無線電收發(fā)信機自動測試系統(tǒng)的設(shè)計

［謝志華］

無線電收發(fā)信機自動測試系統(tǒng)的設(shè)計

［謝志華］

目前無線電收發(fā)信機的自動測試普遍存在專用性強，跨頻段不通用的問題。分析了無線電收發(fā)信機的分類和測試需求，提出了具有良好通用性的無線電收發(fā)信機自動測試系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方法，該設(shè)計可以滿足自動測試系統(tǒng)檢測和驗證的標準。

無線電收發(fā)信機 自動測試 射頻 信號調(diào)理謝志華

廣州通導(dǎo)信息技術(shù)服務(wù)有限公司。

1 引言

1.6 ～600 MHz的無線電收發(fā)信機是我國軍民廣泛使用的無線電通信設(shè)備，其中按頻段可分為高頻（即短波，HF頻段）、甚高頻（即超短波的VHF頻段）和超高頻（即超短波的UHF頻段）3個頻段,按調(diào)制方式可分為調(diào)幅（包含邊帶調(diào)制）、調(diào)頻兩種調(diào)制方式，按信號處理方式可分為模擬和數(shù)字化設(shè)備，按功率大小又分為微功率、小功率、中功率、大功率、超大功率等功率等級。國內(nèi)多個長期從事上述通信設(shè)備的研發(fā)和制造工作的知名廠家在整機調(diào)試檢驗的過程中，廣泛采用了自動測試系統(tǒng)來進行電性能指標的測試，以提高生產(chǎn)效率。但是各廠家的自動測試系統(tǒng)普遍存在專用性強，跨頻段不通用的問題。其原因主要是廠家前期對自動測試系統(tǒng)的通用性欠缺考慮，從而造成儀器儀表資產(chǎn)的重復(fù)投資。為此，本文對適用于多種無線電收發(fā)信機的自動測試系統(tǒng)進行了研究，提出了設(shè)計和開發(fā)方法，使得自動測試系統(tǒng)滿足檢測和驗證的標準。[1]

2 系統(tǒng)的需求分析

目前廣泛生產(chǎn)的無線電收發(fā)信機產(chǎn)品中，短波設(shè)備為調(diào)幅方式，其電性能指標以模擬指標為主；超短波（含甚高頻和超高頻）設(shè)備為調(diào)頻方式，其中超高頻設(shè)備以數(shù)字指標為主，而甚高頻設(shè)備則是模擬數(shù)字指標兼有。三種類型設(shè)備的典型測試框圖如圖1～6所示。[2，3]

圖1 模擬基帶發(fā)射電性能指標測試框圖

圖2 數(shù)字基帶發(fā)射電性能指標測試框圖

圖3 模擬單信號源接收電性能指標測試框圖

各類設(shè)備測試所涉及到的儀器儀表如表1所示。

注：①新一代超短波收發(fā)信機增加了數(shù)字接收指標的測試，例如數(shù)字接收靈敏度，數(shù)字雙信號選擇性等，需用到定制波形信號源，通常廠家會拿另外一臺同類型設(shè)備充當定制波形信號源。

②數(shù)據(jù)終端和誤碼分析儀通?？梢杂糜嬎銠C軟件來代替。

要最大程度實現(xiàn)多種無線電收發(fā)信機的自動測試，一方面要求儀器儀表的共用，另一方面則需要對測試通路進行靈活切換，同時還要保證測試數(shù)據(jù)的客觀性和準確性。

圖4 模擬雙信號源接收電性能指標測試框圖

圖5 數(shù)字單信號源接收電性能指標測試框圖

圖6 數(shù)字雙信號源接收電性能指標測試框圖

表1 三類無線電收發(fā)信機測試儀器儀表要求

3 系統(tǒng)設(shè)計方法

為了使自動測試系統(tǒng)能夠兼顧3個頻段的設(shè)備檢測，系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是通過采用開關(guān)、混頻、合路等器件將測試信號進行切換，從而實現(xiàn)測試信號調(diào)理的目的，因此提出如圖7所示的自動測試系統(tǒng)原理框圖。

圖7 自動測試系統(tǒng)原理框圖

如圖7所示，系統(tǒng)分為儀器儀表集成和信號調(diào)理電路兩大部分。

儀器儀表集成包含測試所需的音頻信號源、音頻分析儀、高頻信號源、頻譜分析儀、定制波形信號源和計算機。

計算機是自動測試系統(tǒng)的控制核心，負責(zé)系統(tǒng)中對所有可控件的控制、測試流程的執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果記錄以及報告生成等功能。

頻譜分析儀選型時考慮測試信號的最高頻率，超短波UHF頻段諧波抑制（最高至三次諧波）指標測試的最大信號范圍為1800 MHz，可采用分析范圍高于2 GHz的頻譜分析儀。

高頻信號源要求在具備單載波射頻輸出的基礎(chǔ)上，兼?zhèn)涠滩ㄔO(shè)備測試所需的AM調(diào)制輸出和超短波設(shè)備所需的FM調(diào)制輸出，可采用最高輸出頻率高于1 GHz的設(shè)備。

音頻信號源應(yīng)具備單聲道和雙聲道輸出，音頻信號分析儀則要求具有頻率、幅度、信噪比（信納德）和失真度分析等基本功能。

定制波形信號源用于輔助產(chǎn)生被測設(shè)備測試所需的特定波形，可采用與被測設(shè)備同型號的設(shè)備作為輔助信號源。

信號調(diào)理電路實現(xiàn)測試信號的切換和調(diào)理，以最大程度實現(xiàn)自動測試?？刂芀1-K7可以將測試信號切換到圖1～圖6的測試通路。K6和K7用于切換音頻信號，可采用常用的繼電器。K1-K5應(yīng)選用高頻繼電器或者射頻開關(guān)。射頻開關(guān)隔離度好，信號泄漏小，但器件成本高；高頻繼電器成本相對較低，但隔離度比不上射頻開關(guān)，信號泄漏相對較大。在系統(tǒng)設(shè)計的時候，要從用戶對系統(tǒng)的具體需求和性價比來考慮器件的選型。如果系統(tǒng)用于質(zhì)量檢測或認證，則要求測試精度和準確度高，應(yīng)采用射頻開關(guān)；如果系統(tǒng)用于一般的維修檢測，對測試的精度和準確度要求不高，又要求有較好的性價比，則可采用高頻繼電器的方案。

信號調(diào)理電路中的混頻器，用于合成測試所需的定制波形?；祛l器的本振輸入端接定制波形發(fā)生器，輸入幅度固定為7 dBm-13 dBm；混頻器的中頻輸入端接高頻信號源，通過調(diào)整高頻信號的幅度，可以控制混頻后輸出的射頻信號幅度，從而產(chǎn)生測試所需的定制波形。合路器用于射頻雙信號的合成，當需要采用單信號時，把另外一路信號關(guān)閉即可。

信號調(diào)理電路中采用了四個衰減器，其中A1為固定衰減器，衰減量一般為30 dB。由于A1連接被測設(shè)備的射頻端，一方面應(yīng)選雙向衰減器，另一方面，它應(yīng)能承受足夠的射頻功率。當前常見的無線電設(shè)備中，短波中小功率收發(fā)信機最大功率為125 W（51 dBm），超短波收發(fā)信機最大功率為50 W（47 dBm），考慮到為系統(tǒng)預(yù)留適當?shù)娜哂嗪捅粶y設(shè)備故障導(dǎo)致發(fā)射功率超額的情況，A1應(yīng)能承受1 GHz以下100 W（50 dBm），30 MHz以下200 W（53 dBm）的功率容量。同時，也可以按公式（1）計算出K5的功率承受容量。計算得到K5的承受功率容量≥23 dBm，約0.2 W。K5的承受功率容量≥A1的功率容量-A1衰減量 （式1）

A4為可調(diào)衰減器，其功率容量也應(yīng)與A1相當。由于大功率的程控可調(diào)衰減器很少，可以采用大功率30 dB固定衰減器加小功率0～16 dB可調(diào)衰減器解決，這樣就可以得到混頻器所需的7～13 dBm范圍的本振信號。A2和A3用于進一步對儀器儀表的保護。一般測試的情況下，測試接收指標時，被測設(shè)備的射頻接口是直接接入高頻信號源的，如果這個時候用戶誤操作，使被測設(shè)備發(fā)射功率，就極易損壞高頻信號源。因此，在高頻信號源與被測設(shè)備之間串聯(lián)衰減器，以減小因被測設(shè)備誤發(fā)射導(dǎo)致高頻信號源損壞的可能性。另外，有的無線電產(chǎn)品射頻口還會有直流電源為配套設(shè)備供電，A3也有阻隔直流電的作用。如果測試系統(tǒng)中不采用衰減器，就必須采用隔直器隔離射頻口到高頻信號源之間的直流電，否則會損壞高頻信號源。

信號調(diào)理電路中的控制電路，負責(zé)提供控制接口和具體的控制操作，是計算機控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)器和執(zhí)行者。在自動測試系統(tǒng)中，涉及到多個控制接口。除了儀器儀表的控制口之外，還有控制被測設(shè)備和輔助設(shè)備所需的RS232異步串口，控制繼電器的I/O口以及控制可調(diào)衰減器的I/O口。計算機本身串口資源有限，沒有I/O口，因此，可以通過計算機的USB口進行擴展，控制電路原理框圖如圖8所示。

圖8 控制電路原理框圖

控制電路中采用USB轉(zhuǎn)4路串口的器件，4路串口分別分配給被測設(shè)備、輔助設(shè)備和單片機，其中還有一路串口用作單片機的在線編程功能?？烧{(diào)衰減器和被測設(shè)備的PTT控制直接通過單片機的I/O來實現(xiàn)。單片機對繼電器的控制通過移位寄存器和光耦器件來實現(xiàn)。移位寄存器用來擴展I/O口。如果單片機有足夠的I/O口，可以直接采用片上的I/O。當電路中需要用到大量繼電器的時候，使用移位寄存器就是很好的選擇。應(yīng)用光耦器件是為了減小控制電路對射頻電路的影響。

在自動測試系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)該注重對儀器儀表和被測設(shè)備的保護，特別是在被測設(shè)備發(fā)射功率的時候。 建議在被測設(shè)備的PTT控制線上串聯(lián)一個開關(guān)來控制PTT的通斷，必要時可以強行停止被測設(shè)備的發(fā)射操作；同時在軟件中設(shè)置被測設(shè)備的發(fā)射時間限值，如果發(fā)射超時，則立刻控制被測設(shè)備停止發(fā)射功率。

信號調(diào)理電路中使用的器件和系統(tǒng)中的連接電纜以及連接器都有插入損耗，為了保證測試數(shù)據(jù)的客觀性，測試前，應(yīng)該對測試通路進行校準。并且在測試過程中對數(shù)據(jù)進行補償。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

自動測試軟件可以采用C語言開發(fā)平臺或者LabVIEW平臺進行開發(fā)。各廠家的儀器儀表對這兩種平臺都有良好的支持,但不管采用何種語言和開發(fā)工具，都可以采用典型的四層軟件架構(gòu)模式來進行分層設(shè)計，如圖9所示。

圖9 自動測試軟件基礎(chǔ)架構(gòu)

UI層（User Interface）是用戶界面層，負責(zé)人機交互操作，收集用戶操作和向用戶展示操作響應(yīng)的結(jié)果。SI層（System Interaction）是系統(tǒng)交互層，負責(zé)計算機與儀器儀表以及被測設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和控制交互，可以理解為驅(qū)動層。在LabVIEW里本身就封裝了大量的儀器儀表驅(qū)動，可以直接使用。DM層（Data Management）是數(shù)據(jù)管理層，負責(zé)數(shù)據(jù)的管理，例如對數(shù)據(jù)庫的操作。PD層（Problem Domain）是問題領(lǐng)域?qū)?，一方面負?zé)測試流程的實現(xiàn)，另一方面是實現(xiàn)與另外三個層之間的交互，也是軟件的核心部分。

測試軟件按分層架構(gòu)進行設(shè)計開發(fā)，有利于軟件的模塊化開發(fā)、重用和維護，也有利于軟件的并行開發(fā)，提高開發(fā)效率。

5 驗證和確認

上述提出的自動測試系統(tǒng)設(shè)計完成后，應(yīng)該進行驗證和確認[4]。根據(jù)CNAL/AC01:2005《檢測和校準實驗室認可準則》 （該準則等同于ISO/IEC17025：2005）第“5.4.5.2”條款中要求，“實驗室應(yīng)對非標準方法、實驗室設(shè)計(制定)的方法、超出其預(yù)定范圍使用的標準方法、擴充和修改過的標準方法進行確認,以證實該方法適用于預(yù)期的用途?！盵5，6]

系統(tǒng)驗證主要是驗證系統(tǒng)軟件運作的正確性，例如測試方法是否正確，測試流程是否按設(shè)計需求執(zhí)行等，這個可以從軟件測評的角度來進行驗證和分析。系統(tǒng)確認則是對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進行對比分析，判斷測試結(jié)果的正確性和精密度，主要通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的方法來進行，常用的方法有t檢驗和f檢驗?？梢酝ㄟ^將自動測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)和與手動測試測得的數(shù)據(jù)進行對比，從而實現(xiàn)對自動測試系統(tǒng)進行的確認。

6 結(jié)束語

隨著軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，更適用于行業(yè)應(yīng)用的通用型自動測試系統(tǒng)開發(fā)平臺逐步成為熱點。本文所提出的自動測試系統(tǒng)設(shè)計方法，可以通過簡單的操作和較少的成本實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的軟硬件集成，減少儀器儀表的重復(fù)投入，進一步提高儀器儀表的利用率。

1 張毅剛.自動測試系統(tǒng)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2001

2 GB/T6933-1995《短波單邊帶發(fā)射機電性能測量方法》

3 GB/T6934-1995《短波單邊帶接收機電性能測量方法》

4 張莎 闞潤田.無線電設(shè)備自動測試系統(tǒng)驗證方法的研究[J].國家無線電監(jiān)測中心設(shè)備檢測處.現(xiàn)代測量與實驗室管理,2010年第2期

5 CNAL/AC01:2005《檢測和校準實驗室認可準則》

6 ISO/IEC 17025:2005 Accreditation Criteria for Testing and Calibration Laboratories

2016-12-05）

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.12.018