基于JTAG 接口的多通道測試系統(tǒng)設(shè)計

楊井勝

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和軟件無線電技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，接收數(shù)字化越來越向前端推移。隨著射頻高速采樣、千兆數(shù)字上下變頻等技術(shù)的實現(xiàn)，數(shù)字化測試已成為電子裝備性能評估的重要基礎(chǔ)技術(shù)之一。為了實現(xiàn)數(shù)字接收電路的自動采集與運算，通常采用增加硬件接口電路，對數(shù)字IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)網(wǎng)口傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)內(nèi)分析；或通過以嵌入式計算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)；由于外部電路的增加，不便于外場攜帶和測試，不可避免地增加了測試系統(tǒng)的開發(fā)難度和信號傳輸處理的損失，可能還會導(dǎo)致數(shù)據(jù)同步解調(diào)異常和信噪比的惡化等[1]，給被測試通路的測試帶來一些不確定性。本文采用直接采樣的方式，利用電路自身的JTAG鏈路，硬件接口簡單，最大限度地保證了數(shù)字IQ 信號原始特征，避免因電路增加帶來的采樣與分析的復(fù)雜性，通過嵌入式MATLAB 算法的采集和傳輸，實現(xiàn)Lab-VIEW 的數(shù)字化分析與運算，測試結(jié)果顯示更加直觀，保證了系統(tǒng)驗證的高效性和準(zhǔn)確性[2]。

1 設(shè)計實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)從3 個方面進(jìn)行設(shè)計，一是接收電路的內(nèi)部邏輯固件設(shè)計，二是嵌入式MATLAB 程序設(shè)計，三是Lab-VIEW 自動采集控制系統(tǒng)的設(shè)計。具體功能實現(xiàn)框圖如圖1 所示。

圖1 邏輯功能框圖

系統(tǒng)通過SignalTap 數(shù)據(jù)交互功能，完成FPGA 內(nèi)部數(shù)據(jù)的格式化輸出[3]；通過嵌入式MATLAB 算法，完成數(shù)字信號的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)格式封裝和處理[4]，隨后傳送到LabVIEW 測試系統(tǒng)模塊，通過相應(yīng)運算、處理和分析，實現(xiàn)各項性能指標(biāo)的結(jié)果顯示和輸出，完成實時的在線自動測試[5]。

1.2 邏輯固件的設(shè)計實現(xiàn)

數(shù)字接收機(jī)輸出是量化、采集和濾波處理后的IQ 數(shù)據(jù)，性能指標(biāo)的符合性驗證，全部基于正交（Qn）和同相（In）數(shù)據(jù)的采集、解析和運算后的結(jié)果[6]。

SignalTap 與外部邏輯分析儀功能類似，能夠捕獲或顯示編程芯片系統(tǒng)設(shè)計中實時信號的狀態(tài)，采樣深度高達(dá)128 kB，最多支持1 024 個通道，支持多級觸發(fā)輸入輸出。

電路的邏輯固件設(shè)計，需要通過端口進(jìn)行選擇性定義，將AD 采樣處理后的IQ 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，利用Quartus 軟件的SignalTap 功能，實現(xiàn)邏輯電路內(nèi)部測試點（數(shù)據(jù)位）的嵌入式邏輯分析，SignalTap 利用 JTAG 邊界掃描的方法讀取FPGA 內(nèi)部節(jié)點的值，然后送達(dá)到Buffer（緩沖器），再由JTAG 鏈路把數(shù)據(jù)送到Quartus 下的SignalTap模塊。數(shù)據(jù)可以輸出.stp 格式的文件，數(shù)據(jù)即為FPGA內(nèi)定義輸出的數(shù)據(jù)[7]，如圖2 所示，可以規(guī)范靈活地定義輸出數(shù)據(jù)，圖中IQ 數(shù)據(jù)從第5 行開始，MATLAB 節(jié)點控制模塊，依據(jù)約定的協(xié)議格式進(jìn)行格式化讀取和解析。

圖2 邏輯固件采樣示意圖

內(nèi)部邏輯固件設(shè)計時，需要將被測試數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的模塊封裝，盡量減少資源占有量，保證被檢測數(shù)據(jù)的完整性。SignalTap 設(shè)置的數(shù)據(jù)節(jié)點，除了所有輸出IQ數(shù)據(jù)的節(jié)點外，還需要包含時鐘、觸發(fā)和同步節(jié)點，主要用于數(shù)據(jù)的同步觸發(fā)和實時監(jiān)測。關(guān)鍵定義如下。

一是設(shè)置采樣時鐘，采樣時鐘決定顯示信號波形的分辨率以及后續(xù)解調(diào)的時鐘頻率。根據(jù)AD 電路設(shè)計需要，多數(shù)情況下采用射頻直接帶通采樣，涉及數(shù)據(jù)的傳輸率，系統(tǒng)對等效基帶譜進(jìn)行整數(shù)倍抽取，在對各種調(diào)制信號進(jìn)行解調(diào)時，保持與實際傳輸數(shù)據(jù)率一致，需要全部與SignalTap 模塊設(shè)置相應(yīng)的時鐘進(jìn)行關(guān)聯(lián)[8]。

二是保證后續(xù)測試系統(tǒng)的實時顯示，設(shè)置緩沖區(qū)存儲模式為連續(xù)存儲模式。為了保證后續(xù)測試的需要，需要將采樣深度設(shè)置盡量足夠大。考慮所能顯示的被測信號波形的時間長度為Tx，具體顯示參考如下：

其中，N為緩存中存儲的采樣點數(shù)，至少保證1 024 點以上[9]，既保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，又能減少計算量；Ts為采樣時鐘的周期。

三是設(shè)置同步觸發(fā)的條件，正常采用時鐘上沿作為觸發(fā)條件，特別注意設(shè)計前后的數(shù)據(jù)格式，采樣與MATLAB 內(nèi)數(shù)據(jù)定義格式完整統(tǒng)一。

1.3 MATLAB 程序的設(shè)計實現(xiàn)

為實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與后續(xù)LabVIEW 測試系統(tǒng)的交互分析，數(shù)據(jù)需要通過“橋梁”實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送，最終實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)分解和運算[10]。

MATLAB 程序設(shè)計的核心是完成對.stp 數(shù)據(jù)進(jìn)行嵌入式讀取，并進(jìn)行格式化的封裝和輸出，完成LabVIEW與硬件邏輯電路之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接和交換，為后續(xù)Lab-VIEW 的數(shù)據(jù)處理分析提供輸入輸出的接口。

根據(jù)后端數(shù)據(jù)的需求，對SignalTab 數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一讀取，讀取的方法是將對應(yīng)名稱和對應(yīng)行數(shù)進(jìn)行循環(huán)調(diào)入，采集分析的時鐘頻率要與發(fā)送端定義統(tǒng)一，參數(shù)要與Quartus 內(nèi)的SignalTap 設(shè)置一致，否則將無法實現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)分解和顯示。

1.4 基于LabVIEW 的實現(xiàn)

基于LabVIEW 的測試系統(tǒng)，是對數(shù)字信號進(jìn)行分析和運算的部分，下面將對LabVIEW 內(nèi)關(guān)鍵的設(shè)計和性能指標(biāo)的處理過程進(jìn)行分析。

1.4.1 接口設(shè)計

通過在LabVIEW 中MATLAB 程序調(diào)用，實時采集分析來自JTAG 鏈的IQ 信息，具體包括：

（1）多通路的控制與采集。該部分設(shè)計與SignalTab 內(nèi)的采集控制點相關(guān)聯(lián)，采用For 循環(huán)+選擇結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同通路的測試設(shè)置。為保證測試系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用性，以及數(shù)據(jù)傳輸、解析和處理的一致性，將各部分需要關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)和變量，進(jìn)行統(tǒng)一的定義設(shè)置，包括SignalTap 時鐘、MATLAB 采集分解時鐘以及Lab-VIEW 自動測試系統(tǒng)分析采樣時鐘等，通過統(tǒng)一關(guān)聯(lián)變量來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

（2）嵌入式MATLAB 節(jié)點的設(shè)計。由于測試數(shù)據(jù)內(nèi)包含I 和Q 兩路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過嵌入式MATLAB 節(jié)點設(shè)計，MATLAB 程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行再封裝，數(shù)據(jù)節(jié)點（IQ 數(shù)據(jù)）被送入 LabVIEW 的測試節(jié)點上，進(jìn)入數(shù)據(jù)分析模塊[10]。

（3）模塊的標(biāo)準(zhǔn)化分析和處理。通過IQ 信號的標(biāo)準(zhǔn)接口和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)分析模塊，能夠兼容多型雷達(dá)采樣，實現(xiàn)測試接口的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，具有較好的可移植性。

1.4.2 數(shù)字分析與處理

（1）分析處理過程

經(jīng)數(shù)字下變頻、正交解調(diào)、高效數(shù)字濾波CIC 濾波后，處理完成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入信號處理流程。模擬信號處理前的極坐標(biāo)表示的復(fù)信號z(t)如下：

其中，a(t)表示z(t)的瞬時包絡(luò)，φ(t)=ω0t+θ(t)表示信號的瞬時相位，ω(t)==ω0+θ(t)表示信號的瞬時角頻率，這3 個特征量包含了窄帶信號的全部信息，去除載頻分量后，基帶信號（或稱為零中頻信號）可表示如下：

式中，基帶信號的同相分量zBI(t) 和正交分量zBQ(t)，基帶信號為解析信號的復(fù)包絡(luò)，含有正頻分量和負(fù)頻分量。通過對上述信號的分析，從而實現(xiàn)通道性能指標(biāo)的分析。

式中，Re[.]、Im[.]分別表示實部和虛部。

信息內(nèi)包含瞬時幅度、瞬時相位和瞬時頻率，通過對基帶信號的3 個特征參數(shù)的分解運算，實現(xiàn)信號分析、參數(shù)測量和識別解調(diào)[11]。

測試系統(tǒng)將信號從數(shù)字域轉(zhuǎn)換到模擬域，需要獲取信號的頻譜信息，F(xiàn)FT 運算是獲取頻譜信息的重要步驟，為了防止信號分析的泄露等影響，需要增加濾波窗函數(shù)（漢寧窗、海明窗、高斯窗、三角窗）。

通過FFT 計算DFT，得到信號的離散頻譜，再經(jīng)過平方運算獲得功率譜[12]。

系統(tǒng)內(nèi)的IQ 數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的性能指標(biāo)要求，依據(jù)不同的測試需求，設(shè)計通用化模塊化的VI 模塊，內(nèi)部處理的原理框圖如圖3 所示。

圖3 測試系統(tǒng)內(nèi)部處理框圖

（2）增益分析

所謂增益分析，即通過基準(zhǔn)線性輸入功率的情況下，采集每個數(shù)字接收通路的輸出幅度，是驗證通路好壞的指標(biāo)之一，也是確認(rèn)每路輸出幅度一致性的衡量因素。

通過JTAG 鏈路采集到的數(shù)字IQ 信號的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確運算出通路幅度一致性的指標(biāo)，具體處理過程為：先將量化后的數(shù)據(jù)送入嵌入式MATLAB 程序中，通過MATLAB 程序構(gòu)建復(fù)數(shù)數(shù)組，IQ 復(fù)數(shù)數(shù)組傳送至Lab-VIEW 中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對采樣深度內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，根據(jù)模值運算出有效值，通過幅度有效值進(jìn)行多次采集取平均，然后運算出相應(yīng)的輸出功率。

首先進(jìn)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，分析處理過程如下：

式中，V是電壓有效值；ZBI和ZBQ為IQ 信號的幅值；P為輸出功率；R為輸入阻抗，標(biāo)準(zhǔn)有效值50 Ω。

（3）信噪比分析

接收信噪比（SNR）是指接收通道的信號功率與噪聲功率的比值，是接收系統(tǒng)工作性能指標(biāo)的體現(xiàn)，也是保證接收機(jī)靈敏度的重要衡量因素。

信號功率和噪聲功率是測試系統(tǒng)需要分析的重要參數(shù)，為了保證測試系統(tǒng)的通用性和擴(kuò)展性，測試系統(tǒng)增加了硬件選擇匹配模塊，依據(jù)針對不同型號AD 硬件電路的滿幅度值，選擇不同的分析處理參數(shù)，并對信號濾波進(jìn)行多窗口設(shè)計，進(jìn)行FFT 運算后，滿足不同數(shù)據(jù)格式的匹配測試需求[13]。

信號的有效功率值（Ps）采用FFT 運算，通過窗口選取，對整個頻譜采集范圍內(nèi)的信號主譜信號進(jìn)行分析，累積加權(quán)后，得出信號的輸出幅度。

輸出功率值（Pn），通過窗口選取，對整個頻譜采集范圍內(nèi)的噪聲譜信號進(jìn)行分析，累積加權(quán)后，得出噪聲信號的輸出幅度，分析結(jié)果如下：

通過信噪比運算，運算出信噪比的值。

（4）鏡像抑制的分析

數(shù)據(jù)從Q 數(shù)組實部數(shù)據(jù)的組數(shù)確定，采樣頻率是由整體關(guān)聯(lián)變量決定。通過數(shù)字信號分析，經(jīng)過FFT 運算和累積加權(quán)后，分析出主譜信號功率Ps。

通過主譜頻率的分析，然后累積加權(quán)出鏡像頻率的功率Pi。分析結(jié)果如下：

通過鏡像抑制分析I，運算得出相應(yīng)的指標(biāo)[14]。

2 實際應(yīng)用情況

2.1 實際應(yīng)用范圍

根據(jù)不同的測試需求，綜合考慮實際測試的應(yīng)用場景，系統(tǒng)具有自定義單通道測試和多通道全自動測試的功能。基于數(shù)字化接收通路的全自動采集與測試，對數(shù)字處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，通過圖形化的顯示設(shè)計，使得信號的觀測更加清晰和直觀，包括時域的模擬IQ 顯示，頻域的信號顯示，正交的圖形顯示等。16 路數(shù)字接收通道的測試數(shù)據(jù)如圖4 所示。

圖4 測試系統(tǒng)界面

具有兼容多型號、多模式的應(yīng)用場景，內(nèi)部預(yù)留其他性能指標(biāo)分析的接口，如噪聲系數(shù)分析等，具備實現(xiàn)通用化測試的接口能力。

通過IQ 顯示窗口，可以清晰地觀測到模擬IQ 信號的情況；通過頻譜顯示窗口，能夠清楚地反映采集頻率帶寬內(nèi)的信號質(zhì)量；通過正交圖形顯示窗口，能夠直觀地觀測到IQ 信號相位的正交度和穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)的可信度分析

為了保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對測量過程的誤差進(jìn)行了修正，涉及數(shù)字電路自身的隨機(jī)誤差、電纜傳輸?shù)纫氲南到y(tǒng)誤差等，依據(jù)同一參考信號輸入與MATLAB聯(lián)合采樣分析，驗證采樣運算數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的誤差修正[15]。以下對兩種不同的方法進(jìn)行對比分析，其中，增加硬件采集接口（簡稱方法A），JTAG 鏈路直接采集（簡稱方法B），結(jié)果見表1。

表1 不同采集方式測試誤差對比表

通過對比分析，以方法A 實現(xiàn)的功率損失范圍和引入的噪聲隨機(jī)誤差都會增加，針對多個樣本的多次采集（如圖5 所示），基于JTAG 方式實現(xiàn)的自動測試，誤差情況綜合分析如下：中頻功率指標(biāo)的隨機(jī)誤差范圍是±0.1 dB，信噪比指標(biāo)的隨機(jī)誤差范圍是5%（噪聲功率采集的隨機(jī)誤差特性影響±0.5 dB），鏡像抑制隨機(jī)誤差范圍±0.1 dB。

圖5 MATLAB 采樣分析數(shù)值（第1 路）

2.3 自動測試的優(yōu)勢分析

通過聯(lián)合分析與自動測試運算，優(yōu)勢主要體現(xiàn)如下：

（1）測試通路的自動化切換和自定義采集，測試應(yīng)用更加高效智能。

（2）測試數(shù)據(jù)的自動化記錄，報表的格式化輸出，使得數(shù)據(jù)處理效率明顯提升。

（3）數(shù)據(jù)的動態(tài)實時顯示，提供更加直觀的監(jiān)測窗口，為后續(xù)數(shù)據(jù)存儲與分析，以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建提供了保證。

不同測試方式效率對比如表2 所示。

表2 不同測試方式測試效率對比表（s/路）

通過實際應(yīng)用和外場測試驗證，以16 通道數(shù)字收發(fā)組件為例，手動測試需要352 s，自動測試需要64 s，測試效率提升5 倍以上。

3 結(jié)論

本文涉及的解決方案，提出通過JTAG 鏈路接口采集，聯(lián)合MATLAB 和LabVIEW 設(shè) 計，解決了IQ 數(shù)字 信號的便捷化采集與分析，系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出基于模塊化的數(shù)據(jù)分析，具備多型數(shù)字化接收機(jī)的兼容性擴(kuò)展，通過內(nèi)部不同參數(shù)的配置，完成多種型號雷達(dá)的通用化多通路的自動采集與分析，提升了外場測試的檢測效率，為同類測試應(yīng)用提供了較好借鑒和參考。