基于JTAG 接口的多通道測試系統設計

楊井勝

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著雷達技術的發展和軟件無線電技術的規?；瘧?，接收數字化越來越向前端推移。隨著射頻高速采樣、千兆數字上下變頻等技術的實現，數字化測試已成為電子裝備性能評估的重要基礎技術之一。為了實現數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，對數字IQ 數據進行預處理，經網口傳輸到計算機系統內分析；或通過以嵌入式計算機為核心的數據采集系統來實現；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的開發難度和信號傳輸處理的損失，可能還會導致數據同步解調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雜性，通過嵌入式MATLAB 算法的采集和傳輸，實現Lab-VIEW 的數字化分析與運算，測試結果顯示更加直觀，保證了系統驗證的高效性和準確性[2]。

1 設計實現

1.1 系統總體設計

系統從3 個方面進行設計，一是接收電路的內部邏輯固件設計，二是嵌入式MATLAB 程序設計，三是Lab-VIEW 自動采集控制系統的設計。具體功能實現框圖如圖1 所示。

圖1 邏輯功能框圖

系統通過SignalTap 數據交互功能，完成FPGA 內部數據的格式化輸出[3]；通過嵌入式MATLAB 算法，完成數字信號的極坐標數據格式封裝和處理[4]，隨后傳送到LabVIEW 測試系統模塊，通過相應運算、處理和分析，實現各項性能指標的結果顯示和輸出，完成實時的在線自動測試[5]。

1.2 邏輯固件的設計實現

數字接收機輸出是量化、采集和濾波處理后的IQ 數據，性能指標的符合性驗證，全部基于正交（Qn）和同相（In）數據的采集、解析和運算后的結果[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設計中實時信號的狀態，采樣深度高達128 kB，最多支持1 024 個通道，支持多級觸發輸入輸出。

電路的邏輯固件設計，需要通過端口進行選擇性定義，將AD 采樣處理后的IQ 數字數據，利用Quartus 軟件的SignalTap 功能，實現邏輯電路內部測試點（數據位）的嵌入式邏輯分析，SignalTap 利用 JTAG 邊界掃描的方法讀取FPGA 內部節點的值，然后送達到Buffer（緩沖器），再由JTAG 鏈路把數據送到Quartus 下的SignalTap模塊。數據可以輸出.stp 格式的文件，數據即為FPGA內定義輸出的數據[7]，如圖2 所示，可以規范靈活地定義輸出數據，圖中IQ 數據從第5 行開始，MATLAB 節點控制模塊，依據約定的協議格式進行格式化讀取和解析。

圖2 邏輯固件采樣示意圖

內部邏輯固件設計時，需要將被測試數據進行合理的模塊封裝，盡量減少資源占有量，保證被檢測數據的完整性。SignalTap 設置的數據節點，除了所有輸出IQ數據的節點外，還需要包含時鐘、觸發和同步節點，主要用于數據的同步觸發和實時監測。關鍵定義如下。

一是設置采樣時鐘，采樣時鐘決定顯示信號波形的分辨率以及后續解調的時鐘頻率。根據AD 電路設計需要，多數情況下采用射頻直接帶通采樣，涉及數據的傳輸率，系統對等效基帶譜進行整數倍抽取，在對各種調制信號進行解調時，保持與實際傳輸數據率一致，需要全部與SignalTap 模塊設置相應的時鐘進行關聯[8]。

二是保證后續測試系統的實時顯示，設置緩沖區存儲模式為連續存儲模式。為了保證后續測試的需要，需要將采樣深度設置盡量足夠大?？紤]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，至少保證1 024 點以上[9]，既保證數據的準確度，又能減少計算量；Ts為采樣時鐘的周期。

三是設置同步觸發的條件，正常采用時鐘上沿作為觸發條件，特別注意設計前后的數據格式，采樣與MATLAB 內數據定義格式完整統一。

1.3 MATLAB 程序的設計實現

為實現硬件系統的數據與后續LabVIEW 測試系統的交互分析，數據需要通過“橋梁”實現數據的傳送，最終實現測試數據分解和運算[10]。

MATLAB 程序設計的核心是完成對.stp 數據進行嵌入式讀取，并進行格式化的封裝和輸出，完成LabVIEW與硬件邏輯電路之間的數據轉接和交換，為后續Lab-VIEW 的數據處理分析提供輸入輸出的接口。

根據后端數據的需求，對SignalTab 數據節點的數據進行逐一讀取，讀取的方法是將對應名稱和對應行數進行循環調入，采集分析的時鐘頻率要與發送端定義統一，參數要與Quartus 內的SignalTap 設置一致，否則將無法實現后續數據分解和顯示。

1.4 基于LabVIEW 的實現

基于LabVIEW 的測試系統，是對數字信號進行分析和運算的部分，下面將對LabVIEW 內關鍵的設計和性能指標的處理過程進行分析。

1.4.1 接口設計

通過在LabVIEW 中MATLAB 程序調用，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。該部分設計與SignalTab 內的采集控制點相關聯，采用For 循環+選擇結構，實現不同通路的測試設置。為保證測試系統的可擴展性和通用性，以及數據傳輸、解析和處理的一致性，將各部分需要關聯的數據和變量，進行統一的定義設置，包括SignalTap 時鐘、MATLAB 采集分解時鐘以及Lab-VIEW 自動測試系統分析采樣時鐘等，通過統一關聯變量來實現數據的同步。

（2）嵌入式MATLAB 節點的設計。由于測試數據內包含I 和Q 兩路數據，數據通過嵌入式MATLAB 節點設計，MATLAB 程序對原始數據進行再封裝，數據節點（IQ 數據）被送入 LabVIEW 的測試節點上，進入數據分析模塊[10]。

（3）模塊的標準化分析和處理。通過IQ 信號的標準接口和標準數據分析模塊，能夠兼容多型雷達采樣，實現測試接口的模塊化和標準化，具有較好的可移植性。

1.4.2 數字分析與處理

（1）分析處理過程

經數字下變頻、正交解調、高效數字濾波CIC 濾波后，處理完成的數據轉入信號處理流程。模擬信號處理前的極坐標表示的復信號z(t)如下：

其中，a(t)表示z(t)的瞬時包絡，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包絡，含有正頻分量和負頻分量。通過對上述信號的分析，從而實現通道性能指標的分析。

式中，Re[.]、Im[.]分別表示實部和虛部。

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

測試系統將信號從數字域轉換到模擬域，需要獲取信號的頻譜信息，FFT 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（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，再經過平方運算獲得功率譜[12]。

系統內的IQ 數據，根據不同的性能指標要求，依據不同的測試需求，設計通用化模塊化的VI 模塊，內部處理的原理框圖如圖3 所示。

圖3 測試系統內部處理框圖

（2）增益分析

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

通過JTAG 鏈路采集到的數字IQ 信號的數據，準確運算出通路幅度一致性的指標，具體處理過程為：先將量化后的數據送入嵌入式MATLAB 程序中，通過MATLAB 程序構建復數數組，IQ 復數數組傳送至Lab-VIEW 中進行轉換，對采樣深度內的數據進行平均，根據模值運算出有效值，通過幅度有效值進行多次采集取平均，然后運算出相應的輸出功率。

首先進行極坐標轉換，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，標準有效值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，是接收系統工作性能指標的體現，也是保證接收機靈敏度的重要衡量因素。

信號功率和噪聲功率是測試系統需要分析的重要參數，為了保證測試系統的通用性和擴展性，測試系統增加了硬件選擇匹配模塊，依據針對不同型號AD 硬件電路的滿幅度值，選擇不同的分析處理參數，并對信號濾波進行多窗口設計，進行FFT 運算后，滿足不同數據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的信號主譜信號進行分析，累積加權后，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的噪聲譜信號進行分析，累積加權后，得出噪聲信號的輸出幅度，分析結果如下：

通過信噪比運算，運算出信噪比的值。

（4）鏡像抑制的分析

數據從Q 數組實部數據的組數確定，采樣頻率是由整體關聯變量決定。通過數字信號分析，經過FFT 運算和累積加權后，分析出主譜信號功率Ps。

通過主譜頻率的分析，然后累積加權出鏡像頻率的功率Pi。分析結果如下：

通過鏡像抑制分析I，運算得出相應的指標[14]。

2 實際應用情況

2.1 實際應用范圍

根據不同的測試需求，綜合考慮實際測試的應用場景，系統具有自定義單通道測試和多通道全自動測試的功能?；跀底只邮胀返娜詣硬杉c測試，對數字處理后的數據進行轉換處理，通過圖形化的顯示設計，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 路數字接收通道的測試數據如圖4 所示。

圖4 測試系統界面

具有兼容多型號、多模式的應用場景，內部預留其他性能指標分析的接口，如噪聲系數分析等，具備實現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的信號質量；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定性。

2.2 數據的可信度分析

為了保證測試數據的準確性，對測量過程的誤差進行了修正，涉及數字電路自身的隨機誤差、電纜傳輸等引入的系統誤差等，依據同一參考信號輸入與MATLAB聯合采樣分析，驗證采樣運算數據，進行相應的誤差修正[15]。以下對兩種不同的方法進行對比分析，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 實現的功率損失范圍和引入的噪聲隨機誤差都會增加，針對多個樣本的多次采集（如圖5 所示），基于JTAG 方式實現的自動測試，誤差情況綜合分析如下：中頻功率指標的隨機誤差范圍是±0.1 dB，信噪比指標的隨機誤差范圍是5%（噪聲功率采集的隨機誤差特性影響±0.5 dB），鏡像抑制隨機誤差范圍±0.1 dB。

圖5 MATLAB 采樣分析數值（第1 路）

2.3 自動測試的優勢分析

通過聯合分析與自動測試運算，優勢主要體現如下：

（1）測試通路的自動化切換和自定義采集，測試應用更加高效智能。

（2）測試數據的自動化記錄，報表的格式化輸出，使得數據處理效率明顯提升。

（3）數據的動態實時顯示，提供更加直觀的監測窗口，為后續數據存儲與分析，以及基礎數據庫構建提供了保證。

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）

通過實際應用和外場測試驗證，以16 通道數字收發組件為例，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 結論

本文涉及的解決方案，提出通過JTAG 鏈路接口采集，聯合MATLAB 和LabVIEW 設 計，解決了IQ 數字 信號的便捷化采集與分析，系統創新性地提出基于模塊化的數據分析，具備多型數字化接收機的兼容性擴展，通過內部不同參數的配置，完成多種型號雷達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，為同類測試應用提供了較好借鑒和參考。