某型通信設(shè)備的高度表功能駐波故障剖析

冉欽川

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

高度表功能主要用于測(cè)量飛機(jī)距地面、水面真實(shí)高度，向上級(jí)系統(tǒng)提供高度信息，以保證飛機(jī)的安全起飛和著陸，并滿足飛機(jī)其他設(shè)備對(duì)高度信息的需求。高度表功能在某型通信設(shè)備上屬于導(dǎo)航的重要功能之一。近年來(lái)，該型通信設(shè)備在外場(chǎng)和制造過(guò)程中偶發(fā)出現(xiàn)駐波保護(hù)功能故障問題，通過(guò)深入剖析、排查與診斷，最終確認(rèn)故障是由于微波組件的駐波檢測(cè)功能缺席導(dǎo)致，并提出解決與改進(jìn)措施，有效提高了駐波檢測(cè)的可靠性。經(jīng)試驗(yàn)表明，該方法切實(shí)可行，能有效保障機(jī)上高度表功能的正常測(cè)距。

1 工作原理

在某型通信設(shè)備中，高度表功能的工作原理是由高度表收發(fā)模塊產(chǎn)生測(cè)高所需的調(diào)制信號(hào)，并通過(guò)變頻、激勵(lì)等處理后，將激勵(lì)信號(hào)送功率放大模塊進(jìn)行功率放大，通過(guò)高度表發(fā)射天線發(fā)射；從地面反射的信號(hào)經(jīng)過(guò)高度表接收天線后進(jìn)入高度表收發(fā)模塊，經(jīng)混頻、放大、濾波等處理后送高度表收發(fā)模塊信號(hào)處理部分電路進(jìn)行數(shù)字解調(diào)和測(cè)量，并計(jì)算出相應(yīng)的高度值，將高度信息送至接口控制模塊和上級(jí)系統(tǒng)。

高度表模塊包括微波組件、電源單元、AD單元、信號(hào)處理單元、接口單元，除微波組件外，其他組成部分均布置在信號(hào)處理板上。其中軟件運(yùn)行于高度表的信號(hào)處理單元及接口單元上。高度表模塊內(nèi)部架構(gòu)如圖1所示。

圖1 高度表模塊內(nèi)部架構(gòu)

高度表模塊產(chǎn)生測(cè)高需要的射頻信號(hào)，通過(guò)偽碼調(diào)制，放大后輸出，同時(shí)接收從地面反射的信號(hào)，混頻后輸出中頻信號(hào)。中頻信號(hào)通過(guò)濾波進(jìn)行采樣，送入信號(hào)單元進(jìn)行解調(diào)處理，比較發(fā)射碼和接收碼的相位差，計(jì)算出高度值。

2 故障剖析與定位

在使用過(guò)程中，高度表功能在進(jìn)行高度測(cè)量時(shí)，偶發(fā)出現(xiàn)高度表駐波保護(hù)故障導(dǎo)致測(cè)高功能失效。具體故障現(xiàn)象為，斷開高度表發(fā)射端口連接的射頻電纜后，自檢時(shí)系統(tǒng)設(shè)備不上報(bào)高度表駐波報(bào)故自檢信息。經(jīng)測(cè)試，故障概率約為10%，部分產(chǎn)品高達(dá)30%。該故障具有一定偶發(fā)性，故障件并非固定批次設(shè)備。

對(duì)高度表模塊內(nèi)部進(jìn)行的檢查內(nèi)容主要分為信號(hào)處理板和微波組件2個(gè)部分，其中信號(hào)處理板供給微波組件自動(dòng)增益控制（Automatic Generation Control，AGC）電壓、100 MHz時(shí)鐘信號(hào)、MOD偽碼信號(hào)、10 V和5 V電壓；微波組件將MOD偽碼信號(hào)調(diào)制到4 GHz，并通過(guò)功放放大后發(fā)射出去，同時(shí)將接收到的4 GHz回波信號(hào)下變頻為IF中頻信號(hào)，傳輸給信號(hào)處理板使用；信號(hào)處理板和微波組件使用RX和TX這2根串口線進(jìn)行通信。

因此，結(jié)合故障現(xiàn)象可能事件為：

（1）信號(hào)處理板供給微波組件的100 MHz時(shí)鐘信號(hào)、12 V和5 V電壓異常，導(dǎo)致微波組件無(wú)法正常檢測(cè)發(fā)射駐波信息；

（2）信號(hào)處理板解析微波組件傳輸串口信息的功能異常，微波組件串口傳輸?shù)鸟v波信息解析錯(cuò)誤；

（3）微波組件發(fā)射信號(hào)頻譜異常，檢測(cè)到異常的回波信號(hào)，解算出錯(cuò)誤的駐波；

（4）微波組件駐波檢測(cè)功能異常，傳輸錯(cuò)誤的駐波信息。由此列出故障樹如圖2所示。

圖2 駐波保護(hù)異常故障樹

M1為信號(hào)處理板，100 MHz時(shí)鐘檢測(cè)、供給電壓異常。

將故障件高度表模塊連接0 m測(cè)試回路，通過(guò)示波器對(duì)信號(hào)處理板供給微波組件的CLK時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行檢查，實(shí)測(cè)100.5 MHz。通過(guò)萬(wàn)用表對(duì)信號(hào)處理板供給微波組件的+5 V和+12 V電壓值進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)測(cè)分別為+4.99 V和+12.01 V，滿足微波組件的使用要求。

M2為信號(hào)處理板，串口信息解析功能異常。

對(duì)信號(hào)處理板上的數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）加載仿真器，在線運(yùn)行DSP軟件程序，在程序中讀取微波組件的工作狀態(tài)信息，微波組件上報(bào)的信息均正常，因此信號(hào)處理板解析微波組件串口上傳數(shù)據(jù)功能正常。

M3為微波組件，發(fā)射頻譜故障。

使用頻譜儀對(duì)高度表發(fā)射信號(hào)進(jìn)行檢查，發(fā)射信號(hào)波形正常，功率輸出約為29 dBm，滿足高度表指標(biāo)30 dBm±3 dBm的要求。

M4為微波組件，駐波檢測(cè)功能異常。

通過(guò)在線運(yùn)行DSP軟件程序讀取微波組件上傳駐波信息，發(fā)現(xiàn)高度表發(fā)射端口開路與微波組件發(fā)射端口開路讀取的駐波值相近，因此高度表模塊內(nèi)部的發(fā)射電纜對(duì)微波組件駐波檢測(cè)功能基本無(wú)影響；微波組件發(fā)射端口開路時(shí)，端口為全反射，檢測(cè)到的回波損耗應(yīng)該為0，而實(shí)際上報(bào)值為21，回波損耗為2.1 dB，與理論值相差較大，因此判斷微波組件駐波檢測(cè)功能異常。

綜上所述，定位故障原因是高度表模塊內(nèi)部微波組件中上報(bào)回波損耗數(shù)值時(shí)軟件設(shè)計(jì)上存在缺陷，微波組件上報(bào)給高度表的回波損耗檢測(cè)值未進(jìn)行校零；在通信設(shè)備上使用時(shí)，會(huì)偶爾出現(xiàn)駐波保護(hù)功能故障且系統(tǒng)不上報(bào)駐波報(bào)故的自檢信息。

3 故障機(jī)理分析與解決措施

3.1 故障機(jī)理分析

該通信設(shè)備中，高度表在初始設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)駐波保護(hù)功能要求，功放輸出端駐波超差時(shí)，將超差狀態(tài)通過(guò)模塊BIT檢測(cè)內(nèi)容上報(bào)給系統(tǒng)，保留高度表功能。依據(jù)回波損耗與駐波的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)檢測(cè)駐波，實(shí)現(xiàn)駐波保護(hù)功能的方案，在實(shí)際使用過(guò)程中高度表用回波損耗檢測(cè)代替駐波檢測(cè)，由于高度表模塊體積小且不是專門的駐波檢測(cè)模塊，而檢波器又比較靈敏，外界環(huán)境（外部電纜長(zhǎng)度，形狀，環(huán)境溫度）稍微有些變化就會(huì)影響檢波進(jìn)度，所以當(dāng)進(jìn)行回波損耗檢測(cè)時(shí)，未進(jìn)行發(fā)射端口較零，駐波檢測(cè)誤差較大，即檢測(cè)得到的駐波情況與實(shí)際駐波情況偏差很大，多次測(cè)量結(jié)果之間測(cè)得的數(shù)值存在波動(dòng)。

該型號(hào)微波組件駐波檢測(cè)功能設(shè)計(jì)的原理如圖3所示。

圖3 駐波檢測(cè)方案框圖

處理器使用內(nèi)部集成ADC對(duì)駐波電壓檢測(cè)值（包括正向、反向檢波電壓）進(jìn)行采樣，采樣值經(jīng)軟件算法處理后得到并輸出給高度表。微波組件上報(bào)給高度表的回波損耗檢測(cè)值除以10，換算公式為

式中：VSWR為駐波比；RL為回波損耗。

3.2 解決措施

通過(guò)該通信設(shè)備中高度表模塊的微波組件完善駐波保護(hù)功能軟件，并對(duì)發(fā)射端口駐波值進(jìn)行較零，在發(fā)射輸出端開路或短路時(shí)不再燒毀功放，發(fā)射電纜一端開路時(shí)，串口上報(bào)回波損耗值應(yīng)小于15，電纜一端接匹配負(fù)載時(shí)，串口上報(bào)回波損耗值應(yīng)大于50。修改程序后，反復(fù)驗(yàn)證，產(chǎn)品工作正常，故障消除。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)闡述了工程中高度表功能的應(yīng)用及本次偶發(fā)故障的定位分析過(guò)程。經(jīng)排查，最終確定根本原因是微波組件駐波檢測(cè)功能設(shè)計(jì)存在缺陷，上報(bào)給高度表的回波損耗檢測(cè)值未進(jìn)行校零，導(dǎo)致偶爾出現(xiàn)無(wú)法正常上報(bào)駐波報(bào)故自檢信息的現(xiàn)象。功能設(shè)計(jì)的好壞，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。在功能設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證滿足通信設(shè)備的指標(biāo)要求，還需要結(jié)合實(shí)際設(shè)備使用環(huán)境和外部干擾因素，滿足工程中組件制造差異性的要求。本次通過(guò)對(duì)微波組件軟件程序的優(yōu)化，成功解決了這起隱蔽性故障。