合成儀器技術(shù)在通用無線數(shù)傳測試設(shè)備的應(yīng)用研究

王 健1，李侍林2，郇黎明2，祁玉林2，孟 亮2

（1.中國人民解放軍93169部隊，吉林四平 136000；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041）

合成儀器技術(shù)在通用無線數(shù)傳測試設(shè)備的應(yīng)用研究

王 健1，李侍林2，郇黎明2，祁玉林2，孟 亮2

（1.中國人民解放軍93169部隊，吉林四平 136000；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041）

軍用測試設(shè)備在無線通訊測試領(lǐng)域正面臨著設(shè)備數(shù)量多、體積大、成本高、拓展性差的難題，合成儀器技術(shù)為此提供了良好的解決方案；文中提出了將合成儀器技術(shù)應(yīng)用于通用無線數(shù)傳測試設(shè)備，給出了具體的功能需求分析及合成儀器軟硬件體系架構(gòu)并對其中各功能模塊的組合與共用方案進(jìn)行了討論，介紹了通用無線數(shù)傳測試設(shè)備應(yīng)用的合成儀器關(guān)鍵技術(shù)以及這些關(guān)鍵技術(shù)在硬件資源共用、測試性能指標(biāo)和拓展性方面帶來的改進(jìn)與提升，能夠?qū)崿F(xiàn)通用測試設(shè)備向小型化、通用化、低成本化發(fā)展的目標(biāo)。

合成儀器；無線數(shù)傳測試設(shè)備；體系架構(gòu)；關(guān)鍵技術(shù)

0 引言

當(dāng)前軍用裝備測試保障領(lǐng)域中測試設(shè)備種類繁多、體積龐大、維護(hù)工作復(fù)雜，其中各測試設(shè)備間包含大量相似測試內(nèi)容，尤其在無線通訊測試方面存在很多共性內(nèi)容，各設(shè)備間存在大量的可共用資源。為優(yōu)化測試設(shè)備數(shù)量，減輕部隊日常測試保障工作量，方便部隊設(shè)備轉(zhuǎn)場，軍方提出測試設(shè)備應(yīng)盡可能實現(xiàn)通用化的要求。

要在彈藥裝備無線通訊測試領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)通用化，通用無線數(shù)傳測試設(shè)備應(yīng)滿足多種測試需求，集多型號測試任務(wù)于一身。如果采用傳統(tǒng)的“搭積木”式集成方法使測試設(shè)備體積不斷增加，軟件與測試程序的版本也越來越多；導(dǎo)致系統(tǒng)總規(guī)模得不到最大限度收斂和控制；費用得不到有效的降低；保障性和擴展性得不到明顯的提升。

合成儀器技術(shù)為上述問題提供了良好的解決方案，它通過標(biāo)準(zhǔn)化硬件和軟件接口，采用分層架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)對儀器的可重復(fù)配置。其核心思想是利用軟件無線電原理，將傳統(tǒng)射頻通訊儀器分割成為一些基本功能模塊，可以通過增加少量功能模塊來迎合多種頻段射頻信號，實現(xiàn)測試資源的復(fù)用合一。滿足軍用測試裝備小體積、低成本、兼容性、多功能等要求，為裝備測試系統(tǒng)未來的統(tǒng)一化、小型化、高靈活性、低成本研制方向奠定基礎(chǔ)。

1 合成儀器的發(fā)展及優(yōu)勢

合成儀器的概念由美國國防部提出，用于為下一代自動測試系統(tǒng)提供一種新型通用測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系。它來源于軟件無線電技術(shù)，指將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件通過加載不同的軟件算法實現(xiàn)各種無線通信（包括不同頻率、不同制式）的一種可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)。合成儀器技術(shù)在國外的新一代自動測試系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用，也成功解決了自動測試系統(tǒng)中多項技術(shù)需求，通過借鑒國外的成功經(jīng)驗，可從根本上提升我國新研自動測試系統(tǒng)的性能。

國內(nèi)一些軍兵種已有這樣的愿望，即傾向采用開放系統(tǒng)體系架構(gòu)，使用盡可能多的貨架儀器，以克服復(fù)雜的專門設(shè)計帶來的技術(shù)過時和長期維護(hù)問題。合成儀器的技術(shù)優(yōu)勢為此提供了解決途徑，合成儀器的發(fā)展是對傳統(tǒng)的單一儀器的補充，通過選擇不同的合成儀器部件來滿足所需儀器性能方面的要求，以避免設(shè)備技術(shù)過時。

合成儀器技術(shù)具備以下優(yōu)勢：

1）加載新的軟件與算法完成重配置，靈活、維護(hù)性強；

2）信號處理軟件使用通用語言，移植性強；

3）共享的處理功能降低了成本，可以按照TPS的具體需求對設(shè)計進(jìn)行裁剪；

4）使用通用硬件完成專業(yè)測量功能；

5）系統(tǒng)的尺寸、重量以及功率消耗得以降低。

2 合成儀器技術(shù)在通用無線數(shù)傳測試設(shè)備應(yīng)用方案

2.1 無線數(shù)據(jù)通訊測試需求

彈藥裝備的無線通訊功能往往是作為武器系統(tǒng)末制導(dǎo)控制命令導(dǎo)引系統(tǒng)的重要組成，用于支持載機或地面控制系統(tǒng)通過無線指令來完成對彈藥的控制或指令轉(zhuǎn)發(fā)，同時彈藥也通過無線通訊功能回傳圖像等信息以提供控制人員發(fā)現(xiàn)、識別、捕獲和跟蹤目標(biāo)的能力，以此完成彈藥的精確打擊目的。

對武器裝備進(jìn)行無線通訊功能的測試需要在無線和有線共同形成的回路進(jìn)行，測試主控計算機通過測試總線與彈藥控制器進(jìn)行通訊，控制彈藥工作，還需要無線數(shù)傳測試設(shè)備與被測對象構(gòu)成系統(tǒng)無線回路，對其進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸功能及性能檢查測試，其原理如圖1所示。

圖1 無線通訊測試過程示意圖

通用無線數(shù)傳測試設(shè)備應(yīng)適用于多頻段射頻信號通訊，且每個頻段可實現(xiàn)同時收／發(fā)的功能；滿足各型武器裝備的通信體制、尋址方式和傳輸速率。測試中無線數(shù)傳測試設(shè)備通過無線鏈路向測試對象發(fā)送控制指令信號，同時接收相應(yīng)的響應(yīng)信號用于測試判斷。

2.2 通用無線數(shù)傳測試設(shè)備體系架構(gòu)方案

2.2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)方案

通用無線數(shù)傳測試設(shè)備采用合成儀器的分塊式硬件結(jié)構(gòu)，平臺采用PXI總線系統(tǒng)機箱內(nèi)配套PXI總線零槽控制器、各頻段功能模塊；根據(jù)無線通訊測試需求功能模塊應(yīng)包括下變頻器（含本振）、正交下變頻器、圖像指令模塊、基帶處理模塊（含DA）、上變頻器（含頻綜），模塊間信號流如圖2所示。

圖2 模塊間信號流圖

無線數(shù)傳測試設(shè)備接收測試對象發(fā)射信號過程中先經(jīng)下變頻器將射頻信號變至中頻信號；再通過正交下變頻器對信號進(jìn)行正交下變頻、濾波、AGC控制等，輸出IQ正交指令信號；再由圖像指令模塊接收IQ正交指令信號，完成信號采集、解調(diào)，將指令信號內(nèi)容通過PXI總線發(fā)送至零槽控制器。無線數(shù)傳組件發(fā)射信號的過程則是圖像指令模塊先通過PXI總線接收零槽控制器指令，對圖像壓縮編碼、擴頻，然后發(fā)送圖像PCM數(shù)據(jù)；再通過基帶處理板接收圖像PCM數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，通過DA子板進(jìn)行發(fā)射，輸出中頻信號；最后由上變頻器完成射頻信號上變頻輸出。

對于實現(xiàn)不同頻段的射頻信號通訊，可對上下變頻器做相應(yīng)調(diào)整，增加一級變頻即可其它硬件資源可共用，復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件擴展示意圖

可以看出不同頻段射頻信號的測試需求對于合成儀器設(shè)備的硬件改動不大，大部分資源可實現(xiàn)共用，這樣既節(jié)省了資源和空間又增強了可擴展性，為通用無線數(shù)傳測試設(shè)備增加新的測試需求提供了便利。

2.2.2 軟件體系架構(gòu)方案

通用無線數(shù)傳測試設(shè)備的PXI通用測試模塊的軟件采用分層架構(gòu)，共分為應(yīng)用程序?qū)?、儀器驅(qū)動層、模塊驅(qū)動層、操作系統(tǒng)、接口程序等5個層面。應(yīng)用程序主要面向測試流程開發(fā)人員，由于儀器驅(qū)動和模塊驅(qū)動具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點，頂層應(yīng)用程序在調(diào)用底層各層驅(qū)動程序時，實現(xiàn)了與硬件無關(guān)的特性，使無線數(shù)傳測試設(shè)備保持了良好的互換性和移植性。儀器驅(qū)動以IVI類驅(qū)動為基礎(chǔ)，可以通過增加或修改IVI配置庫和驅(qū)動程序會話配置信息，以實現(xiàn)不同廠商儀器模塊的兼容工作，以及在不修改應(yīng)用程序的情況下實現(xiàn)儀器互換。IVI驅(qū)動程序使用CVI開發(fā)環(huán)境以DLL形式提供調(diào)用，驅(qū)動調(diào)用關(guān)系如圖4所示。

圖4 驅(qū)動調(diào)用關(guān)系示意圖

應(yīng)用程序調(diào)用IVI驅(qū)動程序的初始化函數(shù)時，應(yīng)指定一個同IVI配置庫中相應(yīng)的邏輯名。使用IVI驅(qū)動程序的應(yīng)用程序同樣可通過調(diào)用Get Specific Driver C Handle函數(shù)來調(diào)用IVI類符合特定驅(qū)動程序以獲得特定驅(qū)動程序會話句柄。

3 通用無線數(shù)傳測試設(shè)備應(yīng)用的合成儀器關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于軟件無線電的信號綜合測試分析技術(shù)

充分利用合成儀器軟件無線電的基本思想，以射頻變頻組件和高速AD為最簡硬件平臺，基于數(shù)字化處理，實現(xiàn)無線數(shù)傳測試設(shè)備中基帶信號分析、下變頻、濾波、FFT、解調(diào)等功能，從而滿足武器裝備測試需求。該技術(shù)可以減少功能單一、靈活性差的硬件電路，有效降低了無線數(shù)傳測試設(shè)備的硬件成本和體積。

3.2 儀器互換技術(shù)

無線數(shù)傳測試設(shè)備在儀器驅(qū)動方面體現(xiàn)了合成儀器的儀器互換技術(shù)，儀器驅(qū)動以IVI類驅(qū)動為基礎(chǔ)，為儀器驅(qū)動制定了編程接口標(biāo)準(zhǔn)，使應(yīng)用程序可以完全獨立于硬件和接口，提高了儀器驅(qū)動程序的執(zhí)行效率。通用的儀器標(biāo)準(zhǔn)和信號驅(qū)動增強了不同廠商儀器間的互操作性，方便了代碼移植，使無線數(shù)傳測試設(shè)備具有良好的可擴展性，便于增加新的測試對象。

3.3 FPGA技術(shù)

無線數(shù)傳測試設(shè)備中各功能模塊基于FPGA的信號處理技術(shù)提升了測試中實時分析的性能。對無線數(shù)傳測試設(shè)備而言，F(xiàn)PGA帶來了包括設(shè)計靈活性，更快的測試速度，更高準(zhǔn)確度的處理，更低的功率以及更低的成本等諸多優(yōu)點，最大限度的支持了無線數(shù)傳測試設(shè)備的可重配置性。

4 總結(jié)

開篇講述了當(dāng)前軍用裝備測試保障領(lǐng)域的現(xiàn)狀和需求，以及合成儀器技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)勢，提出基于合成儀器技術(shù)開發(fā)研制無線數(shù)據(jù)傳輸測試設(shè)備應(yīng)用于武器裝備無線通訊測試中，以解決通用測試設(shè)備面臨的問題。文中給出了基于合成儀器技術(shù)的通用無線數(shù)傳測試設(shè)備的軟硬件體系架構(gòu)和實施方案。最后闡述了通用無線數(shù)傳測試設(shè)備中運用和包含的合成儀器關(guān)鍵技術(shù)。

合成儀器技術(shù)對于測試測量解決方案是一個顛覆性的轉(zhuǎn)變，將測試測量的模型從離散的硬件儀器轉(zhuǎn)變成了開放式的結(jié)構(gòu)，為滿足具體測試需求提供了機遇，又降低了成本，具備替代眾多具體應(yīng)用的測試技術(shù)的潛力；會為測試測量產(chǎn)業(yè)帶來更廣闊的前景，并成為電子測量儀器技術(shù)創(chuàng)新的新動力。

［1］種 山.合成儀器體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.宇航計測技術(shù)，2011，31（1）：7-11.

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Synthetic Instrument Technology Application in Pod General Test System

Wang Jian1，Li Shilin2，Huan Liming2，Qi Yulin2，Meng Liang2

（1.93169 Unit of the PLA，Siping 136000，China；2.Beijing Aerospace Measurement＆Control Technology Co.，LTD.，Beijing 100041，China）

To effectively solve the problems which are large numbers of test components，physical large，high cost of special test component and poor compatibility of the military test equipment in the field of wireless communications test，Synthetic Instrument technology are provided.This paper puts forward that the Synthetic Instrument technology applied to general wireless data transmission test equipment.It discussed the detailed analysis of the functional requirements and the architecture of the software and hardware platform of Synthetic Instrument，the combination and sharing scheme of each function module.It introduced the Synthetic Instrument’s key technology which are applied，and the optimization and promotion in the hardware resource utility，test index and compatibility which provided by the key technology.It helps to achieve the goal of booting the general testing equipment for the development of miniaturization，generalization and low cost.

synthetic instrument；wireless data transmission test equipment；test system architecture；key technology

1671-4598（2016）08-0067-02

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.018

：TP273

：A

2016-06-07；

：2016-07-16。

王 ?。?985-），男，天津武清人，學(xué)士，助理工程師，主要從事復(fù)雜裝備的測試性、維修性與故障診斷等方向的研究。