多路DAM自動測試系統(tǒng)設(shè)計

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

多路DAM自動測試系統(tǒng)設(shè)計

李國清,張 玲

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module,DAM)是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心部件,其設(shè)計高度集成,技術(shù)指標(biāo)繁多,傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)效率不高。通過多路DAM自動測試系統(tǒng)設(shè)計的可行性分析,優(yōu)化各技術(shù)指標(biāo)的測試流程和方法,采用高速光纖調(diào)制解調(diào)、多路發(fā)射同步測試、移相精度快速測試等一系列測試技術(shù),完成了4路DAM并行測試的多路DAM自動測試系統(tǒng)設(shè)計,并在生產(chǎn)線上進(jìn)行了測試驗證,在自測模式下完成4路DAM的測試時間小于50 min,測試效率大幅提高,為我國某重點(diǎn)型號雷達(dá)的科研生產(chǎn)提供了重要支撐和保障。

數(shù)字陣列模塊;多路;測試系統(tǒng);移相精度

0 引 言

隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)字陣列雷達(dá)成為近年來越來越受人們關(guān)注的一種新型相控陣?yán)走_(dá)。其中DAM是其核心部件之一。DAM是一種將16個收發(fā)通道集成的雷達(dá)前端模塊,主要完成多通道接收數(shù)字化及預(yù)處理、多通道的數(shù)字波形產(chǎn)生及功率放大、多通道數(shù)字波束形成等功能[1]。

DAM生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜,測試指標(biāo)繁多,需要測試接收增益、接收信噪比、鏡像抑制、通道隔離度、發(fā)射功率、發(fā)射信噪比、移相精度、發(fā)射帶寬等指標(biāo),這些技術(shù)指標(biāo)直接影響雷達(dá)的性能[2]。為了實現(xiàn)批量生產(chǎn),單路DAM的測試系統(tǒng)已有同行進(jìn)行過探索。但隨著測試技術(shù)的快速發(fā)展,單路測試系統(tǒng)效率不高、操作繁瑣等特點(diǎn),已不能滿足快速批量生產(chǎn)的實際需要。因此,為提升測試效率,設(shè)計一個多路的DAM全自動測試系統(tǒng)顯得尤為重要[3]。

1 可行性分析及測試技術(shù)研究

1.1 可行性分析

通過對被測件和測試內(nèi)容進(jìn)行分析可知,發(fā)射功率、發(fā)射信噪比等技術(shù)指標(biāo)可以采用射頻儀表程控測試的方式進(jìn)行;接收類指標(biāo)測試傳統(tǒng)上一般采用前端加射頻激勵、后端進(jìn)行響應(yīng)采集的方式;發(fā)射移相精度的測試一般采用脈沖矢網(wǎng)進(jìn)行,但脈沖矢網(wǎng)造價昂貴,且只能單路串行測試。由于DAM采用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,因此多路DAM的控制及同步問題會是一個挑戰(zhàn)。

綜合以上分析,本系統(tǒng)采用4路DAM同步測試的方案,并對方案中采用的測試技術(shù)進(jìn)行介紹。其中,發(fā)射指標(biāo)采用功率計和頻譜儀進(jìn)行程控測試;接收指標(biāo)采用信號源,并同步設(shè)計光纖采集卡來實現(xiàn)對DAM的控制及數(shù)據(jù)采集;移相精度測試采用校正接收機(jī)來完成下變頻和A/D變換采集。其原理框圖如圖1所示。

圖1 多路DAM測試系統(tǒng)原理框圖

1.2 多路DAM分時同步測試技術(shù)

發(fā)射功率是DAM的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其性能的好壞直接影響到雷達(dá)的探測距離。發(fā)射功率測試時需要做到每個通道和所有頻點(diǎn)都覆蓋,所以測試時間特別長。本測試系統(tǒng)采用了多路分時同步測試的方式,即通過專用測試板對DAM進(jìn)行控制,保證4路DAM的發(fā)射脈寬和重復(fù)頻率完全一致,送給每個DAM的導(dǎo)前依次延遲100,200和300μs,使4路DAM在一個脈沖周期內(nèi)依次打開第一路發(fā)射開關(guān),然后用導(dǎo)前同步功率計,控制儀表采用4個MARK同時讀數(shù)。然后關(guān)閉第一路發(fā)射,打開4個組件的第二路開關(guān),再次進(jìn)行測量……重復(fù)上述步驟16次,直到所有通道測試完成,如圖2所示。

1.3 發(fā)射移相精度測試技術(shù)

圖2 發(fā)射功率同步測試截圖

移相精度也是DAM的關(guān)鍵指標(biāo)之一,其性能的好壞直接影響到雷達(dá)發(fā)射波瓣的形狀和威力。一部雷達(dá)有5 952個通道、61個頻點(diǎn),一個通道一個頻點(diǎn)需要測量72次。如果采用脈沖矢網(wǎng)進(jìn)行測量,不僅測量速度慢,而且相當(dāng)昂貴。本測試系統(tǒng)采用校正接收機(jī)進(jìn)行下變頻和A/D變換后,在數(shù)字域進(jìn)行相位測試。眾所周知,在復(fù)變函數(shù)理論中:

式中,φa為移相精度,Δφ為相鄰兩次的變化值,θ2,θ1為相鄰兩次采樣得到的絕對相位值。

1.4 海量數(shù)據(jù)后處理技術(shù)

一部雷達(dá)包含372個DAM、5 952個通道,測試數(shù)據(jù)量可達(dá)120萬個,海量的測試數(shù)據(jù)要在很短的時間內(nèi)處理和傳輸是個難題,針對這個問題本系統(tǒng)采用UDP傳輸和數(shù)據(jù)后處理技術(shù)。

UDP傳輸技術(shù)即使用UDP數(shù)據(jù)包對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,此種傳輸方式優(yōu)點(diǎn)在于速度快且不需要時刻進(jìn)行偵聽,數(shù)據(jù)率可達(dá)2.5 Gbit/s。將數(shù)據(jù)由采集端傳送到處理端后需要進(jìn)行運(yùn)算,這個過程需要耗費(fèi)大量時間,采用實時處理的數(shù)據(jù)后處理技術(shù),即利用接收下一批數(shù)據(jù)的時間對上一批數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來縮短數(shù)據(jù)處理時間,并對測試數(shù)據(jù)的正確性實時核查,遇到不滿足要求的數(shù)據(jù)及時給予告警,使數(shù)據(jù)后處理的效率提高80%以上,并提高數(shù)據(jù)正確率達(dá)到99%以上。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

整個測試系統(tǒng)硬件由適配器和測試機(jī)柜兩部分組成,如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)組成框圖

1)適配器由適配網(wǎng)絡(luò)、光纖采集卡、校正接收機(jī)、本振參考源及散熱裝置組成。

適配網(wǎng)絡(luò):在多路DAM測試中,多個通道的發(fā)射功率合成及接收激勵信號的分配是關(guān)鍵。功率合成及激勵信號分配通過專用適配器完成。適配器采用了三級合成,第一級為有源功分開關(guān),每個通道可獨(dú)立關(guān)斷,可實現(xiàn)接收隔離度的測試;第二級是多路耦合電路,可實現(xiàn)功率、改善因子和移相精度同步測試;第三級為環(huán)行器和負(fù)載,能夠?qū)崿F(xiàn)接收和發(fā)射所有指標(biāo)的快速切換,且避免了采用功分電路而造成損耗過大,從而測試指標(biāo)誤差增加的問題,同時也有效地保護(hù)了測試儀表不受DAM發(fā)射功率燒毀。

光纖采集卡:為了實現(xiàn)4路DAM的自動測試,設(shè)計了一塊專用的光纖數(shù)據(jù)采集卡,完成與DAM和計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)解調(diào)和通信,如圖4所示。其主要實現(xiàn)功能有:將DAM數(shù)字中頻接收模塊通過光纖送過來的采樣信號進(jìn)行解調(diào),并依據(jù)控制命令送往計算機(jī)進(jìn)行處理和指標(biāo)分析;通過網(wǎng)口接收計算機(jī)傳來的控制指令,再轉(zhuǎn)化為光信號送往DAM,完成DAM工作模式、波形代碼、工作周期的設(shè)置;控制4個16通道有源開關(guān)的選通;控制DAM所有通道的發(fā)射開關(guān)及模式切換[4]。

圖4 光纖采集卡原理圖

校正接收機(jī):該接收機(jī)主要由上下變頻、小功率放大模塊、中頻數(shù)字收發(fā)等模塊組成,主要用于發(fā)射移相精度指標(biāo)的測量。

本振參考源:主要由電源、晶振、一本振插件和時鐘產(chǎn)生模塊組成。采用直接數(shù)字合成的方式進(jìn)行設(shè)計,具有指標(biāo)高、設(shè)備體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。

2)測試機(jī)柜主要由信號源、頻譜儀、功率計、電源和計算機(jī)等組成。

信號源、頻譜儀、功率計等射頻儀表主要是選擇貨架產(chǎn)品;電源需要滿足DAM工作的電壓及電流要求,電壓0～50 V可調(diào),電流0～10 A,紋波小于50 m V,具備過壓、過流、過溫保護(hù),可遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 軟件設(shè)計

軟件的易用性、可靠性、完備性都將影響自動測試系統(tǒng)的性能好壞,因此選擇一個合適的軟件平臺是首先要考慮的事情。目前,用于自動測試開發(fā)的軟件品種很多,綜合考慮,該系統(tǒng)采用Lab-View和Visual C++(VC)相結(jié)合的方式。Lab-View平臺作為下位機(jī)控制儀表和采集數(shù)據(jù),VC平臺作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[5]。其軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多路DAM自動測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

在Lab View平臺下,軟件設(shè)計主要實現(xiàn)初始化、參數(shù)測量和參數(shù)顯示三個功能模塊。

初始化模塊里,網(wǎng)絡(luò)通信指示用于指示Lab-View平臺與VC平臺的通信狀態(tài);測試模式選擇可以讓用戶根據(jù)測試需求選擇手動測試模式、自動測試模式、驗收測試模式和環(huán)境試驗測試模式;設(shè)測試設(shè)備狀態(tài)中實時監(jiān)控硬件設(shè)備,并在測試設(shè)備狀態(tài)模塊中顯示儀表和數(shù)據(jù)采集板的狀態(tài);組件狀態(tài)模塊中實時顯示DAM的溫度、電源BIT、通信鏈路等信息。

參數(shù)測量模塊里,儀表總線控制為計算機(jī)通過GPIB總線對儀表進(jìn)行參數(shù)設(shè)置操作以及測量數(shù)值讀取;在本振頻點(diǎn)控制模塊中,計算機(jī)通過數(shù)字I/O來設(shè)置頻率源的頻率碼;接收指標(biāo)測試及發(fā)射指標(biāo)測試為核心測試模塊,完成DAM所有指標(biāo)的測試;數(shù)據(jù)處理模塊主要對儀表的測試數(shù)據(jù)和采集板的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理。

在參數(shù)顯示模塊里,有兩種顯示模塊。一是圖表顯示,包括接收測試時被測信號的時域波形、頻域頻譜圖、I/Q信號的李薩圖,發(fā)射測試時發(fā)射信號的時域脈沖波形及頻域的頻譜圖;二是數(shù)據(jù)報表顯示,測試結(jié)果經(jīng)過精度轉(zhuǎn)化、格式轉(zhuǎn)化,填充顯示在各項指標(biāo)的測量表格中。

在VC平臺下,軟件的主要功能是實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的報表輸出,它通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊與Lab View平臺建立連接,將下位機(jī)發(fā)送的包含有測試結(jié)果的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。此外,由于測試回路中功分器、開關(guān)、電纜等器件具有插損,因此VC平臺中包含一個存儲校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫,用以對測量結(jié)果進(jìn)行修正。最后,將最終測試數(shù)據(jù)以模板化的形式顯示出來,并且以EXCEL文件格式存儲到計算機(jī)。

3 系統(tǒng)測量不確定度分析

3.1 測量不確定度的主要來源

不確定度是計量測試的基本問題,任何計量測試都不可避免地存在著不確定度[6]。不確定度是測量精度或可信程度的反應(yīng),不確定度小,測量精度越高,本文選取接收增益這項指標(biāo)進(jìn)行分析。

接收增益是通過信號源在DAM的前端施加射頻激勵信號,后端通過采集后,再測量出插損,通過軟件計算得到的。其不確定度主要來源有:

1)插損測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

2)矢網(wǎng)校準(zhǔn)引入的不確定度;

3)信號源幅度不精確引入的不確定度。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

1)測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定分量u1

由于信號或指示不穩(wěn)定、不重復(fù)等各種隨機(jī)因素,造成測量不具有重復(fù)性,通常采用實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征,用A類評定方法評定。

首先測量信號源輸出口到DAM盲插口的插損,用矢網(wǎng)對其重復(fù)測量10次,測試數(shù)據(jù)如下:

實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差利用下式計算:

2)矢網(wǎng)校準(zhǔn)引入的不確定度u2

3)信號源幅度不精確引入的不確定度u3

用B類方法評定,根據(jù)信號源AV1464A的說明書得知其誤差則由此引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3如下:

4)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

以上各分量相互獨(dú)立各不相關(guān),可知其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc如下:

本系統(tǒng)對所測試指標(biāo)的不確定度都進(jìn)行了分析,由于篇幅原因,其他指標(biāo)只給出分析結(jié)果。

發(fā)射功率不確定度為0.08 d B;發(fā)射信噪比不確定度為0.32;移相精度不確定度為0.1°;發(fā)射帶寬不確定度為0.06 MHz。

4 實測結(jié)果

測試系統(tǒng)完成設(shè)計后,連接被測件進(jìn)行了測試驗證。經(jīng)過實測,該測試系統(tǒng)能夠完成DAM發(fā)射、接收等所有技術(shù)指標(biāo)的測試,如圖6所示。在自測模式下完成4路DAM測試的時間為44 min;在驗收模式下完成4路DAM測試的時間為25 min;在環(huán)境試驗?zāi)Ｊ较峦瓿?路DAM測試的時間為21 min。同時,測試過程中儀表控制、開關(guān)控制、DAM切換等全部實現(xiàn)自動化,做到了“無人值守測試”。

5 結(jié)束語

圖6 指標(biāo)測試界面

本文提出了一種多路DAM自動測試系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法,在硬件上實現(xiàn)了被測件和適配器、測試機(jī)柜的高度集成,軟件上采用了上位機(jī)和下位機(jī)使用不同軟件平臺、通過UDP協(xié)議互聯(lián)的方式,設(shè)計結(jié)果滿足測試要求。目前該測試系統(tǒng)已應(yīng)用在某重點(diǎn)型號雷達(dá)的科研生產(chǎn)中,產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)和社會效益,同時也為其他型號DAM的集成測試提供了可借鑒的解決方案。

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Design of Multiplex DAM Automatic Test System

LI Guoqing,ZHANG Ling
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

Digital array module(DAM)is the core component of digital array radar.In this paper,the efficiency challenges of traditional DAM test system due to DAM’s highly integrated design and numerous technical specifications are discussed.Through analyzing feasibility and optimizing test procedure and metrology of technical specifications,an automatic test system for multiple-channel DAMs is proposed for the first time and is verified in the production line.A series of test techniques are employed such as high-speed fiber modem technology,synchronous test technology for multiple transmitters,fast test technology for phase shift accuracy,etc.Measurements of four-channel DAMs in parallel are presented.Results show that the measurement time for four-channel DAMs in the self-test mode is less than 50 minutes,indicating a substantial increase in the test efficiency.The automatic test system presented in this paper provides an important support for the research and production of key radar equipments in China.

digital array module(DAM);multi-channel;test system;phase-shift precision

TN957.5;TP206

A

1672-2337(2017)02-0220-05

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.019

2016-10-25;

2016-12-21

李國清男,1981年12月出生于山東濟(jì)寧,2003年畢業(yè)于山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程專業(yè),現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所高級工程師,主要從事雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)及測試技術(shù)方面的研究。

E-mail:66640996@qq.com

張 玲女,1987年4月出生于安徽宿州,2014年畢業(yè)于電子科技大學(xué)微波電路與系統(tǒng)專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所助理工程師,主要從事雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)方面的研究。