趙建軍 張亦弛 牟俊杰

(1.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺(tái) 264001)(2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001)

基于LabWindows/CVI相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

趙建軍1張亦弛2牟俊杰2

(1.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺(tái) 264001)(2.海軍航空工程學(xué)院研究生管理大隊(duì) 煙臺(tái) 264001)

為了提高相位噪聲測(cè)量的效率,結(jié)合實(shí)際工程,基于虛擬儀器原理對(duì)相位噪聲測(cè)試軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件采用模塊化、層次化結(jié)構(gòu)思想設(shè)計(jì),基于LabWindows/CVI平臺(tái)以及VC++6.0工具開發(fā),采用了與GPIB接口通信、RS232串口通信、調(diào)用外部可執(zhí)行文件等技術(shù),方便地實(shí)現(xiàn)了被測(cè)信號(hào)大小的調(diào)整和相位噪聲參數(shù)的測(cè)量。該檢測(cè)系統(tǒng)軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠,操作簡單明了,自動(dòng)化程度大大提高,具有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值。

虛擬儀器; 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng); 串口通信

Class Number TP391

1 引言

隨著通信、雷達(dá)等高科技的發(fā)展,相位噪聲往往成為系許多現(xiàn)代電子系統(tǒng)和設(shè)備包括測(cè)控、雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、儀器儀表、電子測(cè)量、天文和近代物理實(shí)驗(yàn)等的限制性因素,成為整機(jī)系統(tǒng)、頻率源設(shè)計(jì)中必須認(rèn)真考慮的性能指標(biāo)。因此相位噪聲的測(cè)量是任何從事射頻微波產(chǎn)品研究和開發(fā)的工作者不可忽視的重要環(huán)節(jié)[1]。

本文設(shè)計(jì)的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)基于虛擬儀器原理,以LabWindows/CVI為軟件開發(fā)平臺(tái)。通過GPIB總線、RS232總線對(duì)測(cè)量儀器進(jìn)行控制,能夠方便快捷地對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)整和相位噪聲的測(cè)量[2]。

2 系統(tǒng)組成及信號(hào)流程

相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試計(jì)算機(jī)、開關(guān)控制器、相噪測(cè)試儀、固定衰減器、可變衰減器、微波開關(guān)、功率計(jì)以及接口總線八大部分組成。相位噪聲測(cè)試儀器選用法國EUROPTEST公司生產(chǎn)的PN9000相位噪聲測(cè)試儀[3]。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)通過專用的信號(hào)線將各組成部件相連,測(cè)試計(jì)算機(jī)通過GPIB總線對(duì)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、功率計(jì)、可變衰減器以及微波開關(guān)發(fā)出控制指令,進(jìn)行信號(hào)測(cè)量前的調(diào)整工作。當(dāng)信號(hào)調(diào)整到合適的強(qiáng)度時(shí),計(jì)算機(jī)通過RS232總線發(fā)出控制指令,PN9000相噪測(cè)試儀對(duì)信號(hào)相位噪聲測(cè)量[4]。

信號(hào)參數(shù)檢測(cè)設(shè)備信號(hào)流程圖如圖1所示。

圖1 相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖

天線系統(tǒng)接收照射器輻射的連續(xù)波信號(hào),由于該信號(hào)可能會(huì)很大,超出PN9000的承受范圍,因此要在前端加上固定衰減器和可變衰減器,進(jìn)行相應(yīng)的衰減。為了保護(hù)PN9000,在利用可變衰減器進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度調(diào)整時(shí),不能直接接入PN9000相噪系統(tǒng),而要由微波開關(guān)轉(zhuǎn)換到功率計(jì)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)視。其中,可變衰減器和微波開關(guān)要通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)器利用測(cè)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí),功率計(jì)測(cè)得的功率讀數(shù)也要采集到計(jì)算機(jī)作為參數(shù)進(jìn)行衰減控制。通過衰減控制使信號(hào)強(qiáng)度滿足PN9000測(cè)試要求,通過微波開關(guān)使之接入PN9000相噪系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)噪聲的測(cè)試。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的測(cè)試軟件是基于美國NI公司的LabWindows/CVI平臺(tái)開發(fā)的。LabWindows/CVI是一種交互式C語言開發(fā)平臺(tái),它不但有了豐富的函數(shù)庫,而且集成了各種專業(yè)的測(cè)控工具,提供了優(yōu)越的硬件接口功能,適用于各種測(cè)試、控制、故障分析及信息處理軟件的開發(fā)。尤其是大型、復(fù)雜的測(cè)試軟件[5]。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本測(cè)試軟件采用模塊化、層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)共分為物理接口層、測(cè)試資源層、用戶管理層、用戶應(yīng)用層四個(gè)層面。主控計(jì)算機(jī)通過LabWindows/CVI軟件對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和測(cè)試功能。

軟件框圖如圖2所示。

圖2 軟件框圖

3.2 軟件功能模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)從模塊化設(shè)計(jì)思路出發(fā),自頂向下設(shè)計(jì)[6]。分為六大模塊：初始化模塊、微波開關(guān)控制模塊、功率計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、可變衰減器控制模塊以及退出模塊。

1) 初始化模塊

主要完成軟件啟動(dòng)時(shí)的初始化,把“微波開關(guān)”打到“信號(hào)調(diào)理”狀態(tài),把可變衰減器衰減最大,用來防止信號(hào)過大損壞PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)。

2) 微波開關(guān)控制模塊

主要完成微波開關(guān)[7]的控制,在“信號(hào)調(diào)理”狀態(tài)時(shí),微波信號(hào)經(jīng)微波開關(guān)傳到功率計(jì),在“信號(hào)測(cè)試”狀態(tài)時(shí),微波信號(hào)經(jīng)微波開關(guān)傳到PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)本模塊調(diào)用PN9000測(cè)試軟件進(jìn)行噪聲測(cè)試。在軟件啟動(dòng)時(shí)和退出時(shí),本模塊受初始化模塊調(diào)用轉(zhuǎn)到“信號(hào)調(diào)理”狀態(tài)。

3) 功率計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)通過把信號(hào)轉(zhuǎn)到功率計(jì)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)試,然后通過本模塊利用GPIB將信號(hào)強(qiáng)度大小采集到計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)強(qiáng)度的調(diào)整。

4) 信號(hào)調(diào)理模塊

在“信號(hào)調(diào)理”狀態(tài),計(jì)算機(jī)把采集的信號(hào)強(qiáng)度與PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)適用的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較調(diào)整可變衰減器的衰減量,使信號(hào)達(dá)到最適合的狀態(tài)。但也有可能存在信號(hào)強(qiáng)度過大或者過小在可變衰減器的變化范圍內(nèi)無法達(dá)到適用強(qiáng)度,此時(shí)軟件面板的上“信號(hào)過強(qiáng)”或者“信號(hào)過弱”指示燈會(huì)變紅,此時(shí)可以通過調(diào)整天線的方向解決。

5) 可變衰減器控制模塊

天線接收到的連續(xù)波信號(hào)強(qiáng)度一般不會(huì)剛好適合PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度,因此,在系統(tǒng)中加入了可變衰減器,通過調(diào)整可變衰減器的衰減量調(diào)整最終傳到PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度。本軟件中是通過GPIB控制與可變衰減器相連的開關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)衰減的變化的。

6) 退出模塊

系統(tǒng)中含有功率敏感儀器—PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng),因此在退出模塊中要加入初始化模塊,使微波開關(guān)置于“信號(hào)調(diào)理”狀態(tài),使可變衰減器置于最大衰減,保證系統(tǒng)退出時(shí)PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)是安全的。本軟件可以在任何狀態(tài)“信號(hào)調(diào)理”或者“信號(hào)測(cè)試”狀態(tài)下退出,且退出都能保證PN9000相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)安全。

軟件流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件主要程序

本系統(tǒng)軟件包含若干源文件(.c)、頭文件(.h)、用戶界面文件(.uir)、工程文件(.prj)組成。軟件單元通過GPIB接口控制卡初始化設(shè)置函數(shù)對(duì)GPIB裝置進(jìn)行初始化[8],開關(guān)驅(qū)動(dòng)器和功率計(jì)初始化程序如下：

sprintf(kgqdq1_buf,"%s","B9");

sprintf(kgqdq2_buf,"%s","A1234");//把格式化的數(shù)據(jù)寫入字符串中

deviceswitch=ibdev(0,28,NO_SAD,T10s,1,0); //打開開關(guān)驅(qū)動(dòng)器

ibwrt(deviceswitch,kgqdq1_buf,3);//向開關(guān)驅(qū)動(dòng)器寫入數(shù)據(jù)

ibwrt(deviceswitch,kgqdq2_buf,6);

devicepower=ibdev(0,13,NO_SAD,T10s,1,0); //打開功率計(jì)

主控計(jì)算機(jī)通過RS232總線與相位噪聲測(cè)試儀器PN9000相連,軟件中要對(duì)串口進(jìn)行配置和初始化,程序代碼如下[9]：

int tmp=-1;//COM2口打開情況,正常打開為0;

tmp=OpenComConfig(comselect, "", 9600, 0, 8, 1, 2048, 2048);

SetXMode(comselect,0);

//禁止軟件握手

SetCTSMode(comselect, LWRS_HWHANDSHAKE_OFF); //禁止硬件握手

FlushInQ (comselect);

//清空輸入隊(duì)列;

FlushOutQ(comselect);

//清空輸出隊(duì)列;

if (tmp!=0)

{

MessagePopup("Com ","端口錯(cuò)誤!");

return 0;

}

測(cè)試軟件調(diào)用PN9000的測(cè)噪應(yīng)用程序WPN9000.exe對(duì)信號(hào)相位噪聲進(jìn)行測(cè)量,其程序代碼如下：

GetCtrlVal(panel,PANEL_TESTBUTTON,&timejudge);

if(timejudge==1)

{ LaunchExecutableEx("C:Program FilesWPN9000WPN9000.exe",LE_SHOWNORMAL,&handle);//調(diào)用測(cè)噪程序WPN9000.exe

if(handle==0)

{

RUNFLAG_WPN9000=1;

}}

5 系統(tǒng)運(yùn)行界面

運(yùn)行本系統(tǒng)測(cè)試軟件,根據(jù)提示進(jìn)行測(cè)試準(zhǔn)備工作。打開開關(guān)控制器電源、功率計(jì)電以及PN9000相位噪聲檢測(cè)系統(tǒng)電源,照射器發(fā)射信號(hào),在軟件主界面點(diǎn)擊“信號(hào)調(diào)理”按鈕,進(jìn)入信號(hào)調(diào)理界面,此時(shí)信號(hào)過大,參數(shù)檢測(cè)按鈕式不可用的。圖4為信號(hào)調(diào)理的運(yùn)行界面。

圖4 信號(hào)調(diào)理界面

不停地調(diào)整信號(hào)接收天線方向,當(dāng)信號(hào)大小調(diào)節(jié)到滿足PN9000相噪系統(tǒng)的測(cè)試要求時(shí),參數(shù)檢測(cè)按鈕可用時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。圖5為檢測(cè)軟件測(cè)量得到的相位噪聲信號(hào)功率譜密度大小[10]。橫軸為偏離中心頻率的頻率值,是對(duì)數(shù)坐標(biāo),單位為Hz,縱軸為噪聲幅度,單位為dBc/Hz。

圖5 檢測(cè)結(jié)果頻譜圖

6 結(jié)語

本文所介紹的相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)以LabWindows/CVI為軟件開發(fā)平臺(tái),主控計(jì)算機(jī)通過LabWindows/CVI提供的GPIB/GPIN488.2函數(shù)庫對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行控制,完成信號(hào)相位噪聲參數(shù)的測(cè)量。本系統(tǒng)軟件層次清晰,人機(jī)界面友好,操作簡便,自動(dòng)化程度高。對(duì)軟件進(jìn)行了多次測(cè)試,結(jié)果表明軟件運(yùn)行狀況良好、性能穩(wěn)定、達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[1] 葉玲玲,右明華,沈小青,等.基于相位噪聲測(cè)試系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度測(cè)量方法[J].中國科技信息,2011,(12):150.

[2] 謝印忠,張保洲.VC++平臺(tái)下的虛擬儀器應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2010,18(1):237-239.

[3] 呂楊.PN9000相位噪聲測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[C]//全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)交流會(huì),2003:295-299.

[4] 趙建軍,姚躍亭,陳紅兵,等.基于WPN9000的某照射器相位噪聲檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,31(3):104-107.

[5] 孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:5-7.

[6] 溫昱.軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:53-54.

[7] 李周利,趙學(xué)敏,黃天錄.微波信號(hào)調(diào)制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2012,5:89-92.

[8] 程剛,謝弛,等.在CVI環(huán)鏡下開發(fā)基于GPIB總線的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)示例[J].電測(cè)與儀表,2003,40(2):28-30.

[9] 吳松齡.LabWindows/CVI下測(cè)控串行通信的實(shí)現(xiàn)方法[J].測(cè)控技術(shù),2012,31(9):88-91.

[10] 陳曉龍,王家禮,孫璐.脈沖調(diào)制信號(hào)相位噪聲測(cè)量中的功率譜估計(jì)方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2012,39(4):138-143.

Design and Implementation of Phase Noise Measurement System Based on LabWindows/CVI

ZHAO Jianjun1ZHANG Yichi2MOU Junjie2

(1. Department of Ordnance Science & Technology, Naval Aeronautic & Astronautical University, Yantai 264001) (2. Administrant Brigade of Postgraduate, Naval Aeronautic & Astronautical University, Yantai 264001)

In order to improve the efficiency of the phase noise measurement, combined with the actual engineering, a phase noise measurement system software based on virtual instrument(VI) is designed. The software adopts modularity and hierarchical structure to design, uses echnologies such as GPIB interface communication, RS232 interface communication and calling external executable file multithread technology etc. It is developed by using LabWindows/CVI and VC++6.0 based on Windows OS. It is able to adjust signal and measure phase noise conveniently with this software. The application shows that this system runs stably, constructs simply and the degree of automation improves significantly. The technology and methods adopted in the system are practical and worthy of using abroad.

virtual instrument, phase noise measurement system, interface communication

2014年5月7日,

2014年6月22日 作者簡介:趙建軍,男,博士,教授,研究方向:計(jì)算機(jī)測(cè)控。張亦弛,男,碩士,研究方向:計(jì)算機(jī)測(cè)控方向。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.039