某型通信設備的高度表功能駐波故障剖析

冉欽川

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

高度表功能主要用于測量飛機距地面、水面真實高度，向上級系統提供高度信息，以保證飛機的安全起飛和著陸，并滿足飛機其他設備對高度信息的需求。高度表功能在某型通信設備上屬于導航的重要功能之一。近年來，該型通信設備在外場和制造過程中偶發出現駐波保護功能故障問題，通過深入剖析、排查與診斷，最終確認故障是由于微波組件的駐波檢測功能缺席導致，并提出解決與改進措施，有效提高了駐波檢測的可靠性。經試驗表明，該方法切實可行，能有效保障機上高度表功能的正常測距。

1 工作原理

在某型通信設備中，高度表功能的工作原理是由高度表收發模塊產生測高所需的調制信號，并通過變頻、激勵等處理后，將激勵信號送功率放大模塊進行功率放大，通過高度表發射天線發射；從地面反射的信號經過高度表接收天線后進入高度表收發模塊，經混頻、放大、濾波等處理后送高度表收發模塊信號處理部分電路進行數字解調和測量，并計算出相應的高度值，將高度信息送至接口控制模塊和上級系統。

高度表模塊包括微波組件、電源單元、AD單元、信號處理單元、接口單元，除微波組件外，其他組成部分均布置在信號處理板上。其中軟件運行于高度表的信號處理單元及接口單元上。高度表模塊內部架構如圖1所示。

圖1 高度表模塊內部架構

高度表模塊產生測高需要的射頻信號，通過偽碼調制，放大后輸出，同時接收從地面反射的信號，混頻后輸出中頻信號。中頻信號通過濾波進行采樣，送入信號單元進行解調處理，比較發射碼和接收碼的相位差，計算出高度值。

2 故障剖析與定位

在使用過程中，高度表功能在進行高度測量時，偶發出現高度表駐波保護故障導致測高功能失效。具體故障現象為，斷開高度表發射端口連接的射頻電纜后，自檢時系統設備不上報高度表駐波報故自檢信息。經測試，故障概率約為10%，部分產品高達30%。該故障具有一定偶發性，故障件并非固定批次設備。

對高度表模塊內部進行的檢查內容主要分為信號處理板和微波組件2個部分，其中信號處理板供給微波組件自動增益控制（Automatic Generation Control，AGC）電壓、100 MHz時鐘信號、MOD偽碼信號、10 V和5 V電壓；微波組件將MOD偽碼信號調制到4 GHz，并通過功放放大后發射出去，同時將接收到的4 GHz回波信號下變頻為IF中頻信號，傳輸給信號處理板使用；信號處理板和微波組件使用RX和TX這2根串口線進行通信。

因此，結合故障現象可能事件為：

（1）信號處理板供給微波組件的100 MHz時鐘信號、12 V和5 V電壓異常，導致微波組件無法正常檢測發射駐波信息；

（2）信號處理板解析微波組件傳輸串口信息的功能異常，微波組件串口傳輸的駐波信息解析錯誤；

（3）微波組件發射信號頻譜異常，檢測到異常的回波信號，解算出錯誤的駐波；

（4）微波組件駐波檢測功能異常，傳輸錯誤的駐波信息。由此列出故障樹如圖2所示。

圖2 駐波保護異常故障樹

M1為信號處理板，100 MHz時鐘檢測、供給電壓異常。

將故障件高度表模塊連接0 m測試回路，通過示波器對信號處理板供給微波組件的CLK時鐘信號進行檢查，實測100.5 MHz。通過萬用表對信號處理板供給微波組件的+5 V和+12 V電壓值進行檢測，實測分別為+4.99 V和+12.01 V，滿足微波組件的使用要求。

M2為信號處理板，串口信息解析功能異常。

對信號處理板上的數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）加載仿真器，在線運行DSP軟件程序，在程序中讀取微波組件的工作狀態信息，微波組件上報的信息均正常，因此信號處理板解析微波組件串口上傳數據功能正常。

M3為微波組件，發射頻譜故障。

使用頻譜儀對高度表發射信號進行檢查，發射信號波形正常，功率輸出約為29 dBm，滿足高度表指標30 dBm±3 dBm的要求。

M4為微波組件，駐波檢測功能異常。

通過在線運行DSP軟件程序讀取微波組件上傳駐波信息，發現高度表發射端口開路與微波組件發射端口開路讀取的駐波值相近，因此高度表模塊內部的發射電纜對微波組件駐波檢測功能基本無影響；微波組件發射端口開路時，端口為全反射，檢測到的回波損耗應該為0，而實際上報值為21，回波損耗為2.1 dB，與理論值相差較大，因此判斷微波組件駐波檢測功能異常。

綜上所述，定位故障原因是高度表模塊內部微波組件中上報回波損耗數值時軟件設計上存在缺陷，微波組件上報給高度表的回波損耗檢測值未進行校零；在通信設備上使用時，會偶爾出現駐波保護功能故障且系統不上報駐波報故的自檢信息。

3 故障機理分析與解決措施

3.1 故障機理分析

該通信設備中，高度表在初始設計時，針對駐波保護功能要求，功放輸出端駐波超差時，將超差狀態通過模塊BIT檢測內容上報給系統，保留高度表功能。依據回波損耗與駐波的對應關系來檢測駐波，實現駐波保護功能的方案，在實際使用過程中高度表用回波損耗檢測代替駐波檢測，由于高度表模塊體積小且不是專門的駐波檢測模塊，而檢波器又比較靈敏，外界環境（外部電纜長度，形狀，環境溫度）稍微有些變化就會影響檢波進度，所以當進行回波損耗檢測時，未進行發射端口較零，駐波檢測誤差較大，即檢測得到的駐波情況與實際駐波情況偏差很大，多次測量結果之間測得的數值存在波動。

該型號微波組件駐波檢測功能設計的原理如圖3所示。

圖3 駐波檢測方案框圖

處理器使用內部集成ADC對駐波電壓檢測值（包括正向、反向檢波電壓）進行采樣，采樣值經軟件算法處理后得到并輸出給高度表。微波組件上報給高度表的回波損耗檢測值除以10，換算公式為

式中：VSWR為駐波比；RL為回波損耗。

3.2 解決措施

通過該通信設備中高度表模塊的微波組件完善駐波保護功能軟件，并對發射端口駐波值進行較零，在發射輸出端開路或短路時不再燒毀功放，發射電纜一端開路時，串口上報回波損耗值應小于15，電纜一端接匹配負載時，串口上報回波損耗值應大于50。修改程序后，反復驗證，產品工作正常，故障消除。

4 結 論

本文詳細闡述了工程中高度表功能的應用及本次偶發故障的定位分析過程。經排查，最終確定根本原因是微波組件駐波檢測功能設計存在缺陷，上報給高度表的回波損耗檢測值未進行校零，導致偶爾出現無法正常上報駐波報故自檢信息的現象。功能設計的好壞，直接影響著整個系統工作的可靠性。在功能設計時，不僅要保證滿足通信設備的指標要求，還需要結合實際設備使用環境和外部干擾因素，滿足工程中組件制造差異性的要求。本次通過對微波組件軟件程序的優化，成功解決了這起隱蔽性故障。