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【摘要】本文简单介绍了仪器行业的发展概述，指出合成仪器在当今已是一项成熟技术，随后重点介绍了一种基于合成仪器技术，用于航空领域无线电系统测试的新的仪器“航空无线电综合测试设备”的仪器组成、软件实现方法，并针对合成仪器的技术特点展开讨论，最后对合成仪器的未来进行了展望。
【关键词】合成仪器；航空无线电；综合测试；FPGA
1.行业发展概述
几十年来，基于台式仪器的自动测试系统（ATS）一直是航空和国防应用中采用的主导架构。20世纪80年代后期，基于VXI的模块化系统克服了机架和堆叠方法的多个缺点。安装在多插槽主机中板卡仪器降低了系统的尺寸和重量。20世纪90年代中期，美国国防部为开发下一代自动测试系统，提出了合成仪器的最初原型，而现代合成仪器的概念则来源于软件无线电（SDR）的思想。合成仪器是一种模块化的硬件和软件测试方案，用来将单独的硬件和软件测试模块连接成一个新颖紧凑的系统并仿真标准仪器，最终结果是产生一种形态可变的通用系统架构。合成仪器的基本原理框图如图1所示。
图1 合成仪器基本原理框图
时至今日，基于PXI的合成仪器技术已日趋成熟，仪器模块的技术指标已越来越接近台式仪器。本文介绍一种将合成仪器用于航空无线电系统的模拟和测试的航空无线电综合测试设备，设备分为两种结构形式，台式设计满足上架及试验室需求，便携式设计适合外场及原位测试，设备两种结构形式如图2、3所示。
图2 台式航空无线电综合测试设备
图3 便携式航空无线电综合测试设备
2.航空无线电综合测试设备的硬件组成
航空无线电综合测试设备基于合成仪器技术和PXI总线技术构建，在同一块PXI背板上集成了矢量信号源、矢量信号分析仪、FPGA模块、音频信号发生采集器、数字化仪、任意波发生器和开关模块等测试资源，各种测试资源以及UUT之间通过开关模块进行连接和切换。设备具备了24bit音频信号输出和测量、DC～6.6GHz信号输出、DC～26.5GHz信号测量的能力。其组成结构如图4所示。
图4 基于合成仪器的
航空无线电综合测试设备的硬件组成
在整个航空无线电综合测试设备中，FPGA模块、音频信号发生采集器、数字化仪、任意波发生器和开关模块属单模块仪器，矢量信号源和矢量信号分析仪为多模块仪器，模块之间采用射频线缆连接。在这些仪器中，上/下变频实现频谱搬移，可完成模拟信号在中频、射频以及微波频段之间变换。
3.航空无线电综合测试设备的软件
航空无线电综合测试设备软件采用分层设计思想，在Windows XP系统下，以LabVIEW作为软件开发和运行环境，以下又分为仪器驱动层和应用软件层，仪器驱动提供了应用软件模块开发的所需的接口定义及其库文件，功能软件模块以LabVIEW为开发环境，调用仪器驱动和其他库文件，自行定制各种复杂的软件算法，对信号进行软件分析处理，最终将程序文件打包形成多种功能的应用软件模块。软件的结构框图如图5所示。
图5 航空无线电综合测试设备软件结构框图
管理运行软件对所有应用软件模块进行集中的管理和维护，方便使用者进行操作和管理。管理运行软件界面如图6所示。
图6 管理运行软件界面
截至目前，已在航空无线电综合测试设备18项航空无线电系统通用和专用软件模块，极大地满足了无线电系统机载设备测试的需要。
序号 模块名称 序号 模块名称
1 塔康精密模拟器 11 北斗信号模拟器
2 微波着陆模拟器 12 基带脉冲信号源
3 无线电罗盘模拟器 13 DME信号模拟器
4 电台综测仪 14 中频多普勒频移模拟器
5 无线电高度表模拟器 15 射频矢量信号源
6 VOR信号模拟器 16 矢量信号分析仪
7 ILS信号模拟器 17 数字化仪
8 应答机测试模拟器 18 音频信号源
9 GPS信号模拟器 19 音频信号分析仪
10 罗兰C信号模拟器 20 任意波形发生器
4.航空无线电综合测试设备的技术特点
4.1 综合性强、灵活性强
航空无线电综合测试设备在高性能的硬件资源的支持下，覆盖DC～6.6GHz范围的信号输出能力和DC～26.5GHz范围的信号测量的能力，应用软件无线电的思想进行软件设计。开发出的软件模块既有通用功能模块，也包括各种专用软件模块，模块数量总共达20多种。针对不同的应用，设备可以选用不同的软件模块配置或配置组合。
4.2 操作性强
作为一台多功能的仪器，航空无线电综合测试设备可采用多种方式进行操作。前面板配有一块8.4寸高亮带触摸功能显示屏，可以触摸控制；显示屏右侧配备功能按键和数字按键，可以按键控制；仪器配备USB接口，也用鼠标和键盘进行控制；仪器自始至终是按照LXI C类仪器进行设计，满足用户程控需求。
4.3 高采样率ADC/DAC技术
合成仪器通过将中频信号上变频完成信号输出功能、将高频信号下变频后对中频信号进行分析完成信号测试功能，ADC/DAC是连接模拟域和数字域之间的接口。航空无线电综合测试设备的ADC采样率高达4GS/s，DAC采样率高达400MS/s，通过ADC/DAC可以准确地将采集的信号重建或生成上变频器的激励信号。
4.4 可编程FPGA技术
以往的可编程仪器，往往不具备实时处理能力。对信号进行处理，通常的做法是先将信号进行数字化采集，然后将数据读取到控制器的内存中，再进行处理和运算，再将处理后的数据传送到仪器模块中，这样的系统常常因为信号处理速度慢而不能很好的满足系统的实时性要求。
可编程FPGA技术在合成仪器领域的运用，使原来不得不在上位机处理器中进行的处理和运算能够实时的通过FPGA的可编程门阵列的进行处理。这样的合成仪器模块设计灵活、速度块、准确度高、功耗低，同时又具备可重配置性，市场上大量的第三方IP核，也可在某种程度上减少开发时间。采用可编程FPGA模块可进行时域分析、频域分析、信号强度测量、频率测量及协议解码等工作。
5.未来展望
合成仪器诞生于美国国防部的下一代自动测试系统，如今在美国海军、陆军、空军中都有所应用，但在国内的军、民用测试领域尚未十分成熟，随着近几年安捷伦、NI等公司一些新的、高性能的合成仪器产品进入中国市场，中国的测试行业正在经历着飞速的变化，合成仪器向着硬件更通用、软件更强大、客户可定制、软件替代硬件实现测试的方向发展传统仪器越来越受到性能更高、价格更低的模块化合成仪器的挑战，未来一段时间内，我们会看到合成仪器更多地应用到军、民用航空测试领域，更好的未航空测试服务。
【关键词】合成仪器；航空无线电；综合测试；FPGA
1.行业发展概述
几十年来，基于台式仪器的自动测试系统（ATS）一直是航空和国防应用中采用的主导架构。20世纪80年代后期，基于VXI的模块化系统克服了机架和堆叠方法的多个缺点。安装在多插槽主机中板卡仪器降低了系统的尺寸和重量。20世纪90年代中期，美国国防部为开发下一代自动测试系统，提出了合成仪器的最初原型，而现代合成仪器的概念则来源于软件无线电（SDR）的思想。合成仪器是一种模块化的硬件和软件测试方案，用来将单独的硬件和软件测试模块连接成一个新颖紧凑的系统并仿真标准仪器，最终结果是产生一种形态可变的通用系统架构。合成仪器的基本原理框图如图1所示。
图1 合成仪器基本原理框图
时至今日，基于PXI的合成仪器技术已日趋成熟，仪器模块的技术指标已越来越接近台式仪器。本文介绍一种将合成仪器用于航空无线电系统的模拟和测试的航空无线电综合测试设备，设备分为两种结构形式，台式设计满足上架及试验室需求，便携式设计适合外场及原位测试，设备两种结构形式如图2、3所示。
图2 台式航空无线电综合测试设备
图3 便携式航空无线电综合测试设备
2.航空无线电综合测试设备的硬件组成
航空无线电综合测试设备基于合成仪器技术和PXI总线技术构建，在同一块PXI背板上集成了矢量信号源、矢量信号分析仪、FPGA模块、音频信号发生采集器、数字化仪、任意波发生器和开关模块等测试资源，各种测试资源以及UUT之间通过开关模块进行连接和切换。设备具备了24bit音频信号输出和测量、DC～6.6GHz信号输出、DC～26.5GHz信号测量的能力。其组成结构如图4所示。
图4 基于合成仪器的
航空无线电综合测试设备的硬件组成
在整个航空无线电综合测试设备中，FPGA模块、音频信号发生采集器、数字化仪、任意波发生器和开关模块属单模块仪器，矢量信号源和矢量信号分析仪为多模块仪器，模块之间采用射频线缆连接。在这些仪器中，上/下变频实现频谱搬移，可完成模拟信号在中频、射频以及微波频段之间变换。
3.航空无线电综合测试设备的软件
航空无线电综合测试设备软件采用分层设计思想，在Windows XP系统下，以LabVIEW作为软件开发和运行环境，以下又分为仪器驱动层和应用软件层，仪器驱动提供了应用软件模块开发的所需的接口定义及其库文件，功能软件模块以LabVIEW为开发环境，调用仪器驱动和其他库文件，自行定制各种复杂的软件算法，对信号进行软件分析处理，最终将程序文件打包形成多种功能的应用软件模块。软件的结构框图如图5所示。
图5 航空无线电综合测试设备软件结构框图
管理运行软件对所有应用软件模块进行集中的管理和维护，方便使用者进行操作和管理。管理运行软件界面如图6所示。
图6 管理运行软件界面
截至目前，已在航空无线电综合测试设备18项航空无线电系统通用和专用软件模块，极大地满足了无线电系统机载设备测试的需要。
序号 模块名称 序号 模块名称
1 塔康精密模拟器 11 北斗信号模拟器
2 微波着陆模拟器 12 基带脉冲信号源
3 无线电罗盘模拟器 13 DME信号模拟器
4 电台综测仪 14 中频多普勒频移模拟器
5 无线电高度表模拟器 15 射频矢量信号源
6 VOR信号模拟器 16 矢量信号分析仪
7 ILS信号模拟器 17 数字化仪
8 应答机测试模拟器 18 音频信号源
9 GPS信号模拟器 19 音频信号分析仪
10 罗兰C信号模拟器 20 任意波形发生器
4.航空无线电综合测试设备的技术特点
4.1 综合性强、灵活性强
航空无线电综合测试设备在高性能的硬件资源的支持下，覆盖DC～6.6GHz范围的信号输出能力和DC～26.5GHz范围的信号测量的能力，应用软件无线电的思想进行软件设计。开发出的软件模块既有通用功能模块，也包括各种专用软件模块，模块数量总共达20多种。针对不同的应用，设备可以选用不同的软件模块配置或配置组合。
4.2 操作性强
作为一台多功能的仪器，航空无线电综合测试设备可采用多种方式进行操作。前面板配有一块8.4寸高亮带触摸功能显示屏，可以触摸控制；显示屏右侧配备功能按键和数字按键，可以按键控制；仪器配备USB接口，也用鼠标和键盘进行控制；仪器自始至终是按照LXI C类仪器进行设计，满足用户程控需求。
4.3 高采样率ADC/DAC技术
合成仪器通过将中频信号上变频完成信号输出功能、将高频信号下变频后对中频信号进行分析完成信号测试功能，ADC/DAC是连接模拟域和数字域之间的接口。航空无线电综合测试设备的ADC采样率高达4GS/s，DAC采样率高达400MS/s，通过ADC/DAC可以准确地将采集的信号重建或生成上变频器的激励信号。
4.4 可编程FPGA技术
以往的可编程仪器，往往不具备实时处理能力。对信号进行处理，通常的做法是先将信号进行数字化采集，然后将数据读取到控制器的内存中，再进行处理和运算，再将处理后的数据传送到仪器模块中，这样的系统常常因为信号处理速度慢而不能很好的满足系统的实时性要求。
可编程FPGA技术在合成仪器领域的运用，使原来不得不在上位机处理器中进行的处理和运算能够实时的通过FPGA的可编程门阵列的进行处理。这样的合成仪器模块设计灵活、速度块、准确度高、功耗低，同时又具备可重配置性，市场上大量的第三方IP核，也可在某种程度上减少开发时间。采用可编程FPGA模块可进行时域分析、频域分析、信号强度测量、频率测量及协议解码等工作。
5.未来展望
合成仪器诞生于美国国防部的下一代自动测试系统，如今在美国海军、陆军、空军中都有所应用，但在国内的军、民用测试领域尚未十分成熟，随着近几年安捷伦、NI等公司一些新的、高性能的合成仪器产品进入中国市场，中国的测试行业正在经历着飞速的变化，合成仪器向着硬件更通用、软件更强大、客户可定制、软件替代硬件实现测试的方向发展传统仪器越来越受到性能更高、价格更低的模块化合成仪器的挑战，未来一段时间内，我们会看到合成仪器更多地应用到军、民用航空测试领域，更好的未航空测试服务。