无线电收发信机自动测试系统的设计

2017-01-12谢志华

广东通信技术 2016年12期

关键词：衰减器自动测试仪器仪表

［谢志华］

无线电收发信机自动测试系统的设计

［谢志华］

目前无线电收发信机的自动测试普遍存在专用性强，跨频段不通用的问题。分析了无线电收发信机的分类和测试需求，提出了具有良好通用性的无线电收发信机自动测试系统的硬件和软件设计方法，该设计可以满足自动测试系统检测和验证的标准。

无线电收发信机自动测试射频信号调理谢志华

广州通导信息技术服务有限公司。

1 引言

1.6 ～600 MHz的无线电收发信机是我国军民广泛使用的无线电通信设备，其中按频段可分为高频（即短波，HF频段）、甚高频（即超短波的VHF频段）和超高频（即超短波的UHF频段）3个频段,按调制方式可分为调幅（包含边带调制）、调频两种调制方式，按信号处理方式可分为模拟和数字化设备，按功率大小又分为微功率、小功率、中功率、大功率、超大功率等功率等级。国内多个长期从事上述通信设备的研发和制造工作的知名厂家在整机调试检验的过程中，广泛采用了自动测试系统来进行电性能指标的测试，以提高生产效率。但是各厂家的自动测试系统普遍存在专用性强，跨频段不通用的问题。其原因主要是厂家前期对自动测试系统的通用性欠缺考虑，从而造成仪器仪表资产的重复投资。为此，本文对适用于多种无线电收发信机的自动测试系统进行了研究，提出了设计和开发方法，使得自动测试系统满足检测和验证的标准。[1]

2 系统的需求分析

目前广泛生产的无线电收发信机产品中，短波设备为调幅方式，其电性能指标以模拟指标为主；超短波（含甚高频和超高频）设备为调频方式，其中超高频设备以数字指标为主，而甚高频设备则是模拟数字指标兼有。三种类型设备的典型测试框图如图1～6所示。[2，3]

图1 模拟基带发射电性能指标测试框图

图2 数字基带发射电性能指标测试框图

图3 模拟单信号源接收电性能指标测试框图

各类设备测试所涉及到的仪器仪表如表1所示。

注：①新一代超短波收发信机增加了数字接收指标的测试，例如数字接收灵敏度，数字双信号选择性等，需用到定制波形信号源，通常厂家会拿另外一台同类型设备充当定制波形信号源。

②数据终端和误码分析仪通常可以用计算机软件来代替。

要最大程度实现多种无线电收发信机的自动测试，一方面要求仪器仪表的共用，另一方面则需要对测试通路进行灵活切换，同时还要保证测试数据的客观性和准确性。

图4 模拟双信号源接收电性能指标测试框图

图5 数字单信号源接收电性能指标测试框图

图6 数字双信号源接收电性能指标测试框图

表1 三类无线电收发信机测试仪器仪表要求

3 系统设计方法

为了使自动测试系统能够兼顾3个频段的设备检测，系统的总体设计思想是通过采用开关、混频、合路等器件将测试信号进行切换，从而实现测试信号调理的目的，因此提出如图7所示的自动测试系统原理框图。

图7 自动测试系统原理框图

如图7所示，系统分为仪器仪表集成和信号调理电路两大部分。

仪器仪表集成包含测试所需的音频信号源、音频分析仪、高频信号源、频谱分析仪、定制波形信号源和计算机。

计算机是自动测试系统的控制核心，负责系统中对所有可控件的控制、测试流程的执行、数据分析、结果记录以及报告生成等功能。

频谱分析仪选型时考虑测试信号的最高频率，超短波UHF频段谐波抑制（最高至三次谐波）指标测试的最大信号范围为1800 MHz，可采用分析范围高于2 GHz的频谱分析仪。

高频信号源要求在具备单载波射频输出的基础上，兼备短波设备测试所需的AM调制输出和超短波设备所需的FM调制输出，可采用最高输出频率高于1 GHz的设备。

音频信号源应具备单声道和双声道输出，音频信号分析仪则要求具有频率、幅度、信噪比（信纳德）和失真度分析等基本功能。

定制波形信号源用于辅助产生被测设备测试所需的特定波形，可采用与被测设备同型号的设备作为辅助信号源。

信号调理电路实现测试信号的切换和调理，以最大程度实现自动测试。控制K1-K7可以将测试信号切换到图1～图6的测试通路。K6和K7用于切换音频信号，可采用常用的继电器。K1-K5应选用高频继电器或者射频开关。射频开关隔离度好，信号泄漏小，但器件成本高；高频继电器成本相对较低，但隔离度比不上射频开关，信号泄漏相对较大。在系统设计的时候，要从用户对系统的具体需求和性价比来考虑器件的选型。如果系统用于质量检测或认证，则要求测试精度和准确度高，应采用射频开关；如果系统用于一般的维修检测，对测试的精度和准确度要求不高，又要求有较好的性价比，则可采用高频继电器的方案。

信号调理电路中的混频器，用于合成测试所需的定制波形。混频器的本振输入端接定制波形发生器，输入幅度固定为7 dBm-13 dBm；混频器的中频输入端接高频信号源，通过调整高频信号的幅度，可以控制混频后输出的射频信号幅度，从而产生测试所需的定制波形。合路器用于射频双信号的合成，当需要采用单信号时，把另外一路信号关闭即可。

信号调理电路中采用了四个衰减器，其中A1为固定衰减器，衰减量一般为30 dB。由于A1连接被测设备的射频端，一方面应选双向衰减器，另一方面，它应能承受足够的射频功率。当前常见的无线电设备中，短波中小功率收发信机最大功率为125 W（51 dBm），超短波收发信机最大功率为50 W（47 dBm），考虑到为系统预留适当的冗余和被测设备故障导致发射功率超额的情况，A1应能承受1 GHz以下100 W（50 dBm），30 MHz以下200 W（53 dBm）的功率容量。同时，也可以按公式（1）计算出K5的功率承受容量。计算得到K5的承受功率容量≥23 dBm，约0.2 W。K5的承受功率容量≥A1的功率容量-A1衰减量（式1）

A4为可调衰减器，其功率容量也应与A1相当。由于大功率的程控可调衰减器很少，可以采用大功率30 dB固定衰减器加小功率0～16 dB可调衰减器解决，这样就可以得到混频器所需的7～13 dBm范围的本振信号。A2和A3用于进一步对仪器仪表的保护。一般测试的情况下，测试接收指标时，被测设备的射频接口是直接接入高频信号源的，如果这个时候用户误操作，使被测设备发射功率，就极易损坏高频信号源。因此，在高频信号源与被测设备之间串联衰减器，以减小因被测设备误发射导致高频信号源损坏的可能性。另外，有的无线电产品射频口还会有直流电源为配套设备供电，A3也有阻隔直流电的作用。如果测试系统中不采用衰减器，就必须采用隔直器隔离射频口到高频信号源之间的直流电，否则会损坏高频信号源。

信号调理电路中的控制电路，负责提供控制接口和具体的控制操作，是计算机控制指令的转发器和执行者。在自动测试系统中，涉及到多个控制接口。除了仪器仪表的控制口之外，还有控制被测设备和辅助设备所需的RS232异步串口，控制继电器的I/O口以及控制可调衰减器的I/O口。计算机本身串口资源有限，没有I/O口，因此，可以通过计算机的USB口进行扩展，控制电路原理框图如图8所示。

图8 控制电路原理框图

控制电路中采用USB转4路串口的器件，4路串口分别分配给被测设备、辅助设备和单片机，其中还有一路串口用作单片机的在线编程功能。可调衰减器和被测设备的PTT控制直接通过单片机的I/O来实现。单片机对继电器的控制通过移位寄存器和光耦器件来实现。移位寄存器用来扩展I/O口。如果单片机有足够的I/O口，可以直接采用片上的I/O。当电路中需要用到大量继电器的时候，使用移位寄存器就是很好的选择。应用光耦器件是为了减小控制电路对射频电路的影响。

在自动测试系统设计中，应该注重对仪器仪表和被测设备的保护，特别是在被测设备发射功率的时候。建议在被测设备的PTT控制线上串联一个开关来控制PTT的通断，必要时可以强行停止被测设备的发射操作；同时在软件中设置被测设备的发射时间限值，如果发射超时，则立刻控制被测设备停止发射功率。

信号调理电路中使用的器件和系统中的连接电缆以及连接器都有插入损耗，为了保证测试数据的客观性，测试前，应该对测试通路进行校准。并且在测试过程中对数据进行补偿。

4 系统软件设计

自动测试软件可以采用C语言开发平台或者LabVIEW平台进行开发。各厂家的仪器仪表对这两种平台都有良好的支持,但不管采用何种语言和开发工具，都可以采用典型的四层软件架构模式来进行分层设计，如图9所示。

图9 自动测试软件基础架构

UI层（User Interface）是用户界面层，负责人机交互操作，收集用户操作和向用户展示操作响应的结果。SI层（System Interaction）是系统交互层，负责计算机与仪器仪表以及被测设备之间的数据和控制交互，可以理解为驱动层。在LabVIEW里本身就封装了大量的仪器仪表驱动，可以直接使用。DM层（Data Management）是数据管理层，负责数据的管理，例如对数据库的操作。PD层（Problem Domain）是问题领域层，一方面负责测试流程的实现，另一方面是实现与另外三个层之间的交互，也是软件的核心部分。

测试软件按分层架构进行设计开发，有利于软件的模块化开发、重用和维护，也有利于软件的并行开发，提高开发效率。

5 验证和确认

上述提出的自动测试系统设计完成后，应该进行验证和确认[4]。根据CNAL/AC01:2005《检测和校准实验室认可准则》（该准则等同于ISO/IEC17025：2005）第“5.4.5.2”条款中要求，“实验室应对非标准方法、实验室设计(制定)的方法、超出其预定范围使用的标准方法、扩充和修改过的标准方法进行确认,以证实该方法适用于预期的用途。”[5，6]

系统验证主要是验证系统软件运作的正确性，例如测试方法是否正确，测试流程是否按设计需求执行等，这个可以从软件测评的角度来进行验证和分析。系统确认则是对测试结果数据进行对比分析，判断测试结果的正确性和精密度，主要通过数据统计分析的方法来进行，常用的方法有t检验和f检验。可以通过将自动测试系统测得的数据和与手动测试测得的数据进行对比，从而实现对自动测试系统进行的确认。