无线传输微波测试模块的设计

徐朋朋 夏磊 刘明军 靳为东

摘  要：文章介绍一种基于蓝牙与ZigBee通信协议的无线传输微波测试模块总体设计方案。该无线传输微波测试模块主要由微波功率、频率与调制波形测量单元、主控单元和无线通信单元组成，微波功率测量单元、微波频率测量单元、微波调制波形测量单元分别实现对测试端点微波信号功率、频率、调制波形参数的测量；主控单元实现测试命令解析和测量数据处理，无线通信单元实现测试命令和测量数据的无线传输。该模块可靠性高，抗干扰能力强，造价低廉。

关键词：微波测试；蓝牙；ZigBee；无线传输

中图分类号：TN92  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）09-0071-04

Abstract： This paper introduces the overall design scheme of a wireless transmission microwave testing module based on Bluetooth and ZigBee communication protocol. The wireless transmission microwave test module is mainly composed of a microwave power， frequency， and modulation waveform measurement unit， a main control unit， and a wireless communication unit. The microwave power measurement unit， microwave frequency measurement unit， and microwave modulation waveform measurement unit respectively measure the microwave signal power， frequency， and modulation waveform parameters of the testing endpoint; The main control unit realizes the analysis of test commands and the processing of measurement data， while the wireless communication unit realizes the wireless transmission of test commands and measurement data. This module has high reliability， strong anti-interference ability， and low cost.

Keywords： microwave test; Bluetooth; ZigBee; wireless transmission

0  引  言

在分布式测试应用场景中，测试点通常较为隐蔽，而通用电子测试设备往往因体积大、不方便维修等特点而导致测试灵活性较差[1，2]。为了解决这一难题，本文提出一种基于无线传输网络微波的测试技术，采用蓝牙与ZigBee无线通信方式，实现主控机与测试仪表的分离，通过无线组网设计并实现现场测试和故障诊断的解决方案。

1  无线传输微波测试模块总体硬件设计

无线传输微波测试模块由微波前端处理单元、微波功率测量单元、微波频率测量单元、微波调制波形测量单元、主控单元、无线通信单元、电源单元等电路单元组成。整机硬件组成框图如图1所示。

无线传输微波测试模块的输入信号可分别接入微波功率测量单元、微波频率测量单元、微波调制波形测量单元进行功率、频率、调制波形等参数的测试。模块通过蓝牙路由设备或ZigBee协调器进行组网，实现与上位机的互联，接收来自上位机的测量命令。主控单元接收、解析、下发测试命令后，等待测试完成并接收、打包、上传测试数据。

1.1  微波前端处理单元

微波前端处理单元主要包括功分单元、匹配单元、衰减单元、取样单元等，具体组成如图2所示。

输入信号首先经过功分器分为两路，分别进行功率和频率测量。为了扩大频率测量通道的动态范围，功分器采用非均衡功率输出的设计方案，输出到功率测量通道和频率测量通道的功率比为1：4，在保证功率测量通道灵敏度的前提下，尽量扩大频率测量通道的动态范围。

功率测量支路信号经匹配后进入二极管检波电路，然后经过预放大进行一定程度的放大、调整和滤波，接着信号分为高、低两个量程进行处理，低量程信号经过放大后，与高量程信号同时加载至双重∑-△ADC的输入端，进行A/D转换。ADC数据被发送至CPU进行同步去斩波处理，得到功率ADC的有效数据，同时对功率ADC进行校准因子、功率线性度和温度响应的补偿，从而保证功率测量在各种环境下的准确度。

1.2  微波功率测量单元

功率测量单元的原理框图如图3所示。输入的微波信號经过功分器、匹配电路后，传送至功率测量单元。功率测量电路采用两只平衡配置的高性能、低势垒肖特基（LBS）二极管对微波信号进行检波[3，4]。二极管检波输出正、负电平的直流信号，为了降低噪声干扰以及便于信号的传输和滤波，检波后的电平信号，经过频率为440 Hz的斩波器，转换成一路交流信号进行传输。在功率测量通道内有两路高增益的运放电路，可实现信号的高增益放大。根据输入信号功率范围的不同，可实现自动增益的选择，并经过与斩波频率相匹配的带通滤波器，分为高、低两个量程，同时送入16位的∑-△ADC进行A/D转换。

为了保证功率测量的准确性和动态范围，需要对功率ADC进行校准因子、线性度和温度响应的补偿。二极管检波器的温度响应通过其内部的热敏电阻反映出来，热敏电阻和二极管检波器位于一个封闭狭小的腔体内，可以很好地屏蔽外部环境的干扰，并且能够保证腔体内温度的稳定。功率测量通道内部的EEPROM存储该通道的校准因子、线性度校准数据和温度补偿数据，当频率功率计通电时，频率功率计主机以串行总线方式向EEPROM发出询问并读取EEPROM的各种补偿数据，在进行功率测量时，对采样的ADC数据进行修正补偿，以保证功率测量的准确性。

1.3  微波频率测量单元

微波频率测量单元主要包括功分单元、波段选择单元、取样单元、通道调理单元、阻抗变换单元、滤波放大整形单元、事件计数单元等，具体组成如图4所示。信号输入后首先经功分器分为两路，一路进行频率检测，另一路直通去待测设备原有的功能电路。为了扩大频率测量通道的动态范围，功分器采用非均衡功率输出的方案设计，直通通道和频率测量通道的功率比为1：4，可在保证功率测量通道灵敏度的前提下，最大限度扩大频率测量通道的动态范围。频率测量首先以500 MHz频率点为界，内部分为两个测量通道，通道1输入频率范围为10～500 MHz，经放大、分频处理后均采用直接计数法测量频率。通道2输入频率范围为500 MHz～20 GHz，因为频率较高，无法直接计数，需要先下变频到中频后再进行处理，信号取样之前由电调衰减器进行幅度调节[5]。

下面从低频、高频测量两个方面分别加以阐述。

1.3.1  低频测量通道

低频测量通道中，低频输入端口的频率范围为10～

500 MHz。当输入信号频率范围为10～50 MHz时，经阻抗变换后进入整形电路，变换为TTL电平进入计数测量电路。当输入信号频率范围为50～500 MHz时，因为其频率较高，不便于直接计数测量，在限幅放大器后端加入一个10分频电路，使被测信号频率小于60 MHz，这样可降低对大规模可编程逻辑电路的速度要求。因为测量频率较高，由被测信号和时钟信号之间不同步造成的误差已经超出了指标允许的范围，所以需要借助内插补偿技术实现高精度测量。

1.3.2  高频测量通道

高频测量通道中，高频输入端口的频率范围为500 MHz～20 GHz。由于信号频率较高，无法采用分频进行计数，需要下变频到中频再进行处理。本项目高波段拟采用取样下变频法，输入信号经过阻抗匹配电路后，输入到取样器的射频端，在取样器内与本振的N次谐波混频，这样就可以利用很小的一段本振（300～500 MHz）将整个被测频段的信号变换到中频。

中频输出频率范围为80～120 MHz，通过对中频信号的检测产生同步计数门信号，控制计数器的闸门信号，此时本振频率fLO1可以确定，计算出被测信号频率为：

对N进行取整即可以确定取样器所用的谐波次数；比较fIF1与fIF2的大小即可以确定fIF1的符号，如果fIF2大于fIF1，那么fIF1为正，反之为负。确定N与fIF1的符号后，根据式（1）计算出被测信号的频率值。

计数器的工作受闸门电路控制，而闸门的启闭时间又与时基电路有关，闸门开启时间进入计数电路进行计数，闸门关闭时，终止计数。如果闸门开闭的时间为T，计数器数目为N，则被测信号频率fx = N/T。闸门时间的长度根据所需的分辨率来选择，分辨率等于闸门时间的倒数，例如，当选择1 ms闸门时间，分辨率可达到1 kHz，选择1 s的闸门时间，分辨率则可达到1 Hz。

1.4  微波调制波形测量单元

微波调制波形测量功能将在功率测量的基础上增加包络检波单元实现[6]，如图5所示为调制波形测量电路原理框图。

采用二极管作为功率传感器件，首先对输入的微波脉冲调制信号进行检波，转变为两路脉冲调制包络信号。通道调理板前端有两路微波开关，控制嵌入式微波测试集成电路为测量状态或内部校零校准状态，实现不同功能单元的复用。当开关关闭时采用高稳定性内置动态校准源进行校准或内部校零，当开关打开时进行调制波形测量，对正负检波信号进行线性放大，并分别进入两路差分运算放大器，两路信号分别为高低量程，经过低通滤波后进入双通道的ADC进行采样，通过线性放大的方式提高工作温度范围的调制波形测量准确度。内触发在主处理器中通过数字化方式实现，降低整机功耗，提升内触发电平范围。在数字处理单元中通过高效率的电源转换为电路提供更高的功耗支持。

1.5  主控单元

主控单元主要由微处理器、可编程逻辑门阵列（FPGA）和存储器组成，其中，微处理器用于接收上位机通过蓝牙或ZigBee无线通信方式传输的测试命令，解析测试命令后通过总线下发到微波测量单元，并在测量完成后通过总线接收测试数据，然后将测试数据打包并以蓝牙或ZigBee通信方式发送到上位机。

微波功率测量单元和微波调制波形测量单元均包含USB总线接口，因此，微处理器与微波功率测量单元和微波调制波形测量单元均可通过USB总线协议进行通信；微波频率测量单元可将微波信号分频到10 MHz以下，分频倍数由FPGA控制，通过分频倍数控制引脚直接连接到FPGA的普通IO引脚，分频后的低频信号通过PCB布线接入FPGA的时钟引脚，并在FPGA内部完成频率计数；FPGA与微处理器之间通过SPI总线通信，完成频率测试命令的接收和频率计数值的上传。另外，测试数据可保存在FPGA内部寄存器中，校准数据保存在存储器中。

1.6  无线通信单元

无线通信单元由蓝牙模块、ZigBee模块、调试接口三个部分组成[7，8]，蓝牙模块采用一款基于Nordic的nRF52832設计、工作于2.4 GHz ISM Band的低功耗5.0PA模块，支持BLE4.2/5.0蓝牙协议栈，支持主从机透传模式、主机透传模式、扫描模式等，支持以AT命令获取模块信息及修改模块参数，发射功率高达24 dBm，通信距离为100 m（空旷环境）；ZigBee采用一款基于IEEE 802.15.4/ZigBee技术的嵌入式无线数据传输模块，最低功耗小于1 μA，支持点对点、点对多点、对等和Mesh网络，发射功率为20 dBm，室外通信距离为2 000米；调试接口主要用于对蓝牙模块和ZigBee模块进行参数配置和程序烧录。

2  无线传输微波测试模块软件设计

基于开放性、综合化、模块化的设计原则，无线传输微波测试模块软件采用层次性结构进行设计，本模块软件装载并运行于主控单元的微处理器中，充分利用嵌入式MCU与嵌入式操作系统提供的功能管理、数据存储、无线传输与测试指令回读等功能。

无线传输微波测试模块软件架构图如图6所示。为方便后续平台移植与内核剪裁，本模块主控单元的微处理器操作系统采用嵌入式Linux。在嵌入式机内测试软件中，我们严格按照分层结构进行模块化设计，自下层向上层提供服务，各个层次的功能服务、接口与数据信息均应基于统一的规范，自下而上由硬件平台层、嵌入式操作系统层、驱动程序层、应用程序层和接口层五个层次组成，下面做以简要介绍。

硬件平台层主要是依托主控单元中的微處理器实现功能；嵌入式操作系统介于硬件和应用程序之间，负责任务调度并管理实时应用程序，完成对硬件的控制和操作；驱动程序层包括定制的外设驱动程序和面向测试的测试资源驱动程序。由于在Linux中所有的设备驱动可以被静态连接和动态加载，为提高CPU的利用效率，本项目中的外设驱动程序将采用静态连接，测试资源驱动程序根据执行状态进行动态加载；应用程序层包括功率测量、频率测量、调制波形测量、无线通信、信息处理、数据存储与上电初始化等子功能模块；接口层主要是操作总控软件，负责与无线网络设备进行无线通信，既可以对多路测试数据和状态监测数据进行无线传输，还需接收来自无线网络终端的消息命令并进行实时解析处理，按照嵌入式测试工作流程启动各个应用程序。

3  结  论

无线传输微波测试模块采用蓝牙与ZigBee无线通信方式，实现主控机与测试仪表的分离，利用无线组网实现现场测试和故障诊断，模块具有体积小、可靠性高、成本低的特点。在软件系统方面符合设计规范，具有完善的二次开发接口等特性。本文研究成果的主要创新点在于基于蓝牙与ZigBee无线通信方式的微波信号参数测量技术的实现。

参考文献：

[1] 程颖.高可信无线传输协议的研究及实现 [D].成都：电子科技大学，2017.

[2] 钱志鸿，王义君.面向物联网的无线传感器网络综述 [J].电子与信息学报，2013，35（1）：215-227.

[3] 夏贤青.小型化宽带功率监测模块设计与实现 [D].成都：电子科技大学，2016.

[4] 朱栋.高灵敏微波功率监测系统研究 [D].南京：东南大学，2021.

[5] 徐芳.高精度双通道频率测量系统的研究与实现 [D].成都：电子科技大学，2021.

[6] 徐浩于.宽带微波窄脉冲调制源研究 [D].成都：电子科技大学，2021.

[7] 徐飞.蓝牙数据传输增强技术研究及其基带芯片设计实现 [D].西安：西安电子科技大学，2013.

[8] 董浩.ZigBee路由算法的研究及其在数据采集系统中的应用 [D].宁夏：宁夏大学，2017.

作者简介：徐朋朋（1992—），男，汉族，河南驻马店人，初级工程师，硕士，研究方向：数据采集、模拟信号测试、嵌入式在线监测和故障诊断等仪器或系统研发。