飛機空中交通管制系統自動校準裝置研制及難點研究

■ 周博 丁政 姜威/北京飛機維修工程有限公司

0 引言

IFR6000 型空中交通管制系統測試儀是集應答機（XPDR）、測距機（DME）、空中交通管制（TCAS）、機載空對空監視廣播（ADS-B）等系統測試功能于一體的綜合測試設備。按照操作手冊對該設備進行測試時，需手動完成32 個測試步驟，同時使用10臺設備進行設置，測試步驟和接線非常復雜，測量時間大約需要3 天。目前只有原廠擁有該設備的自動化測試系統，且不對外開放使用。北京飛機維修工程有限公司通過對該設備校準流程的詳細研究，采用基于軟件自動化的方法，結合RF 多路復用開關和矩陣開關，使用包絡提取及特征提取技術，實現了全自動的校準裝置的研制，攻克了研發過程中的多個技術難點，將每臺儀表的測量周期縮短至3 小時內。

1 系統整體設計

系統的總體設計目的是將各類測試儀器以程控的方式進行連接，實現自動測試，系統的總體設計如圖1 所示。

為了實現自動測試，需要PC（NI PXI 控制器）端的軟件程控所有儀器。這里使用GPIB 的方式，串聯每臺儀表的程控接口，基于每臺儀表的驅動或通過SCPI 指令的方式程控儀器。上位機（PC端軟件）通過LabVIEW編程實現。

由于儀表之間涉及觸發信號發生、模擬量信號發生、模擬量信號采集等要求，且不同測試步驟中儀表之間的連接方式不同，再考慮到信號的頻率和裝置成本，決定采用由RF 多路復用開關和矩陣開關相結合的方式創建一個矩陣網絡，來實現不同儀表間的數據傳輸。

圖1 系統整體設計框架

本設計中實現的測試軟件，對功能、效率、精度和靈活性提出了諸多挑戰。為滿足以上需求，需要對程序的整體設計進行合理的架構。因此，利用LabVIEW 的JKI 狀態機，結合隊列創建程序主體框架。將每一個測試步驟設為子程序，子程序順序結構實現子步驟的功能。主程序與子程序之間使用隊列進行通信。用戶界面左側采用Step 的方式，以高亮和背景色變換的形式顯示當前測試步驟和測試狀態；右側為具體結果顯示界面，分別實現了矩陣開關切換、儀表程控、數據采集、包絡及特征提取、結果判斷等功能，也可分步驟查看和監測具體測試結果。圖2、圖3 分別為軟件的界面和架構。

圖2 軟件界面

圖3 程序總體設計架構

圖4 高頻信號矩陣開關網絡設計

2 矩陣開關設計難點及解決方案

矩陣開關的設計是實現自動化測試流程中至關重要的環節。由于各測試項對應不同測試儀器的不同接口，信號頻率范圍跨度大，從低頻（1MHz 以下）到高頻（1213MHz），對矩陣開關的設計提出了挑戰。

為解決以上問題，對于高頻信號（962 ～1213MHz），采用6 個RF 多路復用開關，將儀表接口與復用開關公共端口相連接、復用端口之間相連接、復用端口與6dB 相連接的方式，實現多個儀表之間的信號傳輸。既可以解決矩陣網絡設計的問題，更關鍵的是解決了高頻信號的插入損耗問題。

圖4 所示為自動校準裝置的高頻信號連線方式，所有儀表的高頻接口都與RF 復用開關的公共端相連接，根據每一個測試步驟的連接方式，通過PC 端軟件編程切換開關的連接方式，并將程序加入主程序中。

3 包絡及特征提取難點分析及解決方案

本項目需要解決的另一個難點是示波器信號的包絡及特征提取。由于該項目中示波器采集的脈沖調制信號的采樣率達4Gsa/s，數據量較大，且不同測試項的波形數量和波形類型均不同，帶來如下挑戰：

1）不同波形類型的包絡及特征提取；

2）不同測試項波形數目的計算；

3）不同測試項存在不同波形類型情況下的包絡及特征提取；

4）不同測試項不同類型波形包絡及特征提取后的時間延遲計算；

5）部分測試項存在波形跳變現象，不易于捕捉。

3.1 不同波形類型、數目和幅度的包絡分析

圖5 不同波形類型和數目的包絡圖

圖6 不同幅度的包絡圖

圖7 包絡提取部分的核心實現過程

圖8 典型測試項的特征提取程序

本項目存在兩種調制信號的包絡類型，一種是方波型的包絡，一種是正弦型的包絡。多數情況下，同一測試項中可以同時存在不同的包絡類型和多個包絡，且數目不定，這些包絡要求能夠同時正確地提取，圖5 給出的是包含多個不同波形類型和數目的包絡圖。

部分測試項，除了包絡類型不同外，包絡幅度大小也不相同，這給包絡提取和特征提取帶來了困難，如圖6 所示。

從以上兩個典型的包絡類型可以看出，包絡的多樣性和不同特征造成了提取的困難，如何實現正確的提取和計算，是本項目的一個重要難點。

3.2 特征提取及時間延遲計算分析

包絡提取的目的是為了進行后續的特征提取和時間延遲計算，其中包括P1-Px Spacing、SPR Spacing、Rising/FallingTime、Px Width 等。對于部分測試項，需要同時得到以上的部分或者全部結果，不僅涉及包絡提取的準確性，還涉及特征提取算法的設計。為了解決以上難點，提出基于快速希爾伯特變換和Savitzky-Golay 濾波器相結合的方式進行包絡提取。特征提取部分采用符合IEEE 181-2003 標準和IEEE 瞬態、脈沖和相關波形標準的脈沖測量和瞬態測量方法。通過對不同測試步驟不同波形數量和波形類型的參數調整及信號捕捉方法的靈活設置，可解決一系列相關難點。

包絡提取部分的核心實現過程（軟件實現）如圖7 所示。

首先對采集的波形進行歸一化處理，然后進行快速希爾伯特變化，之后對實部虛部進行復數轉換，將絕對值代入Savitzky-Golay 濾波器處理，輸出的結果即為包絡。

針對特征提取和時間延遲計算，首先對歸一化的波形進行脈沖測量和瞬態測量，針對波形類型不同的情況，設置不同的參數，如不同的參考電平設置、邊沿號及極性等；針對波形幅度不同的情況，為保證檢測精度，對整個波形進行二次切割并設置不同的參數提取特征。圖8 給出了典型測試項的特征提取部分程序。

通過靈活的設置及算法調整，實現了復雜情況下的包絡提取及特征提取，圖9 和圖10 給出了軟件的實現效果。

圖9 包絡及特征提取效果

圖10 包絡提取及特征提取效果

4 總結

本項目的主要工作在于測試步驟的實現及RF多路復用及矩陣開關的設計，主要難點在于采集射頻信號的包絡提取及后續的特征量提取，特別是為了滿足設備校準和全自動化要求，工程上需要對采集和分析結果的重復性及準確性進行保證，因此設計了大量用于避免分析錯誤和誤測的程序邏輯。

為了滿足測試的靈活性，在功能上設計了Step 順序測試、單步測試、某步開始繼續測試等右鍵功能選項，便于出現問題后的重復測試，避免了無必要的重測。

每一步測試后都可將測試結果和狀態等信息插入word 模板中，測試結束后自動生成word 文檔，并可連接打印機進行打印。