基于LabVIEW的射频通信电路实验测试平台开发

程知群, 张志维, 刘国华, 陈 瑾, 李素东, 王浙栋, 唐玉高, 姜周曙

(1. 杭州电子科技大学 电子信息学院, 浙江 杭州 310018； 2. 杭州电子科技大学 国有资产与实验室管理处, 浙江 杭州 310018)

随着第4代移动通信系统的普及,同时第5代移动通信也在抓紧部署中。可以预见,未来几年无线通信和射频领域的人才需求仍然旺盛[1]。“射频电路设计”作为一门理论与实践结合紧密的课程,其配套实验课程的开设对于学生理解相关理论具有重要作用。目前,多数高校开设的射频电路实践课程多以软件仿真或者人工操作仪器测试的方式进行。然而,射频器件和电路的测试在人工操作下由于仪器复杂、步骤多,按键繁琐易出错,同时也不能及时通过计算机采集处理测试数据和直观显示相关扫描曲线,在被测件较多的情况下实验周期较长。为了实现射频器件和电路实验的自动测试,减少人为操作的失误,提高测试效率,通常需要采用自动化测试技术,但商业自动化测试系统价格昂贵。为此本文利用通用的测试方法和测试仪器,基于图形化编程平台LabVIEW开发了适用于9 kHz～3 GHz频段内的射频电路实验测试平台。该平台成本低、操作简单,适合用于高校中射频通信电路实验教学。

1 开发工具和原理

1.1 LabVIEW开发平台

LabVIEW是由美国国家仪器公司在1986年推出的一款图形化编程开发平台[2]。LabVIEW平台具有图形化编程的突出优点,这种开发方式方便了众多非专业软件工程师进行快捷的编程开发,LabVIEW还集成了各种常用仪器的通信总线标准中所必需的功能函数,这使得利用LabVIEW进行虚拟仪器的开发显得更加快捷，并且代码的可移植性好。除此之外,它还提供丰富的库函数和独特的高亮执行工具[3]。与其他程序开发工具相对比,LabVIEW最为独特的是内部的程序是以数据流的形式驱动的[4]。同时为了进行远程仪器控制的开发,LabVIEW还支持通用的网络协议。

1.2 GPIB 总线

GPIB(general-purpose interface bus)是控制器和可编程仪器之间通信的一种总线协议,也称为IEEE488标准。GPIB总线应用十分广泛,主要原因是使用简单、数据传输速率高等[5-6]。根据最新的488.2—1992标准,GPIB的数据传输速率已经达到8 Mbit/s[7-8]。受设备与计算机之间距离的限制,GPIB最大传输电缆总长度20 m,设备间的最大间距不超过2 m[9]。PC端通过GPIB接口总线和仪器仪表连接,发送指令控制仪器仪表,实现数据的采集、传输和存储。要实现对多个带有GPIB的仪器仪表的控制,可以将多个仪器仪表一起连接进来,再通过PC机上的自动化测试程序,实现对这些仪器仪表操纵,从而实现自动测试、显示、存储、打印等一系列功能。

1.3 软硬件接口

图1是进行仪器控制开发的简易软硬件接口,在LabVIEW层面主要是通过VISA读写函数实现对于仪器的数据写入和读取。然而VISA本身并不能控制仪器,它实际是应用程序和底层之间的接口程序,它也是通过调用底层的驱动程序以实现对程控仪器的操纵。

图1 软硬件接口

2 实验测试平台硬件构成及实现

2.1 矢量网络分析仪实验测试平台

上位机通过USB-GPIB 线与其中一台矢量网络分析仪建立物理连接,仪器与仪器之间采用双端口的GPIB总线进行连接，即可实现由一台PC机对多台矢量网络进行控制。被测件的S参数测试平台如图2所示,将被测件接入矢网的端口1和端口2等。通过在PC端上位机界面输入要测量的频率范围和参数,矢量网络自动测量被测件的参数,同时将测试结果通过GPIB总线传输到PC端进行实时显示和数据存储。通过在PC端选择不同仪器的GPIB 地址可以实现对多个仪器的控制和多个被测件的测量。

图2 矢量网络分析仪实验测试平台

2.2 频谱分析仪和信号发生器的实验测试平台

PC机通过USB-GPIB线与一台测试仪器间建立物理连接,其他仪器与这台仪器间则通过双头的GPIB总线实现连接。被测件的频谱测量平台如图3所示,PC机通过GPIB总线使信号源产生所需的射频信号,通过测试电缆传给被测件。PC机通过GPIB总线控制频谱分析仪完成对被测件的输出频谱进行测量,同时将测试结果通过GPIB总线传回PC端进行实时的显示和数据的存储。

图3 频谱分析仪和信号发生器的实验测试平台

3 实验测试平台软件及实现

该实验测试平台的软件采用美国NI公司推出的图形化编程开发环境LabVIEW进行开发设计[10-11]。实验平台软件很好地实现了对仪器的控制和数据测量与存储,同时具有开发周期短、测试精度高、成本低和稳定性好等优点。为了在未安装LabVIEW的PC机上也能实现实验电路的测试,本项目将LabVIEW源程序生成了可安装的应用程序,实现了实验平台软件脱离开发环境的方便运行。

3.1 平台软件结构

软件采用模块化设计[12],由主界面、信号源控制模块、频谱分析仪控制模块和矢量网络分析仪控制模块4大部分组成，其结构框图如图4所示。

图4 系统软件结构框图

3.2 软件的实现

图5是信号发生器的部分源代码。为了方便测试后查询相关数据,在源代码中添加了Excel控件。在实际操作中实现了将测试相关数据导出到Excel中,方便后续的数据处理和分析。

图5 信号发生器部分源代码

图6是频谱分析仪部分源代码。为了实现一台PC同时控制多台仪器的功能,在源代码中,采用了动态调用子vi的方式。在实际操作中可以重复打开多个仪器控制界面,达到同时操纵多台仪器的效果。

图6 频谱分析仪部分源代码

图7是矢量网络分析仪部分源代码。为了使实际操作中校准步骤尽量简洁,在源程序中提前写入了仪器校准中一般默认选项的相关SCPI命令。在实际操作中,只需根据提示依次接入校准件完成校准,省去了复杂的校准步骤,减少了错误的发生。

图7 矢网分析仪部分源代码

图8是上位机显示S参数曲线的源代码。在源程序中通过将4个S参数的读写进行同步并行操作,使得在实际操作时能同时显示出S11,S21,S12和S22 4条曲线,减少了人工调取的步骤,真正实现了自动化操作的概念。

图8 S参数曲线源代码

4 实验测试平台性能测试

将信号源、频谱分析仪和矢量网络分析仪的GPIB地址分别设成19、18和16。

首先测试信号源与频谱分析仪构成的实验测试平台的性能。将信号源输出端口通过50 Ω同轴电缆与频谱分析仪输入端口相连；在PC上的信号源控制界面设置信号源输出频率和功率,并打开射频输出开关；继续在PC端的频谱分析仪控制界面设置好中心频率、频宽和参考电平等参数；随后测试信号源和频谱分析仪所组成的测试系统的性能,结果如图9所示。可见PC端显示的频谱分析结果和信号源输出结果一致,并且延时较小,能够实时显示。同时每次单击扫描按钮能实时刷新显示和对应的主峰值。

图9 信号源和频谱分析仪测试

其次，利用实验箱中的1.8～2.8 GHz放大器进行矢网实验测试平台的性能测试。先进行矢网校准操作。点击控制界面上的校准按钮,根据弹出的提示依次在两端口接入开路、短路、负载和直通校准件；待完成所有操作后，点击按钮保存校准数据完成矢网的校准；随后将矢量网络分析仪与被测件相连；在PC上设置扫描频率范围、功率电平、扫描方式和扫描点数等参数,在S参数曲线界面可见测试结果。由图10可见,PC机上显示的S参数4条曲线和被测件的参数符合。图11是测试的S21参数保存的文本数据。

图10 S参数测量结果

5 结语

利用可程控仪器和GPIB总线技术基于LabVIEW开发了射频电路实验测试平台。所开发的实验测试平台能够实现9 kHz～3 GHz频段内电路的S参数和频谱的测量。经过一段时间的试运行,表明该实验测试平台具有运行稳定性高、操作简单和界面友好等优点。此实验测试平台被用于射频电路的实践教学中,使测量时的人为错误大大减少,使学生能够更好、更快地完成所要求的实验内容。使用表明，该实验测试平台具有较好的教学应用价值,同时开发运行成本远低于商用测试系统,适合在高校的射频电路实践课程教学中推广使用。

图11 保存在文本的部分数据