DAM自动测试系统的研制∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

数字阵列雷达(DAR)是近年来发展备受关注的一种新型相控阵雷达。它与传统相控阵雷达相比,具有很多优点:大动态范围,容易形成多波束,低损耗、低副瓣,抗干扰能力强,系统任务可靠性高等。其中,数字阵列模块(DAM)是数字阵列雷达的关键核心部件之一,它实现了发射波形产生与接收信号的全数字化处理,即采用数字频率直接合成器(DDS)在数字域形成发射激励波形,采用模拟/数字转换器(A/D)将接收的模拟信号转换为数字信号输出[1-2]。

一部数字阵列雷达中包含几十到几百甚至上千个DAM。本文中的测试对象S波段DAM是一个包含16路T/R单元通道的组件,每套雷达整机系统使用约400个DAM,包含6 000多路T/R单元通道,测试量相当巨大。同时,DAM是全数字化多通道收发模块,不同于传统的模拟T/R组件测试,传统的测试手段已满足不了DAM批量生产测试需求,必须结合DAM的测试特点,研制出一套DAM自动测试系统来对DAM进行准确、快速的测试,解决实际生产需要。

1 测试需求分析

DAM是一个多通道、多功能,微波、模拟、数字混合集成设计的综合模块,其内部既有微波高电压、大功率集成发射电路和高功率、高灵敏接收电路,又有高辐射、高速、高密度集成的数字电路,同时数据传输又是通过时分复用的高速光纤技术来实现,因此,DAM测试具有以下特点[3]。

1)测试项目多,主要测试指标有:

a)发射指标测试 发射功率、发射顶降、发射脉宽、发射信号脉内信噪比、发射信号带宽、发射信号移相精度等;

b)接收指标测试[4]接收增益、噪声系数、接收带宽、灵敏度、接收信噪比、射频信号镜像抑制度、I/Q信号镜像抑制度、通道间隔离度等;

c)光纤通信测试 光功率、光损耗等。

2)测试方法新

a)DAM接收通道输出以数字I、Q信号为最终输出形式,而且是通过光纤接口传输数据,因此DAM接收指标为数字域测试,不能采用常规的仪表测试方法,需要对DAM接收输出信号数据采集后再送计算机进行数据分析计算得出。所以必须研究数字域测试方法,开发专用测试软件。

b)DAM发射通道则是以数字控制信号为输入,控制DDS激励波形产生[5],最后通过射频连接器传输发射射频信号。因此DAM发射指标为微波域测试,可采用常规微波仪表如功率计、频谱仪、矢网对其进行测试。

3)测试时间长

DAM通道数多,性能指标多,测试工作量大。因此采用传统的手动测试满足不了大批量DAM的研制生产,必须采用自动测试方式才能满足。

2 系统设计

DAM自动测试系统组成框图如图1所示。

图1 DAM自动测试系统组成框图

整个测试过程分为接收和发射两类测试。

DAM接收指标测试过程为:按图1连接,系统加电预热至稳定,操作者在计算机上运行DAM自动测试系统软件,控制被测DAM处于全接收状态;计算机通过GPIB总线遥控信号源(设置频点和功率),被测DAM接收输出数据通过光纤传输至数据采集模块,数据采集模块对光信号进行光电解调后再通过并口传输至计算机,计算机中测试软件对数据进行分析计算得出接收指标,并将结果填入报表显示。

DAM发射指标测试过程为:按图1连接,系统加电预热至稳定,操作者在计算机上运行DAM自动测试软件,控制被测DAM处于发射状态;计算机通过GPIB总线控制频谱仪、功率计,被测DAM发射输出信号通过射频电缆连接至被测仪表,通过仪表直接测量读出,并将结果填入报表显示。

在测试之前,需对系统进行传输插损校准。计算机通过GPIB总线控制矢网对DAM传输网络进行损耗自动校准,以作为测试结果的修正值。

2.1 系统硬件设计

测试系统硬件部分包括仪表、计算机、DAM测试工装、数据采集模块、标准接收机和连接线缆等。需要设计的为三种:DAM测试工装、数据采集模块和标准接收机。

1)DAM测试工装。DAM测试工装包括DAM测试夹具及1分16功分开关网络模块。测试夹具对被测DAM安装固定,提供工作电源及时钟本振信号,并对DAM接插件进行适配转接以便于测试。1分16功分开关网络模块内部由1分16无源功分电路加16路开关模块构成。接收测试时,16路开关模块全部选通,实现DAM所有通道接收测试;发射测试时,控制开关模块逐个选通,实现DAM单通道发射测试。

2)数据采集模块。数据采集模块是被测DAM和计算机之间的“桥梁”。数据采集模块上拥有并口、光纤等接口,将计算机和被测DAM链接起来。数据采集模块可以将计算机发布的控制命令传输到被测DAM中去,控制其工作状态;同时把被测DAM的接收输出数据采集后传输给计算机。

3)标准接收机。DAM发射移相精度性能指标衡量DAM发射射频信号相位与DDS中频激励波形相位之间的偏差。DAM发射移相精度是关系数字阵列雷达系统波束控制形成是否准确、稳定的一个关键指标。采用的测试方法为:DAM通道发射,设置DDS中频激励波形相位,发射信号输出至标准接收机,经过标准接收机下变频、放大、滤波后再送数据采集模块,经过数据采集模块转换成I、Q信号,最后送计算机数据分析计算得出发射射频信号相位,统计两者相位之间的偏差即移相精度。标准接收机构架基本上采用被测DAM的接收通道单元,其原理框图如图2所示。

图2 标准接收机原理组成框图

2.2 系统软件设计

测试系统软件组成框图如图3所示。

图3 测试系统软件组成框图

测试系统软件分为数据采集、数据分析和报表显示三个部分。软件编程环境采用Lab VIEW、VB,数据采集程序功能列表如表1所示。

表1 数据采集程序功能列表

报表显示程序功能列表如表2所示。

表2 报表显示程序功能列表

针对测试中数据量大、处理烦琐等情况,利用Microsoft office web components中chartspace和spreadsheet这两个控件,使测试结果后期更容易处理,如打印、保存、读取。

下面详细介绍数据分析程序:该部分采用虚拟仪器开发软件Lab VIEW作为开发工具。测试DAM的数字化接收指标,采用通用微波信号源作为被测DAM通道的输入信号,被测DAM通道的接收输出信号是基带数字正交信号,接下来先阐述I/Q正交解调器的工作原理,然后给出具体指标的计算方法。

1)I/Q正交解调器工作原理

I/Q正交解调器的原理框图如图4所示。

图4 I/Q正交解调器的原理框图

输入信号:

式中,VP为输入信号的幅度,ωRF为输入信号的频率,ϕ为输入信号的初始相位。

相参信号:

式中,ωLO为相参信号频率,且ωLO为固定值,对此信号镜像固定角度的相移很容易实现。

解调后的I路信号输出为

通过低通滤波器滤除信号的高频成分(ωRF+ωLO),得到I路输出为

式中,ωm为调制频率。ωm=ωRF-ωLO,为输入信号和相参信号之间的频差,ωm=2πfm。

解调后的Q路信号输出为

式中,VDC为I、Q两路信号间的直流偏差,Ve为I、Q两路信号幅度一致性误差,ϕe为I、Q两路信号相位正交误差。VDC、Ve和ϕe都是由于I、Q两路电路不一致引起的,通过低通滤波后,得到Q路输出为

2)指标计算

A/D变换后输出的数字信号y(n T),除了主信号外,还包括谐波失真、杂波失真、量化噪声和其他随机噪声[6]。

式中,A0为直流成分,是I/Q正交解调器零漂,x(n T)为主信号项,xH(n T)为谐波项,p(n T)为杂波项,e(n T)为宽带噪声项。

对输出数字信号y(n T)加上合适的窗函数,进行实数域和复信号的离散傅里叶变换,对变换结果中的频谱信号进行分组,确定每条谱线的属性,分组如下:

a)最大幅度处与其在同一主瓣内的谱线对应于主频信号项,其谱线集合记为Al。因为实数域的FFT频谱具有对称性,所以在对称的谱线集合也是信号项的贡献。但若是作I、Q复信号的FFT变换,则在对称的谱线集合是镜像信号项。信号频率fl与最高谱线的位置Kl的关系是:fl=Kl/NT;其中N为谱线总数,T为采样时间间隔。

b)在频谱零点附近的主瓣集合记为A0,对应于直流分量。

c)在K i=i×Kl附近的峰对应于信号的i次谐波项,其集合记为B i。第i次谐波的频率f i=i×fl,需要指出的是,若f i大于fs/2(fs为采样频率),在离散频谱中会折叠到0～fs/2之间。

d)AP和对应于杂波失真,杂波是非谐波项的单频噪声。在整个频谱中,某条谱线不属于谐波,直流或宽带噪声中的任一种,就认为它是杂波噪声。

e)除了以上几组窄带信号,其余谱线代表宽带噪声。其集合记为Ae,谱线数记为N-K。

由此可计算得出数字接收机的动态参数如下。

信噪比:

无杂散动态范围:

镜像抑制度:

通道增益:将信号源射频信号从接收通道前端加入,计算出通道输出I/Q之后的信号功率,与输入功率相比,即可得出通道接收增益(dB)。

3 应用效果

该DAM自动测试系统的研制,已成功应用在某大型数字阵列雷达产品。该雷达系统中,DAM装机数量约400件,每个DAM共16路收发通道,并且该雷达已开始批量生产,每年DAM批量化生产逾1 000个,通道数约2万路。采用传统手动测试方法,不仅不能有效测试DAM数字化接收指标、多通道相关指标,而且需要2～3人协同测试花费2天左右才能测试完1个DAM,根本满足不了生产测试需求。经实际应用测试,利用该自动测试系统测试一个DAM,只需1小时左右,大大提高了生产效率,有效解决了DAM批量生产测试需求。实际测试使用表明:该DAM测试系统运行稳定、操作方便、测量精度高、图形界面友好,如图5和图6所示。

4 结束语

本文中,针对DAM的测试需求分析,着重对DAM数字化指标测试方法进行研究,开发出数据分析软件,解决了测试难点。同步研发DAM测试工装、数据采集模块、标准接收机,并优化系统测试软件,结合数据采集、数据分析、报表显示及仪表控制程序为一体,使该测试系统操作简单方便、运行稳定可靠,很好地解决了DAM大批量生产交付的迫切测试需求。

图5 数据分析程序界面显示

图6 报表输出界面显示

[1]吴曼青.数字阵列雷达的发展与构想[J].雷达科学与技术,2008,6(6):401-405.WU Man-qing.Development and Future Design of Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2008,6(6):401-405.(in Chinese)

[2]陈曾平,张月,鲍庆龙.数字阵列雷达及其关键技术进展[J].国防科技大学学报,2010,32(6):1-7.

[3]李冬芳.数字阵列雷达收发组件自动测试技术研究与实现[J].火控雷达技术,2011,40(2):66-71.

[4]盛永鑫.数字T/R组件接收通道测试方法探讨[J].硅谷,2011(7):177.

[5]张奕,谭剑美.DAM中多通道数字收发的设计与实现[J].雷达科学与技术,2012,10(3):320-323.ZHANG Yi,TAN Jian-mei.Design and Implementation of Multi-Channel Digital Transceiver in Digital Array Radar[J].Radar Science and Technology,2012,10(3):320-323.(in Chinese)

[6]OPPENHEIM A V,WILLSKY A S,NAWAB S H.信号与系统[M].刘树棠,译.西安:西安交通大学出版社,1985.