基于虚拟仪器技术的变频器专用自动测试系统设计.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:李芃博李新雷张进仓等.基于虚拟仪器技术的变频器专用自动测试系统设计.空间电子技术():.():.:./.基于虚拟仪器技术的变频器专用自动测试系统设计李芃博李新雷张进仓高 妍(中国空间技术研究院西安分院西安)摘 要:随着卫星通信技术的不断进步星载微波变频器从单一通道频率朝着多本振频点、多增益档位和多通道组件化发展 复杂的产品工况使得变频器的自动化测试难度增大 基于虚拟仪器技术给出了一种适应多本振频点、多增益档位、多变频通道三种特殊工况下的微波变频器专用自动测试系统的设计方案 重点分析了多本振模式下的变频器频谱杂散测试特性有针对性地提出了一种多模式频谱搜索算法通过采用绝对频率转换相对频率的搜索方法实现了高效的频谱自动化测试 实践证明基于虚拟仪器技术的专用变频器自动测试系统将模块化的硬件与定制化的软件算法和测试流程结合在一起相比传统测试系统具备更强的产品适应性可大幅提高变频器产品测试效率关键词:虚拟仪器变频器频谱杂散多本振频点中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:.:空间电子技术 年第 期 引言 微波变频器是星载接收机的一个重要组成模块其实现了卫星通信链路上行和下行频率的变换 近年来随着我国空间电子技术的快速发展卫星通信的带宽容量和转发器分系统的通道数量在不断增加星载微波变频器产品的技术复杂度在不断升级 微波变频器在多本振频点、多增益档位和多变频通道等复杂工况模式下工作时会导致测试工作繁杂且重复性劳动量大 尤其是频谱测试中的杂散测试因为本振频点的不断变化造成与本振相关性的杂散频点在频谱上随机偏移增大了自动化测试的难度 当前的微波变频器测试主要以人工手动操作或使用传统的自动测试系统 人工操作存在测试效率低下的问题而传统的自动测试系统通常是以完成单一项目的测试为目的而设计的系统架构并不考虑产品的各类复杂工况特性使用过程中的参数配置十分繁琐因而无法适应当前更为复杂的变频器测试场景 为了满足各类卫星型号的生产研制需求研发专用的变频器自动测试系统以提升测试工作效率显得尤其重要 虚拟仪器技术是计算机技术、仪器测控技术和通信技术相结合的产物 虚拟仪器系统通常由计算机、应用软件和标准化或非标准化的仪器硬件组成其技术优势在于功能强大、操作灵活、完全的图形化界面可方便用户根据需求快速集成测试系统 本文提出一种基于虚拟仪器技术的微波变频器专用自动测试系统的设计方案重点介绍了虚拟仪器系统的组成和控制软件设计有针对性地提出了变频器测试过程中多本振频点模式下的频谱杂散搜索算法 系统组成本系统由工控计算机、虚拟仪器软件、硬件仪器三部分组成 其体系原理如图 所示 工控计算机负责运行虚拟仪器系统的控制软件通过 总线控制矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、直流电源和数据采集单元等仪器硬件完成微波变频器的各类电性能指标测试项目 该虚拟仪器系统体系结构分为系统用户界面层、虚拟仪器模块层、仪器驱动层、/接口层和仪器硬件层 其中系统用户界面层的主要功能为虚拟仪器控制软件人机交互 虚拟仪器模块层是针对微波变频器的各种测试工况模式所设计由测试流程模块、测试数据处理模块、仪表程控模块等组成实现了产品测试、仪表程控和数据处理等功能 仪器驱动层和/接口层负责虚拟仪器硬件之间的通信控制和数据传输图 系统原理图.虚拟仪器软件设计虚拟仪器软件开发平台/是一个完全的 开发环境用于仪器控制、自动检测、数据处理的应用软件它的交互式编程方法、丰富的功能面板和函数库为开发人员建立自动化测试系统、数据采集系统、过程控制系统等提供了一个理想的软件开发环境 本系统的虚拟仪器控制软件基于/开发主要分为用户界面模块、测试线程模块、线程管理模块、专项测试模块、仪表程控模块和测试数据处理模块六部分 图 为虚拟仪器软件总体设计框图图 软件总体设计框图.年第 期李芃博等:基于虚拟仪器技术的变频器专用自动测试系统设计.用户界面模块 开发平台拥有强大的图形显示控件用户可以通过界面控件输入测试参数信息并点击控件按钮调用控件响应函数执行相应的测试功能 虚拟仪器控制软件界面主要由三部分组成:即主界面、测试界面和仪器配置界面 主控制界面负责输入各类测试信息仪器配置界面负责设置仪表相关参数测试界面负责选择测试项目、执行测试线程、输出测试结果 测试界面通常是根据不同型号变频器的测试需求定制开发 如图 所示为本系统为某型号 微波变频器设计的专用测试界面可以实现不同测试项目选择主备通道切换电源电压拉偏和参考源切换等测试功能图 变频器测试界面图.变频器测试流程模块和线程管理模块.线程管理模块本系统控制软件采用多线程编程由用户界面线程、测试流程线程和数据处理线程三部分组成每个线程相互独立运行 提高了控制软件可靠性和用户体验 界面控制线程负责响应软件界面功能 测试流程线程则根据不同产品测试需求调用相应的变频器测试流程模块 数据处理线程负责数据的显示和处理 图 为本系统线程结构图图 测试线程结构图.变频器测试流程模块变频器测试流程模块的功能是执行变频器的标称增益、幅频特性、频谱谐杂波分析等项目的测试流程 这些测试项目作为衡量变频器产品特性的主要指标测试系统在测试过程需要遍历变频器所有的工况 本系统在变频器测试流程模块中设计了三种不同的变频器测试流程函数分别是多本振频点变频器测试流程函数、多增益档位变频器测试流程函数、多通道变频组件测试流程函数 用户根据产品测试需求在用户界面模块选择相应的测试流程用户界面模块将设置参数传递给线程管理模块 当测试开始时线程管理模块会启动测试线程并调用相应的测试流程函数对产品的所有工况的测试项目进行遍历测试 如图 所示为多本振频点变频器标称增益项目测试流程图图 多本振频点变频器标称增益测试项目流程图.变频器专项测试模块变频器测试项目中如噪声系数、三阶交调、增益 压缩测试、自动增益控制特性等测试项目 在测试上述项目过程中需要特殊的测试仪器、校准步骤或需要添加测试附件等原因而无法将该测试过程集成到统一的产品测试流程中 为空间电子技术 年第 期解决专项项目测试自动化的问题本系统开发多个独立的专项测试模块程序软件通过系统外部调用的方式完成测试确保了自动化测试项目覆盖的完整性 图 为自动增益控制特性测试项目设计的专项测试模块软件界面图 变频器自动增益控制特性测试主界面.仪表程控模块微波变频器电性能测试中的常见使用的仪表主要包括矢量网络分析仪、频谱仪、微波信号源、功率计、直流电源、数据采集单元和专用指令发生器仪表控制软件模块调用 函数库通过 总线向仪器发送 指令代码完成对仪表的自动控制 本系统针对不同的测试项目设计了相应的软件模块每个软件模块的功能主要包括:)测试仪表通信控制初始化)执行相应数据采集流程)获取数据并保存)结束测试释放仪器资源.数据处理与保存模块 采用的 插件以 平台组件对象模型和 函数为基础实现了虚拟仪器应用程序与 软件的交互 本系统控制软件通过调用 提供的 接口驱动程序将测试数据结果写入 和实现测试数据自动化报表的功能多本振频点模式下的变频器频谱测试 本节详细介绍多本振频点模式变频器频谱测试中的频谱测试特性分析、软件算法设计与应用.多本振频点变频器频谱特性分析多本振频点模式变频器是指具备本振频率步进功能的变频器通常由电源电路、本振链、射频链三个独立模块组成 其中本振链模块由锁相倍频电路、分路混频电路和本振控制电路组成 本振控制电路通过频率加减控制指令实现频率步进控制功能并提供频率状态遥测 本文以射频输入信号 频率保持不变而中频输出 信号随本振变化而改变的测试工况为例进行频谱测试分析 如图 所示为微波变频器频谱测试原理图图 频谱测试原理图.信号源生成测试射频信号 输入进变频器经过变频器内部混频电路 本振一次变频输出中频信号至频谱仪 变频器整机的谐杂波的可能来源包括本振混频电路输出产物、射频混频电路输出产物、电源开关频率的谐杂波以及这些频率信号的混合产物 变频器的混频产物之间频率数学关系通常为线性关系因此定义混频产物的频率值为 其中 和 均为任意整数值假设变频器频率转换关系为 本振频率步进值为 则相邻两本振频点的 和 本振频率关系为 由频率转换关系可得对应中频输出信号频率为 现假设相邻两本振频点射频 和本振 的混频产物为 和 由频率变换关系可得 如图所示 杂散信号相对 杂散信号在频谱上向右偏移了 中频输出信号 相对 向右偏移了 于是经过频谱分析可以得出当本振 频率每步进 时变频器生成的混频产物(仅考虑落在工作带宽内的杂散)会相对于中频信号 在频谱上产生()的相对频谱偏移量 如图 所示这种跟随本振变化且相对于中频输出信号进行偏移的混频产物称为本振偏移杂散 受变频器本振步进控制精度、频谱仪本底噪声、频谱仪采样点孔径大小的影响本振偏移杂散的频谱分布具有一定的随机性给多本振频点模式下频谱自动化测试带来了一定的困难 年第 期李芃博等:基于虚拟仪器技术的变频器专用自动测试系统设计图 偏移杂散频谱示意图.多模式频谱搜索算法的设计本系统控制软件针对多本振频点变频器的频谱特性设计了一种多模式组合的频谱搜索算法结合.小节中的分析本振偏移杂散通常是相对于载波进行偏移所以本算法采用划分“相对频率区域”的测试方法将绝对频率值搜索转换为相对频率搜索通过指定频率搜索、分区频谱搜索和边带频谱搜索三种模式的组合实现了本振偏移杂散的自动化测试 指定频率搜索是指在固定的频率范围、频率点或相对于载波的频率差状态下进行频谱搜索属于固定频率搜索 分区频谱搜索和边带频谱搜索属于相对频率搜索首先将频谱曲线划分 个等带宽部分由于频谱分析仪固定使用 个采样点为保证采样点均匀分布 取值为 然后在这 个等带宽的区域内指定的相应分区内进行搜索或进行频率大于某个区域范围或小于某个区域范围的边带搜索 如图 所示为多模式组合频谱搜索算法的流程图图 多模式组合的频谱搜索算法流程图.首先完成频谱仪单次扫描然后通过 总线从频谱仪读取频谱曲线数据再将频谱曲线采样数据按频率划分为 个分区继而分析杂散可能出现的频谱区域和偏移轨迹接下来根据测试需求给软件配置相应的搜索参数通过三种搜索模式的两两组合完成频谱杂散的自动搜索最后向频谱仪发送指令读取相应的频点的测试结果.算法测试效果验证如图 所示为某型号 频段多本振上变频器变频后输出信号的频谱图 点为主载波信号 为主载波的二次谐波(频点固定)点和 为和本振频率相关的随机杂散当变频器工作本振频率发生变化时与之相关的杂散在频谱上就会发生随机偏移图 多模式组合频谱搜索算法频谱示意图.如图所示将获取到的频谱曲线分为 个频谱区域其中主载波信号的二次谐波 为固定频点位于区域 本振杂散 为随机杂散在空间电子技术 年第 期区域 偏移 为随机杂波在区域 的部分频点和区域 到区域 的范围内偏移由于主载波信号位于区域 若直接搜索区域 到区域 可能将主载波信号误判为杂散 本算法在区域 使用指定频率搜索在区域 到 的范围使用边带搜索最后将两个频段的搜索结果进行比较得出最优频点经过实践验证多模式频谱搜索算法相比指定频率的传统频谱搜索方法具有以下优势:)解决了随机分布的本振偏移杂散频谱测试问题当具有 个本振频点的变频器测试带宽内存在 个偏移杂散时传统的测试方法需要设定 次杂散搜索频率参数而采用指定频率和相对频率区域进行组合搜索的方法避免了重复设定杂散频率参数的操作只需一次性指定相应搜索区域和组合搜索方法自动测试程序即可完成多个本振频点下的偏移杂散测试充分降低了自动测试程序开发和使用难度具有良好的产品适用性)系统通过组合搜索频谱的方法可以在一次频谱扫描过程中完成多种类型的频谱杂散测试有效的提升了频谱测试效率)将多模式组合频谱搜索算法与基于多线程的测试流程模块和专项测试模块相结合相比传统自动测试系统更能适应变频器的各种复杂测试工况 结论本文从当前星载微波变频器的测试需求出发给出了基于虚拟仪器技术的变频器专用自动测试系统设计架构并详细介绍了虚拟仪器软件中各个模块的设计方案 同时对变频器的本振偏移杂散的频谱特性进行了深入分析提出了基于相对频率范围搜索方法的多模式频谱搜索算法并在测试系统中完成了搜索算法的开发 经过实际的测试应用表明该系统可以很好地完成微波变频器中各类复杂测试项目和高重复性操作项目的测试任务在变频器本振偏移杂散的测试方法方面具有一定的创新性提高了微波变频器的测试效率在航天产品测试系统设计领域具有较强的工程实践意义但同时本系统在一些方面存在不足如测试数据结果仅能生成 和 报表对于测试曲线数据还未应用数据库技术进行存储希望在后续改进中可以加入数据库和大数据分析技术使得测试数据得到科学管理参考文献:高艺.集成化 频段上变频器的研制.成都:电子科技大学:.陈世淼倪淑燕廖育荣.微小卫星综合电子系统综述.空间电子技术():.吕飞.小型化多功能测试系统设计.西安:西安电子科技大学:.何永丛潘顺良李鸿飞等.载人航天器自动化测试系统设计与应用.计算机测量与控制():.张扬肖世德./平台下虚拟信号分析仪的设计.自动化仪表():.李芃博.光纤陀螺自动化测试系统设计.电子科技():.王嘉范蟠果毛恒.一种改进型多线程机制在数据采集系统中的应用.计算技术与自动化():.李仕峰.基于/的行波管自动测试系统设计与实现.成都:电子科技大学:.王建新隋美丽./虚拟仪器测试技术及工程应用.北京:化学工业出版社:.倪笑宇徐军戴美魁等./多线程技术在油门测试软件中的应用.自动化与仪表():.张儒.基于 的仪器测试系统.科技视界():.姚国国王鹏飞.基于/的/模块自动化测试与数据分析软件设计.航空兵器():.王帅张杰张彦峰.射频接收机中自动增益控制电路建模与设计.无线电通信技术():.周晓华张立新王岗.高动态 电路在扩频通信中的应用.空间电子技术():.常鸿田龙吴增印.一种用于接收微波的基带数字 设计.空间电子技术():.作者简介:李芃博()陕西西安人硕士工程师 主要研究方向为微波技术:.