信號分析儀寬帶中頻調(diào)理模塊的自動測試系統(tǒng)研究

谷帆，趙子正，楊文超，詹永衛(wèi)

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

信號頻譜分析儀的應(yīng)用是對無線電信號進(jìn)行測量的重要手段，是射頻微波產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具。隨著無線射頻技術(shù)的不斷發(fā)展和測量儀器的改進(jìn)，現(xiàn)代信號頻譜分析儀不僅可以分析純頻譜測量結(jié)果，而且能解調(diào)和分析無線通信系統(tǒng)復(fù)雜的調(diào)制信號。5G 技術(shù)、高端雷達(dá)和汽車電子應(yīng)用需要使用非常寬的解調(diào)帶寬來分析寬帶信號。分析帶寬表征分析儀能夠解調(diào)的最大信號帶寬，因此它是現(xiàn)代信號分析儀的重要性能特征之一。高分析帶寬也有利于對脈沖信號的測量。分析帶寬決定時域分辨率，并因此決定能夠顯示的最小脈沖長度?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)中的信號通常采用復(fù)雜的調(diào)制方式，如OFDM、QAM 等。這些信號的帶寬較大，傳統(tǒng)頻譜分析儀難以滿足分析要求。大分析帶寬的頻譜分析儀可以對這些信號進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)制分析，為通信系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供重要支持。

電科思儀全新發(fā)布的 “天璣星”4052 系列信號/頻譜分析儀在2Hz ～50GHz 頻段內(nèi)可提供1.2GHz 分析帶寬、400MHz 最大實(shí)時帶寬的優(yōu)異全面的信號分析能力。而“天衡星”4082 系列信號/頻譜分析儀則可以在最高2Hz ～110GHz 頻段內(nèi)通過4082-H38-2000 選件提供2GHz 分析帶寬，2GHz 信號分析帶寬可以具體應(yīng)用于5G功率放大器研發(fā)，納秒級寬度的雷達(dá)脈沖分析、跳頻通信系統(tǒng)以及車載毫米波雷達(dá)開發(fā)應(yīng)用等。

1 系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

■1.1 寬帶中頻調(diào)理

寬帶中頻是指在射頻系統(tǒng)中，將接收到的射頻信號通過混頻器降頻到一個中間頻率（IF），然后進(jìn)行信號處理的一個頻帶寬度較大的方式。相對于窄帶中頻而言，寬帶中頻通常具有更高的帶寬，能夠支持更高的數(shù)據(jù)速率和更多的頻段覆蓋。例如，在4G和5G 移動通信系統(tǒng)中，寬帶中頻通常在100MHz 以上。

信號頻譜分析儀寬帶中頻調(diào)理板作為射頻通道的一部分，是實(shí)現(xiàn)大分析帶寬功能的重要組成，主要功能是對425MHz/750MHz/1.6GHz 中頻輸入信號進(jìn)行濾波和增益調(diào)整，輸出調(diào)理后的中頻信號和視頻檢波信號，具有寬帶BURST觸發(fā)判定功能和中頻鏈路增益自動和手動調(diào)整功能?？傮w方案主要是通過開關(guān)、可調(diào)衰減、濾波器、放大器等器件實(shí)現(xiàn)信號調(diào)理功能，通過檢波器、運(yùn)算放大器、AD/DA、比較器等實(shí)現(xiàn)檢波輸出、BURST 觸發(fā)、增益自動調(diào)整功能。寬帶中頻調(diào)理板主要包括750MHz 中頻、1.5GHz 中頻和檢波輸出電路，原理框圖如圖1所示。750MHz 中頻通路實(shí)現(xiàn)420MHz160MHz80MHz 及1200MHz600MHz420MHz兩組中頻帶寬選擇，中頻增益調(diào)整等功能；1.5GHz 中頻通路實(shí)現(xiàn)2.4GHz 帶寬、中頻增益調(diào)整等功能；檢波輸出電路實(shí)現(xiàn)750MHz、1.5GHz 中頻信號檢波電壓輸出功能。

圖1 模塊原理框圖

寬帶中頻調(diào)理模塊對最大輸出功率、中頻增益范圍、帶內(nèi)平坦度、三階交調(diào)等多項指標(biāo)提出了設(shè)計要求。

■1.2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器，在通用計算機(jī)平臺上，工程師可以按照自己的具體需求來自行定義擴(kuò)展儀器的功能。一般地，測試測量儀器具有信號采集、數(shù)據(jù)分析與處理和數(shù)據(jù)的輸出與顯示幾方面功能。其中數(shù)據(jù)分析和顯示輸出實(shí)際上可由基于計算機(jī)的軟件系統(tǒng)來完成，全新定義的靈活的虛擬儀器系統(tǒng)，可以將儀器硬件搭載到計算機(jī)平臺加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成。虛擬儀器技術(shù)具備更好的靈活性、可擴(kuò)展性和易操作性。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用較為廣泛的是美國NI 公司的LabVIEW。

LabVIEW 是一種基于圖形化編程語言的開發(fā)平臺，可以很方便地生成虛擬儀器測控系統(tǒng)，在電子測試測量領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。它提供一種直觀的編程方式，使得工程師們能夠方便快速地搭建自己的系統(tǒng)，使他們能夠更加專注于問題的解決，而不需要過多關(guān)注軟件開發(fā)方面的問題。本系統(tǒng)將基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)平臺、被測模塊、測試儀器等的互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)主要指標(biāo)的自動測試和記錄分析。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

■2.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

該測試系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)硬件部分主要包括工控計算機(jī)、程控射頻開關(guān)組件、頻譜分析儀、信號發(fā)生器、基于信號分析儀整機(jī)改裝的模塊控制平臺、GPIB 控制卡、被測寬帶中頻調(diào)理模塊等，軟件部分以LabVIEW 開發(fā)平臺為基礎(chǔ)，GPIB 接口總線，基于VISA 庫和標(biāo)準(zhǔn)化SCPI 指令集，建立軟硬件通信，配置測試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各測試項測試流程，記錄和分析測試數(shù)據(jù)。信號分析儀寬帶中頻調(diào)理模塊自動測試系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

■2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計將工控計算機(jī)通過GPIB、USB 等接口與支撐被測模塊的裝置平臺、信號發(fā)生器和頻譜分析儀等測試儀器進(jìn)行系統(tǒng)集成，成為實(shí)現(xiàn)儀器狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)解析和記錄分析的整體。

2.2.1 工控計算機(jī)

工控計算機(jī)選用研華科技的610L，用來安裝LabVIEW開發(fā)平臺和Excel、MySQL 等數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)報表支持軟件。工控計算機(jī)通過GPIB 控制卡與測試儀器信號發(fā)生器、頻譜分析儀、整機(jī)平臺連接，以控制平臺狀態(tài)和程控測試儀器執(zhí)行測試項目，解析數(shù)據(jù)并存儲分析。通過USB 與程控射頻開關(guān)組件連接，以控制受測射頻通路的切換。

2.2.2 整機(jī)平臺與被測模塊

模塊調(diào)測裝置平臺基于4082 型信號頻譜分析儀整機(jī)改裝，4082 系列信號頻譜分析儀采用了超外差式三次變頻方式，中頻直接采樣，全數(shù)字中頻處理實(shí)現(xiàn)多種分析功能。它由微波毫米波變頻接收單元、射頻處理單元、采集處理單元、合成本振單元、整機(jī)控制與總線和電源部分組成。寬帶中頻調(diào)理板作為射頻通道的一部分，通過轉(zhuǎn)接板架高安裝位置，與其余功能電路錯位，方便調(diào)試檢查。

模塊調(diào)測裝置平臺主要由控制平臺、基礎(chǔ)平臺和開關(guān)模塊組成，裝置平臺原理如圖3所示?；A(chǔ)平臺提供各路電源和接口；控制平臺通過內(nèi)部專有總線對外部待調(diào)測寬帶中頻調(diào)理板進(jìn)行控制、通信；程控射頻開關(guān)模塊選通被測模塊輸出端口至測量儀器。裝置結(jié)構(gòu)方案基于整機(jī)結(jié)構(gòu)改裝，增加程控射頻開關(guān)的安裝，整機(jī)套筒預(yù)留待測模塊架裝孔位。

圖3 裝置平臺原理框圖

2.2.3 測試儀器

測試系統(tǒng)使用1435 型信號發(fā)生器作為射頻輸入設(shè)備，1435 系列信號發(fā)生器基于創(chuàng)新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了性能、經(jīng)濟(jì)性和體積重量的平衡設(shè)計，該款信號發(fā)生器頻率范圍覆蓋9kHz~40GHz，具有優(yōu)良的頻譜純度，單邊帶相位噪聲1GHz 載 波@10kHz 頻 偏 達(dá) 到-136dBc/Hz，10GHz 載波@10kHz 頻偏達(dá)到-116dBc/Hz，具有高功率輸出和大動態(tài)范圍，頻率切換時間1ms。性能滿足本系統(tǒng)測試425MHz/750MHz/1.5GHz 中頻輸入頻率和幅度要求，且不會影響被測模塊相位噪聲指標(biāo)測試。

系統(tǒng)選用4051 型信號頻譜分析儀作為射頻接收設(shè)備，4051 系列信號/頻譜分析儀是電科思儀信號/頻譜分析儀中的前代高性能旗艦產(chǎn)品，具有優(yōu)良的測試動態(tài)范圍、相位噪聲、幅度精度和測試速度，具備高靈敏度頻譜分析、符合標(biāo)準(zhǔn)的功率測量組件、IQ 分析、矢量信號分析、實(shí)時頻譜分析、瞬態(tài)分析、脈沖信號分析、音頻分析、模擬解調(diào)分析、相位噪聲測試、噪聲系數(shù)測試等多種測試功能。適用于本系統(tǒng)寬帶中頻調(diào)理模塊的各項指標(biāo)測試。

■2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW 支持多種接口的通信，具有靈活的可擴(kuò)展性，可以便捷地集成測試系統(tǒng)；具有便利的界面設(shè)計基礎(chǔ)和多樣的報表生成、曲線三維圖繪制控件。系統(tǒng)軟件設(shè)計基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)測試參數(shù)配置、裝置狀態(tài)控制、測試儀器程控、數(shù)據(jù)存儲和分析等功能。

2.3.1 裝置平臺和測試儀器控制

系統(tǒng)選用的信號分析儀整機(jī)平臺、信號發(fā)生器、頻譜分析儀都提供符合IEEE-488 標(biāo)準(zhǔn)的GPIB 接口，用于發(fā)送和接收GPIB/SCPI 命令。工控計算機(jī)通過SCPI 指令與平臺和測試儀器通訊，控制中頻輸入輸出選擇開關(guān)控制、各級衰減器衰減量控制、濾波帶寬通路選擇等；控制測試儀器初始化，根據(jù)具體測試項設(shè)置測試狀態(tài)，包括信號發(fā)生器輸出頻率、幅度，頻譜分析儀中心頻率、幅度參考、分辨率帶寬等。按照測試子VI 執(zhí)行單測試項詳細(xì)測試序列。

2.3.2 測試項執(zhí)行

被測寬帶中頻調(diào)理模塊技術(shù)條件提出了通道增益插損、最大輸入功率、中頻濾波頻響、1dB 壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)等測試項要求。每項測試需要對不同中頻輸入、不同輸入功率、多種分析帶寬進(jìn)行組合測試，且需要設(shè)置裝置平臺的中頻輸出衰減器和后面板輸出衰減器。

三階交調(diào)失真是兩個或多個輸入信號通過非線性的系統(tǒng)時，基頻與諧波相互作用形成的無用頻率分量。本測試項利用兩臺信號發(fā)生器產(chǎn)生兩個等功率，頻率間隔為50kHz的正弦波信號，通過耦合器同時輸入被測模塊中頻輸入端。在輸出端使用頻譜分析儀的差值標(biāo)記功能測量被測模塊的三階交調(diào)失真產(chǎn)物。

1dB 壓縮點(diǎn)是隨著指被測件輸入信號功率增大，電路中放大器、混頻器等接近飽和點(diǎn)，輸出信號不再線性變化，輸出電平偏離線性值1dB 時所對應(yīng)的輸入電平值。本測試項將一個小功率信號通過耦合器耦合端輸入被測件中頻輸入端，再將一個頻率間隔3MHz的大功率信號通過耦合器直通端輸入被測件，改變直通信號功率，直到大信號引起小信號功率測量值變化1dB 時，大信號功率值折算到輸入端口電平即為被測模塊的1dB 增益壓縮電平。

其他測試項說明略。測試軟件設(shè)計多個子VI 執(zhí)行具體測試項。軟件運(yùn)行界面中可管理測試儀器，選擇測試項，執(zhí)行測試和監(jiān)測測試結(jié)果。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲和分析

測試曲線數(shù)據(jù)的存儲使用excel 模板表格，LabVIEW對Excel的 操 作 基 于ActiveX 技 術(shù)。 當(dāng)LabVIEW 作 為ActiveX 自動控制客戶端時，可以控制作為ActiveX 服務(wù)端的Office 應(yīng)用程序。通過自動化引用句柄實(shí)現(xiàn)與Excel的接口，控制工作表的選擇與單元格的寫入，將執(zhí)行的測試項測試結(jié)果寫入模板指定位置。測試報表逐行記錄不同SN的被測件測試結(jié)果，支持批量導(dǎo)出和對比分析。

3 測試流程

(a)將被測寬帶中頻調(diào)理模塊插入裝置平臺板槽，使用射頻電纜連接耦合器輸出端至模塊中頻輸入端，模塊輸出端750MHZ 中頻、1.5GHz 中頻和檢波輸出分別接入程控開關(guān)模塊指定端口。裝置平臺上電開機(jī)。

(b)使用測試軟件的儀器資源管理界面選擇或管理開關(guān)、平臺、信號源與頻譜儀的儀器地址。

(c)使用掃碼槍掃描模塊SN 條碼或鍵盤輸入，選擇被測件配置模式（三種配置模式分別代表被測板最高設(shè)置到的分析帶寬值600MHz、1.5GHz 和2GHz）勾選測試項，默認(rèn)為全選。

(d)點(diǎn)擊開始測試，測試軟件依序調(diào)用各測試子VI，并將中頻輸入選擇、輸入功率、分析帶寬等條件參數(shù)組合遍歷，子VI 完成的測試結(jié)果經(jīng)閾值判斷后在前面板顯示。

(e)將所有測試結(jié)果寫入模板表格。

(f)完成測試，將裝置平臺關(guān)機(jī)，準(zhǔn)備測試下一件被測模塊?；氐?a)。

(g)一批次被測模塊完成測試，可使用導(dǎo)出表和清空表功能，保存調(diào)測記錄，重新初始化表格。

4 測試結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計實(shí)施前，寬帶中頻調(diào)理模塊的調(diào)測，按照2.3.2 所述項目測試要求，手動完成逐項測試和記錄數(shù)據(jù)極其繁瑣，且易致混亂。且不同的通路測試需要更換電纜連接，完整調(diào)測一塊寬帶中頻板需要180 分鐘以上，其中一個通路的指標(biāo)測試時間超過60 分鐘。本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了寬帶中頻板的自動測試并記錄數(shù)據(jù)，各通路調(diào)測時間縮短至10分鐘以內(nèi)，并且得到的測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，調(diào)試數(shù)據(jù)直接存儲在標(biāo)準(zhǔn)模板中，而且增加了測試結(jié)果判斷，合格與否一目了然，減少測試判斷和數(shù)據(jù)整理時間，使得后續(xù)數(shù)據(jù)匯總處理等操作更簡潔。測試報表如圖5所示。

圖5 測試報表結(jié)果

5 結(jié)束語

信號分析儀寬帶中頻模塊的驗(yàn)證測試是一項測試項目復(fù)雜，狀態(tài)設(shè)置、電纜換連等操作十分繁瑣，記錄數(shù)據(jù)列很多的試驗(yàn)項目。本次研究設(shè)計的自動測試系統(tǒng)為如何驗(yàn)證產(chǎn)品指標(biāo)設(shè)計，如何方便批量地調(diào)試生產(chǎn)提供了一種有效的方法。該測試系統(tǒng)從控制測試儀器執(zhí)行測試項目、控制裝置平臺遍歷切換測試狀態(tài)及計算機(jī)對數(shù)據(jù)存儲分析均很好地利用了LabVIEW 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)。表明基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)能對測試測量儀器功能模塊的自動測試開發(fā)提供助力。