一種測(cè)試儀的功率測(cè)量自動(dòng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃玉斌，范朝元，鐘志強(qiáng)，逯玉宏，唐先建

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶，400030）

0 引言

在無線通信設(shè)備測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，需要用到各種通用和專用的功率測(cè)量?jī)x器，功率測(cè)試測(cè)量?jī)x器用于完成對(duì)各種無線通信設(shè)備發(fā)射機(jī)不同頻點(diǎn)的發(fā)射功率測(cè)試。發(fā)射功率是表征射頻信號(hào)特性的一個(gè)重要參數(shù)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)射頻信號(hào)功率的精確測(cè)量已成為無線通信測(cè)量中的重要一環(huán)[1]。但是，在測(cè)試測(cè)量?jī)x器作為功率測(cè)量?jī)x器首先需要對(duì)自身的精度進(jìn)行校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法是通過信號(hào)源和測(cè)試儀器互聯(lián)，采用人工手動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，每次校準(zhǔn)涉及數(shù)百甚至上千個(gè)頻點(diǎn)，如果是批量生產(chǎn)，則需要校準(zhǔn)的頻點(diǎn)數(shù)目將不計(jì)其數(shù)。人工手動(dòng)校準(zhǔn)方法存在效率低、頻點(diǎn)覆蓋率不全、容易出錯(cuò)等問題。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于Windows編程工具VC++設(shè)計(jì)的一款界面控制軟件，通過遠(yuǎn)程自動(dòng)控制KEYSIGHT信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率測(cè)試儀的功率測(cè)量精度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。極大的提高測(cè)量?jī)x器自身的校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量?jī)x器的研發(fā)和批生產(chǎn)過程。

1 功率校準(zhǔn)

功率校準(zhǔn)是指用信號(hào)源標(biāo)定功率類測(cè)試測(cè)量?jī)x表不同頻點(diǎn)基準(zhǔn)功率值的過程。功率校準(zhǔn)連接圖如圖1所示。

圖1 功率校準(zhǔn)連接圖

測(cè)試儀的射頻功率檢測(cè)模塊由可編程衰減器[2]，檢波器[3]，MCU[4]等組成。測(cè)試儀獲取功率校準(zhǔn)值的原理為：信號(hào)源輸出某個(gè)幅度功率值，通過檢波器輸出的偏置電壓為VTADJ；MCU通過AD采集偏值電壓VTADJ，并且經(jīng)過多次采樣后取平均得到一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值，這個(gè)值即為當(dāng)前頻點(diǎn)測(cè)試儀對(duì)應(yīng)的功率校準(zhǔn)值。

功率校準(zhǔn)值是通過平滑差值計(jì)算的方法得到的。平滑差值常用的計(jì)算方法有二次曲線法和多點(diǎn)斜率法，其中多點(diǎn)斜率法采用了多條直線段來模擬曲線的線性度，比二次曲線有更好的線性度；同時(shí)又不需要復(fù)雜的算法去根據(jù)采樣點(diǎn)生成二次曲線公式，所以采用了多點(diǎn)斜率法來計(jì)算功率校準(zhǔn)值。如表1所示為測(cè)試儀校準(zhǔn)得到部分頻點(diǎn)功率校準(zhǔn)值表。

表1 部分信號(hào)源標(biāo)定值對(duì)應(yīng)功率校正值表

獲取所有頻點(diǎn)功率校準(zhǔn)值后，可得到一個(gè)功率校準(zhǔn)值查找表，此時(shí)將圖1中的信號(hào)源變?yōu)槿我鉄o線通信設(shè)備的發(fā)射機(jī)，MCU得到的采樣值通過查找表并結(jié)合之前的數(shù)學(xué)線性關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，就可得到被測(cè)設(shè)備的射頻輸出功率。計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 射頻功率輸出計(jì)算流程圖

2 自動(dòng)功率校準(zhǔn)

由于硬件的個(gè)體差異，單個(gè)測(cè)試儀設(shè)備獲取的功率校準(zhǔn)值不能通用，為保證每個(gè)測(cè)試儀的功率測(cè)試精度，每個(gè)測(cè)試儀在出廠之前都必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)，如果是手動(dòng)的方式完成的功率校準(zhǔn)工作，工作量巨大，手動(dòng)校準(zhǔn)過程繁瑣，并且由于重復(fù)操作次數(shù)數(shù)量巨大，這會(huì)大大增加操作過程出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。

為縮短校準(zhǔn)完成時(shí)間及避免操作錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，有必要在PC端設(shè)計(jì)一款自動(dòng)功率校準(zhǔn)軟件，能夠同時(shí)進(jìn)行儀器控制和串口通信，用程序執(zhí)行的方式代替人工手動(dòng)校準(zhǔn)過程。

2.1 編程工具

自動(dòng)功率校準(zhǔn)控制軟件編程工具選擇了VC++，選擇的版本為較新的VS2010，其類庫和開發(fā)技術(shù)都比較完善。

VC++全稱是Visual C++，是由微軟提供的C++開發(fā)工具。VC++不僅是一個(gè)編譯器更是一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，包括編輯器、調(diào)試器和編譯器等，一般它包含在Visual Studio中。Visual Studio包含了VB、VC++、C#等編譯環(huán)境。

軟件的具體開發(fā)使用到的是VC++的MFC。MFC全稱Microsoft Foundation Classes（微軟基礎(chǔ)類庫），它是VC++的核心，是C++與Windows API的結(jié)合，很徹底的用C++封裝了Windows SDK中的結(jié)構(gòu)和功能，還提供了一個(gè)應(yīng)用程序框架，此應(yīng)用程序框架為軟件開發(fā)者完成了一些例行化的工作，比如各種窗口、工具欄、菜單的生成和管理等，不需要開發(fā)者再去解決那些很復(fù)雜很乏味的難題，大大減少了軟件開發(fā)者的工作量，提高了開發(fā)效率。

2.2 遠(yuǎn)程控制儀器和串口通信

自動(dòng)功率校準(zhǔn)的首要任務(wù)是通過PC實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制信號(hào)源。選擇的信號(hào)源為KeySight公司的E8257D。

E8257D提供了4種接口：GPIB、LAN、RS232和USB，用戶可選擇其一進(jìn)行儀器的遠(yuǎn)程控制操作。所有接口中LAN和USB比較常用，軟件開發(fā)選擇的LAN以太網(wǎng)口[5]。

以太網(wǎng)口遠(yuǎn)程控制信號(hào)源可選擇的通信協(xié)議包括：VXI-11、Sockets LAN、TELNET、FTP及LXI。其中又以VXI-11和Sockets Lan最常用,軟件開發(fā)選擇的VXI-11。

VXI-11規(guī)范屬于VXIbus規(guī)范集，定義了控制器和設(shè)備通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)儀器協(xié)議。VXI-11又稱為TCP/IP協(xié)議，針對(duì)所有基于LAN的測(cè)試設(shè)備，幾乎支持所有的KeySight儀器。

KeySight公司為用戶提供了指令集SCPI對(duì)儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。SCPI(可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令)是架構(gòu)在IEEE488.2上的新一代儀器控制語法，是一種基于ASCII的儀器編程語言。SCPI作為儀器程控命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制，使得不同測(cè)試儀器的相同功能具有相同的命令形式。自動(dòng)功率控制軟件開發(fā)主要采用SCPI指令實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的具體操作[6]。

除實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制儀器以外，控制軟件另外一個(gè)主要功能是實(shí)現(xiàn)與測(cè)試儀的串口通信，通過串口設(shè)置測(cè)試儀射頻模塊相關(guān)參數(shù)，并獲取MCU計(jì)算得到的參數(shù)對(duì)應(yīng)功率校正值。

需要MFC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)主要串口通信功能包括：

（1）初始化界面：自動(dòng)獲取全部可用串口。

（2）打開串口：讀取串口號(hào)，初始化波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等串口參數(shù)（如果串口已打開則關(guān)閉）。

（3）發(fā)送數(shù)據(jù)：更新控件狀態(tài)，進(jìn)入串口事件驅(qū)動(dòng)函數(shù)，讀緩沖區(qū)并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（4）退出界面（串口若開啟，則關(guān)閉串口后退出）。

2.3 自動(dòng)功率校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)流程

為實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀自動(dòng)功率校準(zhǔn)搭建的硬件連接環(huán)境如圖3所示。

圖3 自動(dòng)功率校正硬件實(shí)現(xiàn)環(huán)境

自動(dòng)功率校準(zhǔn)的核心是通過有序的設(shè)置信號(hào)源和測(cè)試儀，獲取測(cè)試儀所有頻點(diǎn)的所有電平的功率校準(zhǔn)反饋值，保存在測(cè)試儀內(nèi)部存儲(chǔ)器中，用于測(cè)試儀的功率測(cè)試功能。具體流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)功率校正流程圖

從流程圖可以看到，要獲取所有的功率校準(zhǔn)值，就需要對(duì)信號(hào)源及串口操作2000多次，純?nèi)斯げ僮鞯脑捁ぷ髁肯喈?dāng)巨大，而采用圖5所示的自動(dòng)功率校正控制軟件，只需要調(diào)試人員點(diǎn)擊幾個(gè)按鈕，所有的流程工作即可完成。

圖5 自動(dòng)功率校正界面控制軟件

2.4 實(shí)用測(cè)試結(jié)果

將自動(dòng)功率校準(zhǔn)軟件完成功率校準(zhǔn)的測(cè)試儀設(shè)備用于實(shí)際測(cè)試，測(cè)試了某無線設(shè)備的發(fā)射功率，將測(cè)試儀測(cè)得結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)測(cè)得結(jié)果比較，差值在±0.5dBm以內(nèi)，符合預(yù)期，與手動(dòng)校準(zhǔn)的設(shè)備性能一致。之前完成一次手動(dòng)功率校準(zhǔn)的時(shí)間大概需要1天時(shí)間，而自動(dòng)功率校準(zhǔn)完成的時(shí)間大概在10分鐘左右，并且可以隨時(shí)重復(fù)校準(zhǔn)。

3 結(jié)語

測(cè)試儀在出廠應(yīng)用之前必須進(jìn)行功率校準(zhǔn)，考慮到手動(dòng)功率校準(zhǔn)工作量巨大，耗時(shí)耗力，所以有必要實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀的自動(dòng)功率校準(zhǔn)。通過采用自動(dòng)功率校準(zhǔn)界面控制軟件，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)功率校準(zhǔn)。實(shí)踐結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)技術(shù)極大的提高測(cè)量?jī)x器自身的校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確性，可以廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量?jī)x器的研發(fā)和批生產(chǎn)過程。