一種基于I/Q數據存儲的射頻電路故障診斷平臺的設計研究

朱維瑋，臧宏，陶軒

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

基于I/Q數據存儲的射頻電路故障診斷平臺（以下簡稱“故障診斷平臺”）是根據射頻電路板上元器件維修需要，設計研發的故障診斷平臺。通過采集存儲射頻電路任何一級輸出的正常工作信號，不僅可以對這些信號進行分析，更關鍵的是可以將這些信號重新注入故障電路模塊中，可以對電路模塊的輸出進行對比分析，從而完成故障的判定，是一種運用綜合數字射頻存儲技術的新型射頻電路故障診斷方法。

1 研制指導思想

故障診斷平臺的研制遵循以下指導思想。

可靠：具有較高的可靠性，在總體設計及硬件選擇時作為首要考慮因素。

先進：采用行業主流及成熟的工業測試技術，具備較強的擴展性。

易用：提供良好的人機界面以及清晰明確的測試接口，易于進行測試適配器與測試軟件的開發。

資源全面：提供較全面的硬件測試資源以及軟件開發工具，便于在不增加或少量增加資源的情況下即可開發新的測試項目。

需求牽引：以射頻電路板上元器件維修為需求牽引，不僅可以對射頻電路任何一級輸出的正常工作信號進行分析，還可以將這些信號重新注入故障電路模塊中，對電路模塊的輸出進行對比分析，從而很輕松地完成故障的判定。

延續性：在方案設計、硬件配置選型上參考以往系統的研制經驗，不斷優化、完善、升級各項技術與人機接口。

2 總體設計

故障診斷平臺采用標準臺式儀器組成，包括信號采集存儲設備、I/Q數據記錄設備、射頻信號重建與注入設備、探頭、交換機、高性能主控機組成。組成框圖如圖1所示。

圖1 射頻電路診斷平臺硬件組成

故障診斷平臺可對電路板進行快速診斷和故障定位，其中包含射頻信號變頻接收、海量信號數據高速采集記錄存儲管理、模擬回放重建、信號分析處理、信號對比、故障診斷、信號對比報告生成等功能。該故障診斷平臺軟件提供豐富準確的提示信息、靈活簡單的操作指令，確保診斷工作的快速進行，同時也是保證對機載電路板故障診斷的準確率。

儀器采用了高性能微波儀器作為射頻收發前端，整個射頻收發系統動態范圍大、失真小、靈敏度高，射頻性能指標達到了儀器量級。

故障診斷平臺包括標準上架式的4U高的射頻信號采集存儲設備、4U高的射頻信號重建與注入設備、2U高的I/Q數據記錄設備、1U高的標準KVM鍵盤顯示一體機、2U高的工作控制計算機，共13U的高度，以及內置1U高的高速交換機和1U高的PDU電源分配單元。采用定制22U小型化機柜的形式進行系統集成。

3 硬件設計

（1）定制22U小型化機柜。設備機柜采用定制22U小型化機柜的形式進行系統集成。結構方案如圖2所示。

圖2 定制機柜結構方案圖

（2）信號采集設備。信號采集設備采用的頻譜分析儀。具備出測試動態范圍、相位噪聲、幅度精度和測試速度，具備強大的頻譜分析、符合標準的功率測量組件、I/Q分析、瞬態分析、脈沖參數分析、音頻分析、模擬調制測量、矢量信號測試等多種測試功能。良好的擴展能力，可通過多種數字和模擬輸出接口構建測試系統或進行二次開發。設備采用11.6英寸觸摸顯示屏，測試細節顯示更全面、更直觀。參數設置菜單簡潔，一鍵直達參數設置。多測量模式并行運行與顯示，模式切換方便高效。

A.環境適應性。工作溫度、濕度、低氣壓、正弦振動、功能沖擊、傾斜跌落滿足GJB3947A-2009中3.8的3級設備要求，具體要求如下：a.貯存溫度：-40～+70℃；b.工作溫度：0～50℃；c.相對濕度：溫度低于10℃時濕度不加控制；溫度為10～30℃時，相對濕度為5%～95%；溫度為30～40℃時，相對濕度為5%～75%；溫度為40℃以上時，濕度為5%～45%；d.低氣壓（海拔高度）：4600m；e.隨機振動：頻率5～100Hz時，功率譜密度0.015g2/Hz；頻率100～137Hz，斜率-6dB/oct。頻率137～350Hz，功率譜密度0.075g2/Hz；頻率350～500Hz，斜率-6dB/oct；頻率500Hz，功率譜密度0.0039g2/Hz；f.功能沖擊：滿足196m/s2（20g）半正弦沖擊試驗，脈沖寬度大于11ms，每個軸向3次；g.傾斜跌落：正常工作狀態下，以一個邊作為支點，底座的對邊高度抬高100mm，自由跌落方式，每個放置面4次。

B.安全性。符合GJB3947A-2009中3.10的規定。設備的電源輸入端與機殼之間（電源開關置于接通位置）在試驗用標準大氣壓下應不小于100MΩ，在潮濕環境下應不小于2MΩ。

C.可靠性。應符合GJB3947A-2009中3.12的規定，MTBF≥5000h。

（3）I/Q數據記錄儀。數據記錄儀實時I/Q數據的高速記錄、回放和轉儲，具有12TB（可擴展）的存儲容量和高速的光纖、網絡接口。與信號/頻譜分析儀等儀器配合使用時，可實現電磁信號的無縫捕獲和存儲，能夠提供有效數據長時間無縫記錄。

數據記錄儀采用2U標準臺式機箱，機箱前面板包括記錄儀維護面板、電源開關、剩余容量數碼管以及記錄、回放、轉儲、故障、單通道、多通道指示燈，后面板包括交流220V電源插座、千兆網絡接口、6路光纖FC插座、接地柱與保險絲。

（4）矢量信號重建設備。矢量信號重建設備采用1465C-V信號發生器。該型矢量信號發生器1GHz內部調制帶寬和2GHz外部調制帶寬的實時帶寬指標，滿足各種寬帶信號的模擬需求。具有優異的頻譜純度和輸出功率指標，尤其是10GHz載波@10kHz頻偏達到-126dBc/Hz，滿足對測試信號要求苛刻的測試需求。全頻段EVM＜1.4%（4Msps），達到計量級設備要求。支持PSK、QAM、FSK，ASK等20余種通用調制格式和5種下載格式的任意波調制，可以根據需要編輯、下載配置所需要的波形，完成各種信號模擬，滿足各種復雜信號的測試需求。

A.外形及尺寸。435mm×178mm×498mm（不包括把手和防護底角）。

B.環境適應性。貯存溫度、工作溫度、濕度、低氣壓、正弦振動、功能沖擊、傾斜跌落滿足GJB3947A-2009中3.8的4級設備要求。a.貯存溫度：-40～+70℃；b.工作溫度：0～40℃；c.相對濕度：溫度低于10℃時濕度不加控制；溫度范圍為10～30℃時，相對濕度為5%～95%；溫度范圍為30～40℃時，相對濕度為5%～75%；d.低氣壓（高度）：海拔4600m；e.隨機振動：頻率5～100Hz，功率譜密度0.015g2/Hz；頻率100～137Hz，斜率-6dB；頻率137～350Hz，功率譜密度0.0075g2/Hz；頻率350～500Hz，斜率-6dB；頻率500Hz，功率譜密度0.0039g2/Hz。

C.可靠性。符合GJB3947A-2009中3.12的要求，MTBF≥5000h。

（5）控制計算器?？刂朴嬎銠C選用IPC-510H。機箱：IPC-510，主板：AIMB-785G2，CPU：I7-6700內存：16G，硬盤：1T機械硬盤，鍵鼠：USB，操作系統：WIN7正版（表1）。

表1 設備主要硬件構成

4 主要功能

4.1 射頻信號采集、存儲功能

當測試探針接觸到電路后，射頻信號采集系統在運行過程中既能夠通過屏幕顯示的瀑布圖等圖像實時監測輸入信號和整機狀態，也能夠實時記錄采集。信號分析儀將接收射頻信號通過變頻生成中頻信號，中頻信號由高速ADC進行數據采集后變為數字信號，再經過FPGA進行數字下變頻等預處理轉化為I/Q數據流，并持續進入到信號處理與分析單元，進行加窗、FFT運算、軌跡檢波等，最后將運算結果通過嵌入式計算機進行顯示處理。利用它們，很方便地為使用者提供特征信息，從而能非常容易地發現電路板上的故障。

同時，在記錄模式下，整個故障診斷平臺可以實時將I/Q數據流通過光纖傳入I/Q數據記錄系統中進行流盤，完成采集數據的海量存儲，存儲的數據流采用數據包的格式，除包含存儲的數據外，還包含用戶設定的中心頻率、頻寬等信息，以便在轉儲時能夠提供詳細的數據信息。這些數據信息可用來構建射頻信號大型數據庫，以備以后對其他電路板進行比對測試。記錄界面示意圖如圖3所示。

圖3 記錄界面示意圖

4.2 射頻信號重建、回放功能

記錄儀中存儲的數據又可以通過光纖持續的回放給射頻信號采集系統中，通過高速信號處理單元的預分析或主機的離線深度分析軟件，完成存儲數據的回放分析，回放分析界面如圖4所示。

圖4 回放分析界面示意圖

在信號回放重建過程中，I/Q數據記錄系統的數據能夠導入射頻信號重建系統中進行信號重建輸出，將記錄的信號還原出來。將I/Q數據記錄系統中的信號I/Q數據輸入射頻信號重建系統中，通過高速DAC轉換I/Q基帶信號，通過矢量調制器或射頻上變頻器，將I/Q數據記錄系統中的數據I/Q信號變成射頻信號，完成記錄信號的模擬重建。

射頻信號重建系統具有任意波功能，通過點擊主屏幕的信號模擬按鈕，選擇任意波即可彈出任意波配置窗口。

4.3 雙通道頻譜測量、圖像化顯示功能

該故障診斷平臺可在好板和故障板的相同點同時進行測量，對比二者的等效電路和元件的量值。應用該方法，一旦某點超出允許的測量誤差，即找到了故障點，示意圖見圖5。

圖5 合格板和故障板的相同點同時進行測量示意圖

5 軟件功能

IQ數據存儲設備軟件可完成對采集數據的存儲、查詢、處理等功能。其工作流程如圖6所示。

圖6 I/Q數據存儲設備軟件流程圖

故障診斷平臺存儲設備軟件使用labview軟件編寫環境，主要由以下幾個模塊構成。

（1）數據庫自檢模塊。故障診斷平臺數據庫具備數據自檢功能，通過對數據庫內容進行采樣與分析獲得數據庫內數據特征，防止數據丟失或誤碼。

（2）數據存儲及查詢模塊。故障診斷平臺使用LAN總線接收來自下位機的數據，并將數據經篩選后分配至對應類型的存儲模塊。查詢時通過用戶輸入的檢索信息直接查詢對應模塊，降低檢索時間。數據檢索可以同時將多個信號同時進行圖形化處理，也對調取的多個信號進行對比。

（3）人機交互模塊。軟件提供了便捷的軟件交互界面，可以直接對數據進行查詢，獲取射頻信號的分析結果及原數據包，同時可以將提取的數據反饋至信號回放設備中，軟件提供了完整的SDK工具包，支持用戶對檢索邏輯進行二次開發。

（4）信號再處理模塊。故障診斷平臺支持將已采集的數據進行二次分析，可以在已采集信號的基礎上進行處理，通過仿真手段自定義信號分析后，反饋至數據回放系統（圖7和圖8）。

圖7 主面板

圖8 自檢完成

6 結語

故障診斷平臺研制過程中，最大限度地繼承現有成熟技術，充分發揮了標準化在研制中的指導與技術保證作用。產品貫徹通用化、系列化、模塊化要求，對系統內所有設備、單元、零部件、原材料、電子元器件進行優化設計，并在選用上進行監督、控制，壓縮品種和規格，形成不同層次的系列化，以滿足射頻電路板故障診斷的發展需求。