基于實時信號處理技術的組合接收設備測試系統研究

張紹雄，張睿哲，吳昊男，石 洋

（匯航科技（遼寧）有限公司，遼寧 沈陽 110031）

0 引 言

組合接收設備測試系統通過內置的仿真控制盒向接收機發送總線格式信號的控制碼，作為設備的控制信號。檢測系統在計算機的控制下接收總線信號數據，并通過信號解碼模塊將總線格式的信號變成計算機能識別的方位數據和角度數據，并通過顯示器顯示出來，進而完成組合接收設備的功能測試。

1 總體設計思路

1.1 工作原理

組合接收設備測試系統產生測試所需的激勵信號、應答信號、延時信號以及方位信號等。測試系統接收詢問信號、應答信號、話音信號以及高度信號等。

1.1.1 無線功能測試

測試無線功能時，在選擇測試對象后，綜合檢測設備設置與被測設備相應的工作狀態。綜合測試模塊或各專用激勵模塊根據綜合檢測設備的設置產生激勵信號發送到發射天線，利用系統接收并顯示。系統發射后，綜合檢測設備中各專用激勵模塊接收并向主控模塊上傳數據，主控模塊將上傳的數據通過顯示屏顯示。

1.1.2 有線性能測試

測試有線性能時，綜合檢測設備內主控模塊設置和功率測試通道。系統在各工作狀態發射時，利用綜合測試模塊測試該發射功率。綜合檢測設備設置的工作狀態與系統的工作狀態相對應，綜合測試模塊或各專用激勵模塊產生激勵信號，通過調節附件的通道衰減量，控制系統的接收靈敏度或動態范圍。

1.2 總體構成

組合接收設備測試系統將所有功能集成于一部便攜式手持設備，設置大尺寸的觸摸屏和圖文結合的人機交互界面，配以多功能鍵盤與觸屏進行操作。系統采用模塊化設計，利用軟件無線電技術，將系統功能分為若干個子功能，便于根據載機選擇相應的功能并實現系統升級。

2 系統硬件組成

組合接收設備測試系統由便攜式機箱、主控模塊、綜合測試模塊以及模擬器模塊等構成。

2.1 主控模塊

主控模塊是測試系統的核心，負責系統管理、功能調度以及數據處理。主控模塊配備硬盤驅動器，可以存儲和輸出數據。此外，主控模塊還能完成組合接收設備測試系統的自檢，以確保測試的可信度。通過標準串口，主控模塊可以控制和管理各模擬器激勵模塊[1]。

主控模塊主要由電源管理單元、進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，ARM）主處理器最小系統、下變頻基帶采樣單元、上變頻基帶產生器以及音頻處理單元等構成，其原理如圖1 所示。

圖1 主控模塊原理

2.1.1 電源管理單元

組合接收設備測試系統主機采用集中式電源供電方案，由電源管理單元負責全部的二次電壓變換和輸出控制。電源管理單元具備電池充放電管理、供電管理以及故障監控等功能，屬于典型的數字電源。電源管理單元包括過流保護及輸入隔離裝置、交流/直流轉換器、直流/直流轉換器以及電池管理器等[2]。

2.1.2 ARM 處理器最小系統

主處理器采用ARM9 系列中央處理器，并為其配備了最小運行系統，主要包括供電電路、復位電路、存儲程序的Flash 以及運行緩存靜態隨機存儲器。

在組合接收設備測試系統中，主處理器僅執行少量運算，主要負責通過內部RS-485 總線協調各模塊工作、呈現用戶界面、完成操作系統的必要功能，并將用戶操作轉為RS-485 總線命令。

2.1.3 軟件無線電的實現

下變頻基帶采樣器和上變頻基帶產生器是軟件無線電的核心組件。它們利用數字信號處理器、模數轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）以及數模轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）3 種主要器件和少量的阻容軟件，代替了傳統的乘法器、移相器、壓控振蕩器、模擬開關、鑒頻器、混頻器、放大器、衰減器以及濾波器等元器件。

下變頻基帶采樣器主要由ADC 信號協處理器、高速ADC 以及低速DAC 組成，類似于數字存儲示波器。而上變頻基帶產生器主要由DAC 信號協處理器、高速DAC 以及低速ADC 組成，類似于高頻信號發生器的功能，用于產生經過調制的上變頻基帶信號。

2.2 綜合測試模塊

綜合測試模塊集成了多種功能，包括射頻信號源、功率計、音頻源、音頻分析以及信號調理等。其中，音頻源能產生頻率為1 kHz 的音頻信號，音頻分析負責對輸入的1 kHz 音頻信號進行分析，信號調理部分則用于測試系統射頻輸出與模擬器之間的射頻信號通道切換[3]。綜合測試模塊的核心部分主要由控制器、上變頻器、下變頻器、信號復用器以及程控衰減器組成。

2.2.1 下變頻器

根據奈奎斯特采樣定律，為了確保信號不失真，采樣頻率必須至少是被采樣信號頻率的2 倍[4]。下變頻器采用超外差原理，主要由數字壓控振蕩器+鎖相環、混頻器、低通濾波器以及放大器組成。

2.2.2 上變頻器

上變頻器用于將基帶信號產生器輸出的包含調制信息的1 ～100 MHz 基帶信號上變頻，使其達到被測器件所期望的工作頻率。上變頻器由前置放大器、混頻器、數字本振、可變增益放大器以及自動增益控制器組成。

2.2.3 輸出衰減器

輸出衰減器受微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）的控制，用于調節上變頻器輸出的電平，使其在動態范圍內可調。控制信號按二進碼十進數的方式分析是否經過對應的衰減器，從而實現調節目的。

2.2.4 輸入衰減器

輸入衰減器采用0 dB、10 dB、20 dB 以及40 dB不連續的固定衰減器，通過控制電路保證每次只接通其中一個衰減器。輸入衰減器也受MCU 控制，主要用于幫助下變頻器的輸入端適應不同功率范圍的輸入信號。

2.2.5 多路復用器

多路復用器主要由射頻開關陣列、自檢回繞開關以及循環器組成。在MCU 的控制下，多路復用器將下變頻器的射頻輸入端口和上變頻器的射頻輸出端口按時分復用的方式分配到RFI、RFO 以及RFIO 接口上。此外，它還將射頻組件部分的中間級信號通過時分復用方式輸出到中頻接口，供計量使用。

2.2.6 MCU

MCU 由一塊低功耗的增強型8051 單片機組成，主要用于接收組合接收設備測試系統RS-485 總線的控制信號。在接收到控制信號后，MCU 會對2 個調諧濾波器、2 個本振以及2 個衰減器進行控制和調節。

2.3 模擬器模塊

模擬器用于完成數字發射信號的D/A 變換、上變頻、濾波、激勵電平產生以及本振信號產生，同時接收信號。通信控制模塊主要實現測試系統與模擬器的通信控制功能，接收主控模塊對模擬器的控制指令信號，如開關機、改變工作頻率和模擬參數等，將其轉化為模擬器可識別的控制信號。

2.3.1 主控單元

主控單元由1 片FPGA 實現，通過數字邏輯精確控制調制信號的各種參數，從而實現距離、方位角模擬。該單元主要包括FPGA 芯片、相關配置電路以及片內控制邏輯。

2.3.2 中頻載波發生器

中頻載波發生器負責輸出140 MHz 的正弦載波，為調制過程提供必要的載波。為了滿足模擬信號頻率準確度的要求，該單元使用直接數字頻率合成器，利用串行外設接口（Serial Peripheral Interface， SPI）寫入相應控制字。

2.3.3 中頻調制單元

中頻調制單元能夠實現幅度調制，通過特定的處理，使中頻信號具有15 Hz 或135 Hz 的疊加正弦包絡。該單元利用通斷鍵控數字調制電路，實現TACAN 系統中的各測位基準脈沖調制、識別信號脈沖調制以及應答信號脈沖調制。

2.3.4 收發射頻前端

收發射頻前端主要用于將帶有定位信息的中頻模擬信號上變頻至所需的工作波段，同時完成對詢問信號的濾波、檢波、脈沖限幅以及整形等調整，再送至主控單元進行處理。

2.3.5 信號調理單元

信號調理單元主要調整輸出信號的功率步進，同時利用環形器實現模擬器與待測設備的雙向信號傳輸[5]。

2.3.6 天線載波發生器

天線載波發生器的主要功能是生成組合天線系統中的感應信號，這些信號未經平衡調制，分別來自2 路環形天線和1 路垂直天線。

2.3.7 平衡調制單元

平衡調制單元主要用于模擬組合天線內部的平衡調制過程。基于雙振幅比例調制法，通過低頻信號調制天線信號，實現環形天線的轉動，并消除雙值性。

3 系統軟件組成

組合接收設備測試系統軟件分為3 大部分，分別是顯示部分、控制部分、計量部分，各部分均采用模塊化設計。其中，顯示部分主要包括人機交互界面、操作系統、設備驅動以及應用程序接口等，控制部分主要包括測控程序、數據交互控制程序以及數據存儲操作接口等。測試界面如圖2 所示。

圖2 測試界面

4 試驗分析

采用相同的信號源，測試應用實時信號處理技術前后的信號處理延遲、數據刷新率、數據處理能力。測試結果見表1。

表1 應用實時信號處理技術前后2 種狀態實驗數據對比

從表1 可以看出，實時信號處理技術的應用顯著降低了系統的信號處理延遲，提升了數據刷新率，提高了數據實時處理能力，極大地改善了組合接收測試設備系統的性能和效率。該技術在通信、頻譜檢測、雷達等領域有著更廣泛的應用前景。

5 結 論

本研究成功設計并實現了基于實時信號處理技術的組合接收設備測試系統，采用先進的信號處理算法和硬件平臺，能夠對組合接收設備進行全面的性能測試和評估。實驗證明，基于實時信號處理技術的組合接收設備測試系統在提高接收設備性能、適應不同信號環境和應用場景方面具有顯著優勢。未來的研究可以進一步優化系統的性能和功能，推動實時信號處理技術在接收設備領域的應用和發展。