某型通信设备的高度表功能驻波故障剖析

冉钦川

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

高度表功能主要用于测量飞机距地面、水面真实高度，向上级系统提供高度信息，以保证飞机的安全起飞和着陆，并满足飞机其他设备对高度信息的需求。高度表功能在某型通信设备上属于导航的重要功能之一。近年来，该型通信设备在外场和制造过程中偶发出现驻波保护功能故障问题，通过深入剖析、排查与诊断，最终确认故障是由于微波组件的驻波检测功能缺席导致，并提出解决与改进措施，有效提高了驻波检测的可靠性。经试验表明，该方法切实可行，能有效保障机上高度表功能的正常测距。

1 工作原理

在某型通信设备中，高度表功能的工作原理是由高度表收发模块产生测高所需的调制信号，并通过变频、激励等处理后，将激励信号送功率放大模块进行功率放大，通过高度表发射天线发射；从地面反射的信号经过高度表接收天线后进入高度表收发模块，经混频、放大、滤波等处理后送高度表收发模块信号处理部分电路进行数字解调和测量，并计算出相应的高度值，将高度信息送至接口控制模块和上级系统。

高度表模块包括微波组件、电源单元、AD单元、信号处理单元、接口单元，除微波组件外，其他组成部分均布置在信号处理板上。其中软件运行于高度表的信号处理单元及接口单元上。高度表模块内部架构如图1所示。

图1 高度表模块内部架构

高度表模块产生测高需要的射频信号，通过伪码调制，放大后输出，同时接收从地面反射的信号，混频后输出中频信号。中频信号通过滤波进行采样，送入信号单元进行解调处理，比较发射码和接收码的相位差，计算出高度值。

2 故障剖析与定位

在使用过程中，高度表功能在进行高度测量时，偶发出现高度表驻波保护故障导致测高功能失效。具体故障现象为，断开高度表发射端口连接的射频电缆后，自检时系统设备不上报高度表驻波报故自检信息。经测试，故障概率约为10%，部分产品高达30%。该故障具有一定偶发性，故障件并非固定批次设备。

对高度表模块内部进行的检查内容主要分为信号处理板和微波组件2个部分，其中信号处理板供给微波组件自动增益控制（Automatic Generation Control，AGC）电压、100 MHz时钟信号、MOD伪码信号、10 V和5 V电压；微波组件将MOD伪码信号调制到4 GHz，并通过功放放大后发射出去，同时将接收到的4 GHz回波信号下变频为IF中频信号，传输给信号处理板使用；信号处理板和微波组件使用RX和TX这2根串口线进行通信。

因此，结合故障现象可能事件为：

（1）信号处理板供给微波组件的100 MHz时钟信号、12 V和5 V电压异常，导致微波组件无法正常检测发射驻波信息；

（2）信号处理板解析微波组件传输串口信息的功能异常，微波组件串口传输的驻波信息解析错误；

（3）微波组件发射信号频谱异常，检测到异常的回波信号，解算出错误的驻波；

（4）微波组件驻波检测功能异常，传输错误的驻波信息。由此列出故障树如图2所示。

图2 驻波保护异常故障树

M1为信号处理板，100 MHz时钟检测、供给电压异常。

将故障件高度表模块连接0 m测试回路，通过示波器对信号处理板供给微波组件的CLK时钟信号进行检查，实测100.5 MHz。通过万用表对信号处理板供给微波组件的+5 V和+12 V电压值进行检测，实测分别为+4.99 V和+12.01 V，满足微波组件的使用要求。

M2为信号处理板，串口信息解析功能异常。

对信号处理板上的数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）加载仿真器，在线运行DSP软件程序，在程序中读取微波组件的工作状态信息，微波组件上报的信息均正常，因此信号处理板解析微波组件串口上传数据功能正常。

M3为微波组件，发射频谱故障。

使用频谱仪对高度表发射信号进行检查，发射信号波形正常，功率输出约为29 dBm，满足高度表指标30 dBm±3 dBm的要求。

M4为微波组件，驻波检测功能异常。

通过在线运行DSP软件程序读取微波组件上传驻波信息，发现高度表发射端口开路与微波组件发射端口开路读取的驻波值相近，因此高度表模块内部的发射电缆对微波组件驻波检测功能基本无影响；微波组件发射端口开路时，端口为全反射，检测到的回波损耗应该为0，而实际上报值为21，回波损耗为2.1 dB，与理论值相差较大，因此判断微波组件驻波检测功能异常。

综上所述，定位故障原因是高度表模块内部微波组件中上报回波损耗数值时软件设计上存在缺陷，微波组件上报给高度表的回波损耗检测值未进行校零；在通信设备上使用时，会偶尔出现驻波保护功能故障且系统不上报驻波报故的自检信息。

3 故障机理分析与解决措施

3.1 故障机理分析

该通信设备中，高度表在初始设计时，针对驻波保护功能要求，功放输出端驻波超差时，将超差状态通过模块BIT检测内容上报给系统，保留高度表功能。依据回波损耗与驻波的对应关系来检测驻波，实现驻波保护功能的方案，在实际使用过程中高度表用回波损耗检测代替驻波检测，由于高度表模块体积小且不是专门的驻波检测模块，而检波器又比较灵敏，外界环境（外部电缆长度，形状，环境温度）稍微有些变化就会影响检波进度，所以当进行回波损耗检测时，未进行发射端口较零，驻波检测误差较大，即检测得到的驻波情况与实际驻波情况偏差很大，多次测量结果之间测得的数值存在波动。

该型号微波组件驻波检测功能设计的原理如图3所示。

图3 驻波检测方案框图

处理器使用内部集成ADC对驻波电压检测值（包括正向、反向检波电压）进行采样，采样值经软件算法处理后得到并输出给高度表。微波组件上报给高度表的回波损耗检测值除以10，换算公式为

式中：VSWR为驻波比；RL为回波损耗。

3.2 解决措施

通过该通信设备中高度表模块的微波组件完善驻波保护功能软件，并对发射端口驻波值进行较零，在发射输出端开路或短路时不再烧毁功放，发射电缆一端开路时，串口上报回波损耗值应小于15，电缆一端接匹配负载时，串口上报回波损耗值应大于50。修改程序后，反复验证，产品工作正常，故障消除。

4 结 论

本文详细阐述了工程中高度表功能的应用及本次偶发故障的定位分析过程。经排查，最终确定根本原因是微波组件驻波检测功能设计存在缺陷，上报给高度表的回波损耗检测值未进行校零，导致偶尔出现无法正常上报驻波报故自检信息的现象。功能设计的好坏，直接影响着整个系统工作的可靠性。在功能设计时，不仅要保证满足通信设备的指标要求，还需要结合实际设备使用环境和外部干扰因素，满足工程中组件制造差异性的要求。本次通过对微波组件软件程序的优化，成功解决了这起隐蔽性故障。