短波接收機(jī)便攜式自動測試平臺設(shè)計與實現(xiàn)

 當(dāng)前，對短波電臺的檢測主要依靠傳統(tǒng)測試方法，需要的測量儀器種類繁多、操作復(fù)雜、對測試人員要求高，且測試儀器笨重，不便于攜帶，無法滿足野外及復(fù)雜情況的要求。本文提出了一種綜合各種通用儀表相關(guān)功能，且具備自動測試能力的便攜式小型電子設(shè)備，此設(shè)備將頻譜儀、頻率計、功率計、射頻源和音頻分析儀等現(xiàn)代通信電臺測試中最常用設(shè)備的測試功能進(jìn)行集成后，用上位機(jī)軟件Matlab和C++混合編程實現(xiàn)自動測試，即自動測試系統(tǒng)平臺。

1 總體設(shè)計

此自動測試平臺由測試終端、測試模塊和配套電纜等組成，如圖1所示。

此測試平臺分為兩個功能單元，射頻產(chǎn)生單元和音頻采集分析單元。射頻產(chǎn)生單元可產(chǎn)生不同調(diào)制方式的信號。音頻采集分析單元可接收來自電臺輸出的音頻信號并音頻采集分析單元可接收來自電臺輸出的音頻信號，并完成分析。測試模塊內(nèi)部總體設(shè)計原理如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 射頻產(chǎn)生單元

根據(jù)國標(biāo)要求，在測試接收機(jī)相關(guān)指標(biāo)時，需加入射頻信號到接收機(jī)射頻口。本模塊可產(chǎn)生AM/DSB/SSB(USB/LSB)模擬調(diào)制模式和BPSK/QPSK/8PSK/2PSK數(shù)字鍵控模式信號，常用的產(chǎn)生調(diào)制信號的方法是用Matlab產(chǎn)生FTR濾波器所需要的系數(shù)，F(xiàn)PGA中的FIR編譯核調(diào)用Matllah產(chǎn)生的FIR系數(shù)來產(chǎn)生調(diào)制信號所需的FIR濾波器，最后將程序下載至

FPGA中，此方法更改參數(shù)復(fù)雜，操作繁瑣，不適應(yīng)于自動測試中。本文采用了一種基于信號正交變換理論和數(shù)字信號處理算法，以軟件編寫和硬件電路結(jié)合的方法，進(jìn)行數(shù)字信號內(nèi)插濾波、正交調(diào)制變頻，產(chǎn)生不同帶寬、不同制式的射頻信號。

一個頻譜的單頻率信號的離散化時域表達(dá)式如式(1)所示

S(nTs)=a(nTs)cos[wcnTs+φ(nTs)] (1)

對其信號進(jìn)行正交分解，從而便于對信號進(jìn)行調(diào)制，正交分解表達(dá)式如式(2)所示

S(nTs)=I(n)cos(wcnTs)+Q(n)sin(wcnTs) (2)

若要產(chǎn)生任何一種調(diào)制信號，只需求出Q(n)、I(n)，與sin(wcnTs)、cos(wcnTs)相乘，調(diào)制信號S(nTs)即為兩路信號相加后得到。正交調(diào)制框圖如圖3所示。

SSB為常用工作方式，這里主要介紹單邊帶調(diào)制過程。將SSB時域信號離散化后表達(dá)式如式(3)所示

式(6)和式(7)中，wm為基帶調(diào)制信號的角頻率，M=N/2，N為濾波器階數(shù)。

調(diào)制信號通過上位機(jī)C++和Matlab軟件混合編程進(jìn)行算法實現(xiàn)后，提供API接口函數(shù)int Rf Enable(int Number，int Type，int Enable)供上位機(jī)開發(fā)軟件調(diào)用，說明：射頻輸出/停止，Number為USB標(biāo)識;Type為0：單音，Type為1;SSB，Type為2;AM，Enable為1使能。接口函數(shù)int SetRF(int Number，double OutPower，double OutFreq)，說明用于發(fā)送射頻頻率和射頻功率，Number為USB標(biāo)識，OutFreq為輸入射頻頻率，Out Power為輸入射頻功率。

在上位機(jī)軟件界面即可靈活地選擇調(diào)制方式，控制硬件電路的FPGA，F(xiàn)PGA將信號傳輸?shù)紸D9910進(jìn)行上邊頻處理，變頻后通過射頻口輸出已調(diào)信號，產(chǎn)生不同帶寬、不同制式、不同頻率的射頻調(diào)制信號。射頻信號產(chǎn)生單元的原理框圖如圖4所示。

相比傳統(tǒng)測試時需要在儀器上設(shè)置工作方式、頻率、功率等操作，本自動測試平臺將此類設(shè)置操作全部封裝在軟件中自動執(zhí)行，測試人員只選擇需要測試的性能指標(biāo)，而無需關(guān)注測試時的具體設(shè)置參數(shù)，即可一鍵自動測試。

2.2 音頻采集分析單元

音頻信號分析單元完成電平測量、信納德測量、頻率測量和失真度測量的4個主要功能。音頻電平測量、信納德測量和失真度采用相同的信號處理電路，其測量原理如圖5所示，由MCU對音頻信號進(jìn)行A/D采樣，并通過算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出音頻頻率值、電平值、失真度值與信納德值。

音頻信號分析是采用STM32的A/D采集來實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD數(shù)據(jù)位是12位，則精度為3.3 V/212=0.8 mV，STM32的采樣電平范圍是0～3.3 V，需要對音頻信號進(jìn)行處理，通過衰減電路，將輸入音頻信號衰減到原來的0.275，然后用PGA芯片MCP6S21對信號進(jìn)行如表1的處理，使之峰峰值在1.6～3.2 V以內(nèi)。

再經(jīng)過加法器為音頻信號增加直流偏置1.65 V，則得到既可滿足STM32的采樣電平范圍又能使采樣信號接近3.3 V的音頻信號。輸入音頻信號與經(jīng)調(diào)理后的采樣信號關(guān)系如式(8)所示。

So=1.65+0.275×GSi (8)

其中，So為采樣信號;Si為音頻信號Vrms;G為可編程增益。

(1)音頻電平測量算法。采樣率為40 960 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，采樣時間為25 ms，在輸入信號范圍內(nèi)，對200 Hz的信號可在每個周期采200點(diǎn)，采5個周期;10 kHz的信號可在每個周期采40點(diǎn)，采25個周期。音頻電平的計算公式如式(9)所示

式中，Amax為采樣點(diǎn)最大值;Amin為采樣點(diǎn)最小值;G為可編程增益。

(2)音頻信納德算法。音頻信納德測量時，采用51 200 Hz采樣率，采集1 024點(diǎn)進(jìn)行FFT變換，采樣時間為20 ms，可對1 kHz的五次諧波每周期采集10點(diǎn)。A/D采集后的信號直接進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT變換采用STM32自帶的1 024點(diǎn)FFT變換函數(shù)，F(xiàn)FT變換后取得變換的功率值，然后分析出1 kHz主波及二次諧波、三次諧波、四次諧波、五次諧波，用1 kHz主波的值與其諧波的和進(jìn)行比較，計算出信納德值。

(3)音頻頻率測量算法。音頻頻率測量采用STM32的計脈沖功能，通過計算外部信號的兩個脈沖上升沿間，內(nèi)部時鐘記錄的脈沖數(shù)，可計算出信號的周期，從而計算出信號的頻率。

音頻測試采用A/D+精細(xì)化FFT算法軟件，進(jìn)行音頻信號電平測量和失真度測量。在頻譜分析時由于諧波頻率預(yù)先不知，很難實現(xiàn)信號的整數(shù)次諧波采樣，這樣就不可避免地存在由于時域的截斷而產(chǎn)生的譜泄露，而且FFT只能對有限長度的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得頻譜存在柵欄現(xiàn)象，只能觀測有限個頻率點(diǎn)譜線。針對上述問題，本方案采用一種頻譜細(xì)化的方法，不增加采樣數(shù)據(jù)長度，在FFT諧波分析方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的調(diào)制，可得到高分辨率的細(xì)化頻譜。

3 測試流程

接收機(jī)性能指標(biāo)主要包括音頻頻率、音頻響應(yīng)、總失真系數(shù)、帶外互調(diào)。以音頻響應(yīng)為例介紹其測試流程。根據(jù)國標(biāo)《GB/T6934-1995短波單邊帶接收機(jī)電性能測量方法》自動測試流程如圖6所示。

(1)初始化。終端通過信號線設(shè)置接收機(jī)工作頻率、工作方式靜噪模式等相關(guān)參數(shù)。(2)測試平臺將標(biāo)準(zhǔn)單音信號輸入接收機(jī)射頻口。(3)接收機(jī)解調(diào)后，將音頻信號輸出到測試模塊，進(jìn)行音頻采集分析并調(diào)節(jié)電臺音量。(4)終端軟件改變射頻輸入信號的頻率，將接收機(jī)音頻信號采集分析的最大電平值和最小電平值相除，其比值即為音頻相應(yīng)。

音頻響應(yīng)算法實現(xiàn)的偽代碼如圖7所示，軟件可用循環(huán)程序省去人工測試時繁瑣、復(fù)雜的操作，從而實現(xiàn)自動測試。

傳統(tǒng)的方法測試接收機(jī)音頻響應(yīng)時，首先在測試頻率計、功率計或綜測儀上設(shè)置工作方式、輸出功率、頻率、靜噪模式等，然后需要手動在儀器上改變頻率，范圍是300～3 000 Hz，以10 Hz步進(jìn)，從綜測儀中讀出每個頻率點(diǎn)所輸出的音頻電平，找出最大和最小頻率，兩者相比即為音頻相應(yīng)。操作復(fù)雜、繁瑣。

本自動測試平臺在測試時將人工操作全部封裝在軟件中自動執(zhí)行，尤其是軟件以10 Hz步進(jìn)自動改變頻率，采集到的所有電平自動進(jìn)行比較找出最大和最小電平，操作人員只需在上位機(jī)測試軟件界面選擇相應(yīng)的測試指標(biāo)，測試平臺即可完成自動測試，測試結(jié)束后返回測試結(jié)果，操作簡易，直觀。

4 測試結(jié)果分析

將本自動測試平臺測試結(jié)果與綜合測試儀測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，如表2所示。

由表2可知，本文實現(xiàn)的自動測試平臺滿足對短波接收機(jī)儀器測試的要求，可實現(xiàn)對接收機(jī)音頻頻率、失真度、帶外互調(diào)和音頻相應(yīng)等主要指標(biāo)的測試，與綜合測試儀測試結(jié)果對比，滿足測試要求。

本文實現(xiàn)的測試平臺上位機(jī)控制軟件界面如圖8所示。

5 結(jié)束語

此測試平臺相比與傳統(tǒng)測量方法具有易操作性、便攜性的特點(diǎn)，可將傳統(tǒng)儀器測試時及其復(fù)雜的操作簡單化，通過上位機(jī)軟件控制，可根據(jù)不同種類的電臺接收機(jī)、不同的測試指標(biāo)進(jìn)行軟件的動態(tài)調(diào)整，并具有開放性，可隨著測試需要進(jìn)行軟硬件升級。下一步將繼續(xù)優(yōu)化測試步驟，優(yōu)化測試界面，使操作更簡易，測試結(jié)果更準(zhǔn)確。