短波接收機(jī)便攜式自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前，對(duì)短波電臺(tái)的檢測(cè)主要依靠傳統(tǒng)測(cè)試方法，需要的測(cè)量儀器種類繁多、操作復(fù)雜、對(duì)測(cè)試人員要求高，且測(cè)試儀器笨重，不便于攜帶，無法滿足野外及復(fù)雜情況的要求。本文提出了一種綜合各種通用儀表相關(guān)功能，且具備自動(dòng)測(cè)試能力的便攜式小型電子設(shè)備，此設(shè)備將頻譜儀、頻率計(jì)、功率計(jì)、射頻源和音頻分析儀等現(xiàn)代通信電臺(tái)測(cè)試中最常用設(shè)備的測(cè)試功能進(jìn)行集成后，用上位機(jī)軟件Matlab和C++混合編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試，即自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)。

1 總體設(shè)計(jì)

此自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)由測(cè)試終端、測(cè)試模塊和配套電纜等組成，如圖1所示。

此測(cè)試平臺(tái)分為兩個(gè)功能單元，射頻產(chǎn)生單元和音頻采集分析單元。射頻產(chǎn)生單元可產(chǎn)生不同調(diào)制方式的信號(hào)。音頻采集分析單元可接收來自電臺(tái)輸出的音頻信號(hào)并音頻采集分析單元可接收來自電臺(tái)輸出的音頻信號(hào)，并完成分析。測(cè)試模塊內(nèi)部總體設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 射頻產(chǎn)生單元

根據(jù)國標(biāo)要求，在測(cè)試接收機(jī)相關(guān)指標(biāo)時(shí)，需加入射頻信號(hào)到接收機(jī)射頻口。本模塊可產(chǎn)生AM/DSB/SSB(USB/LSB)模擬調(diào)制模式和BPSK/QPSK/8PSK/2PSK數(shù)字鍵控模式信號(hào)，常用的產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的方法是用Matlab產(chǎn)生FTR濾波器所需要的系數(shù)，F(xiàn)PGA中的FIR編譯核調(diào)用Matllah產(chǎn)生的FIR系數(shù)來產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)所需的FIR濾波器，最后將程序下載至

FPGA中，此方法更改參數(shù)復(fù)雜，操作繁瑣，不適應(yīng)于自動(dòng)測(cè)試中。本文采用了一種基于信號(hào)正交變換理論和數(shù)字信號(hào)處理算法，以軟件編寫和硬件電路結(jié)合的方法，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)內(nèi)插濾波、正交調(diào)制變頻，產(chǎn)生不同帶寬、不同制式的射頻信號(hào)。

一個(gè)頻譜的單頻率信號(hào)的離散化時(shí)域表達(dá)式如式(1)所示

S(nTs)=a(nTs)cos[wcnTs+φ(nTs)] (1)

對(duì)其信號(hào)進(jìn)行正交分解，從而便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，正交分解表達(dá)式如式(2)所示

S(nTs)=I(n)cos(wcnTs)+Q(n)sin(wcnTs) (2)

若要產(chǎn)生任何一種調(diào)制信號(hào)，只需求出Q(n)、I(n)，與sin(wcnTs)、cos(wcnTs)相乘，調(diào)制信號(hào)S(nTs)即為兩路信號(hào)相加后得到。正交調(diào)制框圖如圖3所示。

SSB為常用工作方式，這里主要介紹單邊帶調(diào)制過程。將SSB時(shí)域信號(hào)離散化后表達(dá)式如式(3)所示

式(6)和式(7)中，wm為基帶調(diào)制信號(hào)的角頻率，M=N/2，N為濾波器階數(shù)。

調(diào)制信號(hào)通過上位機(jī)C++和Matlab軟件混合編程進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)后，提供API接口函數(shù)int Rf Enable(int Number，int Type，int Enable)供上位機(jī)開發(fā)軟件調(diào)用，說明：射頻輸出/停止，Number為USB標(biāo)識(shí);Type為0：單音，Type為1;SSB，Type為2;AM，Enable為1使能。接口函數(shù)int SetRF(int Number，double OutPower，double OutFreq)，說明用于發(fā)送射頻頻率和射頻功率，Number為USB標(biāo)識(shí)，OutFreq為輸入射頻頻率，Out Power為輸入射頻功率。

在上位機(jī)軟件界面即可靈活地選擇調(diào)制方式，控制硬件電路的FPGA，F(xiàn)PGA將信號(hào)傳輸?shù)紸D9910進(jìn)行上邊頻處理，變頻后通過射頻口輸出已調(diào)信號(hào)，產(chǎn)生不同帶寬、不同制式、不同頻率的射頻調(diào)制信號(hào)。射頻信號(hào)產(chǎn)生單元的原理框圖如圖4所示。

相比傳統(tǒng)測(cè)試時(shí)需要在儀器上設(shè)置工作方式、頻率、功率等操作，本自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)將此類設(shè)置操作全部封裝在軟件中自動(dòng)執(zhí)行，測(cè)試人員只選擇需要測(cè)試的性能指標(biāo)，而無需關(guān)注測(cè)試時(shí)的具體設(shè)置參數(shù)，即可一鍵自動(dòng)測(cè)試。

2.2 音頻采集分析單元

音頻信號(hào)分析單元完成電平測(cè)量、信納德測(cè)量、頻率測(cè)量和失真度測(cè)量的4個(gè)主要功能。音頻電平測(cè)量、信納德測(cè)量和失真度采用相同的信號(hào)處理電路，其測(cè)量原理如圖5所示，由MCU對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，并通過算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出音頻頻率值、電平值、失真度值與信納德值。

音頻信號(hào)分析是采用STM32的A/D采集來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD數(shù)據(jù)位是12位，則精度為3.3 V/212=0.8 mV，STM32的采樣電平范圍是0～3.3 V，需要對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，通過衰減電路，將輸入音頻信號(hào)衰減到原來的0.275，然后用PGA芯片MCP6S21對(duì)信號(hào)進(jìn)行如表1的處理，使之峰峰值在1.6～3.2 V以內(nèi)。

再經(jīng)過加法器為音頻信號(hào)增加直流偏置1.65 V，則得到既可滿足STM32的采樣電平范圍又能使采樣信號(hào)接近3.3 V的音頻信號(hào)。輸入音頻信號(hào)與經(jīng)調(diào)理后的采樣信號(hào)關(guān)系如式(8)所示。

So=1.65+0.275×GSi (8)

其中，So為采樣信號(hào);Si為音頻信號(hào)Vrms;G為可編程增益。

(1)音頻電平測(cè)量算法。采樣率為40 960 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，采樣時(shí)間為25 ms，在輸入信號(hào)范圍內(nèi)，對(duì)200 Hz的信號(hào)可在每個(gè)周期采200點(diǎn)，采5個(gè)周期;10 kHz的信號(hào)可在每個(gè)周期采40點(diǎn)，采25個(gè)周期。音頻電平的計(jì)算公式如式(9)所示

式中，Amax為采樣點(diǎn)最大值;Amin為采樣點(diǎn)最小值;G為可編程增益。

(2)音頻信納德算法。音頻信納德測(cè)量時(shí)，采用51 200 Hz采樣率，采集1 024點(diǎn)進(jìn)行FFT變換，采樣時(shí)間為20 ms，可對(duì)1 kHz的五次諧波每周期采集10點(diǎn)。A/D采集后的信號(hào)直接進(jìn)行FFT變換，F(xiàn)FT變換采用STM32自帶的1 024點(diǎn)FFT變換函數(shù)，F(xiàn)FT變換后取得變換的功率值，然后分析出1 kHz主波及二次諧波、三次諧波、四次諧波、五次諧波，用1 kHz主波的值與其諧波的和進(jìn)行比較，計(jì)算出信納德值。

(3)音頻頻率測(cè)量算法。音頻頻率測(cè)量采用STM32的計(jì)脈沖功能，通過計(jì)算外部信號(hào)的兩個(gè)脈沖上升沿間，內(nèi)部時(shí)鐘記錄的脈沖數(shù)，可計(jì)算出信號(hào)的周期，從而計(jì)算出信號(hào)的頻率。

音頻測(cè)試采用A/D+精細(xì)化FFT算法軟件，進(jìn)行音頻信號(hào)電平測(cè)量和失真度測(cè)量。在頻譜分析時(shí)由于諧波頻率預(yù)先不知，很難實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整數(shù)次諧波采樣，這樣就不可避免地存在由于時(shí)域的截?cái)喽a(chǎn)生的譜泄露，而且FFT只能對(duì)有限長度的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得頻譜存在柵欄現(xiàn)象，只能觀測(cè)有限個(gè)頻率點(diǎn)譜線。針對(duì)上述問題，本方案采用一種頻譜細(xì)化的方法，不增加采樣數(shù)據(jù)長度，在FFT諧波分析方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的調(diào)制，可得到高分辨率的細(xì)化頻譜。

3 測(cè)試流程

接收機(jī)性能指標(biāo)主要包括音頻頻率、音頻響應(yīng)、總失真系數(shù)、帶外互調(diào)。以音頻響應(yīng)為例介紹其測(cè)試流程。根據(jù)國標(biāo)《GB/T6934-1995短波單邊帶接收機(jī)電性能測(cè)量方法》自動(dòng)測(cè)試流程如圖6所示。

(1)初始化。終端通過信號(hào)線設(shè)置接收機(jī)工作頻率、工作方式靜噪模式等相關(guān)參數(shù)。(2)測(cè)試平臺(tái)將標(biāo)準(zhǔn)單音信號(hào)輸入接收機(jī)射頻口。(3)接收機(jī)解調(diào)后，將音頻信號(hào)輸出到測(cè)試模塊，進(jìn)行音頻采集分析并調(diào)節(jié)電臺(tái)音量。(4)終端軟件改變射頻輸入信號(hào)的頻率，將接收機(jī)音頻信號(hào)采集分析的最大電平值和最小電平值相除，其比值即為音頻相應(yīng)。

音頻響應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)的偽代碼如圖7所示，軟件可用循環(huán)程序省去人工測(cè)試時(shí)繁瑣、復(fù)雜的操作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。

傳統(tǒng)的方法測(cè)試接收機(jī)音頻響應(yīng)時(shí)，首先在測(cè)試頻率計(jì)、功率計(jì)或綜測(cè)儀上設(shè)置工作方式、輸出功率、頻率、靜噪模式等，然后需要手動(dòng)在儀器上改變頻率，范圍是300～3 000 Hz，以10 Hz步進(jìn)，從綜測(cè)儀中讀出每個(gè)頻率點(diǎn)所輸出的音頻電平，找出最大和最小頻率，兩者相比即為音頻相應(yīng)。操作復(fù)雜、繁瑣。

本自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)在測(cè)試時(shí)將人工操作全部封裝在軟件中自動(dòng)執(zhí)行，尤其是軟件以10 Hz步進(jìn)自動(dòng)改變頻率，采集到的所有電平自動(dòng)進(jìn)行比較找出最大和最小電平，操作人員只需在上位機(jī)測(cè)試軟件界面選擇相應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試平臺(tái)即可完成自動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后返回測(cè)試結(jié)果，操作簡易，直觀。

4 測(cè)試結(jié)果分析

將本自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)測(cè)試結(jié)果與綜合測(cè)試儀測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，如表2所示。

由表2可知，本文實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)滿足對(duì)短波接收機(jī)儀器測(cè)試的要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)音頻頻率、失真度、帶外互調(diào)和音頻相應(yīng)等主要指標(biāo)的測(cè)試，與綜合測(cè)試儀測(cè)試結(jié)果對(duì)比，滿足測(cè)試要求。

本文實(shí)現(xiàn)的測(cè)試平臺(tái)上位機(jī)控制軟件界面如圖8所示。

5 結(jié)束語

此測(cè)試平臺(tái)相比與傳統(tǒng)測(cè)量方法具有易操作性、便攜性的特點(diǎn)，可將傳統(tǒng)儀器測(cè)試時(shí)及其復(fù)雜的操作簡單化，通過上位機(jī)軟件控制，可根據(jù)不同種類的電臺(tái)接收機(jī)、不同的測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行軟件的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并具有開放性，可隨著測(cè)試需要進(jìn)行軟硬件升級(jí)。下一步將繼續(xù)優(yōu)化測(cè)試步驟，優(yōu)化測(cè)試界面，使操作更簡易，測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。