基于LabVIEW的短波電臺測試系統(tǒng)分析

摘要：短波電臺在軍事、航海、航空、廣播等特殊場合和特殊領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，是保證通信的主要手段之一。短波電臺通話質(zhì)量好壞、通信距離長短等受到多方面因素影響，因此需要測試的性能指標(biāo)多、頻率范圍廣、標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格，對測試人員的專業(yè)性要求高，而手工測試耗時、費力、操作步驟煩瑣、存在測量誤差等問題。為解決上述問題，該項目設(shè)計了一種基于LabVIEW的短波電臺測試系統(tǒng)，從軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、軟件實現(xiàn)、測試驗證等多個方面來分析，對其他電臺測試系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：短波電臺；測試系統(tǒng)；射頻；LabVIEW

中圖分類號：TP206 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

短波電臺是指工作頻率為3～30MHz的無線電通信設(shè)備，其設(shè)備較為簡單，能以較小的功率實現(xiàn)幾百千米的無線通信，主要采用調(diào)幅、單邊帶調(diào)制和調(diào)頻等，應(yīng)用于傳送話音、等幅報和移頻報等領(lǐng)域［1］。工程師不能僅憑經(jīng)驗來判斷電臺性能，須要測試具體的數(shù)據(jù)來驗證是否滿足指標(biāo)要求。對電臺設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)的測試是確保其工作狀態(tài)優(yōu)良、通話質(zhì)量順暢的主要方法之一［2］。短波通信電臺的通信質(zhì)量主要包括射頻和音頻2個方面，除了基本的性能指標(biāo)測試外，還須要測試環(huán)境參數(shù)，包括電磁干擾、高低溫、振動測試、壓力測試等。測試任務(wù)是由硬件工程師憑借專業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗，使用通用儀表手工測量來完成［3］。測試過程不僅操作時間長、步驟煩瑣，手工測量不可避免地會帶來主觀誤差，增加了時間成本和人力成本，也帶來了較大的測試誤差［4］。該項目_{Wp2EgH/wERR4pfPxF8OOEA==}所設(shè)計的短波通信電臺測試系統(tǒng)集成手工測試和自動測試2種測試方式，滿足產(chǎn)品開發(fā)初期的調(diào)參，后期的指標(biāo)性能驗證以及生產(chǎn)測試等不同需求。工作人員通過操作測試軟件，選擇不同的產(chǎn)品文件，該系統(tǒng)自動執(zhí)行測試任務(wù)，讀取測試結(jié)果與每一個性能指標(biāo)的標(biāo)稱值進(jìn)行對比，判斷產(chǎn)品是否合格，有利于工作人員將更多時間和精力放在產(chǎn)品性能提升上。

1 射頻自動化測試概況

短波電臺測試需要大量的儀器儀表，是一個復(fù)雜的過程。射頻指標(biāo)關(guān)系到一個產(chǎn)品的性能優(yōu)劣，短波電臺往往測試的指標(biāo)多，時間緊，任務(wù)重，對射頻工程師的要求高，而采用手工測試難度較大，所需設(shè)備較多且協(xié)同困難，數(shù)據(jù)不便于記錄、存儲，為此在研究自動測試技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了短波電臺測試系統(tǒng)。目前，自動測試技術(shù)是測試技術(shù)領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。短波通信電臺測試系統(tǒng)由安裝了測試軟件的計算機(jī)、測試儀表和待測電臺共同組成。工作人員提前將測試軟件安裝到對應(yīng)的測試計算機(jī)上，選擇短波電臺產(chǎn)品測試文件，新建工程和選擇測試結(jié)果保存位置，點擊“啟動”，自動執(zhí)行測試用例；儀器儀表完成對被測電臺的參數(shù)測量；被測電臺為短波電臺，分為便攜式、車載式、固定式，所需測量的性能指標(biāo)略有差異。測試計算機(jī)與儀器儀表的連接方式有通用接口總線（General-Purpose Interface Bus，GPIB）和網(wǎng)線2種方式，與電臺連接有通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）和網(wǎng)線。短波電臺測試音頻和射頻2種信號，需要2種連接線，電臺測試連接如圖1所示。

按照圖1測試人員搭建測試環(huán)境做好測試前準(zhǔn)備工作，待測設(shè)備為不同型號電臺產(chǎn)品。儀器儀表的選擇是以硬件測試大綱為依據(jù)，選擇不同型號的儀器，如網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率計、頻譜儀、信號源、綜測儀等。對于射頻發(fā)射性能測試，測試人員須要選擇合適大小的衰減器，以免發(fā)射高功率損壞儀器儀表。在測試之前，被測電臺的射頻接口與外部的大功率射頻衰減器和儀器相連接，測試系統(tǒng)的控制線與電臺自身的控制端口相連接，此時測試連接完畢。測試人員檢查所有連接完成后，在自動化測試軟件中打開對應(yīng)測試項目，勾選指標(biāo)測試項，自動完成待測電臺產(chǎn)品的連接、電臺參數(shù)配置、測試儀器的連接、儀器的參數(shù)設(shè)置和讀取最終測試結(jié)果。測試結(jié)果記錄分為在測試界面實時顯示和保存在Excel表格2種類型，根據(jù)指標(biāo)要求自動判定該測試項是成功還是失敗，方便射頻工程師分析產(chǎn)品問題提出改進(jìn)方案。

2 短波電臺測試系統(tǒng)分析

2.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美國國家儀器NI公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，相較于C和Python等文本編程語言，LabVIEW使用的圖形化編程語言——G語言，讓用戶能夠較快掌握。其程序的框架易于讀取，后期維護(hù)較為方便［5］。LabVIEW是一種具有極高可用性的圖形化編程語言，在工業(yè)、學(xué)術(shù)以及研究領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)深入人心，成為一種普遍的、高效的數(shù)據(jù)收集與儀器控制軟件。LabVIEW擁有一種強大的交互性，可以實現(xiàn)GPIB、VXI、RS-232、RS-485等多種協(xié)議，使得用戶之間的數(shù)據(jù)交換變得更加便捷、高效［5］。該軟件具備豐富的庫函數(shù)，能夠支持多種不同的軟件標(biāo)準(zhǔn)，如TCP/IP和ActiveX，具有出色的性能和高度的可擴(kuò)展性。其圖形化界面讓編程和操作變得更加簡單、高效。通過運用專業(yè)的術(shù)語、圖形符號以及概念，該系統(tǒng)最大限度地發(fā)揮出其優(yōu)勢［6］，同時，也能夠輕松地實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集，從而顯著提升工作效率。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)分析

短波電臺測試軟件采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，模塊化編程，從上到下分別為應(yīng)用層、功能層、傳輸層和物理層。其中，應(yīng)用層是軟件與用戶交互的人機(jī)接口層，用于測試系統(tǒng)軟件的顯示與控制，簡潔、美觀、友好的界面方便用戶快速掌握使用方法，提高工作效率。用戶在軟件界面配置測試參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)，測試結(jié)果實時顯示到軟件界面上。功能層是測試軟件最核心與基礎(chǔ)的部分，包含了3個主要的模塊，主要有自動化執(zhí)行模塊、儀器儀表控制模塊、測試結(jié)果管理模塊。自動化執(zhí)行模塊：主要是接收應(yīng)用層下發(fā)的測試任務(wù)，控制儀器儀表的自動連接和參數(shù)配置，調(diào)用不同的測試函數(shù)，自動配置電臺參數(shù)，如頻率、模式、功率等，執(zhí)行測試任務(wù)，分2部分顯示和保存測試結(jié)果。儀器儀表控制模塊：主要完成儀器儀表的控制，儀器驅(qū)動層的安裝、調(diào)用、封裝，寫入測試參數(shù)和讀取測試結(jié)果。根據(jù)測試項的不同，測試系統(tǒng)可靈活擴(kuò)展新的儀器儀表，控制多臺儀器完成測試任務(wù)。測試結(jié)果管理模塊：測試函數(shù)讀取儀器測試結(jié)果后，實時顯示到測試軟件界面上，紅色標(biāo)注異常結(jié)果，綠色標(biāo)注測試合格，同時，將測試結(jié)果存儲到對應(yīng)Excel文件中，方便查看歷史數(shù)據(jù)記錄。傳輸層則負(fù)責(zé)短波電臺測試系統(tǒng)、待測電臺、測試儀器儀表的通信問題，完成各個部分的數(shù)據(jù)傳輸工作。測試環(huán)境是測試工作順利開展的前提和基礎(chǔ)，物理層設(shè)備包括測試所用儀器儀表、待測設(shè)備、連接線纜（如射頻線、音頻線、GPIB線纜、網(wǎng)線等）、大功率衰減器、轉(zhuǎn)接頭等，測試人員需完成測試前環(huán)境的搭建和準(zhǔn)備工作。短波電臺測試系統(tǒng)如圖2所示。

2.3 軟件實現(xiàn)

該系統(tǒng)的功能是完成射頻信號和音頻信號的收發(fā)測試。發(fā)射機(jī)主要測試音頻和射頻的發(fā)送性能，接收機(jī)主要測試音頻和射頻的接收性能。測試人員使用控制線連接待測電臺、儀器、測試系統(tǒng)，在測試系統(tǒng)界面配置電臺的IP地址和端口號，輸入測試頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率、音量大小等，同時在測試儀器上選擇對應(yīng)的中心頻率和模式進(jìn)行設(shè)置，人工讀取并記錄測試結(jié)果，再次調(diào)整低、中、高不同等級的發(fā)射功率來完成測試。當(dāng)測試頻率較多時，該系統(tǒng)需要測試人員多次切換頻率、功率等來達(dá)到全面測試的目的，手工設(shè)置射頻輸入輸出、音頻輸入輸出，讀取和記錄儀器顯示結(jié)果，便于后續(xù)比較和衡量電臺性能。手工測試對測試人員要求較高，須要花費大量的時間、精力來完成對電臺的全面測試。因此，手工測試一般適用于電臺開發(fā)初期，對產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的階段，只須要測試部分頻點和關(guān)鍵性能指標(biāo)。

自動測試與手工測試相比較，整個流程更加簡捷。測試人員搭建測試環(huán)境后，勾選指標(biāo)測試項，點擊“啟動”按鈕，開始自動測試，測試結(jié)果會實時顯示在界面上，測試結(jié)束后會自動停止，也可手動停止。

測試人員通過Excel表格查詢測試結(jié)果，也可以通過歷史數(shù)據(jù)查詢測試結(jié)果。短波電臺測試系統(tǒng)界面如圖3所示。

短波電臺測試系統(tǒng)自動測試的實現(xiàn)流程是：首先建立電臺的連接，測試軟件與電臺之間通過UDP協(xié)議建立連接，連接成功后，會一直發(fā)送心跳信息，每隔0.5s發(fā)送一條心跳，保證雙方連接的可靠性。自動測試軟件與儀器連接可以通過GPIB建立，借助VISA（Virtual Instrument Software Architecture） 軟件包和SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）指令集實現(xiàn)對可編程儀器的控制。LabVIEW自帶的VISA庫包含各種VISA函數(shù)，可以方便快捷地與頻譜儀、信號源等硬件進(jìn)行通信。在一個端口通過VISA寫入函數(shù)發(fā)送“*IDSN？”指令，另一個端口使用VISA讀取函數(shù)讀取響應(yīng)。該系統(tǒng)根據(jù)返回結(jié)果檢測是否連接成功。VISA調(diào)用寫入函數(shù)和讀取函數(shù)，向儀器發(fā)送參數(shù)和讀取測試結(jié)果。電臺和儀器連接完成后才能進(jìn)入下一步執(zhí)行測試。測試完成后，測試結(jié)果分為2種顯示，一種是通過波形圖顯示到界面上，另一種是存儲到Excel表格中。該測試系統(tǒng)使用LabVIEW中的ActiveX控件，調(diào)用“Write to SpreadSheet File”函數(shù)寫入Excel文件，數(shù)據(jù)完成存儲后關(guān)閉Excel文件。

3 測試結(jié)果與分析

短波電臺須要測試的關(guān)鍵性能指標(biāo)項較多，通話質(zhì)量好壞、通信距離長短等受到多方面影響，測試人員將分別使用短波電臺測試系統(tǒng)自動測試和手工測試2種方式對電臺進(jìn)行測試，以調(diào)制靈敏度測試項為例，對短波電臺測試系統(tǒng)進(jìn)行分析和驗證。

3.1 實驗步驟

調(diào)制靈敏度是使發(fā)射機(jī)產(chǎn)生規(guī)定調(diào)制的輸入信號電壓。在通信原理角度看，調(diào)制靈敏度就是已調(diào)載波的變化量與調(diào)制信號的比值。測試連接如圖4所示，測試流程如圖5所示。

第一步，按照測試大綱要求，測試人員選擇測試儀器為綜測儀，將射頻口RF與電臺的天線口相連，綜測儀的HI和OUT端口與電臺的音頻口通過音頻連接線AF相連。避免工作人員誤操作打開發(fā)射開關(guān)，高功率毀掉儀器儀表，發(fā)射機(jī)測試項在儀器射頻口必須連接合適大小的衰減器，同時接收機(jī)測試項也要連接衰減器。

第二步，通過測試系統(tǒng)設(shè)置電臺的工作頻率為2.5MHz，調(diào)制方式為CW、打開接收開關(guān)、最大音量等參數(shù)。

第三步，配置綜測儀（模式為接收RX）、濾波器以及測試頻率，待信號穩(wěn)定后讀取信納比。

第四步，信納比與標(biāo)準(zhǔn)值比較，如果信納比≥12 dB，則測試成功，判定測試合格；否則，測試失敗，判定不合格，都將測試結(jié)果存儲到Excel文件。

第五步，重復(fù)測試以下頻率：3.5MHz、5.5MHz、7.5MHz、11.5MHz、 15.5MHz、20.5MHz、29.9MHz。

3.2 結(jié)果分析

在短波電臺測試中，以調(diào)制靈敏度測試項為例，通用測試儀器R&S CMW-500、短波電臺作為被測信號源，測試人員通過該系統(tǒng)對8個頻點進(jìn)行手工和自動測試，記錄測試結(jié)果如表1所示。8個測試點全部測試完成，手工測試花費25min，自動化測試花費5min。經(jīng)過分析比較，手工測試和自動測試可以滿足短波電臺產(chǎn)品不同研發(fā)設(shè)計階段的使用需求，手工測試使用在產(chǎn)品研發(fā)初期，各項指標(biāo)參數(shù)和性能不確定的階段，調(diào)試產(chǎn)品最優(yōu)參數(shù)，而自動測試主要使用在產(chǎn)品參數(shù)確定的階段，尤其是生產(chǎn)階段，可以節(jié)約測試時間，提高測試精度，極大地提高工作效率。

4 結(jié)語

基于LabVIEW的短波電臺測試系統(tǒng)擺脫了以往手工測試費人、費時、費力的缺點，提高了頻率測試范圍、測量精度，縮短了測試時間。該測試系統(tǒng)包括手工測試和自動測試，滿足了短波通信電臺產(chǎn)品不同研發(fā)階段的使用需求，極大地提高了工作效率，其未來的發(fā)展也是非?？捎^的，為其他產(chǎn)品測試系統(tǒng)的開發(fā)提供了一些參考。

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（編輯 王永超）

Analysis of short-wave radio test system based on LabVIEW

YANG Xiumei， SUN Yue

（Nanjing Vocational College of Information Technology Jiangsu Province， Nanjing 210000， China）

Abstract： Shortwave radio plays an important role in military， navigation， aviation， broadcasting and other special occasions and special fields， and is one of the main means to ensure communication. Shortwave radio call quality， communication distance and other factors are affected by many factors， so the need to test more performance indicators， wide frequency range， strict standard requirements， high professional requirements for testers， and manual testing time， effort， cumbersome operation steps， measurement errors and other problems.In order to solve the above problems， this project， a short-wave radio test system based on LabVIEW is designed， which is analyzed from the aspects of software structure design， software implementation， testing and verification， and has some reference significance for the design and development of other radio test systems.

Key words： shortwave radio; test system; radio frequency; LabVIEW