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通信设备可测试性设计综述

 论文栏目:通信设备论文     更新时间:2014-1-18 11:41:13   

1可测试性设计

1.1通信设备简介

本通信设备由信息处理模块、信号处理模块、收发信道模块及电源模块组成。每个模块具有独立结构件,插入到整机机箱,模块之间以高速接插件及射频接口互联,主要完成综合信息处理,调制解调信号处理,收发变频等功能。

1.2可测试性设计指导思想[4]

可测试性设计的主要内容是机内测试(BIT)设计和自动测试设备(ATE)设计。BIT是指系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力,ATE则是指自动进行功能或性能参数测试、评价性能下降程度或隔离故障的设备[5]。BIT的主要功能是把设备故障隔离到外场可更换单元(LRU)或外场可更换模块(LRM),ATE则进一步把LRU或LRM故障隔离到内场可更换单元(SRU)。产品的BIT设计和ATE设计应该从方案设计阶段就予以考虑,并且与产品同步研制。图1给出了测试性设计与设备方案设计的基本流程。

1.3BIT设计

作为一个整机设备,不仅要具备监控其内部各模板工作状态的能力,同时也要具备监控整机整体功能、性能的能力,这些在BIT设计时都要考虑到。本通信设备信息处理模块主要完成业务信息处理、数据组帧解帧、整机状态监控等功能,信号处理模块主要实现基带信号调制解调、A/D及D/A转换等功能,收发变频模块主要完成模拟信号上下变频、自动增益控制、提供参考时钟等功能,电源模块给各个模块提供直流稳压电源。根据图2所示的设备测试工作流程图,将BIT设计分为加电BIT、周期BIT、维护BIT。现在复杂数字系统的设计,有些数字芯片自身就具有状态监控的能力,只需外围控制电路上报这些状态即可。对于可编程逻辑器件(FPGA、CPLD等)和嵌入式微处理器(PowerPC、DSP等),可在程序设计时考虑加入多种监控手段,尽量把设备问题隔离到模块级。

1)加电BIT:加电BIT是设备刚上电时对自身健康状态进行检测,设备还没有进入正常工作状态。对于本设备,各模块分别将BIT信息上报信息处理模块,信息处理模块综合后上报显控终端。主要检测的信号有:串行通信总线功能是否正常、电源模块输出是否正常、频综是否锁定,系统时钟是否正常,内部ROM、RAM是否正常,微处理器PowerPC、可编程逻辑器件FPGA、数字信号处理器DSP等主要数字器件状态是否正常,微处理器中断响应是否正常等。如果时间允许的话,3)中维护BIT的(1)~(3)也可在加电BIT时实现,通过判断3种环路下接收机的锁定状态,实现对设备基本功能的快速检测。2)周期BIT:周期BIT指的是设备周期检查自身工作状态,并不影响正常工作。主要有性能检测和故障检测。周期BIT不仅包括启动BIT中与正常工作状态不冲突的状态检测部分,还有对设备工作时的性能状态监测,包括模块工作温度指示、发射状态、接收机锁定状态、接收端BUFFER状态、接收信号电平、接收信号信噪比(Eb/N0)、接收误码率及接收信号频偏等。3)维护BIT:加电BIT和周期BIT只能检测最基本的故障,当设备出现问题时往往需要维护BIT来进行故障检测和隔离,这个是本设备BIT设计的重点内容。维护BIT时设备工作在测试模式,不正常工作。本设备维护BIT主要通过图3所示的3条环路来实现,每个环路各有侧重点,主要内容如下:

(1)数据接口自环:如图3中的环路1所示,数据接口自环指的是显控终端控制信息处理模块将发送数据帧经过FIFO后的数据直接送到模块接收端,此方法主要测试发送数据组帧是否正确,发送FIFO以及接收BUFFER的工作状态是否正常,微处理器中断响应是否正常等,用于验证信息处理模块的数字接口功能是否正常。

(2)中频自环:图3环路2所示,中频自环指的是信号处理模块输出的中频调制信号直接送到接收端进行解调,通过观察接收锁定情况,可判断信号处理模块工作是否正常。此外,运用此方法可测试信号处理的调制、解调性能指标。显控终端控制信息处理模块使用伪随机码(PN码)填充数据帧,信号处理模块调制产生中频信号,接收端解调后将数据帧送回信息处理模块进行比对,可用于测试信号处理模块解调误码率,想办法从发射端叠加噪声,可同时测量解调门限及对应误码率,这个方法中频自环由模拟域开关切换,无需改变外部电缆连接。

(3)射频自环:如图3环路3所示,射频自环指的是收发信道的射频输出端直接送到射频输入端,通过观察接收锁定状态,验证收发信道模块是否工作正常。具体过程为发射端信号处理模块输出的中频信号经过收发信道模块后上变频到射频,射频信号在收发信道模块内部送到接收端下变频到中频后送回信号处理模块,同时验证收发变频模块和信号处理模块。此时仍可使用(2)中所介绍的误码率及解调门限测试方法,验证经过信道后信号处理模块的性能。一般在设计时,由于发射信号比较大,接收信号相对比较小,可通过将收发信道的发射端信号耦合出一路环回到接收端的方式,同样采用模拟开关切换,无需改变外部电缆连接。

(4)单载波测试模式:此模式控制信号处理调制端发射未经调制的单载波,主要用于测试载波的相位噪声,以及其他相关指标,如发射载波频率准确度、杂波抑制,谐波抑制等。此外,该模式可用于测量接收端载噪比(C/N0),因为单载波调制功率和调制信号的通道功率相当,通过标定接收端载噪比可算出接收端的解调信噪比Eb/N0,对整个通信系统的链路状况作出判断。

(5)发射端1,0调制模式:该模式控制调制器输出一个经过交替1,0,1,0序列调制后的载波,序列的符号速率为当前通信符号速率,这样将会在距离载波频率正负1/2符号速率的位置产生两个离散频谱,用于检测调制器的载波抑制。如果调制方式是OQPSK,将会出现一个频谱,适用于测量单边带载波抑制,对于确定调制器的幅度和相位准确度也非常有用。4)BIT信息管理:对于机载通信系统尤其是无人机系统,应该在设计时考虑将重要BIT信息下传至地面处理中心便于综合分析。一般应在系统中设置数据记录装置,记录全机各设备在飞行过程中上报的各类BIT信息,作为事后分析的依据。本设备的BIT信息上传给显控终端后存储在机载计算机的硬盘中。

1.4ATE设计

由于BIT设计受10%软硬件增量限制[6],不可能将故障完全隔离,也很难达到较高的故障隔离率要求,因此必须借助ATE来共同完成故障诊断和隔离。ATE的出发点是在BIT将故障定位在LRU后,进一步将故障定位到SRU以及LRM。随着数字电子技术的不断进步,ATE向着通用化、小型化、标准化方向发展[7]。对于实际应用,ATE的这种设计要求是矛盾的,既要通用化又要小型化,最终只能折中考虑。本设备没有设计专用的整机ATE设备,而是设计了一个整机接口测试板和各个模块的离线测试夹具,相当于ATE的作用,分别用于原位测试和离线测试。1)原位测试:对于实际应用中,在某些情况下需要在问题出现时在线对故障进行定位,特别是对本电子通信设备,要完成相对复杂的综合信息处理、协议处理、调制解调信号处理,各个模块间存在较多交互,这样给离线检测带来较大困难。针对这种情况,本设备在设计时在机箱外面预留一个测试口,这个测试口为一个多芯接插件,将设备内部FPGA及DSP的JTAG下载调试口、PowerPC的网口及调试串口、模块内部的主要监控信号引出来,在出现问题时可原位在线测试,适用于设备的调试测试、综合故障分析以及程序升级。这个测试口引出后连接到接口测试板,测试板上集成上述各种测试口及主要监控信号,方便在不开设备机箱的情况下在线对设备故障进行检测和隔离。2)离线测试:问题隔离到一个单独模块后,为了进一步分析隔离故障,需要做一个针对单板测试的ATE。本设备各模块均做了一个专用测试模块,这个测试模块根据待测模块的内部软硬件架构、结构进行测试性设计,简称测试夹具。夹具实际也是一个PCB板卡,通过接插件和待测模块相连,完成待测模块的单板加电、单板测试验收及故障定位。这个测试夹具可模拟互联的其他模块的测试激励信号和响应信号,实现脱离仪器的单板全功能、性能测试。ATE作为对模块的测试分析与性能评估,其自身的状态必须保证,应在实验室用专业仪器对其状态进行全方位测试与验证,使其具有很高的可靠性,并应定期标校。

2测试结果

根据以上BIT和ATE设计对本通信设备进行了测试,部分测试结果如表1所示。

3结论

本文所述可测试性设计方法部分内容已在某工程项目中成功运用,效果良好,给设备的故障检测与隔离、功能性能测试、系统联试带来了很多方便。随着测试技术的发展,BIT设计有越来越重要的地位,并逐渐与ATE设计相融合,发展成为具有状态监控、性能测试、故障诊断、控制决策为一体的综合化检测系统和自动诊断系统[8],将会进一步在系统或设备的测试性和维修性中发挥更重要的作用。

作者:侯波涛 单位:中国西南电子技术研究所

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