虛擬儀器在數(shù)字陣列天線測(cè)試中的應(yīng)用

   摘要：在現(xiàn)代雷達(dá)和民用通訊領(lǐng)域，數(shù)字陣列天線是當(dāng)前的一大研究熱點(diǎn)。但是陣列系統(tǒng)的多天線單元和多收發(fā)通道必然帶來(lái)陣列系統(tǒng)的誤差。所以，天線交付前都要準(zhǔn)確獲得其相對(duì)幅相誤差的分布。而一般的天線測(cè)試系統(tǒng)通用性較差，測(cè)試工作量大。我們利用虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)-LabVIEW和NI支持的數(shù)字信號(hào)采集卡，編制具有友好人機(jī)交互界面的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視VI(虛擬儀器)，可以實(shí)現(xiàn)陣列天線測(cè)試過(guò)程中的通道監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集，大大簡(jiǎn)化數(shù)字天線陣列的測(cè)試工作量。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)極大縮減了陣列天線的測(cè)試周期。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；數(shù)字天線陣列VI(Virtual Instrument)

O 引言
    LabvlEw是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境(laboratory virtual instrument engineering workbench)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)NI公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW作為軟件化儀表在數(shù)據(jù)采集及控制、數(shù)據(jù)分析和顯示等方面具有強(qiáng)大的功能，其支持的信號(hào)接口卡豐富，用戶(hù)能夠快捷方便地對(duì)各個(gè)輸入數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行即時(shí)設(shè)置和調(diào)試，程序運(yùn)行結(jié)果也十分直觀。數(shù)字天線陣列是天線和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，它具有工作方式靈活、抗干擾性能卓越和超角分辨等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此其在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。一般陣列天線校正和波瓣測(cè)量需要采集大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次循環(huán)計(jì)算，工作效率低且動(dòng)用的儀器設(shè)備眾多。
    因此在數(shù)字陣列天線測(cè)試中，LabVIEW的優(yōu)勢(shì)十分明顯，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量通道信號(hào)同時(shí)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析等工作，這樣既節(jié)省了資源，也簡(jiǎn)化了測(cè)試過(guò)程提高了工作效率。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    在系統(tǒng)接收端，接收天線各單元通道將接收到的信號(hào)通過(guò)接收前端放大后，直接送到數(shù)字接收機(jī)和采集計(jì)算機(jī)。由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)接收機(jī)輸出的I／Q信號(hào)和天線方位等機(jī)械參數(shù)、觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行采集和控制，并最終在終端控制處理計(jì)算機(jī)上計(jì)算出天線波瓣圖，系統(tǒng)工作過(guò)程如圖1所示。

    在測(cè)試過(guò)程中，我們采用LabVIEIW設(shè)計(jì)用戶(hù)圖形界面，負(fù)責(zé)通道監(jiān)視和數(shù)據(jù)采集。LabVIEW中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)等組成。安裝的硬件驅(qū)動(dòng)程序包含了硬件可以接受的操作命令，在使用這些硬件之前，根據(jù)需要進(jìn)行硬件和軟件設(shè)置，以滿(mǎn)足采樣頻率等方面的要求。在本系統(tǒng)中我們采用NI公司的PCI-6534采集卡，LabVIEW通過(guò)控制數(shù)據(jù)采集卡對(duì)接收機(jī)輸出的IQ信號(hào)以及其它機(jī)械參數(shù)等進(jìn)行采集。在完成采集卡的設(shè)置后，我們就可以進(jìn)行采集和通道監(jiān)控等工作了。

2 通道監(jiān)視
    由于整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)通道構(gòu)成，為了保證在校正過(guò)程中各個(gè)通道處于正常工作狀態(tài)，在校正開(kāi)始前我們需要對(duì)通道進(jìn)行檢查。同時(shí)，由于本系統(tǒng)工作頻帶位于民用通信頻帶內(nèi)，為了避免民用通信信號(hào)對(duì)校正過(guò)程的影響我們也需要對(duì)外界電磁信號(hào)進(jìn)行監(jiān)視。因此，通道監(jiān)視是確保校正順利進(jìn)行的重要一部。圖2是通道監(jiān)視VI的前面板界面，圖3是通道監(jiān)視Ⅵ的框圖。在前面板(圖2)中使用了Dialog Tab Control控件，使我們可以在多通道同時(shí)監(jiān)控和單通道觀測(cè)間切換。在該VI中，除了可以直觀監(jiān)視各個(gè)通道是否正常工作外，我們還可以測(cè)量、比較各個(gè)通道功率增益的差異并完成對(duì)通道時(shí)域信號(hào)幅度、IQ信號(hào)正交度等信息的監(jiān)控。

    在通道監(jiān)視Ⅵ的框圖(圖3)中，我們通過(guò)COM組件法在后臺(tái)調(diào)用了MATLAB數(shù)學(xué)處理軟件。它完成的主要任務(wù)是將采集卡輸出的多個(gè)通道串行數(shù)據(jù)流按通道進(jìn)行分組，并根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析等工作，這些功能加快了程序運(yùn)行速度，提高了該Ⅵ數(shù)據(jù)處的能力和靈活性。

3 外校正數(shù)據(jù)采集
    在確定各個(gè)通道都處于正常工作狀態(tài)，并且沒(méi)有外界電磁干擾的情況下，就可以開(kāi)始進(jìn)行外校正了。
3．1 串口數(shù)據(jù)采集子Ⅵ
    為了完成外校正，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中必須實(shí)時(shí)獲取天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方位。這里我們通過(guò)串口來(lái)采集天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)值，獲得天線實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)方位。
    其中的串口采用的是RS232，D型口，其中利用2、3和5三跟針腳，一個(gè)是發(fā)送、一個(gè)是接收，一個(gè)是接地。在Labview中采用的visa，首先是進(jìn)行串口設(shè)置，設(shè)置串口號(hào)，波特率，其中特別注意的是要安裝visa驅(qū)動(dòng)包，只有安裝了這個(gè)驅(qū)動(dòng)包，串口才可以選擇。
    圖4和圖5是串口數(shù)據(jù)采集子VI及其框圖中(串口采集部分)。配合定北儀測(cè)量結(jié)果，通過(guò)該子VI我們可以獲得天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)碼盤(pán)值、天線方位和法線方位。

3．2 數(shù)據(jù)采集VI
    數(shù)據(jù)采集是測(cè)試過(guò)程中最基本也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的前面板如圖6。在數(shù)據(jù)采集Ⅵ中我們不但可以控制采集的起止還可以通過(guò)在前面板修改參數(shù)控制采集數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，從幾十千到幾十兆都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集。

3．3 外校正數(shù)據(jù)采集VI
    在有了串口數(shù)據(jù)采集子VI，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集VI，通過(guò)合理控制數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)度，我們就可以最終完成外校正數(shù)據(jù)采集。圖7是外校正數(shù)據(jù)采集VI的前面板，在這里我們可以指定外校正測(cè)試的頻率和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑，并可以實(shí)時(shí)監(jiān)視天線機(jī)械旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)值和天線的法向指向，并根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)停止數(shù)據(jù)的采集。圖8是外校正數(shù)據(jù)采集VI的框圖。

4 結(jié)束語(yǔ)
    通過(guò)以上幾個(gè)主要程序和其他一些輔助程序，我們完成了在天線測(cè)試過(guò)程中從通道監(jiān)視到最后外校正數(shù)據(jù)采集一個(gè)完整的過(guò)程。本系統(tǒng)充分利用了LabVIEW在軟件化測(cè)量編程、數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢(shì)，提高了工作效率，縮短了工作時(shí)間，并經(jīng)過(guò)了實(shí)踐的驗(yàn)證。