一种多通道接收机自动测试系统的设计与实现

姜兆国 耿同贺 常会军

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

微波多通道接收机是雷达系统的核心部件，通常处于天线和信号处理之间，将天线接收的超宽带微波信号进行低噪声放大、频段预选、频率变换以及中频滤波放大，并最终输出中频信号给信号处理分机。宽带多通道接收机本身功能复杂、对测试的设备环境要求较高，同时测试频带较宽、测试指标多样、测试方法繁复、测试仪器较多、测试时间较长，已成为制约产品生产和交付的瓶颈。[1]

本文针对微波多通道接收机测试方法复杂、测试效率低下的问题，设计和开发了一套自动测试系统，将复杂微波多通道接收机类产品测试效率提升了40倍，其相关流程及测试方法并可普遍适用于其他的接收机类产品。

1 接收机工作原理及主要技术指标

1.1 接收机的工作原理

微波接收机按原理结构主要可划分为以下几种：超外差接收机、零差拍接收机、零中频接收机、低中频接收机和数字中频接收机，不同原理接收机各有其优缺点，在实际工程中，需要根据具体应用场景进行合理选择，目前微波系统中常用的接收机结构主要是超外差接收机，其主要工作原理如图1所示。[2]

图1：超外差接收机工作原理

这种架构的接收机主要优点是：能够借助相对低的中频频率上容易实现的带宽相对较窄、矩形系数较高的中频滤波器的作用，以提高接收机的选择性，而且增益可以由中频级获得，降低了射频级实现高选择性和高增益的难度。

当前的雷达接收机大多在这种架构基础上通过增加不同的射频元件，进而实现复杂和专用的功能：通过增加混频次数，可以降低滤波器的实现难度，调配射频信号和中频信号的相互关系；在射频链路上根据射频频带增加预选滤波器，可以保证接收机的选择性及抗干扰能力；通过增加自动增益控制（AGC）电路，可实现接收机的抗饱和、动态范围扩展及接收机的增益稳定。

1.2 接收机的主要技术指标

微波接收机的主要任务是把不容易采样的射频信号变频到中频或低频段，然后使用模数转换芯片将基带信号提取出来，从而实现通讯或探测的目的。

不同用途的接收机关注的技术指标略有不同，但总体上相差不大，主要有：信号增益、噪声系数、通道间幅度不一致性、通道间相位不一致性、镜频抑制、通道隔离度、中频输出P-1、中频输出饱和功率、杂散功率、相干组合干扰抑制、中频带外抑制、接收机灵敏度、端口驻波、开关响应时间、开关隔离度等。

2 测试平台的设计与开发

2.1 测试需求及流程规划

随着自动测试系统的发展，新一代自动测试平台系统要求具有以下功能：

（1）测试参数通用化；

（2）测试接口标准化；

（3）测试过程智能化；

（4）测试系统网络化[3]。

要实现以上功能，必须开发一套具有普适性的专用测试设备，以提高生产效率及减少通用仪器设备的种类和数量。其主要功能是实现程控计算机对标准测试仪器的控制，提供组合所需的控制信号，从仪器获取测试数据，并对数据进行分析处理，最终形成测试报告输出。

本次自动测试系统规划目标如下：

（1）多机位管理流水线操作，可实现24小时无人值守自动测试；

（2）减少测试仪器，提高测试效率，精简测试方法，优化测试时间；

（3）扩展同时进行测试的产品数量，节省高低温箱变温时间。

按照测试规划，首先根据所用测试仪器对测试指标进行分类。宽带多通道接收机测试需要的仪器主要有：万用表，信号源，频谱仪，示波器，矢量网络分析仪（简称矢量网络分析仪），高低温箱等，具体划分见表1。

表1：测试指标与测试仪器

根据测试要求，对宽带多通道接收机规划了3台机位，分别进行不同的功能检测，机位之间自动流转，并可同时进行4套产品的在线自动检测，测试流程见图2所示。

图2：多通道接收机自动测试流程

预检测：主要进行功能性检测，对产品整体合格性进行判别，主要包含：端口及稳压阻抗测试、加电测试、通道增益检测、开关检测、自动增益控制检测、电源上电时间检测、开关响应时间检测、驻波检测、通道隔离度检测等。

频谱及示波器测试：预检测通过后对产品进行数据补偿测试，主要对信号增益进行频率、温度两个维度变量进行控制，补偿测试完成后进行频谱仪和示波器相关技术指标进行测试。

矢量网络分析仪测试：是通过矢量网络分析仪对相应指标进行测试，包括通道间幅度不一致性、通道间相位不一致性、通道间幅度不一致性变化量、通道间相位不一致性变化量、幅度带内波动、相位带内波动、端口驻波等指标进行测试。

自动测试完成后生产测试数据，并对测试结果与技术要求进行核对，并将超差指标进行标记以待后续分析。

2.2 测试平台硬件设计

如图3所示，自动测试系统的硬件平台包含主控计算机、测试仪器、开关矩阵等。主控计算机为自动测试系统的核心，通过与测试仪器、开关矩阵、待测组件等进行通信，完成系统指令发送、数据采集、测试数据解析、测试结果输出等内容；测试仪器则是由多个部分组成，通过标准仪器接口互联，最后通过LAN接口与主控计算机相连，测试仪器完成微波组件待测指标参数的读取；开关矩阵通过LAN或RS232 接口与主控计算机相连，完成微波组件测试过程中仪器切换，同时开关矩阵内部可集成其他辅助功能模块，满足多功能测试台的功能，实现了测试接口的标准化。

图3：自动测试系统的硬件构成

本次宽带多通道接收机自动测试平台主要集成以下功能：

（1）内部集成高性能电源转换，将220V电源转变为系统需求的-6V、+6V、+24V，并满足输出电压值在±10%范围内可调。

（2）集成参考信号，平台内部集成多种低噪声晶体振荡器，包括：60MHz、80MHz、100MHz及120MHz，为待测件提供高纯度的时钟参考，同时可以对参考信号输出功率根据需求进行动态调整：调整范围为-10dBm～5dBm，调整步进为0.5dB。

（3）内部集成多路开关矩阵，对输入信号和输出进行开关切换，以适应多通道测试需求。

（4）内部集成控制电路，并与测试计算机交互以达到实时显示功能，同时与自动测试程序结合通过有效控制信号源、频谱、矢量网络分析仪、示波器等设备搭配共同实现对产品的自动测试等功能。

（5）集成电源硬启动与软启动按键，防止电源误操作或因频繁上电引起的电源过冲对被测产品性能指标及可靠性造成影响。最终制作的测试平台如图4所示。

图4：接收机自动测试台

2.3 测试平台软件设计

接收机自动测试系统的软件部分设计的好坏直接影响整个自动测试系统的性能。通常系统软件设计采用组件化和分层设计技术来实现，在软件平台上实现测试系统所需要的基本功能。同时，系统的软件利用了软总线的思想，能够为各个层次的数据和组件提供一个良好的连接，使其进行协调工作系统采用分层模式来实现开放式的系统架构，包含用户接口层、功能模块层、插件层、基础信息层、测试驱动层和仪器设备层。对于系统的软件功能设计通常采用的是模块化方式来完成，将各个独立的模块进行有机的结合，使各模块相互之间的关系既有独立性又有耦合点。[4-5]

本次自动测试平台软件要求如下：

（1）上位机应具有接收显示功能，包括当前加电产品号、通道号、电压值、电流值，以及锁定指示、故障显示等；

（2）对同时加电的两套及以上产品有限制加电功能；

（3）有自动断电功能：测试完成后对产品有序断电；

（4）可对信号源、测试电缆、功分器、机械开关等外围电路自动校准

自动测试系统的软件设计使得整个测试过程实现了智能化、一键化测试,自动测试系统的软件设计流程图如图5所示。

图5：自动测试系统软件测试流程

自动测试系统软件实现流程如下：

（1）系统初始化：完成仪器的初始化硬件设计主控计算机通过通信接口设置每台测试仪器的测试状态、测试参数；

（2）开关矩阵初始化：建立开关矩阵的输入连接、输出连接；

（3）系统电源控制：按照微波组件上电顺序要求，依次完成微波组件的各路电源上电；

（4）指令控制：主控计算机通过LAN接口发送通信指令，使仪器、开关矩阵、待测组件进入测试状态；

（5）数据处理：主控计算机测试软件完成数据采集，并对采集的测试数据进行解析、存储并输出测试结果；

（6）状态检测：自动测试系统运行过程中，对测试状态进行实时监测，并完成故障诊断。

雷达接收机自动测试系统在操作平台软件上提供人机交互接口，具有友好的界面，用户可以通过菜单、按钮、快捷键和对话框等工具与系统进行交流。

根据自动测试平台需求进行了实物制作及程序开发，最终接收机自动测试台如图3所示，自动测试上位机控制界面如图6所示。

图6：接收机自动测试上位机

系统控制界面按功能划分为多个部分，其各部分主要功能为：

（1）工位选择：此次研发的自动测试平台可以最多进行4套产品进行测试，通多地址码选择不同工位上册被测试件；

（2）电源控制：对机箱的电源进行软启动，同时可以对产品内部的本振源、校准源及测试他通道进行单独控制输出；

（3）工作模式：对内部通道和校准源等可以选择完全设置模式和不完全模式等，方便后续进行更详细的测试和问题排查；

（4）开关矩阵控制：输入和输出各采用八选一的机械开关进行通道切换，通过开关-输入、开关-输出进行选择切换；

（5）通道设置：可以对接收机的通道部分进行详细的测试，包括增益控制、天线选择、中频带宽选择以及通道频率步进设置等；

（6）校准源设置：可以对校准源进行更详细的测试，包括：衰减控制、输出功率设置、校准频率设置以及校准脉冲宽度、周期等；

（7）基础参数设置：主要包括软件版本号识别、高温、低温、常温等测试温度设置、基线及门限电压设置等；此外测试系统界面还包括温度回读、夹具控制等设置功能。

多通道接收机自动测试平台是智能制造技术在具体工程项目中的初级应用，其根据已经编辑好的序列来进行对被测产品测试，将传统的测试从以下几个方面进行了优化：

（1）在测试平台中通过开关矩阵的应用实现了测试过程中实现了仪器的自动切换，避免了人工进行仪器切换带来的误差，同时提高了测试效率；

（2）将开关矩阵扩展为多功能综合测试台，增加了辅助功能输入输出控制接口，并可实现编程处理，具有测试状态可配置功能；

（3）所有采集数据的解析、处理、存储、读取等均在自动测试系统上位机软件中完成处理，数据采集和数据处理采用多线程运行方式，主控计算机后台可完成所有数据的处理；

（4）在多通道接收机自动测试过程中，可一次性完成多通道所有数据的测试，避免了测试过程中多次更换输入输出接口的测试方式。

2.4 测试对比

接收机自动测试平台设计完成后复杂宽带产品的测试周期与传统测试方法测试周期对比见表2。通过与传统测试方法的测试效率对比可见，采用接收机自动测试平台，产品测试周期由原每人10天测试1套提高为每人每天测试4套，测试效率得到显著提升。

表2：自动测试平台与传统测试方法效率对比

3 结论

传统的测试方法需要对每个独立的指标进行单独测试，测试过程中涉及到不同的仪器时，需要人工切换不同的测试连接，而且在仪器手动切换过程中带人测试误差，测试精度及效率无法满足需求。本文根据工程需要，设计和开发了一种多通道接收机自动测试平台，平台集成了电源及控制机箱（包括：高压电源、电源控制单元、参考切换输出单元、功分网络、FPGA控制单元）、集成测试架、测试仪器、自动测试软件等部件。平台搭建简单，标识明确，通过系统设计，实现一人多机管理，24小时无人值守、一键自动测试。大幅提高了复杂宽带产品的生产效率，便于产品的大批量生产。自动测试程序可编辑性强，便于指标的详细测试与重点测试，同时可以兼容其他型号宽带组件产品生产及自动测试。