DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)的研制?

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

數(shù)字陣列雷達(dá)(DAR)是近年來發(fā)展備受關(guān)注的一種新型相控陣?yán)走_(dá)。它與傳統(tǒng)相控陣?yán)走_(dá)相比,具有很多優(yōu)點(diǎn):大動(dòng)態(tài)范圍,容易形成多波束,低損耗、低副瓣,抗干擾能力強(qiáng),系統(tǒng)任務(wù)可靠性高等。其中,數(shù)字陣列模塊(DAM)是數(shù)字陣列雷達(dá)的關(guān)鍵核心部件之一,它實(shí)現(xiàn)了發(fā)射波形產(chǎn)生與接收信號(hào)的全數(shù)字化處理,即采用數(shù)字頻率直接合成器(DDS)在數(shù)字域形成發(fā)射激勵(lì)波形,采用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)將接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出[1-2]。

一部數(shù)字陣列雷達(dá)中包含幾十到幾百甚至上千個(gè)DAM。本文中的測試對(duì)象S波段DAM是一個(gè)包含16路T/R單元通道的組件,每套雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)使用約400個(gè)DAM,包含6 000多路T/R單元通道,測試量相當(dāng)巨大。同時(shí),DAM是全數(shù)字化多通道收發(fā)模塊,不同于傳統(tǒng)的模擬T/R組件測試,傳統(tǒng)的測試手段已滿足不了DAM批量生產(chǎn)測試需求,必須結(jié)合DAM的測試特點(diǎn),研制出一套DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)來對(duì)DAM進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的測試,解決實(shí)際生產(chǎn)需要。

1 測試需求分析

DAM是一個(gè)多通道、多功能,微波、模擬、數(shù)字混合集成設(shè)計(jì)的綜合模塊,其內(nèi)部既有微波高電壓、大功率集成發(fā)射電路和高功率、高靈敏接收電路,又有高輻射、高速、高密度集成的數(shù)字電路,同時(shí)數(shù)據(jù)傳輸又是通過時(shí)分復(fù)用的高速光纖技術(shù)來實(shí)現(xiàn),因此,DAM測試具有以下特點(diǎn)[3]。

1)測試項(xiàng)目多,主要測試指標(biāo)有:

a)發(fā)射指標(biāo)測試 發(fā)射功率、發(fā)射頂降、發(fā)射脈寬、發(fā)射信號(hào)脈內(nèi)信噪比、發(fā)射信號(hào)帶寬、發(fā)射信號(hào)移相精度等;

b)接收指標(biāo)測試[4]接收增益、噪聲系數(shù)、接收帶寬、靈敏度、接收信噪比、射頻信號(hào)鏡像抑制度、I/Q信號(hào)鏡像抑制度、通道間隔離度等;

c)光纖通信測試 光功率、光損耗等。

2)測試方法新

a)DAM接收通道輸出以數(shù)字I、Q信號(hào)為最終輸出形式,而且是通過光纖接口傳輸數(shù)據(jù),因此DAM接收指標(biāo)為數(shù)字域測試,不能采用常規(guī)的儀表測試方法,需要對(duì)DAM接收輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集后再送計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出。所以必須研究數(shù)字域測試方法,開發(fā)專用測試軟件。

b)DAM發(fā)射通道則是以數(shù)字控制信號(hào)為輸入,控制DDS激勵(lì)波形產(chǎn)生[5],最后通過射頻連接器傳輸發(fā)射射頻信號(hào)。因此DAM發(fā)射指標(biāo)為微波域測試,可采用常規(guī)微波儀表如功率計(jì)、頻譜儀、矢網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行測試。

3)測試時(shí)間長

DAM通道數(shù)多,性能指標(biāo)多,測試工作量大。因此采用傳統(tǒng)的手動(dòng)測試滿足不了大批量DAM的研制生產(chǎn),必須采用自動(dòng)測試方式才能滿足。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)組成框圖

整個(gè)測試過程分為接收和發(fā)射兩類測試。

DAM接收指標(biāo)測試過程為:按圖1連接,系統(tǒng)加電預(yù)熱至穩(wěn)定,操作者在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件,控制被測DAM處于全接收狀態(tài);計(jì)算機(jī)通過GPIB總線遙控信號(hào)源(設(shè)置頻點(diǎn)和功率),被測DAM接收輸出數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至數(shù)據(jù)采集模塊,數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電解調(diào)后再通過并口傳輸至計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)中測試軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算得出接收指標(biāo),并將結(jié)果填入報(bào)表顯示。

DAM發(fā)射指標(biāo)測試過程為:按圖1連接,系統(tǒng)加電預(yù)熱至穩(wěn)定,操作者在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行DAM自動(dòng)測試軟件,控制被測DAM處于發(fā)射狀態(tài);計(jì)算機(jī)通過GPIB總線控制頻譜儀、功率計(jì),被測DAM發(fā)射輸出信號(hào)通過射頻電纜連接至被測儀表,通過儀表直接測量讀出,并將結(jié)果填入報(bào)表顯示。

在測試之前,需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸插損校準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)通過GPIB總線控制矢網(wǎng)對(duì)DAM傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行損耗自動(dòng)校準(zhǔn),以作為測試結(jié)果的修正值。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)硬件部分包括儀表、計(jì)算機(jī)、DAM測試工裝、數(shù)據(jù)采集模塊、標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)和連接線纜等。需要設(shè)計(jì)的為三種:DAM測試工裝、數(shù)據(jù)采集模塊和標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)。

1)DAM測試工裝。DAM測試工裝包括DAM測試夾具及1分16功分開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊。測試夾具對(duì)被測DAM安裝固定,提供工作電源及時(shí)鐘本振信號(hào),并對(duì)DAM接插件進(jìn)行適配轉(zhuǎn)接以便于測試。1分16功分開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)部由1分16無源功分電路加16路開關(guān)模塊構(gòu)成。接收測試時(shí),16路開關(guān)模塊全部選通,實(shí)現(xiàn)DAM所有通道接收測試;發(fā)射測試時(shí),控制開關(guān)模塊逐個(gè)選通,實(shí)現(xiàn)DAM單通道發(fā)射測試。

2)數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊是被測DAM和計(jì)算機(jī)之間的“橋梁”。數(shù)據(jù)采集模塊上擁有并口、光纖等接口,將計(jì)算機(jī)和被測DAM鏈接起來。數(shù)據(jù)采集模塊可以將計(jì)算機(jī)發(fā)布的控制命令傳輸?shù)奖粶yDAM中去,控制其工作狀態(tài);同時(shí)把被測DAM的接收輸出數(shù)據(jù)采集后傳輸給計(jì)算機(jī)。

3)標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)。DAM發(fā)射移相精度性能指標(biāo)衡量DAM發(fā)射射頻信號(hào)相位與DDS中頻激勵(lì)波形相位之間的偏差。DAM發(fā)射移相精度是關(guān)系數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)波束控制形成是否準(zhǔn)確、穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。采用的測試方法為:DAM通道發(fā)射,設(shè)置DDS中頻激勵(lì)波形相位,發(fā)射信號(hào)輸出至標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī),經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)下變頻、放大、濾波后再送數(shù)據(jù)采集模塊,經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)換成I、Q信號(hào),最后送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析計(jì)算得出發(fā)射射頻信號(hào)相位,統(tǒng)計(jì)兩者相位之間的偏差即移相精度。標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)構(gòu)架基本上采用被測DAM的接收通道單元,其原理框圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)原理組成框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件組成框圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件組成框圖

測試系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和報(bào)表顯示三個(gè)部分。軟件編程環(huán)境采用Lab VIEW、VB,數(shù)據(jù)采集程序功能列表如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集程序功能列表

報(bào)表顯示程序功能列表如表2所示。

表2 報(bào)表顯示程序功能列表

針對(duì)測試中數(shù)據(jù)量大、處理煩瑣等情況,利用Microsoft office web components中chartspace和spreadsheet這兩個(gè)控件,使測試結(jié)果后期更容易處理,如打印、保存、讀取。

下面詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)分析程序:該部分采用虛擬儀器開發(fā)軟件Lab VIEW作為開發(fā)工具。測試DAM的數(shù)字化接收指標(biāo),采用通用微波信號(hào)源作為被測DAM通道的輸入信號(hào),被測DAM通道的接收輸出信號(hào)是基帶數(shù)字正交信號(hào),接下來先闡述I/Q正交解調(diào)器的工作原理,然后給出具體指標(biāo)的計(jì)算方法。

1)I/Q正交解調(diào)器工作原理

I/Q正交解調(diào)器的原理框圖如圖4所示。

圖4 I/Q正交解調(diào)器的原理框圖

輸入信號(hào):

式中,VP為輸入信號(hào)的幅度,ωRF為輸入信號(hào)的頻率,?為輸入信號(hào)的初始相位。

相參信號(hào):

式中,ωLO為相參信號(hào)頻率,且ωLO為固定值,對(duì)此信號(hào)鏡像固定角度的相移很容易實(shí)現(xiàn)。

解調(diào)后的I路信號(hào)輸出為

通過低通濾波器濾除信號(hào)的高頻成分(ωRF+ωLO),得到I路輸出為

式中,ωm為調(diào)制頻率。ωm=ωRF-ωLO,為輸入信號(hào)和相參信號(hào)之間的頻差,ωm=2πfm。

解調(diào)后的Q路信號(hào)輸出為

式中,VDC為I、Q兩路信號(hào)間的直流偏差,Ve為I、Q兩路信號(hào)幅度一致性誤差,?e為I、Q兩路信號(hào)相位正交誤差。VDC、Ve和?e都是由于I、Q兩路電路不一致引起的,通過低通濾波后,得到Q路輸出為

2)指標(biāo)計(jì)算

A/D變換后輸出的數(shù)字信號(hào)y(n T),除了主信號(hào)外,還包括諧波失真、雜波失真、量化噪聲和其他隨機(jī)噪聲[6]。

式中,A0為直流成分,是I/Q正交解調(diào)器零漂,x(n T)為主信號(hào)項(xiàng),xH(n T)為諧波項(xiàng),p(n T)為雜波項(xiàng),e(n T)為寬帶噪聲項(xiàng)。

對(duì)輸出數(shù)字信號(hào)y(n T)加上合適的窗函數(shù),進(jìn)行實(shí)數(shù)域和復(fù)信號(hào)的離散傅里葉變換,對(duì)變換結(jié)果中的頻譜信號(hào)進(jìn)行分組,確定每條譜線的屬性,分組如下:

a)最大幅度處與其在同一主瓣內(nèi)的譜線對(duì)應(yīng)于主頻信號(hào)項(xiàng),其譜線集合記為Al。因?yàn)閷?shí)數(shù)域的FFT頻譜具有對(duì)稱性,所以在對(duì)稱的譜線集合也是信號(hào)項(xiàng)的貢獻(xiàn)。但若是作I、Q復(fù)信號(hào)的FFT變換,則在對(duì)稱的譜線集合是鏡像信號(hào)項(xiàng)。信號(hào)頻率fl與最高譜線的位置Kl的關(guān)系是:fl=Kl/NT;其中N為譜線總數(shù),T為采樣時(shí)間間隔。

b)在頻譜零點(diǎn)附近的主瓣集合記為A0,對(duì)應(yīng)于直流分量。

c)在K i=i×Kl附近的峰對(duì)應(yīng)于信號(hào)的i次諧波項(xiàng),其集合記為B i。第i次諧波的頻率f i=i×fl,需要指出的是,若f i大于fs/2(fs為采樣頻率),在離散頻譜中會(huì)折疊到0～fs/2之間。

d)AP和對(duì)應(yīng)于雜波失真,雜波是非諧波項(xiàng)的單頻噪聲。在整個(gè)頻譜中,某條譜線不屬于諧波,直流或?qū)拵г肼曋械娜我环N,就認(rèn)為它是雜波噪聲。

e)除了以上幾組窄帶信號(hào),其余譜線代表寬帶噪聲。其集合記為Ae,譜線數(shù)記為N-K。

由此可計(jì)算得出數(shù)字接收機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)如下。

信噪比:

無雜散動(dòng)態(tài)范圍:

鏡像抑制度:

通道增益:將信號(hào)源射頻信號(hào)從接收通道前端加入,計(jì)算出通道輸出I/Q之后的信號(hào)功率,與輸入功率相比,即可得出通道接收增益(dB)。

3 應(yīng)用效果

該DAM自動(dòng)測試系統(tǒng)的研制,已成功應(yīng)用在某大型數(shù)字陣列雷達(dá)產(chǎn)品。該雷達(dá)系統(tǒng)中,DAM裝機(jī)數(shù)量約400件,每個(gè)DAM共16路收發(fā)通道,并且該雷達(dá)已開始批量生產(chǎn),每年DAM批量化生產(chǎn)逾1 000個(gè),通道數(shù)約2萬路。采用傳統(tǒng)手動(dòng)測試方法,不僅不能有效測試DAM數(shù)字化接收指標(biāo)、多通道相關(guān)指標(biāo),而且需要2～3人協(xié)同測試花費(fèi)2天左右才能測試完1個(gè)DAM,根本滿足不了生產(chǎn)測試需求。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試,利用該自動(dòng)測試系統(tǒng)測試一個(gè)DAM,只需1小時(shí)左右,大大提高了生產(chǎn)效率,有效解決了DAM批量生產(chǎn)測試需求。實(shí)際測試使用表明:該DAM測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、測量精度高、圖形界面友好,如圖5和圖6所示。

4 結(jié)束語

本文中,針對(duì)DAM的測試需求分析,著重對(duì)DAM數(shù)字化指標(biāo)測試方法進(jìn)行研究,開發(fā)出數(shù)據(jù)分析軟件,解決了測試難點(diǎn)。同步研發(fā)DAM測試工裝、數(shù)據(jù)采集模塊、標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī),并優(yōu)化系統(tǒng)測試軟件,結(jié)合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表顯示及儀表控制程序?yàn)橐惑w,使該測試系統(tǒng)操作簡單方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,很好地解決了DAM大批量生產(chǎn)交付的迫切測試需求。

圖5 數(shù)據(jù)分析程序界面顯示

圖6 報(bào)表輸出界面顯示

[1]吳曼青.數(shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008,6(6):401-405.WU Man-qing.Development and Future Design of Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2008,6(6):401-405.(in Chinese)

[2]陳曾平,張?jiān)?鮑慶龍.數(shù)字陣列雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(6):1-7.

[3]李冬芳.數(shù)字陣列雷達(dá)收發(fā)組件自動(dòng)測試技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].火控雷達(dá)技術(shù),2011,40(2):66-71.

[4]盛永鑫.數(shù)字T/R組件接收通道測試方法探討[J].硅谷,2011(7):177.

[5]張奕,譚劍美.DAM中多通道數(shù)字收發(fā)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(3):320-323.ZHANG Yi,TAN Jian-mei.Design and Implementation of Multi-Channel Digital Transceiver in Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2012,10(3):320-323.(in Chinese)

[6]OPPENHEIM A V,WILLSKY A S,NAWAB S H.信號(hào)與系統(tǒng)[M].劉樹棠,譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,1985.