声呐多通道接收机测试系统的设计与实现

李淑萍 董卫珍 李玉娥

（上海船舶电子设备研究所，上海，201108）

多通道接收机是多波束声呐的重要组成部分，主要完成接收小信号的放大、滤波、可编程增益控制等[1-3]。接收机工作状态是否正常、技术指标是否满足要求，直接影响着声呐的整体性能。多通道声呐接收机要求各个通道在一定带宽内具有平坦的幅频特性，且带外噪声抑制效果好，通道间需要保证一定的幅度、相位一致性，接收机整体要求噪声低、灵敏度高、增益可控范围大[4-5]。为了准确评估接收机各通道之间幅度一致性、相位一致性、带宽、噪声、增益可控范围等各项技术指标，常用测试系统由扫频仪、频谱分析仪、示波器等专业设备搭建，价格昂贵且无法满足多通道快速测试的需求，为此有必要研发声呐系统多通道接收机测量系统。本文设计并开发的声呐多通道接收机测试系统，基于LabView软件设计配合硬件电路开发，能快速有效的完成接收机各项指标的测试。

1 测试系统组成

声呐多通道接收机测试系统主要由信号源模块、数据采集模块、主控计算机等几个部分组成。信号源模块向接收系统发送多通道模拟小信号；主控计算机运行测试软件，控制信号源产生测试所需的信号，调用不同功能模块对接收机各项技术指标进行测试；数据传输模块完成接收系统各个通道的数据采集并通过千兆网口上传至主控计算机。测试系统组成框图如图1所示。

信号源模块为测试系统提供测试信号，由信号源、信号分配两部分组成。信号源采用标准设备Keysight33210信号发生器，使用直接数字合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS），可生成稳定、纯净、低失真的正弦信号，频率输出最高可到10 MHz，幅度输出范围10 mV～10 V。该设备自带图形模式便于信号设置，同时也可以通过串口接收主控计算机的指令，根据测试系统的要求，输出需要的测试波形。为满足接收机测试系统小信号的输入要求，信号分配主要完成信号发生器输出信号的衰减，并将信号分成多路，分别加载到各待测通道的输入端。

图1 声呐多通道接收机测试系统组成框图

信号采集模块使用多路AD同时采集所有通道输出的模拟信号，并将采集数据打包上传至主控计算机，进行数据分析，得出测试结果。本测试系统的采集器件使用 Ti公司的 18位 ADC芯片ADS9110[6]，信号输入范围是10 V，数据采样率最高可达2 MHz。数据的传输模块采用Xilinx公司的FPGA芯片Virtex-XC5VLX50T[7]实现，该器件不仅有丰富的存储容量和逻辑单元，还内嵌千兆网硬核MAC（Media Access Control）控制器，通过配置MAC控制器可与主控计算机建立网络连接。通过FPGA时序控制，可实现多路AD同步采集，并将多路AD采集的结果打包，上传至主控计算机。

2 系统软件设计

测试分析软件采用NI公司的LabView图形化语言编程实现。多通道接收机测试系统软件分为接口模块、通道指标测试模块、界面显示模块。测试系统软件整体方案框图如图2所示。

图2 多通道接收测试系统软件方案框图

接口模块有三个主要功能：第一是通过串口控制信号源，产生不同频率、不同幅度的信号波形。第二是与测试系统的数据传输模块建立网络连接，下发同步采集命令、采样频率、测试通道数等命令，接收、解析上传数据。第三是保存测试数据结果和采集数据，便于设备的其它用途。

通道分析模块是测试系统软件的关键模块，对各通道采集数据进行一定的算法分析，分别以图形、文本的形式给出各通道的测试结果，完成测试系统所有通道技术指标测试。其中通道一致性测试给出每个通道的幅度、相位信息，并计算出各通道间的幅度、相位差异；通道频响测试通过扫频测量，绘制出通道滤波器频响曲线图，计算出滤波器的带宽、带外抑制能力等指标；通道噪声测试完成各通道等效输入噪声分析；通道增益控制范围的测试是指通过测量通道不同增益控制下的信号幅值，绘制通道增益曲线图，计算通道动态范围。

界面显示模块使测试系统具有良好的人机交互界面，可设置信号源的频率、幅值、波形形式，也可以图形化、列表格显示通道测量结果，同时还可以保存并导出测试结果便于测试数据的后续分析使用。测试系统界面显示如图3所示。

图3 测试系统界面

3 测试方法

多通道接收机完成输入小信号的放大、滤波、增益控制，其技术指标的测试项主要有：通道幅度一致性、相位一致性、滤波器带宽及带外抑制能力、短路噪声、增益控制范围。

3.1 幅度一致性的测量

测试软件控制信号源输出一定频率、一定幅度的正弦信号，接收通道保持固定增益，数据采集模块同时采集接收通道输出信号并上传，N个采样点后，测试软件停止采样。然后按照以下步骤，开始计算各通道信号的幅度误差。

（1）根据下式计算各通道采集数据的平均值。

式中，Dj(i)为第j通道的数据采样值，N为数据采样点数，Aj为第j通道的数据采样平均值。

（2）根据下式计算得到各通道的有效值。

（3）根据下式计算各通道有效分贝值。

式中，Vin为输入正弦信号的幅度有效值。

3.2 相位一致性的测量

相位一致性的测量过程和幅度一致性的测量一致，各通道信号的相位误差的计算按照以下步骤进行。

（1）根据公式（1）得到各通道采集数据的平均值Aj，根据下式得到数组arrj，arrj为1×N的矩阵。（2）根据下式得到各通道的希尔伯特变换矩阵。

式中，H(·)表示对矩阵进行希尔伯特变换，i=1,…N,表示各通道数据幅值，表示各通道相位。

（3）根据下式得到每个采样点各通道与第一通道的相位差。

式中，Re(·)、Im(·)分别代表实部和虚部。

（4）根据下式得到度数表示的各通道与第一通道的相位差。

3.3 滤波器带宽及带外抑制能力的测量

测试软件通过设置信号源的扫描频率和步长，控制信号源输出一定频率、一定幅度的正弦信号，数据采集模块同时采集接收通道输出信号并上传，测试软件计算每个频率点的通道放大量，并计算滤波器带宽和带外抑制比。

接收机常用的带通滤波器的频率响应曲线如图4所示，分为阻带、通带、阻带三个部分。为测量精准，阻带测量时扫频步长可以较长，输入信号幅度比较大，在通带内扫频步长较小，同时为了使信号不失真，输入小幅度信号。扫描步长和输入信号的幅度应根据扫描时刻，由程序控制其自动改变。

图4 带通滤波器频率响应曲线

扫频频率需要设置起始频率fo，终止频率fz，低阻带频率fl，高阻带频率fh，通带步长Dt和阻带步长Dz及通带内输入量程Ct，阻带输入量程Cz。其测试的程序流程图如图5所示。

图5 带通滤波器频率响应测量流程图

3.4 短路噪声的测量

接收机短路噪声的测量是将各通道模拟输入接地，数据采集模块同时采集接收通道输出信号并上传，测试软件按如下步骤计算各通道短路噪声：

（1）根据式（1）～（3），可以得到输出端的短路噪声DLoj；

（2）根据公式（8），得到等效到输入端的短路噪声DLj。

式中，DLoj为第j通道的输出端短路噪声，Vj为对应通道的增益。

3.5 增益控制范围的测量

测试软件控制信号源输出一定频率、一定幅度的正弦信号，同时设定接收机最小增益，数据采集模块同时采集接收通道输出信号并上传，测试软件计算通道信号的幅度值。按照一定步长增加接收机增益，并重新采样计算通道信号幅度值，直至接收机增益设定最大值。

4 测试结果演示

现以一个 64通道接收机为例，利用测试系统测试其技术指标。接收机中心频率80 kHz，信号带宽30 kHz，为保证测试精度，设定AD采集模块的采样率400 kHz，上传数据量约500 Mbit。因为数据量较大，测试软件采取先以文件形式保存采样数据，然后再分析采样数据，计算各项技术指标。

测试软件共有 4个子界面，分别是自动测量、频率响应测量、相位差测量和手动测量。四个界面集成在同一个系统里，通过界面上的按钮进行选择。测试软件子程序选择按钮如图6所示。自动测量子界面可完成接收电路的幅度测量、增益可控范围测量、短路噪声测量；频率响应测量子界面完成通道滤波器特性测量；相位差测量完成通道间相位一致性的测量；手动测量主要是指在测量过程中不是软件而是手动控制信号源。

选用自动测量界面测量通道一致性。在采样参数设置中，设置采样率和采样点，信号源设置中设置信号的类型、频率、幅度等，测量结果选择以文本方式存储在计算机硬盘中，待测试信号稳定后点击开始记录按钮，则记录电压有效值。波形图中显示测量信号的波形，右侧的方框中显示部分通道电压值、增益、频率等信息。测试软件自动测量界面如图6所示。

图6 测试软件自动测量界面

通过分析存储的采集数据，计算一定增益下的通道一致性，并将测试结果绘图。64接收通道的幅度一致性测量结果如图7所示。

图7 64接收通道的幅度一致性测量结果

选用频率响应界面测量通道滤波器频响曲线。设置扫频起始频率、终止频率、扫描频率步长等参数，点击上方的开始按钮，即可开始扫频。一次扫频测量可以同时得到接收通道幅频和相频的信息。

测试软件频率响应测量界面如图8所示。界面同时有三个波形窗口，上面为信号波形显示窗口，能够实时显示信号的波形和幅度。中间窗口能够实时显示某一选定通道的动态扫频过程。下面窗口在扫频结束时，显示出所测试的全部信号的频率响应曲线。通过分析存储的通道幅频数据，计算通道滤波器带宽、带外抑制能力，并绘图。64通道接收滤波器响应测量结果如图9所示。

上述两例演示结果表明，该多通道接收机测试系统具有良好的人机交互界面，可便捷设置各种参数，也可以实时图形化或列表格显示通道测量结果。当通道数较多，数据量较大时还可以保存并导出测试数据结果便于测后继续分析使用。

图8 测试软件频率响应测量界面

图9 64通道的频率响应测量结果

5 结束语

本文设计并实现了一种多通道声呐接收机测试系统，使用多路AD同时采集所有通道输出的模拟信号，并将采集数据打包上传至主控计算机进行数据分析，同时基于LabView图形化语言编程测试分析软件，实现了对接收机通道各项性能指标的测试。对接收机幅度一致性、通道一致性、频率响应等技术指标的一体化测试结果准确有效、方便直观,表明该系统具有操作便捷、测试准确、稳定性高等优点，满足对接收机性能的测试需求。本文实现的测试系统能广泛应用于声呐、语音等微弱信号探测前端硬件技术领域。