调制解调器自动化测试系统设计

李 勇，刘 洋

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081）

0 引言

在调制解调器的研制、生产和检验过程中，需要对设备进行各项指标的测试。由于测试项目繁多，涉及的各类型仪器种类也较多。在以往的调制解调器产品全面的测试过程中，由于缺乏自动测试系统，所有的测试连接关系变化和参数读取都需要人工控制，由此带来了一系列的问题或不足，主要表现在:①效率低下;②一致性差;③对测试人员专业技能要求高。

1 总体设计

调制解调器各种技术指标参数的测试会分别用到不同类型的测试仪器，而某一类型的测试仪器也存在多种型号。需要结合调制解调器的待测指标确定匹配的测试仪器。自动化测试软件连结并控制测试系统内的所有仪器与被测设备。通过界面设置单项或多项的测试项目，由软件控制测试仪器完成仪器参数设置，待测设备参数设置，待测项目测量以及测试数据的分析、保存和输出等功能。

1.1 硬件设计

硬件设计包括有针对性地进行仪器选型和为构建自动化测试系统自行设计研制数据切换设备2部分。

调整解调器的测试项目及相应的主要测试仪器分为以下几个方面:

中频测试[1]:输出杂散、输出电平、相位噪声、载波关断、输出频率准确度、输入电平范围、载波模板、误差向量幅度（Error Vector Magnitude，EVM）测试、载波捕获范围、载波锁定时间、最大复合输入电平以及回波损耗等;测试使用的主要仪器为频谱仪、矢量信号分析仪等仪器。

误码率测试:中频环误码率指标、误码率曲线、存在临道干扰条件下误码率测试、使用模拟转发器模拟卫星信道条件下的射频环误码率测试等[2];测试使用的主要仪器为误码仪，其中常用误码仪（如AV5237电信/通信数据分析仪）的最高速率仅2Mbps，对调制解调数据速率超过2Mbps但低于10Mbps的可以选择FIREBERD 6000A误码仪，超过10Mbps的误码率测试则需要使用高速误码仪如HP 81200误码仪。

网络协议（Internet Protocal，IP）传输特性测试:吞吐量、时延、抖动以及丢包率等;主要测试仪器为网络测试仪。

电源测试:工作电压、功率、绝缘电阻、介电强度以及泄露电流等;需要使用万用表、耐压测试仪等仪器。

其他测试项目还包括:数据传输时延、同步接口时钟抖动、设备接口功能测试等。

上述项目在产品研制阶段需要逐项生成测试，在生产调试阶段保留大部分测试项目，在产品检验阶段主要针对整体传输性能及各类端口的性能、功能项目进行测试。

针对调制解调器的几大类测试项目，除部分类似项目搭建的环境相同外，大部分测试项目所需的仪器和测试方法是不同的。

对测试项目综合分析可以确定部分基础仪器:开关矩阵、数据切换设备、噪声源以及衰减器等。

其他还会使用到的仪器和设备还包括:示波器、矢量信号分析仪、信号源以及模拟转发器等。

对上述仪器要求具备远程控制接口，远控接口的类型尽量选用网口或者通用接口总线（General-Purpose Interface，GPIB）接口，以便于将所有仪器连接至计算机实现自动测试软件对仪器的集中控制[3]。

针对调制解调器的各种测试项目，该方案设计的自动测试硬件环境组成如图1所示。

图1 测试系统硬件构成框图

图1中的自动测试环境组成可以实现卫星环境的简单模拟，可实现噪声、群时延和临道干扰的模拟。其中构成硬件环境的各类仪器的选型以满足测试需求为基本要求，避免盲目追求测试仪器的高性能，因为越是高端的仪器其价格越昂贵，合理的仪器选型将节省不必要的投资。

1.2 软件设计

软件的设计基本要求是自动化测试系统软件能够对设备测试过程进行自动化管理，并能够对测试数据进行分析处理。

自动测试系统软件是运行于计算机的数据通信设备自动测试系统软件，该软件是通信设备自动测试系统重要组成部分。自动测试系统软件通过计算机控制测试仪器组和被测设备组，可按照界面设置或者编程对被测设备的参数进行自动化测量，并对测试数据进行存储、汇总、统计、分析以及打印输出。系统框图如图2所示。

图2 测试系统软件与控制对象连接框图

自动测试系统软件将繁杂的仪器参数设置，设备参数设置，数据读取及记录等工作交由程序自动完成。用户面对的主要测试操作包括:①选择测试方法;②配置测试参数;③执行测试流程;④保存测试结果;⑤进行测试的回放与处理。测试工程界面采用图形化设计，具有向导式的新建工程模式。自动测试软件操作流程如图3所示。

图3 测试工程工作流程图

自动测试系统软件能够通过其人机界面完成其所连接的所有仪器和设备的参数设置与测试结果或数据的读取。全部测试过程由编写的程序来自动执行。每一种指标参数的测试对应于一个测试子程序。对某些测试项目如误码率曲线，测试过程相同，但信噪比参数每次测试按照一定步进调整，反映到程序设计上则是子程序的多次调用。测试软件可通过对多个测试方法的简单组合，构成测试工程。在测试中执行一个测试工程时，将依次自动执行相应的多个测试方法。

为便于所有测试数据的后期处理，该软件能够通过磁盘文件的形式与Matlab进行数据交互操作;能够调用Excel 2003生成Excel 2003格式的各种报表。

对所获取的测试数据进行处理是自动化测试软件的一项重要功能。其主要任务分为以下4个功能[4]:①原始数据记录功能:界面提供原始数据记录按钮，在数据采集过程中，将数据记录到文件;②数据回放功能:提供界面，打开不同的原始数据记录文件，将所记录的数据进行回放显示，回放速率可选;③数据离线处理:提供数据处理的开放性接口，可以将测试数据转化为Excel表格或方便直接导入Matlab的格式;④报表生成:测试方法运行时，将原始数据或数据处理的结果实时写入测试报告，当测试完成后，形成测试报告。

2 需解决的问题

该方案设计的自动化测试系统针对的设备为调制解调器。调制解调器对外接口包括中频接口、控制接口和数据接口。对中频接口利用射频开关矩阵可以完成多台被测设备中频信号的选择与切换;对控制接口则可以通过控制接口扩展的方式实现自动化测试软件对多台被测设备的监控;对数据接口而言，由于调制解调器通常具有RS-422同步数据接口、G.703数据接口、LAN接口、低压差分信号（LVDS）同步数据接口等多种接口，需要研制相应的数据切换设备，解决多类型接口的数据选择与切换问题。

另外一项需解决的重要问题为测试软件的测试流程控制。某些复杂的测试如误码率曲线测试，需要设计一种检测反馈策略，使软件具备根据首次测试结果调整相关仪器参数设置的智能功能，减少无效测试所消耗的时间。

3 关键技术

3.1 多设备接口切换技术

对多台设备的多种接口切换要求，可以采用模块化接口电路设计。当增加一台被测设备时只需要相应增加一块接口切换板块，可以较快地适应测试系统的调整。

对多种数据类型数据接口（RS-422接口、LVDS接口）可以采取首先转换为同一类型接口电平接入现场可编程门阵列（FPGA）芯片，在FPGA内部根据软件控制命令选择其中一路连接至测试设备接口。

对多路G.703信号或者LAN信号，可以采取多输入继电器作为核心电路实现多对一的信号切换。

要实现可变路数的多设备接入，需要在扩展接口切换板卡与母板的连接处考虑设计检测信号，配合FPGA内部编程软件自动识别所连接设备的通道数，并将接口切换设备本身的状态通过远控接口上报自动测试软件。操作人员即可通过自动测试软件的人机界面对多台设备的测试工程进行设置。

3.2 闭环测试技术

在自动测试软件控制整个测试系统的“开始测试”阶段，对某些复杂的指标测试来说需要进行多次测量。为了在最短的时间内完成设定目标的测试，需要解决检测－调整的闭环测试控制技术。

例如要完成设备误码率性能测试，需要测试软件根据上一次信噪比测试值来调整信噪比设置，反复测试多次，直至误码率满足目标测试要求时停止测试，并给出对应的信噪比。针对误码率性能的检测－调整处理流程如图4所示。

图4 误码率测试检测－调整处理流程图

首次测试时初始参数的设定及根据测试结果调整仪器参数的策略是决定测试时间的重要因素。初始条件的设定可以参考以往测试经验值，而信噪比参数的调整步进需要考虑不同的调制编译码方式性能曲线特性。对于卷积编码，其误码率曲线变化较为平缓，信噪比调整步进可以适当加大;对级联RS编码或者低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check，LDPC）来说，其误码率曲线较为陡峭，调整步进需要适当减小，否则测试过程可能会出现振荡的情况，即减小信噪比后测量误码率低于设定的目标，加大信噪比后测量误码率又高于设定的目标，在这两者之间反复切换，造成程序的死循环。为避免测试时死循环的发生加入测试周期统计，当测试周期超过设定值时，退出该技术指标的测试过程。

4 测试验证及结果分析

在构建好自动化测试平台的软硬件后，以调制解调器最复杂最细致的误码率测试为例，分别使用人工测试与自动测试对比验证该系统的测试效果。

所选被测调制解调器具备9种调制编码组合方式。其最低数据速率为64kbps，最高数据速率为20Mbps，每种组合在其最低速率、最高速率和中间速率分别进行测试。误码率要求覆盖10－4、10－5、10－6、10－74个数量级[5]。测试数据量为指标要求的100倍，例如误码率指标要求1×10－7量级时需要测试数据量达到109，则在数据速率64kbps时测试耗时109/64000/3600≈4.34h;在数据速率20Mbps时测试耗时109/20000000≈50s;要完成9种模式误码率曲线测试时有效测试时间约为45h。

在人工测试时每次测试转换时的设备参数设置、测试仪器参数设置、信噪比标校和数据记录等工作平均耗时约10min，累计的工作量约为9×3×4×10/60=18h。总的工作量需要8个工作日才能完成。

使用自动化测试环境测试时，在根据测试要求建立一个测试工程后开始自动测量，由于每次测试转换时间较短，总共只需约2天（仪器及设备可连续运行）即可获得准确度较高测试数据。

对比测试充分说明了自动化测试较人工测试大幅缩减测试时间。

5 结束语

调制解调器的测试环境复杂、测试项目繁多，在研设备完成“改进－测试－改进”的研制流程及已定型设备的批量生产均需要在短时间内完成大量的测试和试验工作。事实证明，建立一个自动化测试平台无论对科研还是生产都可起到事半功倍的效果。

[1]Intelsat.IESS－308 QPSK/IDR Rev10[M].USA:Intelsat，2000:52－53.

[2]周啸天.搭建卫星调制解调器测试平台[J].无线电工程，2004，34（12）:29－31.

[3]徐洁.检测技术与仪器[M].北京:清华大学出版社，2004:157－163.

[4]宋开旭，冷淑君.软件工程[M].天津:天津科学技术出版社，2009:49－52.

[5]孙玉伟、齐昶.不同Eb/N0条件下误码性能测试[J].无线电通信技术，2006，32（3）:42－44.