基于合成儀器的航空無線電綜合測試設(shè)備

海軍駐廣州750廠軍事代表室 楊玉興

廣州航新航空科技股份有限公司 周偉光 陳 波

1.行業(yè)發(fā)展概述

幾十年來，基于臺(tái)式儀器的自動(dòng)測試系統(tǒng)(ATS)一直是航空和國防應(yīng)用中采用的主導(dǎo)架構(gòu)。20世紀(jì)80年代后期，基于VXI的模塊化系統(tǒng)克服了機(jī)架和堆疊方法的多個(gè)缺點(diǎn)。安裝在多插槽主機(jī)中板卡儀器降低了系統(tǒng)的尺寸和重量。20世紀(jì)90年代中期，美國國防部為開發(fā)下一代自動(dòng)測試系統(tǒng)，提出了合成儀器的最初原型，而現(xiàn)代合成儀器的概念則來源于軟件無線電(SDR)的思想。合成儀器是一種模塊化的硬件和軟件測試方案，用來將單獨(dú)的硬件和軟件測試模塊連接成一個(gè)新穎緊湊的系統(tǒng)并仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，最終結(jié)果是產(chǎn)生一種形態(tài)可變的通用系統(tǒng)架構(gòu)。合成儀器的基本原理框圖如圖1所示。

圖1 合成儀器基本原理框圖

時(shí)至今日，基于PXI的合成儀器技術(shù)已日趨成熟，儀器模塊的技術(shù)指標(biāo)已越來越接近臺(tái)式儀器。本文介紹一種將合成儀器用于航空無線電系統(tǒng)的模擬和測試的航空無線電綜合測試設(shè)備，設(shè)備分為兩種結(jié)構(gòu)形式，臺(tái)式設(shè)計(jì)滿足上架及試驗(yàn)室需求，便攜式設(shè)計(jì)適合外場及原位測試，設(shè)備兩種結(jié)構(gòu)形式如圖2、3所示。

圖2 臺(tái)式航空無線電綜合測試設(shè)備

圖3 便攜式航空無線電綜合測試設(shè) 備

2.航空無線電綜合測試設(shè)備的硬件組成

航空無線電綜合測試設(shè)備基于合成儀器技術(shù)和PXI總線技術(shù)構(gòu)建，在同一塊PXI背板上集成了矢量信號(hào)源、矢量信號(hào)分析儀、FPGA模塊、音頻信號(hào)發(fā)生采集器、數(shù)字化儀、任意波發(fā)生器和開關(guān)模塊等測試資源，各種測試資源以及UUT之間通過開關(guān)模塊進(jìn)行連接和切換 。設(shè)備具備了24bit音頻信號(hào)輸出和測量、DC～6.6GHz信號(hào)輸出、DC～26.5GHz信號(hào)測量的能力。其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于合成儀器的航空無線電綜合測試設(shè)備的硬件組成

在整個(gè)航空無線電綜合測試設(shè)備中，F(xiàn)PGA模塊、音頻信號(hào)發(fā)生采集器、數(shù)字化儀、任意波發(fā)生器和開關(guān)模塊屬單模塊儀器，矢量信號(hào)源和矢量信號(hào)分析儀為多模塊儀器，模塊之間采用射頻線纜連接。在這些儀器中，上/下變頻實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，可完成模擬信號(hào)在中頻、射頻以及微波頻段之間變換。

3.航空無線電綜合測試設(shè)備的軟件

航空無線電綜合測試設(shè)備軟件采用分層設(shè)計(jì)思想，在Windows XP系統(tǒng)下，以LabVIEW作為軟件開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，以下又分為儀器驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用軟件層，儀器驅(qū)動(dòng)提供了應(yīng)用軟件模塊開發(fā)的所需的接口定義及其庫文件，功能軟件模塊以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)和其他庫文件，自行定制各種復(fù)雜的軟件算法，對信號(hào)進(jìn)行軟件分析處理，最終將程序文件打包形成多種功能的應(yīng)用軟件模塊。軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 航空無線電綜合測試設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)框圖

管理運(yùn)行軟件對所有應(yīng)用軟件模塊進(jìn)行集中的管理和維護(hù)，方便使用者進(jìn)行操作和管理。管理運(yùn)行軟件界面如圖6所示。

圖6 管理運(yùn)行軟件界面

截至目前，已在航空無線電綜合測試設(shè)備18項(xiàng)航空無線電系統(tǒng)通用和專用軟件模塊，極大地滿足了無線電系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備測試的需要。

7 ILS信號(hào)模擬器 17 數(shù)字化儀8 應(yīng)答機(jī)測試模擬器 18 音頻信號(hào)源9 GPS信號(hào)模擬器 19 音頻信號(hào)分析儀10 羅蘭C信號(hào)模擬器 20 任意波形發(fā)生器

4.航空無線電綜合測試設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)

4.1 綜合性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)

航空無線電綜合測試設(shè)備在高性能的硬件資源的支持下，覆蓋DC～6.6GHz范圍的信號(hào)輸出能力和DC～26.5GHz范圍的信號(hào)測量的能力，應(yīng)用軟件無線電的思想進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。開發(fā)出的軟件模塊既有通用功能模塊，也包括各種專用軟件模塊，模塊數(shù)量總共達(dá)20多種。針對不同的應(yīng)用，設(shè)備可以選用不同的軟件模塊配置或配置組合。

4.2 操作性強(qiáng)

作為一臺(tái)多功能的儀器，航空無線電綜合測試設(shè)備可采用多種方式進(jìn)行操作。前面板配有一塊8.4寸高亮帶觸摸功能顯示屏，可以觸摸控制；顯示屏右側(cè)配備功能按鍵和數(shù)字按鍵，可以按鍵控制；儀器配備USB接口，也用鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行控制；儀器自始至終是按照LXI C類儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足用戶程控需求。

4.3 高采樣率ADC/DAC技術(shù)

合成儀器通過將中頻信號(hào)上變頻完成信號(hào)輸出功能、將高頻信號(hào)下變頻后對中頻信號(hào)進(jìn)行分析完成信號(hào)測試功能，ADC/DAC是連接模擬域和數(shù)字域之間的接口。航空無線電綜合測試設(shè)備的ADC采樣率高達(dá)4GS/s，DAC采樣率高達(dá)400MS/s，通過ADC/DAC可以準(zhǔn)確地將采集的信號(hào)重建或生成上變頻器的激勵(lì)信號(hào)。

4.4 可編程FPGA技術(shù)

以往的可編程儀器，往往不具備實(shí)時(shí)處理能力。對信號(hào)進(jìn)行處理，通常的做法是先將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集，然后將數(shù)據(jù)讀取到控制器的內(nèi)存中，再進(jìn)行處理和運(yùn)算，再將處理后的數(shù)據(jù)傳送到儀器模塊中，這樣的系統(tǒng)常常因?yàn)樾盘?hào)處理速度慢而不能很好的滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

可編程FPGA技術(shù)在合成儀器領(lǐng)域的運(yùn)用，使原來不得不在上位機(jī)處理器中進(jìn)行的處理和運(yùn)算能夠?qū)崟r(shí)的通過FPGA的可編程門陣列的進(jìn)行處理。這樣的合成儀器模塊設(shè)計(jì)靈活、速度塊、準(zhǔn)確度高、功耗低，同時(shí)又具備可重配置性，市場上大量的第三方IP核，也可在某種程度上減少開發(fā)時(shí)間。采用可編程FPGA模塊可進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、信號(hào)強(qiáng)度測量、頻率測量及協(xié)議解碼等工作。

5.未來展望

合成儀器誕生于美國國防部的下一代自動(dòng)測試系統(tǒng)，如今在美國海軍、陸軍、空軍中都有所應(yīng)用，但在國內(nèi)的軍、民用測試領(lǐng)域尚未十分成熟，隨著近幾年安捷倫、NI等公司一些新的、高性能的合成儀器產(chǎn)品進(jìn)入中國市場，中國的測試行業(yè)正在經(jīng)歷著飛速的變化，合成儀器向著硬件更通用、軟件更強(qiáng)大、客戶可定制、軟件替代硬件實(shí)現(xiàn)測試的方向發(fā)展傳統(tǒng)儀器越來越受到性能更高、價(jià)格更低的模塊化合成儀器的挑戰(zhàn)，未來一段時(shí)間內(nèi)，我們會(huì)看到合成儀器更多地應(yīng)用到軍、民用航空測試領(lǐng)域，更好的未航空測試服務(wù)。