一種基于I/Q數(shù)據(jù)存儲的射頻電路故障診斷平臺的設計研究

朱維瑋，臧宏，陶軒

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

基于I/Q數(shù)據(jù)存儲的射頻電路故障診斷平臺（以下簡稱“故障診斷平臺”）是根據(jù)射頻電路板上元器件維修需要，設計研發(fā)的故障診斷平臺。通過采集存儲射頻電路任何一級輸出的正常工作信號，不僅可以對這些信號進行分析，更關鍵的是可以將這些信號重新注入故障電路模塊中，可以對電路模塊的輸出進行對比分析，從而完成故障的判定，是一種運用綜合數(shù)字射頻存儲技術的新型射頻電路故障診斷方法。

1 研制指導思想

故障診斷平臺的研制遵循以下指導思想。

可靠：具有較高的可靠性，在總體設計及硬件選擇時作為首要考慮因素。

先進：采用行業(yè)主流及成熟的工業(yè)測試技術，具備較強的擴展性。

易用：提供良好的人機界面以及清晰明確的測試接口，易于進行測試適配器與測試軟件的開發(fā)。

資源全面：提供較全面的硬件測試資源以及軟件開發(fā)工具，便于在不增加或少量增加資源的情況下即可開發(fā)新的測試項目。

需求牽引：以射頻電路板上元器件維修為需求牽引，不僅可以對射頻電路任何一級輸出的正常工作信號進行分析，還可以將這些信號重新注入故障電路模塊中，對電路模塊的輸出進行對比分析，從而很輕松地完成故障的判定。

延續(xù)性：在方案設計、硬件配置選型上參考以往系統(tǒng)的研制經驗，不斷優(yōu)化、完善、升級各項技術與人機接口。

2 總體設計

故障診斷平臺采用標準臺式儀器組成，包括信號采集存儲設備、I/Q數(shù)據(jù)記錄設備、射頻信號重建與注入設備、探頭、交換機、高性能主控機組成。組成框圖如圖1所示。

圖1 射頻電路診斷平臺硬件組成

故障診斷平臺可對電路板進行快速診斷和故障定位，其中包含射頻信號變頻接收、海量信號數(shù)據(jù)高速采集記錄存儲管理、模擬回放重建、信號分析處理、信號對比、故障診斷、信號對比報告生成等功能。該故障診斷平臺軟件提供豐富準確的提示信息、靈活簡單的操作指令，確保診斷工作的快速進行，同時也是保證對機載電路板故障診斷的準確率。

儀器采用了高性能微波儀器作為射頻收發(fā)前端，整個射頻收發(fā)系統(tǒng)動態(tài)范圍大、失真小、靈敏度高，射頻性能指標達到了儀器量級。

故障診斷平臺包括標準上架式的4U高的射頻信號采集存儲設備、4U高的射頻信號重建與注入設備、2U高的I/Q數(shù)據(jù)記錄設備、1U高的標準KVM鍵盤顯示一體機、2U高的工作控制計算機，共13U的高度，以及內置1U高的高速交換機和1U高的PDU電源分配單元。采用定制22U小型化機柜的形式進行系統(tǒng)集成。

3 硬件設計

（1）定制22U小型化機柜。設備機柜采用定制22U小型化機柜的形式進行系統(tǒng)集成。結構方案如圖2所示。

圖2 定制機柜結構方案圖

（2）信號采集設備。信號采集設備采用的頻譜分析儀。具備出測試動態(tài)范圍、相位噪聲、幅度精度和測試速度，具備強大的頻譜分析、符合標準的功率測量組件、I/Q分析、瞬態(tài)分析、脈沖參數(shù)分析、音頻分析、模擬調制測量、矢量信號測試等多種測試功能。良好的擴展能力，可通過多種數(shù)字和模擬輸出接口構建測試系統(tǒng)或進行二次開發(fā)。設備采用11.6英寸觸摸顯示屏，測試細節(jié)顯示更全面、更直觀。參數(shù)設置菜單簡潔，一鍵直達參數(shù)設置。多測量模式并行運行與顯示，模式切換方便高效。

A.環(huán)境適應性。工作溫度、濕度、低氣壓、正弦振動、功能沖擊、傾斜跌落滿足GJB3947A-2009中3.8的3級設備要求，具體要求如下：a.貯存溫度：-40～+70℃；b.工作溫度：0～50℃；c.相對濕度：溫度低于10℃時濕度不加控制；溫度為10～30℃時，相對濕度為5%～95%；溫度為30～40℃時，相對濕度為5%～75%；溫度為40℃以上時，濕度為5%～45%；d.低氣壓（海拔高度）：4600m；e.隨機振動：頻率5～100Hz時，功率譜密度0.015g2/Hz；頻率100～137Hz，斜率-6dB/oct。頻率137～350Hz，功率譜密度0.075g2/Hz；頻率350～500Hz，斜率-6dB/oct；頻率500Hz，功率譜密度0.0039g2/Hz；f.功能沖擊：滿足196m/s2（20g）半正弦沖擊試驗，脈沖寬度大于11ms，每個軸向3次；g.傾斜跌落：正常工作狀態(tài)下，以一個邊作為支點，底座的對邊高度抬高100mm，自由跌落方式，每個放置面4次。

B.安全性。符合GJB3947A-2009中3.10的規(guī)定。設備的電源輸入端與機殼之間（電源開關置于接通位置）在試驗用標準大氣壓下應不小于100MΩ，在潮濕環(huán)境下應不小于2MΩ。

C.可靠性。應符合GJB3947A-2009中3.12的規(guī)定，MTBF≥5000h。

（3）I/Q數(shù)據(jù)記錄儀。數(shù)據(jù)記錄儀實時I/Q數(shù)據(jù)的高速記錄、回放和轉儲，具有12TB（可擴展）的存儲容量和高速的光纖、網(wǎng)絡接口。與信號/頻譜分析儀等儀器配合使用時，可實現(xiàn)電磁信號的無縫捕獲和存儲，能夠提供有效數(shù)據(jù)長時間無縫記錄。

數(shù)據(jù)記錄儀采用2U標準臺式機箱，機箱前面板包括記錄儀維護面板、電源開關、剩余容量數(shù)碼管以及記錄、回放、轉儲、故障、單通道、多通道指示燈，后面板包括交流220V電源插座、千兆網(wǎng)絡接口、6路光纖FC插座、接地柱與保險絲。

（4）矢量信號重建設備。矢量信號重建設備采用1465C-V信號發(fā)生器。該型矢量信號發(fā)生器1GHz內部調制帶寬和2GHz外部調制帶寬的實時帶寬指標，滿足各種寬帶信號的模擬需求。具有優(yōu)異的頻譜純度和輸出功率指標，尤其是10GHz載波@10kHz頻偏達到-126dBc/Hz，滿足對測試信號要求苛刻的測試需求。全頻段EVM＜1.4%（4Msps），達到計量級設備要求。支持PSK、QAM、FSK，ASK等20余種通用調制格式和5種下載格式的任意波調制，可以根據(jù)需要編輯、下載配置所需要的波形，完成各種信號模擬，滿足各種復雜信號的測試需求。

A.外形及尺寸。435mm×178mm×498mm（不包括把手和防護底角）。

B.環(huán)境適應性。貯存溫度、工作溫度、濕度、低氣壓、正弦振動、功能沖擊、傾斜跌落滿足GJB3947A-2009中3.8的4級設備要求。a.貯存溫度：-40～+70℃；b.工作溫度：0～40℃；c.相對濕度：溫度低于10℃時濕度不加控制；溫度范圍為10～30℃時，相對濕度為5%～95%；溫度范圍為30～40℃時，相對濕度為5%～75%；d.低氣壓（高度）：海拔4600m；e.隨機振動：頻率5～100Hz，功率譜密度0.015g2/Hz；頻率100～137Hz，斜率-6dB；頻率137～350Hz，功率譜密度0.0075g2/Hz；頻率350～500Hz，斜率-6dB；頻率500Hz，功率譜密度0.0039g2/Hz。

C.可靠性。符合GJB3947A-2009中3.12的要求，MTBF≥5000h。

（5）控制計算器?？刂朴嬎銠C選用IPC-510H。機箱：IPC-510，主板：AIMB-785G2，CPU：I7-6700內存：16G，硬盤：1T機械硬盤，鍵鼠：USB，操作系統(tǒng)：WIN7正版（表1）。

表1 設備主要硬件構成

4 主要功能

4.1 射頻信號采集、存儲功能

當測試探針接觸到電路后，射頻信號采集系統(tǒng)在運行過程中既能夠通過屏幕顯示的瀑布圖等圖像實時監(jiān)測輸入信號和整機狀態(tài)，也能夠實時記錄采集。信號分析儀將接收射頻信號通過變頻生成中頻信號，中頻信號由高速ADC進行數(shù)據(jù)采集后變?yōu)閿?shù)字信號，再經過FPGA進行數(shù)字下變頻等預處理轉化為I/Q數(shù)據(jù)流，并持續(xù)進入到信號處理與分析單元，進行加窗、FFT運算、軌跡檢波等，最后將運算結果通過嵌入式計算機進行顯示處理。利用它們，很方便地為使用者提供特征信息，從而能非常容易地發(fā)現(xiàn)電路板上的故障。

同時，在記錄模式下，整個故障診斷平臺可以實時將I/Q數(shù)據(jù)流通過光纖傳入I/Q數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中進行流盤，完成采集數(shù)據(jù)的海量存儲，存儲的數(shù)據(jù)流采用數(shù)據(jù)包的格式，除包含存儲的數(shù)據(jù)外，還包含用戶設定的中心頻率、頻寬等信息，以便在轉儲時能夠提供詳細的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)信息可用來構建射頻信號大型數(shù)據(jù)庫，以備以后對其他電路板進行比對測試。記錄界面示意圖如圖3所示。

圖3 記錄界面示意圖

4.2 射頻信號重建、回放功能

記錄儀中存儲的數(shù)據(jù)又可以通過光纖持續(xù)的回放給射頻信號采集系統(tǒng)中，通過高速信號處理單元的預分析或主機的離線深度分析軟件，完成存儲數(shù)據(jù)的回放分析，回放分析界面如圖4所示。

圖4 回放分析界面示意圖

在信號回放重建過程中，I/Q數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)能夠導入射頻信號重建系統(tǒng)中進行信號重建輸出，將記錄的信號還原出來。將I/Q數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中的信號I/Q數(shù)據(jù)輸入射頻信號重建系統(tǒng)中，通過高速DAC轉換I/Q基帶信號，通過矢量調制器或射頻上變頻器，將I/Q數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)I/Q信號變成射頻信號，完成記錄信號的模擬重建。

射頻信號重建系統(tǒng)具有任意波功能，通過點擊主屏幕的信號模擬按鈕，選擇任意波即可彈出任意波配置窗口。

4.3 雙通道頻譜測量、圖像化顯示功能

該故障診斷平臺可在好板和故障板的相同點同時進行測量，對比二者的等效電路和元件的量值。應用該方法，一旦某點超出允許的測量誤差，即找到了故障點，示意圖見圖5。

圖5 合格板和故障板的相同點同時進行測量示意圖

5 軟件功能

IQ數(shù)據(jù)存儲設備軟件可完成對采集數(shù)據(jù)的存儲、查詢、處理等功能。其工作流程如圖6所示。

圖6 I/Q數(shù)據(jù)存儲設備軟件流程圖

故障診斷平臺存儲設備軟件使用labview軟件編寫環(huán)境，主要由以下幾個模塊構成。

（1）數(shù)據(jù)庫自檢模塊。故障診斷平臺數(shù)據(jù)庫具備數(shù)據(jù)自檢功能，通過對數(shù)據(jù)庫內容進行采樣與分析獲得數(shù)據(jù)庫內數(shù)據(jù)特征，防止數(shù)據(jù)丟失或誤碼。

（2）數(shù)據(jù)存儲及查詢模塊。故障診斷平臺使用LAN總線接收來自下位機的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經篩選后分配至對應類型的存儲模塊。查詢時通過用戶輸入的檢索信息直接查詢對應模塊，降低檢索時間。數(shù)據(jù)檢索可以同時將多個信號同時進行圖形化處理，也對調取的多個信號進行對比。

（3）人機交互模塊。軟件提供了便捷的軟件交互界面，可以直接對數(shù)據(jù)進行查詢，獲取射頻信號的分析結果及原數(shù)據(jù)包，同時可以將提取的數(shù)據(jù)反饋至信號回放設備中，軟件提供了完整的SDK工具包，支持用戶對檢索邏輯進行二次開發(fā)。

（4）信號再處理模塊。故障診斷平臺支持將已采集的數(shù)據(jù)進行二次分析，可以在已采集信號的基礎上進行處理，通過仿真手段自定義信號分析后，反饋至數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)（圖7和圖8）。

圖7 主面板

圖8 自檢完成

6 結語

故障診斷平臺研制過程中，最大限度地繼承現(xiàn)有成熟技術，充分發(fā)揮了標準化在研制中的指導與技術保證作用。產品貫徹通用化、系列化、模塊化要求，對系統(tǒng)內所有設備、單元、零部件、原材料、電子元器件進行優(yōu)化設計，并在選用上進行監(jiān)督、控制，壓縮品種和規(guī)格，形成不同層次的系列化，以滿足射頻電路板故障診斷的發(fā)展需求。