某通信設備激勵模塊自檢偶發報故的分析與解決措施

肖 琳

（中國電子科技集團第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著通信技術的飛速發展，越來越多的通信設備被應用到日常生活中及各個領域。其中激勵模塊作為通信系統中發射的組成部分主要完成信號的上變頻并產生激勵信號，為了提高電路穩定性，簡化維修過程，BIT自檢作為檢測發射電路是否正常工作的重要手段被廣泛應用于航空電子設備中，其性能的好壞直接影響著通信的質量，因此合理的設計對信號質量有著重要影響。

1 激勵模塊硬件架構[1]

激勵模塊架構由電源單元、頻綜單元（含高本振和低本振）、激勵單元及接口單元組成（如圖1所示）。

圖1 激勵模塊架構圖

（1）電源單元提供各種直流電源以供模塊內各單元正常工作所需。

（2）頻綜單元產生模塊工作所需的本振頻率信號。

（3）接口單元完成模塊與系統接口的驅動電平轉換，完成模塊與系統的通信接口協議處理，并按模塊內部射頻電路的要求，提供對射頻模塊的內部控制。

（4）激勵單元對中頻信號進行變頻，放大和濾波處理，最后產生射頻信號輸出。

2 BIT工作原理

系統通過CAN總線向通用激勵模塊下發上電自檢指令，模塊接口單元接收并解析指令信號隨即啟動模塊上電BIT模式。接口單元產生PTT控制信號給激勵單元，將激勵單元置為發射狀態，同時輸出中頻信號給激勵單元，并在10 ms以后結束發使能信號；接口軟件在PTT信號發出10 ms時開始采集硬件檢測后輸入的激勵指示信號，判斷是否正常工作，判斷完成后鎖存結果，等待系統下發BIT結果查詢ICD后，上報BIT結果[1]。

圖2 模塊上電BIT運行流程圖

3 故障定位分析

3.1 故障單元定位

根據故障現象和超短波激勵模塊自檢原理建立故障樹，如圖3所示。激勵模塊自檢報故可分為電源故障、激勵單元故障、接口單元故障和頻綜單元故障四類單元級故障。

圖3 激勵模塊自檢報故故障樹

根據實驗室故障復現后的回傳記錄數據，對比數據解析得知自檢過程中模塊本振、電源、接口電路正常，激勵單元故障，進一步對激勵單元故障進行排查。

3.2 單元故障排查

激勵單元由功分器、變頻鏈路、檢波電路三部分組成，其工作流程如圖4所示。中頻信號由接口單元產生并送至激勵單元，經功分器二分后，一路送至中頻監視口；一路送至變頻鏈路，經變頻鏈路濾波、放大、變頻后形成射頻信號，經檢波后輸出。

圖4 激勵單元工作流程圖

利用示波器檢測模塊自檢時功分器輸出信號，幅度、頻率均正常。然后檢查變頻鏈路輸出，射頻信號頻率、幅度均正常，排除功分器與變頻鏈路的故障，需要進一步對檢波電路進行排查。

3.3 電路故障排查

激勵模塊軟件接收到上電BIT命令后將PTT信號置為發射狀態，同時向DA輸出中頻信號，中頻信號經過功分器、變頻鏈后到達檢波電路。

測試檢波電路輸入激勵信號幅度、電壓均正常，滿足設計要求，可以正常輸出激勵檢測信號。

PTT信號發送后第10 ms時，接口軟件開始采集從檢波電路輸出的激勵指示信號，進行故障判斷。

用示波器檢測自檢過程中BIT控制信號與激勵指示信號見圖5。自檢期間，PTT開關控制信號為低電平，表示發使能信號，激勵檢測指示信號為高電平，表示在此期間硬件有檢測到激勵信號輸出。由此確定自檢期間PTT開關及激勵指示信號正常，BIT控制功能正常。

圖5 BIT控制信號與激勵指示信號

由于電路存在響應時間，PTT使能無效后，激勵檢測指示信號仍有一段時間有效，如圖6所示。

圖6 PTT使能信號與激勵指示信號的時間差

于此同時，軟件開啟BIT功率指示信號檢測判斷（原則為5判3，即采集5次功率指示判斷，若大于3次則認為功率發起，否則則判斷功率未發起）。由于采集從功率發射結束開始，采樣時間間隔約為140 μs，進行5次采樣，前3次采樣約在280 μs內完成，當故障發生時，PTT無效后功率約在275 μs處變為無效，導致采樣只有2次信號有效，通過5判3機制，判定激勵無效。因此軟件上傳BIT故障結果，系統自檢報故。

3.4 故障確定

綜上所述，由于功率檢測是在功率發射結束時刻進行采集判斷，軟件檢測時間與指示信號有效時間臨界，從而導致功率檢測時誤判，進而導致激勵模塊自檢時報BIT故障。

4 機理分析

UCE軟件BIT過程判斷激勵是否故障的時序見圖7，上電啟動BIT自檢后，軟件控制PTT信號使能，同時輸出檢測所需信號給鏈路，經鏈路處理后輸出至檢波電路，在PTT使能后10 ms時PTT關閉，同時軟件開始采集功率指示信號，原設計為了保證采集準確性，一共采集5次，軟件內實際采集間隔時間約140 μs，判斷邏輯為只要有3次以上的采集結果則為有效，判斷激勵正常，否則判斷為激勵故障。

圖7 激勵故障BIT過程

鏈路發射時，PTT開關開啟（電平拉低），發射信號經過通道時延后到達發射末端的耦合器，檢波器對耦合器輸出的信號功率進行檢波，得到檢波電壓U1，U1通過運放電路放大后與設定的電壓U2進行比較，當U1大于U2時，信道上報電壓輸出為高電平，表示激勵指示信號有效；當鏈路不發射時，PTT開關關閉（電平為高），U1會逐漸降低，經過時間t后，U1小于U2，此時信道上報電壓輸出為低電平，表示激勵指示信號無效。

這里的時間t主要由通道時延、檢波器響應時間、運放電路響應時間三部分構成。信道時延主要由晶體濾波器、跳頻濾波器時延等組成，為固有時間，時延大約為47 μs；運放比較電路的響應時間為固定時間8 μs；而檢波器響應時間主要有檢波器外部配置的濾波電容決定。

根據器件AD8361的資料[2]，需要在期間的第6腳FLTR配置一個電容來降低調制濾波器的轉折點頻率。如圖8所示，當不匹配該電容時，脈沖信號終止后大約經過5 μs檢波電壓下降；配置0.01 μF的電容后，脈沖信號終止后大約100 μs檢波電壓才下降。該電容的大小將較大程度地影響信號終止后的檢波器響應時間。

圖8 檢波器配置濾波電容響應時間

在該信道設計中，該位置的濾波電容選用的是0.1 μF（GCT41L-0805-2C1-50V-104K）的電容。根據器件資料（圖9）[2]，該電容容值偏差為±10%，高低溫（-55～125°C）下電容量變化為±20%。在環境試驗下，考慮到極限情況，電容的容值偏差為±30%，即該電容的容值范圍為0.07～0.13 μF。

圖9 電容容量偏差與溫度變化特性

在電容的該范圍下對檢波鏈路進行仿真，加上信道時延和運放電路響應時間，得到了PTT無效后信號降為低電平的仿真時間，如圖10所示，由于電容的容值范圍變化，整個PTT無效后的響應時間范圍為277～328 μs。

圖10 PTT無效后信道響應時間

當因使用環境、器件的差異，出現在PTT信號無效后，激勵檢測指示信號有效時間低于280 μs時，則會導致模塊采集5次中的第3次采集指示信號無效，不滿足3次采集有效地判斷，判定為故障；而當模塊激勵指示信號在PTT開關使能無效后仍然保持有效地時間超過280 μs時，5次采集中第三次采集指示信號有效，滿足5次中3次有效，判定為正常。

綜上，由于軟件采樣時間設計不合理，導致檢測時間與指示信號有效時間為臨界值，從而激勵檢測誤判，出現上電BIT偶發報故。

5 改善措施

為了糾正上述采樣時間的缺陷，提出2種方案：①將采集激勵指示信號的時間提前，留夠足夠閾值，以確保采樣時刻激勵檢測信號的準確、穩定。②增大檢波器第6腳的濾波電容，延長PTT信號無效后激勵指示信號的有效時間，進一步延長有效采樣時間。

綜合來看，檢波器濾波電容的調整會對調制濾波器轉折頻率、BIT響應時間造成影響，且該產品在產數量較大，電容更換工藝流程較煩瑣。將采樣時間提前則不會對其他指標造成影響，且不會產生實際采購費用，決定采用第一種方案。

要提前采樣時間，首先要確定有效采樣的時間范圍。從PTT信號的有效開始，到激勵指示信號的正確建立，發射信號經過通道延時后到達耦合器，檢波器對耦合信號功率進行檢波，得到檢波電壓U1，再利用運放對U1進行放大后與設定電壓U2比較，經過時間T后，當U1大于U2時，信道上報高電平指示信號，這個時間T稱為BIT響應時間。

對電路進行仿真，加上信道時延和運放電路響應時間，得到了PTT有效后信號變成高電平的仿真時間如圖11所示，由于電容的容值范圍變化，整個PTT有效后的BIT響應時間范圍為68～115 μs。

圖11 PTT有效后信道響應時間

根據仿真結果表明激勵指示在PTT信號有效后115 μs內已經穩定。最佳指示信號采集時間范圍就應該是BIT響應后到PTT無效之間這一時段，如圖12所示。

圖12 指示信號采集時間范圍

從設計角度考慮，在總的模塊BIT時間10 ms不變的情況下，將采集激勵指示信號的時間折中處理，在保證采樣時刻激勵的正確性的同時，又留有足夠閾值，將采集開始時間設置在BIT啟動后PTT使能5 ms時，同樣采用5判3原則作故障判斷，在10 ms BIT結束時再關閉PTT開關。修改之后的流程如圖13所示。

圖13 修改后的采樣時序

參照圖15的思路對激勵模塊的邏輯處理軟件進行修改，修改前后代碼對比如圖14、15并進行驗證。

圖14 修改前相關代碼

圖15 修改后相關代碼

6 結論驗證

（1）將故障模塊的軟件燒錄修改后的程序，對比同樣故障但未修改過軟件程序的模塊，做反復做上電BIT，修改過程序的模塊沒有出現報故，未修改程序的模塊依然偶發報故。

（2）將該修改過程序的模塊重新燒錄回修改前的版本，重復做上電BIT，出現BIT結果報故的現象，故障復現。

（3）對該模塊進行相關模塊指標測試，隨后將其進行系統測試，包括接收、發射相應指標、功能測試，測試結果表明功能正常。

（4）為避免自檢期間采樣時間與指示信號有效時間出現臨界值，導致誤判報故，修改軟件版本，對該批次及后續交付的激勵模塊進行軟件修改、升級。

7 結束語

本文針對綜合通信設備中激勵模塊BIT偶發報故的故障進行分析，逐級排查，列舉各級工作原理，最終定位故障；得出故障原因為采樣時間的設置沒有系統地考慮到激勵指示信號的有效時間，將采樣時間設置到了指示信號臨界點，導致系統誤判，出現自檢偶發報故；推導了自檢過程中指示信號的最佳采樣時間，以此為思路，對軟件采樣相關部分進行了修改。■