从简陋到强大,细数“无线电综合测试仪”的进化史

无线电杂志2020-11-11 10:01:29

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摘要
随着无线电通信设备的发明,各类无线电检测仪器设备也应运而生。无线电波看不见摸不着,要靠仪器测量才能了解其特性。早期的无线电测量设备都是单一功能的仪器,为了测量无线电通信设备的多个重要参数必须使用多个仪器。测量实验室往往需要摆放很多仪器,测量时需要分别连接不同的仪器,这使得测量工作不但繁琐,而且影响效率,而且众多仪器堆在一起使用,往往线缆凌乱,不便于管理。为此,人们就期望将一些常用测量仪器整合在一起,成为一台多功能的综合性仪器,以提高测量效率和满足现场检测的需要,这就是无线电综合测试仪的由来。

与时俱进的无线电综合测试仪

最早期的无线电综合测试仪
最早期的无线电综合测试仪集成度不高,各个功能单元相对独立,几乎每个测量项目都有自己独立的控制面板和信息显示窗口,主要是完成了电源和部分输入、输出端口的共享和整合。基本可以满足早期无线电通信设备的检测、调试、维修的需要。示波器和频谱仪由于结构复杂、成本高、体积大,所以早期的无线电综合测试仪很多都没有集成进去。尽管如此,人们已经从整合仪器中看到了实用价值,在节约空间和提高工作效率方面成效明显。
 

首先是线缆大量精简,仅电源线就少了多条。其次,很多不同项目的测试在综合测试仪上使用相同的I/O端口,用户完成一次电缆连接后,只需切换综合测试仪测量功能,就能完成测量,有时还可以实现多参数同时测量。不像单功能的独立仪器,每更换一个测试项目都要更换仪器、更换电缆连接。如测量一部电台,电台天线端口,只需要一次与综合测试仪的主射频RF I/O端口连接,就能用于测量频率、功率、调制度、灵敏度等多项电台主要指标,电台一发射,在综合测试仪就能同时显示出频率、功率、调制度等数据。

第二代无线电综合测试仪
第二代无线电综合测试仪在控制面板和用户界面上加强整合,使得整个仪器的控制面板有整体化的感觉,各种设置旋钮按键在控制面板上分布更为科学,不再像上一代产品给人的感觉是一堆仪器装在一个大铁盒里。各个测量单元的显示部分也进行大幅度整合,显示表头尽量采用多表合一的形式。一个机械指针表头画上多条不同功能的刻度,用户使用哪个功能就参考哪条刻度读数。共用表头的好处是在空间有限的控制面板上可以使用较大表面、精度较高的表头,有利于测量结果的读出。
 

第二代无线电综合测试仪整合了更多的仪器功能,如频率误差计、失真表、信纳表、信噪表、亚音发生器、AM/FM解调器等。综合测试仪支持的测量频率普遍提高到500MHz以上。内部电路排列上不同功能的单元由上一代的各自为政,转变为插板型模块,每块插板模块实现特定的功能,就像电脑主板上的PCI插卡一样,这样的物理结构形式一直沿用至今。

实践证明,这种插板模块结构易于快速更换故障单元和维修,通过替换备用模块能准确定位故障位置。维修时通过专用的维修延长电缆将插板模块延伸到机外修理,远比固定在仪器内部的电路板处理方便。另外,板卡结构也方便进行屏蔽处理,可以防止机内电磁干扰对工作单元的影响。
 

第一、第二代综合测试仪的测量电路和控制电路都以模拟电路为主,显示界面大部分都采用指针表头和表盘来显示,大量使用到多挡位的机械选择开关和拨码开关,仪器的设置指示主要靠开关和旋钮对应的刻度和文字标识。
 
第三代无线电综合测试仪
第三代无线电综合测试仪开始引入数控技术,。显示和控制界面中,数字直接显示的元素逐渐增多,后期产品开始逐步提供一些简单的自动化测试功能。由于数控技术的引入使仪器的精度和性能有所提高,操作界面上越来越多地出现了轻触开关,传统的机械开关应用逐渐减少。有些这一时期的综合测试仪的部分测试结果采用指针和数字双显示方式,限于当时电路性能测量结果数字显示分辨率不高、刷新慢,所以机械指针表的优势还很明显,但人们已经感觉到数字显示和指针显示各有所长,数字显示的直观性和易读性开始被用户所看好。一些综合测试仪开始集成示波器功能,甚至频谱分析仪功能。


无线电综合测试仪中集成的示波器不是直接用来观察射频信号,而是主要用来观察音频信号失真的情况,所以工作带宽往往很低,很多只有1MHz左右带宽,小的只有几十千赫兹。当时无线电频谱中的800MHz和900MHz频段已经开始被使用,所以综合测试仪的工作频率普遍提升到1GHz水平。


早期的综合测试仪设计承受功率比较小,有的只有20~30W水平,随着市场上电台输出功率的普遍提高,综合测试仪的最大输入功率也与时俱进,小的可以耐受50W,大的则可以耐受150W。这样用户在测试时可将大功率发射机直接与综合测试仪连接,减少中间衰减器环节,既方便,又有利于减少误差。
 

第四代无线电综合测试仪
第四代无线电综合测试仪开始使用单片机和微电脑处理芯片作为控制核心,综合测试仪进入了程控化自动化阶段。由于有微电脑处理器的加入,使综合测试仪具有了数据处理功能和自动控制能力。如在频率测量中除了可以传统的直接显示频率数字外,还可以通过与预置目标频率数值比较,直接显示出频率误差值,甚至计算出误差ppm值(×10-6)。另外,通过设定仪器可以选择以各种用户所需单位的方式显示,如在功率测试项目中可以选择W为单位,也可以选择dBm为单位,信号发生器输出幅度显示单位可以是dBm,也可以选择成μV 单位或dBμV单位。
 

综合测试仪具有了自动量程功能,例如用户测试功率时不必预选功率量程挡,仪器会自动选择适当的量程进行测量,无论用户测量的是几十毫瓦的小功率,还是几十瓦的大功率综合测试仪,都能准确测量。综合信息显示屏的概念开始出现,所有的测量数据和设置信息都集中显示在一个屏幕上,显示的内容较传统方式更为丰富、直观。同时,综合测试仪面板上的旋钮和开关也慢慢减少,逐渐都成为按键的天下。
 
功能方面,继集成了数字示波器功能后,很多综合测试仪都加入了数字频谱仪功能(有的综合测试仪采用选件形式),有的还提供跟踪源,使得综合测试仪具有初级的射频网络分析功能,可以用来调试一些二端口网络器件,如双工器、滤波器之类。但一般这一时期的综合测试仪集成频谱分析功能的性能在RBW分辨率、扫宽、动态范围、扫描速度上都远不及专门的频谱仪,只能说满足初级应用。
 

第四代无线电综合测试仪不但集成了更多射频测量仪器的功能,而且测量应用范围不满足于传统常规模拟制式电台,开始支持当时比较流行的模拟蜂窝电话和模拟集群对讲机以及BP机POCSAG码的测试和信令测试。后期也出现了一些专门为CDMA、GSM移动电话系统特别设计的专用综合测试仪。
 
现代无线电综合测试仪
现代无线电综合测试仪与时俱进,为了满足日益复杂的数字通信信号测量,产品硬件上向着数字化软件化智能化方向发展。高性能的处理器成为仪器的核心,大量DSP架构线路替代传统线路。软件化的优点是配置和升级灵活,增加对一种新制式信号的支持或进一步优化测量增加测量模板,都只需要更新一下固件或加载一个软件包。同样的基础硬件平台安装不同的软件,就能成为功能不同的两款不同型号的综合测试仪。
 

现代无线电综合测试仪测量的重心由传统模拟制式电台转向数字制式系统,包括主流应用的CDMA/EVDO、W-CDMA、GSM、TD-SCDMA、TETRA、WI-FI、蓝牙等。这些信号不是宽带信号,就是时分的脉冲信号,测量要求、测量方式、测量项目都有别于传统模拟信号,要测量这些数字信号需要使用为测量数字信号设计的综合测试仪,并且还要有专门对应的软件支持,传统为测量模拟信号的综合测试仪基本是有心无力。
 

对于现代数字制式通信设备,不是所有的综合测试仪都能用来测量。现代无线电综合测试仪出现市场细分,分成“大而全”型和“小而专”型两类。大而全型综合测试仪主打高端应用,提供广泛的适用性,支持多种主流数字格式通信信号的测量和模拟制式电台测量,适合实验室级应用。小而专型的综合测试仪专门针对某一种数字信号制式,成为专用测试工具,以体积小、便携性好、价格优为卖点,适合现场检测和工厂流水线使用。

无线电综合测试仪已成为现代通信行业必不可少的检测仪器,已经超越了当初只是希望仪器集成化的初衷,成为一类智能测量、自动化分析的专业应用仪器。




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