复合调制信号自动测试系统的设计和研究

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第一章 绪 论
第一章 绪 论
§1.1 课题来源及意义
本课题来源于航天计量科研项目“数字化微波复合调制信号测量校准系统的
设计”。众所周知，导弹制导系统的质量在国防建设中的地位和作用至关重要。导
弹制导信号为微波复合调制信号。微波复合调制信号测量校准系统的主要作用是
通过测量和分析导弹制导系统发出的制导信号的技术参数，进而确保制导系统性
能符合技术指标，始终处于良好的工作状态。因此，导弹制导目标专用测试设备
的技术性能将直接影响导弹系统的性能。
目前，国内使用的大部分导弹制导信号测量校准系统为专用测试设备。受到研
制时代的限制，这些仪器趋于老化，测试速度低、出错率高、可靠性差。由于是专
用设备，维护困难。在实际测量校准中，多采用人工手动操作、分散拆卸式的计量
校准方法，计量校准的准确度难以保证。导弹制导目标专用测试设备通常在户外
使用，恶劣的运行环境要求系统有更高的可靠性与便携性。通常要实现复合调制
信号的解调和调制特性参数的测量功能，需要采用不同的通用仪器分别完成，如
斜率鉴频器、包络检波器等。这些通用仪器不仅价格昂贵，携带也极不方便。近几
年航空航天迅速发展，导弹武器系统越来越复杂，因此对其测量系统提出了更高
的要求。导弹制导目标专用测试设备是导弹系统的重要组成部分，研制高性能的
导弹制导目标专用测试设备，对于提高导弹的各种性能具有重要的意义，同时也
具有重要的国防意义。
为了能够在较短时间内研发设计出测量精度高、操作简单、便于携带、维护容
易、易于升级的测量校准系统，提出了基于虚拟仪器技术的微波复合调制信号自
动测量系统设计方案。就现代测试技术和计算机技术而言，组成微波复合调制信
号自动测量校准系统主要是主控计算机、系统总线及测控软件的设计问题及仪器
的选择问题。对主控计算机的基本要求是：软硬件开发环境好，普通机种和性能
价格比较高。对组建系统用的总线基本要求是：具有广泛的应用基础，并能为仪
器功能模块提供一个开放的结构。因此，选择虚拟仪器技术符合时代发展的趋势
具有现实意义。
虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出的优势。目前，我国高档台
式仪器，如频谱分析仪、逻辑分析仪等还主要依赖进口。这些仪器加工工艺复杂，
对制造水平要求高，生产突破有困难，而采用虚拟仪器技术可以通过采购必要的
通用仪器硬件来设计高性能价比的仪器系统，满足现实的需要。在本课题中许多
功能通过虚拟仪器技术实现模块化、软件化，大大的减小了系统的体积，模块化、
软件化的设计使得系统在稳定性和精度方面更具优势。
调制解调技术在通信系统中占据着非常重要的地位，它的优劣决定了通信系
统性能。课题采用虚拟仪器技术，用软件编程实现基带信号和载波之间的解调算
法，完成原来用专用设备才能实现的功能。算法的设计与实现对于民用生产和科
研研究同样具有普遍意义。
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复合调制信号自动测试系统的设计和研究
§1.2 自动测试系统的简介
§1.2.1 自动测试系统的概念
测试是对某种信息的综合认知过程，是对被测信息进行检出、变换、分析、处
理、判断、控制、显示、数据存储等的综合认识过程[1]。测试技术是信息技术的三大
支柱之一，也是衡量一个国家科学的技术水平的重要标志之一。测试系统则是测
试技术的表征，是进行科研与生产测试的工具，各种工业生产都通过测试系统的
检测来保证整个生产流程的顺利进行，保证最终产品的质量。
自动测试系统(ATS Automatic Test System)以计算机为核心，主要采用软件控
制的方式，将测试的各环节（从测试信号产生、信号检出、信号传输、信号处理、数
据分析与判断、结果显示与数据存储、自动控制与调节等）有机的进行集成，从而
完成测试的全过程。
自动测试系统是现代测量仪器的重要门类，和单一智能仪器、卡式仪器和虚拟
仪器相比，自动测试系统以主控计算机为核心，采用开放式、标准总线作为系统
控制总线，控制不同类型标准接口仪器单元，实现控制、测量、数据分析和测试结
果输出全程自动化，也正是由于 ATS 独有的结构体系，使得其具有测试速度快、
测量功能全、测量参数多、测试准确度高和数据处理能力强等特点，非常适合与生
产线或或复杂测试对象快速测量要求的场合，以成为现代测试技术领域最具应用
前景、最适合复杂通信设备的生产和维护保障、最能代表测试技术与计算机技术整
体水平的新兴产业。据不完全统计，国内进口的测量仪器有三分之一以上被用于
组建各种自动测试系统，还不包括直接引进国外成套的自动测试系统[2]。
自动测试系统具有智能数据处理、高速灵活、多参数同时测试、快速测试等性
能和特点，可以避免人为误差，获得十分良好的测量复现性；通过大量冗余测量，
进行统计、分析和计算，还可以在很大程度上清除或削弱随机误差和系统误差，
从而获得极高的测试精确度。自动测试系统是现代测试工程学的发展方向。
随着技术的进步与经济、军事等各个领域的飞速发展，对测试提出了更高的要
求。要求测试精度更高、速度更快；能自动进行数据的处理、显示、存储、传输；能
多点综合测试；能自动的控制测试过程；能自动校准、误差修正；能自动检验故
障，甚至排出故障，实现自修复等。计算机技术的发展使得计算机为中心的自动
测试系统能够从容应对这些挑战。
§1.2.2 测试系统的主要性能指标
测试系统的主要性能指标，在一定程度上就是各个环节主要性能指标的合集，
但相互之间既有促进也有抑制。在实际应用工程中，关注的是测试系统的整体性
能，最终反映的指标有以下几个：
1、准确度：准确度指测试系统得到的信息与真实信息的一致程度。准确度反
映了测试系统综合误差的大小，主要取决于传感器、信号处理、采集器等模拟变换
部件。
2、稳定性
3、动态响应时间：动态响应时间是指测试系统每采样一次信号后，系统需要
多少时间来调整、恢复到标定的正常可采样状态，以便重新得到测试信号的准确
信息。
4、工作范围
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第一章 绪 论
5、实时和事后数据分析与判断能力。
6、开放性、兼容性和可扩展性：开放性、兼容性和可扩展性是进一步提高测试
系统性能的预留措施，以适应环境变化对测试系统提出的新要求。主要表现为测
试系统的多用性，能够随测试要求的不同进行相应调整。较高的开放性、兼容性和
可扩展性能使测试系统从容应对被测对象、测试环境、测试技术以及测试系统性能
指标的变化，完成各种不同的测试任务。
7、成本
§1.3 自动测试系统发展现状
随着无线电电子技术的发展及其各方面的应用日益广泛，人们对电子测量技
术和电子仪器系统提出越来越高的要求，测试项目和测试范围不断扩展，对测试
速度和精确度的要求也与日俱增。
在电子测量仪器方面。半导体科学和新型材料工艺的发展，新型元器件的不断
出现，为电子测量仪器的发展提供了有力的支持。电子仪器所能达到的最高的测
量值的不确定度越来越小，已经非常接近其物理的极限。目前电子仪器所能达到
的最高的测量指标为：直流电压 10(-12)V；交流电压 10(-7)V；直流电流 10(-
17)A；交流电流 10(-10)A；时间频率量程0.01Hz-80GHz、5ps 至数百小时；抖动
1.7ps rms；频谱分析灵敏度-169dBm；数字存储示波器模拟带宽100GHz；采样速
率40GS/s 、存储深度1GB ；合 成 扫频信号发生器 同 轴 输 出0.01-
100GHz。Agilent，Tektronix，Rohde & Schwarz 和Fluke 等仪器公司代表着全球先
进水平，国内中国电子科技集团公司第四十一研究所也进行相关的研究。
在自动测试技术方面。自动化的突出特点之一是高速度，可以节约大量人力。
目前，自动测试的速度比一般人工测试速度可以快50~500 倍[3]。自动测试的意义
远不止于此。自动测试系统具有计算、处理能力的控制器（电子计算机）实时地切
换量程或者更换仪器，不难获得更宽的测量范围。同时在测量过程中，计算机还
能作出各种复杂的分析、统计、判断、处理；并能进行自校准和自检查，甚至可以
做出自诊断和自修复。自动测试系统避免了人为误差，可以获得十分良好的测试
复现性；通过大量冗余测量，进行统计、分析和计算，还可以在很大程度上清除
或削弱随机误差和系统误差，从而获得极高的测试精确度。凡此种种，都是人工
测试所难以达到或者根本无法达到的。
20 世纪四五十年代开始兴起的扫频测试技术，拉开了电子测量技术的帷幕。
真正高速、高精确度、多参数、多功能的自动测试系统是电子测量技术与自动化控
制技术和电子计算机技术密切结合的结果，是电子测量仪器数字化与数字信息系
统相结合的产物。像许多新的技术（如Internet）的发展情况一样，自动测试首先
是在军事上发展起来的。大约在20 世纪 50 年代，美国军方新发展的一批尖端武器
的维护和检修方面面临许多棘手的问题，在这种情况下提出了“万能自动测试系
统”的概念。由此，自动测试系统首先在美国军方得到发展。也如许多新的技术一
样，自动测试在发展到一定的程度以后，很快突破原来军事应用的狭隘范围，大
约在20 世纪 60 年代初开始运用于工业，并且在更为广阔的天地中获得更大的发
展。
早期的自动测试系统大都为某种测试目的而专门设计制造的专用系统，难以
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复合调制信号自动测试系统的设计和研究
改做他用。大约在20 世纪 60 年代后期，自动测试系统开始采取组合式或积木式的
组建概念，即尽可能地利用现成的通用仪器（或者略经改装），加上一台电子计
算机，来拼凑成所需的自动测试系统。这种积木式的概念简化了自动测试系统的
组建工作，节省了不少的人力物力，在测试任务完成之后可以拆开，仍可作为普
通的仪器而加以利用，或者组建另外的自动测试系统。
自动测试设备(ATE Automatic Test Equipment)结合了现代计算机技术和测试技
术，沿着模块化、系列化和标准化的发展方向，运用了大量的新技术（例如新型
系统总线技术、高性能计算机技术、人工智能与专家系统等）。未来的 ATE 将着重
在如下的几个方面发展：(1) 大力采用和推广与计算机控制总线兼容、开放、廉价
的cPCI 、PXI 总线作为 ATE 总线标准；(2) 大力发展虚拟仪器，进一步物理仪器
的虚拟化和软件化；(3) 进一步加强开放性、标准型和灵活性设计，提高并加强系
统的互换性和互操作性；(4) 采用先进成 熟的COTS(Commercial Off-The-Shelf
equipment)技术，确保自动测试系统的先进性、成熟性和稳健性。
国内在自动测试系统方面，具有代表性的单位有：中电科技四十一所、航天测
控所和纵横测控技术有限公司等。典型产品有：天线测控系统、现场电磁频谱监测
系统、通讯装备综合测试系统等，它们代表了国内自动测试系统的最高水平。
§1.4 虚拟仪器的优势
电子测量仪器的演化与发展从总体上看是沿着两条主线展开的。一是从所采
用的技术上看，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展过程；二是从仪器
结构（可扩展性）和实现形式上看，经历了单台仪器、模块块化仪器的发展过程。
这两条发展主线的技术基础都是微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术，并
随着这些技术的发展以及深层次的逐渐结合而发展。
但无论仪器最终如何发展，任何一台仪器测量系统都可概括为以下三个功能
组块：信号采集（包括传感器电路、信号调理电路）、信号分析与处理、结果表达
与输出。一个具体的仪器各部分或许有增有减，总的架构概莫能外。
独立仪器把上述信号采集、信号处理、结果输出三部分放在一个独立的机箱。
有操作面板、信号输入输出端口、还有各种通信接口等。检测结果输出方式有数字、
指针式表头、图形窗口等，可能还有打印输出。这些功能块全部以硬件或固化软件
的形式存在，这就决定了传统仪器只能由厂家来定义、制造，而用户无法改变。
近年来，测量仪器技术随着电子技术、计算机技术和网络技术的进步而迅速地
发展。虚拟仪器(Virtual Instruments)概念的提出并日益受到重视，开辟了仪器发展
的新时代。典型的虚拟仪器系统结构示意如图1.1
由虚拟仪器系统的结构可以看出，虚拟仪器是以计算机为核心，由强大的测
试应用软件支持的，具有虚拟仪器面版、足够的测试硬件及通信功能的测量信息
处理系统。用户对虚拟仪器的开发主要体现在软件开发上。用户可以根据需要，采
用各种编程软件，编写满足各自要求的应用软件。虚拟仪器把信号的分析与处理、
结果的表达与输出放到计算机上来完成，或在计算机上插上数据采集卡，把仪器
的三个部分全部放到计算机上来实现。用软件在屏幕上生成仪器控制面板，用软
件来进行信号分析和处理，完成多种多样的测试，通过计算机屏幕形象的各种形
式表达输出检测结果。
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第一章 绪 论
图1.1 虚拟仪器系统结构示意图
虚拟仪器的这些特征突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储等方面的
限制，达到了传统仪器无法比拟的效果。使虚拟仪器在许多方面具有传统仪器不
可替代的优势。这些优势表现在虚拟仪器的软件具有开放性、模块化、可重复使用
和互换性，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，更容易增强系统功能，使
用户具有了更大限度的灵活性。它的出现缩小了仪器厂商和用户之间的距离，使
测试仪器在某种程度上达到了“软件即仪器”的新境界。
表1.1 虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器 传统仪器
开发和维护费用低 开发和维护费用高
技术更新周期短（0.5~1年）技术更新周期长（5~10年）
软件是关键硬件是关键
价格低 价格昂贵
开放灵活与计算机同步，可重复和重配置 固定
可用网络联络周边各仪器 只可连有限的设备
自动、智能化、远距离传输 功能单一，操作不便
§1.5 课题研究的主要内容
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测试对象
信号调理数据采集
卡
GPIB 接口仪器 GPIB 接口卡
串行通讯仪器
VXI 仪器
工作站
现场总线设备
其它计算机硬件
LabVIEW 应用程序
仪器驱动程序
VISA 程序库
复合调制信号自动测试系统的设计和研究
课题重点研究了导弹制导系统中导弹制导信号的测量和校准问题。问题所涉
及到的微波复合调制信号的软件化的分析与处理方法，为导弹制导目标专用测试
设备的设计与使用作了理论和实践上的准备，尤其是对结合了虚拟仪器技术的自
动测试系统在信号处理过程中的应用做了有益的探讨与实践。在广泛查阅国内外
有关文献的基础上，总结并研究了现有的高速数据采集、复合信号解调及虚拟仪
器技术的理论与方法，试图找到一种适合于导弹制导目标专用测试设备特点的解
决方案。论文主要包括了以下几部分工作，以章节的形式简要的作一下介绍：
第一章绪论。主要介绍课题来源及意义、自动测试系统的概念及发展现状，虚
拟仪器的优势和课题研究的主要内容。
第二章系统方案设计与硬件选择。本章主要介绍了系统的方案设计及硬件的选
择两方面内容。简要的描述了被测信号的基本情况，根据系统需完成的测试任务，
将自动系统分成四个基础模块：混频模块、数据采集模块、数据处理模块和波形输
出模块。为了系统的设计和校准需要，另外设计了模拟信号产生模块。介绍了硬件
选择的理由、所选仪器的性能。根据电气连接方式，简要介绍了所涉及的总线知识
系统的总体设计综合考虑了各方面的因素，不仅在系统的稳定性、精确性、可扩展
性上做了充分的思考，巧妙的利用了示波器的多通道数据采集功能，不仅使仪器
的数量大大减少，而且这种数据同时采集，软件分别分析的方法还解决了信号分
析时间点不同步的问题。采用了目前代表测试系统发展方向的虚拟仪器构成方式，
使得系统能够高效地完成系统任务。
第三章自动测试系统的软件设计与功能实现。本章主要介绍基于虚拟仪器技术
的复合调制信号自动测试系统软件的设计与实现。包含了系统软件的整体设计方
案、软件开发平台的选择、测试系统的仪器控制方式、系统的模块设计和功能、数据
结构与算法的设计及软件部分功能的实现技巧。
第四章复合调制信号解调算法研究与软件实现。本章围绕复合调制信号解调算
法与算法软件实现这两个问题展开。理论上介绍了调幅、调频的基本知识及解调算
法。对比了相干解调和非相干解调算法，并在相干解调算法的基础上，提出了正
交解调算法。利用LabVIEW 数据流图的编程方式，编程得到二次正交解调算法，
实现复合调制信号的数字化解调。通过仿真与实验结果可以得知，采用二次正交
解调算法对复合调制信号进行数字解调能够得到较好的解调结果。
第五章参数测量方法研究与实现。本章介绍了复合调制信号自动测试系统中几
个重要调制特性参数的测量算法，包括本地载频、调幅度、微波频偏和调制相移。
最终采用循环逼近法测量本地载波、时域法测量调幅度、贝塞尔函数法测量微波频
偏、相干函数法测量调制相移。利用LabVIEW 编程实现，通过仿真与实验证明算
法的正确性与可行性，并对实验结果存在的误差进行了分析。
第六章总结。对课题作了认真的总结，结合课题的现状和当今技术发展的趋势
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摘要：

第一章绪论第一章绪论§1.1课题来源及意义本课题来源于航天计量科研项目“数字化微波复合调制信号测量校准系统的设计”。众所周知，导弹制导系统的质量在国防建设中的地位和作用至关重要。导弹制导信号为微波复合调制信号。微波复合调制信号测量校准系统的主要作用是通过测量和分析导弹制导系统发出的制导信号的技术参数，进而确保制导系统性能符合技术指标，始终处于良好的工作状态。因此，导弹制导目标专用测试设备的技术性能将直接影响导弹系统的性能。目前，国内使用的大部分导弹制导信号测量校准系统为专用测试设备。受到研制时代的限制，这些仪器趋于老化，测试速度低、出错率高、可靠性差。由于是专用设备，维护困难。在实际测量校准中...

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