信號分析儀寬帶中頻調理模塊的自動測試系統研究

谷帆，趙子正，楊文超，詹永衛

（中電科思儀科技股份有限公司，山東青島，266555）

0 引言

信號頻譜分析儀的應用是對無線電信號進行測量的重要手段，是射頻微波產品研發、生產、檢驗的常用工具。隨著無線射頻技術的不斷發展和測量儀器的改進，現代信號頻譜分析儀不僅可以分析純頻譜測量結果，而且能解調和分析無線通信系統復雜的調制信號。5G 技術、高端雷達和汽車電子應用需要使用非常寬的解調帶寬來分析寬帶信號。分析帶寬表征分析儀能夠解調的最大信號帶寬，因此它是現代信號分析儀的重要性能特征之一。高分析帶寬也有利于對脈沖信號的測量。分析帶寬決定時域分辨率，并因此決定能夠顯示的最小脈沖長度。現代通信系統中的信號通常采用復雜的調制方式，如OFDM、QAM 等。這些信號的帶寬較大，傳統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這些信號進行準確的調制分析，為通信系統的設計和優化提供重要支持。

電科思儀全新發布的 “天璣星”4052 系列信號/頻譜分析儀在2Hz ～50GHz 頻段內可提供1.2GHz 分析帶寬、400MHz 最大實時帶寬的優異全面的信號分析能力。而“天衡星”4082 系列信號/頻譜分析儀則可以在最高2Hz ～110GHz 頻段內通過4082-H38-2000 選件提供2GHz 分析帶寬，2GHz 信號分析帶寬可以具體應用于5G功率放大器研發，納秒級寬度的雷達脈沖分析、跳頻通信系統以及車載毫米波雷達開發應用等。

1 系統設計基礎

■1.1 寬帶中頻調理

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

信號頻譜分析儀寬帶中頻調理板作為射頻通道的一部分，是實現大分析帶寬功能的重要組成，主要功能是對425MHz/750MHz/1.6GHz 中頻輸入信號進行濾波和增益調整，輸出調理后的中頻信號和視頻檢波信號，具有寬帶BURST觸發判定功能和中頻鏈路增益自動和手動調整功能。總體方案主要是通過開關、可調衰減、濾波器、放大器等器件實現信號調理功能，通過檢波器、運算放大器、AD/DA、比較器等實現檢波輸出、BURST 觸發、增益自動調整功能。寬帶中頻調理板主要包括750MHz 中頻、1.5GHz 中頻和檢波輸出電路，原理框圖如圖1所示。750MHz 中頻通路實現420MHz160MHz80MHz 及1200MHz600MHz420MHz兩組中頻帶寬選擇，中頻增益調整等功能；1.5GHz 中頻通路實現2.4GHz 帶寬、中頻增益調整等功能；檢波輸出電路實現750MHz、1.5GHz 中頻信號檢波電壓輸出功能。

圖1 模塊原理框圖

寬帶中頻調理模塊對最大輸出功率、中頻增益范圍、帶內平坦度、三階交調等多項指標提出了設計要求。

■1.2 虛擬儀器技術

虛擬儀器是基于計算機的儀器，在通用計算機平臺上，工程師可以按照自己的具體需求來自行定義擴展儀器的功能。一般地，測試測量儀器具有信號采集、數據分析與處理和數據的輸出與顯示幾方面功能。其中數據分析和顯示輸出實際上可由基于計算機的軟件系統來完成，全新定義的靈活的虛擬儀器系統，可以將儀器硬件搭載到計算機平臺加上應用軟件而構成。虛擬儀器技術具備更好的靈活性、可擴展性和易操作性。目前在這一領域內，應用較為廣泛的是美國NI 公司的LabVIEW。

LabVIEW 是一種基于圖形化編程語言的開發平臺，可以很方便地生成虛擬儀器測控系統，在電子測試測量領域有廣泛應用。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，使他們能夠更加專注于問題的解決，而不需要過多關注軟件開發方面的問題。本系統將基于LabVIEW 實現平臺、被測模塊、測試儀器等的互聯，并實現主要指標的自動測試和記錄分析。

2 系統方案設計

■2.1 系統設計原理

該測試系統是由硬件和軟件兩部分組成。系統硬件部分主要包括工控計算機、程控射頻開關組件、頻譜分析儀、信號發生器、基于信號分析儀整機改裝的模塊控制平臺、GPIB 控制卡、被測寬帶中頻調理模塊等，軟件部分以LabVIEW 開發平臺為基礎，GPIB 接口總線，基于VISA 庫和標準化SCPI 指令集，建立軟硬件通信，配置測試參數，實現各測試項測試流程，記錄和分析測試數據。信號分析儀寬帶中頻調理模塊自動測試系統的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統組成框圖

■2.2 系統硬件設計

系統硬件設計將工控計算機通過GPIB、USB 等接口與支撐被測模塊的裝置平臺、信號發生器和頻譜分析儀等測試儀器進行系統集成，成為實現儀器狀態控制、數據解析和記錄分析的整體。

2.2.1 工控計算機

工控計算機選用研華科技的610L，用來安裝LabVIEW開發平臺和Excel、MySQL 等數據庫和數據報表支持軟件。工控計算機通過GPIB 控制卡與測試儀器信號發生器、頻譜分析儀、整機平臺連接，以控制平臺狀態和程控測試儀器執行測試項目，解析數據并存儲分析。通過USB 與程控射頻開關組件連接，以控制受測射頻通路的切換。

2.2.2 整機平臺與被測模塊

模塊調測裝置平臺基于4082 型信號頻譜分析儀整機改裝，4082 系列信號頻譜分析儀采用了超外差式三次變頻方式，中頻直接采樣，全數字中頻處理實現多種分析功能。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、整機控制與總線和電源部分組成。寬帶中頻調理板作為射頻通道的一部分，通過轉接板架高安裝位置，與其余功能電路錯位，方便調試檢查。

模塊調測裝置平臺主要由控制平臺、基礎平臺和開關模塊組成，裝置平臺原理如圖3所示。基礎平臺提供各路電源和接口；控制平臺通過內部專有總線對外部待調測寬帶中頻調理板進行控制、通信；程控射頻開關模塊選通被測模塊輸出端口至測量儀器。裝置結構方案基于整機結構改裝，增加程控射頻開關的安裝，整機套筒預留待測模塊架裝孔位。

圖3 裝置平臺原理框圖

2.2.3 測試儀器

測試系統使用1435 型信號發生器作為射頻輸入設備，1435 系列信號發生器基于創新的技術實現了性能、經濟性和體積重量的平衡設計，該款信號發生器頻率范圍覆蓋9kHz~40GHz，具有優良的頻譜純度，單邊帶相位噪聲1GHz 載 波@10kHz 頻 偏 達 到-136dBc/Hz，10GHz 載波@10kHz 頻偏達到-116dBc/Hz，具有高功率輸出和大動態范圍，頻率切換時間1ms。性能滿足本系統測試425MHz/750MHz/1.5GHz 中頻輸入頻率和幅度要求，且不會影響被測模塊相位噪聲指標測試。

系統選用4051 型信號頻譜分析儀作為射頻接收設備，4051 系列信號/頻譜分析儀是電科思儀信號/頻譜分析儀中的前代高性能旗艦產品，具有優良的測試動態范圍、相位噪聲、幅度精度和測試速度，具備高靈敏度頻譜分析、符合標準的功率測量組件、IQ 分析、矢量信號分析、實時頻譜分析、瞬態分析、脈沖信號分析、音頻分析、模擬解調分析、相位噪聲測試、噪聲系數測試等多種測試功能。適用于本系統寬帶中頻調理模塊的各項指標測試。

■2.3 系統軟件設計

LabVIEW 支持多種接口的通信，具有靈活的可擴展性，可以便捷地集成測試系統；具有便利的界面設計基礎和多樣的報表生成、曲線三維圖繪制控件。系統軟件設計基于LabVIEW 實現測試參數配置、裝置狀態控制、測試儀器程控、數據存儲和分析等功能。

2.3.1 裝置平臺和測試儀器控制

系統選用的信號分析儀整機平臺、信號發生器、頻譜分析儀都提供符合IEEE-488 標準的GPIB 接口，用于發送和接收GPIB/SCPI 命令。工控計算機通過SCPI 指令與平臺和測試儀器通訊，控制中頻輸入輸出選擇開關控制、各級衰減器衰減量控制、濾波帶寬通路選擇等；控制測試儀器初始化，根據具體測試項設置測試狀態，包括信號發生器輸出頻率、幅度，頻譜分析儀中心頻率、幅度參考、分辨率帶寬等。按照測試子VI 執行單測試項詳細測試序列。

2.3.2 測試項執行

被測寬帶中頻調理模塊技術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、三階交調等測試項要求。每項測試需要對不同中頻輸入、不同輸入功率、多種分析帶寬進行組合測試，且需要設置裝置平臺的中頻輸出衰減器和后面板輸出衰減器。

三階交調失真是兩個或多個輸入信號通過非線性的系統時，基頻與諧波相互作用形成的無用頻率分量。本測試項利用兩臺信號發生器產生兩個等功率，頻率間隔為50kHz的正弦波信號，通過耦合器同時輸入被測模塊中頻輸入端。在輸出端使用頻譜分析儀的差值標記功能測量被測模塊的三階交調失真產物。

1dB 壓縮點是隨著指被測件輸入信號功率增大，電路中放大器、混頻器等接近飽和點，輸出信號不再線性變化，輸出電平偏離線性值1dB 時所對應的輸入電平值。本測試項將一個小功率信號通過耦合器耦合端輸入被測件中頻輸入端，再將一個頻率間隔3MHz的大功率信號通過耦合器直通端輸入被測件，改變直通信號功率，直到大信號引起小信號功率測量值變化1dB 時，大信號功率值折算到輸入端口電平即為被測模塊的1dB 增益壓縮電平。

其他測試項說明略。測試軟件設計多個子VI 執行具體測試項。軟件運行界面中可管理測試儀器，選擇測試項，執行測試和監測測試結果。軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

2.3.3 數據存儲和分析

測試曲線數據的存儲使用excel 模板表格，LabVIEW對Excel的 操 作 基 于ActiveX 技 術。 當LabVIEW 作 為ActiveX 自動控制客戶端時，可以控制作為ActiveX 服務端的Office 應用程序。通過自動化引用句柄實現與Excel的接口，控制工作表的選擇與單元格的寫入，將執行的測試項測試結果寫入模板指定位置。測試報表逐行記錄不同SN的被測件測試結果，支持批量導出和對比分析。

3 測試流程

(a)將被測寬帶中頻調理模塊插入裝置平臺板槽，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模塊指定端口。裝置平臺上電開機。

(b)使用測試軟件的儀器資源管理界面選擇或管理開關、平臺、信號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，選擇被測件配置模式（三種配置模式分別代表被測板最高設置到的分析帶寬值600MHz、1.5GHz 和2GHz）勾選測試項，默認為全選。

(d)點擊開始測試，測試軟件依序調用各測試子VI，并將中頻輸入選擇、輸入功率、分析帶寬等條件參數組合遍歷，子VI 完成的測試結果經閾值判斷后在前面板顯示。

(e)將所有測試結果寫入模板表格。

(f)完成測試，將裝置平臺關機，準備測試下一件被測模塊。回到(a)。

(g)一批次被測模塊完成測試，可使用導出表和清空表功能，保存調測記錄，重新初始化表格。

4 測試結果

本系統設計實施前，寬帶中頻調理模塊的調測，按照2.3.2 所述項目測試要求，手動完成逐項測試和記錄數據極其繁瑣，且易致混亂。且不同的通路測試需要更換電纜連接，完整調測一塊寬帶中頻板需要180 分鐘以上，其中一個通路的指標測試時間超過60 分鐘。本系統的應用實現了寬帶中頻板的自動測試并記錄數據，各通路調測時間縮短至10分鐘以內，并且得到的測試數據準確無誤，調試數據直接存儲在標準模板中，而且增加了測試結果判斷，合格與否一目了然，減少測試判斷和數據整理時間，使得后續數據匯總處理等操作更簡潔。測試報表如圖5所示。

圖5 測試報表結果

5 結束語

信號分析儀寬帶中頻模塊的驗證測試是一項測試項目復雜，狀態設置、電纜換連等操作十分繁瑣，記錄數據列很多的試驗項目。本次研究設計的自動測試系統為如何驗證產品指標設計，如何方便批量地調試生產提供了一種有效的方法。該測試系統從控制測試儀器執行測試項目、控制裝置平臺遍歷切換測試狀態及計算機對數據存儲分析均很好地利用了LabVIEW 虛擬儀器的優點。表明基于LabVIEW的虛擬儀器技術能對測試測量儀器功能模塊的自動測試開發提供助力。