唐懿文， 劉元云， 黃 昶， 姚鳳薇

（1．上海無線電設備研究所，上海200090；2．華東師范大學 信息學院，上海200241；3．上海市航空航天器電磁環(huán)境效應重點實驗室，上海200438）

0 引言

泄漏電纜在日常通信系統(tǒng)中應用廣泛，適用于無線移動通信、無線遙控、無線報警等系統(tǒng)無線電波難以直接傳播或傳播不良的區(qū)域，如隧道、坑道、地鐵、礦井、地下建筑物和樓宇等。其性能的優(yōu)劣往往決定了整個通信系統(tǒng)的性能。所以，泄漏電纜的質(zhì)量檢驗工作顯得尤為重要［1］。

目前的泄漏電纜檢測方法自動化程度不高，耗時耗力，為了改變這樣的現(xiàn)狀，本文設計的泄漏電纜測試系統(tǒng)基于虛擬儀器技術使用GPIB總線控制，簡化泄漏電纜檢測過程，方便測試數(shù)據(jù)管理。對于泄漏電纜，耦合損耗是表征泄漏電纜性能的一個重要特性參數(shù)，也是測試重點，系統(tǒng)提供了電纜耦合損耗的計算功能，并且為了適應不同檢測標準和測試環(huán)境，系統(tǒng)提供了可選用的調(diào)節(jié)參數(shù)和多方向天線測試。

1 耦合損耗的計算

1．1 耦合損耗計算方法

耦合損耗是表征泄漏電纜和外界環(huán)境之間電磁波能量相互耦合的特性參數(shù)，也是區(qū)別其余其他射頻同軸電纜的唯一指標。在泄漏電纜的測試過程中，獲得準確的耦合損耗顯得尤為重要。耦合損耗定義如下：

式中：Lc為耦合損耗；Pt為泄漏電纜內(nèi)傳輸功率；Pr為標準偶極子天線接收功率。對于泄漏電纜的測試，所要獲得到的是距離信號源不同距離上的局部耦合損耗值，其計算公式如下：

式中：Lx為距離測試起始點x處的局部耦合損耗；PA為泄漏電纜測試起始點的輸入功率；Pr為測試天線輸出口的功率；α為測試泄漏電纜的衰減常數(shù)。泄漏電纜常用的評定標準為50%耦合損耗和95%耦合損耗［5］，50%耦合損耗指的是50%的局部耦合損耗測量值均小于此值，即中位值，而95%耦合損耗指的是95%的局部耦合損耗測量值均小于此值。

1．2 測試誤差校準

在實際測試過程中，測試環(huán)境以及多種因素會給最終的測試結(jié)果引入不同程度的誤差，這些誤差也是測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析時所不能忽略的內(nèi)容，下面就分析一下本系統(tǒng)中考慮到的各種誤差來源及其校準方法。本系統(tǒng)中使用的誤差修正公式為

式中：Pe為頻譜分析儀讀數(shù)；Lair用于修正場地誤差；ΔG用于修正使用非標準天線引入的誤差；ΔP用于修正由電纜引入的誤差。

1．2．1 場地校準

Lair為空氣耦合衰減校準值，由于測試場地的環(huán)境不同，如溫度、濕度、地面和周圍反射物情況等，在不同測試時間和不同測試地點，所得到的測試結(jié)果差異較大，為此針對某個測試時間和測試地點，需要引入Lair。其獲取方法是：使用一對相同的標準半波偶極子天線，分別連接信號源和頻譜分析儀，天線之間的距離取決于測試時天線相對于測試電纜的水平距離，此時排除掉連接線纜的衰減，兩個儀器之間的讀數(shù)差值就是Lair。

1．2．2 使用非標準測試天線引入誤差校準

在現(xiàn)有的標準中往往要求測試使用的是標準的半波偶極子天線，通常它的工作頻率在1 GHz以下，對于1 GHz以上的頻率只能采用其他偶極子天線，因此會影響測試結(jié)果。為此，系統(tǒng)引入了可供選擇的非標準天線增益補償ΔG，其計算公式為

式中：Gr為所使用偶極子天線在測試頻率f處的天線增益值。

1．2．3 連接電纜誤差校準

對于局部耦合損耗的計算，關鍵是在頻譜分析儀上獲得準確的讀數(shù)，在實際測試時，用于連接天線和頻譜儀的電纜本身的衰減損耗往往被忽略，為了消除由此引入的誤差，需要引入ΔP這個因素。ΔP 是在測試頻率已定的情況下，直接使用該電纜連接信號源和頻譜分析儀，所記錄到兩者讀數(shù)間的差值。

以上指出的幾點因素都是實際測試中需要考慮到的，作為數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，根據(jù)不同測試情況引入不同的校準系數(shù)是必須的，這樣才能保證最終獲得測試數(shù)據(jù)的準確性，同樣也提供給用戶更多的便捷。

2 測試系統(tǒng)構(gòu)成

泄漏電纜測試主要包括傳輸衰減性能測試和耦合損耗測試兩部分。圖1（a）示意的是漏纜傳輸衰減性能的檢測，利用信號源發(fā)射待測漏纜測試頻率范圍的信號，由頻譜分析儀來接收衰減后的信號，并進行分析，描繪泄漏電纜在傳輸方向上的信號衰減情況。圖1（b）示意的是漏纜耦合損耗的檢測，測試用車在軌道上移動，頻譜分析儀獲取泄漏電纜每個待測點的信號功率，最終計算耦合損耗。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 泄漏電纜檢測系統(tǒng)框圖

2．1 系統(tǒng)硬件設計

泄漏電纜測試系統(tǒng)硬件部分主要包括便攜機、GPIB接口卡、數(shù)據(jù)采集卡和R＆S－FSL頻譜分析儀。其中，GPIB設備采用NI公司的PCMCIAGPIB卡，該卡是一款適用于便攜機、低耗高效的IEEE 488卡，它支持Lab VIEW、LabWindows／CVI等多語言編程環(huán)境，傳輸數(shù)據(jù)速率高于1．3 Mbytes／s［2］。數(shù)據(jù)采集卡采用 NI公司的 USB－9421，它是一款基于USB的便攜式高壓8路數(shù)字輸入采集卡，設備小巧且擁有8路具有24 V邏輯電平的漏極數(shù)字輸入通道［3］。頻譜儀采用R＆SFSL3便攜式頻譜分析儀，其頻率范圍為9 k Hz～3 GHz，適用于目前常用的150 M～2．4 GHz的各種泄漏電纜的測量，具有輕便易攜帶、結(jié)構(gòu)緊湊、功能廣泛、測量精確等特點，廣泛適用于開發(fā)、生產(chǎn)等多種場合［4］。圖2為系統(tǒng)硬件框圖。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

測試進行過程中，便攜機、數(shù)字采集卡和頻譜分析儀裝載在測試用車上，數(shù)據(jù)采集卡用于采集車輪信息，便攜機通過USB接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，通過GPIB總線控制頻譜分析儀工作。測試時，硬件模塊工作過程如下：測試用車從待測電纜的一端沿著電纜的縱向向前移動，當測試用車移動到泄漏測試點的時候，數(shù)據(jù)采集卡采集到測試用車發(fā)出的脈沖信號，此時工控機通過GPIB總線向頻譜分析儀發(fā)出讀命令，測試該點的功率，待接收到頻譜分析儀返回的測試值后記錄到便攜機中，測試用車繼續(xù)向前移動到下一個泄漏測試點進行測試，直到測試完全結(jié)束。

2．2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件部分的開發(fā)在Windows XP操作系統(tǒng)下選用Lab VIEW7．1編譯環(huán)境完成。Lab－VIEW是NI（美國國家儀器公司）開發(fā)的虛擬儀器軟件開發(fā)系統(tǒng)，它的特點在于開發(fā)方便快捷，界面友好。系統(tǒng)主界面，如圖3所示。

圖3 泄漏電纜測試系統(tǒng)主界面

整個泄漏電纜測試軟件可以分為兩大模塊：控制模塊和數(shù)據(jù)模塊。圖4為系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 系統(tǒng)軟件框圖

2．2．1 控制模塊

控制模塊負責軟、硬件之間的交互，主要包括儀器設備自檢模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和頻譜儀控制模塊。自檢模塊是其他兩個模塊工作的基礎，通過向數(shù)據(jù)采集卡和頻譜儀發(fā)送自檢命令，檢測目前設備儀器的在線狀態(tài)以及初始化情況，只有通過自檢的情況下，測試系統(tǒng)才能正常工作。數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)基于 NI－DAQmx技術，NIDAQmx支持包括Lab VIEW、Lab Window／CVI、C／C＋ ＋、VB、．NET 在 內(nèi) 的 多 種語言。NIDAQmx驅(qū)動軟件不僅僅局限于基本的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動，在數(shù)據(jù)采集和控制應用的開發(fā)過程中，效率更快，性能更優(yōu)。它控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的每一方面，從配置到編程，直到底層操作系統(tǒng)和設備控制，軟件通過具有即測即用功能的虛擬通道和DAQ助手（DAQ Assistant）實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的快速收集。漏纜測試流程圖，如圖5所示。

2．2．2 數(shù)據(jù)模塊

圖5 測試流程圖

數(shù)據(jù)模塊負責數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)管理。泄漏電纜的性能參數(shù)包括耦合損耗、傳輸衰減、駐波比等，其中最重要的是耦合損耗。系統(tǒng)對于測試到的數(shù)據(jù)進行計算和整理，得出需要的50%耦合損耗和95%耦合損耗。

考慮到泄漏電纜的輻射方向并不總是和電纜軸向相垂直，在一些測試中會使用三個不同方向的天線擺放位置來獲得三組耦合損耗［6］，這三個方向分別指Radial（輻射方向）、Orthogonal（垂直方向）、Parallel（平行方向），具體方向如6圖所示，圖中黑色部分是待測電纜。

圖6 測試天線位置示意圖

由此獲得的耦合損耗分別為αc，R、αc，O、αc，P，那么通過計算平均值的方式獲得的耦合損耗

當然不是所有的測試都會要求三個方向的平均值，有些測試人員也指出在測試開始前，先確定輻射方向，在最強的輻射方向上獲得一組耦合損耗，作為最終測試值，這兩種方法都是可行的，所以系統(tǒng)兼容兩種測試方法。

以泄漏電纜在2．1GHz的頻率下進行測試為例，系統(tǒng)最終獲得的50%耦合損耗為63．15，90%耦合損耗為69．84，通過測試系統(tǒng)獲得的測試數(shù)據(jù)圖，如圖7所示。

圖7 測試數(shù)據(jù)圖

系統(tǒng)為測試數(shù)據(jù)提供多種形式保存，包括數(shù)據(jù)庫、文件和報表。數(shù)據(jù)庫操作在LabSQL數(shù)據(jù)庫訪問工具包的基礎上進行開發(fā)，以配合測試數(shù)據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件保存以文本文件形式。報表使用Lab VIEW的Report控件，以html格式交付，測試信息、測試數(shù)據(jù)圖表、測試數(shù)據(jù)分析值都會在報表上顯示。由于采用了數(shù)據(jù)庫來保存數(shù)據(jù)，可以方便用戶重新導出歷史測試數(shù)據(jù)進行分析比對。

3 結(jié)論

本文所描述的泄漏電纜測試系統(tǒng)簡化了測試過程，并且為用戶考慮到了更多的測試環(huán)境帶來的校準因素，致力于為用戶提供更精確的測試結(jié)果。

本文提出的新穎的泄漏電纜測試系統(tǒng)簡化了泄漏電纜測試過程，考慮了不同測試環(huán)境下不同的校準因素，得出了更精確的測試結(jié)果。該測試系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用基于虛擬儀器技術和GPIB總線控制，對于不同測試環(huán)境和測試設備引入的測量誤差進行相應補償，提高了泄漏電纜的檢驗質(zhì)量，增強了通信系統(tǒng)的性能。

［1］ HUBER，SUHNER．Radiation Coaxial Cable Aids RF Communication［J］．Austranlian Electronics Engineer．1990，23（6）：30－32．

［2］ GPIB Interfaces for PCMCIA：NI PCMCIA－GPIB Datasheet［EB／OL］．www．ni．com，2003．

［3］ Portable USB－Based High－Voltage Digital I／O：NI USB－94xx Datasheet［EB／OL］．www．ni．com，2010．

［4］ Rohde ＆Schwarz Product Brochure：Spectrum Analyzer R＆S FSL［EB／OL］．www．rohde－schwarz．com，2008．

［5］ GB／T 15285－94，漏泄同軸電纜分規(guī)范［S］：2－9．

［6］ IEC61196－4，Coaxial Communication Cables－Part 4：Sectional Specification for Rradiating Cables［S］．