林洪文 王 碩

1 引言

無線通信技術(shù)出現(xiàn)以來倍受青睞，經(jīng)過百年發(fā)展，無線通信已經(jīng)成為了生產(chǎn)生活的重要媒介，小到智能手環(huán)等穿戴設(shè)備，大到載人航天等重大國防項(xiàng)目都隨處可見無線通信的影子。隨著研究的深入和各種應(yīng)用的開展，其在軍事國防領(lǐng)域扮演的角色也愈加重要。在以高新技術(shù)為主的新形勢(shì)戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，通信系統(tǒng)已成為軍隊(duì)的中樞系統(tǒng)，維系軍隊(duì)重要環(huán)節(jié)正常運(yùn)行，一旦通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障，造成的損失無法估量。本文以某型艦船通信發(fā)射機(jī)饋線測(cè)試系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先描述便攜式饋線測(cè)試儀硬件總體結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上提出了基于Lab-VIEW的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，描述整體軟件結(jié)構(gòu)，對(duì)子系統(tǒng)的劃分和各個(gè)模塊功能設(shè)計(jì)進(jìn)行了扼要介紹，并對(duì)其中一項(xiàng)功能進(jìn)行了試驗(yàn)。

2 測(cè)試需求分析

饋線又稱電纜線，天饋線系統(tǒng)（antenna feeder system）是無線通信設(shè)備中必不可少的組成部分，分為天線與饋線系統(tǒng)。在無線通信中，要傳送的信號(hào)是調(diào)制在載波上的基帶信號(hào)的無線電波，通過自由空間傳播來實(shí)現(xiàn)，天線與饋線系統(tǒng)在完成這一任務(wù)中起著重要的作用，是無線通信設(shè)備中必不可少的組成部分。天線是接力通信設(shè)備的出入口，饋線則是連接天線和收發(fā)信設(shè)備的紐帶，它的作用是完成微波信號(hào)在微波機(jī)與天線之間的傳輸。

饋線是連接電臺(tái)與天線的重要設(shè)備。不同粗細(xì)、不同質(zhì)量的饋線對(duì)通信距離會(huì)產(chǎn)生很大的影響。無線通信系統(tǒng)中的饋線有同軸電纜型和波導(dǎo)型兩種形式，本測(cè)試儀的測(cè)試對(duì)象是同軸電纜型饋線。在無線通信系統(tǒng)中，對(duì)饋線系統(tǒng)最基本的要求有：系統(tǒng)損耗低，電壓駐波比小，極化去耦度高，機(jī)械強(qiáng)度大［1］。在天饋線系統(tǒng)的無線通信電路中，饋線系統(tǒng)的技術(shù)性能，質(zhì)量指標(biāo)直接影響到系統(tǒng)的通信質(zhì)量，對(duì)綜合饋線測(cè)試儀提出了迫切需求，某型裝備多在野外展開這一實(shí)際情況又對(duì)饋線測(cè)試儀的低功耗性和便攜性作出了要求，因此，基于Lab-VIEW的便攜式饋線測(cè)試儀應(yīng)運(yùn)而生。

3 某型發(fā)射機(jī)饋線測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的測(cè)試需求分析，確定了便攜式天饋線測(cè)試儀包括了駐波比測(cè)試，回波損耗測(cè)試和故障定位功能，為便于直觀分析饋線的阻抗、導(dǎo)納等參數(shù)，同時(shí)引入史密斯圓圖到程序中。饋線測(cè)試儀的整體設(shè)計(jì)堅(jiān)持以應(yīng)用目標(biāo)為導(dǎo)向，運(yùn)用系統(tǒng)分析方法，采用集成平臺(tái)和模塊化、功能化開發(fā)模式，完成核心軟硬件模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)和集成。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面遵循標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的原則，有良好的維護(hù)性，做到與現(xiàn)有的硬件環(huán)境相結(jié)合；軟件設(shè)計(jì)遵循軟件工程規(guī)范［2］。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。測(cè)試儀是一臺(tái)將接口技術(shù)和窗口操作系統(tǒng)融合在一起的便攜設(shè)備，在操作系統(tǒng)上運(yùn)行的基于LabVIEW的饋線測(cè)試程序通過內(nèi)部接口和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和參數(shù)設(shè)置［3］。整個(gè)儀器通過外設(shè)轉(zhuǎn)接頭連接饋線，向饋線發(fā)送特定信號(hào)之后檢測(cè)接收返回信號(hào)，然后通過硬件接收處理返回信號(hào)，利用軟件分析處理數(shù)據(jù)，將測(cè)試結(jié)果直觀呈現(xiàn)在顯示界面上。

3.1 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

便攜式饋線測(cè)試儀硬件平臺(tái)主要包括饋線測(cè)量模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊和校準(zhǔn)件等部分。硬件為一體式架構(gòu)方式，內(nèi)部采用分層模式來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展式的系統(tǒng)架構(gòu)，采用平臺(tái)加模塊的方式實(shí)現(xiàn)預(yù)想測(cè)試功能，有效減少體積和重量，縮短研發(fā)調(diào)試周期，大大降低整體功耗，得以實(shí)現(xiàn)在無外接電源情況下使用內(nèi)部電池供電。測(cè)試功能采用模塊化劃分方法，基于儀器軟硬件平臺(tái)，自動(dòng)完成發(fā)射機(jī)饋線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)測(cè)試。

3.2 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

便攜式饋線測(cè)試儀軟件平臺(tái)主要包括駐波比測(cè)試子程序、回波損耗測(cè)試子程序和故障定位子程序，以及實(shí)現(xiàn)輔助功能的插件子程序如光標(biāo)功能，波形標(biāo)定、存儲(chǔ)與導(dǎo)入功能等子程序。如圖3所示，軟件平臺(tái)整體采用分層模式實(shí)現(xiàn)開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)初始界面是饋線測(cè)試總頁面，當(dāng)選擇某測(cè)試項(xiàng)后，軟件調(diào)用該測(cè)試子程序，對(duì)設(shè)備的操作通過該子程序轉(zhuǎn)換成硬件指令，通過總線發(fā)送至相應(yīng)儀器；當(dāng)設(shè)備處于讀取狀態(tài)時(shí)，子程序循環(huán)讀取測(cè)量模塊返回到總線上的信息，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換顯示到軟件界面以及存儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫文件中。

3.3 測(cè)試程序的設(shè)計(jì)

便攜式饋線測(cè)試程序主要采用NI公司的Lab-VIEW軟件進(jìn)行開發(fā)。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測(cè)試、測(cè)量與控制系統(tǒng)。利用NI的虛擬儀器技術(shù)，可以使復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡(jiǎn)單，讓工程師和科研人員得以把更多的精力放于實(shí)驗(yàn)過程，數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)上［4］。饋線測(cè)試程序采用了層次化的體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)子程序也同樣按照層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。調(diào)用的硬件模塊的驅(qū)動(dòng)引擎使用C++編寫，在Windows平臺(tái)下進(jìn)行編譯連接后生成留有接口的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，上層程序收到操作后發(fā)送信息給引擎，引擎再通過總線協(xié)議驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行［5］。測(cè)試程序界面和部分程序框圖如圖4所示。

3.4 接口適配器和控制模塊的設(shè)計(jì)

整個(gè)儀器硬件劃分為天饋線測(cè)試模塊、頻譜分析模塊、控制模塊、顯示模塊、電源模塊。各模塊之間功能相對(duì)獨(dú)立，分別由控制模塊控制。各模塊之間通訊和控制如圖5所示。控制模塊功能主要分為三部分：1）控制饋線測(cè)試模塊和頻譜分析模塊的測(cè)量功能操作，傳輸和分析測(cè)量數(shù)據(jù)，通過測(cè)量數(shù)據(jù)給出測(cè)量結(jié)果；2）對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算、判斷、存儲(chǔ)和顯示；3）控制電源模塊的工作，自動(dòng)給電池充放電或采用其它電源供電控制?？刂颇K硬件由兩部分組成：1）控制核心板；2）控制底板?？刂坪诵陌搴涂刂频装逋ㄟ^專用接口對(duì)接，并用螺絲固定為一體。核心底板主要負(fù)責(zé)引出核心板相應(yīng)接口，并給核心板提供電源。饋線測(cè)試模塊通過轉(zhuǎn)接頭等外設(shè)器件與饋線連接實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 線纜故障定位及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前饋線故障定位技術(shù)一般采用TDR技術(shù)和FDR技術(shù)兩種。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)需求和經(jīng)費(fèi)限制等現(xiàn)實(shí)情況，本設(shè)備采取FDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)饋線故障點(diǎn)定位［6］。FDR技術(shù)基本原理：通過信號(hào)源產(chǎn)生正弦波掃頻信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)，測(cè)量信號(hào)輸入被測(cè)線纜，信號(hào)將在故障點(diǎn)處將產(chǎn)生反射信號(hào)，反射信號(hào)與入射信號(hào)產(chǎn)生矢量疊加，產(chǎn)生周期數(shù)為n的波紋頻寬為 f（單位為MHz）的波紋圖案，則有

式中L為故障點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)距離（單位為m），c為光速，k為電磁波在電纜中傳播速度與光速的比值。令F為波紋的頻率周期，則有F=fn（MHz），由上述關(guān)系可得L=150×k F（m）［7］。本測(cè)試儀采用掃頻方式發(fā)射一定寬度的信號(hào)，接收到的頻域測(cè)量數(shù)據(jù)采用FFT變換將頻譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域下的定位函數(shù)距離譜，并采用Chirp-Z變換提高了定位精度［8］。

4.2 儀器的整機(jī)功耗控制

目前測(cè)試系統(tǒng)功耗普遍偏大，難以使用電池供野外使用。針對(duì)這一問題，如圖6所示，本儀器立足于低功耗設(shè)計(jì)思想，采用高級(jí)配置和電源接口（Advance Configuration and Power Interface，ACPI）技術(shù)，綜合考慮各個(gè)測(cè)量模塊和控制模塊供電要求，對(duì)饋線測(cè)量各模塊不同功能根據(jù)需要進(jìn)行開電和斷電操作，即根據(jù)用戶的操作需求，對(duì)必須運(yùn)行的電路進(jìn)行上電，而對(duì)不需運(yùn)行的電路進(jìn)行斷電處理，盡最大能力減少不必要的功耗損失［9］。采用該多級(jí)節(jié)電控制技術(shù)后，使原測(cè)量模塊整體平均功率大幅下降，使電池供電運(yùn)行并手持操作成為可能。

4.3 一體化測(cè)量模塊綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

目前國內(nèi)設(shè)備實(shí)現(xiàn)饋線測(cè)試一般需要多臺(tái)設(shè)備聯(lián)合測(cè)試，綜合測(cè)試能力差，體積大，不利于室外操作，對(duì)執(zhí)行測(cè)試任務(wù)造成很多不便。本儀器拋棄傳統(tǒng)分離式饋線測(cè)試電路設(shè)計(jì)，采用電路融合技術(shù)結(jié)合高密度多層PCB設(shè)計(jì)，把饋線測(cè)量諸多電路融合在一起設(shè)計(jì)［10］，并采用通道切換方法公用部分電路，從而減少功能重復(fù)電路，大幅減少元器件數(shù)量，充分利用PCB板空間，減少體積［11］。本便攜式饋線測(cè)試儀使用電路融合技術(shù)，使具有綜合測(cè)試能力的手持式儀器成為可能。

5 試驗(yàn)結(jié)果與討論

因整個(gè)測(cè)試儀程序較龐大，以“故障定位”功能為例對(duì)測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。圖7所示為便攜式饋線測(cè)試儀對(duì)2.73m處及6.34m處有故障點(diǎn)的總長為8.22m的饋線以2MHz為起始頻率，30MHz為終止頻率掃描后得到頻域圖像經(jīng)過傅里葉變換處理得到的結(jié)果，測(cè)試儀程序自動(dòng)尋峰讀取峰值位置的橫坐標(biāo)得到了測(cè)試結(jié)果：在距離測(cè)試點(diǎn)2.724m和6.352m處各有一個(gè)故障點(diǎn)，誤差符合預(yù)期要求。

6 結(jié)語

本文對(duì)基于LabVIEW的便攜式饋線測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，從硬件和軟件角度闡述了饋線測(cè)試儀的設(shè)計(jì)總體方案框架，解決了饋線測(cè)試中儀器復(fù)雜，操作繁瑣和測(cè)試結(jié)果不直觀等問題［12］。并進(jìn)行了饋線故障定位功能的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)試儀顯示結(jié)果直觀簡(jiǎn)潔，測(cè)試精度符合要求。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低功耗控制，一體化硬件模塊融合等目標(biāo)，軟件使用模塊化結(jié)構(gòu)組合，便于移植到相關(guān)系統(tǒng)和擴(kuò)展為功能更加全面的系統(tǒng)，在基于LabVIEW的便攜式測(cè)試儀器設(shè)計(jì)方面有一定借鑒意義。

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