基于LabWindows/CVI相位噪聲測試系統的設計與實現*

趙建軍 張亦弛 牟俊杰

(1.海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001)(2.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001)

基于LabWindows/CVI相位噪聲測試系統的設計與實現*

趙建軍1張亦弛2牟俊杰2

(1.海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001)(2.海軍航空工程學院研究生管理大隊 煙臺 264001)

為了提高相位噪聲測量的效率,結合實際工程,基于虛擬儀器原理對相位噪聲測試軟件進行設計。軟件采用模塊化、層次化結構思想設計,基于LabWindows/CVI平臺以及VC++6.0工具開發,采用了與GPIB接口通信、RS232串口通信、調用外部可執行文件等技術,方便地實現了被測信號大小的調整和相位噪聲參數的測量。該檢測系統軟件運行穩定可靠,操作簡單明了,自動化程度大大提高,具有一定的實用性和推廣價值。

虛擬儀器; 相位噪聲測試系統; 串口通信

Class Number TP391

1 引言

隨著通信、雷達等高科技的發展,相位噪聲往往成為系許多現代電子系統和設備包括測控、雷達、通信、導航、儀器儀表、電子測量、天文和近代物理實驗等的限制性因素,成為整機系統、頻率源設計中必須認真考慮的性能指標。因此相位噪聲的測量是任何從事射頻微波產品研究和開發的工作者不可忽視的重要環節[1]。

本文設計的相位噪聲測試系統基于虛擬儀器原理,以LabWindows/CVI為軟件開發平臺。通過GPIB總線、RS232總線對測量儀器進行控制,能夠方便快捷地對接收到的信號進行調整和相位噪聲的測量[2]。

2 系統組成及信號流程

相位噪聲測試系統由測試計算機、開關控制器、相噪測試儀、固定衰減器、可變衰減器、微波開關、功率計以及接口總線八大部分組成。相位噪聲測試儀器選用法國EUROPTEST公司生產的PN9000相位噪聲測試儀[3]。整個測試系統通過專用的信號線將各組成部件相連,測試計算機通過GPIB總線對開關驅動器、功率計、可變衰減器以及微波開關發出控制指令,進行信號測量前的調整工作。當信號調整到合適的強度時,計算機通過RS232總線發出控制指令,PN9000相噪測試儀對信號相位噪聲測量[4]。

信號參數檢測設備信號流程圖如圖1所示。

圖1 相位噪聲測試系統示意圖

天線系統接收照射器輻射的連續波信號,由于該信號可能會很大,超出PN9000的承受范圍,因此要在前端加上固定衰減器和可變衰減器,進行相應的衰減。為了保護PN9000,在利用可變衰減器進行信號強度調整時,不能直接接入PN9000相噪系統,而要由微波開關轉換到功率計進行信號強度監視。其中,可變衰減器和微波開關要通過開關驅動器利用測試計算機進行控制。同時,功率計測得的功率讀數也要采集到計算機作為參數進行衰減控制。通過衰減控制使信號強度滿足PN9000測試要求,通過微波開關使之接入PN9000相噪系統進行信號噪聲的測試。

3 測試系統軟件設計

本系統的測試軟件是基于美國NI公司的LabWindows/CVI平臺開發的。LabWindows/CVI是一種交互式C語言開發平臺,它不但有了豐富的函數庫,而且集成了各種專業的測控工具,提供了優越的硬件接口功能,適用于各種測試、控制、故障分析及信息處理軟件的開發。尤其是大型、復雜的測試軟件[5]。

3.1 系統結構

本測試軟件采用模塊化、層次化結構設計思想。系統共分為物理接口層、測試資源層、用戶管理層、用戶應用層四個層面。主控計算機通過LabWindows/CVI軟件對測試儀器進行控制,實現信號調理和測試功能。

軟件框圖如圖2所示。

圖2 軟件框圖

3.2 軟件功能模塊設計

測試系統軟件結構從模塊化設計思路出發,自頂向下設計[6]。分為六大模塊：初始化模塊、微波開關控制模塊、功率計數據采集模塊、信號調理模塊、可變衰減器控制模塊以及退出模塊。

1) 初始化模塊

主要完成軟件啟動時的初始化,把“微波開關”打到“信號調理”狀態,把可變衰減器衰減最大,用來防止信號過大損壞PN9000相位噪聲測試系統。

2) 微波開關控制模塊

主要完成微波開關[7]的控制,在“信號調理”狀態時,微波信號經微波開關傳到功率計,在“信號測試”狀態時,微波信號經微波開關傳到PN9000相位噪聲測試系統,同時本模塊調用PN9000測試軟件進行噪聲測試。在軟件啟動時和退出時,本模塊受初始化模塊調用轉到“信號調理”狀態。

3) 功率計數據采集模塊

本系統通過把信號轉到功率計進行信號強度的測試,然后通過本模塊利用GPIB將信號強度大小采集到計算機進行信號強度的調整。

4) 信號調理模塊

在“信號調理”狀態,計算機把采集的信號強度與PN9000相位噪聲測試系統適用的信號強度進行比較調整可變衰減器的衰減量,使信號達到最適合的狀態。但也有可能存在信號強度過大或者過小在可變衰減器的變化范圍內無法達到適用強度,此時軟件面板的上“信號過強”或者“信號過弱”指示燈會變紅,此時可以通過調整天線的方向解決。

5) 可變衰減器控制模塊

天線接收到的連續波信號強度一般不會剛好適合PN9000相位噪聲測試系統測量信號的強度,因此,在系統中加入了可變衰減器,通過調整可變衰減器的衰減量調整最終傳到PN9000相位噪聲測試系統的信號強度。本軟件中是通過GPIB控制與可變衰減器相連的開關控制器實現衰減的變化的。

6) 退出模塊

系統中含有功率敏感儀器—PN9000相位噪聲測試系統,因此在退出模塊中要加入初始化模塊,使微波開關置于“信號調理”狀態,使可變衰減器置于最大衰減,保證系統退出時PN9000相位噪聲測試系統是安全的。本軟件可以在任何狀態“信號調理”或者“信號測試”狀態下退出,且退出都能保證PN9000相位噪聲測試系統安全。

軟件流程圖如圖3所示。

4 系統軟件主要程序

本系統軟件包含若干源文件(.c)、頭文件(.h)、用戶界面文件(.uir)、工程文件(.prj)組成。軟件單元通過GPIB接口控制卡初始化設置函數對GPIB裝置進行初始化[8],開關驅動器和功率計初始化程序如下：

sprintf(kgqdq1_buf,"%s","B9");

sprintf(kgqdq2_buf,"%s","A1234");//把格式化的數據寫入字符串中

deviceswitch=ibdev(0,28,NO_SAD,T10s,1,0); //打開開關驅動器

ibwrt(deviceswitch,kgqdq1_buf,3);//向開關驅動器寫入數據

ibwrt(deviceswitch,kgqdq2_buf,6);

devicepower=ibdev(0,13,NO_SAD,T10s,1,0); //打開功率計

主控計算機通過RS232總線與相位噪聲測試儀器PN9000相連,軟件中要對串口進行配置和初始化,程序代碼如下[9]：

int tmp=-1;//COM2口打開情況,正常打開為0;

tmp=OpenComConfig(comselect, "", 9600, 0, 8, 1, 2048, 2048);

SetXMode(comselect,0);

//禁止軟件握手

SetCTSMode(comselect, LWRS_HWHANDSHAKE_OFF); //禁止硬件握手

FlushInQ (comselect);

//清空輸入隊列;

FlushOutQ(comselect);

//清空輸出隊列;

if (tmp!=0)

{

MessagePopup("Com ","端口錯誤!");

return 0;

}

測試軟件調用PN9000的測噪應用程序WPN9000.exe對信號相位噪聲進行測量,其程序代碼如下：

GetCtrlVal(panel,PANEL_TESTBUTTON,&timejudge);

if(timejudge==1)

{ LaunchExecutableEx("C:Program FilesWPN9000WPN9000.exe",LE_SHOWNORMAL,&handle);//調用測噪程序WPN9000.exe

if(handle==0)

{

RUNFLAG_WPN9000=1;

}}

5 系統運行界面

運行本系統測試軟件,根據提示進行測試準備工作。打開開關控制器電源、功率計電以及PN9000相位噪聲檢測系統電源,照射器發射信號,在軟件主界面點擊“信號調理”按鈕,進入信號調理界面,此時信號過大,參數檢測按鈕式不可用的。圖4為信號調理的運行界面。

圖4 信號調理界面

不停地調整信號接收天線方向,當信號大小調節到滿足PN9000相噪系統的測試要求時,參數檢測按鈕可用時對信號進行參數檢測。圖5為檢測軟件測量得到的相位噪聲信號功率譜密度大小[10]。橫軸為偏離中心頻率的頻率值,是對數坐標,單位為Hz,縱軸為噪聲幅度,單位為dBc/Hz。

圖5 檢測結果頻譜圖

6 結語

本文所介紹的相位噪聲測試系統以LabWindows/CVI為軟件開發平臺,主控計算機通過LabWindows/CVI提供的GPIB/GPIN488.2函數庫對測試儀器進行控制,完成信號相位噪聲參數的測量。本系統軟件層次清晰,人機界面友好,操作簡便,自動化程度高。對軟件進行了多次測試,結果表明軟件運行狀況良好、性能穩定、達到設計要求。

[1] 葉玲玲,右明華,沈小青,等.基于相位噪聲測試系統的頻率穩定度測量方法[J].中國科技信息,2011,(12):150.

[2] 謝印忠,張保洲.VC++平臺下的虛擬儀器應用研究[J].計算機測量與控制,2010,18(1):237-239.

[3] 呂楊.PN9000相位噪聲測量系統及其應用[C]//全國時間頻率學術交流會,2003:295-299.

[4] 趙建軍,姚躍亭,陳紅兵,等.基于WPN9000的某照射器相位噪聲檢測系統設計[J].電子測量技術,2008,31(3):104-107.

[5] 孫曉云.基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用[M].北京:電子工業出版社,2005:5-7.

[6] 溫昱.軟件構架設計[M].北京:電子工業出版社,2007:53-54.

[7] 李周利,趙學敏,黃天錄.微波信號調制電路設計與實現[J].電子測試,2012,5:89-92.

[8] 程剛,謝弛,等.在CVI環鏡下開發基于GPIB總線的自動測試系統示例[J].電測與儀表,2003,40(2):28-30.

[9] 吳松齡.LabWindows/CVI下測控串行通信的實現方法[J].測控技術,2012,31(9):88-91.

[10] 陳曉龍,王家禮,孫璐.脈沖調制信號相位噪聲測量中的功率譜估計方法[J].西安電子科技大學學報,2012,39(4):138-143.

Design and Implementation of Phase Noise Measurement System Based on LabWindows/CVI

ZHAO Jianjun1ZHANG Yichi2MOU Junjie2

(1. Department of Ordnance Science & Technology, Naval Aeronautic & Astronautical University, Yantai 264001) (2. Administrant Brigade of Postgraduate, Naval Aeronautic & Astronautical University, Yantai 264001)

In order to improve the efficiency of the phase noise measurement, combined with the actual engineering, a phase noise measurement system software based on virtual instrument(VI) is designed. The software adopts modularity and hierarchical structure to design, uses echnologies such as GPIB interface communication, RS232 interface communication and calling external executable file multithread technology etc. It is developed by using LabWindows/CVI and VC++6.0 based on Windows OS. It is able to adjust signal and measure phase noise conveniently with this software. The application shows that this system runs stably, constructs simply and the degree of automation improves significantly. The technology and methods adopted in the system are practical and worthy of using abroad.

virtual instrument, phase noise measurement system, interface communication

2014年5月7日,

2014年6月22日 作者簡介:趙建軍,男,博士,教授,研究方向:計算機測控。張亦弛,男,碩士,研究方向:計算機測控方向。

TP391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.039