調制解調器自動化測試系統設計

李 勇，劉 洋

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081）

0 引言

在調制解調器的研制、生產和檢驗過程中，需要對設備進行各項指標的測試。由于測試項目繁多，涉及的各類型儀器種類也較多。在以往的調制解調器產品全面的測試過程中，由于缺乏自動測試系統，所有的測試連接關系變化和參數讀取都需要人工控制，由此帶來了一系列的問題或不足，主要表現在:①效率低下;②一致性差;③對測試人員專業技能要求高。

1 總體設計

調制解調器各種技術指標參數的測試會分別用到不同類型的測試儀器，而某一類型的測試儀器也存在多種型號。需要結合調制解調器的待測指標確定匹配的測試儀器。自動化測試軟件連結并控制測試系統內的所有儀器與被測設備。通過界面設置單項或多項的測試項目，由軟件控制測試儀器完成儀器參數設置，待測設備參數設置，待測項目測量以及測試數據的分析、保存和輸出等功能。

1.1 硬件設計

硬件設計包括有針對性地進行儀器選型和為構建自動化測試系統自行設計研制數據切換設備2部分。

調整解調器的測試項目及相應的主要測試儀器分為以下幾個方面:

中頻測試[1]:輸出雜散、輸出電平、相位噪聲、載波關斷、輸出頻率準確度、輸入電平范圍、載波模板、誤差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）測試、載波捕獲范圍、載波鎖定時間、最大復合輸入電平以及回波損耗等;測試使用的主要儀器為頻譜儀、矢量信號分析儀等儀器。

誤碼率測試:中頻環誤碼率指標、誤碼率曲線、存在臨道干擾條件下誤碼率測試、使用模擬轉發器模擬衛星信道條件下的射頻環誤碼率測試等[2];測試使用的主要儀器為誤碼儀，其中常用誤碼儀（如AV5237電信/通信數據分析儀）的最高速率僅2Mbps，對調制解調數據速率超過2Mbps但低于10Mbps的可以選擇FIREBERD 6000A誤碼儀，超過10Mbps的誤碼率測試則需要使用高速誤碼儀如HP 81200誤碼儀。

網絡協議（Internet Protocal，IP）傳輸特性測試:吞吐量、時延、抖動以及丟包率等;主要測試儀器為網絡測試儀。

電源測試:工作電壓、功率、絕緣電阻、介電強度以及泄露電流等;需要使用萬用表、耐壓測試儀等儀器。

其他測試項目還包括:數據傳輸時延、同步接口時鐘抖動、設備接口功能測試等。

上述項目在產品研制階段需要逐項生成測試，在生產調試階段保留大部分測試項目，在產品檢驗階段主要針對整體傳輸性能及各類端口的性能、功能項目進行測試。

針對調制解調器的幾大類測試項目，除部分類似項目搭建的環境相同外，大部分測試項目所需的儀器和測試方法是不同的。

對測試項目綜合分析可以確定部分基礎儀器:開關矩陣、數據切換設備、噪聲源以及衰減器等。

其他還會使用到的儀器和設備還包括:示波器、矢量信號分析儀、信號源以及模擬轉發器等。

對上述儀器要求具備遠程控制接口，遠控接口的類型盡量選用網口或者通用接口總線（General-Purpose Interface，GPIB）接口，以便于將所有儀器連接至計算機實現自動測試軟件對儀器的集中控制[3]。

針對調制解調器的各種測試項目，該方案設計的自動測試硬件環境組成如圖1所示。

圖1 測試系統硬件構成框圖

圖1中的自動測試環境組成可以實現衛星環境的簡單模擬，可實現噪聲、群時延和臨道干擾的模擬。其中構成硬件環境的各類儀器的選型以滿足測試需求為基本要求，避免盲目追求測試儀器的高性能，因為越是高端的儀器其價格越昂貴，合理的儀器選型將節省不必要的投資。

1.2 軟件設計

軟件的設計基本要求是自動化測試系統軟件能夠對設備測試過程進行自動化管理，并能夠對測試數據進行分析處理。

自動測試系統軟件是運行于計算機的數據通信設備自動測試系統軟件，該軟件是通信設備自動測試系統重要組成部分。自動測試系統軟件通過計算機控制測試儀器組和被測設備組，可按照界面設置或者編程對被測設備的參數進行自動化測量，并對測試數據進行存儲、匯總、統計、分析以及打印輸出。系統框圖如圖2所示。

圖2 測試系統軟件與控制對象連接框圖

自動測試系統軟件將繁雜的儀器參數設置，設備參數設置，數據讀取及記錄等工作交由程序自動完成。用戶面對的主要測試操作包括:①選擇測試方法;②配置測試參數;③執行測試流程;④保存測試結果;⑤進行測試的回放與處理。測試工程界面采用圖形化設計，具有向導式的新建工程模式。自動測試軟件操作流程如圖3所示。

圖3 測試工程工作流程圖

自動測試系統軟件能夠通過其人機界面完成其所連接的所有儀器和設備的參數設置與測試結果或數據的讀取。全部測試過程由編寫的程序來自動執行。每一種指標參數的測試對應于一個測試子程序。對某些測試項目如誤碼率曲線，測試過程相同，但信噪比參數每次測試按照一定步進調整，反映到程序設計上則是子程序的多次調用。測試軟件可通過對多個測試方法的簡單組合，構成測試工程。在測試中執行一個測試工程時，將依次自動執行相應的多個測試方法。

為便于所有測試數據的后期處理，該軟件能夠通過磁盤文件的形式與Matlab進行數據交互操作;能夠調用Excel 2003生成Excel 2003格式的各種報表。

對所獲取的測試數據進行處理是自動化測試軟件的一項重要功能。其主要任務分為以下4個功能[4]:①原始數據記錄功能:界面提供原始數據記錄按鈕，在數據采集過程中，將數據記錄到文件;②數據回放功能:提供界面，打開不同的原始數據記錄文件，將所記錄的數據進行回放顯示，回放速率可選;③數據離線處理:提供數據處理的開放性接口，可以將測試數據轉化為Excel表格或方便直接導入Matlab的格式;④報表生成:測試方法運行時，將原始數據或數據處理的結果實時寫入測試報告，當測試完成后，形成測試報告。

2 需解決的問題

該方案設計的自動化測試系統針對的設備為調制解調器。調制解調器對外接口包括中頻接口、控制接口和數據接口。對中頻接口利用射頻開關矩陣可以完成多臺被測設備中頻信號的選擇與切換;對控制接口則可以通過控制接口擴展的方式實現自動化測試軟件對多臺被測設備的監控;對數據接口而言，由于調制解調器通常具有RS-422同步數據接口、G.703數據接口、LAN接口、低壓差分信號（LVDS）同步數據接口等多種接口，需要研制相應的數據切換設備，解決多類型接口的數據選擇與切換問題。

另外一項需解決的重要問題為測試軟件的測試流程控制。某些復雜的測試如誤碼率曲線測試，需要設計一種檢測反饋策略，使軟件具備根據首次測試結果調整相關儀器參數設置的智能功能，減少無效測試所消耗的時間。

3 關鍵技術

3.1 多設備接口切換技術

對多臺設備的多種接口切換要求，可以采用模塊化接口電路設計。當增加一臺被測設備時只需要相應增加一塊接口切換板塊，可以較快地適應測試系統的調整。

對多種數據類型數據接口（RS-422接口、LVDS接口）可以采取首先轉換為同一類型接口電平接入現場可編程門陣列（FPGA）芯片，在FPGA內部根據軟件控制命令選擇其中一路連接至測試設備接口。

對多路G.703信號或者LAN信號，可以采取多輸入繼電器作為核心電路實現多對一的信號切換。

要實現可變路數的多設備接入，需要在擴展接口切換板卡與母板的連接處考慮設計檢測信號，配合FPGA內部編程軟件自動識別所連接設備的通道數，并將接口切換設備本身的狀態通過遠控接口上報自動測試軟件。操作人員即可通過自動測試軟件的人機界面對多臺設備的測試工程進行設置。

3.2 閉環測試技術

在自動測試軟件控制整個測試系統的“開始測試”階段，對某些復雜的指標測試來說需要進行多次測量。為了在最短的時間內完成設定目標的測試，需要解決檢測－調整的閉環測試控制技術。

例如要完成設備誤碼率性能測試，需要測試軟件根據上一次信噪比測試值來調整信噪比設置，反復測試多次，直至誤碼率滿足目標測試要求時停止測試，并給出對應的信噪比。針對誤碼率性能的檢測－調整處理流程如圖4所示。

圖4 誤碼率測試檢測－調整處理流程圖

首次測試時初始參數的設定及根據測試結果調整儀器參數的策略是決定測試時間的重要因素。初始條件的設定可以參考以往測試經驗值，而信噪比參數的調整步進需要考慮不同的調制編譯碼方式性能曲線特性。對于卷積編碼，其誤碼率曲線變化較為平緩，信噪比調整步進可以適當加大;對級聯RS編碼或者低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check，LDPC）來說，其誤碼率曲線較為陡峭，調整步進需要適當減小，否則測試過程可能會出現振蕩的情況，即減小信噪比后測量誤碼率低于設定的目標，加大信噪比后測量誤碼率又高于設定的目標，在這兩者之間反復切換，造成程序的死循環。為避免測試時死循環的發生加入測試周期統計，當測試周期超過設定值時，退出該技術指標的測試過程。

4 測試驗證及結果分析

在構建好自動化測試平臺的軟硬件后，以調制解調器最復雜最細致的誤碼率測試為例，分別使用人工測試與自動測試對比驗證該系統的測試效果。

所選被測調制解調器具備9種調制編碼組合方式。其最低數據速率為64kbps，最高數據速率為20Mbps，每種組合在其最低速率、最高速率和中間速率分別進行測試。誤碼率要求覆蓋10－4、10－5、10－6、10－74個數量級[5]。測試數據量為指標要求的100倍，例如誤碼率指標要求1×10－7量級時需要測試數據量達到109，則在數據速率64kbps時測試耗時109/64000/3600≈4.34h;在數據速率20Mbps時測試耗時109/20000000≈50s;要完成9種模式誤碼率曲線測試時有效測試時間約為45h。

在人工測試時每次測試轉換時的設備參數設置、測試儀器參數設置、信噪比標校和數據記錄等工作平均耗時約10min，累計的工作量約為9×3×4×10/60=18h。總的工作量需要8個工作日才能完成。

使用自動化測試環境測試時，在根據測試要求建立一個測試工程后開始自動測量，由于每次測試轉換時間較短，總共只需約2天（儀器及設備可連續運行）即可獲得準確度較高測試數據。

對比測試充分說明了自動化測試較人工測試大幅縮減測試時間。

5 結束語

調制解調器的測試環境復雜、測試項目繁多，在研設備完成“改進－測試－改進”的研制流程及已定型設備的批量生產均需要在短時間內完成大量的測試和試驗工作。事實證明，建立一個自動化測試平臺無論對科研還是生產都可起到事半功倍的效果。

[1]Intelsat.IESS－308 QPSK/IDR Rev10[M].USA:Intelsat，2000:52－53.

[2]周嘯天.搭建衛星調制解調器測試平臺[J].無線電工程，2004，34（12）:29－31.

[3]徐潔.檢測技術與儀器[M].北京:清華大學出版社，2004:157－163.

[4]宋開旭，冷淑君.軟件工程[M].天津:天津科學技術出版社，2009:49－52.

[5]孫玉偉、齊昶.不同Eb/N0條件下誤碼性能測試[J].無線電通信技術，2006，32（3）:42－44.