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摘要：本文分析了合成仪器自动测试系统的结构特点。对LXI平台、PXI平台和混合平台构建的三种不同结构的合成仪器自动测试系统特点作了介绍。
关键词：合成仪器；自动测试系统；系统平台；LXI接口；PXI接口
引言
合成仪器是近年来测试测量仪器业界的最热门话题，因为美国国防部门放弃自动测试设备的专用采购，改为商业现货采购，同时提倡各军兵种的自动测试设备结构的模块化，利用数量有限的通用模块综合成各种不同应用的测试测量系统，简称合成仪器。实际上“合成仪器”只是一个技术名词，作为表达一种不同于“自然仪器”的新测量学或者新的测试测量学科之用。
合成仪器的典型系统构成可分为三个子系统：数字处理和控制子系统，A／D和D／A转换器子系统，以及信号调理子系统。再由三个子系统形成两个链路，即激励链路和测量链路，在两个链路之间连接被测器件。这些子系统又由数量不多的基本模块组成，整个系统好像积木魔方体，每边只有几块基本积木即可组合成无数多采多姿的图案。合成仪器是由基本模块组合而成，而且组合体的总数远大于基本模块数，因而，有些合成仪器专家认为使用“协调仪器”更为确切。合成仪器与软件定义无线电有相似之处，但是后者也只有合成功能，欠缺测量和分析能力。合成仪器与虚拟仪器更为相近(实质上虚拟仪器属于合成仪器的超集)，前者比后者的内容更完善。所有合成仪器都是虚拟仪器，同样具有虚拟面板，由软件映射和扩展硬件的功能，由PC管理数据流、分析和表现结果。但是虚拟仪器的硬件来自自然仪器，而合成仪器的硬件来自基本仪器模块，软件起着更大的作用。
目前，合成仪器主要用户是国防／航天部门，设备主要是微波／RF频段的自动测试系统(SI-ATS)，由于起点比较高，能够供应这些设备的测试测量仪器公司还不多。以下介绍三种有代表性的合成仪器ATS系统，第一是安捷伦(Agilent)公司的SI仪器系列，第二是艾法斯(Aeroflet)公司的SMARTE系列，第三是国家仪器(NI)／相位矩阵(PhaseMatrix)／BAE系统三家公司合作开发的PXI合成仪器系列。
LXI合成仪器SI系列
安捷伦科技公司在2006年5月宣布六种获得LXI联合体认证的A类LXI标准模块，并且借助这六种LXI模块构成业界第一套合成仪器ATS系统。随后该ATS交付美国海军使用，作为飞行电子设备测试和维护的装备，成为美国国防部新一代测试计划(NxTest)试点工程项目，即统一自动支援系统(CASS)的商用现货采购装备，并考核合成仪器的全面性能。2007年安捷伦正式将合成仪器列入产品目录，作为军民两用的测试测量仪器和自动测试系统供应。
安捷伦的六种合成仪器的型号如下：
·N8201A数字下变频器SI模块
·N8211A模拟上变频器SI模块
·N8212A矢量上变频器SI模块
·N8221A中频数字化仪SI模块
·N8241A任意波形发生器sI模块
·N8242A任意波形发生器SI模块
显然，以上六种SI模块都是从安捷伦的GPIB总线台面仪器作重新设计成为LXI模块，并且满足A类标准。为了构建成完整的ATS系统，还可选用安捷伦的B类或C类LXI模块，或者采用其它仪器公司供应的LXI模块构成ATS系统。
为了满足美国国防部对合成仪器ATS系统现在和将来的测试方案，A类LXI模块还需要经受四种特殊测试。它们分别是飞行路线测试、中间级(I－Level)测试、库房测试、制造商(OEM)测试，具体内容如下：
·飞行路线测试——在这种运作下，模块内的接收系统从飞机或车辆接收消息，形成“注意”标志。当系统回到基地，立即识别和找出需要校正的子系统，将损坏单元记录到中央数据库，以便在整个处理过程中跟踪该单元。
·中间级测试——测试关键在于识别出子系统的损坏模块，如果能够移去该模块，则记录到中央数据库，然后进行下一步测试。
·库房测试一一在集中的维护中心内，对损坏模块作板级的元件识别，然后将维修的单元送回备件库进行修理。目标是提高飞机或车辆的可用性。
·制造商测试——在标准流程中，合成仪器的ATS系统的板卡、模块或子系统在交付部队和进入服务前应该进行OEM测试。如果制造商和部队都采用相同的硬件／软件测试系统，则测试结果具有更高的可信度。同时极大的地降低ATS系统的开发成本，以及部署和支援的费用。安捷伦公司的合成仪器ATS系统与具有相同特性的台面仪器测试系统的对比如图1所示，前者使用上、下变频器、中频数字化仪、任意波形发生器等模块仪器为主，后者使用微波信号源和频谱分析仪等传统台面仪器为主，突显合成仪器具有节省机箱空间、节约功率和机动性的优点。
SMARTE合成测试环境系列
艾法斯公司是一家微波／RF测试测量仪器供应商，对合成仪器有十年以上的开发经验，前期曾推出基于GPIB台面仪器和基于VXI模块仪器的合成仪器ATS系统，并且供应3／6GHz的多种PXI发生器／分析器组成的测量子系统和完整系统。它的合成系统部负责侦察雷达、人造卫星、电子对抗、导航识别、军用ATS系统、通用微波测试的设备。去年底合成系统部公布开发成功第五代的高性能合成测试环境SMARTE5000(合成多功能的自适应可重配置测试环境)，并展出样机。艾法斯公司认为SMARTE5000是业界领先的合成测试系统，具有高度集成和完整解决方案的测试环境，而其它竞争对手的合成仪器测量系统只是台面仪器或合成仪器的集合体，系统级的支持却留待ATS系统集成商或用户自行解决。
SMARTE5000系统在总体设计方案中着重解决的硬件和软件问题包括：
·专用的合成机柜——不但能够安装商业现货的LXI模块仪器，而且能够安装不同供应商和不同工业标准的台面或模块仪器(GPIB、PCI、PXI等)。以便构成容纳多种接口标准的混合系统平台，便于选择性能价格比最高的商业现货仪器，构成可用性最高的合成系统硬件。
·系统级软件环境——柔性软件和工业标准软件至关重要，故采用包括Windows、C／C++和国家仪器公司的Test Stand编程软件，还有高效率的测试程序库，内置具有个人特征的专用测试程序等。它们保证系统级的标准、验证、诊断和应用可获得快速升级和达到整体指标。
·系统级硬件和系统级软件的紧密结合——SMARTE5000的开放式结构，便于由用户、系统集成商实现多功能扩展和自适应重新配置，对任何应用都能够提供最佳测试状态。目前SMARTE5000达到如下指标：
◇系统的两个激励和测量通道的最高频 率达到40GHz，另外可扩展成为多通道的并行激励和并行测量，或者使用非合成仪器通道。
◇高度可配置的基带、窄带和宽带响应能力，快速调谐的本地振荡器，AM、FM、PM和任意波形的载波调制。
◇标准功率输出和测量程是-90dBm至+10dBm，分辨率优于0.1dB，采用功率放大器选项可扩大量程。
◇提供连续波和脉冲调制波的包络、平均、峰值、频谱功率测量，s参数和网络参数测量，具有高吞吐率和高测量速度。
◇为卫星、雷达、电子对抗相控阵收／发器、ATS平台提供专用子系统和交钥匙工程。
PXI／PXI Express合成仪器系列
在测试测量仪器业界的四种仪器总线标准中，GPIB总线将由LXI总线取代，VXI总线将由PXI总线接替。如果今后几年内没有新的仪器总线标准出现，则LXI和PXI两种仪器总线必然是合成仪器首选的接口。安捷伦公司是开发LXI总线的主要机构，并领先其它对手推出完整的基于LXI,总线的合成仪器ATS系统，已经交付美国海军使用。2007年底，艾法斯公司也完成基于LXI总线的Smarte5000合成仪器ATS系统。国家仪器公司是PXI总线的原创机构，早期目标是中小型ATS系统，以国家仪器为首的PXI系统联盟虽然拥有1400多种模块，但使用频段集中在3GHz以下，不能满足国防／航天应用的微波／RF频段。2007年PXI系统联盟采取三种有效办法，促进PXI总线模块仪器向微波／RF频段和大型ATS系统发展。首先扩大机箱和板卡尺寸，由2U增加至3U，其次是PXI总线升级至PXIExpress总线，还有，采用PXIExpress电缆作为机箱一机箱，机箱一计算机主机之间的连接电缆。这些办法为PXI仪器进入大型ATS系统，亦即为实现合成仪器的ATS系统扫清障碍。目前，国家仪器公司联手相位矩阵(Phase Matrix)公司和BAE Systems(英国航空航天系统)公司共同开发基于PXI／PXIExpress模块仪器的合成仪器ATS系统。
国家仪器公司的实力在于LabVIEW等图形编程软件和数字化仪、PXI总线控制器等硬件，而且拥有多种多样的PXI模块仪器。相位矩阵公司在开发频率合成器，以及开发VXI和PXI的上、下变频器方面具有丰富经验，曾经制成以VXI／PXI模块为主的合成仪器样机。BAE系统公司更是名列全球第二国防防务公司，为宇航和海陆空三军提供系统集成服务，年营业额超过500亿美元。它们三家公司都有向合成仪器ATS系统市场进军的要求，2007年签订合作协议，开发最高频率26.5GHz的微波／RF频段，以PXI／PXIExpress模块仪器作平台的合成仪器ATS系统，将在2008年底完成原型机。三家公司的具体分工如下：
·BAE系统承担合成仪器子系统，DSP软件编程，全系统的校正，以及系统集成。
·相位矩阵承担25.6GHz的上／下变频器，微波／RF开关和任意波形发生器。
· 国家仪器承担LabVIEW／labWindows编程软件，PXI平台，高速I／O卡和数字化仪。
合成仪器ATS系统的组成框图如图2所示，图中上面部分称为激励(SHE)子系统，下面部分是测量(MHE)子系统，中间是被测单元(UUT)，左边是作为系统控制器的PC主机。测量系统采用国家仪器公司的PXI-1045机箱，除了嵌入式控制器占用插槽1之外，还有插槽2～17可供其它PXI模块仪器使用。
应该注意，RF输入的最高频率是25，6GHz，根据混频器性能的不同，MHE测量子系统还可输入高至50GHz的mFil波频率。现今，数字化仪的取样率通常在1GS／s以上，使用PXI接口和多芯电缆，已无法满足分辨率8位、2GS／s取样率的数据在SHE激励子系统与MHE测量子系统之间传输。这类高速数据需要实时处理和极短延时，并行传输的PXI接口不能满足要求。为此相位矩阵公司准备使用电缆式PXIExpress(即Cabled PXIe)接口，它的数据由一根单芯细电缆作串行传输，每通道可传输2.5Gb／s，有效流量达到800Mb／s，一个电缆式PXIe接口支持4通道。虽然目前还未公布电缆式PXIe标准，但是国家仪器公司已可提供样品。第二代传输速度更高的电缆式PXIe接口，每通道可传输5Gb／s，有效流量达到1.6Gb／s，每个接口支持4通道，国家仪器公司可提供实验样品。为了实现SHE激励子系统与MHE测量子系统的高速数字链路，需要每个子系统分别安装一个16通道的第一代电缆式PXIe接口，或者8通道的第二代电缆式PXIe接口。
与现今最流行的PC通用串行外设USB接口的传输速度480Mb／s，或者LXI接口的串行传输速度10／100Gb／s相比，电缆式PXIe接口的串行传输速度10Gb／s(第一代)和20Gb／s(第二代)属于相当先进产品。因为LXI接口的以太网采用铜缆时传输速度是10Gb／s，要采用光纤才达到100Gb／s。此外，基于PXI／PXIe的合成仪器ATS系统只用两个2U尺寸的18插槽机箱，其体积、重量和功耗都比基于LXI模块的合成仪器ATS系统更胜一筹。如果整体电学性能可与LXI模块仪器相比拟，则PXI／PXIe模块仪器将在合成仪器占有一席之地。
结语
本文简介三种不同平台的微波／RF合成仪器自动测试系统，即基于LXI接口平台、混合接口平台和PXI接口平台和模块组成的SI-ATS系统的设计构思和特性，由此可以了解到合成仪器和系统的最新进展。
关键词：合成仪器；自动测试系统；系统平台；LXI接口；PXI接口
引言
合成仪器是近年来测试测量仪器业界的最热门话题，因为美国国防部门放弃自动测试设备的专用采购，改为商业现货采购，同时提倡各军兵种的自动测试设备结构的模块化，利用数量有限的通用模块综合成各种不同应用的测试测量系统，简称合成仪器。实际上“合成仪器”只是一个技术名词，作为表达一种不同于“自然仪器”的新测量学或者新的测试测量学科之用。
合成仪器的典型系统构成可分为三个子系统：数字处理和控制子系统，A／D和D／A转换器子系统，以及信号调理子系统。再由三个子系统形成两个链路，即激励链路和测量链路，在两个链路之间连接被测器件。这些子系统又由数量不多的基本模块组成，整个系统好像积木魔方体，每边只有几块基本积木即可组合成无数多采多姿的图案。合成仪器是由基本模块组合而成，而且组合体的总数远大于基本模块数，因而，有些合成仪器专家认为使用“协调仪器”更为确切。合成仪器与软件定义无线电有相似之处，但是后者也只有合成功能，欠缺测量和分析能力。合成仪器与虚拟仪器更为相近(实质上虚拟仪器属于合成仪器的超集)，前者比后者的内容更完善。所有合成仪器都是虚拟仪器，同样具有虚拟面板，由软件映射和扩展硬件的功能，由PC管理数据流、分析和表现结果。但是虚拟仪器的硬件来自自然仪器，而合成仪器的硬件来自基本仪器模块，软件起着更大的作用。
目前，合成仪器主要用户是国防／航天部门，设备主要是微波／RF频段的自动测试系统(SI-ATS)，由于起点比较高，能够供应这些设备的测试测量仪器公司还不多。以下介绍三种有代表性的合成仪器ATS系统，第一是安捷伦(Agilent)公司的SI仪器系列，第二是艾法斯(Aeroflet)公司的SMARTE系列，第三是国家仪器(NI)／相位矩阵(PhaseMatrix)／BAE系统三家公司合作开发的PXI合成仪器系列。
LXI合成仪器SI系列
安捷伦科技公司在2006年5月宣布六种获得LXI联合体认证的A类LXI标准模块，并且借助这六种LXI模块构成业界第一套合成仪器ATS系统。随后该ATS交付美国海军使用，作为飞行电子设备测试和维护的装备，成为美国国防部新一代测试计划(NxTest)试点工程项目，即统一自动支援系统(CASS)的商用现货采购装备，并考核合成仪器的全面性能。2007年安捷伦正式将合成仪器列入产品目录，作为军民两用的测试测量仪器和自动测试系统供应。
安捷伦的六种合成仪器的型号如下：
·N8201A数字下变频器SI模块
·N8211A模拟上变频器SI模块
·N8212A矢量上变频器SI模块
·N8221A中频数字化仪SI模块
·N8241A任意波形发生器sI模块
·N8242A任意波形发生器SI模块
显然，以上六种SI模块都是从安捷伦的GPIB总线台面仪器作重新设计成为LXI模块，并且满足A类标准。为了构建成完整的ATS系统，还可选用安捷伦的B类或C类LXI模块，或者采用其它仪器公司供应的LXI模块构成ATS系统。
为了满足美国国防部对合成仪器ATS系统现在和将来的测试方案，A类LXI模块还需要经受四种特殊测试。它们分别是飞行路线测试、中间级(I－Level)测试、库房测试、制造商(OEM)测试，具体内容如下：
·飞行路线测试——在这种运作下，模块内的接收系统从飞机或车辆接收消息，形成“注意”标志。当系统回到基地，立即识别和找出需要校正的子系统，将损坏单元记录到中央数据库，以便在整个处理过程中跟踪该单元。
·中间级测试——测试关键在于识别出子系统的损坏模块，如果能够移去该模块，则记录到中央数据库，然后进行下一步测试。
·库房测试一一在集中的维护中心内，对损坏模块作板级的元件识别，然后将维修的单元送回备件库进行修理。目标是提高飞机或车辆的可用性。
·制造商测试——在标准流程中，合成仪器的ATS系统的板卡、模块或子系统在交付部队和进入服务前应该进行OEM测试。如果制造商和部队都采用相同的硬件／软件测试系统，则测试结果具有更高的可信度。同时极大的地降低ATS系统的开发成本，以及部署和支援的费用。安捷伦公司的合成仪器ATS系统与具有相同特性的台面仪器测试系统的对比如图1所示，前者使用上、下变频器、中频数字化仪、任意波形发生器等模块仪器为主，后者使用微波信号源和频谱分析仪等传统台面仪器为主，突显合成仪器具有节省机箱空间、节约功率和机动性的优点。
SMARTE合成测试环境系列
艾法斯公司是一家微波／RF测试测量仪器供应商，对合成仪器有十年以上的开发经验，前期曾推出基于GPIB台面仪器和基于VXI模块仪器的合成仪器ATS系统，并且供应3／6GHz的多种PXI发生器／分析器组成的测量子系统和完整系统。它的合成系统部负责侦察雷达、人造卫星、电子对抗、导航识别、军用ATS系统、通用微波测试的设备。去年底合成系统部公布开发成功第五代的高性能合成测试环境SMARTE5000(合成多功能的自适应可重配置测试环境)，并展出样机。艾法斯公司认为SMARTE5000是业界领先的合成测试系统，具有高度集成和完整解决方案的测试环境，而其它竞争对手的合成仪器测量系统只是台面仪器或合成仪器的集合体，系统级的支持却留待ATS系统集成商或用户自行解决。
SMARTE5000系统在总体设计方案中着重解决的硬件和软件问题包括：
·专用的合成机柜——不但能够安装商业现货的LXI模块仪器，而且能够安装不同供应商和不同工业标准的台面或模块仪器(GPIB、PCI、PXI等)。以便构成容纳多种接口标准的混合系统平台，便于选择性能价格比最高的商业现货仪器，构成可用性最高的合成系统硬件。
·系统级软件环境——柔性软件和工业标准软件至关重要，故采用包括Windows、C／C++和国家仪器公司的Test Stand编程软件，还有高效率的测试程序库，内置具有个人特征的专用测试程序等。它们保证系统级的标准、验证、诊断和应用可获得快速升级和达到整体指标。
·系统级硬件和系统级软件的紧密结合——SMARTE5000的开放式结构，便于由用户、系统集成商实现多功能扩展和自适应重新配置，对任何应用都能够提供最佳测试状态。目前SMARTE5000达到如下指标：
◇系统的两个激励和测量通道的最高频 率达到40GHz，另外可扩展成为多通道的并行激励和并行测量，或者使用非合成仪器通道。
◇高度可配置的基带、窄带和宽带响应能力，快速调谐的本地振荡器，AM、FM、PM和任意波形的载波调制。
◇标准功率输出和测量程是-90dBm至+10dBm，分辨率优于0.1dB，采用功率放大器选项可扩大量程。
◇提供连续波和脉冲调制波的包络、平均、峰值、频谱功率测量，s参数和网络参数测量，具有高吞吐率和高测量速度。
◇为卫星、雷达、电子对抗相控阵收／发器、ATS平台提供专用子系统和交钥匙工程。
PXI／PXI Express合成仪器系列
在测试测量仪器业界的四种仪器总线标准中，GPIB总线将由LXI总线取代，VXI总线将由PXI总线接替。如果今后几年内没有新的仪器总线标准出现，则LXI和PXI两种仪器总线必然是合成仪器首选的接口。安捷伦公司是开发LXI总线的主要机构，并领先其它对手推出完整的基于LXI,总线的合成仪器ATS系统，已经交付美国海军使用。2007年底，艾法斯公司也完成基于LXI总线的Smarte5000合成仪器ATS系统。国家仪器公司是PXI总线的原创机构，早期目标是中小型ATS系统，以国家仪器为首的PXI系统联盟虽然拥有1400多种模块，但使用频段集中在3GHz以下，不能满足国防／航天应用的微波／RF频段。2007年PXI系统联盟采取三种有效办法，促进PXI总线模块仪器向微波／RF频段和大型ATS系统发展。首先扩大机箱和板卡尺寸，由2U增加至3U，其次是PXI总线升级至PXIExpress总线，还有，采用PXIExpress电缆作为机箱一机箱，机箱一计算机主机之间的连接电缆。这些办法为PXI仪器进入大型ATS系统，亦即为实现合成仪器的ATS系统扫清障碍。目前，国家仪器公司联手相位矩阵(Phase Matrix)公司和BAE Systems(英国航空航天系统)公司共同开发基于PXI／PXIExpress模块仪器的合成仪器ATS系统。
国家仪器公司的实力在于LabVIEW等图形编程软件和数字化仪、PXI总线控制器等硬件，而且拥有多种多样的PXI模块仪器。相位矩阵公司在开发频率合成器，以及开发VXI和PXI的上、下变频器方面具有丰富经验，曾经制成以VXI／PXI模块为主的合成仪器样机。BAE系统公司更是名列全球第二国防防务公司，为宇航和海陆空三军提供系统集成服务，年营业额超过500亿美元。它们三家公司都有向合成仪器ATS系统市场进军的要求，2007年签订合作协议，开发最高频率26.5GHz的微波／RF频段，以PXI／PXIExpress模块仪器作平台的合成仪器ATS系统，将在2008年底完成原型机。三家公司的具体分工如下：
·BAE系统承担合成仪器子系统，DSP软件编程，全系统的校正，以及系统集成。
·相位矩阵承担25.6GHz的上／下变频器，微波／RF开关和任意波形发生器。
· 国家仪器承担LabVIEW／labWindows编程软件，PXI平台，高速I／O卡和数字化仪。
合成仪器ATS系统的组成框图如图2所示，图中上面部分称为激励(SHE)子系统，下面部分是测量(MHE)子系统，中间是被测单元(UUT)，左边是作为系统控制器的PC主机。测量系统采用国家仪器公司的PXI-1045机箱，除了嵌入式控制器占用插槽1之外，还有插槽2～17可供其它PXI模块仪器使用。
应该注意，RF输入的最高频率是25，6GHz，根据混频器性能的不同，MHE测量子系统还可输入高至50GHz的mFil波频率。现今，数字化仪的取样率通常在1GS／s以上，使用PXI接口和多芯电缆，已无法满足分辨率8位、2GS／s取样率的数据在SHE激励子系统与MHE测量子系统之间传输。这类高速数据需要实时处理和极短延时，并行传输的PXI接口不能满足要求。为此相位矩阵公司准备使用电缆式PXIExpress(即Cabled PXIe)接口，它的数据由一根单芯细电缆作串行传输，每通道可传输2.5Gb／s，有效流量达到800Mb／s，一个电缆式PXIe接口支持4通道。虽然目前还未公布电缆式PXIe标准，但是国家仪器公司已可提供样品。第二代传输速度更高的电缆式PXIe接口，每通道可传输5Gb／s，有效流量达到1.6Gb／s，每个接口支持4通道，国家仪器公司可提供实验样品。为了实现SHE激励子系统与MHE测量子系统的高速数字链路，需要每个子系统分别安装一个16通道的第一代电缆式PXIe接口，或者8通道的第二代电缆式PXIe接口。
与现今最流行的PC通用串行外设USB接口的传输速度480Mb／s，或者LXI接口的串行传输速度10／100Gb／s相比，电缆式PXIe接口的串行传输速度10Gb／s(第一代)和20Gb／s(第二代)属于相当先进产品。因为LXI接口的以太网采用铜缆时传输速度是10Gb／s，要采用光纤才达到100Gb／s。此外，基于PXI／PXIe的合成仪器ATS系统只用两个2U尺寸的18插槽机箱，其体积、重量和功耗都比基于LXI模块的合成仪器ATS系统更胜一筹。如果整体电学性能可与LXI模块仪器相比拟，则PXI／PXIe模块仪器将在合成仪器占有一席之地。
结语
本文简介三种不同平台的微波／RF合成仪器自动测试系统，即基于LXI接口平台、混合接口平台和PXI接口平台和模块组成的SI-ATS系统的设计构思和特性，由此可以了解到合成仪器和系统的最新进展。