采集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董曉輝

（沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)110020）

應(yīng)答器是基于射頻識(shí)別技術(shù)的車-地信息傳輸系統(tǒng)中的地面設(shè)備。應(yīng)答器通過接收車載天線的射頻能量，轉(zhuǎn)換為工作電能，將上級(jí)通信單元或儲(chǔ)存芯片的報(bào)文信息以FSK 的形式發(fā)送出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)車-地通信。隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，應(yīng)答器的應(yīng)用數(shù)量越來(lái)越大。

在應(yīng)答器的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，需要大量的功能和性能的測(cè)試。傳統(tǒng)的應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)雖然測(cè)試功能多，但是占地面積大，且使用儀器儀表較多，成本較高，不適合在生產(chǎn)或應(yīng)用過程中使用。有些改進(jìn)的測(cè)試臺(tái)雖然解決了這些問題，但是在分析應(yīng)答器數(shù)據(jù)時(shí)使用的通用儀表，從而造成測(cè)試效率不高。本文中吸取了改進(jìn)測(cè)試臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作了一種采集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)。

1 系統(tǒng)原理

圖1 采集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

采集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生射頻能量，經(jīng)過功率放大器放大后傳送給測(cè)試天線，射頻能量用來(lái)激活應(yīng)答器，工控機(jī)測(cè)試軟件通過控制信號(hào)發(fā)生器改變輸出能量大小，從而產(chǎn)生測(cè)試需要的不同的能量。

應(yīng)答器被激活后，通過A 接口向空間輻射FSK 信號(hào)，測(cè)試天線接收到FSK 信號(hào)，并將采集到的FSK 信號(hào)進(jìn)行濾波，射頻開關(guān)K1 將FSK 信號(hào)傳輸給信號(hào)分析儀或者示波器類高速采集卡進(jìn)行處理。信號(hào)分析儀測(cè)量模式設(shè)置為頻譜分析，測(cè)試信號(hào)的信道功率。高速采集卡將FSK 信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)值數(shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。測(cè)試天線上的電流探頭連接功率計(jì)，功率計(jì)監(jiān)控測(cè)試天線的能量大小，得到的功率值反饋給工控機(jī)以控制信號(hào)發(fā)生器的輸出。

工控機(jī)的測(cè)試軟件根據(jù)第二章的算法要求設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，并將分析和計(jì)算的結(jié)果通過屏幕顯示，測(cè)試顯示包含了測(cè)試達(dá)標(biāo)范圍以及測(cè)試結(jié)果，最終的測(cè)試數(shù)據(jù)以圖形的形式繪出，可以直觀觀看測(cè)試情況以及測(cè)試結(jié)果。

圖2 采集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)連接圖

2 測(cè)試過程

2.1 輸入輸出特性測(cè)量

在測(cè)試時(shí)候，將信號(hào)發(fā)生器輸出設(shè)置為正弦波，頻率為27.095MHz，表1 給出了27MHz 磁通量等級(jí)的Pcs 偏移量。測(cè)試應(yīng)該從最低磁通量開始，遞增到磁通量Φd4，然后通量應(yīng)該再次遞減到表中的最低磁通量。將信號(hào)分析儀設(shè)置為中心頻率為4.23MHz，測(cè)量帶寬為1.2MHz 的信道功率測(cè)量模式，對(duì)FSK 信號(hào)進(jìn)行功率測(cè)量，通過工控機(jī)讀取測(cè)量結(jié)果，工控機(jī)測(cè)試軟件會(huì)記錄每個(gè)射頻能量及對(duì)應(yīng)的FSK 信號(hào)功率，通過描點(diǎn)的方式顯示。

表1 27MHz 磁通量偏置

2.2 上行鏈路信號(hào)特性測(cè)量

工控機(jī)測(cè)試軟件將高速采集卡得到的FSK 波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率、幅度分析，將fH 連續(xù)8 個(gè)波形、fL 連續(xù)7 個(gè)波形定義為1bit數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行以下形式的處理：

2.2.1 中心頻率及頻率偏移

對(duì)FSK 信號(hào)使用一個(gè)16bit 的窗口，從窗口中找出fHmax、fLmax、fHmin 和fLmin，使其滿足：

(fLmax+fHmax)/2 < 4.234MHz+175kHz=4.409MHz；

(fLmin+fHmin)/2 > 4.234MHz-175kHz=4.059MHz；

(fHmax-fLmin)/2 < 282.24kHz×（1+7%）=302.00kHz；

圖3 應(yīng)答器輸入輸出特性測(cè)量結(jié)果圖

圖4 應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)特性測(cè)量結(jié)果圖

(fHmin-fLmax)/2 > 282.24kHz×（1-7 %）=262.48kHz；

然后窗口前移1 位，直到測(cè)量結(jié)束。

2.2.2 MTIE 2

對(duì)于1 位≤τ≤5 位，MTIE 2=236×10-9s

對(duì)于5 位<τ≤50 位，MTIE 2=370×10-9s

對(duì) 于50 位<τ ≤1000 位，MTIE 2=2.5×τ×10-6/564.48+148×10-9s

其中，τ 是觀察間隔（位），MTIE 是相對(duì)于平均數(shù)據(jù)率測(cè)量的。

碼元平均速率被定義為1500 除以1500 個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度。對(duì)于任何連續(xù)的1500 位，碼元平均率應(yīng)為564.48kbit/s，總公差為±2.5%。

2.2.3 幅度抖動(dòng)

在400us～800us 窗口內(nèi)每一位的幅度抖動(dòng)不超過窗口內(nèi)算數(shù)平均值的+1.5/-2.0 分貝。

2.3 測(cè)試臺(tái)的組裝

集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)使用的儀器儀表通過GPIB/USB 等通信方式與工控機(jī)機(jī)通信，濾波器選擇Mini-Circuits 的SLP-10.7，低通截止頻率為11MHz，前置放大器選擇Mini-Circuits 的ZFL-500，截止頻率為500 MHz，開關(guān)選擇射頻繼電器JPT3，使用直流24V 供電，頻帶范圍在DC-1GHz，器件的接頭種類為SMA接頭，既保證了連接可靠性，又做到小型化。連接電纜使用半鋼柔性電纜，增強(qiáng)了整個(gè)切換單元的可靠性。由于應(yīng)答器輸入輸出測(cè)量和上行鏈路信號(hào)特性測(cè)量的測(cè)試高度不同，所以在測(cè)試中增加木質(zhì)墊塊調(diào)整應(yīng)答器的高度。

3 測(cè)試結(jié)果

通過上述設(shè)計(jì)要求，將測(cè)試臺(tái)所需的儀器儀表進(jìn)行組裝，并將測(cè)試軟件安裝于測(cè)試臺(tái)工控機(jī)，然后使用測(cè)試軟件對(duì)應(yīng)答器產(chǎn)品進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，應(yīng)答器輸入輸出特性測(cè)量如圖3 所示，應(yīng)答器上行鏈路信號(hào)特性測(cè)量（中心頻率及頻率偏移、MTIE2、幅度抖動(dòng)）如圖4 所示，測(cè)試結(jié)果達(dá)到預(yù)期，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文根據(jù)目前應(yīng)答器產(chǎn)品的測(cè)試需求，設(shè)計(jì)制作了一種采集卡型應(yīng)答器測(cè)試臺(tái)，能夠方便進(jìn)行應(yīng)答器輸入輸出特性測(cè)量和上行鏈路信號(hào)特性測(cè)量（中心頻率及頻率偏移、MTIE2、幅度抖動(dòng)）。由于使用了高速采集卡，射頻切換單元和半剛性電纜等儀表和配件，使整個(gè)測(cè)試臺(tái)更加緊湊、使用方便、節(jié)省空間，提高了測(cè)試臺(tái)的可靠性。同時(shí)，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)試軟件顯示結(jié)果比較直觀，有利于測(cè)試臺(tái)的推廣應(yīng)用。