基于FPGA和AD8318的預/后選器自檢電路設計應用

李 紅，阮 斌，柴 瑞

(陜西烽火通信集團有限公司，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/后選器自檢電路設計應用[J].無線電通信技術,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/后選器自檢電路設計應用

李 紅，阮 斌，柴 瑞

(陜西烽火通信集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

預/后選器是一種用于短波跳頻電臺內接收機和發射機的數字調諧跳頻濾波器，是大型通信系統中的一個重要組成部分。為了方便測試預/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/后選器的自檢信號送入AD8318檢波器檢驗其增益是否達標。實驗結果表明，該自檢電路能有效實現對預/后選器各通道性能的快速檢驗與準確分析，對于及時鎖定故障通道具有重要意義。

預/后選器數；字調諧跳頻濾波器；自動測試；增益；現場可編程門陣列數字鎖相環模塊

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/后選器[1]在短波跳頻電臺[2]中應用十分廣泛，尤其是在軍事領域，如：飛機、艦船坦克等武器平臺[3]。本文涉及的短波預/后選器關鍵件是數字調諧式跳頻濾波器[4](以下簡稱跳頻濾波器)，其中含有136個諧振電路，組成了750個濾波器通道，各通道濾波器的好壞直接關系到通信的質量，在產品設計中增加自檢電路，能夠及時發現問題、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絡分析儀。利用矢量網絡分析儀可精確測試出濾波器的各項技術指標，但其價格昂貴、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行實時的故障檢測[5]。本文提出了在預/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/后選器自檢功能主要依據故障診斷理論，在沒有外加儀器設備的情況下，自我測試預/后選器增益，檢測結果通過內部控制電路，送整機主控，并通過整機面板顯示器，顯示結果。自檢功能實現的基本方法是分兩步實現：

第1步，對電路進行測前分析。設置電路各種故障狀態，選定測試頻率組和輸入激勵，通過計算機模擬計算，最終選定的頻率組覆蓋所有電路。

第2步，測后分析。在測試后將實測電壓與參考電壓進行比較，確定實際故障，進行故障定位，要說明的，由于控制電路計算的頻率與跳頻濾波器計算的頻率算法不一樣，同時，電路本身的容差，實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模擬中，找出與實測頻率最靠近的頻率點。

2 自檢電路的工作原理

對預/后選器而言，其主要性能指標包括中心頻率、增益及帶寬帶外抑制等，要將這些指標全部進行測試，不僅難度大，而且很難實現小型化，同時成本將會很高。因為增益是多項性能指標的綜合體現，為此提出針對預/后選器增益進行自動測試的方案。其硬件實現原理如圖1所示。

圖1 自檢電路的硬件實現方框圖

自檢電路由FPGA[6]控制電路、自檢信號整形電路、預/后選器、RF對數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]模塊產生。預/后選器自檢采用中斷方式，在自檢狀態，預/后選器自檢電路啟動，在自檢軟件的管理下，對設置好的由FPGA芯片輸出自檢頻率信號逐一檢測，并將檢測結果送整機主控單元處理。

3 自檢電路的關鍵問題

3.1 測試頻率的選取

大原則：預/后選器含有2個跳頻濾波器，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/后選器工作頻率范圍為1.6～30 MHz，分個波段，每個波段跳頻濾波器中覆蓋250個頻率，均由10個或12個諧振電路組成，使得預/后選器包含了136個諧振電路。只要每個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1次。

產生頻率信號有方法：由獨立晶體振蕩器電路產生，提供給自檢電路。該方法的缺點是硬件復雜，并且受晶體振蕩頻率影響，產生干擾諧波，從而影響預/后選器底部噪聲指標。因此，該方法不可取。利用控制電路的系統時鐘。該方法的優點是硬件簡單，沒有晶體振蕩器電路，對預/后選器底部噪聲影響小。因此，采用該法。

提出的預/后選器控制電路由FPGA芯片和外圍電路組成。根據跳頻濾波器工作原理，分析計算出能覆蓋所有諧振電路的頻率組，得到最小公倍數，選擇適當的基頻，即FPGA外部時鐘晶振頻率。再根據FPGA PLL模塊整數倍頻、偶數分頻的特點，推算出所有自檢頻率。

3.2 阻抗匹配

因為預/后選器是基于50 Ω系統進行設計的，因此測試時，必須保證從端口1和端口2看進去的阻抗必須為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現阻抗匹配[5-8]：

① 算法補償[9]；

② 無耗寬帶匹配；

③ 有耗寬帶匹配。

理想情況下，應該采用無耗匹配網絡來實現阻抗匹配，但對于一個非常寬的帶寬，要完全實現阻抗匹配非常困難，甚至是不可能的。因此，本文采用有耗匹配網絡來實現。有耗匹配網絡可以采用Π型或Τ型電阻網絡來實現。

圖2 Π型和Τ型電阻網絡

對于Π型網絡，假設網絡的插人損耗為A，則：

式中，A=20lgK。

對于Τ型網絡，假設網絡的插入損耗為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檢波器和運算放大器[10]組成。運算放大器構成電壓比較器，參考電壓固定，但可根據實際情況調整。利用對數檢波器，將RF自檢輸入信號精確地轉換為相應的dB標度輸出電壓，再將該電壓送到電壓比較器與固定參考電壓進行比較，通過兩輸入端電壓的大小比較，輸出一個直流電壓。只有當輸出的直流電壓為高電平時，預/后選器工作正常，否則預/后選器存在故障。

AD8318對數檢波器典型對數傳輸圖如圖3所示，電壓比較器電路如圖4所示。

圖3 AD8318典型對數傳輸圖

圖4 電壓比較器電路圖

3.4 自檢測電路的實現

自動測試主要通過FPGA編程來實現。

具體測試流程：自檢電路由FPGA PLL產生第1個自檢載波信號，經信號整形電路，通過預/后選器的預選器通道，和自檢信號A/D轉換電路，將第1個檢測結果送回FPGA電路，完成第1個頻率信號檢測。之后，FPGA電路再送出第二個自檢頻率信號，檢測結果再送回FPGA電路，完成第2個檢測，依次類推，至完成預置好的所有頻率信號檢測，最后將檢測結果送整機主控單元處理，在整機面板上顯示結果。FPGA電路可以通過所發送頻率和接收到的報故電平信號，給整機報出具體在哪一個頻率或某頻率段或電路故障。

3.5 硬件電路的設計

采取提高自檢、預選器、后選器3種工作狀態的高隔離度設計，減少它們之間的相互干擾。預/后選器正常工作狀態，無時鐘輸出，避免干擾；后選器工作時，預選器和自檢的輸入/輸出端口均斷開并接地；預選器工作時，后選器和自檢的輸入/輸出端口均斷開并接地；自檢工作時，預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/后選器中同時存在數字部分和模擬部分，為減少它們之間的相互干擾，應該注意將數字部分和模擬部分分開布局并進行單點接地。

該帶自檢的預/后選器體積較小，調試不太方便，并且系統中各子模塊功能相對較為獨立，所以先單獨對某些較小的子模塊進行調試，調試好后，各子模塊間的連接端口再連接。而當系統出現故障時，可單獨對這些模塊進行測試，并及時更換。

4 應用舉例

以短波預/后選器為例。FPGA電路采用XC3S200A芯片，存儲器采用S25FL032芯片，對數檢波器采用AD8318[11]芯片，運算放大器采用MAX4122芯片。實現預/后選器的控制和自檢功能。

系統中各跳頻濾波器、各射頻轉換電路、自檢測模塊、控制電路等都是通過單獨調試后再連接。

提出的運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，輸出一個直流電壓。如圖3所示，輸出結果有3種情況：

① 當加有自檢頻率信號優于-35 dBm時，檢波器VOUT引腳輸出低于1.5 V的一個直流電壓，這時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/后選器工作正常。

② 當加有自檢頻率信號等于-35 dBm時，檢波器VOUT引腳輸出1.5 V直流電壓，這時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/后選器故障。

③ 當加有自檢頻率信號低于-35 dBm時，檢波器VOUT引腳輸出高于1.5 V的一個直流電壓，這時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/后選器故障。

實際的硬件電路如圖5所示，其測試結果：

① 當加入的自檢頻率信號優于-38 dBm時，自檢判斷碼輸出高電平。

② 當加入的自檢頻率信號不大于-39 dBm時，自檢判斷碼輸出低電平。

測量的結果與理論有誤差，是因為預/后選器的增益在1～4 dB，總體上說，滿足自檢電路應用要求。

圖5 實際硬件電路

5 結束語

本文提出的自檢電路利用RF對數檢波器將載波信號的增益轉換成電壓值，再通過電壓比較器，判斷增益是否滿足要求，實現了對預/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，能夠準確對預/后選器各通道性能進行快速自檢。對于及時發現并排除通道故障具有很大的幫助。同時該電路雖然是針對的預/后選器性能自檢要求來設計的,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，模擬整機控制系統中的自檢功能，設計自檢調試軟件、自檢顯示等，在生產中利用計算機和軟件實現對預/后選器性能的測試。因此，具有很強的實用價值。

[1] 李紅，包真明，馮菊芬,等.一種短波預/后選器[P].中國.ZL 2014 1 0457936.7，2016-05-25.

[2] 李國建，張海勇．短波跳頻電臺通信對抗效能研究[J]．艦船科學技術，2005，27(6)：75-78.

[3] 劉超.100MHz～400MHz跳頻濾波器性能測試系統的設計與實現[D].武漢:華中科技大學,2011.

[4] 楊玲玲.高性能跳頻濾波器設計[J].電訊技術，2011，51(7)：161-165.

[5] 劉超，曾超，吳國安．一種跳頻濾波器性能自動測試系統[J].計算機與數字工程，2011(4):188-190.

[6] 王延鵬,潘申富,楊宏偉.基于FPGA的DVB-S2 LDPC編碼器的設計與實現[J].無線電工程，2015,45(3):30-33.

[7] 華力,雍玲,雷菁.基于FPGA的DVB-S2 通用LDPC編碼器的設計與實現[J].通信技術，2008,41(1):12-14.

[8] 約瑟夫 卡爾 J．射頻電路設計[M]．何進,譯.北京：科學出版社，2007.

[9] Sadegh M,Vaki L．A Technique for Determination of Filter Insertion Loss as a Function of Arbitrary Generator and Load Impedances[J]．IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1978，20(2)：273- 278.

[10] 張軍.電子電路識圖入門[M].合肥:安徽科學技術出版社,2011

[11] 石磊,唐高弟,王鋒.基于AD8318的對數檢波接收機設計[J].信息與電子工程,2007,5(3):190-193.

李紅(1967—)，女，工程師，主要研究方向：濾波器件的研發設計；

阮斌(1971—)，男，高級工程師，主要研究方向：軟件的研發設計；

柴瑞(1994—)，女，碩士研究生，主要研究方向：自動控制系統。

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