DAM自动测试系统校准

张思敏 盛永鑫 / 中国电子科技集团公司第38研究所

0 引言

数字阵列模块（Digital Array Module，简称DAM）自动测试系统为DAM的研制、生产验证、维修保障提供了重要手段。从功能角度看，DAM自动测试系统等效于一台综合测试仪表，而作为仪表就必须进行计量校准。目前，国内专业测试系统校准没有统一的解决方案，基本是采用离位和手动校准，用仪表的校准结果来衡量系统，而未考虑系统实际工作状态和环境，使用户无法真正了解系统的准确性。作为一种测试系统，其本身的准确性与可靠性将直接影响整个测试过程，自动测试系统的校准是保证测试准确度的重要前提，必须引起足够的重视[1]。

1 DAM自动测试系统组成

DAM自动测试系统由计算机、仪表、测试分机和DAM等组成，具体组成框图如图1所示。

图1 DAM自动测试系统组成框图

测试软件是系统的控制核心，它控制整个测试系统的流程，测试软件由数据采集程序、仪表程控程序、数据分析处理、数据实时显示、测试结果管理等组成。

仪表由功率计、信号源、频谱仪和矢量网络分析仪等组成，通过GPIB总线控制仪表状态设置数据读取，完成相应测试工作。

测试分机是DAM自动测试系统的关键性设备，由电源、本振、时钟信号输出、数据采集测试等组成。

2 DAM自动测试系统校准装置

DAM的测试由仪表、测试分机和测试控制分析软件共同完成，其工作状态、连接状态以及自身技术指标等直接影响自动测试系统的准确度。自动测试系统使用的仪表如信号源、频谱仪、功率计、矢量网络分析仪等都是常规仪表，有完整的技术指标和公开的检定规程，校准方法比较明确。结合DAM自动测试系统实际使用需求，对各仪表的具体校准参数进行选取，达到系统整体要求即可。系统中使用的测试分机和软件是自主设计开发的，具有专用性，缺少相应的校准规范和手段，需要研究。

DAM自动测试系统校准的核心就在实际工作情况下，对它总体性能自动化校准。根据军工产品计量保证通用要求，结合其服务雷达的性能指标、测试要求的特点，分析系统信号流向，引入信号通道概念，并重信号通道校准和测试仪表校准，实施原位校准技术。在专用的计量适配器配合下，采用互校、外部校准、整体校准、部分校准等手段，实现对DAM自动测试系统自动化整体校准。这也给校准装置设计提出了直接要求：能模拟系统实际工作状态、具有自动化功能、性能指标要高于被校系统、稳定性高、重复性好等[2-4]。

依据原位校准思路，结合测试仪表校准和信号通道校准共同实施的技术方案，组建校准装置。方案是在DAM自动测试系统基础上，利用Matlab软件的信号产生和Quartus对FPGA编程设计的联合仿真的虚拟校准技术，研发一套简单、可行的数字信号校准模块，并设计适配器实现自动测试系统中时钟信号、本振信号、电压、多通道一致性等技术参数的校准，保证对数字T/R模块自动测试系统量值的比较完善、可靠的传递[5]。

DAM自动测试系统校准装置可以模拟实际工作状态，以信号分析系统和频谱仪等为主要测试仪表，校准适配网络、GPIB接口卡、计算机等在自编软件控制下完成自动测试系统中程控功分网络通道、数字信号测试通道、本振、时钟、电源通道等校准。DAM自动测试系统校准装置主要由测试仪表、校准适配网络（接口适配、校准通道）、计算机等组成，组成框图如图2所示。

图2 DAM自动测试系统校准装置组成框图

接口适配主要作用是将被校准系统、计算机、仪表有机地连接在一起，完成各相关通道各项指标的校准。

数字信号测试校准通道主要是产生标准信息如幅度、I/Q信息的数字信号，来校准系统的数字信号测试通道的技术指标。数字信号测试校准采用直接测量法。用一个幅度、信噪比等参数信息已知的标准信号代替接收支路输出的中频数字信号，来校准数字信号测试通道。利用Matlab软件产生一个标准信号，幅度、信噪比信息已知，并转换为数字序列，再利用Quartus软件的硬件仿真编辑功能，最终写入FPGA中。在硬件逻辑电路的配合下，标准信号通过自动测试系统的数据传输和数据采集网络传输到计算机，测试软件对计算机采集到的数据进行计算分析，得到该信号的幅度、信噪比测试值。通过对标准值和测试值的比较判定，即实现数字信号测试通道校准。

程控功分网络校准通道主要完成程控功分网络通道幅度特性的校准。程控功分网络是自动测试系统的关键信号通道，与DAM的收发通道共用，主要关心通道幅相特性。测试系统中对程控功分网络通道幅相稳定性要求很高。程控功分网络路数多，校准量大，因此设计一个16选1的程控开关，外形尺寸、接口形式同DAM一致，接入自动测试系统中，与系统本身的程控功分网络构成一个测试回路，利用矢量网络分析对其通道损耗进行校准。通过软件控制开关，构成不同测试通道回路，实现程控功分网络通道自动校准。

本振时钟校准通道主要是完成本振时钟通道输出功率等的校准。本振时钟信号通道校准研究的重点是如何在自动测试系统上升级设计、开发适配网络，使系统具有自动化校准功能。时钟、本振中关心的指标是输出功率、杂波抑制等。系统中本振时钟信号路数不超过8路，设计一个8选1的程控开关构成测试回路，用频谱仪对本振时钟通道杂波抑制和输出功率进行校准。

电源校准通道主要完成电压的校准。电源通道主要关心输出电压的准确度，可以用数字多用电表和低压电源切换电路来执行校准，同时采用多路直流信号安全切换技术确保电压测试时开关选择瞬态的电源安全性设计。

计算机：通过软件控制整个系统的工作流程，通过GPIB总线将频谱仪、矢量网络分析仪等连接到计算机上，自动设置参数，通过计算机并口控制模块自动选择通道、自动采集数据，通过计算分析得出数据结果。

仪表：系统通过GPIB总线控制仪表（频谱仪、信号分析系统等）动作，完成不同的校准任务。其中信号分析系统主要是由矢量网络分析仪等组成。频谱仪主要校准本振通道和时钟通道的指标。信号分析系统主要是校准程控功分网络通道的指标。数字多用电表主要校准电源的电压。

3 校准软件

在校准系统中，校准软件是整个校准系统指挥控制的灵魂，它通过仪器的GPIB、LAN以及并口，对校准系统进行初始化，发出各种仪器、系统通道切换的操作命令，同时接收系统中任何仪器及通道的返回信息，并对相关数据进行仿真验证分析处理，从而快速地完成DAM自动测试系统的校准[6]。

校准软件采用通用的程序开发方法。为了保证系统的通用性，软件以模块为开发单元，以函数为基本组成，统一测试信息表述方式，通过数据库进行消息处理。函数不包括仪器具体信息，使程序与硬件无关。为了保证计量测试结果的真实性、可靠性，在计量校准程序中给以补偿校准，以减小误差[7]。

校准软件框架如图3所示。校准软件包括：校准流程库、误差数据库、主调程序、仿真验证处理库等。

图3 校准软件框架

校准流程库、误差数据库用于定义系统误差修正、参数校准等流程。仿真验证处理软件是利用Matlab软件的信号产生和Quartus对FPGA编程设计的联合仿真虚拟校准技术，通过数字频谱和矢量信号分析验证技术来验证数字中频信号测试完整的准确性。用户界面是系统与用户进行交互用的各种操作界面。控制软件模块用于对硬件电路进行访问，实现各种控制及测试系统工作环境的模拟。主调程序是校准软件的主体，它包括系统误差修正、校准、用户管理等。

软件工作流程是连接校准装置，检查仪表工作正常后运行校准程序、设置校准参数、选择校准项目并执行，然后处理校准结果并保存，如工作需要则可重新选择并执行校准项目（如图4所示）。

4 试验验证和分析

图4 校准软件工作流程

采用数字频谱分析法，对数字中频I/Q信号校准通道指标进行测试验证，利用逻辑分析仪采集数字I/Q信号，然后对采集数据进行数模转换处理以及快速傅立叶变换，同时对时域和频谱进行分析得出结果，测试数据如表1所示。采用标准衰减器来验证16路程控功分网络校准通道指标，将标准衰减器接入16路程控功分网络，测试衰减值，通过测试值和标称值进行对比验证，测试数据如表2所示。采用标准微波信号来验证本振时钟校准通道指标，利用已标定的微波信号提供激励信号接入校准通道，测试功率，通过测试值和标称值进行比对验证，测试数据如表3所示。

表1 数字中频I/Q信号校准通道指标测试

表2 16路程控功分网络校准通道指标测试

表3 本振时钟校准通道指标测试

通过验证表明校准装置能产生-10 ～ 15 dBm的数字中频I/O信号，幅度准确度±0.1 dB，幅度不一致性准确度±0.1 dB，相位不正交度准确度±0.1°；可对S波段的16路程控功分网络幅相校准，幅度准确度±0.2 dB；能对频率范围10 MHz ～ 4 GHz，功率范围-10～15 dBm的微波信号进行校准，功率准确度±0.4 dB。

5 结语

通过自行设计校准装置和软件，模拟系统的线缆连接方式、负载特性和通道路由选择等保证校准工作方式和测试工作环境更接近，从而获得更高的校准完整性，同时避免离位校准时拆卸、运输和重新安装对测试的影响，减少人为干预，实现对DAM自动测试系统的数字信号测试通道、程控功分网络通道、本振时钟信号通道、电源通道等技术指标的自动校准，解决了DAM自动测试系统的量值溯源。

[1] 盛永鑫. 数字T/R组件接收通道测试方法探讨[J]. 计量技术,2011(10): 35-37.

[2] 贾波, 刘福. 自动测试系统计量策略及指标确立准则研究[J]. 仪表技术, 2010(7): 65-66.

[3] 孙中泉, 李涛, 张华锋. 军用自动测试系统计量保障方法研究[J].国外电子测量技术, 2009, (03): 27-30.

[4] 于火根, 严洪燕, 刘仁寰. 专用电子测试设备系统校准方法研究[J]. 航空计测技术, 2002, 22(2), 21-24.

[5] 李效辉. 自动测试系统适配器的计量方法[J]. 计量测试技术,2007(27): 55-57.

[6] 高占宝, 梁旭, 李行善. ATS 系统校准技术研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2005, 19(2): 1-5.

[7] 李银军, 张彦斌. 基于ABBET的自动测试系统软件设计[J]. 国外电子测量技术 , 2010, (11): 15-16.