基于Labwindows／CVI和Matlab高頻衰減模型建立與應(yīng)用

摘要：LabWindows／CVI是一款面向測控領(lǐng)域的開發(fā)工具，而Matlab則是一款在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中優(yōu)秀的軟件。在結(jié)合兩者優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提出了利用軟件補(bǔ)償來滿足高頻信號功率測試精度需求的方法。首先利用Matlab對某平臺高頻傳輸通道建立功率衰減模型．之后根據(jù)此模型采用LabWindows／CVI控制測試儀器資源對所得到的高頻信號功率值予以補(bǔ)償。最后，對已知高頻信號源進(jìn)行測試，所得測試數(shù)據(jù)滿足平臺測試精度要求。
關(guān)鍵詞：LabWindows／CVI；Matlab；高頻通道；衰減模型

0 引言
    LabWindows／CVI美國國家儀器公司(NI公司)推出的交互式C語言開發(fā)環(huán)境。LabWindows／CVI以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立了檢測系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、虛擬儀器等提供了一個軟件開發(fā)平臺。Matlab是由Math Works公司于1984年推出的一套科學(xué)計算軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣計算和數(shù)據(jù)可視化能力，一方面可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解等若干個領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計算；另一方面可以實現(xiàn)二維、三維圖形繪制，圖像處理、虛擬現(xiàn)實等方面的處理。
    本文的出發(fā)點(diǎn)是利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理功能，對某平臺高頻測試功率衰減問題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并以此建立高頻通道功率衰減數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上采用LabWindows／CVI這一軟件開發(fā)平臺，利用其靈活豐富的庫函數(shù)，以及可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示的軟面板功能來控制測試儀器，在獲取儀器測試實際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將測試得到高頻信號頻率帶入建立的衰減數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算得到此時的功率衰減值，并將此數(shù)值與實際測得功率值相加顯示到虛擬儀器面板上，作為最終的測試結(jié)果。從而實現(xiàn)了編程環(huán)境中C語言的高效執(zhí)行效率和科學(xué)計算相結(jié)合的目的，試驗證明了該方法的有效性。

1 通用ATS傳輸通道結(jié)構(gòu)分析
    ATS硬件結(jié)構(gòu)和接口電路設(shè)計具有一定的共性，其一般測試結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)主要包括2個部分：一是ATE(Auto Test Equipment，自動測試設(shè)備)中信號流經(jīng)的途徑，一般流程部件為測試儀器-連接線纜-開關(guān)-連接器；二是適配器結(jié)構(gòu)，根據(jù)UUT測試需求實現(xiàn)開關(guān)系統(tǒng)的靈活配置，以及完成信號調(diào)理。適配器設(shè)計一方面存在功能上的共性，即需要完成放大、衰減、濾波、隔離、線性化等信號調(diào)理功能；另一方面也有其特殊性，如必須結(jié)合UUT具體測試要求，設(shè)計各種調(diào)理電路。而ATE在設(shè)計完成后，具有結(jié)構(gòu)功能不變性，特別對高頻信號而言，其本身特點(diǎn)不能按一般的集總系統(tǒng)理解，故此需要對這一特定的信號傳輸特性進(jìn)行分析。

    ATE中測試高頻信號主要關(guān)注其頻率和功率2個參數(shù)，經(jīng)過試驗已證實，高頻信號經(jīng)過傳輸通道(電纜、開關(guān)、連接器)時對頻率測試精度影響很小，可以忽略；而信號的功率會隨著頻率的改變而有規(guī)律的變化。這種衰減產(chǎn)生的原因包括以下幾個方面：
    (1)電纜在傳輸信號時會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗。其中高頻信號沿著導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鬏敚@種現(xiàn)象即為所謂的趨膚效應(yīng)；絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在內(nèi)部引起的能量損耗，由于電介質(zhì)絕緣體會影響電纜的電容，電介質(zhì)絕緣體同樣會產(chǎn)生與頻率相關(guān)的電纜損耗，即介質(zhì)損耗。在自動測試設(shè)備中，介電損效應(yīng)是高頻信號產(chǎn)生損耗的主要原因。
    (2)開關(guān)和連接器作為特殊的連接線，同樣會使信號傳輸時產(chǎn)生衰減。
    (3)這些元件連接到一起后，由于阻抗不完全匹配會引起信號波反射，產(chǎn)生反射損耗，并且元件之間焊接處不可避免地會產(chǎn)生頻譜泄漏等，都將導(dǎo)致信號功率衰減。對于前2種功率損耗，電纜、開關(guān)和連接器在出廠時都給出了不同頻率段下功率衰減值，而對于第3種因素產(chǎn)生的損耗，是不可預(yù)知的，需要在完成設(shè)計后進(jìn)行測定。
    另外，上述幾種元件使用時，因其老化和溫度變化不可避免的會產(chǎn)生隨機(jī)誤差，如連接器的本振頻率會隨著溫度變化產(chǎn)生漂移等。因此，為減小這些隨機(jī)誤差，一方面應(yīng)選擇高質(zhì)量的元件；另一方面要定期對ATE進(jìn)行計量，以便及時調(diào)整相關(guān)測試參數(shù)。

2 基于Matlab建立高頻傳輸衰減模型
2．1 獲取高頻信號傳輸通道功率衰減值
    本文旨在結(jié)合Matlab和LabWindows／CVI兩者的優(yōu)勢，為ATS中高頻通道傳輸損耗設(shè)計一種軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?。功率衰減與其大小無關(guān)，而是隨頻率改變而變化，本文以某平臺為基礎(chǔ)，對頻率范圍在[30 MHz，2．7 GHz]內(nèi)的高頻信號源進(jìn)行測試，得到(不同頻率、功率)信號經(jīng)過傳輸通道的功率衰減值，如表1所示。

2．2 高頻信號傳輸通道功率衰減建模
    在測量數(shù)據(jù)處理中，常常遇到根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定給定模型的參數(shù)；為離散測量數(shù)據(jù)建立連續(xù)模型2類問題。本文的數(shù)據(jù)處理工作屬于第2種，在這類問題的測量數(shù)據(jù)處理方法中，比較好的是選取能夠描述測量數(shù)據(jù)特征的某類曲線，在一定意義下從這類曲線中尋求一條“最好”的曲線作為實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的連續(xù)模型，并給出該連續(xù)模型對應(yīng)的參數(shù)。這種處理思想被稱為“擬合”，本文將采用經(jīng)典的最小二乘擬合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2．2．1 最小二乘擬合
    以兩元模型為例，假設(shè)x和y分別為測量數(shù)據(jù)矢量，x*和y*分別為對應(yīng)的真值矢量，f為擬合模型，θ為模型參數(shù)矢量，則：

    由式(2)列出對應(yīng)的正規(guī)方程并求解就可以得出模型參數(shù)的最小二乘估計值。最小二乘擬合的理論基礎(chǔ)是高斯-馬爾可夫定理，其發(fā)展已有約兩百年的歷史，在數(shù)據(jù)處理中被廣泛應(yīng)用。最小二乘估計具有無偏性和方差最小的性質(zhì)，且與測量矢量所服從的概率分布無關(guān)，因而當(dāng)測量矢量的概率分布形式不能嚴(yán)格知道，無法使用經(jīng)典統(tǒng)計中的參數(shù)估計理論時，最小二乘擬合成為了數(shù)據(jù)處理的一種簡便方法，同時這也是最小二乘擬合在數(shù)據(jù)處理中被廣泛使用的原因。基于上述原因，本文選取最小二乘擬合方法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2．2．2 Matlab建立數(shù)學(xué)模型
    首先，以頻率f=[0．03，0．1，0．5，1．0，1．5，2．0，2．5，2．7]，以及各頻率點(diǎn)對應(yīng)的功率衰減平均值p=[0．948，1．934，6．995，12．131，13．294，14．269，14．518，14．720]為數(shù)據(jù)點(diǎn)，畫出二維空間的散點(diǎn)圖，如圖2所示。

    根據(jù)其分布形狀，選取三次多項式作為擬合曲線模型函數(shù)：

    具體實現(xiàn)步驟：
    (1)將f=[0．03，0．1，0．5，1．0，1．5，2．0，2．5，2．7]，p=[0．948，1．934，6．995，12．131，13．294，14．269，14．518，14．720]寫入Matlab命令窗口；
    (2)輸入命令函數(shù)cftool，回車彈出“Curve Fitting
Tool”窗口，如圖3(a)所示；
    (3)點(diǎn)擊按鈕“Data”設(shè)置擬合數(shù)據(jù)分別為f，p，如圖3(b)所示；

    (4)點(diǎn)擊按鈕“Fitting”，彈出窗口“Fitting”，選取擬合函數(shù)“cubic polynomial”，點(diǎn)擊“Apply”即可得到擬合數(shù)據(jù)模型，如圖3(c)所示。

3 LabWindows／CVI實現(xiàn)軟件補(bǔ)償
    根據(jù)依據(jù)最小二乘原理擬合得到的高頻通道功率衰減模型，采用LabWindows／CVI編程對高頻測試儀器進(jìn)行控制，實現(xiàn)信號功率的補(bǔ)償，其面板設(shè)計如圖4所示，軟件測試算法流程如圖5所示。

    以此試驗平臺為例，外部信號源輸出(900 MHz，-5．60 dBm)的高頻信號。平臺對此信號進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖4所示：儀器測得功率為-16．5 dBm，將f=900 MHz帶入式(4)，計算的修正值為10．94 dB，所以最終測試結(jié)果為(-16．5+10．94)dBm，即-5．56 dBm。這一數(shù)據(jù)與-5．60 dBm相比較，滿足平臺測試精度要求。

4 結(jié)語
    本文在結(jié)合Matlab和LabWindows／CVI兩者優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，采用了軟件補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q了高頻功率衰減問題。首先利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力，以最小二乘擬合原理對功率衰減數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了較高精度的功率衰減數(shù)學(xué)模型，之后采用LabWindows／CVI設(shè)計了高頻測試儀器面板，經(jīng)編程實現(xiàn)了功率測試補(bǔ)償。經(jīng)試驗驗證，該方法能有效滿足平臺測試精度要求，為ATS測試高頻信號提供了一種實用的方法。