基于LabVIEW的射頻通信電路實驗測試平臺開發

程知群, 張志維, 劉國華, 陳 瑾, 李素東, 王浙棟, 唐玉高, 姜周曙

(1. 杭州電子科技大學 電子信息學院, 浙江 杭州 310018； 2. 杭州電子科技大學 國有資產與實驗室管理處, 浙江 杭州 310018)

隨著第4代移動通信系統的普及,同時第5代移動通信也在抓緊部署中。可以預見,未來幾年無線通信和射頻領域的人才需求仍然旺盛[1]。“射頻電路設計”作為一門理論與實踐結合緊密的課程,其配套實驗課程的開設對于學生理解相關理論具有重要作用。目前,多數高校開設的射頻電路實踐課程多以軟件仿真或者人工操作儀器測試的方式進行。然而,射頻器件和電路的測試在人工操作下由于儀器復雜、步驟多,按鍵繁瑣易出錯,同時也不能及時通過計算機采集處理測試數據和直觀顯示相關掃描曲線,在被測件較多的情況下實驗周期較長。為了實現射頻器件和電路實驗的自動測試,減少人為操作的失誤,提高測試效率,通常需要采用自動化測試技術,但商業自動化測試系統價格昂貴。為此本文利用通用的測試方法和測試儀器,基于圖形化編程平臺LabVIEW開發了適用于9 kHz～3 GHz頻段內的射頻電路實驗測試平臺。該平臺成本低、操作簡單,適合用于高校中射頻通信電路實驗教學。

1 開發工具和原理

1.1 LabVIEW開發平臺

LabVIEW是由美國國家儀器公司在1986年推出的一款圖形化編程開發平臺[2]。LabVIEW平臺具有圖形化編程的突出優點,這種開發方式方便了眾多非專業軟件工程師進行快捷的編程開發,LabVIEW還集成了各種常用儀器的通信總線標準中所必需的功能函數,這使得利用LabVIEW進行虛擬儀器的開發顯得更加快捷，并且代碼的可移植性好。除此之外,它還提供豐富的庫函數和獨特的高亮執行工具[3]。與其他程序開發工具相對比,LabVIEW最為獨特的是內部的程序是以數據流的形式驅動的[4]。同時為了進行遠程儀器控制的開發,LabVIEW還支持通用的網絡協議。

1.2 GPIB 總線

GPIB(general-purpose interface bus)是控制器和可編程儀器之間通信的一種總線協議,也稱為IEEE488標準。GPIB總線應用十分廣泛,主要原因是使用簡單、數據傳輸速率高等[5-6]。根據最新的488.2—1992標準,GPIB的數據傳輸速率已經達到8 Mbit/s[7-8]。受設備與計算機之間距離的限制,GPIB最大傳輸電纜總長度20 m,設備間的最大間距不超過2 m[9]。PC端通過GPIB接口總線和儀器儀表連接,發送指令控制儀器儀表,實現數據的采集、傳輸和存儲。要實現對多個帶有GPIB的儀器儀表的控制,可以將多個儀器儀表一起連接進來,再通過PC機上的自動化測試程序,實現對這些儀器儀表操縱,從而實現自動測試、顯示、存儲、打印等一系列功能。

1.3 軟硬件接口

圖1是進行儀器控制開發的簡易軟硬件接口,在LabVIEW層面主要是通過VISA讀寫函數實現對于儀器的數據寫入和讀取。然而VISA本身并不能控制儀器,它實際是應用程序和底層之間的接口程序,它也是通過調用底層的驅動程序以實現對程控儀器的操縱。

圖1 軟硬件接口

2 實驗測試平臺硬件構成及實現

2.1 矢量網絡分析儀實驗測試平臺

上位機通過USB-GPIB 線與其中一臺矢量網絡分析儀建立物理連接,儀器與儀器之間采用雙端口的GPIB總線進行連接，即可實現由一臺PC機對多臺矢量網絡進行控制。被測件的S參數測試平臺如圖2所示,將被測件接入矢網的端口1和端口2等。通過在PC端上位機界面輸入要測量的頻率范圍和參數,矢量網絡自動測量被測件的參數,同時將測試結果通過GPIB總線傳輸到PC端進行實時顯示和數據存儲。通過在PC端選擇不同儀器的GPIB 地址可以實現對多個儀器的控制和多個被測件的測量。

圖2 矢量網絡分析儀實驗測試平臺

2.2 頻譜分析儀和信號發生器的實驗測試平臺

PC機通過USB-GPIB線與一臺測試儀器間建立物理連接,其他儀器與這臺儀器間則通過雙頭的GPIB總線實現連接。被測件的頻譜測量平臺如圖3所示,PC機通過GPIB總線使信號源產生所需的射頻信號,通過測試電纜傳給被測件。PC機通過GPIB總線控制頻譜分析儀完成對被測件的輸出頻譜進行測量,同時將測試結果通過GPIB總線傳回PC端進行實時的顯示和數據的存儲。

圖3 頻譜分析儀和信號發生器的實驗測試平臺

3 實驗測試平臺軟件及實現

該實驗測試平臺的軟件采用美國NI公司推出的圖形化編程開發環境LabVIEW進行開發設計[10-11]。實驗平臺軟件很好地實現了對儀器的控制和數據測量與存儲,同時具有開發周期短、測試精度高、成本低和穩定性好等優點。為了在未安裝LabVIEW的PC機上也能實現實驗電路的測試,本項目將LabVIEW源程序生成了可安裝的應用程序,實現了實驗平臺軟件脫離開發環境的方便運行。

3.1 平臺軟件結構

軟件采用模塊化設計[12],由主界面、信號源控制模塊、頻譜分析儀控制模塊和矢量網絡分析儀控制模塊4大部分組成，其結構框圖如圖4所示。

圖4 系統軟件結構框圖

3.2 軟件的實現

圖5是信號發生器的部分源代碼。為了方便測試后查詢相關數據,在源代碼中添加了Excel控件。在實際操作中實現了將測試相關數據導出到Excel中,方便后續的數據處理和分析。

圖5 信號發生器部分源代碼

圖6是頻譜分析儀部分源代碼。為了實現一臺PC同時控制多臺儀器的功能,在源代碼中,采用了動態調用子vi的方式。在實際操作中可以重復打開多個儀器控制界面,達到同時操縱多臺儀器的效果。

圖6 頻譜分析儀部分源代碼

圖7是矢量網絡分析儀部分源代碼。為了使實際操作中校準步驟盡量簡潔,在源程序中提前寫入了儀器校準中一般默認選項的相關SCPI命令。在實際操作中,只需根據提示依次接入校準件完成校準,省去了復雜的校準步驟,減少了錯誤的發生。

圖7 矢網分析儀部分源代碼

圖8是上位機顯示S參數曲線的源代碼。在源程序中通過將4個S參數的讀寫進行同步并行操作,使得在實際操作時能同時顯示出S11,S21,S12和S22 4條曲線,減少了人工調取的步驟,真正實現了自動化操作的概念。

圖8 S參數曲線源代碼

4 實驗測試平臺性能測試

將信號源、頻譜分析儀和矢量網絡分析儀的GPIB地址分別設成19、18和16。

首先測試信號源與頻譜分析儀構成的實驗測試平臺的性能。將信號源輸出端口通過50 Ω同軸電纜與頻譜分析儀輸入端口相連；在PC上的信號源控制界面設置信號源輸出頻率和功率,并打開射頻輸出開關；繼續在PC端的頻譜分析儀控制界面設置好中心頻率、頻寬和參考電平等參數；隨后測試信號源和頻譜分析儀所組成的測試系統的性能,結果如圖9所示。可見PC端顯示的頻譜分析結果和信號源輸出結果一致,并且延時較小,能夠實時顯示。同時每次單擊掃描按鈕能實時刷新顯示和對應的主峰值。

圖9 信號源和頻譜分析儀測試

其次，利用實驗箱中的1.8～2.8 GHz放大器進行矢網實驗測試平臺的性能測試。先進行矢網校準操作。點擊控制界面上的校準按鈕,根據彈出的提示依次在兩端口接入開路、短路、負載和直通校準件；待完成所有操作后，點擊按鈕保存校準數據完成矢網的校準；隨后將矢量網絡分析儀與被測件相連；在PC上設置掃描頻率范圍、功率電平、掃描方式和掃描點數等參數,在S參數曲線界面可見測試結果。由圖10可見,PC機上顯示的S參數4條曲線和被測件的參數符合。圖11是測試的S21參數保存的文本數據。

圖10 S參數測量結果

5 結語

利用可程控儀器和GPIB總線技術基于LabVIEW開發了射頻電路實驗測試平臺。所開發的實驗測試平臺能夠實現9 kHz～3 GHz頻段內電路的S參數和頻譜的測量。經過一段時間的試運行,表明該實驗測試平臺具有運行穩定性高、操作簡單和界面友好等優點。此實驗測試平臺被用于射頻電路的實踐教學中,使測量時的人為錯誤大大減少,使學生能夠更好、更快地完成所要求的實驗內容。使用表明，該實驗測試平臺具有較好的教學應用價值,同時開發運行成本遠低于商用測試系統,適合在高校的射頻電路實踐課程教學中推廣使用。

圖11 保存在文本的部分數據