基于合成儀器的航空無線電綜合測試設備

海軍駐廣州750廠軍事代表室 楊玉興

廣州航新航空科技股份有限公司 周偉光 陳 波

1.行業(yè)發(fā)展概述

幾十年來，基于臺式儀器的自動測試系統(tǒng)(ATS)一直是航空和國防應用中采用的主導架構。20世紀80年代后期，基于VXI的模塊化系統(tǒng)克服了機架和堆疊方法的多個缺點。安裝在多插槽主機中板卡儀器降低了系統(tǒng)的尺寸和重量。20世紀90年代中期，美國國防部為開發(fā)下一代自動測試系統(tǒng)，提出了合成儀器的最初原型，而現(xiàn)代合成儀器的概念則來源于軟件無線電(SDR)的思想。合成儀器是一種模塊化的硬件和軟件測試方案，用來將單獨的硬件和軟件測試模塊連接成一個新穎緊湊的系統(tǒng)并仿真標準儀器，最終結果是產(chǎn)生一種形態(tài)可變的通用系統(tǒng)架構。合成儀器的基本原理框圖如圖1所示。

圖1 合成儀器基本原理框圖

時至今日，基于PXI的合成儀器技術已日趨成熟，儀器模塊的技術指標已越來越接近臺式儀器。本文介紹一種將合成儀器用于航空無線電系統(tǒng)的模擬和測試的航空無線電綜合測試設備，設備分為兩種結構形式，臺式設計滿足上架及試驗室需求，便攜式設計適合外場及原位測試，設備兩種結構形式如圖2、3所示。

圖2 臺式航空無線電綜合測試設備

圖3 便攜式航空無線電綜合測試設 備

2.航空無線電綜合測試設備的硬件組成

航空無線電綜合測試設備基于合成儀器技術和PXI總線技術構建，在同一塊PXI背板上集成了矢量信號源、矢量信號分析儀、FPGA模塊、音頻信號發(fā)生采集器、數(shù)字化儀、任意波發(fā)生器和開關模塊等測試資源，各種測試資源以及UUT之間通過開關模塊進行連接和切換 。設備具備了24bit音頻信號輸出和測量、DC～6.6GHz信號輸出、DC～26.5GHz信號測量的能力。其組成結構如圖4所示。

圖4 基于合成儀器的航空無線電綜合測試設備的硬件組成

在整個航空無線電綜合測試設備中，F(xiàn)PGA模塊、音頻信號發(fā)生采集器、數(shù)字化儀、任意波發(fā)生器和開關模塊屬單模塊儀器，矢量信號源和矢量信號分析儀為多模塊儀器，模塊之間采用射頻線纜連接。在這些儀器中，上/下變頻實現(xiàn)頻譜搬移，可完成模擬信號在中頻、射頻以及微波頻段之間變換。

3.航空無線電綜合測試設備的軟件

航空無線電綜合測試設備軟件采用分層設計思想，在Windows XP系統(tǒng)下，以LabVIEW作為軟件開發(fā)和運行環(huán)境，以下又分為儀器驅動層和應用軟件層，儀器驅動提供了應用軟件模塊開發(fā)的所需的接口定義及其庫文件，功能軟件模塊以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，調用儀器驅動和其他庫文件，自行定制各種復雜的軟件算法，對信號進行軟件分析處理，最終將程序文件打包形成多種功能的應用軟件模塊。軟件的結構框圖如圖5所示。

圖5 航空無線電綜合測試設備軟件結構框圖

管理運行軟件對所有應用軟件模塊進行集中的管理和維護，方便使用者進行操作和管理。管理運行軟件界面如圖6所示。

圖6 管理運行軟件界面

截至目前，已在航空無線電綜合測試設備18項航空無線電系統(tǒng)通用和專用軟件模塊，極大地滿足了無線電系統(tǒng)機載設備測試的需要。

7 ILS信號模擬器 17 數(shù)字化儀8 應答機測試模擬器 18 音頻信號源9 GPS信號模擬器 19 音頻信號分析儀10 羅蘭C信號模擬器 20 任意波形發(fā)生器

4.航空無線電綜合測試設備的技術特點

4.1 綜合性強、靈活性強

航空無線電綜合測試設備在高性能的硬件資源的支持下，覆蓋DC～6.6GHz范圍的信號輸出能力和DC～26.5GHz范圍的信號測量的能力，應用軟件無線電的思想進行軟件設計。開發(fā)出的軟件模塊既有通用功能模塊，也包括各種專用軟件模塊，模塊數(shù)量總共達20多種。針對不同的應用，設備可以選用不同的軟件模塊配置或配置組合。

4.2 操作性強

作為一臺多功能的儀器，航空無線電綜合測試設備可采用多種方式進行操作。前面板配有一塊8.4寸高亮帶觸摸功能顯示屏，可以觸摸控制；顯示屏右側配備功能按鍵和數(shù)字按鍵，可以按鍵控制；儀器配備USB接口，也用鼠標和鍵盤進行控制；儀器自始至終是按照LXI C類儀器進行設計，滿足用戶程控需求。

4.3 高采樣率ADC/DAC技術

合成儀器通過將中頻信號上變頻完成信號輸出功能、將高頻信號下變頻后對中頻信號進行分析完成信號測試功能，ADC/DAC是連接模擬域和數(shù)字域之間的接口。航空無線電綜合測試設備的ADC采樣率高達4GS/s，DAC采樣率高達400MS/s，通過ADC/DAC可以準確地將采集的信號重建或生成上變頻器的激勵信號。

4.4 可編程FPGA技術

以往的可編程儀器，往往不具備實時處理能力。對信號進行處理，通常的做法是先將信號進行數(shù)字化采集，然后將數(shù)據(jù)讀取到控制器的內存中，再進行處理和運算，再將處理后的數(shù)據(jù)傳送到儀器模塊中，這樣的系統(tǒng)常常因為信號處理速度慢而不能很好的滿足系統(tǒng)的實時性要求。

可編程FPGA技術在合成儀器領域的運用，使原來不得不在上位機處理器中進行的處理和運算能夠實時的通過FPGA的可編程門陣列的進行處理。這樣的合成儀器模塊設計靈活、速度塊、準確度高、功耗低，同時又具備可重配置性，市場上大量的第三方IP核，也可在某種程度上減少開發(fā)時間。采用可編程FPGA模塊可進行時域分析、頻域分析、信號強度測量、頻率測量及協(xié)議解碼等工作。

5.未來展望

合成儀器誕生于美國國防部的下一代自動測試系統(tǒng)，如今在美國海軍、陸軍、空軍中都有所應用，但在國內的軍、民用測試領域尚未十分成熟，隨著近幾年安捷倫、NI等公司一些新的、高性能的合成儀器產(chǎn)品進入中國市場，中國的測試行業(yè)正在經(jīng)歷著飛速的變化，合成儀器向著硬件更通用、軟件更強大、客戶可定制、軟件替代硬件實現(xiàn)測試的方向發(fā)展傳統(tǒng)儀器越來越受到性能更高、價格更低的模塊化合成儀器的挑戰(zhàn)，未來一段時間內，我們會看到合成儀器更多地應用到軍、民用航空測試領域，更好的未航空測試服務。