电调滤波器自动校频设计与实现

石玉景，黄　露

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)



电调滤波器自动校频设计与实现

石玉景，黄露

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘要通过研究电调滤波器自动校频的原理和流程，设计一种基于FPGA+nios硬件平台的自动校频软件算法，通过对接收信号进行采集、存储和数字处理，实现电调滤波器的精确、快速校频，解决电调滤波器改频时间长及环境温度变化导致频率定位不准确问题，同时简化了电调滤波器繁琐调试工作，提高工作效率，在微波通信设备中得到了很好的验证和应用。

关键词自动校频；FPGA；频率；内嵌式

0引言

目前，连续电调谐滤波器在电子对抗、雷达和通信[1]等系统中有着重要作用。它往往要求有较高的频率选择性，较窄的带宽，低损耗，并需承载一定的功率，具有频段分割、频率选择、抑制干扰和噪声以及提高信噪比[2]等功能，是现代微波通信系统的重要部件。然而，随着频段不断提高，如X和Ku波段，高频段电调滤波器[3,4]由于调谐行程非常短，导致滤波器改频的定位精度降低，尤其是当环境温度变化时，可能引起较大的频率漂移[5,6]，使通信设备无法工作在设定频率，从而严重影响通信质量。

针对以上技术问题，本文基于FPGA+nios硬件平台，在不增加硬件的基础上采用软件实时控制滤波器调谐[7,8]，即在通信设备中嵌入校频软件程序[9]，在通信设备运行过程中实时跟踪，当发生频率漂移或通信质量下降情况时，实现频率自动校准[10]，同时以微波通信设备为硬件平台进行技术实现与验证。

1电调滤波器自动校频设计

1.1工作原理

通信设备在设计时一般能够输出工作频带内任一单载波信号，该信号的杂散、谐波性良好，可以作为工作频率带宽的中心频点。在自动校频情况下，通过单载波信号引导滤波器调谐，使得滤波器中心频点刚好停在预置的频点上。正常通信时信号通过自动增益控制AGC，保证通信距离和质量，而在校正频率时，需要真实反应信号电平幅度，切断AGC功能，所以在硬件电路设计时增加2级开关区分正常通信状态和电平检测状态。电调滤波器自动校频技术基于滤波器的特性，如图1所示。

由图1可知，设备在自动校频状态下，发送单载波信号给被测滤波器，该单载波信号频率即为该滤波器工作频率，在自动校频过程中随着滤波器的转动，实时监测通过滤波器后的单载波电平数值可以准确获知滤波器的通带特性，根据电平门限值利用算法驱动滤波器转动并停在中心频率处，就可以实现滤波器的实时快速准确的校频。

图1　电调滤波器的特性

1.2关键技术

自动校频过程中2项关键技术：对接收信号电平的数字处理以及校频处理过程中对数据的快速采集、存储和处理。

以往的校频都是通过单独的校频单元和对模拟电平的检测来实现自动校频的，而本设计的校频在不增加硬件平台的基础上通过对信号电平的FPGA数字检测来实现自动校频，这样的数字检测可以做到更准确、更可控，校频过程对于数字信号处理单元来说一般由清零信号启动，数字处理过程送出的电平值必须真实有效，由图1可知，在电调滤波器的转动过程中，信号电平变化很大，由小到大再到小，在保证数字处理硬件(FPGA)高资源利用率的情况下，要求信号处理过程中的饱和截位必须合适，既能容纳很大的数据范围又能保证边缘数据没有溢出，这样的数据才能反映信号的真实信息。因此，对数据的处理必须经过反复试验，通过对整个频带范围的滤波器特性进行模拟，做了FPGA数据采集和仿真，最终得到数据的位数和饱和截位处理方法。

其次，校频程序需要对数字处理单元送来的数据进行快速处理才能实现自动实时校频，滤波器步进越短采集数据越密集，反映滤波器通带特性更真实，同时需要采集的数据就会越多，导致会占用更多的存储空间，因此单片机很难满足这种需求，故在实现过程中采用nios处理数据并控制滤波器的驱动芯片来控制滤波器。在每一次的滤波器自动校频过程中，随着滤波器的转动，信号电平值从小到大再变小的过程，那么大量信号能量的积分值在统计结果上看就是一个类似于抛物线的形式，在控制滤波器的驱动芯片控制滤波器转动过程中，首先需要将大量数据进行存储，再进行自动校频的处理，使得滤波器中心频点停在预置频率处，实现滤波器的实时、快速、准确的校频。

1.3软件流程

一般情况下，通信设备是在工作时改变频率，一般先对发电调滤波器进行调整，发频率改变的基本流程：

① 预置发频率到指定频率；

② 程序设置改为单载波输出；

③ 设备设置为射频自环状态；

④ 实时监测统计接收电平；

⑥ 反向驱动滤波器再次归零，再发驱动脉冲驱动滤波器转动，并实时监测接收电平，在滤波器转动过程中找到第1个大于电平门限值M的位置停下，再次向驱动芯片发驱动脉冲使得滤波器再次前进(N2-N1)/2，在不考虑回零效应时，滤波器将转动到中心频率处，这样就实现电调滤波器自动校频。

对收电调滤波器进行校频时，预置收频率到指定频率，发频率不动，校频流程同发电调滤波器的自动校频过程。

2电调滤波器自动校频实现

2.1实现框图

在本次的校频实现中，以微波通信机为平台实现滤波器的自动校频,实现框图如2所示。

图2　电调滤波器自动校频实现

接收机收到滤波器自动校频时发送的单载波信号，数字处理单元需要根据自动校频软件送出的控制信号和脉冲对接收信号进行处理，并得出有效值送给监控单元，监控单元利用自动校频软件完成电调滤波器的自动校频。同时根据校频处理控制驱动芯片来驱动滤波器的转动，达到自动校频的目的。

2.2应用实例

以微波通信设备为平台，电调滤波器的频率范围为4.4～5 GHz，带宽为30 MHz。若预置发频率为4 830 MHz，经过自动校频之后，滤波器中心频率在4 831 MHz处，如图3所示。

图3　微波通信设备校频实例(部分频点)

由图3可以看出，由软件采集的数据得出滤波器的通带特性是与理论上滤波器的通带特性(如图1所示)是一致的，在通带的左右位置，滤波器特性曲线基本对称，采用上述的自动校频程序后滤波器中心频率在4 831 MHz处，预置的中心频率为4 830 MHz，偏差为1 MHz，相对于滤波器带宽30 M，可以认为校频处理后即是通带的中心位置，说明电调滤波器自动校频方法具有较高的实用价值。

3结束语

电调滤波器自动校频在不增加硬件的基础上，

通过设备软件设计即可实现电调滤波器自动校频功能，从根本上克服了机械误差导致频率定位精度降低的问题，简化了电调滤波器繁琐的调试工作，尤其在X、Ku等高频段电调滤波器应用中，将会起到非常重要的作用。

参考文献

[1]陈如明.大容量数字微波传输系统工程[M].北京：人民邮电出版社，1998.

[2]THORNTON Richard.Simultaneous Operation of UHF Communication Channels on an Airborne Platform[J].IEEE,1994(2):1 127-1 134.

[3]贾建蕊，韩军.基于HFSS设计同轴腔调谐滤波器[J].无线电工程，2011，41(1)：44-46.

[4]张同祥，曲波.步进电机控制器的设计[J]．电工电气，2010(11)：14-17.

[5]杨玲玲.高性能跳频滤波器设计[J].电讯技术，2011，51(7)：161-165.

[6]王雁平.步进电机定位控制系统的设计[J]．现代电子技术，2010(18)：205-207.

[7]严建华，郭烈恩.一种基于微机和单片机的步进电机控制系统[J].机械工程与自动化，2007(1)：120-121.

[8]FOULADI S,HUANG Feng-xi,YAN W D,et al.High Q Narrowband Tunable Combline Bandpass Filters Using MEMS Capacitor Banks and Piezomotors[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2013,61(1):393-402.

[9]SUNG Gyu-je,YEO Dong-hun,KIM Bruce.Equivalent Circuit Design of Multilayer Parallel -coupled Line Filter[J].IEEE Trans,2004:239-241.

[10]LEVY R,SNYDER R V,MATTHAEI G.Design of Microwave Filters[J].IEEE Trans,2002,50(3):783-793.

石玉景女，(1982—)，工程师。主要研究方向：信道传输。

黄露女，(1984—)，工程师。主要研究方向：通信监控。

引用格式：石玉景,黄露.电调滤波器自动校频设计与实现[J].无线电工程,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

作者简介

基金项目：国家自然科学基金项目(61302074)。

收稿日期：2015-10-10

中图分类号TP393

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)01-69-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.17