一种基于I/Q数据存储的射频电路故障诊断平台的设计研究

2024-05-13朱维玮臧宏陶轩

中国设备工程 2024年9期

朱维玮，臧宏，陶轩

（国营芜湖机械厂，安徽芜湖 241007）

基于I/Q数据存储的射频电路故障诊断平台（以下简称“故障诊断平台”）是根据射频电路板上元器件维修需要，设计研发的故障诊断平台。通过采集存储射频电路任何一级输出的正常工作信号，不仅可以对这些信号进行分析，更关键的是可以将这些信号重新注入故障电路模块中，可以对电路模块的输出进行对比分析，从而完成故障的判定，是一种运用综合数字射频存储技术的新型射频电路故障诊断方法。

1 研制指导思想

故障诊断平台的研制遵循以下指导思想。

可靠：具有较高的可靠性，在总体设计及硬件选择时作为首要考虑因素。

先进：采用行业主流及成熟的工业测试技术，具备较强的扩展性。

易用：提供良好的人机界面以及清晰明确的测试接口，易于进行测试适配器与测试软件的开发。

资源全面：提供较全面的硬件测试资源以及软件开发工具，便于在不增加或少量增加资源的情况下即可开发新的测试项目。

需求牵引：以射频电路板上元器件维修为需求牵引，不仅可以对射频电路任何一级输出的正常工作信号进行分析，还可以将这些信号重新注入故障电路模块中，对电路模块的输出进行对比分析，从而很轻松地完成故障的判定。

延续性：在方案设计、硬件配置选型上参考以往系统的研制经验，不断优化、完善、升级各项技术与人机接口。

2 总体设计

故障诊断平台采用标准台式仪器组成，包括信号采集存储设备、I/Q数据记录设备、射频信号重建与注入设备、探头、交换机、高性能主控机组成。组成框图如图1所示。

图1 射频电路诊断平台硬件组成

故障诊断平台可对电路板进行快速诊断和故障定位，其中包含射频信号变频接收、海量信号数据高速采集记录存储管理、模拟回放重建、信号分析处理、信号对比、故障诊断、信号对比报告生成等功能。该故障诊断平台软件提供丰富准确的提示信息、灵活简单的操作指令，确保诊断工作的快速进行，同时也是保证对机载电路板故障诊断的准确率。

仪器采用了高性能微波仪器作为射频收发前端，整个射频收发系统动态范围大、失真小、灵敏度高，射频性能指标达到了仪器量级。

故障诊断平台包括标准上架式的4U高的射频信号采集存储设备、4U高的射频信号重建与注入设备、2U高的I/Q数据记录设备、1U高的标准KVM键盘显示一体机、2U高的工作控制计算机，共13U的高度，以及内置1U高的高速交换机和1U高的PDU电源分配单元。采用定制22U小型化机柜的形式进行系统集成。

3 硬件设计

（1）定制22U小型化机柜。设备机柜采用定制22U小型化机柜的形式进行系统集成。结构方案如图2所示。

图2 定制机柜结构方案图

（2）信号采集设备。信号采集设备采用的频谱分析仪。具备出测试动态范围、相位噪声、幅度精度和测试速度，具备强大的频谱分析、符合标准的功率测量组件、I/Q分析、瞬态分析、脉冲参数分析、音频分析、模拟调制测量、矢量信号测试等多种测试功能。良好的扩展能力，可通过多种数字和模拟输出接口构建测试系统或进行二次开发。设备采用11.6英寸触摸显示屏，测试细节显示更全面、更直观。参数设置菜单简洁，一键直达参数设置。多测量模式并行运行与显示，模式切换方便高效。

A.环境适应性。工作温度、湿度、低气压、正弦振动、功能冲击、倾斜跌落满足GJB3947A-2009中3.8的3级设备要求，具体要求如下：a.贮存温度：-40～+70℃；b.工作温度：0～50℃；c.相对湿度：温度低于10℃时湿度不加控制；温度为10～30℃时，相对湿度为5%～95%；温度为30～40℃时，相对湿度为5%～75%；温度为40℃以上时，湿度为5%～45%；d.低气压（海拔高度）：4600m；e.随机振动：频率5～100Hz时，功率谱密度0.015g2/Hz；频率100～137Hz，斜率-6dB/oct。频率137～350Hz，功率谱密度0.075g2/Hz；频率350～500Hz，斜率-6dB/oct；频率500Hz，功率谱密度0.0039g2/Hz；f.功能冲击：满足196m/s2（20g）半正弦冲击试验，脉冲宽度大于11ms，每个轴向3次；g.倾斜跌落：正常工作状态下，以一个边作为支点，底座的对边高度抬高100mm，自由跌落方式，每个放置面4次。

B.安全性。符合GJB3947A-2009中3.10的规定。设备的电源输入端与机壳之间（电源开关置于接通位置）在试验用标准大气压下应不小于100MΩ，在潮湿环境下应不小于2MΩ。

C.可靠性。应符合GJB3947A-2009中3.12的规定，MTBF≥5000h。

（3）I/Q数据记录仪。数据记录仪实时I/Q数据的高速记录、回放和转储，具有12TB（可扩展）的存储容量和高速的光纤、网络接口。与信号/频谱分析仪等仪器配合使用时，可实现电磁信号的无缝捕获和存储，能够提供有效数据长时间无缝记录。

数据记录仪采用2U标准台式机箱，机箱前面板包括记录仪维护面板、电源开关、剩余容量数码管以及记录、回放、转储、故障、单通道、多通道指示灯，后面板包括交流220V电源插座、千兆网络接口、6路光纤FC插座、接地柱与保险丝。

（4）矢量信号重建设备。矢量信号重建设备采用1465C-V信号发生器。该型矢量信号发生器1GHz内部调制带宽和2GHz外部调制带宽的实时带宽指标，满足各种宽带信号的模拟需求。具有优异的频谱纯度和输出功率指标，尤其是10GHz载波@10kHz频偏达到-126dBc/Hz，满足对测试信号要求苛刻的测试需求。全频段EVM＜1.4%（4Msps），达到计量级设备要求。支持PSK、QAM、FSK，ASK等20余种通用调制格式和5种下载格式的任意波调制，可以根据需要编辑、下载配置所需要的波形，完成各种信号模拟，满足各种复杂信号的测试需求。

A.外形及尺寸。435mm×178mm×498mm（不包括把手和防护底角）。

B.环境适应性。贮存温度、工作温度、湿度、低气压、正弦振动、功能冲击、倾斜跌落满足GJB3947A-2009中3.8的4级设备要求。a.贮存温度：-40～+70℃；b.工作温度：0～40℃；c.相对湿度：温度低于10℃时湿度不加控制；温度范围为10～30℃时，相对湿度为5%～95%；温度范围为30～40℃时，相对湿度为5%～75%；d.低气压（高度）：海拔4600m；e.随机振动：频率5～100Hz，功率谱密度0.015g2/Hz；频率100～137Hz，斜率-6dB；频率137～350Hz，功率谱密度0.0075g2/Hz；频率350～500Hz，斜率-6dB；频率500Hz，功率谱密度0.0039g2/Hz。

C.可靠性。符合GJB3947A-2009中3.12的要求，MTBF≥5000h。

（5）控制计算器。控制计算机选用IPC-510H。机箱：IPC-510，主板：AIMB-785G2，CPU：I7-6700内存：16G，硬盘：1T机械硬盘，键鼠：USB，操作系统：WIN7正版（表1）。

表1 设备主要硬件构成

4 主要功能

4.1 射频信号采集、存储功能

当测试探针接触到电路后，射频信号采集系统在运行过程中既能够通过屏幕显示的瀑布图等图像实时监测输入信号和整机状态，也能够实时记录采集。信号分析仪将接收射频信号通过变频生成中频信号，中频信号由高速ADC进行数据采集后变为数字信号，再经过FPGA进行数字下变频等预处理转化为I/Q数据流，并持续进入到信号处理与分析单元，进行加窗、FFT运算、轨迹检波等，最后将运算结果通过嵌入式计算机进行显示处理。利用它们，很方便地为使用者提供特征信息，从而能非常容易地发现电路板上的故障。

同时，在记录模式下，整个故障诊断平台可以实时将I/Q数据流通过光纤传入I/Q数据记录系统中进行流盘，完成采集数据的海量存储，存储的数据流采用数据包的格式，除包含存储的数据外，还包含用户设定的中心频率、频宽等信息，以便在转储时能够提供详细的数据信息。这些数据信息可用来构建射频信号大型数据库，以备以后对其他电路板进行比对测试。记录界面示意图如图3所示。

图3 记录界面示意图

4.2 射频信号重建、回放功能

记录仪中存储的数据又可以通过光纤持续的回放给射频信号采集系统中，通过高速信号处理单元的预分析或主机的离线深度分析软件，完成存储数据的回放分析，回放分析界面如图4所示。

图4 回放分析界面示意图

在信号回放重建过程中，I/Q数据记录系统的数据能够导入射频信号重建系统中进行信号重建输出，将记录的信号还原出来。将I/Q数据记录系统中的信号I/Q数据输入射频信号重建系统中，通过高速DAC转换I/Q基带信号，通过矢量调制器或射频上变频器，将I/Q数据记录系统中的数据I/Q信号变成射频信号，完成记录信号的模拟重建。

射频信号重建系统具有任意波功能，通过点击主屏幕的信号模拟按钮，选择任意波即可弹出任意波配置窗口。