張 玲，李國(guó)清

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所, 合肥 230088)

0 引 言

數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module,以下簡(jiǎn)稱DAM)是數(shù)字陣列雷達(dá)中的基本單元，也是最重要和數(shù)量最多的基本單元，其技術(shù)指標(biāo)決定了數(shù)字陣列雷達(dá)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的高低。隨著數(shù)字陣列雷達(dá)的大批量生產(chǎn)，整機(jī)外場(chǎng)調(diào)試任務(wù)越來(lái)越多，傳統(tǒng)的DAM測(cè)試系統(tǒng)儀表多，拆裝復(fù)雜，攜帶不方便。因此需要一種簡(jiǎn)易便攜的DAM測(cè)試設(shè)備，應(yīng)用于外場(chǎng)DAM的測(cè)試、調(diào)試、診斷和維護(hù)。[1-2]

1 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試原理

DAM組件是一種將多個(gè)收發(fā)通道集成的模塊，主要完成多通道接收數(shù)字化及預(yù)處理、多通道的數(shù)字波形產(chǎn)生及功率放大、多通道數(shù)字波束形成等功能。該測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)DAM的收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)單件DAM每個(gè)通道發(fā)射功率、接收增益、接收信噪比、I/Q鏡像抑制度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。原理是通過(guò)CPCI/以太網(wǎng)控制測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生單件DAM組件測(cè)試所需要的各種激勵(lì)——時(shí)鐘本振激勵(lì)、控制信號(hào)激勵(lì)、電源激勵(lì)等。這些激勵(lì)通過(guò)混裝電纜和光纖轉(zhuǎn)接到DAM，同時(shí)被測(cè)DAM組件產(chǎn)生的輸出信號(hào)也通過(guò)電纜和光纖轉(zhuǎn)接到校正采集模塊，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終生成測(cè)試報(bào)告。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分采用高集成度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用校正采集模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中的信號(hào)源和頻譜儀，將所有模塊集成到一個(gè)機(jī)箱中，方便攜帶。系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由DAM適配器、校正采集模塊、計(jì)算機(jī)、本振時(shí)鐘模塊、電源模塊、環(huán)行器、功分器、光纖、電纜等組成，其中DAM適配器需要設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易輕巧，僅需滿足DAM供電和信號(hào)的連接。

圖1 系統(tǒng)框圖

(1) DAM適配器

DAM適配器主要由裝夾DAM的夾具、小風(fēng)扇、功分器組成。測(cè)試夾具對(duì)被測(cè)DAM安裝固定，提供工作電源及時(shí)鐘本振信號(hào)，并對(duì)DAM接插件進(jìn)行適配轉(zhuǎn)接以便于測(cè)試。DAM采用風(fēng)冷散熱。

(2) 校正采集模塊

校正采集模塊是該測(cè)試系統(tǒng)中的核心模塊。該數(shù)據(jù)采集接口模塊具備快速、準(zhǔn)確地完成被測(cè)件的數(shù)據(jù)采集、整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)控制等功能。數(shù)據(jù)采集接口模塊以FPGA為核心芯片，采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI板卡設(shè)計(jì)。原理圖如圖2，由一路射頻收發(fā)通道和數(shù)據(jù)采集板組成，射頻收發(fā)通道已知發(fā)射功率和接收增益。每塊數(shù)據(jù)采集接口板具備1路光纖接口、1路LAN接口。光模塊與DAM上的光模塊配對(duì)使用，LAN是與計(jì)算機(jī)的通信接口。工作時(shí)，計(jì)算機(jī)與校正采集模塊采用網(wǎng)絡(luò)通訊，校正采集模塊與被測(cè)組件采用光纖通訊。數(shù)據(jù)采集模塊可以將計(jì)算機(jī)發(fā)布的控制命令傳輸?shù)奖粶y(cè)DAM中去，控制其工作狀態(tài)，同時(shí)控制校正采集模塊中單路收發(fā)通道的工作狀態(tài)，再把采集到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。[3-5]

圖2 校正采集模塊原理圖

(3) 本振時(shí)鐘模塊

本振時(shí)鐘模塊內(nèi)部包括晶體振蕩器、時(shí)鐘電路、本振源、本振放大功分電路，主要是給被測(cè)DAM和校正采集模塊提供時(shí)鐘和本振信號(hào)。

(4) 電源模塊

電源采用專門定制電源，輸入220 V交流電，給DAM組件、本振時(shí)鐘模塊、校正采集模塊、風(fēng)扇等模塊供電。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件基于LABVIEW環(huán)境開發(fā)。采用模塊化設(shè)計(jì)，以測(cè)試功能為依據(jù)，將系統(tǒng)軟件劃分為3個(gè)模塊：用戶界面模塊、測(cè)試控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮各模塊的體積和互聯(lián)關(guān)系，軟件中各功能模塊體積既不能過(guò)大也不能過(guò)小。體積過(guò)大則結(jié)構(gòu)復(fù)雜難于維護(hù)；體積過(guò)小則功能意義不完善，影響模塊的獨(dú)立性。整個(gè)軟件是由相互聯(lián)系的模塊構(gòu)成。在滿足功能要求的前提下，模塊彼此之間的聯(lián)系相對(duì)越弱則軟件越容易修改和維護(hù)。因此，在模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量減少模塊間的信息傳遞，簡(jiǎn)化模塊間的相互聯(lián)系，從而充分保證模塊的獨(dú)立性。[6-8]軟件測(cè)試流程如圖3所示。

圖3 軟件測(cè)試流程

(1) 信息確認(rèn)模塊：用于待測(cè)DAM組件的信息輸入，包括待測(cè)組件編號(hào)、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試人員、測(cè)試地點(diǎn)等。這些信息將在最終輸出的測(cè)試表格中呈現(xiàn)。

(2) 判斷組件狀態(tài)信息：用于檢查組件連接通信狀態(tài)是否正常，若通信不正常一般則檢查電源及時(shí)鐘是否連接。

(3) 測(cè)試設(shè)置：包括發(fā)射接收模式選擇、測(cè)試點(diǎn)數(shù)選擇等。根據(jù)模式選擇對(duì)校正采集模塊和被測(cè)組件進(jìn)行相應(yīng)的模式設(shè)置。當(dāng)被測(cè)組件測(cè)試發(fā)射指標(biāo)時(shí)，校正采集模塊中射頻收發(fā)通道設(shè)置為接收狀態(tài)；當(dāng)被測(cè)組件測(cè)試接收指標(biāo)時(shí)，校正采集模塊中射頻收發(fā)通道設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)。

(4) 數(shù)據(jù)獲取輸出：根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，采用基于虛擬儀器的多通道數(shù)字接收機(jī)的測(cè)試方法進(jìn)行指標(biāo)分析。該測(cè)試方法是一種頻域分析法[5]，其方法是：獲取M個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)原始數(shù)據(jù)加窗函數(shù)(Blackman窗)處理。這對(duì)非相干采樣是必須的，對(duì)于相干采樣則無(wú)須加窗，然后計(jì)算FFT。分離出其中的信號(hào)、直流、諧波、雜散波以及噪聲成分，通過(guò)計(jì)算處理可得到接收增益、接收信噪比、I/Q鏡像抑制度、發(fā)射功率等測(cè)試數(shù)據(jù)。[9-10]

測(cè)試系統(tǒng)具體運(yùn)行如下：

(1) 發(fā)射指標(biāo)測(cè)試時(shí)，軟件控制DAM只開通一路發(fā)射。系統(tǒng)信號(hào)的走向是DAM被測(cè)件單個(gè)端口輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器、環(huán)行器、校正采集模塊處理后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。測(cè)試系統(tǒng)軟件對(duì)T/R組件輸出的數(shù)字信號(hào)作頻譜分析，處理可得到被測(cè)件的發(fā)射功率。

(2) 接收指標(biāo)測(cè)試時(shí)，由校正采集模塊產(chǎn)生射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減器、環(huán)行器，功分器輸入到被測(cè)DAM的各個(gè)通道。被測(cè)DAM接收處理后再將數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電解調(diào)后再通過(guò)網(wǎng)線傳輸至計(jì)算機(jī)。測(cè)試系統(tǒng)軟件對(duì)DAM組件輸出的數(shù)字信號(hào)作頻譜分析，處理可得到被測(cè)件接收增益、接收信噪比、I/Q鏡像抑制度等指標(biāo)。

2 結(jié) 果

該DAM便攜式測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4，整機(jī)僅有12 kg，攜帶方便。測(cè)試界面如圖5所示。

圖4 DAM便攜式測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面

圖5 指標(biāo)測(cè)試界面

測(cè)試單個(gè)組件的接收增益、接收信噪比、I/Q鏡像抑制度、發(fā)射功率僅需5 min。增益測(cè)量不確定度為±2 dB,接收信噪比、I/Q鏡像抑制度測(cè)量不確定度為±1.5 dB，發(fā)射功率測(cè)量不確定度為±1 dB，各指標(biāo)較傳統(tǒng)儀表測(cè)試臺(tái)不確定度相差1 dB左右，滿足外場(chǎng)DAM的測(cè)試、調(diào)試、診斷需求。該測(cè)試系統(tǒng)還可以集成其他測(cè)試插件，使功能更加強(qiáng)大。如集成頻譜儀插件，可以對(duì)DAM發(fā)射譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所研究的DAM便攜式測(cè)試系統(tǒng)攜帶方便，測(cè)試簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性好，極大地提高了外場(chǎng)保障測(cè)試效率，節(jié)約了大量的工作量，減少了雷達(dá)后期維護(hù)成本。