一般情況下，通信設(shè)備是在工作時(shí)改變頻率，一般先對(duì)發(fā)電調(diào)濾波器進(jìn)行調(diào)整，發(fā)頻率改變的基本流程：

① 預(yù)置發(fā)頻率到指定頻率；

② 程序設(shè)置改為單載波輸出；

③ 設(shè)備設(shè)置為射頻自環(huán)狀態(tài)；

④ 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)接收電平；

⑥ 反向驅(qū)動(dòng)濾波器再次歸零，再發(fā)驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)濾波器轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收電平，在濾波器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中找到第1個(gè)大于電平門限值M的位置停下，再次向驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)驅(qū)動(dòng)脈沖使得濾波器再次前進(jìn)(N2-N1)/2，在不考慮回零效應(yīng)時(shí)，濾波器將轉(zhuǎn)動(dòng)到中心頻率處，這樣就實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻。

對(duì)收電調(diào)濾波器進(jìn)行校頻時(shí)，預(yù)置收頻率到指定頻率，發(fā)頻率不動(dòng)，校頻流程同發(fā)電調(diào)濾波器的自動(dòng)校頻過(guò)程。

2電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻實(shí)現(xiàn)

2.1實(shí)現(xiàn)框圖

在本次的校頻實(shí)現(xiàn)中，以微波通信機(jī)為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)濾波器的自動(dòng)校頻,實(shí)現(xiàn)框圖如2所示。

圖2　電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻實(shí)現(xiàn)

接收機(jī)收到濾波器自動(dòng)校頻時(shí)發(fā)送的單載波信號(hào)，數(shù)字處理單元需要根據(jù)自動(dòng)校頻軟件送出的控制信號(hào)和脈沖對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，并得出有效值送給監(jiān)控單元，監(jiān)控單元利用自動(dòng)校頻軟件完成電調(diào)濾波器的自動(dòng)校頻。同時(shí)根據(jù)校頻處理控制驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)濾波器的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)校頻的目的。

2.2應(yīng)用實(shí)例

以微波通信設(shè)備為平臺(tái)，電調(diào)濾波器的頻率范圍為4.4～5 GHz，帶寬為30 MHz。若預(yù)置發(fā)頻率為4 830 MHz，經(jīng)過(guò)自動(dòng)校頻之后，濾波器中心頻率在4 831 MHz處，如圖3所示。

圖3　微波通信設(shè)備校頻實(shí)例(部分頻點(diǎn))

由圖3可以看出，由軟件采集的數(shù)據(jù)得出濾波器的通帶特性是與理論上濾波器的通帶特性(如圖1所示)是一致的，在通帶的左右位置，濾波器特性曲線基本對(duì)稱，采用上述的自動(dòng)校頻程序后濾波器中心頻率在4 831 MHz處，預(yù)置的中心頻率為4 830 MHz，偏差為1 MHz，相對(duì)于濾波器帶寬30 M，可以認(rèn)為校頻處理后即是通帶的中心位置，說(shuō)明電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻方法具有較高的實(shí)用價(jià)值。

3結(jié)束語(yǔ)

電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻在不增加硬件的基礎(chǔ)上，

通過(guò)設(shè)備軟件設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻功能，從根本上克服了機(jī)械誤差導(dǎo)致頻率定位精度降低的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了電調(diào)濾波器繁瑣的調(diào)試工作，尤其在X、Ku等高頻段電調(diào)濾波器應(yīng)用中，將會(huì)起到非常重要的作用。

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石玉景女，(1982—)，工程師。主要研究方向：信道傳輸。

黃露女，(1984—)，工程師。主要研究方向：通信監(jiān)控。

引用格式：石玉景,黃露.電調(diào)濾波器自動(dòng)校頻設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2016,46(1):69-71.

Design and Implementation of Automatic Frequency Alignment for

Electrically Tunable Filters

SHI Yu-jing,HUANG Lu

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThis paper studies the automatic frequency alignment principle and flow of electrically tunable filter,and designs an automatic frequency alignment software algorithm based on FPGA+nios hardware platform.By collecting,storing and processing the output signal of filter,the algorithm realizes fast and accurate automatic frequency alignment,resolves the problem of inaccurate frequency localization caused by temperature vibration and other changes of external environment of electrically tunable filter,and improves debug efficiency of electrically tunable filter.This algorithm is verified and applied in microwave communication equipment.

Key wordsautomatic frequency alignment;FPGA;frequency;embedded

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61302074)。

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號(hào)TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)01-69-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.17