PHS干放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘要　本文詳細(xì)論述了中國(guó)電信廣東省公司無(wú)線技術(shù)測(cè)試中心PHS干放自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)給出了PHS干放關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)（標(biāo)稱功率和三階交調(diào)）的計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試算法。最后敘述了該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的創(chuàng)新性特點(diǎn)。

1、前言

無(wú)線通信產(chǎn)品的質(zhì)量控制，是中國(guó)電信廣東省公司（簡(jiǎn)稱廣東電信）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。無(wú)線技術(shù)相關(guān)設(shè)備的測(cè)試、選型和評(píng)估等工作的大部分工作量都集中在對(duì)儀表進(jìn)行操作的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試以及測(cè)試數(shù)據(jù)的人工判別與處理上。這樣繁重的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試存在以下不足：

●測(cè)試人員讀數(shù)可能帶來(lái)誤差，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差，難以保證測(cè)試的高精度，需反復(fù)核對(duì)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

●一些測(cè)試指標(biāo)難以通過(guò)人工測(cè)試完成，譬如功率穩(wěn)定度，使得測(cè)試能力受到限制，難以保證無(wú)線設(shè)備測(cè)試評(píng)估的全面性；

●測(cè)試過(guò)程需要大量的重復(fù)性工作，并產(chǎn)生大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，需要繁瑣的后期數(shù)據(jù)處理，人工操作力所難及；

●依靠人工手段處理數(shù)據(jù)耗時(shí)耗力，分析手段和分析方式也受到較大限制，給測(cè)試數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)一定的難度，且缺乏統(tǒng)一、靈活的綜合評(píng)分配置模板，影響了對(duì)無(wú)線設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)的深度挖掘工作。

這些因素都在較大程度上制約了測(cè)試的工作效率和精度的提高，影響著對(duì)無(wú)線設(shè)備的深度分析與評(píng)估工作。鑒于此，廣東電信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心提出利用NI公司GPIB產(chǎn)品和Labview軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)建設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方案，并在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出了無(wú)線設(shè)備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為兩個(gè)模塊：前臺(tái)儀器控制和數(shù)據(jù)采集模塊、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理和分析模塊。前臺(tái)儀器控制和數(shù)據(jù)采集模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，主要完成對(duì)儀表的控制和測(cè)量結(jié)果的收集，以及實(shí)時(shí)預(yù)警分析等。系統(tǒng)利用美國(guó)NI公司GPIB產(chǎn)品和其Labview 8.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)，建立了一套標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PHS干放進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試所需要的6臺(tái)儀表的自動(dòng)化控制，這6臺(tái)儀表分別是：頻譜儀E4440A、信號(hào)發(fā)生器E4433B、信號(hào)發(fā)生器E4438、噪聲儀N8973A、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071 B和無(wú)線綜合測(cè)試儀MT8801 C等；并且自動(dòng)對(duì)干放采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表輸出，同時(shí)將數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)以供后臺(tái)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對(duì)各廠家設(shè)備性能進(jìn)行綜合評(píng)測(cè)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

程控儀器軟件分為兩種方式：一種是利用儀器廠商提供的函數(shù)包，另外一種是直接用VISA語(yǔ)句編寫程控儀器指令。前者的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，函數(shù)已封裝可直接調(diào)用，但可移植性差，函數(shù)包需要廠商提供的儀器驅(qū)動(dòng)程序支持，不同類型儀器需要安裝不同的驅(qū)動(dòng)程序。后者需要掌握VISA語(yǔ)言和底層的GPIB指令，但可以脫離不同廠家的儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)任意GPIB設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

前臺(tái)儀器控制與數(shù)據(jù)采集主要是指計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB接口對(duì)各儀器發(fā)送不同的指令。在本項(xiàng)目中，頻譜儀、信號(hào)發(fā)生器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使用了Labview8.0的儀表驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，其他儀表（噪聲儀、無(wú)線綜合測(cè)試儀）由于沒(méi)有合適的驅(qū)動(dòng)程序可以調(diào)用，就利用標(biāo)準(zhǔn)VISA接口發(fā)送SCPI指令直接對(duì)儀表進(jìn)行控制。

對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與報(bào)表，由于購(gòu)買的NI公司開(kāi)發(fā)者套件開(kāi)發(fā)包中不包含數(shù)據(jù)庫(kù)操作工具包（需另行購(gòu)買），為了節(jié)省開(kāi)發(fā)成本，項(xiàng)目中采用Microsoft Visual C++6.0開(kāi)發(fā)與Office Access和Excel交互操作的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL），然后在Labview中調(diào)用DLL，即本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了Labview和VC++混合編程的實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)踐證明此方法可行。具體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案如圖2所示。對(duì)于采集數(shù)據(jù)與后臺(tái)軟件的交互，可將采集的測(cè)試數(shù)據(jù)直接存入Access表，人工導(dǎo)入到后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行分析，也可通過(guò)前臺(tái)軟件設(shè)置使采集數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)在服務(wù)器上，供后臺(tái)軟件進(jìn)行分析。

圖2　系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案

根據(jù)需要測(cè)試的PHS干放技術(shù)指標(biāo)將模塊分類，以供主程序調(diào)用，底層可分別調(diào)用相關(guān)儀器的驅(qū)動(dòng)程序模塊或SCPI指令編寫的模塊。系統(tǒng)中每臺(tái)儀器有一個(gè)0到30之間的GPIB（general purpose interface bus）地址，通過(guò)GPIB地址，計(jì)算機(jī)作為控者控制總線，在測(cè)試三階交調(diào)時(shí)可在總線上傳送儀器命令和數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)尋址儀表E4433B和E4438作為講者，E4440A作為聽(tīng)者，數(shù)據(jù)串在總線上從講者向聽(tīng)者傳送。本系統(tǒng)軟件可自動(dòng)處理尋址和其他的總線管理功能。本項(xiàng)目中各儀器的GPIB地址如表1所示。

表1　GPIB地址

3、指標(biāo)測(cè)試

自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)能夠?qū)?臺(tái)儀表進(jìn)行控制，這些儀表分別完成PHS干放（包括上、下行）的信道功率、鄰道泄漏功率（ACP）、自動(dòng)電平控制（ALC）、三階交調(diào)、雜散發(fā)射、帶外抑制、飽和功率、噪聲系數(shù)、駐波比、傳輸時(shí)延、平坦度、矢量誤差、峰值誤差和占用帶寬等指標(biāo)的測(cè)試。測(cè)試新的項(xiàng)目之前，本模塊根據(jù)操作用戶選擇的測(cè)試產(chǎn)品和項(xiàng)目從參數(shù)配置文件中調(diào)出原先已配置或新配置的參數(shù)，然后自動(dòng)完成各個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試。軟件在自動(dòng)測(cè)試過(guò)程中能夠判斷測(cè)試參數(shù)與測(cè)試數(shù)據(jù)是否異常。

PHS干放測(cè)試中，測(cè)試標(biāo)稱功率是最重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)榇撕蟮亩囗?xiàng)指標(biāo)測(cè)試均在標(biāo)稱功率下信號(hào)源輸入功率回退3 dB情況下進(jìn)行測(cè)試。圖3為干放輸出曲線。圖4為三階交調(diào)測(cè)試曲線。

圖3　干放輸出曲線

圖4　三階交調(diào)測(cè)試曲線

圖3中標(biāo)稱功率點(diǎn)的測(cè)試算法如下。

步驟1：逐級(jí)遞加法。信號(hào)源功率逐步遞加，一般步長(zhǎng)為1 dB。需注意步長(zhǎng)大，可能越過(guò)飽和點(diǎn)，步長(zhǎng)短，則測(cè)試速度慢。

步驟2：逐級(jí)遞加法修正。針對(duì)步驟1（可理解為粗調(diào)），當(dāng)越過(guò)飽和點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行微調(diào)，變步長(zhǎng)為0.1 dB，在1 dB粗調(diào)誤差范圍內(nèi)進(jìn)行遞減。步長(zhǎng)可根據(jù)測(cè)試精度要求適當(dāng)選取。

步驟3：針對(duì)步驟2，在線性區(qū)測(cè)試過(guò)程中，如果存在野值（儀表上讀取數(shù)據(jù)可能突發(fā)的不確定值），這種情況下應(yīng)利用中值濾波法剔除野值，再采用3點(diǎn)（也可是5點(diǎn)）平滑算法處理，得到平滑曲線，最后利用剃度法找到標(biāo)稱功率點(diǎn)（也可使用Sobel算子或拉普拉斯算子法進(jìn)行分析）。

步驟4：步驟3中所求得的標(biāo)稱功率點(diǎn)如果滿足精度要求，可不進(jìn)行步驟4。如果要在節(jié)省測(cè)試時(shí)間的情況下，盡可能地提高測(cè)試精度，需要使用一定的決定中間值的數(shù)學(xué)方法，即利用插值法得到擬合曲線，然后運(yùn)用邊界搜索等方法對(duì)擬合曲線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時(shí)根據(jù)測(cè)試精度進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠蛑颠x取，準(zhǔn)確定位到干放標(biāo)稱功率點(diǎn)。

圖4為三階交調(diào)指標(biāo)測(cè)試算法示意，按照一般設(shè)備測(cè)試規(guī)范的測(cè)試要求，A點(diǎn)和B點(diǎn)中比較低的信號(hào)功率與C點(diǎn)和D點(diǎn)中比較低的信號(hào)功率之差一定要大于某值，否則認(rèn)為設(shè)備不合格。廣東電信要求為44 dBc，測(cè)試過(guò)程中，計(jì)算機(jī)控制E4433B輸出1 900 MHz信號(hào)，E4438輸出1 902 MHz信號(hào)，同時(shí)計(jì)算機(jī)通過(guò)收斂算法盡量使A點(diǎn)和B點(diǎn)相等且達(dá)到標(biāo)稱輸出狀態(tài)（此時(shí)需要根據(jù)給定的誤差來(lái)確定收斂速度和精度，本系統(tǒng)中取0.05），此時(shí)在頻譜儀E4440A上會(huì)發(fā)現(xiàn)最大的干擾信號(hào)三階交調(diào)信號(hào)C和D，最后計(jì)算機(jī)控制頻譜儀E4440A讀取min（A，B）和max（C，D），并計(jì)算差值后將結(jié)果存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

表2列出了2項(xiàng)2C2W PHS干放采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)前后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2　PHS干放測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)表2可以看出，手動(dòng)測(cè)試值的精度比自動(dòng)測(cè)試的低，主要是因?yàn)槿斯ぷx取數(shù)據(jù)的不確定性比較大。但在讀取儀表數(shù)據(jù)時(shí)也存在數(shù)字的跳動(dòng)，不能保證讀取高精度的測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行多次平均（本系統(tǒng)取30次），同時(shí)根據(jù)需要截取小數(shù)點(diǎn)位數(shù)（本系統(tǒng)取2位有效數(shù)字）。這樣可保證PHS干放的自動(dòng)測(cè)試精度，同時(shí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也得到了統(tǒng)一。

4、系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)的成功研制，大大提高了PHS干放指標(biāo)測(cè)試的效率，為測(cè)試工程師提供了一套很好的自動(dòng)測(cè)試工具，同時(shí)也對(duì)電信集成商的綜合測(cè)評(píng)給出了客觀的評(píng)判依據(jù)。

本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）操作的簡(jiǎn)易性

前臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要用戶配置的各種測(cè)試參數(shù)中沒(méi)有涉及到設(shè)備底層的參數(shù)，用戶只要設(shè)置測(cè)試儀表對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試時(shí)的參數(shù)即可，而且常用的數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)配置已經(jīng)能滿足PHS干放的自動(dòng)測(cè)試任務(wù)需求，不需要任何更改就可進(jìn)行測(cè)試。這種操作的簡(jiǎn)易性使得對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員的專業(yè)水平要求降低，可以節(jié)省大量的專業(yè)測(cè)試人員。在這種情況下，可以在測(cè)試前把設(shè)備接好，設(shè)好參數(shù)，然后讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試即可，可在無(wú)需專業(yè)人員的情況下完成測(cè)試任務(wù)。

（2）系統(tǒng)的便攜性

前臺(tái)操作系統(tǒng)的PC版本中，只需要一臺(tái)筆記本電腦（或臺(tái)式機(jī)）、一個(gè)GPIB卡和與所需儀器測(cè)量數(shù)目相同的GPIB電纜等，并不需要其他專用測(cè)試儀表就可以完成所有的測(cè)試工作。

（3）數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

系統(tǒng)由于采用了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取，因此可以避免傳統(tǒng)的用人工抄寫測(cè)量?jī)x器上的數(shù)據(jù)而帶來(lái)的人為誤差。

（4）數(shù)據(jù)采集的高效性

本系統(tǒng)采用GPIB電纜連接儀器，可以同時(shí)接入多臺(tái)儀器進(jìn)行不同項(xiàng)目指標(biāo)的測(cè)試，如果某些指標(biāo)的測(cè)試過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間，這期間測(cè)試工程師可以處理其他工作，測(cè)試完畢后軟件會(huì)自動(dòng)提示下一步如何操作，明顯提高了工作效率。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文給出了無(wú)線設(shè)備自動(dòng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)原理和方法，并結(jié)合PHS干放給出了指標(biāo)中最重要的標(biāo)稱功率點(diǎn)的測(cè)試算法，由于篇幅所限，未具體敘述帶外雜散和三階交調(diào)的自動(dòng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)算法。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了廣東電信規(guī)定的PHS干放所有技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)試功能，并且稍加改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)CDMA干放技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試任務(wù)，同時(shí)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)直放站的自動(dòng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)也有一定的參考意義。

感謝：項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，得到了廣東電信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，在此表示感謝，同時(shí)也感謝安捷倫公司、NI公司、安立公司等相關(guān)技術(shù)部門的大力支持。