童大鵬，周靖宇，黃澤貴

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.中國人民解放軍93147部隊，成都 610036)

0 引 言

航空設(shè)備保障體系的建設(shè)一是要求平時設(shè)備完好性高，需要配套隨機檢測設(shè)備與主功能設(shè)備相匹配，實現(xiàn)多種功能相關(guān)能力指標(biāo)的檢測；二是要求使用時出動能力強，需要檢測流程簡潔高效，故障診斷精確。然而，航空機載通信導(dǎo)航識別(Communication,Navigation and Identification，CNI)系統(tǒng)由于其綜合化能力的不斷提升，導(dǎo)致其外場檢測難的問題越發(fā)突出。根據(jù)當(dāng)前航空機載CNI系統(tǒng)的外場應(yīng)用與保障情況可知，當(dāng)前航空機載CNI系統(tǒng)故障多需要人工排查、串件維修，外場排故時間長導(dǎo)致了航空設(shè)備多處于待修裝備，使用效率較低；同時，大量航空機載CNI系統(tǒng)的故障需要通過定檢、特檢的排查方式，大量預(yù)防性維修工作的引入，定檢狀態(tài)時間長也導(dǎo)致了航空設(shè)備的應(yīng)用低效[1]。

近年來，航空機載CNI系統(tǒng)主要采用的是上電維護自檢測試與地面保障設(shè)備對通測試的方式進行檢測排故，這種方式存在以下問題：一是機載測試覆蓋率不足，設(shè)計機理限制必然需要地面保障設(shè)備；二是離位測試不能準(zhǔn)確反映航空機載CNI系統(tǒng)的實際整體功能性能狀態(tài)[2]；三是對通測試無法應(yīng)對性能下降類故障，與現(xiàn)有機載測試存在能力沖突。

為了解決上述問題，有必要實現(xiàn)針對航空機載CNI系統(tǒng)的原位、性能參數(shù)測試能力強、整機檢測能力強、具備與機載測試協(xié)同故障診斷的檢測技術(shù)?；诖耍疚奶岢隽艘环N機載CNI系統(tǒng)外場原位性能檢測技術(shù)，在不改變或拆卸被測對象原來的安裝或裝配位置的前提下，在原系統(tǒng)平臺上進行系統(tǒng)檢測，實現(xiàn)對航空機載CNI系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、功能性能參數(shù)測試以及故障診斷的能力提升等。

1 機載CNI系統(tǒng)原位性能檢測架構(gòu)設(shè)計

機載CNI系統(tǒng)外場原位性能檢測技術(shù)主要以綜合化、可重構(gòu)、模塊化CNI系統(tǒng)[3-6]為檢測對象。

為了設(shè)計滿足機載CNI系統(tǒng)鏈路特點需求的地面檢測設(shè)備，本文在在綜合檢測設(shè)備之前架構(gòu)的基礎(chǔ)上[7-8]，按照終端-通信控制-測試激勵的構(gòu)建思路對其進行資源整合，提出一種改進的機載CNI系統(tǒng)原位性能檢測架構(gòu)。該架構(gòu)相比之前綜合檢測設(shè)備架構(gòu)[8]，在實現(xiàn)對通測、射頻信號性能等傳統(tǒng)測試能力基礎(chǔ)上[9]，測試資源調(diào)度更加合理，可以更好地融入性能測試方法、調(diào)用與調(diào)度資源，還可以實現(xiàn)機載CNI系統(tǒng)的硬件資源環(huán)路完整性檢測與外場無線性能測試，打破傳統(tǒng)連接限制。

如圖1所示，改進的原位性能檢測技術(shù)主要由手持終端、激勵主機和通信管理單元三個部分組成。

圖1 改進的原位性能檢測架構(gòu)圖

(1)手持終端

手持終端作為整個架構(gòu)的控制和顯示終端，其組成包括供電、數(shù)字信號處理、射頻信道與天線、顯控、無線數(shù)傳、接口與外設(shè),主要功能包括CNI的對通測試功能、無線控制功能、人機交互功能和擴展功能。

(2)激勵主機

激勵主機是整個架構(gòu)的測試信號激勵產(chǎn)生前端，其組成主要包括供電、綜合數(shù)字信道化模塊、射頻前端、聲碼話等，主要功能包括產(chǎn)生與被測設(shè)備對通所需的各功能傳感器激勵信號、支撐無線性能檢測、響應(yīng)手持終端控制命令及傳感器參數(shù)。

(3)通信管理單元

通信管理單元是整個架構(gòu)的資源配置調(diào)度單元，其組成包括供電、處理器、接口、數(shù)傳、顯控、存儲等。主要功能包括：作為手持終端與被測設(shè)備的信息交互通路，完成對被測設(shè)備的狀態(tài)控制、參數(shù)配置和傳感器數(shù)據(jù)下載等功能；實現(xiàn)對被測設(shè)備的故障診斷及定位，將模塊故障信息送至主機進行顯示。

本文提出的改進原位檢測技術(shù)對機載CNI系統(tǒng)執(zhí)行原位性能檢測，主要流程如下：

Step1 檢測配置。手持終端通過以太網(wǎng)或無線數(shù)傳實現(xiàn)對激勵主機的參數(shù)配置和狀態(tài)控制。

Step2 測試激勵。激勵主機在手持終端的控制下，內(nèi)部各模塊通過軟件配置的方式，加載主機內(nèi)相應(yīng)激勵功能的處理線程，并產(chǎn)生相應(yīng)的射頻激勵信號，通過天線與被測系統(tǒng)待測功能信號進行空間輻射檢測。

Step3 被測系統(tǒng)接管。通信管理單元受手持終端的控制，通過維護總線搜集被測系統(tǒng)機載測試信息并接管被測系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度工作，配置被測系統(tǒng)工作于待測模式狀態(tài)，并完成對被測系統(tǒng)的故障診斷和定位，將診斷結(jié)果通過以太網(wǎng)或無線數(shù)傳反饋至手持終端。

Step4 測試接收。激勵主機將天線接收到的測試信號進行射頻信號處理和數(shù)字信號處理等，并將處理后的測試結(jié)果通過以太網(wǎng)或無線數(shù)傳反饋至手持終端。

Step5 結(jié)果顯示。手持終端將測試結(jié)果、診斷結(jié)果經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示出來。

2 結(jié)合鏈路特點的原位性能高效測試技術(shù)

2.1 原位性能檢測架構(gòu)音頻信號測試技術(shù)

航空機載CNI系統(tǒng)通信功能中，話音通信是外場檢測的難點，長期依賴于人員對于通話話音的人為判斷作對通測試，效率與精度均無法保障。本文提出一種原位性能檢測架構(gòu)音頻信號測試技術(shù)，原理上是對接收的基帶信號進行解調(diào)后得到的音頻信號進行分析，通過失真度和信納比等典型參數(shù)指標(biāo)進行判斷；技術(shù)上結(jié)合本文提出的原位性能檢測架構(gòu)進行實現(xiàn)，完成高效精準(zhǔn)的音頻信號測試分析，支撐機載航空CNI系統(tǒng)性能測試。

2.1.1 音頻信號分析原理

通過架構(gòu)檢測設(shè)備，輸出測試模擬音頻(1 kHz、1 V (RMS))作為激勵源，由CNI話筒接收后，經(jīng)被測對象內(nèi)部處理由天線發(fā)出；檢測設(shè)備收到反饋的射頻信號，經(jīng)處理并應(yīng)用失真度與信納比解算公式，即可解算出音頻幅度、信噪比及失真度并上報，代替?zhèn)鹘y(tǒng)“人聽”或音頻分析儀分析方法。

(1)失真度分析原理

失真度的定義：全部的諧波能量與基波能量之比的平方根值。在工程中主要考慮前5次諧波。如果輸入的音頻信號為

Vin(t)=u·cos(ωmt)=u·cos(2πfmt)，

(1)

該信號經(jīng)過放大器后得到的信號為

Vout(t)=K+u1·cos(ωmt)+u2·cos(ωmt)+…=

(2)

因此，失真度可表示為

(3)

(2)信納比分析原理

信納比的定義是帶內(nèi)的總功率與噪聲和失真功率的比值，即

(4)

式中：N為噪聲功率，D為信號的畸變功率。

由于設(shè)備頻率源器件物理特性的影響，頻率源存在頻率漂移，導(dǎo)致收發(fā)端載波存在頻差，需進一步分析載波頻差對信號解調(diào)的影響。

檢測設(shè)備話音通信采用多種常規(guī)及擴頻通信方式，常規(guī)調(diào)制通常采用幅度調(diào)制。對于調(diào)幅信號，采用包絡(luò)檢波法來恢復(fù)信號。由于包絡(luò)檢波屬于非相干解調(diào)，因此不需要相干載波，對載波頻差不敏感。由于檢測設(shè)備的晶振頻率準(zhǔn)確度小于等于1×10-7，400 MHz(最大通信頻率)的最大頻差為40 Hz，不會對恢復(fù)單音信號造成影響。

擴頻通信方式中，首先要用偽隨機碼對接收信號進行相關(guān)解擴，由于載波頻差的存在，會影響偽隨機碼的同步，因此在數(shù)字信號處理過程中，對接收信號經(jīng)數(shù)字正交下變頻后形成包括頻差的I路和Q路信號，兩者相乘去掉偽隨機碼的調(diào)制，得到有近似兩倍載波頻差的信號。由于單音信號是窄帶信號，經(jīng)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)變換后其功率譜會出現(xiàn)明顯的譜峰，由于系統(tǒng)頻差一般在零頻附近，經(jīng)FFT變換后會在第N/2點兩側(cè)出現(xiàn)的譜峰，所以根據(jù)任一側(cè)的譜峰與中心點的相對位置估算出載波頻差，然后輸出頻率控制字信號改變數(shù)字下變頻器件的頻率來調(diào)整本地載波，使檢測設(shè)備頻差始終控制在很小的范圍之內(nèi),從而能消除收發(fā)載波頻差對偽隨機碼同步的影響，因此能正確解調(diào)收到的數(shù)據(jù)信息，獲取1 kHz的數(shù)字話音，為后端判斷性能下降提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)來源。

2.1.2 音頻信號分析測試

通過對上述失真度與信納比公式的應(yīng)用，編制軟件內(nèi)置于原位性能檢測架構(gòu)激勵主機中，配合鏈路檢測中的功能控制、信號傳輸采集與分析計算，完成機載航空通信性能測試中關(guān)鍵的音頻信號分析測試。根據(jù)收發(fā)功能鏈路的不同，分解為發(fā)測試與收測試，如圖2所示。

圖2 機載航空通信音頻信號的發(fā)/收測試技術(shù)示意圖

2.2 原位性能檢測架構(gòu)靈敏度分析測試技術(shù)

2.2.1 靈敏度分析原理

考慮功能完整性的靈敏度測試，就是以能否在最小信號狀態(tài)下激活滿足功能要求的信號。測試時，由于傳輸為空間條件，在考慮測試信號與被測對象位置、方位與測試電磁環(huán)境固定的情況下，還需要考慮發(fā)射端的衰減、天線的增益、空間的衰減等因素。現(xiàn)有測試靈敏度公式如下：

(5)

考慮無衰減時最大的測試信號，如下式所示：

Pmax+ΔP+ΔPa-ΔPSa=Pmax-t。

(6)

式中：Pmax為無衰減時激勵主機的輸出功率，ΔP代表激勵主機衰減誤差，ΔPa代表天線增益，ΔPSa代表空間衰減，Pmax-t為接收機測試獲得的實際功率。由于信號的衰減增益只與信號的頻率與距離有關(guān)，因此，在不改變頻率、位置的情況下，式(5)和式(6)中衰減與增益相等，而激勵主機無衰減時的正常輸出功率Pmax已知，因此可得ΔP+ΔPa-ΔPSa。通過改變功能信號的頻率，根據(jù)式(6)可以獲得所有頻率的校準(zhǔn)頻率為ΔP(f)。

考慮在實際工程實現(xiàn)上，由于天線和激勵源要實現(xiàn)精準(zhǔn)的增長步進功率，成本較高且保證精度技術(shù)較難，因此本文提出通過靈敏度的計算將初始激勵信號功率Pmin與增長的步進功率N·ΔPstep的和等價為無衰減時的正常輸出功率Pmax與等價衰減設(shè)置功率ΔPstep=的差，根據(jù)上面得到的所有頻率的校準(zhǔn)頻率為ΔP(f)，通過標(biāo)定得到系統(tǒng)此時對應(yīng)f下正常工作的最小功率為

(7)

2.2.2 靈敏度分析測試

本文提出的靈敏度分析測試技術(shù)方法內(nèi)置于原位性能檢測架構(gòu)手持終端中，配合鏈路檢測中的功能波形控制、被測對象控制配置，完成機載航空CNI系統(tǒng)靈敏度測試，如圖3所示。在實際操作中，需借助激光測距標(biāo)定位置，同時盡量保證電磁環(huán)境的一致性。

圖3 機載航空CNI系統(tǒng)靈敏度測試技術(shù)示意圖

2.3 原位性能檢測架構(gòu)頻譜分析測試技術(shù)

2.3.1 頻譜分析原理

頻譜分析的實質(zhì)是測量信號的譜密度。工程中，機載航空設(shè)備的外場檢測考慮在20 MHz頻段內(nèi)只能取幾個值，此時需要進行掃描，用掃描獲得信號的頻譜基本原理是一個寬帶信號經(jīng)過一個濾波器組，如圖4所示，可以獲得不同的頻率點上的平均譜密度，并進行插值。

圖4 濾波器組示意圖

設(shè)第n個濾波器的帶寬為B，中心頻率為nf0，系統(tǒng)的沖激響應(yīng)為{h(g)}，則用濾波器濾波后得到信號為y(k)，濾波后信號功率為

(8)

得到該頻率中心的譜密度為

(9)

本文頻譜分析采用濾波器按照頻率步進改變數(shù)字振蕩器頻率的方法，從而獲得每一中心頻點的頻譜值，通過拼接獲得全部頻譜。在測試中，通過控制要素包括增益模式、增益值、起始與終止頻率、混頻頻率、抽取值等，優(yōu)化提升頻譜分析精度。

2.3.2 頻譜分析測試

本文頻譜分析技術(shù)方法內(nèi)置于原位性能檢測架構(gòu)手持終端中，與靈敏度分析測試相類似，這里不再贅述。

具體步驟：第一步，測試準(zhǔn)備，與靈敏度分析采用類似校準(zhǔn)方法與準(zhǔn)備與配置；第二步，測試執(zhí)行，記錄檢測設(shè)備測量的機載發(fā)射功率，采用靈敏度分析中類似的計算方法解算出當(dāng)前頻率功率。

3 基于診斷樹的復(fù)合推理機設(shè)計技術(shù)

基于原位性能檢測架構(gòu)，考慮被測航空機載CNI系統(tǒng)特點，需要實現(xiàn)地面檢測與機載測試協(xié)同的自動測試技術(shù)。為此，本文參考IEEE1232的診斷樹推理機設(shè)計[8,10]，提出一種基于診斷樹的復(fù)合推理機設(shè)計技術(shù)。

如圖5所示，在檢測設(shè)備中對于不同的功能故障內(nèi)置多個診斷樹，診斷樹中每個測試步驟以測試ID為區(qū)分，根據(jù)不同的測試類別設(shè)置了ID區(qū)間，包括機載測試、檢測儀測試和協(xié)同測試，其中機載測試主要是BIT測試，檢測儀測試包括對通測試和性能測試，協(xié)同測試以串件測試、線纜測試為主。執(zhí)行過程中，通過識別ID調(diào)用推理機，驅(qū)動自動測試，通過測試結(jié)果反饋診斷樹進行結(jié)果判斷，完成每個診斷樹的故障檢測隔離，直至完成全部功能樹的故障檢測隔離。

圖5 基于診斷樹的復(fù)合式推理機技術(shù)示意圖

4 測試驗證

4.1 本文原位性能檢測架構(gòu)與高效測試技術(shù)測試驗證

為驗證本文所提出的原位性能檢測架構(gòu)與測試方法，分別選擇本文原位性能檢測架構(gòu)測試方法、高精度測試儀器測試方法，以及傳統(tǒng)檢測設(shè)備測試方法[8]進行比對，對某型航空CNI系統(tǒng)進行實測。

如圖6所示，針對音頻分析進行實測，與理論指標(biāo)要求進行比對。由圖6可知,本文采用的測試方法完全符合指標(biāo)要求?？紤]到CNI系統(tǒng)外場測試中，對于音頻分析的傳統(tǒng)測試主要依賴人工檢測，或者依賴音頻分析儀分析測試，傳統(tǒng)外場檢測儀中不具備可量化的音頻分析測試能力，因此圖6中試驗驗證了本文方法中檢測設(shè)備具備該能力，與其他方法不作對比。

圖6 通信功能音頻分析實測比對

在測試中針對通信、導(dǎo)航、識別三種功能根據(jù)對象測試要求，改變其工作模式、資源、參數(shù)等配置，分別進行頻譜分析和靈敏度分析測試，將實測后的數(shù)據(jù)采用歸一化方法進行比對，如圖7所示。通過實測數(shù)據(jù)的歸一化偏差可以看出，對比相同情況下采用相同的高精度測試儀器，本文提出的新架構(gòu)下的檢測設(shè)備及測試方法在CNI功能測試中，各種測試結(jié)果與采用高精度測試儀器的偏差很??；而采用傳統(tǒng)架構(gòu)下檢測設(shè)備與測試方法的測試數(shù)據(jù)與采用高精度測試儀器的偏差較大。主要原因在于本文方法在測試計算中增加了不同頻率下空間信號的測試校準(zhǔn)因素，從而使得本文檢測設(shè)備在精度上得到提升，一定程度證明了本文創(chuàng)新架構(gòu)下的檢測設(shè)備與測試方法的效果提升。但是考慮測試過程中電磁環(huán)境、位置標(biāo)定以及頻率標(biāo)定與實際測試頻率的偏差，在試驗中本文方法與高精度測試設(shè)備還存在一定的差異。

圖7 CNI頻譜分析與靈敏度分析實測比對圖

4.2 基于本文復(fù)合推理機的診斷驗證

為驗證本文提出的復(fù)合推理機的自動化程度提升，選用CNI中某功能，在電源模塊2中通過故障注入進行仿真測試。如圖8所示，顯示界面自動完成整個測試流程，根據(jù)診斷流程在測試前期就準(zhǔn)確定位到電源模塊2故障，同時給出診斷結(jié)果與操作建議形成協(xié)同驅(qū)動。

圖8 CNI故障注入仿真試驗顯示

為驗證本文提出的復(fù)合推理機的診斷能力提升，對某型航空CNI系統(tǒng)選取了16種故障機載測試無法覆蓋的故障模式，其中每種故障模式平均關(guān)聯(lián)的下級故障數(shù)位4.81，模糊度在4～9之間，分別采用傳統(tǒng)檢測儀測試判斷[8]和內(nèi)置本文推理機的檢測設(shè)備進行測試，結(jié)果如表1所示。

表1 本文復(fù)合推理機的診斷驗證表

由表1可知，采用傳統(tǒng)檢測儀測試可以解決部分機載測試不能診斷的故障，在本文選擇的樣本中，可以覆蓋9種，而采用本文推理機檢測設(shè)備可以覆蓋全部16種故障。主要原因是文獻[8]方法中沒有采用本文的性能測試方法，在音頻分析上不具備可量化的性能測試能力；在靈敏度與頻譜分析測試方面，由于沒有引入本文的校準(zhǔn)方法，測試精度不足，這些都影響了性能相關(guān)故障的檢測精度。而本文方法增加了音頻分析的量化分析能力，同時提升了靈敏度與頻譜分析測試精度，一定程度上提升了與性能相關(guān)的靈敏度和頻譜分析測試能力，而本實驗中選擇的故障模式均為機載測試無法覆蓋的故障模式，多數(shù)屬于“性能下降”類故障模式，因此驗證了本文所提方法的診斷能力得到了提升。

設(shè)定能完全實現(xiàn)自動化表中用勾表示，完全依賴人工則為空，能通過提示、交互配合人工實現(xiàn)的設(shè)定為半自動化，用半勾表示。對于這16種故障分析診斷流程的自動化程度，傳統(tǒng)檢測儀測試判斷，在支持傳統(tǒng)推理機的基礎(chǔ)上，在外場檢測和診斷方面可以實現(xiàn)自動化，但是由于推理機能力的限制，在機載測試和串件方面無法實現(xiàn)自動化；而本文推理機檢測設(shè)備由于推理機的復(fù)合能力，在機載測試可以實現(xiàn)自動化，但是在串件方面僅可以實現(xiàn)交互式提示與驗證，無法實現(xiàn)完全自動化。該試驗可以證明，本文復(fù)合推理機診斷驗證在診斷能力和診斷自動化程度上效果均提升明顯。

5 結(jié) 論

針對機載CNI系統(tǒng)外場檢測廣泛存在的檢測覆蓋率低、性能測試能力不足、測試診斷效率低等問題，改進了一種面向機載CNI系統(tǒng)外場性能原位檢測技術(shù)，設(shè)計了一種基于診斷樹的復(fù)合推理機，提升了外場檢測的自動化測試程度。外場實測驗證了本文所提技術(shù)的有效性。