便攜式無線電綜合測試系統(tǒng)設計

柳 穎,宗長龍,周 婷

(中國人民解放軍91114部隊，上海 200434)

0 引言

隨著科技和國防建設的發(fā)展，軍用無線通信設備得到廣泛的使用。針對設備日常使用、維護和保障就提出了更高的要求。傳統(tǒng)的無線電臺的性能指標測試依賴于通用的綜合測試儀，但絕大部分綜合測儀都沒有針對具體的無線通信設備開發(fā)出自動的測試程序，在指標測試時還需要操作人員結(jié)合指標的測試流程手動逐步完成，對操作人員的專業(yè)水平有很高的要求，而且效率較低[13]。其次，大量測試結(jié)果數(shù)據(jù)還需要采用人工記錄的方式，沒有能結(jié)合現(xiàn)代計算機技術進行有效的統(tǒng)計、處理、分析和查詢。

綜上所述，需要研制出一款重量輕、體積小、性價比高、便于攜帶的面向通用模擬、數(shù)字調(diào)制以及專用制式通信設備的無線電綜合測試系統(tǒng)。早在1997年，美國國家儀器公司就推出了PXI總線技術，它綜合了PCI、CompactPCI堅固的插卡結(jié)構、VME總線、VXI總線和GPIB總線的優(yōu)點，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、兼容性強、模塊化、小型化、高性能和高集成度的特點，迅速應用于各測試領域和診斷平臺[1]。PXI Express總線(PXIe)是PXI總線的擴展，它以具有高數(shù)據(jù)吞吐量、模塊化集成等關鍵技術優(yōu)勢[2]成為當今測試行業(yè)的主流。便攜式無線電綜合測試系統(tǒng)以PXIe機箱為主體，具有8個PXIe槽位，以PXIe的嵌入式計算機為主控，通過PXIe總線控制PXIe測試資源[3]進行測試及測試數(shù)據(jù)處理，各PXIe測試資源具體實現(xiàn)被測通信裝備的性能指標測試。

1 系統(tǒng)結(jié)構和原理

無線電綜合測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)結(jié)構組成如圖1所示。硬件平臺主要是完成對被測通信設備整機的測試激勵的產(chǎn)生、響應信號的采集與分析，通過開關網(wǎng)絡與被測裝備之間接口的連接等功能。測試系統(tǒng)軟件包括平臺軟件和測試程序兩大部分，平臺軟件提供一個通用的測試執(zhí)行軟件系統(tǒng)環(huán)境，測試程序則是在此環(huán)境下開發(fā)的具體被測通信裝備的性能指標測試程序。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構組成框圖

便攜式無線電綜合測試系統(tǒng)主要用于短波電臺、超短波電臺、甚高頻電臺、全波接收機等一系列無線通信設備整機關鍵指標的自動測試，具體見表1。

2 硬件平臺設計

無線電綜合測試系統(tǒng)硬件平臺由主控制器(PXIe

表1 無線電綜合測試系統(tǒng)覆蓋的關鍵測試指標

零槽控制器)、顯示屏、各種測試模塊、USB HUB、LAN HUB、衰減器、電源轉(zhuǎn)換單元和測試接口適配器等部分組成。硬件平臺組成如圖2所示。

圖2 硬件平臺組成框圖

其中零槽控制器采用Inteli7處理器，8 G內(nèi)存，240 G SSD固態(tài)硬盤。測試模塊包括矢量信號源(RFSG)、射頻功率計、射頻頻率計、頻譜分析儀(RFSA)、數(shù)字IO、射頻開關、音頻信號源、音頻信號分析儀等模塊。主控制器對外接口主要包括LVDS接口、USB接口、網(wǎng)口、RS232串口，電源轉(zhuǎn)換單元是將AC220V轉(zhuǎn)換為5 V、3.3 V、12 V，給內(nèi)部資源供電。測試接口適配器主要針對無線通信設備的對外接口進行設計，具體包括天線口、音頻口、數(shù)據(jù)口、遙控口等接口。

2.1 硬件參數(shù)

測試系統(tǒng)的測試資源需根據(jù)被測無線通信裝備整機指標要求進行配置，即在進行具體指標的測試時，需要配備什么儀器模塊給定測量所需的激勵信號，通過什么儀器模塊采集測試后的響應信號，測量過程中又需要哪些控制模塊來配合實現(xiàn)。測試資源的配置需求如表2所示。

硬件測試資源不僅要保證測試系統(tǒng)能測試，還要保證測試準確、可靠，同時測試量程也需留有一定的測試余量。因此測試資源的硬件參數(shù)要求如下：

1)產(chǎn)生矢量信號能力。頻率范圍：1 MHz～6 GHz；電平范圍：-120～-10 dBm；頻率準確度：≤5×10-7Hz；FM調(diào)制率：0 Hz～40 kHz，調(diào)制頻偏：0 Hz～100 kHz；AM調(diào)制率：0 Hz～40 kHz，調(diào)制深度：0～100%；

2)頻譜及調(diào)制分析能力。頻率測量范圍：1 MHz～6 GHz；電平范圍：-90～+47 dBm；顯示平均噪聲電平：-120 dBm；解調(diào)類型：支持AM、FM及數(shù)字調(diào)制等方式。

3)頻率測量能力。測量范圍：1 MHz～6 GHz；分辨率：1 Hz；測量準確度：≤5×10-7Hz；靈敏度：≤15 dBm。

4)功率測量能力。頻率范圍：1 MHz～6 GHz；功率測量范圍：0～+47 dBm。

5)音頻輸出能力。頻率范圍：10 Hz～20 kHz；頻率準確度：≤±1×10-4Hz；電壓范圍：±7 Vrms(50 Ω負載)；輸出波形類型：直流、正弦波、雙音等波形。

6)音頻/波形分析能力。頻率范圍：10 Hz～40 kHz；頻率準確度：≤±1×10-4Hz；電壓最大輸入：1 mVrms～10 Vrms；信納德測量范圍：0～60 dB；失真度測量范圍：0～100%。

7)串口。1路RS232串口。

8)網(wǎng)口。通道：1路RJ-45接口；速率：10 M/100 M速率自適應。

2.2 硬件選型

根據(jù)測試資源的配置需求進行如下測試資源選型：

1)矢量信號源采用NI公司的PXIe-5841矢量信號源模塊，具有射頻信號發(fā)生、模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制等功能。

2)射頻頻率/功率計采用Mini-circuit公司的USB功率計模塊，主要用于測量被測射頻信號的輸出功率和頻率誤差。

3)頻譜分析儀采用NI公司的PXIe-5841射頻信號分析儀模塊，具有頻譜分析、模擬和數(shù)字解調(diào)分析的功能。

表2 測試資源配置需求明細表

4)數(shù)字IO采用USB數(shù)字IO模塊，主要用于模擬PTT開關信號和控制開關網(wǎng)絡的切換。

5)射頻開關采用USB射頻開關模塊，主要用于提供射頻信號與測試儀器間的切換與復用。

6)音頻信號發(fā)生器和音頻信號分析儀采用NI公司的PXI-4461音頻信號分析儀模塊，主要用于提供音頻信號的產(chǎn)生、采集與分析。

7)網(wǎng)口采用零槽控制器上自帶的網(wǎng)口。

8)RS232接口采用USB串口模塊。

3 平臺軟件設計

平臺軟件提供一個通用的測試執(zhí)行軟件系統(tǒng)環(huán)境，它對測試程序集解釋，設置測試條件，向被測設備發(fā)送測試激勵、并從被測設備接收響應，將響應數(shù)據(jù)和指標標準數(shù)據(jù)執(zhí)行比較判斷，生成測試報表。無線電綜合測試系統(tǒng)的平臺軟件運行于Win7以上的操作系統(tǒng)，使用VisualSdudio編程語言實現(xiàn)。其主要功能模塊包括用戶管理、被測設備及測試項目管理、測試執(zhí)行、測試查詢、儀器軟面板、儀器類驅(qū)動程序庫等，平臺軟件設計如圖3所示。

圖3 平臺軟件設計框圖

用戶管理模塊主要負責用戶的權限管理和用戶登錄，用戶權限分為一般用戶、高級用戶和管理員用戶。其中一般用戶只能使用系統(tǒng)中已有被測設備及測試項目的測試功能；管理員用戶除具有一般用戶的權限外還可以添加被測設備和測試項目；高級用戶登錄后則可以進入測試儀器界面，使用系統(tǒng)提供的矢量信號源、射頻功率計、射頻頻率計、頻譜分析儀、數(shù)字IO、音頻信號發(fā)生器、音頻信號分析儀、網(wǎng)口和串口等9個獨立儀器功能。

測試執(zhí)行模塊則根據(jù)用戶實際測試項目的選擇情況，依次調(diào)用測試項目對應的動態(tài)鏈接庫[8]。該動態(tài)鏈接庫再調(diào)用相關的儀器類驅(qū)動函數(shù)執(zhí)行硬件的操作，順序顯示每個測試項目的序號、名稱、數(shù)據(jù)、判據(jù)以及結(jié)果，其中測試判據(jù)以及特定的測試參數(shù)可由用戶設置并傳遞到動態(tài)鏈接庫中，測試結(jié)束后把顯示的信息自動存儲為文件，并存放至測試數(shù)據(jù)文件夾下。

測試查詢模塊主要用于查詢歷史的測試數(shù)據(jù)[10]，每次測試執(zhí)行完都會生成一個測試報表文件，該文件按照時間進行排序，該模塊可以選定某個測試報表文件并打開該文件，顯示具體的測試數(shù)據(jù)，該顯示格式與測試執(zhí)行模塊顯示的格式一致。

儀器軟面板模塊包括矢量信號源、射頻功率計、射頻頻率計、調(diào)制分析儀、數(shù)字IO、音頻信號發(fā)生器、音頻信號分析儀、射頻開關、網(wǎng)口和串口等九個儀器的操作界面，通過該儀器界面可以調(diào)用相關的儀器類驅(qū)動函數(shù)執(zhí)行硬件操作。該模塊適用于高級用戶，只有高級用戶才能激活該模塊。作為高級用戶可以利用系統(tǒng)的測試資源進行二次開發(fā)，即測試程序集的開發(fā)。如對某接收機進行性能指標測試時需增加該接收機的失真度參數(shù)測試，編程時只需調(diào)用音頻信號分析儀驅(qū)動庫中的“讀取失真度值”函數(shù)即可實現(xiàn)。通過二次開發(fā)，可以給已有的被測設備添加更多的測試項目，甚至是添加新的被測設備及其測試項目。

儀器類驅(qū)動庫是針對無線電綜合測試系統(tǒng)的每個硬件功能模塊編制的驅(qū)動函數(shù)，該函數(shù)庫按照儀器類別進行區(qū)分，包含儀器初始化、儀器關閉、儀器參數(shù)設置、儀器執(zhí)行等功能。由于采用了儀器類的封裝形式，所以無線電綜合測試系統(tǒng)的硬件功能模塊發(fā)生指標的升級或改變，并不會影響到上層測試項目庫的變更，也不會影響到儀器軟面板的變更。另外該儀器類驅(qū)動庫是對用戶開放的，用戶可以利用這些庫函數(shù)在第三方的開發(fā)環(huán)境中編制全新的測試項目庫或是修改已有的測試項目庫。

對于每個被測設備，在指定的測試庫路徑下都有一個文件夾，用于存放各自的測試項目庫。測試項目庫是描述某個測試項目的方法和流程的動態(tài)鏈接庫，該測試項目庫由被測設備及測試項目管理模塊進行管理，由測試執(zhí)行模塊進行調(diào)用。同時，對于每個被測設備，在指定的測試數(shù)據(jù)路徑下都有一個文件夾，用于存放各自的測試數(shù)據(jù)庫。測試數(shù)據(jù)庫是每次測試報表文件的集合，該測試數(shù)據(jù)庫由測試執(zhí)行模塊生成，由測試查詢模塊進行管理，包括顯示和打印。平臺軟件流程如圖4所示。

圖5 測試連接示意圖

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 測試系統(tǒng)實現(xiàn)

在具備了性能優(yōu)良的測試執(zhí)行硬件和軟件平臺后，為實現(xiàn)各種無線通信裝備的性能指標測試，其測試程序集的開發(fā)是關鍵。一個完整的測試程序集包括：儀器參數(shù)的設置、電臺控制操作、測試方法的算法等。電臺是在很多個頻點上工作的通信設備，且有

圖4 平臺軟件流程圖

多種工作方式[9]。因此通信裝備的自動測試程序集是按照修理技術標準選取有限的具有代表性的工作頻點在選定工作方式下進行編寫的。測試前需使用電纜正確連接被測裝備與便攜式無線電綜合測試系統(tǒng)，測試連接如圖5所示。

便攜式無線電綜合測試系統(tǒng)通過其后面板上的音頻/數(shù)據(jù)口實現(xiàn)被測電臺的遙控設置、音頻輸入、音頻輸出、PTT發(fā)射控制等。被測電臺的天線口與測試系統(tǒng)的射頻收發(fā)口相連，當被測電臺的發(fā)射功率超過50 W時需外接功率衰減器。

4.2 測試方案

4.2.1 發(fā)射功率、頻率誤差測試

在進行發(fā)射功率及頻率誤差的指標測試時，射頻開關1需切換至“1”通道，使被測電臺天線口的信號切換至功率/頻率計模塊，即圖5中的“FCPM”內(nèi)部。將測試系統(tǒng)音頻/數(shù)據(jù)口中的RS232串口信號與被測電臺的遙控口相連，軟件設置被測電臺的不同功率等級(小功率、大功率)和不同頻率。操作數(shù)字IO，將PTT信號置低，使電臺處于發(fā)射狀態(tài)；軟件操作功率/頻率計，讀取并記錄發(fā)射功率數(shù)值。

頻率誤差的測試方法與發(fā)射功率的測試相似，只是頻率誤差的測量需將電臺的發(fā)射功率設置為“小功率”狀態(tài)。軟件操作功率/頻率計，讀取頻率數(shù)值。

4.2.2 調(diào)制靈敏度、調(diào)制特性測試

進行調(diào)制靈敏度及調(diào)制特性的指標測試時，需通過測試軟件將射頻開關1(RFSW1)切換至“2”通道，將射頻開關2(RFSW2)連接至頻譜分析測量通道(RFSA)。

調(diào)制靈敏度指標的測試過程如下：使用串口控制電臺處于“小功率”狀態(tài)；操作數(shù)字IO模塊，將PTT信號置低，使電臺處于發(fā)射狀態(tài)；操作音頻信號發(fā)生器：輸出一個音頻信號(頻率1 kHz，電平值步進增加)，對被測電臺進行調(diào)制；操作頻譜分析儀：使用頻偏測量功能測量整機輸出信號的頻偏值。判定測量的頻偏值是否為額定頻偏，如果是則記錄此時音頻信號發(fā)生器的輸出信號電壓，如果否則繼續(xù)步進增加音頻信號輸出電壓。記錄下的音頻信號發(fā)生器的輸出信號電壓值即為被測電臺的調(diào)制靈敏度。

調(diào)制特性的指標測試過程與調(diào)制靈敏度相似：操作音頻信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率1 kHz的信號，對被測電臺進行調(diào)制；操作頻譜分析儀：使用頻偏測量功能，當達到額定頻偏值時記錄此時的音頻信號輸出電壓幅度；改變音頻信號發(fā)生器的頻率，一般設置300 Hz、500 Hz、2 kHz、3 kHz，重復上述測量過程。記錄下這幾個音頻信號的輸出電壓幅度，分別與1 kHz音頻時的電壓幅度作比較，其差值便是調(diào)制特性。

4.2.3 接收機靈敏度、音頻失真系數(shù)、音頻響應測試

進行接收機性能的測試時，需通過測試軟件將射頻開關1(RFSW1)切換至“3”通道，將射頻開關3(RFSW3)連接至矢量信號源輸出通道(RFSG)。操作矢量信號源：按規(guī)定的測量頻率將標準調(diào)制的射頻信號輸出至被測裝備的天線口。操作音頻信號分析儀：測量輸出音頻信號的信噪比，當信噪比大于12 dB時，步進減小矢量信號源的輸出電平，當音頻信號的信噪比小于等于標準信噪比時，記錄此時的矢量信號源輸出電平，即為接收機靈敏度。音頻失真系數(shù)的測試流程如圖6所示。

圖6 音頻失真系數(shù)測試流程圖

音頻響應的定義為：在恒定頻偏的確定輸入信號下,調(diào)制信號頻率與輸出信號電平的變化關系[6]。其測試方法是在測試接收機靈敏度指標的基礎上進行的。操作射頻信號源，使調(diào)制頻率在音頻范圍內(nèi)改變，使用音頻分析模塊測量出接收機音頻輸出電壓值，再根據(jù)公式計算出不同調(diào)制頻率的音頻響應。具體測試流程如圖7所示。

圖7 音頻響應測試流程圖

4.3 測試性能分析

在明確測試方案的基礎上，編寫了四型無線通信裝備的性能指標測試程序集，根據(jù)電臺接口定義制作4種匹配連接電纜，進行實機測試。測試表明測試系統(tǒng)可完成上述電臺的頻率誤差、發(fā)射功率、調(diào)制特性、接收靈敏度、音頻失真系數(shù)、音頻響應等性能指標測試，主要技術指標的測試覆蓋能力為100%，測試準確率達到95%以上。測試系統(tǒng)的連續(xù)工作時間不小于24小時。

5 結(jié)束語

便攜式無線電綜合測試系統(tǒng)主要用于短波電臺、超短波電臺、全波接收機等一系列無線通信設備整機關鍵指標的自動測試，集成度高，測試簡便，極大地提高了檢測效率。通過匹配外置功率衰減器的方法實現(xiàn)大功率發(fā)射機的發(fā)射性能指標測試；通過網(wǎng)口外接矢量信號源的方法，可實現(xiàn)雙矢量信號源需求的接收機性能指標測試，如帶外互調(diào)、中頻抗拒比、鏡頻抗拒比、阻塞等指標的測試。該測試系統(tǒng)不僅能利用測試資源進行二次開發(fā)，給已有的被測通信設備添加更多的測試項目，而且能添加新的被測設備及其測試項目。目前該測試系統(tǒng)已在通信裝備的修理機構試用，有效解決了通信裝備自動化檢測的難題，滿足了通信裝備快速檢測修理的需要[13]。