數(shù)字T/R多組件并行測試系統(tǒng)的設(shè)計

徐欣歡，夏松林，陳兆國

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京，210039）

0 引言

隨著雷達向數(shù)字有源方向的深入發(fā)展，數(shù)字T/R組件作為數(shù)字相控陣雷達的核心組成部分，無論是從數(shù)量上還是成本上，都占據(jù)了整個雷達硬件設(shè)備量的三分之二以上，對整個雷達起著舉足輕重的作用，良好的數(shù)字T/R組件性能是保證雷達可靠、穩(wěn)定工作的前提[1]。

有源相控陣雷達數(shù)字T/R組件由于其復(fù)雜度高、性能指標項多，導(dǎo)致其測試耗時長、測試系統(tǒng)成本高，測試效率有限、儀器儀表資源緊張已成為數(shù)字T/R組件生產(chǎn)過程中的瓶頸問題。傳統(tǒng)數(shù)字T/R組件自動測試系統(tǒng)主要應(yīng)用于單個組件的測試，通常通過優(yōu)化測試流程、改進測試方法等方式提升測試效率，效果有限。

本文通過研究數(shù)字T/R組件的基本工作原理、傳統(tǒng)自動測試系統(tǒng)的硬件組成和測試方法，提出了改進的并行測試方案并搭建了某型數(shù)字T/R組件的雙組件并行測試系統(tǒng)，通過共享或增加部分關(guān)鍵儀表資源、軟件多線程測試等方式實現(xiàn)多個組件的同時測試，使測試效率整體提升了48.1%，同時提升了儀表資源的利用率，緩解了資源壓力。

1 數(shù)字T/R組件介紹

數(shù)字T/R組件通常由接收鏈路、發(fā)射鏈路及電源控制鏈路等部分組成。圖1是典型數(shù)字T/R組件工作原理框圖。

圖1 典型數(shù)字T/R組件工作原理

數(shù)字T/R組件的主要工作原理如下：

1）接收通道接收前端送來的回波信號，經(jīng)限幅低噪放、預(yù)選濾波、下變頻后形成中頻信號，通過中頻采樣形成數(shù)字零中頻信號，最終通過光電傳輸送出。

2）發(fā)射通道利用DDS產(chǎn)生中頻激勵信號，經(jīng)過上變頻濾波放大后，產(chǎn)生雷達系統(tǒng)所需的各種信號形式的激勵信號，經(jīng)發(fā)射通道進行多級放大和濾波產(chǎn)生所需功率的發(fā)射信號。

典型數(shù)字T/R組件電性能指標項目主要包括：

1）接收通道：噪聲系數(shù)、接收增益、接收幅相一致性、動態(tài)范圍、通道隔離度等；

2）發(fā)射通道：發(fā)射功率、波形參數(shù)、雜散、諧波、發(fā)射幅相一致性等。

2 并行測試系統(tǒng)方案設(shè)計

數(shù)字T/R組件并行測試系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。系統(tǒng)運行時使用計算機通過網(wǎng)口或GPIB口與系統(tǒng)硬件互聯(lián)，通過軟件實現(xiàn)儀表、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等相關(guān)儀表設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)自動測試[2]。下面以雙組件并行測試為例，說明并行測試系統(tǒng)的硬件與軟件方面的改動。

2.1 硬件設(shè)計

并行測試使用功能分的方式擴展源類儀表輸出，如激勵源、本振源、時鐘源、噪聲源，實現(xiàn)單臺儀表同時提供多個組件的射頻信號輸入。上行光鏈路方面通過光功分實現(xiàn)單個控制板卡同時控制多個組件，下行光鏈路方面增加光纖數(shù)目實現(xiàn)多個組件下行IQ數(shù)據(jù)的同時采集，數(shù)字T/R組件測試常用的數(shù)據(jù)采集板卡通常支持最大12路通道的數(shù)據(jù)采集，因此理論上單個數(shù)據(jù)采集板卡可以實現(xiàn)12個組件的并行采數(shù)。

部分儀表無法實現(xiàn)共用，通過增加儀表數(shù)目實現(xiàn)組件并行測試，比如通過增加頻譜儀數(shù)量實現(xiàn)多個組件頻譜指標的同時測試，通過使用雙通道功率計或增加功率計數(shù)量實現(xiàn)多個組件發(fā)射波形參數(shù)的測試。圖2和圖3分別是某型數(shù)字T/R組件雙組件并行測試的硬件組成框圖和系統(tǒng)的實物圖。

圖2 某型數(shù)字T/R雙組件并行測試硬件組成

圖3 某型數(shù)字T/R雙組件并行測試系統(tǒng)實物圖

表1給出雙組件并行測試系統(tǒng)的主要硬件組成清單。

表1 雙組件并行測試系統(tǒng)儀表組成清單

從表1可以看出，除部分儀表無法實現(xiàn)共用外，大部分儀表設(shè)備均可以實現(xiàn)共用，有效提升了儀表利用率，促進了儀表資源的合理分配。其中各儀表設(shè)備的主要功能如下：

(1)頻譜分析儀：用來測量組件發(fā)射頻譜參數(shù)，如發(fā)射雜散、諧波等。

(2)網(wǎng)絡(luò)分析儀：用來進行系統(tǒng)通路損耗校準和發(fā)射幅相一致性指標測量。

(3)信號源：用來提供被測件本振、時鐘和接收輸入激勵信號。

(4)功率計：用來測量發(fā)射功率和波形參數(shù)等指標。

(5)直流電源：用來給被測件提供工作電壓。

(6)噪聲源：用來測試被測件噪聲系數(shù)指標。

(7)控制板卡：用來產(chǎn)生被測件工作所需的控制輸入信號，主要為光信號。

(8)數(shù)據(jù)采集板卡：用于采集被測件的下行IQ數(shù)據(jù)。

(9)信號轉(zhuǎn)接中樞（含負載）：用于射頻信號通路切換和功率衰減。

2.2 軟件設(shè)計

軟件部分基于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)通用數(shù)字T/R組件測試平臺，修改原有測試流程[4]，將原始測試流程中關(guān)于儀表控制、數(shù)據(jù)采集、指標計算等部分內(nèi)容單獨放進一個線程中執(zhí)行，并增加線程個數(shù)，實現(xiàn)多個組件同時測試，基本實現(xiàn)思路是一個待測件對應(yīng)一個線程，不同線程之間互不干擾，線程所需使用的公共資源通過互斥鎖的方式避免資源搶占。圖4為典型收發(fā)指標測試流程框圖，圖5為數(shù)字T/R組件通用測試軟件平臺的主界面。

圖4 典型收發(fā)指標測試流程

圖5 數(shù)字T/R組件通用測試軟件平臺

2.3 測試方法

以數(shù)字T/R組件測試為例，給出雙組件并行測試的方法[3]，其中主要包括接收電性能指標參數(shù)和發(fā)射電性能指標參數(shù)。

2.3.1 接收指標參數(shù)測試

(1)主控計算機通過LNA口依次控制雙組件測試系統(tǒng)內(nèi)時鐘源、電源和雷控設(shè)備，雷控設(shè)備產(chǎn)生相關(guān)控制信號并通過光纖同時送至兩個被測件，被測件處于接收狀態(tài)。

(2)主控計算機控制本振源、信號中樞和接收激勵源，進行信號頻率、幅度和微波通路的切換。

(3)各個數(shù)字TR通道接收到的模擬信號經(jīng)下變頻、AD采樣最終形成IQ數(shù)字信號，通過光纖下傳至數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)記錄，并傳送至主控計算機。

(4)計算機將采集的雙組件數(shù)據(jù)同時進行分析計算，從而得到兩個被測件各項測試指標結(jié)果。

2.3.2 發(fā)射指標參數(shù)測試

(1)主控計算機通過LNA口依次控制雙組件測試系統(tǒng)內(nèi)時鐘源、電源和雷控設(shè)備，雷控設(shè)備產(chǎn)生相關(guān)控制信號并通過光纖同時送至兩個被測件，被測件處于發(fā)射狀態(tài)。

(2)主控計算機控制本振源、信號中樞，進行信號頻率、幅度和微波通路的切換。

(3)雙通道功率計并行采集被測件1和被測件2通道1的功率數(shù)據(jù)與波形參數(shù)，然后依次完成所有通道功率、波形指標測試。

(4)兩臺頻譜儀并行完成被測件1和被測件2通道1的雜散、諧波等頻譜指標參數(shù)，然后依次完成所有通道頻譜指標測試。

(5)發(fā)射幅相一致性測試采用四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，將各端口測試模式設(shè)置成接收機模式，以參考軟件測試端口為基準，進行歸一化，并行測試被測件1和被測件2的發(fā)射幅度與相位一致性指標，然后依次完成所有通道發(fā)射幅相一致性指標測試。

3 產(chǎn)品應(yīng)用驗證情況

利用文中所述數(shù)字T/R雙組件并行測試系統(tǒng)，對某型相控陣雷達數(shù)字T/R組件測試進行了批量測試驗證。

針對原單組件測試系統(tǒng)和雙組件測試系統(tǒng)選取了組件的主要指標項進行了測試準確性驗證，驗證結(jié)果見表2。

表2 測試系統(tǒng)主要指標測試誤差比較

F1 0.98 0.78 0.2 F2 1.56 1.98 -0.42 F3 1.75 1.23 0.52發(fā)射雜散（單位dBc）發(fā)射相位（單位°）F1 -65.68 -66.01 0.33 F2 -68.64 -68.01 -0.63 F3 -67.37 -67.99 0.62

從上述表中測試結(jié)果可以看出，兩種類型的測試系統(tǒng)之間的誤差值很小，測試系統(tǒng)準確性符合被測件測試要求。

以某型產(chǎn)品為例，統(tǒng)計出兩種類型測試系統(tǒng)完成各指標項目的測試時間。下圖給出了兩種測試系統(tǒng)的測試時間和效率提升統(tǒng)計。

從圖6可以看出，雙組件并行測試系統(tǒng)較傳統(tǒng)單組件測試系統(tǒng)在每個測試指標項目效率上均有大幅度提升，統(tǒng)計計算得出該型數(shù)字T/R組件采用并行測試系統(tǒng)后，綜合測試效率大幅提升48.1%。此外，該并行系統(tǒng)應(yīng)用后，極大地釋放了部分硬件設(shè)備資源，提升了儀器儀表的利用率。

圖6 兩種測試系統(tǒng)測試時間及效率提升直方圖