李 紅，阮 斌，柴 瑞

(陜西烽火通信集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.20

李紅，阮斌，柴瑞.基于FPGA和AD8318的預(yù)/后選器自檢電路設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].無線電通信技術(shù),2018,44(1):95-98.

[LI Hong，RUAN Bin，CHAI Rui.Design and Application of an Auto-test Circuit for Pre/Post-selector Based on FPGA and AD8318[J].Radio Communications Technology,2018,44(1):95-98.]

基于FPGA和AD8318的預(yù)/后選器自檢電路設(shè)計(jì)應(yīng)用

李 紅，阮 斌，柴 瑞

(陜西烽火通信集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

預(yù)/后選器是一種用于短波跳頻電臺內(nèi)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器，是大型通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。為了方便測試預(yù)/后選器，提出一種基于XC3S200A FPGA和AD8318檢波器的自檢電路。首先由FPGA PLL模塊產(chǎn)生能覆蓋所有諧振電路的頻率組作為自檢信號，然后將通過預(yù)/后選器的自檢信號送入AD8318檢波器檢驗(yàn)其增益是否達(dá)標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自檢電路能有效實(shí)現(xiàn)對預(yù)/后選器各通道性能的快速檢驗(yàn)與準(zhǔn)確分析，對于及時(shí)鎖定故障通道具有重要意義。

預(yù)/后選器數(shù)；字調(diào)諧跳頻濾波器；自動測試；增益；現(xiàn)場可編程門陣列數(shù)字鎖相環(huán)模塊

TP274+.3

A

1003-3114(2018)01-95-4

2017-10-15

DesignandApplicationofanAuto-testCircuitforPre/Post-selectorBasedonFPGAandAD8318

LI Hong,RUAN Bin,CHAI Rui

(Shaanxi Fenghuo Communication Group Co.,Ltd,Baoji 721006,China)

Pre/post selector is a digital tunablefrequency hopping filter for shortwave frequency-hopping radio receivers and transmitters.It is an important part of large communication systems.A self-test circuit based on XC3S200A FPGA and AD8318 detector is proposedto facilitate the test of pre/post selectors.First,the FPGA PLL module generates a series of self-test signals withfrequencies covering all the resonant circuits,and then the gain of each output signal from the pre/post selector is detected by the AD8318 detector for further testing.The experimental results show that this self-test circuit can check quickly and analyze accurately the performance of each channel in the pre/post selector,which is of great significance for determining the faulty channel as soon as possible.

pre/post-selector; digitally tunable frequency-hopping filter; auto-test; gain; FPGA PLL module

0 引言

短波預(yù)/后選器[1]在短波跳頻電臺[2]中應(yīng)用十分廣泛，尤其是在軍事領(lǐng)域，如：飛機(jī)、艦船坦克等武器平臺[3]。本文涉及的短波預(yù)/后選器關(guān)鍵件是數(shù)字調(diào)諧式跳頻濾波器[4](以下簡稱跳頻濾波器)，其中含有136個(gè)諧振電路，組成了750個(gè)濾波器通道，各通道濾波器的好壞直接關(guān)系到通信的質(zhì)量，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中增加自檢電路，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、排除故障。因此，具有十分重要的意義。

一直以來，對濾波器的測試主要依賴于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可精確測試出濾波器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，但其價(jià)格昂貴、體積巨大，攜帶很不方便，特別是需要將濾波器從鏈路中斷開測量，不能用于對濾波器進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障檢測[5]。本文提出了在預(yù)/后選器中增加自檢電路，有效地解決了以上問題。

1 自檢電路方案

該預(yù)/后選器自檢功能主要依據(jù)故障診斷理論，在沒有外加儀器設(shè)備的情況下，自我測試預(yù)/后選器增益，檢測結(jié)果通過內(nèi)部控制電路，送整機(jī)主控，并通過整機(jī)面板顯示器，顯示結(jié)果。自檢功能實(shí)現(xiàn)的基本方法是分兩步實(shí)現(xiàn)：

第1步，對電路進(jìn)行測前分析。設(shè)置電路各種故障狀態(tài)，選定測試頻率組和輸入激勵(lì)，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，最終選定的頻率組覆蓋所有電路。

第2步，測后分析。在測試后將實(shí)測電壓與參考電壓進(jìn)行比較，確定實(shí)際故障，進(jìn)行故障定位，要說明的，由于控制電路計(jì)算的頻率與跳頻濾波器計(jì)算的頻率算法不一樣，同時(shí)，電路本身的容差，實(shí)測頻率不可能與某一模擬頻率完全相同，因此，故障定位要從所有頻率點(diǎn)模擬中，找出與實(shí)測頻率最靠近的頻率點(diǎn)。

2 自檢電路的工作原理

對預(yù)/后選器而言，其主要性能指標(biāo)包括中心頻率、增益及帶寬帶外抑制等，要將這些指標(biāo)全部進(jìn)行測試，不僅難度大，而且很難實(shí)現(xiàn)小型化，同時(shí)成本將會很高。因?yàn)樵鲆媸嵌囗?xiàng)性能指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，為此提出針對預(yù)/后選器增益進(jìn)行自動測試的方案。其硬件實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 自檢電路的硬件實(shí)現(xiàn)方框圖

自檢電路由FPGA[6]控制電路、自檢信號整形電路、預(yù)/后選器、RF對數(shù)檢波器和電壓比較器等電路組成。若干自檢頻率信號由FPGA PLL[7]模塊產(chǎn)生。預(yù)/后選器自檢采用中斷方式，在自檢狀態(tài)，預(yù)/后選器自檢電路啟動，在自檢軟件的管理下，對設(shè)置好的由FPGA芯片輸出自檢頻率信號逐一檢測，并將檢測結(jié)果送整機(jī)主控單元處理。

3 自檢電路的關(guān)鍵問題

3.1 測試頻率的選取

大原則：預(yù)/后選器含有2個(gè)跳頻濾波器，目前故障多為電路故障，而跳頻濾波器故障占電路故障80%，短波預(yù)/后選器工作頻率范圍為1.6～30 MHz，分個(gè)波段，每個(gè)波段跳頻濾波器中覆蓋250個(gè)頻率，均由10個(gè)或12個(gè)諧振電路組成，使得預(yù)/后選器包含了136個(gè)諧振電路。只要每個(gè)波段中都有頻率自檢，除了諧振電路中部分元器件沒有檢測到外，硬件電路均檢測到。本著故障診斷要覆蓋整個(gè)元器件，選擇的測試頻率組要保證所有諧振電路至少處于工作狀態(tài)1次。

產(chǎn)生頻率信號有方法：由獨(dú)立晶體振蕩器電路產(chǎn)生，提供給自檢電路。該方法的缺點(diǎn)是硬件復(fù)雜，并且受晶體振蕩頻率影響，產(chǎn)生干擾諧波，從而影響預(yù)/后選器底部噪聲指標(biāo)。因此，該方法不可取。利用控制電路的系統(tǒng)時(shí)鐘。該方法的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡單，沒有晶體振蕩器電路，對預(yù)/后選器底部噪聲影響小。因此，采用該法。

提出的預(yù)/后選器控制電路由FPGA芯片和外圍電路組成。根據(jù)跳頻濾波器工作原理，分析計(jì)算出能覆蓋所有諧振電路的頻率組，得到最小公倍數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)幕l，即FPGA外部時(shí)鐘晶振頻率。再根據(jù)FPGA PLL模塊整數(shù)倍頻、偶數(shù)分頻的特點(diǎn)，推算出所有自檢頻率。

3.2 阻抗匹配

因?yàn)轭A(yù)/后選器是基于50 Ω系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此測試時(shí)，必須保證從端口1和端口2看進(jìn)去的阻抗必須為50 Ω，即端口1和端口2的駐波比(VSWR)為1。通常可以采用種方式來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[5-8]：

① 算法補(bǔ)償[9]；

② 無耗寬帶匹配；

③ 有耗寬帶匹配。

理想情況下，應(yīng)該采用無耗匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但對于一個(gè)非常寬的帶寬，要完全實(shí)現(xiàn)阻抗匹配非常困難，甚至是不可能的。因此，本文采用有耗匹配網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。有耗匹配網(wǎng)絡(luò)可以采用Π型或Τ型電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

圖2 Π型和Τ型電阻網(wǎng)絡(luò)

對于Π型網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的插人損耗為A，則：

式中，A=20lgK。

對于Τ型網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的插入損耗為A，則：

式中，A=20lgK。

3.3 測試方案的選取

提出的自檢測試電路由對數(shù)檢波器和運(yùn)算放大器[10]組成。運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓比較器，參考電壓固定，但可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。利用對數(shù)檢波器，將RF自檢輸入信號精確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的dB標(biāo)度輸出電壓，再將該電壓送到電壓比較器與固定參考電壓進(jìn)行比較，通過兩輸入端電壓的大小比較，輸出一個(gè)直流電壓。只有當(dāng)輸出的直流電壓為高電平時(shí)，預(yù)/后選器工作正常，否則預(yù)/后選器存在故障。

AD8318對數(shù)檢波器典型對數(shù)傳輸圖如圖3所示，電壓比較器電路如圖4所示。

圖3 AD8318典型對數(shù)傳輸圖

圖4 電壓比較器電路圖

3.4 自檢測電路的實(shí)現(xiàn)

自動測試主要通過FPGA編程來實(shí)現(xiàn)。

具體測試流程：自檢電路由FPGA PLL產(chǎn)生第1個(gè)自檢載波信號，經(jīng)信號整形電路，通過預(yù)/后選器的預(yù)選器通道，和自檢信號A/D轉(zhuǎn)換電路，將第1個(gè)檢測結(jié)果送回FPGA電路，完成第1個(gè)頻率信號檢測。之后，F(xiàn)PGA電路再送出第二個(gè)自檢頻率信號，檢測結(jié)果再送回FPGA電路，完成第2個(gè)檢測，依次類推，至完成預(yù)置好的所有頻率信號檢測，最后將檢測結(jié)果送整機(jī)主控單元處理，在整機(jī)面板上顯示結(jié)果。FPGA電路可以通過所發(fā)送頻率和接收到的報(bào)故電平信號，給整機(jī)報(bào)出具體在哪一個(gè)頻率或某頻率段或電路故障。

3.5 硬件電路的設(shè)計(jì)

采取提高自檢、預(yù)選器、后選器3種工作狀態(tài)的高隔離度設(shè)計(jì)，減少它們之間的相互干擾。預(yù)/后選器正常工作狀態(tài)，無時(shí)鐘輸出，避免干擾；后選器工作時(shí)，預(yù)選器和自檢的輸入/輸出端口均斷開并接地；預(yù)選器工作時(shí)，后選器和自檢的輸入/輸出端口均斷開并接地；自檢工作時(shí)，預(yù)選器和后選器的輸入/輸出端口均斷開并接地。

由于帶自檢電路的預(yù)/后選器中同時(shí)存在數(shù)字部分和模擬部分，為減少它們之間的相互干擾，應(yīng)該注意將數(shù)字部分和模擬部分分開布局并進(jìn)行單點(diǎn)接地。

該帶自檢的預(yù)/后選器體積較小，調(diào)試不太方便，并且系統(tǒng)中各子模塊功能相對較為獨(dú)立，所以先單獨(dú)對某些較小的子模塊進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試好后，各子模塊間的連接端口再連接。而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可單獨(dú)對這些模塊進(jìn)行測試，并及時(shí)更換。

4 應(yīng)用舉例

以短波預(yù)/后選器為例。FPGA電路采用XC3S200A芯片，存儲器采用S25FL032芯片，對數(shù)檢波器采用AD8318[11]芯片，運(yùn)算放大器采用MAX4122芯片。實(shí)現(xiàn)預(yù)/后選器的控制和自檢功能。

系統(tǒng)中各跳頻濾波器、各射頻轉(zhuǎn)換電路、自檢測模塊、控制電路等都是通過單獨(dú)調(diào)試后再連接。

提出的運(yùn)算放大器的同相輸入端，假如固定為1.5 V電壓，反向輸入端加有來自對數(shù)檢波器的大小變化的直流電壓，通過兩輸入端電壓的大小比較，輸出一個(gè)直流電壓。如圖3所示，輸出結(jié)果有3種情況：

① 當(dāng)加有自檢頻率信號優(yōu)于-35 dBm時(shí)，檢波器VOUT引腳輸出低于1.5 V的一個(gè)直流電壓，這時(shí)同相輸入端信號電壓大于反相輸入端信號電壓，電壓比較器輸出正電壓。說明有自檢頻率信號到檢波器，預(yù)/后選器工作正常。

② 當(dāng)加有自檢頻率信號等于-35 dBm時(shí)，檢波器VOUT引腳輸出1.5 V直流電壓，這時(shí)同相輸入端信號電壓和反相輸入端信號電壓相等，電壓比較器輸出0 V。說明無自檢頻率信號到檢波器，預(yù)/后選器故障。

③ 當(dāng)加有自檢頻率信號低于-35 dBm時(shí)，檢波器VOUT引腳輸出高于1.5 V的一個(gè)直流電壓，這時(shí)同相輸入端信號電壓小于反相輸入端信號電壓，電壓比較器輸出0 V。說明無自檢頻率信號到檢波器，預(yù)/后選器故障。

實(shí)際的硬件電路如圖5所示，其測試結(jié)果：

① 當(dāng)加入的自檢頻率信號優(yōu)于-38 dBm時(shí)，自檢判斷碼輸出高電平。

② 當(dāng)加入的自檢頻率信號不大于-39 dBm時(shí)，自檢判斷碼輸出低電平。

測量的結(jié)果與理論有誤差，是因?yàn)轭A(yù)/后選器的增益在1～4 dB，總體上說，滿足自檢電路應(yīng)用要求。

圖5 實(shí)際硬件電路

5 結(jié)束語

本文提出的自檢電路利用RF對數(shù)檢波器將載波信號的增益轉(zhuǎn)換成電壓值，再通過電壓比較器，判斷增益是否滿足要求，實(shí)現(xiàn)了對預(yù)/后選器性能的測試。該自檢電路簡單，體積小、成本低、速度快等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確對預(yù)/后選器各通道性能進(jìn)行快速自檢。對于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除通道故障具有很大的幫助。同時(shí)該電路雖然是針對的預(yù)/后選器性能自檢要求來設(shè)計(jì)的,但對于濾波器類器件的插入損耗或者增益的測量同樣適用。

另外，模擬整機(jī)控制系統(tǒng)中的自檢功能，設(shè)計(jì)自檢調(diào)試軟件、自檢顯示等，在生產(chǎn)中利用計(jì)算機(jī)和軟件實(shí)現(xiàn)對預(yù)/后選器性能的測試。因此，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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李紅(1967—)，女，工程師，主要研究方向：濾波器件的研發(fā)設(shè)計(jì)；

阮斌(1971—)，男，高級工程師，主要研究方向：軟件的研發(fā)設(shè)計(jì)；

柴瑞(1994—)，女，碩士研究生，主要研究方向：自動控制系統(tǒng)。

前沿技術(shù)| 5G特殊應(yīng)用場景亮相央企創(chuàng)新成就展

在今年舉辦的央企創(chuàng)新成就展會上，由電科通信子集團(tuán)牽頭研制的5G特殊應(yīng)用場景，大放異彩。

5G特殊應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)率先推進(jìn)4G到5G，既是技術(shù)進(jìn)步，也是產(chǎn)業(yè)升級。4G做不到的，5G可能輕松實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的應(yīng)用場景將會涌現(xiàn)，因而也蘊(yùn)藏了巨大的商業(yè)機(jī)會。

中國電科面向反恐維穩(wěn)、應(yīng)急救災(zāi)等特殊應(yīng)用場景，發(fā)揮集團(tuán)專業(yè)領(lǐng)域多、技術(shù)積累豐富的優(yōu)勢，統(tǒng)合集團(tuán)在浮空平臺、通信、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，推動5G在多應(yīng)用場景的發(fā)展。其中，5G一體化基站可被搭載到車、船、氣球等移動平臺上，構(gòu)成天地一體化的網(wǎng)絡(luò)，面向軍事通信、邊防巡視、反恐維穩(wěn)、應(yīng)急救災(zāi)等特殊應(yīng)用。