谷帆，趙子正，楊文超，詹永衛(wèi)

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

信號(hào)頻譜分析儀的應(yīng)用是對(duì)無線電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的重要手段，是射頻微波產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具。隨著無線射頻技術(shù)的不斷發(fā)展和測(cè)量?jī)x器的改進(jìn)，現(xiàn)代信號(hào)頻譜分析儀不僅可以分析純頻譜測(cè)量結(jié)果，而且能解調(diào)和分析無線通信系統(tǒng)復(fù)雜的調(diào)制信號(hào)。5G 技術(shù)、高端雷達(dá)和汽車電子應(yīng)用需要使用非常寬的解調(diào)帶寬來分析寬帶信號(hào)。分析帶寬表征分析儀能夠解調(diào)的最大信號(hào)帶寬，因此它是現(xiàn)代信號(hào)分析儀的重要性能特征之一。高分析帶寬也有利于對(duì)脈沖信號(hào)的測(cè)量。分析帶寬決定時(shí)域分辨率，并因此決定能夠顯示的最小脈沖長(zhǎng)度。現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的信號(hào)通常采用復(fù)雜的調(diào)制方式，如OFDM、QAM 等。這些信號(hào)的帶寬較大，傳統(tǒng)頻譜分析儀難以滿足分析要求。大分析帶寬的頻譜分析儀可以對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)制分析，為通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要支持。

電科思儀全新發(fā)布的 “天璣星”4052 系列信號(hào)/頻譜分析儀在2Hz ～50GHz 頻段內(nèi)可提供1.2GHz 分析帶寬、400MHz 最大實(shí)時(shí)帶寬的優(yōu)異全面的信號(hào)分析能力。而“天衡星”4082 系列信號(hào)/頻譜分析儀則可以在最高2Hz ～110GHz 頻段內(nèi)通過4082-H38-2000 選件提供2GHz 分析帶寬，2GHz 信號(hào)分析帶寬可以具體應(yīng)用于5G功率放大器研發(fā)，納秒級(jí)寬度的雷達(dá)脈沖分析、跳頻通信系統(tǒng)以及車載毫米波雷達(dá)開發(fā)應(yīng)用等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

■1.1 寬帶中頻調(diào)理

寬帶中頻是指在射頻系統(tǒng)中，將接收到的射頻信號(hào)通過混頻器降頻到一個(gè)中間頻率（IF），然后進(jìn)行信號(hào)處理的一個(gè)頻帶寬度較大的方式。相對(duì)于窄帶中頻而言，寬帶中頻通常具有更高的帶寬，能夠支持更高的數(shù)據(jù)速率和更多的頻段覆蓋。例如，在4G和5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，寬帶中頻通常在100MHz 以上。

信號(hào)頻譜分析儀寬帶中頻調(diào)理板作為射頻通道的一部分，是實(shí)現(xiàn)大分析帶寬功能的重要組成，主要功能是對(duì)425MHz/750MHz/1.6GHz 中頻輸入信號(hào)進(jìn)行濾波和增益調(diào)整，輸出調(diào)理后的中頻信號(hào)和視頻檢波信號(hào)，具有寬帶BURST觸發(fā)判定功能和中頻鏈路增益自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)整功能?？傮w方案主要是通過開關(guān)、可調(diào)衰減、濾波器、放大器等器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理功能，通過檢波器、運(yùn)算放大器、AD/DA、比較器等實(shí)現(xiàn)檢波輸出、BURST 觸發(fā)、增益自動(dòng)調(diào)整功能。寬帶中頻調(diào)理板主要包括750MHz 中頻、1.5GHz 中頻和檢波輸出電路，原理框圖如圖1所示。750MHz 中頻通路實(shí)現(xiàn)420MHz160MHz80MHz 及1200MHz600MHz420MHz兩組中頻帶寬選擇，中頻增益調(diào)整等功能；1.5GHz 中頻通路實(shí)現(xiàn)2.4GHz 帶寬、中頻增益調(diào)整等功能；檢波輸出電路實(shí)現(xiàn)750MHz、1.5GHz 中頻信號(hào)檢波電壓輸出功能。

圖1 模塊原理框圖

寬帶中頻調(diào)理模塊對(duì)最大輸出功率、中頻增益范圍、帶內(nèi)平坦度、三階交調(diào)等多項(xiàng)指標(biāo)提出了設(shè)計(jì)要求。

■1.2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器，在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，工程師可以按照自己的具體需求來自行定義擴(kuò)展儀器的功能。一般地，測(cè)試測(cè)量?jī)x器具有信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析與處理和數(shù)據(jù)的輸出與顯示幾方面功能。其中數(shù)據(jù)分析和顯示輸出實(shí)際上可由基于計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)來完成，全新定義的靈活的虛擬儀器系統(tǒng)，可以將儀器硬件搭載到計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成。虛擬儀器技術(shù)具備更好的靈活性、可擴(kuò)展性和易操作性。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，應(yīng)用較為廣泛的是美國(guó)NI 公司的LabVIEW。

LabVIEW 是一種基于圖形化編程語言的開發(fā)平臺(tái)，可以很方便地生成虛擬儀器測(cè)控系統(tǒng)，在電子測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。它提供一種直觀的編程方式，使得工程師們能夠方便快速地搭建自己的系統(tǒng)，使他們能夠更加專注于問題的解決，而不需要過多關(guān)注軟件開發(fā)方面的問題。本系統(tǒng)將基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)、被測(cè)模塊、測(cè)試儀器等的互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)主要指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試和記錄分析。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

該測(cè)試系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。系統(tǒng)硬件部分主要包括工控計(jì)算機(jī)、程控射頻開關(guān)組件、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器、基于信號(hào)分析儀整機(jī)改裝的模塊控制平臺(tái)、GPIB 控制卡、被測(cè)寬帶中頻調(diào)理模塊等，軟件部分以LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)，GPIB 接口總線，基于VISA 庫(kù)和標(biāo)準(zhǔn)化SCPI 指令集，建立軟硬件通信，配置測(cè)試參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各測(cè)試項(xiàng)測(cè)試流程，記錄和分析測(cè)試數(shù)據(jù)。信號(hào)分析儀寬帶中頻調(diào)理模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

■2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)將工控計(jì)算機(jī)通過GPIB、USB 等接口與支撐被測(cè)模塊的裝置平臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀等測(cè)試儀器進(jìn)行系統(tǒng)集成，成為實(shí)現(xiàn)儀器狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)解析和記錄分析的整體。

2.2.1 工控計(jì)算機(jī)

工控計(jì)算機(jī)選用研華科技的610L，用來安裝LabVIEW開發(fā)平臺(tái)和Excel、MySQL 等數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)報(bào)表支持軟件。工控計(jì)算機(jī)通過GPIB 控制卡與測(cè)試儀器信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、整機(jī)平臺(tái)連接，以控制平臺(tái)狀態(tài)和程控測(cè)試儀器執(zhí)行測(cè)試項(xiàng)目，解析數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)分析。通過USB 與程控射頻開關(guān)組件連接，以控制受測(cè)射頻通路的切換。

2.2.2 整機(jī)平臺(tái)與被測(cè)模塊

模塊調(diào)測(cè)裝置平臺(tái)基于4082 型信號(hào)頻譜分析儀整機(jī)改裝，4082 系列信號(hào)頻譜分析儀采用了超外差式三次變頻方式，中頻直接采樣，全數(shù)字中頻處理實(shí)現(xiàn)多種分析功能。它由微波毫米波變頻接收單元、射頻處理單元、采集處理單元、合成本振單元、整機(jī)控制與總線和電源部分組成。寬帶中頻調(diào)理板作為射頻通道的一部分，通過轉(zhuǎn)接板架高安裝位置，與其余功能電路錯(cuò)位，方便調(diào)試檢查。

模塊調(diào)測(cè)裝置平臺(tái)主要由控制平臺(tái)、基礎(chǔ)平臺(tái)和開關(guān)模塊組成，裝置平臺(tái)原理如圖3所示?；A(chǔ)平臺(tái)提供各路電源和接口；控制平臺(tái)通過內(nèi)部專有總線對(duì)外部待調(diào)測(cè)寬帶中頻調(diào)理板進(jìn)行控制、通信；程控射頻開關(guān)模塊選通被測(cè)模塊輸出端口至測(cè)量?jī)x器。裝置結(jié)構(gòu)方案基于整機(jī)結(jié)構(gòu)改裝，增加程控射頻開關(guān)的安裝，整機(jī)套筒預(yù)留待測(cè)模塊架裝孔位。

圖3 裝置平臺(tái)原理框圖

2.2.3 測(cè)試儀器

測(cè)試系統(tǒng)使用1435 型信號(hào)發(fā)生器作為射頻輸入設(shè)備，1435 系列信號(hào)發(fā)生器基于創(chuàng)新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了性能、經(jīng)濟(jì)性和體積重量的平衡設(shè)計(jì)，該款信號(hào)發(fā)生器頻率范圍覆蓋9kHz~40GHz，具有優(yōu)良的頻譜純度，單邊帶相位噪聲1GHz 載 波@10kHz 頻 偏 達(dá) 到-136dBc/Hz，10GHz 載波@10kHz 頻偏達(dá)到-116dBc/Hz，具有高功率輸出和大動(dòng)態(tài)范圍，頻率切換時(shí)間1ms。性能滿足本系統(tǒng)測(cè)試425MHz/750MHz/1.5GHz 中頻輸入頻率和幅度要求，且不會(huì)影響被測(cè)模塊相位噪聲指標(biāo)測(cè)試。

系統(tǒng)選用4051 型信號(hào)頻譜分析儀作為射頻接收設(shè)備，4051 系列信號(hào)/頻譜分析儀是電科思儀信號(hào)/頻譜分析儀中的前代高性能旗艦產(chǎn)品，具有優(yōu)良的測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍、相位噪聲、幅度精度和測(cè)試速度，具備高靈敏度頻譜分析、符合標(biāo)準(zhǔn)的功率測(cè)量組件、IQ 分析、矢量信號(hào)分析、實(shí)時(shí)頻譜分析、瞬態(tài)分析、脈沖信號(hào)分析、音頻分析、模擬解調(diào)分析、相位噪聲測(cè)試、噪聲系數(shù)測(cè)試等多種測(cè)試功能。適用于本系統(tǒng)寬帶中頻調(diào)理模塊的各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試。

■2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW 支持多種接口的通信，具有靈活的可擴(kuò)展性，可以便捷地集成測(cè)試系統(tǒng)；具有便利的界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和多樣的報(bào)表生成、曲線三維圖繪制控件。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW 實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)配置、裝置狀態(tài)控制、測(cè)試儀器程控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析等功能。

2.3.1 裝置平臺(tái)和測(cè)試儀器控制

系統(tǒng)選用的信號(hào)分析儀整機(jī)平臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀都提供符合IEEE-488 標(biāo)準(zhǔn)的GPIB 接口，用于發(fā)送和接收GPIB/SCPI 命令。工控計(jì)算機(jī)通過SCPI 指令與平臺(tái)和測(cè)試儀器通訊，控制中頻輸入輸出選擇開關(guān)控制、各級(jí)衰減器衰減量控制、濾波帶寬通路選擇等；控制測(cè)試儀器初始化，根據(jù)具體測(cè)試項(xiàng)設(shè)置測(cè)試狀態(tài)，包括信號(hào)發(fā)生器輸出頻率、幅度，頻譜分析儀中心頻率、幅度參考、分辨率帶寬等。按照測(cè)試子VI 執(zhí)行單測(cè)試項(xiàng)詳細(xì)測(cè)試序列。

2.3.2 測(cè)試項(xiàng)執(zhí)行

被測(cè)寬帶中頻調(diào)理模塊技術(shù)條件提出了通道增益插損、最大輸入功率、中頻濾波頻響、1dB 壓縮點(diǎn)、三階交調(diào)等測(cè)試項(xiàng)要求。每項(xiàng)測(cè)試需要對(duì)不同中頻輸入、不同輸入功率、多種分析帶寬進(jìn)行組合測(cè)試，且需要設(shè)置裝置平臺(tái)的中頻輸出衰減器和后面板輸出衰減器。

三階交調(diào)失真是兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)通過非線性的系統(tǒng)時(shí)，基頻與諧波相互作用形成的無用頻率分量。本測(cè)試項(xiàng)利用兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)等功率，頻率間隔為50kHz的正弦波信號(hào)，通過耦合器同時(shí)輸入被測(cè)模塊中頻輸入端。在輸出端使用頻譜分析儀的差值標(biāo)記功能測(cè)量被測(cè)模塊的三階交調(diào)失真產(chǎn)物。

1dB 壓縮點(diǎn)是隨著指被測(cè)件輸入信號(hào)功率增大，電路中放大器、混頻器等接近飽和點(diǎn)，輸出信號(hào)不再線性變化，輸出電平偏離線性值1dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電平值。本測(cè)試項(xiàng)將一個(gè)小功率信號(hào)通過耦合器耦合端輸入被測(cè)件中頻輸入端，再將一個(gè)頻率間隔3MHz的大功率信號(hào)通過耦合器直通端輸入被測(cè)件，改變直通信號(hào)功率，直到大信號(hào)引起小信號(hào)功率測(cè)量值變化1dB 時(shí)，大信號(hào)功率值折算到輸入端口電平即為被測(cè)模塊的1dB 增益壓縮電平。

其他測(cè)試項(xiàng)說明略。測(cè)試軟件設(shè)計(jì)多個(gè)子VI 執(zhí)行具體測(cè)試項(xiàng)。軟件運(yùn)行界面中可管理測(cè)試儀器，選擇測(cè)試項(xiàng)，執(zhí)行測(cè)試和監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析

測(cè)試曲線數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用excel 模板表格，LabVIEW對(duì)Excel的 操 作 基 于ActiveX 技 術(shù)。 當(dāng)LabVIEW 作 為ActiveX 自動(dòng)控制客戶端時(shí)，可以控制作為ActiveX 服務(wù)端的Office 應(yīng)用程序。通過自動(dòng)化引用句柄實(shí)現(xiàn)與Excel的接口，控制工作表的選擇與單元格的寫入，將執(zhí)行的測(cè)試項(xiàng)測(cè)試結(jié)果寫入模板指定位置。測(cè)試報(bào)表逐行記錄不同SN的被測(cè)件測(cè)試結(jié)果，支持批量導(dǎo)出和對(duì)比分析。

3 測(cè)試流程

(a)將被測(cè)寬帶中頻調(diào)理模塊插入裝置平臺(tái)板槽，使用射頻電纜連接耦合器輸出端至模塊中頻輸入端，模塊輸出端750MHZ 中頻、1.5GHz 中頻和檢波輸出分別接入程控開關(guān)模塊指定端口。裝置平臺(tái)上電開機(jī)。

(b)使用測(cè)試軟件的儀器資源管理界面選擇或管理開關(guān)、平臺(tái)、信號(hào)源與頻譜儀的儀器地址。

(c)使用掃碼槍掃描模塊SN 條碼或鍵盤輸入，選擇被測(cè)件配置模式（三種配置模式分別代表被測(cè)板最高設(shè)置到的分析帶寬值600MHz、1.5GHz 和2GHz）勾選測(cè)試項(xiàng)，默認(rèn)為全選。

(d)點(diǎn)擊開始測(cè)試，測(cè)試軟件依序調(diào)用各測(cè)試子VI，并將中頻輸入選擇、輸入功率、分析帶寬等條件參數(shù)組合遍歷，子VI 完成的測(cè)試結(jié)果經(jīng)閾值判斷后在前面板顯示。

(e)將所有測(cè)試結(jié)果寫入模板表格。

(f)完成測(cè)試，將裝置平臺(tái)關(guān)機(jī)，準(zhǔn)備測(cè)試下一件被測(cè)模塊?；氐?a)。

(g)一批次被測(cè)模塊完成測(cè)試，可使用導(dǎo)出表和清空表功能，保存調(diào)測(cè)記錄，重新初始化表格。

4 測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施前，寬帶中頻調(diào)理模塊的調(diào)測(cè)，按照2.3.2 所述項(xiàng)目測(cè)試要求，手動(dòng)完成逐項(xiàng)測(cè)試和記錄數(shù)據(jù)極其繁瑣，且易致混亂。且不同的通路測(cè)試需要更換電纜連接，完整調(diào)測(cè)一塊寬帶中頻板需要180 分鐘以上，其中一個(gè)通路的指標(biāo)測(cè)試時(shí)間超過60 分鐘。本系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了寬帶中頻板的自動(dòng)測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)，各通路調(diào)測(cè)時(shí)間縮短至10分鐘以內(nèi)，并且得到的測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，調(diào)試數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在標(biāo)準(zhǔn)模板中，而且增加了測(cè)試結(jié)果判斷，合格與否一目了然，減少測(cè)試判斷和數(shù)據(jù)整理時(shí)間，使得后續(xù)數(shù)據(jù)匯總處理等操作更簡(jiǎn)潔。測(cè)試報(bào)表如圖5所示。

圖5 測(cè)試報(bào)表結(jié)果

5 結(jié)束語

信號(hào)分析儀寬帶中頻模塊的驗(yàn)證測(cè)試是一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目復(fù)雜，狀態(tài)設(shè)置、電纜換連等操作十分繁瑣，記錄數(shù)據(jù)列很多的試驗(yàn)項(xiàng)目。本次研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為如何驗(yàn)證產(chǎn)品指標(biāo)設(shè)計(jì)，如何方便批量地調(diào)試生產(chǎn)提供了一種有效的方法。該測(cè)試系統(tǒng)從控制測(cè)試儀器執(zhí)行測(cè)試項(xiàng)目、控制裝置平臺(tái)遍歷切換測(cè)試狀態(tài)及計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析均很好地利用了LabVIEW 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)。表明基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)能對(duì)測(cè)試測(cè)量?jī)x器功能模塊的自動(dòng)測(cè)試開發(fā)提供助力。