地面数字电视广播发射机自动测试系统

康建华, 安元伟, 佘方毅, 张桂卿

(国家广播电影电视总局广播科学研究院,北京100045)

1 引言

地面数字电视广播系统是广播电视系统中的重要组成部分,它与移动多媒体广播系统、卫星数字电视广播系统和有线数字电视系统以及其他辅助系统一起相互协同提供全面的受众覆盖,是中国广播电视覆盖网的重要组成部分。随着GB 20600-2006《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》的发布,以及国家广播电影电视总局GY/T 229.4-2008《地面数字电视广播发射机技术要求和测量方法》的实施,广播科学研究院将面临大量的关于地面数字电视广播发射机的入网测试任务。

采用传统手动测试来完成地面数字电视广播发射机的测试,需要按照标准对测试指标进行操作,并记录测试结果,由于测试人员对测量方法掌握程度不同,对仪器操作的熟练程度不同,造成了测量时间的不确定性,在测试指标稳定度时,需要记录被测设备连续长时间内的工作情况,使手动测试几乎无法完成。这时,手动测试的效率低、数据存储不便和对测试人员要求较高等缺点都显现出来,所以基于软件的自动测试控制系统设计势在必行。频谱仪是地面数字电视广播发射机性能指标测试的主要设备,其功能较多,尤其是系统使用的频谱仪专门安装了地面数字电视测量模块。文中将重点论述如何利用LabVIEW开发工具实现对频谱仪的软件控制。

LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具,带有大量的内置功能,能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。一个LabVIEW 程序分为3部分：前面板、框图程序、图标/接线端口。当前,虚拟仪器技术已广泛应用到各种自动化测试和测量领域,虚拟化已经成为仪器领域的发展方向。

2 系统构成

利用频谱仪对地面数字电视广播发射机进行测量,测试系统框图如图1所示,测量指标主要是性能指标,端口和功能性验证等其他指标均不需要单独的测量设备,测试端口分两个,在滤波器前后各一个。测量时除频谱仪外,还需要码流源向被测发射机输入码流,且码流源发送码率不大于工作模式载荷速率的测量码流。假负载是发射机的重要附属设备,是接在被测发射机的全匹配负载。其作用是吸收发射机到终端的全部功率而无反射产生,电压驻波比要小于1.1。同步时钟用来提供高精度时钟,同时为被测发射机和频谱仪提供频率参考,为了提高测量可靠性和测量精度,整个测试过程中频谱仪均需要使用外部同步时钟。

图1 地面数字电视广播发射机测试系统框图

通过LabVIEW对频谱仪的控制框图如图2所示,基于LabVIEW软件平台的PC,通过GPIB总线连接频谱仪,对频谱仪进行控制并对测量结果进行提取。其中GPIB是一个数字化24脚(扁型接口插座)并行总线,其中16根线为TTL电平信号线,包括8根双向数据线、5根控制线、3根握手线,另8根为地线和屏蔽线。GPIB使用8位并行字节串行、异步通讯方式,所有字节通过总线顺序传送。

3 控制程序

根据标准GY/T 229.4-2008要求,需要测量的性能指标包括频率准确度、本振相位噪声、调制误差率、带内不平坦度、带外杂散、频谱模板、带肩、输出功率稳定度和频率稳定度,其中输出功率稳定度和频率稳定度为设备长期工作中需要监测的指标,在进行入网测试时无需测量,图3为总控制程序前面板框图。

图2 LabVIEW控制系统框图

3.1 频率准确度

频率准确度为标称频率与测量频率之差,地面数字电视广播发射机的频率准确度包括多频网模式和单频网模式两种。多频网模式测量时,发射机不需要外接参考时钟,单频网模式时,发射机需要使用外接GPS时钟信号,测试过程中发射机也需要设置到相应的状态。频率准确度测试程序框图如图4所示,对设备进行初始化后,在前面板输入被测信号所设置频率,测量类型使用“Swept SA”,将带宽设置为200Hz,这样测量结果就可以精确到0.1Hz,将被测频率值与发射机所设置标称频率相减,即可计算出频率准确度。

图3 控制程序前面板

图4 频率准确度程序控制框图

3.2 本振相位噪声

本振相位噪声是指单位赫兹的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价本振频谱纯度的重要指标。当被测相位噪声比频谱仪自身的相位噪声大时,可直接利用频谱仪测量相位噪声,这是一种简单、方便的相位噪声测量方法,由于测量仪器的相位噪声比GY/T 229.4-2008中技术要求高很多,所以可以使用频谱仪进行测量。发射机相位噪声指标包含偏移的中心频率分别为：10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz和1MHz,需要读出上述6个频点的相位噪声的测量值。本振相位噪声测试程序框图如图5所示,载波频率设置为被测频率,载波频率不同于中心频率,带宽设置为起始频率10Hz,终止频率1MHz,最后将测试结果通过列表形式读出,测量结果分为两列,第一列数据为具体测量数据,第二列为取均值后测量数据,这时取其平均值作为测量结果。

图5 本振相位噪声程序控制框图

3.3 调制误差率

调制误差率(Modulation Error Rate)是理想符号矢量幅度的平方与符号误差矢量幅度的平方和之比,以dB表示,其中符号误差矢量幅度是指信号能受到噪声干扰的总和,MER是表征未误码时信号的质量。在使用频谱仪进行MER测试时,需要确认设备具有DTMB测量模块,MER测试程序框图如图6所示,被测发射机调制信号需要打开,将控件中设备类型选为发射机,载波方式、包头和调制方式需要匹配,不然就无法解出被测信号。测量时还需要将均衡关闭,同时打开平均。

图6 调制误差率程序控制框图

3.4 带内不平坦度

带内不平坦度是指中心频率±3.591MHz频带范围内的最大和最小幅度值,与中心频点处幅度值之差。带内不平坦度对数字电视的误码率有直接影响。测试程序框图如图7所示,在设备初始化后,测量类型选择“Swept SA”,将频谱仪带宽设置到20MHz,视频带宽和分辨率带宽分别设置为3kHZ,平均后将频谱仪界面上频谱图记录下来。由于不同发射机的监测输出电平不同,为了更好的将频谱图记录下来还需要根据被测电平来修改参考电平,且Y轴设置为0.5dB/格。

3.5 带外杂散

带外杂散包含邻频道内发射功率和邻频道外发射功率,邻频道内发射功率为发射机输出耦合信号在标称工作频率±8MHz中心频点上,测量带宽为8MHz的功率,根据耦合度计算出上下邻频的带内功率。邻频道外发射功率的测量方法与邻频道内发射功率类似,而测量中心频点分别为标称工作频率±16MHz、±24MHz和±32MHz,其中邻频道外发射总功率为上述各频点所测功率的均方根值,这一点不同于邻频道内发射功率的计算,控制程序需要根据耦合器的衰减值和测量的通道功率值来计算标准要求的结果,其中衰减值需要按照不同的测试条件分别设置。带外杂散程序测试框图如图8所示。

图7 带内不平坦度程序控制框图

图8 带外杂散程序控制框图

3.6 频谱模板

标准GB 20600-2006中对带外频谱模板的要求分两类,第一类是同一个发射台的数字电视发射机位于模拟电视发射机的上邻频或下邻频时的频谱模板,此模板满足模拟电视最小保护需求,适合数字电视和模拟电视可非极化辨识,且功率相同,当发射功率不同时,需要按比例进行调整。第二类是严格条件下的频谱模板,该模板适用于数字电视发射机相邻频道使用其他服务。通常的入网测试是按照第一类频谱模板要求进行测量的,频谱模板测试程序框图如图9所示,中心频点设置为发射机工作频点,将频谱仪带宽设置到24MHz,分辨率带宽设置为4kHZ,视频带宽设置为100Hz,之后平均100次,之后根据频谱模板测量中心频点左右两端不同频率偏置点的信号电平值,与信号的通道功率进行相减,即可求得频谱模板。

图9 频谱模板程序控制框图

3.7 带肩

带肩是发射机功率放大器的非线性指标,需要在发射机滤波器之前进行测量,是地面数字电视广播发射机的一个重要指标。发射机在一个8MHz射频带宽内,采用OFDM多载波的调制方式,OFDM多载波信号经过放大器后在频道外的互调产物为近似连续频谱,频道外连续频谱在频道附近会产生“肩”部效应,这就是我们所说的带肩。信号带肩为标称频点处幅度与标称频率±4.2MHz处信号幅度之差,视频带宽和分辨率带宽可参考标准GD/J020-2008中的相关设置,其程序控制框图如图10所示。

图10 带肩程序控制框图

4 控制程序中的关键技术

为了提高测试效率,程序采用了平铺式顺序结构,将各个单独测量模块组合起来,为了将测试结果写入到规定的原始记录模板中,使用数据操作技术完成记录的填写。

4.1 平铺式顺序结构

LabVIEW有3种基本循环结构：平铺式顺序结构、While循环和条件结构。对于仪器控制所采用的循环查询方式,While循环和条件结构中嵌套顺序结构,对于仪器功能复杂的控制,需要对每个程序模块查询一遍,仪器对程序的响应速度较慢,使的控制程序的效率有所降低。

平铺式顺序结构的数据流不同于其他结构的数据流,当所有连线至帧的数据都可用时,平铺式顺序结构的帧是按照从左至右的顺序执行。每帧执行结束后可传递数据至下一帧,即帧的输入可能取决于另一帧的输出,从而将单独的指标的测试程序模块按照预先设定的顺序连接起来,从而提高了测试效率。在测试过程中,由于部分测试指标需要进行平均,所以在顺序结构中还需要根据平均次数和扫描时间来加入时间延迟模块,从而保证测试的完整性和可靠性。

4.2 数据操作

通过平铺式顺序结构将测量数据转换为一维的数组和元素,创建数组将一维数据改为多维数据,以方便将数据写入到规定的原始记录表格。数据操作控制程序如图11所示,为了将测试数据写入到规定的原始记录表格,需要使用文件I/O控件,包括当前VI路径、创建路径、拆分路径、复制等VI。首先需要使用当前VI路径找到原始记录所在的文件夹所在位置,再使用创建路径确定具体的word文档,最后将文档复制。复制后的文档经过word编辑控件操作形成完整的原始记录,在使用word编辑控件时,首先要确定所写入数据所在的表格中的行列的位置,填写好的的原始记录文件名由输入的发射机的名称、型号和测试时间来确定。其中名称和型号为字符串格式,是由程序使用者输入,测试时间使用定时控件来实现,格式也转换为年月日时分秒格式的字符串,连接字符串控件将这些字符数据连接起来共同构成文件名。之后将完成的原始记录文件存放在预先准备好的文件夹中,操作方法类似于文件读取。

图11 数据控制操作程序

5 结束语

通过GPIB接口实现了LabVIEW控制软件与频谱仪的通信,利用LabVIEW强大的信号分析和处理功能,建立了PC对频谱仪的控制平台,实现了对地面数字电视广播发射机的自动测试。通过对同一设备自动测试数据和手动测试数据的比较,发现该自动控制程序可以按照标准完成设备测试的要求,同时还可以将测试结果写入到原始记录中,从而省去了大量的人力成本,提高了测试效率。文中使用的平铺式顺序结构技术和数据操作技术对于使用LabVIEW开发虚拟仪器自动测试系统具有一定的借鉴意义。

[1]GY/T 229.4-2008,地面数字电视广播发射机技术要求和测量方法[S].

[2]GB 20600-2006,数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调试[S].

[3]齐攀,刘伟平,陈舜儿,等.基于LabVIEW的光功率计控制系统[J].科学技术与工程,2006,(6)：3867-3870.

[4]吕继宇,张华春,阴和俊.基于LabVIEW 的频谱仪控制系统设计[J].测试技术学报,2005,4(19)：426-431.

[5]郑挺,王永.虚拟仪器技术在自动测试系统中的应用[J].中国测试技术,2006,(1)：42-43.

[6]康建华,杨方正,张为冬,等.LabVIEW在卫星数字电视接收机视频指标测试中的应用[J].电子测量与仪器学报,2008：251-254.

[7]X-Series.Programmer's Guide[M].USA Agilent Technologies,(S2)：2009