地面數字電視廣播發射機自動測試系統

康建華, 安元偉, 佘方毅, 張桂卿

(國家廣播電影電視總局廣播科學研究院,北京100045)

1 引言

地面數字電視廣播系統是廣播電視系統中的重要組成部分,它與移動多媒體廣播系統、衛星數字電視廣播系統和有線數字電視系統以及其他輔助系統一起相互協同提供全面的受眾覆蓋,是中國廣播電視覆蓋網的重要組成部分。隨著GB 20600-2006《數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調制》的發布,以及國家廣播電影電視總局GY/T 229.4-2008《地面數字電視廣播發射機技術要求和測量方法》的實施,廣播科學研究院將面臨大量的關于地面數字電視廣播發射機的入網測試任務。

采用傳統手動測試來完成地面數字電視廣播發射機的測試,需要按照標準對測試指標進行操作,并記錄測試結果,由于測試人員對測量方法掌握程度不同,對儀器操作的熟練程度不同,造成了測量時間的不確定性,在測試指標穩定度時,需要記錄被測設備連續長時間內的工作情況,使手動測試幾乎無法完成。這時,手動測試的效率低、數據存儲不便和對測試人員要求較高等缺點都顯現出來,所以基于軟件的自動測試控制系統設計勢在必行。頻譜儀是地面數字電視廣播發射機性能指標測試的主要設備,其功能較多,尤其是系統使用的頻譜儀專門安裝了地面數字電視測量模塊。文中將重點論述如何利用LabVIEW開發工具實現對頻譜儀的軟件控制。

LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發工具,帶有大量的內置功能,能夠完成仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等任務,是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖形化軟件開發集成環境。一個LabVIEW 程序分為3部分：前面板、框圖程序、圖標/接線端口。當前,虛擬儀器技術已廣泛應用到各種自動化測試和測量領域,虛擬化已經成為儀器領域的發展方向。

2 系統構成

利用頻譜儀對地面數字電視廣播發射機進行測量,測試系統框圖如圖1所示,測量指標主要是性能指標,端口和功能性驗證等其他指標均不需要單獨的測量設備,測試端口分兩個,在濾波器前后各一個。測量時除頻譜儀外,還需要碼流源向被測發射機輸入碼流,且碼流源發送碼率不大于工作模式載荷速率的測量碼流。假負載是發射機的重要附屬設備,是接在被測發射機的全匹配負載。其作用是吸收發射機到終端的全部功率而無反射產生,電壓駐波比要小于1.1。同步時鐘用來提供高精度時鐘,同時為被測發射機和頻譜儀提供頻率參考,為了提高測量可靠性和測量精度,整個測試過程中頻譜儀均需要使用外部同步時鐘。

圖1 地面數字電視廣播發射機測試系統框圖

通過LabVIEW對頻譜儀的控制框圖如圖2所示,基于LabVIEW軟件平臺的PC,通過GPIB總線連接頻譜儀,對頻譜儀進行控制并對測量結果進行提取。其中GPIB是一個數字化24腳(扁型接口插座)并行總線,其中16根線為TTL電平信號線,包括8根雙向數據線、5根控制線、3根握手線,另8根為地線和屏蔽線。GPIB使用8位并行字節串行、異步通訊方式,所有字節通過總線順序傳送。

3 控制程序

根據標準GY/T 229.4-2008要求,需要測量的性能指標包括頻率準確度、本振相位噪聲、調制誤差率、帶內不平坦度、帶外雜散、頻譜模板、帶肩、輸出功率穩定度和頻率穩定度,其中輸出功率穩定度和頻率穩定度為設備長期工作中需要監測的指標,在進行入網測試時無需測量,圖3為總控制程序前面板框圖。

圖2 LabVIEW控制系統框圖

3.1 頻率準確度

頻率準確度為標稱頻率與測量頻率之差,地面數字電視廣播發射機的頻率準確度包括多頻網模式和單頻網模式兩種。多頻網模式測量時,發射機不需要外接參考時鐘,單頻網模式時,發射機需要使用外接GPS時鐘信號,測試過程中發射機也需要設置到相應的狀態。頻率準確度測試程序框圖如圖4所示,對設備進行初始化后,在前面板輸入被測信號所設置頻率,測量類型使用“Swept SA”,將帶寬設置為200Hz,這樣測量結果就可以精確到0.1Hz,將被測頻率值與發射機所設置標稱頻率相減,即可計算出頻率準確度。

圖3 控制程序前面板

圖4 頻率準確度程序控制框圖

3.2 本振相位噪聲

本振相位噪聲是指單位赫茲的噪聲密度與信號總功率之比,表現為載波相位的隨機漂移,是評價本振頻譜純度的重要指標。當被測相位噪聲比頻譜儀自身的相位噪聲大時,可直接利用頻譜儀測量相位噪聲,這是一種簡單、方便的相位噪聲測量方法,由于測量儀器的相位噪聲比GY/T 229.4-2008中技術要求高很多,所以可以使用頻譜儀進行測量。發射機相位噪聲指標包含偏移的中心頻率分別為：10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz和1MHz,需要讀出上述6個頻點的相位噪聲的測量值。本振相位噪聲測試程序框圖如圖5所示,載波頻率設置為被測頻率,載波頻率不同于中心頻率,帶寬設置為起始頻率10Hz,終止頻率1MHz,最后將測試結果通過列表形式讀出,測量結果分為兩列,第一列數據為具體測量數據,第二列為取均值后測量數據,這時取其平均值作為測量結果。

圖5 本振相位噪聲程序控制框圖

3.3 調制誤差率

調制誤差率(Modulation Error Rate)是理想符號矢量幅度的平方與符號誤差矢量幅度的平方和之比,以dB表示,其中符號誤差矢量幅度是指信號能受到噪聲干擾的總和,MER是表征未誤碼時信號的質量。在使用頻譜儀進行MER測試時,需要確認設備具有DTMB測量模塊,MER測試程序框圖如圖6所示,被測發射機調制信號需要打開,將控件中設備類型選為發射機,載波方式、包頭和調制方式需要匹配,不然就無法解出被測信號。測量時還需要將均衡關閉,同時打開平均。

圖6 調制誤差率程序控制框圖

3.4 帶內不平坦度

帶內不平坦度是指中心頻率±3.591MHz頻帶范圍內的最大和最小幅度值,與中心頻點處幅度值之差。帶內不平坦度對數字電視的誤碼率有直接影響。測試程序框圖如圖7所示,在設備初始化后,測量類型選擇“Swept SA”,將頻譜儀帶寬設置到20MHz,視頻帶寬和分辨率帶寬分別設置為3kHZ,平均后將頻譜儀界面上頻譜圖記錄下來。由于不同發射機的監測輸出電平不同,為了更好的將頻譜圖記錄下來還需要根據被測電平來修改參考電平,且Y軸設置為0.5dB/格。

3.5 帶外雜散

帶外雜散包含鄰頻道內發射功率和鄰頻道外發射功率,鄰頻道內發射功率為發射機輸出耦合信號在標稱工作頻率±8MHz中心頻點上,測量帶寬為8MHz的功率,根據耦合度計算出上下鄰頻的帶內功率。鄰頻道外發射功率的測量方法與鄰頻道內發射功率類似,而測量中心頻點分別為標稱工作頻率±16MHz、±24MHz和±32MHz,其中鄰頻道外發射總功率為上述各頻點所測功率的均方根值,這一點不同于鄰頻道內發射功率的計算,控制程序需要根據耦合器的衰減值和測量的通道功率值來計算標準要求的結果,其中衰減值需要按照不同的測試條件分別設置。帶外雜散程序測試框圖如圖8所示。

圖7 帶內不平坦度程序控制框圖

圖8 帶外雜散程序控制框圖

3.6 頻譜模板

標準GB 20600-2006中對帶外頻譜模板的要求分兩類,第一類是同一個發射臺的數字電視發射機位于模擬電視發射機的上鄰頻或下鄰頻時的頻譜模板,此模板滿足模擬電視最小保護需求,適合數字電視和模擬電視可非極化辨識,且功率相同,當發射功率不同時,需要按比例進行調整。第二類是嚴格條件下的頻譜模板,該模板適用于數字電視發射機相鄰頻道使用其他服務。通常的入網測試是按照第一類頻譜模板要求進行測量的,頻譜模板測試程序框圖如圖9所示,中心頻點設置為發射機工作頻點,將頻譜儀帶寬設置到24MHz,分辨率帶寬設置為4kHZ,視頻帶寬設置為100Hz,之后平均100次,之后根據頻譜模板測量中心頻點左右兩端不同頻率偏置點的信號電平值,與信號的通道功率進行相減,即可求得頻譜模板。

圖9 頻譜模板程序控制框圖

3.7 帶肩

帶肩是發射機功率放大器的非線性指標,需要在發射機濾波器之前進行測量,是地面數字電視廣播發射機的一個重要指標。發射機在一個8MHz射頻帶寬內,采用OFDM多載波的調制方式,OFDM多載波信號經過放大器后在頻道外的互調產物為近似連續頻譜,頻道外連續頻譜在頻道附近會產生“肩”部效應,這就是我們所說的帶肩。信號帶肩為標稱頻點處幅度與標稱頻率±4.2MHz處信號幅度之差,視頻帶寬和分辨率帶寬可參考標準GD/J020-2008中的相關設置,其程序控制框圖如圖10所示。

圖10 帶肩程序控制框圖

4 控制程序中的關鍵技術

為了提高測試效率,程序采用了平鋪式順序結構,將各個單獨測量模塊組合起來,為了將測試結果寫入到規定的原始記錄模板中,使用數據操作技術完成記錄的填寫。

4.1 平鋪式順序結構

LabVIEW有3種基本循環結構：平鋪式順序結構、While循環和條件結構。對于儀器控制所采用的循環查詢方式,While循環和條件結構中嵌套順序結構,對于儀器功能復雜的控制,需要對每個程序模塊查詢一遍,儀器對程序的響應速度較慢,使的控制程序的效率有所降低。

平鋪式順序結構的數據流不同于其他結構的數據流,當所有連線至幀的數據都可用時,平鋪式順序結構的幀是按照從左至右的順序執行。每幀執行結束后可傳遞數據至下一幀,即幀的輸入可能取決于另一幀的輸出,從而將單獨的指標的測試程序模塊按照預先設定的順序連接起來,從而提高了測試效率。在測試過程中,由于部分測試指標需要進行平均,所以在順序結構中還需要根據平均次數和掃描時間來加入時間延遲模塊,從而保證測試的完整性和可靠性。

4.2 數據操作

通過平鋪式順序結構將測量數據轉換為一維的數組和元素,創建數組將一維數據改為多維數據,以方便將數據寫入到規定的原始記錄表格。數據操作控制程序如圖11所示,為了將測試數據寫入到規定的原始記錄表格,需要使用文件I/O控件,包括當前VI路徑、創建路徑、拆分路徑、復制等VI。首先需要使用當前VI路徑找到原始記錄所在的文件夾所在位置,再使用創建路徑確定具體的word文檔,最后將文檔復制。復制后的文檔經過word編輯控件操作形成完整的原始記錄,在使用word編輯控件時,首先要確定所寫入數據所在的表格中的行列的位置,填寫好的的原始記錄文件名由輸入的發射機的名稱、型號和測試時間來確定。其中名稱和型號為字符串格式,是由程序使用者輸入,測試時間使用定時控件來實現,格式也轉換為年月日時分秒格式的字符串,連接字符串控件將這些字符數據連接起來共同構成文件名。之后將完成的原始記錄文件存放在預先準備好的文件夾中,操作方法類似于文件讀取。

圖11 數據控制操作程序

5 結束語

通過GPIB接口實現了LabVIEW控制軟件與頻譜儀的通信,利用LabVIEW強大的信號分析和處理功能,建立了PC對頻譜儀的控制平臺,實現了對地面數字電視廣播發射機的自動測試。通過對同一設備自動測試數據和手動測試數據的比較,發現該自動控制程序可以按照標準完成設備測試的要求,同時還可以將測試結果寫入到原始記錄中,從而省去了大量的人力成本,提高了測試效率。文中使用的平鋪式順序結構技術和數據操作技術對于使用LabVIEW開發虛擬儀器自動測試系統具有一定的借鑒意義。

[1]GY/T 229.4-2008,地面數字電視廣播發射機技術要求和測量方法[S].

[2]GB 20600-2006,數字電視地面廣播傳輸系統幀結構、信道編碼和調試[S].

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