基于FPGA和AD8318的预/后选器自检电路设计应用

李 红，阮 斌，柴 瑞

(陕西烽火通信集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

10.3969/j.issn.1003-3114.2018.01.20

李红，阮斌，柴瑞.基于FPGA和AD8318的预/后选器自检电路设计应用[J].无线电通信技术,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的预/后选器自检电路设计应用

李 红，阮 斌，柴 瑞

(陕西烽火通信集团有限公司，陕西 宝鸡 721006)

预/后选器是一种用于短波跳频电台内接收机和发射机的数字调谐跳频滤波器，是大型通信系统中的一个重要组成部分。为了方便测试预/后选器，提出一种基于XC3S200A FPGA和AD8318检波器的自检电路。首先由FPGA PLL模块产生能覆盖所有谐振电路的频率组作为自检信号，然后将通过预/后选器的自检信号送入AD8318检波器检验其增益是否达标。实验结果表明，该自检电路能有效实现对预/后选器各通道性能的快速检验与准确分析，对于及时锁定故障通道具有重要意义。

预/后选器数；字调谐跳频滤波器；自动测试；增益；现场可编程门阵列数字锁相环模块

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

短波预/后选器[1]在短波跳频电台[2]中应用十分广泛，尤其是在军事领域，如：飞机、舰船坦克等武器平台[3]。本文涉及的短波预/后选器关键件是数字调谐式跳频滤波器[4](以下简称跳频滤波器)，其中含有136个谐振电路，组成了750个滤波器通道，各通道滤波器的好坏直接关系到通信的质量，在产品设计中增加自检电路，能够及时发现问题、排除故障。因此，具有十分重要的意义。

一直以来，对滤波器的测试主要依赖于矢量网络分析仪。利用矢量网络分析仪可精确测试出滤波器的各项技术指标，但其价格昂贵、体积巨大，携带很不方便，特别是需要将滤波器从链路中断开测量，不能用于对滤波器进行实时的故障检测[5]。本文提出了在预/后选器中增加自检电路，有效地解决了以上问题。

1 自检电路方案

该预/后选器自检功能主要依据故障诊断理论，在没有外加仪器设备的情况下，自我测试预/后选器增益，检测结果通过内部控制电路，送整机主控，并通过整机面板显示器，显示结果。自检功能实现的基本方法是分两步实现：

第1步，对电路进行测前分析。设置电路各种故障状态，选定测试频率组和输入激励，通过计算机模拟计算，最终选定的频率组覆盖所有电路。

第2步，测后分析。在测试后将实测电压与参考电压进行比较，确定实际故障，进行故障定位，要说明的，由于控制电路计算的频率与跳频滤波器计算的频率算法不一样，同时，电路本身的容差，实测频率不可能与某一模拟频率完全相同，因此，故障定位要从所有频率点模拟中，找出与实测频率最靠近的频率点。

2 自检电路的工作原理

对预/后选器而言，其主要性能指标包括中心频率、增益及带宽带外抑制等，要将这些指标全部进行测试，不仅难度大，而且很难实现小型化，同时成本将会很高。因为增益是多项性能指标的综合体现，为此提出针对预/后选器增益进行自动测试的方案。其硬件实现原理如图1所示。

图1 自检电路的硬件实现方框图

自检电路由FPGA[6]控制电路、自检信号整形电路、预/后选器、RF对数检波器和电压比较器等电路组成。若干自检频率信号由FPGA PLL[7]模块产生。预/后选器自检采用中断方式，在自检状态，预/后选器自检电路启动，在自检软件的管理下，对设置好的由FPGA芯片输出自检频率信号逐一检测，并将检测结果送整机主控单元处理。

3 自检电路的关键问题

3.1 测试频率的选取

大原则：预/后选器含有2个跳频滤波器，目前故障多为电路故障，而跳频滤波器故障占电路故障80%，短波预/后选器工作频率范围为1.6～30 MHz，分个波段，每个波段跳频滤波器中覆盖250个频率，均由10个或12个谐振电路组成，使得预/后选器包含了136个谐振电路。只要每个波段中都有频率自检，除了谐振电路中部分元器件没有检测到外，硬件电路均检测到。本着故障诊断要覆盖整个元器件，选择的测试频率组要保证所有谐振电路至少处于工作状态1次。

产生频率信号有方法：由独立晶体振荡器电路产生，提供给自检电路。该方法的缺点是硬件复杂，并且受晶体振荡频率影响，产生干扰谐波，从而影响预/后选器底部噪声指标。因此，该方法不可取。利用控制电路的系统时钟。该方法的优点是硬件简单，没有晶体振荡器电路，对预/后选器底部噪声影响小。因此，采用该法。

提出的预/后选器控制电路由FPGA芯片和外围电路组成。根据跳频滤波器工作原理，分析计算出能覆盖所有谐振电路的频率组，得到最小公倍数，选择适当的基频，即FPGA外部时钟晶振频率。再根据FPGA PLL模块整数倍频、偶数分频的特点，推算出所有自检频率。

3.2 阻抗匹配

因为预/后选器是基于50 Ω系统进行设计的，因此测试时，必须保证从端口1和端口2看进去的阻抗必须为50 Ω，即端口1和端口2的驻波比(VSWR)为1。通常可以采用种方式来实现阻抗匹配[5-8]：

① 算法补偿[9]；

② 无耗宽带匹配；

③ 有耗宽带匹配。

理想情况下，应该采用无耗匹配网络来实现阻抗匹配，但对于一个非常宽的带宽，要完全实现阻抗匹配非常困难，甚至是不可能的。因此，本文采用有耗匹配网络来实现。有耗匹配网络可以采用Π型或Τ型电阻网络来实现。

图2 Π型和Τ型电阻网络

对于Π型网络，假设网络的插人损耗为A，则：

式中，A=20lgK。

对于Τ型网络，假设网络的插入损耗为A，则：

式中，A=20lgK。

3.3 测试方案的选取

提出的自检测试电路由对数检波器和运算放大器[10]组成。运算放大器构成电压比较器，参考电压固定，但可根据实际情况调整。利用对数检波器，将RF自检输入信号精确地转换为相应的dB标度输出电压，再将该电压送到电压比较器与固定参考电压进行比较，通过两输入端电压的大小比较，输出一个直流电压。只有当输出的直流电压为高电平时，预/后选器工作正常，否则预/后选器存在故障。

AD8318对数检波器典型对数传输图如图3所示，电压比较器电路如图4所示。

图3 AD8318典型对数传输图

图4 电压比较器电路图

3.4 自检测电路的实现

自动测试主要通过FPGA编程来实现。

具体测试流程：自检电路由FPGA PLL产生第1个自检载波信号，经信号整形电路，通过预/后选器的预选器通道，和自检信号A/D转换电路，将第1个检测结果送回FPGA电路，完成第1个频率信号检测。之后，FPGA电路再送出第二个自检频率信号，检测结果再送回FPGA电路，完成第2个检测，依次类推，至完成预置好的所有频率信号检测，最后将检测结果送整机主控单元处理，在整机面板上显示结果。FPGA电路可以通过所发送频率和接收到的报故电平信号，给整机报出具体在哪一个频率或某频率段或电路故障。

3.5 硬件电路的设计

采取提高自检、预选器、后选器3种工作状态的高隔离度设计，减少它们之间的相互干扰。预/后选器正常工作状态，无时钟输出，避免干扰；后选器工作时，预选器和自检的输入/输出端口均断开并接地；预选器工作时，后选器和自检的输入/输出端口均断开并接地；自检工作时，预选器和后选器的输入/输出端口均断开并接地。

由于带自检电路的预/后选器中同时存在数字部分和模拟部分，为减少它们之间的相互干扰，应该注意将数字部分和模拟部分分开布局并进行单点接地。

该带自检的预/后选器体积较小，调试不太方便，并且系统中各子模块功能相对较为独立，所以先单独对某些较小的子模块进行调试，调试好后，各子模块间的连接端口再连接。而当系统出现故障时，可单独对这些模块进行测试，并及时更换。

4 应用举例

以短波预/后选器为例。FPGA电路采用XC3S200A芯片，存储器采用S25FL032芯片，对数检波器采用AD8318[11]芯片，运算放大器采用MAX4122芯片。实现预/后选器的控制和自检功能。

系统中各跳频滤波器、各射频转换电路、自检测模块、控制电路等都是通过单独调试后再连接。

提出的运算放大器的同相输入端，假如固定为1.5 V电压，反向输入端加有来自对数检波器的大小变化的直流电压，通过两输入端电压的大小比较，输出一个直流电压。如图3所示，输出结果有3种情况：

① 当加有自检频率信号优于-35 dBm时，检波器VOUT引脚输出低于1.5 V的一个直流电压，这时同相输入端信号电压大于反相输入端信号电压，电压比较器输出正电压。说明有自检频率信号到检波器，预/后选器工作正常。

② 当加有自检频率信号等于-35 dBm时，检波器VOUT引脚输出1.5 V直流电压，这时同相输入端信号电压和反相输入端信号电压相等，电压比较器输出0 V。说明无自检频率信号到检波器，预/后选器故障。

③ 当加有自检频率信号低于-35 dBm时，检波器VOUT引脚输出高于1.5 V的一个直流电压，这时同相输入端信号电压小于反相输入端信号电压，电压比较器输出0 V。说明无自检频率信号到检波器，预/后选器故障。

实际的硬件电路如图5所示，其测试结果：

① 当加入的自检频率信号优于-38 dBm时，自检判断码输出高电平。

② 当加入的自检频率信号不大于-39 dBm时，自检判断码输出低电平。

测量的结果与理论有误差，是因为预/后选器的增益在1～4 dB，总体上说，满足自检电路应用要求。

图5 实际硬件电路

5 结束语

本文提出的自检电路利用RF对数检波器将载波信号的增益转换成电压值，再通过电压比较器，判断增益是否满足要求，实现了对预/后选器性能的测试。该自检电路简单，体积小、成本低、速度快等特点，能够准确对预/后选器各通道性能进行快速自检。对于及时发现并排除通道故障具有很大的帮助。同时该电路虽然是针对的预/后选器性能自检要求来设计的,但对于滤波器类器件的插入损耗或者增益的测量同样适用。

另外，模拟整机控制系统中的自检功能，设计自检调试软件、自检显示等，在生产中利用计算机和软件实现对预/后选器性能的测试。因此，具有很强的实用价值。

[1] 李红，包真明，冯菊芬,等.一种短波预/后选器[P].中国.ZL 2014 1 0457936.7，2016-05-25.

[2] 李国建，张海勇．短波跳频电台通信对抗效能研究[J]．舰船科学技术，2005，27(6)：75-78.

[3] 刘超.100MHz～400MHz跳频滤波器性能测试系统的设计与实现[D].武汉:华中科技大学,2011.

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

[5] 刘超，曾超，吴国安．一种跳频滤波器性能自动测试系统[J].计算机与数字工程，2011(4):188-190.

[6] 王延鹏,潘申富,杨宏伟.基于FPGA的DVB-S2 LDPC编码器的设计与实现[J].无线电工程，2015,45(3):30-33.

[7] 华力,雍玲,雷菁.基于FPGA的DVB-S2 通用LDPC编码器的设计与实现[J].通信技术，2008,41(1):12-14.

[8] 约瑟夫 卡尔 J．射频电路设计[M]．何进,译.北京：科学出版社，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] 张军.电子电路识图入门[M].合肥:安徽科学技术出版社,2011

[11] 石磊,唐高弟,王锋.基于AD8318的对数检波接收机设计[J].信息与电子工程,2007,5(3):190-193.

李红(1967—)，女，工程师，主要研究方向：滤波器件的研发设计；

阮斌(1971—)，男，高级工程师，主要研究方向：软件的研发设计；

柴瑞(1994—)，女，硕士研究生，主要研究方向：自动控制系统。

前沿技术| 5G特殊应用场景亮相央企创新成就展

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