地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

1、地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)automatic test system of digital terrestrial television broadcasting transmitters摘 要：頻譜儀是測(cè)量地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的必需儀器，本文提出了基于labview的虛擬儀器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻譜儀的軟件自動(dòng)控制。通過(guò)使用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，將各個(gè)單獨(dú)測(cè)量模塊組合起來(lái)，將分布式的測(cè)試轉(zhuǎn)換為連續(xù)的自動(dòng)測(cè)試，運(yùn)用數(shù)據(jù)操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果的獲取和保存。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確可靠，具有很好的實(shí)用性和推廣性。關(guān)鍵字：labview；gpib；虛擬儀器；發(fā)射機(jī)；頻譜儀abstract: sp

2、ectrum analyzers are necessary equipments to measure digital terrestrial television broadcasting transmitters. this paper proposes a virtual instrument technology based on labview, and achieves the automatic control on spectrum analyzer by software. by using the flat sequence structure, first of all

3、, we assemble each individual test module, then, tra- nsform the distributed test to the continuous and automatic test, finally, achieve the acquisition and preservation of test results by using data manipulation technology. test results show that the system is accurate and reliable, with good pract

4、-icability and generalized.key words: labview, gpib, virtual instrument, transmitter, spectrum analyzer1引言地面數(shù)字電視廣播系統(tǒng)是廣播電視系統(tǒng)中的重要組成部分，它與移動(dòng)多媒體廣播系統(tǒng)、衛(wèi)星數(shù)字電視廣播系統(tǒng)和有線數(shù)字電視系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)一起相互協(xié)同提供全面的受眾覆蓋，是我國(guó)廣播電視覆蓋網(wǎng)的重要組成部分。隨著gb 20600-2006數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)、信道編碼和調(diào)制的發(fā)布，以及國(guó)家廣播電影電視總局gy/t 229.4-2008地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)要求和測(cè)量方法的實(shí)施，我院

5、將面臨大量的關(guān)于地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的入網(wǎng)測(cè)試任務(wù)。本項(xiàng)目由國(guó)家廣播電影電視總局廣播科學(xué)研究院2011基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目資助。采用傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)試來(lái)完成地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的測(cè)試，需要按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行操作，并記錄測(cè)試結(jié)果，由于測(cè)試人員對(duì)測(cè)量方法掌握程度不同，對(duì)儀器操作的熟練程度不同，造成了測(cè)量時(shí)間的不確定性，在測(cè)試指標(biāo)穩(wěn)定度時(shí)，需要記錄被測(cè)設(shè)備連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的工作情況，使得手動(dòng)測(cè)試幾乎無(wú)法完成。這時(shí)，手動(dòng)測(cè)試的效率低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不便和對(duì)測(cè)試人員要求較高等缺點(diǎn)都顯現(xiàn)出來(lái)，所以基于軟件的自動(dòng)測(cè)試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。頻譜儀是地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)測(cè)試的主要設(shè)備，其功能較多，尤其是本系統(tǒng)使

6、用的頻譜儀專門(mén)安裝了地面數(shù)字電視測(cè)量模塊。本文將重點(diǎn)論述如何利用labview開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜儀的軟件控制。labview是美國(guó)ni公司推出的一種基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，帶有大量的內(nèi)置功能，能夠完成仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)，是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境。一個(gè)labview 程序分為3部分：前面板、框圖程序、圖標(biāo)/ 接線端口。當(dāng)前,虛擬儀器技術(shù)已廣泛應(yīng)用到各種自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域，虛擬化已經(jīng)成為儀器領(lǐng)域的發(fā)展方向。2系統(tǒng)構(gòu)成利用頻譜儀對(duì)地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示，測(cè)量指標(biāo)主要是性能指標(biāo)，端口

7、和功能性驗(yàn)證等其他指標(biāo)均不需要單獨(dú)的測(cè)量設(shè)備，測(cè)試端口分兩個(gè)，在濾波器前后各一個(gè)。測(cè)量時(shí)除頻譜儀外，還需要碼流源向被測(cè)發(fā)射機(jī)輸入碼流，且碼流源發(fā)送碼率不大于工作模式載荷速率的測(cè)量碼流。假負(fù)載是發(fā)射機(jī)的重要附屬設(shè)備，是接在被測(cè)發(fā)射機(jī)的全匹配負(fù)載。其作用是吸收發(fā)射機(jī)到終端的全部功率而無(wú)反射產(chǎn)生，電壓駐波比要小于1.1。同步時(shí)鐘用來(lái)提供高精度時(shí)鐘，同時(shí)為被測(cè)發(fā)射機(jī)和頻譜儀提供頻率參考，為了提高測(cè)量可靠性和測(cè)量精度，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中頻譜儀均需要使用外部同步時(shí)鐘。圖1. 地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)測(cè)試系統(tǒng)框圖通過(guò)labview對(duì)頻譜儀的控制框圖如圖2所示，基于labview軟件平臺(tái)的pc，通過(guò)gpib總線連接

8、頻譜儀，對(duì)頻譜儀進(jìn)行控制并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行提取。其中g(shù)pib是一個(gè)數(shù)字化24腳（扁型接口插座）并行總線，其中16根線為ttl 電平信號(hào)線，包括8根雙向數(shù)據(jù)線、5根控制線、3根握手線，另8根為地線和屏蔽線。gpib 使用8位并行字節(jié)串行、異步通訊方式，所有字節(jié)通過(guò)總線順序傳送。圖2. labview控制系統(tǒng)框圖3控制程序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)gy/t 229.4-2008要求，需要測(cè)量的性能指標(biāo)包括頻率準(zhǔn)確度、本振相位噪聲、調(diào)制誤差率、帶內(nèi)不平坦度、帶外雜散、頻譜模板、帶肩、輸出功率穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度，其中輸出功率穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度為設(shè)備長(zhǎng)期工作中需要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)，在進(jìn)行入網(wǎng)測(cè)試時(shí)無(wú)需測(cè)量，圖3為總控制程序前面板

9、框圖。圖3. 控制程序前面板3.1頻率準(zhǔn)確度頻率準(zhǔn)確度為標(biāo)稱頻率與測(cè)量頻率之差，地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的頻率準(zhǔn)確度包括多頻網(wǎng)模式和單頻網(wǎng)模式兩種。在多頻網(wǎng)模式測(cè)量時(shí)，發(fā)射機(jī)不需要外接參考時(shí)鐘，單頻網(wǎng)模式時(shí)，發(fā)射機(jī)需要使用外接gps時(shí)鐘信號(hào)，測(cè)試過(guò)程中發(fā)射機(jī)也需要設(shè)置到相應(yīng)的狀態(tài)。頻率準(zhǔn)確度測(cè)試程序框圖如圖4所示，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化以后，在前面板輸入被測(cè)信號(hào)所設(shè)置頻率，測(cè)量類型使用“swept sa”，將帶寬設(shè)置為200hz，這樣測(cè)量結(jié)果就可以精確到0.1hz，將被測(cè)頻率值與發(fā)射機(jī)所設(shè)置標(biāo)稱頻率相減，即可計(jì)算出頻率準(zhǔn)確度。圖4. 頻率準(zhǔn)確度程序控制框圖3.2本振相位噪聲本振相位噪聲是指單位赫茲的

10、噪聲密度與信號(hào)總功率之比，表現(xiàn)為載波相位的隨機(jī)漂移，是評(píng)價(jià)本振頻譜純度的重要指標(biāo)。當(dāng)被測(cè)相位噪聲比頻譜儀自身的相位噪聲大時(shí)，可直接利用頻譜儀來(lái)測(cè)量相位噪聲，這是一種簡(jiǎn)單、方便的相位噪聲測(cè)量方法，由于測(cè)量?jī)x器的相位噪聲比gy/t 229.4-2008中技術(shù)要求高很多，所以可以使用頻譜儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量。發(fā)射機(jī)相位噪聲指標(biāo)包含偏移的中心頻率分別為：10hz、100hz、1khz、10khz、100khz和1mhz，需要讀出上述6個(gè)頻點(diǎn)的相位噪聲的測(cè)量值。本振相位噪聲測(cè)試程序框圖如圖5所示，載波頻率設(shè)置為被測(cè)頻率，載波頻率不同于中心頻率，帶寬設(shè)置為起始頻率10hz，終止頻率1mhz，最后將測(cè)試結(jié)果通過(guò)列表

11、形式讀出，測(cè)量結(jié)果分為兩列，第一列數(shù)據(jù)為具體測(cè)量數(shù)據(jù)，第二列為取均值后測(cè)量數(shù)據(jù)，這時(shí)取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。 圖5. 本振相位噪聲程序控制框圖3.3調(diào)制誤差率調(diào)制誤差率（modulation error rate）是理想符號(hào)矢量幅度的平方與符號(hào)誤差矢量幅度的平方和之比，以db表示，其中符號(hào)誤差矢量幅度是指信號(hào)能受到噪聲干擾的總和，mer是表征未誤碼時(shí)信號(hào)的質(zhì)量。在使用頻譜儀進(jìn)行mer測(cè)試時(shí)，需要確認(rèn)設(shè)備具有dtmb測(cè)量模塊，mer測(cè)試程序框圖如圖6所示，被測(cè)發(fā)射機(jī)調(diào)制信號(hào)需要打開(kāi)，將控件中設(shè)備類型選為發(fā)射機(jī)，載波方式、包頭和調(diào)制方式需要匹配，不然就無(wú)法解出被測(cè)信號(hào)。測(cè)量時(shí)還需要將均衡關(guān)閉，同時(shí)

12、打開(kāi)平均。 圖6. 調(diào)制誤差率程序控制框圖3.4帶內(nèi)不平坦度帶內(nèi)不平坦度是指中心頻率3.591mhz頻帶范圍內(nèi)的最大和最小幅度值，與中心頻點(diǎn)處幅度值之差。帶內(nèi)不平坦度對(duì)數(shù)字電視的誤碼率有直接影響。測(cè)試程序框圖如圖7所示，在設(shè)備初始化以后，測(cè)量類型選擇“swept sa”，將頻譜儀帶寬設(shè)置到20mhz，視頻帶寬和分辨率帶寬分別設(shè)置為3khz，平均以后將頻譜儀界面上頻譜圖記錄下來(lái)。由于不同發(fā)射機(jī)的監(jiān)測(cè)輸出電平不同，為了更好的將頻譜圖記錄下來(lái)還需要根據(jù)被測(cè)電平來(lái)修改參考電平，且y軸設(shè)置為0.5db/格。圖7. 帶內(nèi)不平坦度程序控制框圖3.5帶外雜散帶外雜散包含鄰頻道內(nèi)發(fā)射功率和鄰頻道外發(fā)射功率，鄰頻

13、道內(nèi)發(fā)射功率為發(fā)射機(jī)輸出耦合信號(hào)在標(biāo)稱工作頻率8mhz中心頻點(diǎn)上，測(cè)量帶寬為8mhz的功率，根據(jù)耦合度計(jì)算出上下鄰頻的帶內(nèi)功率。鄰頻道外發(fā)射功率的測(cè)量方法與鄰頻道內(nèi)發(fā)射功率類似，而測(cè)量中心頻點(diǎn)分別為標(biāo)稱工作頻率16mhz、24mhz和32mhz，其中鄰頻道外發(fā)射總功率為上述各頻點(diǎn)所測(cè)功率的均方根值，這一點(diǎn)不同于鄰頻道內(nèi)發(fā)射功率的計(jì)算，控制程序需要根據(jù)耦合器的衰減值和測(cè)量的通道功率值來(lái)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)要求的結(jié)果，其中衰減值需要按照不同的測(cè)試條件分別設(shè)置。帶外雜散程序測(cè)試框圖如圖8所示。圖8. 帶外雜散程序控制框圖3.6頻譜模板標(biāo)準(zhǔn)gb 20600-2006中對(duì)帶外頻譜模板的要求分兩類，第一類是同一個(gè)發(fā)射

14、臺(tái)的數(shù)字電視發(fā)射機(jī)位于模擬電視發(fā)射機(jī)的上鄰頻或下鄰頻時(shí)的頻譜模板，此模板滿足模擬電視最小保護(hù)需求，適合數(shù)字電視和模擬電視可非極化辨識(shí)，且功率相同，當(dāng)發(fā)射功率不同時(shí)，需要按比例進(jìn)行調(diào)整。第二類是嚴(yán)格條件下的頻譜模板，該模板適用于數(shù)字電視發(fā)射機(jī)相鄰頻道使用其他服務(wù)。通常的入網(wǎng)測(cè)試是按照第一類頻譜模板要求進(jìn)行測(cè)量的，頻譜模板測(cè)試程序框圖如圖9所示，中心頻點(diǎn)設(shè)置為發(fā)射機(jī)工作頻點(diǎn)，將頻譜儀帶寬設(shè)置到24mhz，分辨率帶寬設(shè)置為4khz，視頻帶寬設(shè)置為100hz，之后平均100次，之后根據(jù)頻譜模板測(cè)量中心頻點(diǎn)左右兩端不同頻率偏置點(diǎn)的信號(hào)電平值，與信號(hào)的通道功率進(jìn)行相減，即可求得頻譜模板。圖9. 頻譜模板程

15、序控制框圖3.7帶肩帶肩是發(fā)射機(jī)功率放大器的非線性指標(biāo)，需要在發(fā)射機(jī)濾波器之前進(jìn)行測(cè)量，是地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)。發(fā)射機(jī)在一個(gè)8mhz射頻帶寬內(nèi)，采用ofdm多載波的調(diào)制方式，ofdm多載波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器后在頻道外的互調(diào)產(chǎn)物為近似連續(xù)頻譜，頻道外連續(xù)頻譜在頻道附近會(huì)產(chǎn)生“肩”部效應(yīng)，這就是我們所說(shuō)的帶肩。信號(hào)帶肩為標(biāo)稱頻點(diǎn)處幅度與標(biāo)稱頻率4.2mhz處信號(hào)幅度之差，視頻帶寬和分辨率帶寬可參考標(biāo)準(zhǔn)gd/j020-2008中的相關(guān)設(shè)置，其程序控制框圖如圖10所示。圖10. 帶肩程序控制框圖4控制程序中的關(guān)鍵技術(shù)為了提高測(cè)試效率，本程序采用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)，將各個(gè)單獨(dú)測(cè)量模塊組合起來(lái)，

16、為了將測(cè)試結(jié)果寫(xiě)入到規(guī)定的原始記錄模板中，使用數(shù)據(jù)操作技術(shù)完成記錄的填寫(xiě)。4.1平鋪式順序結(jié)構(gòu)labview有三種基本循環(huán)結(jié)構(gòu)：平鋪式順序結(jié)構(gòu)、while循環(huán)和條件結(jié)構(gòu)。對(duì)于儀器控制所采用的循環(huán)查詢方式，while循環(huán)和條件結(jié)構(gòu)中嵌套順序結(jié)構(gòu)，對(duì)于儀器功能復(fù)雜的控制，需要對(duì)每個(gè)程序模塊查詢一遍，儀器對(duì)程序的響應(yīng)速度較慢，使的控制程序的效率有所降低。平鋪式順序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流不同于其他結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流，當(dāng)所有連線至幀的數(shù)據(jù)都可用時(shí)，平鋪式順序結(jié)構(gòu)的幀是按照從左至右的順序執(zhí)行。每幀執(zhí)行結(jié)束后可傳遞數(shù)據(jù)至下一幀，即幀的輸入可能取決于另一幀的輸出，從而將單獨(dú)的指標(biāo)的測(cè)試程序模塊按照預(yù)先設(shè)定的順序連接起來(lái)，從而

17、提高了測(cè)試效率。在測(cè)試過(guò)程中，由于部分測(cè)試指標(biāo)需要進(jìn)行平均，所以在順序結(jié)構(gòu)中還需要根據(jù)平均次數(shù)和掃描時(shí)間來(lái)加入時(shí)間延遲模塊，從而保證測(cè)試的完整性和可靠性。4.2數(shù)據(jù)操作通過(guò)平鋪式順序結(jié)構(gòu)將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維的數(shù)組和元素，創(chuàng)建數(shù)組將一維數(shù)據(jù)改為多維數(shù)據(jù)，以方便將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到規(guī)定的原始記錄表格。數(shù)據(jù)操作控制程序如圖11所示，為了將測(cè)試數(shù)據(jù)寫(xiě)入到規(guī)定的原始記錄表格，需要使用文件i/o控件，包括當(dāng)前vi路徑、創(chuàng)建路徑、拆分路徑、復(fù)制等vi。首先需要使用當(dāng)前vi路徑找到原始記錄所在的文件夾所在位置，再使用創(chuàng)建路徑確定具體的word文檔，最后將文檔復(fù)制。復(fù)制后的文檔經(jīng)過(guò)word編輯控件操作形成完整的原始記錄

18、，在使用word編輯控件時(shí)，首先要確定所寫(xiě)入數(shù)據(jù)所在的表格中的行列的位置，填寫(xiě)好的的原始記錄文件名由輸入的發(fā)射機(jī)的名稱、型號(hào)和測(cè)試時(shí)間來(lái)確定。其中名稱和型號(hào)為字符串格式，是由程序使用者輸入，測(cè)試時(shí)間使用定時(shí)控件來(lái)實(shí)現(xiàn)，格式也轉(zhuǎn)換為年月日時(shí)分秒格式的字符串，連接字符串控件將這些字符數(shù)據(jù)連接起來(lái)共同構(gòu)成文件名。之后將完成的原始記錄文件存放在預(yù)先準(zhǔn)備好的文件夾中，操作方法類似于文件讀取。圖11. 數(shù)據(jù)控制操作程序5結(jié)論本文通過(guò)gpib接口實(shí)現(xiàn)了labview控制軟件與頻譜儀的通信，利用labview強(qiáng)大的信號(hào)分析和處理功能，建立了pc對(duì)頻譜儀的控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地面數(shù)字電視廣播發(fā)射機(jī)的自動(dòng)測(cè)試。通過(guò)對(duì)同一