基于实时信号处理技术的组合接收设备测试系统研究

张绍雄，张睿哲，吴昊男，石 洋

（汇航科技（辽宁）有限公司，辽宁 沈阳 110031）

0 引 言

组合接收设备测试系统通过内置的仿真控制盒向接收机发送总线格式信号的控制码，作为设备的控制信号。检测系统在计算机的控制下接收总线信号数据，并通过信号解码模块将总线格式的信号变成计算机能识别的方位数据和角度数据，并通过显示器显示出来，进而完成组合接收设备的功能测试。

1 总体设计思路

1.1 工作原理

组合接收设备测试系统产生测试所需的激励信号、应答信号、延时信号以及方位信号等。测试系统接收询问信号、应答信号、话音信号以及高度信号等。

1.1.1 无线功能测试

测试无线功能时，在选择测试对象后，综合检测设备设置与被测设备相应的工作状态。综合测试模块或各专用激励模块根据综合检测设备的设置产生激励信号发送到发射天线，利用系统接收并显示。系统发射后，综合检测设备中各专用激励模块接收并向主控模块上传数据，主控模块将上传的数据通过显示屏显示。

1.1.2 有线性能测试

测试有线性能时，综合检测设备内主控模块设置和功率测试通道。系统在各工作状态发射时，利用综合测试模块测试该发射功率。综合检测设备设置的工作状态与系统的工作状态相对应，综合测试模块或各专用激励模块产生激励信号，通过调节附件的通道衰减量，控制系统的接收灵敏度或动态范围。

1.2 总体构成

组合接收设备测试系统将所有功能集成于一部便携式手持设备，设置大尺寸的触摸屏和图文结合的人机交互界面，配以多功能键盘与触屏进行操作。系统采用模块化设计，利用软件无线电技术，将系统功能分为若干个子功能，便于根据载机选择相应的功能并实现系统升级。

2 系统硬件组成

组合接收设备测试系统由便携式机箱、主控模块、综合测试模块以及模拟器模块等构成。

2.1 主控模块

主控模块是测试系统的核心，负责系统管理、功能调度以及数据处理。主控模块配备硬盘驱动器，可以存储和输出数据。此外，主控模块还能完成组合接收设备测试系统的自检，以确保测试的可信度。通过标准串口，主控模块可以控制和管理各模拟器激励模块[1]。

主控模块主要由电源管理单元、进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，ARM）主处理器最小系统、下变频基带采样单元、上变频基带产生器以及音频处理单元等构成，其原理如图1 所示。

图1 主控模块原理

2.1.1 电源管理单元

组合接收设备测试系统主机采用集中式电源供电方案，由电源管理单元负责全部的二次电压变换和输出控制。电源管理单元具备电池充放电管理、供电管理以及故障监控等功能，属于典型的数字电源。电源管理单元包括过流保护及输入隔离装置、交流/直流转换器、直流/直流转换器以及电池管理器等[2]。

2.1.2 ARM 处理器最小系统

主处理器采用ARM9 系列中央处理器，并为其配备了最小运行系统，主要包括供电电路、复位电路、存储程序的Flash 以及运行缓存静态随机存储器。

在组合接收设备测试系统中，主处理器仅执行少量运算，主要负责通过内部RS-485 总线协调各模块工作、呈现用户界面、完成操作系统的必要功能，并将用户操作转为RS-485 总线命令。

2.1.3 软件无线电的实现

下变频基带采样器和上变频基带产生器是软件无线电的核心组件。它们利用数字信号处理器、模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）以及数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）3 种主要器件和少量的阻容软件，代替了传统的乘法器、移相器、压控振荡器、模拟开关、鉴频器、混频器、放大器、衰减器以及滤波器等元器件。

下变频基带采样器主要由ADC 信号协处理器、高速ADC 以及低速DAC 组成，类似于数字存储示波器。而上变频基带产生器主要由DAC 信号协处理器、高速DAC 以及低速ADC 组成，类似于高频信号发生器的功能，用于产生经过调制的上变频基带信号。

2.2 综合测试模块

综合测试模块集成了多种功能，包括射频信号源、功率计、音频源、音频分析以及信号调理等。其中，音频源能产生频率为1 kHz 的音频信号，音频分析负责对输入的1 kHz 音频信号进行分析，信号调理部分则用于测试系统射频输出与模拟器之间的射频信号通道切换[3]。综合测试模块的核心部分主要由控制器、上变频器、下变频器、信号复用器以及程控衰减器组成。

2.2.1 下变频器

根据奈奎斯特采样定律，为了确保信号不失真，采样频率必须至少是被采样信号频率的2 倍[4]。下变频器采用超外差原理，主要由数字压控振荡器+锁相环、混频器、低通滤波器以及放大器组成。

2.2.2 上变频器

上变频器用于将基带信号产生器输出的包含调制信息的1 ～100 MHz 基带信号上变频，使其达到被测器件所期望的工作频率。上变频器由前置放大器、混频器、数字本振、可变增益放大器以及自动增益控制器组成。

2.2.3 输出衰减器

输出衰减器受微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）的控制，用于调节上变频器输出的电平，使其在动态范围内可调。控制信号按二进码十进数的方式分析是否经过对应的衰减器，从而实现调节目的。

2.2.4 输入衰减器

输入衰减器采用0 dB、10 dB、20 dB 以及40 dB不连续的固定衰减器，通过控制电路保证每次只接通其中一个衰减器。输入衰减器也受MCU 控制，主要用于帮助下变频器的输入端适应不同功率范围的输入信号。

2.2.5 多路复用器

多路复用器主要由射频开关阵列、自检回绕开关以及循环器组成。在MCU 的控制下，多路复用器将下变频器的射频输入端口和上变频器的射频输出端口按时分复用的方式分配到RFI、RFO 以及RFIO 接口上。此外，它还将射频组件部分的中间级信号通过时分复用方式输出到中频接口，供计量使用。

2.2.6 MCU

MCU 由一块低功耗的增强型8051 单片机组成，主要用于接收组合接收设备测试系统RS-485 总线的控制信号。在接收到控制信号后，MCU 会对2 个调谐滤波器、2 个本振以及2 个衰减器进行控制和调节。

2.3 模拟器模块

模拟器用于完成数字发射信号的D/A 变换、上变频、滤波、激励电平产生以及本振信号产生，同时接收信号。通信控制模块主要实现测试系统与模拟器的通信控制功能，接收主控模块对模拟器的控制指令信号，如开关机、改变工作频率和模拟参数等，将其转化为模拟器可识别的控制信号。

2.3.1 主控单元

主控单元由1 片FPGA 实现，通过数字逻辑精确控制调制信号的各种参数，从而实现距离、方位角模拟。该单元主要包括FPGA 芯片、相关配置电路以及片内控制逻辑。

2.3.2 中频载波发生器

中频载波发生器负责输出140 MHz 的正弦载波，为调制过程提供必要的载波。为了满足模拟信号频率准确度的要求，该单元使用直接数字频率合成器，利用串行外设接口（Serial Peripheral Interface， SPI）写入相应控制字。

2.3.3 中频调制单元

中频调制单元能够实现幅度调制，通过特定的处理，使中频信号具有15 Hz 或135 Hz 的叠加正弦包络。该单元利用通断键控数字调制电路，实现TACAN 系统中的各测位基准脉冲调制、识别信号脉冲调制以及应答信号脉冲调制。

2.3.4 收发射频前端

收发射频前端主要用于将带有定位信息的中频模拟信号上变频至所需的工作波段，同时完成对询问信号的滤波、检波、脉冲限幅以及整形等调整，再送至主控单元进行处理。

2.3.5 信号调理单元

信号调理单元主要调整输出信号的功率步进，同时利用环形器实现模拟器与待测设备的双向信号传输[5]。

2.3.6 天线载波发生器

天线载波发生器的主要功能是生成组合天线系统中的感应信号，这些信号未经平衡调制，分别来自2 路环形天线和1 路垂直天线。

2.3.7 平衡调制单元

平衡调制单元主要用于模拟组合天线内部的平衡调制过程。基于双振幅比例调制法，通过低频信号调制天线信号，实现环形天线的转动，并消除双值性。

3 系统软件组成

组合接收设备测试系统软件分为3 大部分，分别是显示部分、控制部分、计量部分，各部分均采用模块化设计。其中，显示部分主要包括人机交互界面、操作系统、设备驱动以及应用程序接口等，控制部分主要包括测控程序、数据交互控制程序以及数据存储操作接口等。测试界面如图2 所示。

图2 测试界面

4 试验分析

采用相同的信号源，测试应用实时信号处理技术前后的信号处理延迟、数据刷新率、数据处理能力。测试结果见表1。

表1 应用实时信号处理技术前后2 种状态实验数据对比

从表1 可以看出，实时信号处理技术的应用显著降低了系统的信号处理延迟，提升了数据刷新率，提高了数据实时处理能力，极大地改善了组合接收测试设备系统的性能和效率。该技术在通信、频谱检测、雷达等领域有着更广泛的应用前景。

5 结 论

本研究成功设计并实现了基于实时信号处理技术的组合接收设备测试系统，采用先进的信号处理算法和硬件平台，能够对组合接收设备进行全面的性能测试和评估。实验证明，基于实时信号处理技术的组合接收设备测试系统在提高接收设备性能、适应不同信号环境和应用场景方面具有显著优势。未来的研究可以进一步优化系统的性能和功能，推动实时信号处理技术在接收设备领域的应用和发展。