图1 多路DAM测试系统原理框图
李国清,张 玲
(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)
摘 要:数字阵列模块(Digital Array Module,DAM)是数字阵列雷达的核心部件,其设计高度集成,技术指标繁多,传统的测试系统效率不高。通过多路DAM自动测试系统设计的可行性分析,优化各技术指标的测试流程和方法,采用高速光纤调制解调、多路发射同步测试、移相精度快速测试等一系列测试技术,完成了4路DAM并行测试的多路DAM自动测试系统设计,并在生产线上进行了测试验证,在自测模式下完成4路DAM的测试时间小于50 min,测试效率大幅提高,为我国某重点型号雷达的科研生产提供了重要支撑和保障。
关键词:数字阵列模块;多路;测试系统;移相精度
随着雷达技术的快速发展,数字阵列雷达成为近年来越来越受人们关注的一种新型相控阵雷达。其中DAM是其核心部件之一。DAM是一种将16个收发通道集成的雷达前端模块,主要完成多通道接收数字化及预处理、多通道的数字波形产生及功率放大、多通道数字波束形成等功能[1]。
DAM生产环节复杂,测试指标繁多,需要测试接收增益、接收信噪比、镜像抑制、通道隔离度、发射功率、发射信噪比、移相精度、发射带宽等指标,这些技术指标直接影响雷达的性能[2]。为了实现批量生产,单路DAM的测试系统已有同行进行过探索。但随着测试技术的快速发展,单路测试系统效率不高、操作繁琐等特点,已不能满足快速批量生产的实际需要。因此,为提升测试效率,设计一个多路的DAM全自动测试系统显得尤为重要[3]。
通过对被测件和测试内容进行分析可知,发射功率、发射信噪比等技术指标可以采用射频仪表程控测试的方式进行;接收类指标测试传统上一般采用前端加射频激励、后端进行响应采集的方式;发射移相精度的测试一般采用脉冲矢网进行,但脉冲矢网造价昂贵,且只能单路串行测试。由于DAM采用光纤进行数据传输,因此多路DAM的控制及同步问题会是一个挑战。
综合以上分析,本系统采用4路DAM同步测试的方案,并对方案中采用的测试技术进行介绍。其中,发射指标采用功率计和频谱仪进行程控测试;接收指标采用信号源,并同步设计光纤采集卡来实现对DAM的控制及数据采集;移相精度测试采用校正接收机来完成下变频和A/D变换采集。其原理框图如图1所示。
图1 多路DAM测试系统原理框图
发射功率是DAM的关键指标之一,其性能的好坏直接影响到雷达的探测距离。发射功率测试时需要做到每个通道和所有频点都覆盖,所以测试时间特别长。本测试系统采用了多路分时同步测试的方式,即通过专用测试板对DAM进行控制,保证4路DAM的发射脉宽和重复频率完全一致,送给每个DAM的导前依次延迟100,200和300μs,使4路DAM在一个脉冲周期内依次打开第一路发射开关,然后用导前同步功率计,控制仪表采用4个MARK同时读数。然后关闭第一路发射,打开4个组件的第二路开关,再次进行测量……重复上述步骤16次,直到所有通道测试完成,如图2所示。
图2 发射功率同步测试截图
移相精度也是DAM的关键指标之一,其性能的好坏直接影响到雷达发射波瓣的形状和威力。一部雷达有5 952个通道、61个频点,一个通道一个频点需要测量72次。如果采用脉冲矢网进行测量,不仅测量速度慢,而且相当昂贵。本测试系统采用校正接收机进行下变频和A/D变换后,在数字域进行相位测试。众所周知,在复变函数理论中:
式中
是否±π由z所在的象限决定。因此,得到了I,Q的值,通过数学运算就可以得到信号的绝对相位;发出移相指令后,再次进行同样的数学运算,通过对比两次的运算结果,可以很容易地得出移相精度的指标。
式中,φa为移相精度,Δφ为相邻两次的变化值,θ2,θ1为相邻两次采样得到的绝对相位值。
一部雷达包含372个DAM、5 952个通道,测试数据量可达120万个,海量的测试数据要在很短的时间内处理和传输是个难题,针对这个问题本系统采用UDP传输和数据后处理技术。
UDP传输技术即使用UDP数据包对测试数据进行传输,此种传输方式优点在于速度快且不需要时刻进行侦听,数据率可达2.5 Gbit/s。将数据由采集端传送到处理端后需要进行运算,这个过程需要耗费大量时间,采用实时处理的数据后处理技术,即利用接收下一批数据的时间对上一批数据进行处理来缩短数据处理时间,并对测试数据的正确性实时核查,遇到不满足要求的数据及时给予告警,使数据后处理的效率提高80%以上,并提高数据正确率达到99%以上。
整个测试系统硬件由适配器和测试机柜两部分组成,如图3所示。
图3 测试系统组成框图
1)适配器由适配网络、光纤采集卡、校正接收机、本振参考源及散热装置组成。
适配网络:在多路DAM测试中,多个通道的发射功率合成及接收激励信号的分配是关键。功率合成及激励信号分配通过专用适配器完成。适配器采用了三级合成,第一级为有源功分开关,每个通道可独立关断,可实现接收隔离度的测试;第二级是多路耦合电路,可实现功率、改善因子和移相精度同步测试;第三级为环行器和负载,能够实现接收和发射所有指标的快速切换,且避免了采用功分电路而造成损耗过大,从而测试指标误差增加的问题,同时也有效地保护了测试仪表不受DAM发射功率烧毁。
光纤采集卡:为了实现4路DAM的自动测试,设计了一块专用的光纤数据采集卡,完成与DAM和计算机之间的数据解调和通信,如图4所示。其主要实现功能有:将DAM数字中频接收模块通过光纤送过来的采样信号进行解调,并依据控制命令送往计算机进行处理和指标分析;通过网口接收计算机传来的控制指令,再转化为光信号送往DAM,完成DAM工作模式、波形代码、工作周期的设置;控制4个16通道有源开关的选通;控制DAM所有通道的发射开关及模式切换[4]。
图4 光纤采集卡原理图
校正接收机:该接收机主要由上下变频、小功率放大模块、中频数字收发等模块组成,主要用于发射移相精度指标的测量。
本振参考源:主要由电源、晶振、一本振插件和时钟产生模块组成。采用直接数字合成的方式进行设计,具有指标高、设备体积小、集成度高等优点。
2)测试机柜主要由信号源、频谱仪、功率计、电源和计算机等组成。
信号源、频谱仪、功率计等射频仪表主要是选择货架产品;电源需要满足DAM工作的电压及电流要求,电压0～50 V可调,电流0～10 A,纹波小于50 m V,具备过压、过流、过温保护,可远程监控。
软件的易用性、可靠性、完备性都将影响自动测试系统的性能好坏,因此选择一个合适的软件平台是首先要考虑的事情。目前,用于自动测试开发的软件品种很多,综合考虑,该系统采用Lab-View和Visual C++(VC)相结合的方式。Lab-View平台作为下位机控制仪表和采集数据,VC平台作为上位机进行数据处理[5]。其软件架构如图5所示。
图5 多路DAM自动测试系统软件架构
在Lab View平台下,软件设计主要实现初始化、参数测量和参数显示三个功能模块。
初始化模块里,网络通信指示用于指示Lab-View平台与VC平台的通信状态;测试模式选择可以让用户根据测试需求选择手动测试模式、自动测试模式、验收测试模式和环境试验测试模式;设测试设备状态中实时监控硬件设备,并在测试设备状态模块中显示仪表和数据采集板的状态;组件状态模块中实时显示DAM的温度、电源BIT、通信链路等信息。
参数测量模块里,仪表总线控制为计算机通过GPIB总线对仪表进行参数设置操作以及测量数值读取;在本振频点控制模块中,计算机通过数字I/O来设置频率源的频率码;接收指标测试及发射指标测试为核心测试模块,完成DAM所有指标的测试;数据处理模块主要对仪表的测试数据和采集板的采集数据进行分析、运算、处理。
在参数显示模块里,有两种显示模块。一是图表显示,包括接收测试时被测信号的时域波形、频域频谱图、I/Q信号的李萨图,发射测试时发射信号的时域脉冲波形及频域的频谱图;二是数据报表显示,测试结果经过精度转化、格式转化,填充显示在各项指标的测量表格中。
在VC平台下,软件的主要功能是实现测量数据的报表输出,它通过网络通信模块与Lab View平台建立连接,将下位机发送的包含有测试结果的数据包进行解析。此外,由于测试回路中功分器、开关、电缆等器件具有插损,因此VC平台中包含一个存储校准数据的数据库,用以对测量结果进行修正。最后,将最终测试数据以模板化的形式显示出来,并且以EXCEL文件格式存储到计算机。
不确定度是计量测试的基本问题,任何计量测试都不可避免地存在着不确定度[6]。不确定度是测量精度或可信程度的反应,不确定度小,测量精度越高,本文选取接收增益这项指标进行分析。
接收增益是通过信号源在DAM的前端施加射频激励信号,后端通过采集后,再测量出插损,通过软件计算得到的。其不确定度主要来源有:
1)插损测量重复性引入的标准不确定度;
2)矢网校准引入的不确定度;
3)信号源幅度不精确引入的不确定度。
1)测量重复性引入的标准不确定度评定分量u1
由于信号或指示不稳定、不重复等各种随机因素,造成测量不具有重复性,通常采用实验标准偏差来表征,用A类评定方法评定。
首先测量信号源输出口到DAM盲插口的插损,用矢网对其重复测量10次,测试数据如下:
实验标准偏差利用下式计算:
2)矢网校准引入的不确定度u2
用B类方法评定,根据矢网N5230A的说明书得知其误差
则由此引起的标准不确定度u2如下:
3)信号源幅度不精确引入的不确定度u3
用B类方法评定,根据信号源AV1464A的说明书得知其误差
则由此引起的标准不确定度u3如下:
4)合成标准不确定度的评定
以上各分量相互独立各不相关,可知其合成标准不确定度uc如下:
本系统对所测试指标的不确定度都进行了分析,由于篇幅原因,其他指标只给出分析结果。
发射功率不确定度为0.08 d B;发射信噪比不确定度为0.32;移相精度不确定度为0.1°;发射带宽不确定度为0.06 MHz。
测试系统完成设计后,连接被测件进行了测试验证。经过实测,该测试系统能够完成DAM发射、接收等所有技术指标的测试,如图6所示。在自测模式下完成4路DAM测试的时间为44 min;在验收模式下完成4路DAM测试的时间为25 min;在环境试验模式下完成4路DAM测试的时间为21 min。同时,测试过程中仪表控制、开关控制、DAM切换等全部实现自动化,做到了“无人值守测试”。
图6 指标测试界面
本文提出了一种多路DAM自动测试系统的设计和实现方法,在硬件上实现了被测件和适配器、测试机柜的高度集成,软件上采用了上位机和下位机使用不同软件平台、通过UDP协议互联的方式,设计结果满足测试要求。目前该测试系统已应用在某重点型号雷达的科研生产中,产生了较高的经济和社会效益,同时也为其他型号DAM的集成测试提供了可借鉴的解决方案。
参考文献:
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[6]张思敏,盛永鑫.DAM测试系统校准[J].国外电子测量技术,2012,31(10):39-42.
Design of Multiplex DAM Automatic Test System
LI Guoqing,ZHANG Ling
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)
Abstract:Digital array module(DAM)is the core component of digital array radar.In this paper,the efficiency challenges of traditional DAM test system due to DAM’s highly integrated design and numerous technical specifications are discussed.Through analyzing feasibility and optimizing test procedure and metrology of technical specifications,an automatic test system for multiple-channel DAMs is proposed for the first time and is verified in the production line.A series of test techniques are employed such as high-speed fiber modem technology,synchronous test technology for multiple transmitters,fast test technology for phase shift accuracy,etc.Measurements of four-channel DAMs in parallel are presented.Results show that the measurement time for four-channel DAMs in the self-test mode is less than 50 minutes,indicating a substantial increase in the test efficiency.The automatic test system presented in this paper provides an important support for the research and production of key radar equipments in China.
Key words:digital array module(DAM);multi-channel;test system;phase-shift precision
中图分类号:TN957.5;TP206
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)02-0220-05
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.019
收稿日期:2016-10-25;
修回日期:2016-12-21
作者简介:
李国清男,1981年12月出生于山东济宁,2003年毕业于山东大学信息科学与工程学院电子信息工程专业,现为中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师,主要从事雷达收发系统及测试技术方面的研究。
E-mail:66640996@qq.com
张 玲女,1987年4月出生于安徽宿州,2014年毕业于电子科技大学微波电路与系统专业,获硕士学位,现为中国电子科技集团公司第三十八研究所助理工程师,主要从事雷达收发系统方面的研究。