［謝志華］

無(wú)線電收發(fā)信機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

［謝志華］

目前無(wú)線電收發(fā)信機(jī)的自動(dòng)測(cè)試普遍存在專用性強(qiáng)，跨頻段不通用的問(wèn)題。分析了無(wú)線電收發(fā)信機(jī)的分類和測(cè)試需求，提出了具有良好通用性的無(wú)線電收發(fā)信機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)可以滿足自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)和驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。

無(wú)線電收發(fā)信機(jī) 自動(dòng)測(cè)試 射頻 信號(hào)調(diào)理謝志華

廣州通導(dǎo)信息技術(shù)服務(wù)有限公司。

1 引言

1.6 ～600 MHz的無(wú)線電收發(fā)信機(jī)是我國(guó)軍民廣泛使用的無(wú)線電通信設(shè)備，其中按頻段可分為高頻（即短波，HF頻段）、甚高頻（即超短波的VHF頻段）和超高頻（即超短波的UHF頻段）3個(gè)頻段,按調(diào)制方式可分為調(diào)幅（包含邊帶調(diào)制）、調(diào)頻兩種調(diào)制方式，按信號(hào)處理方式可分為模擬和數(shù)字化設(shè)備，按功率大小又分為微功率、小功率、中功率、大功率、超大功率等功率等級(jí)。國(guó)內(nèi)多個(gè)長(zhǎng)期從事上述通信設(shè)備的研發(fā)和制造工作的知名廠家在整機(jī)調(diào)試檢驗(yàn)的過(guò)程中，廣泛采用了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行電性能指標(biāo)的測(cè)試，以提高生產(chǎn)效率。但是各廠家的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)普遍存在專用性強(qiáng)，跨頻段不通用的問(wèn)題。其原因主要是廠家前期對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通用性欠缺考慮，從而造成儀器儀表資產(chǎn)的重復(fù)投資。為此，本文對(duì)適用于多種無(wú)線電收發(fā)信機(jī)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了設(shè)計(jì)和開發(fā)方法，使得自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)滿足檢測(cè)和驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)。[1]

2 系統(tǒng)的需求分析

目前廣泛生產(chǎn)的無(wú)線電收發(fā)信機(jī)產(chǎn)品中，短波設(shè)備為調(diào)幅方式，其電性能指標(biāo)以模擬指標(biāo)為主；超短波（含甚高頻和超高頻）設(shè)備為調(diào)頻方式，其中超高頻設(shè)備以數(shù)字指標(biāo)為主，而甚高頻設(shè)備則是模擬數(shù)字指標(biāo)兼有。三種類型設(shè)備的典型測(cè)試框圖如圖1～6所示。[2，3]

圖1 模擬基帶發(fā)射電性能指標(biāo)測(cè)試框圖

圖2 數(shù)字基帶發(fā)射電性能指標(biāo)測(cè)試框圖

圖3 模擬單信號(hào)源接收電性能指標(biāo)測(cè)試框圖

各類設(shè)備測(cè)試所涉及到的儀器儀表如表1所示。

注：①新一代超短波收發(fā)信機(jī)增加了數(shù)字接收指標(biāo)的測(cè)試，例如數(shù)字接收靈敏度，數(shù)字雙信號(hào)選擇性等，需用到定制波形信號(hào)源，通常廠家會(huì)拿另外一臺(tái)同類型設(shè)備充當(dāng)定制波形信號(hào)源。

②數(shù)據(jù)終端和誤碼分析儀通常可以用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)代替。

要最大程度實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線電收發(fā)信機(jī)的自動(dòng)測(cè)試，一方面要求儀器儀表的共用，另一方面則需要對(duì)測(cè)試通路進(jìn)行靈活切換，同時(shí)還要保證測(cè)試數(shù)據(jù)的客觀性和準(zhǔn)確性。

圖4 模擬雙信號(hào)源接收電性能指標(biāo)測(cè)試框圖

圖5 數(shù)字單信號(hào)源接收電性能指標(biāo)測(cè)試框圖

圖6 數(shù)字雙信號(hào)源接收電性能指標(biāo)測(cè)試框圖

表1 三類無(wú)線電收發(fā)信機(jī)測(cè)試儀器儀表要求

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

為了使自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠兼顧3個(gè)頻段的設(shè)備檢測(cè)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想是通過(guò)采用開關(guān)、混頻、合路等器件將測(cè)試信號(hào)進(jìn)行切換，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)調(diào)理的目的，因此提出如圖7所示的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖。

圖7 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

如圖7所示，系統(tǒng)分為儀器儀表集成和信號(hào)調(diào)理電路兩大部分。

儀器儀表集成包含測(cè)試所需的音頻信號(hào)源、音頻分析儀、高頻信號(hào)源、頻譜分析儀、定制波形信號(hào)源和計(jì)算機(jī)。

計(jì)算機(jī)是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中對(duì)所有可控件的控制、測(cè)試流程的執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果記錄以及報(bào)告生成等功能。

頻譜分析儀選型時(shí)考慮測(cè)試信號(hào)的最高頻率，超短波UHF頻段諧波抑制（最高至三次諧波）指標(biāo)測(cè)試的最大信號(hào)范圍為1800 MHz，可采用分析范圍高于2 GHz的頻譜分析儀。

高頻信號(hào)源要求在具備單載波射頻輸出的基礎(chǔ)上，兼?zhèn)涠滩ㄔO(shè)備測(cè)試所需的AM調(diào)制輸出和超短波設(shè)備所需的FM調(diào)制輸出，可采用最高輸出頻率高于1 GHz的設(shè)備。

音頻信號(hào)源應(yīng)具備單聲道和雙聲道輸出，音頻信號(hào)分析儀則要求具有頻率、幅度、信噪比（信納德）和失真度分析等基本功能。

定制波形信號(hào)源用于輔助產(chǎn)生被測(cè)設(shè)備測(cè)試所需的特定波形，可采用與被測(cè)設(shè)備同型號(hào)的設(shè)備作為輔助信號(hào)源。

信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的切換和調(diào)理，以最大程度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試?？刂芀1-K7可以將測(cè)試信號(hào)切換到圖1～圖6的測(cè)試通路。K6和K7用于切換音頻信號(hào)，可采用常用的繼電器。K1-K5應(yīng)選用高頻繼電器或者射頻開關(guān)。射頻開關(guān)隔離度好，信號(hào)泄漏小，但器件成本高；高頻繼電器成本相對(duì)較低，但隔離度比不上射頻開關(guān)，信號(hào)泄漏相對(duì)較大。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要從用戶對(duì)系統(tǒng)的具體需求和性價(jià)比來(lái)考慮器件的選型。如果系統(tǒng)用于質(zhì)量檢測(cè)或認(rèn)證，則要求測(cè)試精度和準(zhǔn)確度高，應(yīng)采用射頻開關(guān)；如果系統(tǒng)用于一般的維修檢測(cè)，對(duì)測(cè)試的精度和準(zhǔn)確度要求不高，又要求有較好的性價(jià)比，則可采用高頻繼電器的方案。

信號(hào)調(diào)理電路中的混頻器，用于合成測(cè)試所需的定制波形?；祛l器的本振輸入端接定制波形發(fā)生器，輸入幅度固定為7 dBm-13 dBm；混頻器的中頻輸入端接高頻信號(hào)源，通過(guò)調(diào)整高頻信號(hào)的幅度，可以控制混頻后輸出的射頻信號(hào)幅度，從而產(chǎn)生測(cè)試所需的定制波形。合路器用于射頻雙信號(hào)的合成，當(dāng)需要采用單信號(hào)時(shí)，把另外一路信號(hào)關(guān)閉即可。

信號(hào)調(diào)理電路中采用了四個(gè)衰減器，其中A1為固定衰減器，衰減量一般為30 dB。由于A1連接被測(cè)設(shè)備的射頻端，一方面應(yīng)選雙向衰減器，另一方面，它應(yīng)能承受足夠的射頻功率。當(dāng)前常見的無(wú)線電設(shè)備中，短波中小功率收發(fā)信機(jī)最大功率為125 W（51 dBm），超短波收發(fā)信機(jī)最大功率為50 W（47 dBm），考慮到為系統(tǒng)預(yù)留適當(dāng)?shù)娜哂嗪捅粶y(cè)設(shè)備故障導(dǎo)致發(fā)射功率超額的情況，A1應(yīng)能承受1 GHz以下100 W（50 dBm），30 MHz以下200 W（53 dBm）的功率容量。同時(shí)，也可以按公式（1）計(jì)算出K5的功率承受容量。計(jì)算得到K5的承受功率容量≥23 dBm，約0.2 W。K5的承受功率容量≥A1的功率容量-A1衰減量 （式1）

A4為可調(diào)衰減器，其功率容量也應(yīng)與A1相當(dāng)。由于大功率的程控可調(diào)衰減器很少，可以采用大功率30 dB固定衰減器加小功率0～16 dB可調(diào)衰減器解決，這樣就可以得到混頻器所需的7～13 dBm范圍的本振信號(hào)。A2和A3用于進(jìn)一步對(duì)儀器儀表的保護(hù)。一般測(cè)試的情況下，測(cè)試接收指標(biāo)時(shí)，被測(cè)設(shè)備的射頻接口是直接接入高頻信號(hào)源的，如果這個(gè)時(shí)候用戶誤操作，使被測(cè)設(shè)備發(fā)射功率，就極易損壞高頻信號(hào)源。因此，在高頻信號(hào)源與被測(cè)設(shè)備之間串聯(lián)衰減器，以減小因被測(cè)設(shè)備誤發(fā)射導(dǎo)致高頻信號(hào)源損壞的可能性。另外，有的無(wú)線電產(chǎn)品射頻口還會(huì)有直流電源為配套設(shè)備供電，A3也有阻隔直流電的作用。如果測(cè)試系統(tǒng)中不采用衰減器，就必須采用隔直器隔離射頻口到高頻信號(hào)源之間的直流電，否則會(huì)損壞高頻信號(hào)源。

信號(hào)調(diào)理電路中的控制電路，負(fù)責(zé)提供控制接口和具體的控制操作，是計(jì)算機(jī)控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)器和執(zhí)行者。在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，涉及到多個(gè)控制接口。除了儀器儀表的控制口之外，還有控制被測(cè)設(shè)備和輔助設(shè)備所需的RS232異步串口，控制繼電器的I/O口以及控制可調(diào)衰減器的I/O口。計(jì)算機(jī)本身串口資源有限，沒(méi)有I/O口，因此，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的USB口進(jìn)行擴(kuò)展，控制電路原理框圖如圖8所示。

圖8 控制電路原理框圖

控制電路中采用USB轉(zhuǎn)4路串口的器件，4路串口分別分配給被測(cè)設(shè)備、輔助設(shè)備和單片機(jī)，其中還有一路串口用作單片機(jī)的在線編程功能?？烧{(diào)衰減器和被測(cè)設(shè)備的PTT控制直接通過(guò)單片機(jī)的I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)對(duì)繼電器的控制通過(guò)移位寄存器和光耦器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。移位寄存器用來(lái)擴(kuò)展I/O口。如果單片機(jī)有足夠的I/O口，可以直接采用片上的I/O。當(dāng)電路中需要用到大量繼電器的時(shí)候，使用移位寄存器就是很好的選擇。應(yīng)用光耦器件是為了減小控制電路對(duì)射頻電路的影響。

在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注重對(duì)儀器儀表和被測(cè)設(shè)備的保護(hù)，特別是在被測(cè)設(shè)備發(fā)射功率的時(shí)候。 建議在被測(cè)設(shè)備的PTT控制線上串聯(lián)一個(gè)開關(guān)來(lái)控制PTT的通斷，必要時(shí)可以強(qiáng)行停止被測(cè)設(shè)備的發(fā)射操作；同時(shí)在軟件中設(shè)置被測(cè)設(shè)備的發(fā)射時(shí)間限值，如果發(fā)射超時(shí)，則立刻控制被測(cè)設(shè)備停止發(fā)射功率。

信號(hào)調(diào)理電路中使用的器件和系統(tǒng)中的連接電纜以及連接器都有插入損耗，為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的客觀性，測(cè)試前，應(yīng)該對(duì)測(cè)試通路進(jìn)行校準(zhǔn)。并且在測(cè)試過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試軟件可以采用C語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)或者LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。各廠家的儀器儀表對(duì)這兩種平臺(tái)都有良好的支持,但不管采用何種語(yǔ)言和開發(fā)工具，都可以采用典型的四層軟件架構(gòu)模式來(lái)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，如圖9所示。

圖9 自動(dòng)測(cè)試軟件基礎(chǔ)架構(gòu)

UI層（User Interface）是用戶界面層，負(fù)責(zé)人機(jī)交互操作，收集用戶操作和向用戶展示操作響應(yīng)的結(jié)果。SI層（System Interaction）是系統(tǒng)交互層，負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)與儀器儀表以及被測(cè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)和控制交互，可以理解為驅(qū)動(dòng)層。在LabVIEW里本身就封裝了大量的儀器儀表驅(qū)動(dòng)，可以直接使用。DM層（Data Management）是數(shù)據(jù)管理層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理，例如對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。PD層（Problem Domain）是問(wèn)題領(lǐng)域?qū)樱环矫尕?fù)責(zé)測(cè)試流程的實(shí)現(xiàn)，另一方面是實(shí)現(xiàn)與另外三個(gè)層之間的交互，也是軟件的核心部分。

測(cè)試軟件按分層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，有利于軟件的模塊化開發(fā)、重用和維護(hù)，也有利于軟件的并行開發(fā)，提高開發(fā)效率。

5 驗(yàn)證和確認(rèn)

上述提出的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)[4]。根據(jù)CNAL/AC01:2005《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則》 （該準(zhǔn)則等同于ISO/IEC17025：2005）第“5.4.5.2”條款中要求，“實(shí)驗(yàn)室應(yīng)對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)方法、實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)(制定)的方法、超出其預(yù)定范圍使用的標(biāo)準(zhǔn)方法、擴(kuò)充和修改過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行確認(rèn),以證實(shí)該方法適用于預(yù)期的用途?！盵5，6]

系統(tǒng)驗(yàn)證主要是驗(yàn)證系統(tǒng)軟件運(yùn)作的正確性，例如測(cè)試方法是否正確，測(cè)試流程是否按設(shè)計(jì)需求執(zhí)行等，這個(gè)可以從軟件測(cè)評(píng)的角度來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和分析。系統(tǒng)確認(rèn)則是對(duì)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷測(cè)試結(jié)果的正確性和精密度，主要通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的方法來(lái)進(jìn)行，常用的方法有t檢驗(yàn)和f檢驗(yàn)?？梢酝ㄟ^(guò)將自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)和與手動(dòng)測(cè)試測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行的確認(rèn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，更適用于行業(yè)應(yīng)用的通用型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)逐步成為熱點(diǎn)。本文所提出的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作和較少的成本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件集成，減少儀器儀表的重復(fù)投入，進(jìn)一步提高儀器儀表的利用率。

1 張毅剛.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2001

2 GB/T6933-1995《短波單邊帶發(fā)射機(jī)電性能測(cè)量方法》

3 GB/T6934-1995《短波單邊帶接收機(jī)電性能測(cè)量方法》

4 張莎 闞潤(rùn)田.無(wú)線電設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證方法的研究[J].國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心設(shè)備檢測(cè)處.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理,2010年第2期

5 CNAL/AC01:2005《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則》

6 ISO/IEC 17025:2005 Accreditation Criteria for Testing and Calibration Laboratories

2016-12-05）

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.12.018