基于MFC的卫星天线测试系统的设计与实现.pdf

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摘要天线是无线通信系统中用于发送和接收电磁波的重要组件。卫星通信中的卫星天线的性能对卫星通信地球站的性能的影响非常之大。卫星通信地球站天线的性能参数主要包括电路参数，如工作频带内的驻波比、输入阻抗等；以及辐射参数，如天线的方向图、增益等。所以，卫星通信地球站在投入使用之前必须进行入网测试，并向卫星组织提交测试报告。本文详细阐述了自主开发的可以完成入网测试并自动生成入网测试报告的卫星通信地球站天线测试系统，该测试系统采用基于局域网的模块化测试平台标准，改善了原有测试系统的效率和可靠性，实现了自动化测试和远程测试。本文系统地介绍了卫星通信地球站天线测试系统的详细设计和实现方法。首先对卫星通信地球站天线的入网测试要求的参数进行了详细的分析。在此基础上，根据现有条件设计了基于局域网的模块化测试平台标准的测试系统方案。其次详细介绍了天线转台的设计以及天线转台的控制方式。同时详细介绍了信号发生器和频谱分析仪，并在此基础上介绍了信号发生器和频谱分析仪组建基于局域网的模块化测试平台的方案。本文着重介绍了测试软件的设计，主要包括对象化的类设计，数据库设计，测试数据的存储和分析，基于图形设备接口的测试结果显示，以及测试报告的自动生成过程。最后总结全文并展望基于矢量网络分析仪的扫频测试方式。关键词:天线方向图；微软基础类库；套接字；图形设备接口；模块化测试平台标准I AbstractAntennaisacrucialcomponentusedtotransmitorreceiveelectromagneticwaveinwirelesscommunicatingsystem.Theperformanceofsatellitecommunicationearthstationisverysensitivetotheperformanceofantennausedinsatellitecommunication.TheperformanceparametersofsatellitecommunicationantennaincludescircuitparameterslikeVSWRandinputimpedanceinworkingfrequencyband,andradiationparameterslikeradiationpattern,andgaininservicefrequencyband.Consequentlybeforethesatellitecommunicationearthstationisputintoservice,verificationtestmustbecarriedout,andthetestreportmustbesubmittedtothesatelliteorganization.Thispaperdescribesthesatellitecommunicationantennatestsystemwhichcancompleteverificationtestandautomaticgeneratetestreportindetail.ThetestsystemusesastandardmoduletestplatformbasedonLAN(LXI).Thissystemimprovestheefficiencyandreliabilityoftheexistingtestsystemandrealizestheautomationandremotetesting.Thispapersystematicallyintroducesthedetaileddesignandimplementationmethodsofantennatestsystemonthesatellitecommunicationearthstation.Therequirementparametersinverificationtestreportofantennaforsatellitecommunicationearthstationareanalyzedspecificallyinthefirstplace.Accordingtotheexistingconditions,thetestsystemwhichmeetsstandardmodulartestplatformbasedonLAN(LXI)isdesignedinthepreviousbasis.Secondly,thedesignandcontrolmodeoftheantennaturntableisintroducedindetail.ThesignalgeneratorandspectrumanalyzerissimultaneouslyintroducedtoformseveralschemesofmodulartestplatformbasedonLAN(LXI).Then,thetestsoftwaredesign,mainlyincludingtheobjectclassdesign,thedatabasedesign,storageandanalysisoftestdata,thetestresultsbasedongraphicsdeviceinterface(GDI),andprocessoftestreportautomaticgenerationareintroduced.Finally,wesummarizedthepaperandpredictedthesweepfrequencytestmethodbasedonvectornetworkanalyzer.Keywords:RadiationPattern;MFC;Socket;GDI;LXIII 目录第一章绪论.............................................................................................................................................................11.1课题背景研究............................................................................................................................................11.2天线测试系统介绍....................................................................................................................................11.3国内外天线测试系统的发展状况............................................................................................................21.4关键技术和应用前景................................................................................................................................31.5本文内容安排............................................................................................................................................3第二章天线基础.....................................................................................................................................................52.1天线的特性................................................................................................................................................52.1.1天线的互易性.................................................................................................................................52.1.2天线的辐射场.................................................................................................................................62.2天线的参数................................................................................................................................................82.2.1天线的波瓣图.................................................................................................................................82.2.2天线的旁瓣特性.............................................................................................................................92.2.3天线的方向性和增益...................................................................................................................102.2.4天线的极化...................................................................................................................................102.3本章小结..................................................................................................................................................10第三章测试系统方案设计....................................................................................................................................113.1卫星通信地球站天线测试方法...............................................................................................................113.1.1信标塔测试法...............................................................................................................................123.1.2卫星信标测试法...........................................................................................................................133.2测试系统方案设计..................................................................................................................................143.2.1基于GPIB的测试系统方案........................................................................................................143.2.2基于LXI的测试系统方案...........................................................................................................153.3测试系统组成部分..................................................................................................................................163.4测试系统参数设计..................................................................................................................................163.4.1测试角度定义...............................................................................................................................173.4.2天线增益测量...............................................................................................................................183.4.3包络线计算...................................................................................................................................193.5本章小结..................................................................................................................................................19第四章测试系统硬件...........................................................................................................................................204.1天线转台和天线控制器的设计..............................................................................................................204.1.1天线转台.......................................................................................................................................204.1.2天线控制器...................................................................................................................................214.2基于LXI标准的测量仪器......................................................................................................................214.2.1LXI标准及其特性.........................................................................................................................214.2.2频谱分析仪...................................................................................................................................224.2.3信号发生器...................................................................................................................................244.3硬件设备驱动..........................................................................................................................................254.3.1虚拟仪器软件结构体系...............................................................................................................254.3.2程控仪器标准命令.......................................................................................................................264.4本章小结..................................................................................................................................................29第五章测试系统软件...........................................................................................................................................305.1开发环境介绍..........................................................................................................................................305.2测试软件设计..........................................................................................................................................31III 5.2.1需求分析.......................................................................................................................................315.2.2模块功能设计...............................................................................................................................325.2.3测试系统软件的关键技术...........................................................................................................375.3模块功能实现..........................................................................................................................................405.3.1数据库字典设计...........................................................................................................................405.3.2类设计...........................................................................................................................................425.3.3操作界面设计...............................................................................................................................435.4本章小结..................................................................................................................................................46第六章系统测试与验证.......................................................................................................................................476.1实际测试..................................................................................................................................................476.2测试结果..................................................................................................................................................486.3本章小结..................................................................................................................................................50第七章总结与展望...............................................................................................................................................517.1总结..........................................................................................................................................................517.2展望..........................................................................................................................................................51参考文献.................................................................................................................................................................53附录1程序清单....................................................................................................................................................55致谢.........................................................................................................................................................................71IV 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题背景研究天线是无线通信系统中用于发送和接收电磁波的组件。在发射终端中，天线的主要功能是将发射器或者传输线输出的高频电流转变成无线电波并发射到空间；在接收终端中，天线将无线电路的能量转变为电流。因此，我们可以认为天线是传输波和辐射波之间的转换设备。天线在无线通信，无线广播，导航定位，遥感勘测等系统的正常工作中有着非常重要的影响。任何天线都可以使用特征参数来评估天线的性能。天线的特性参数包括天线阻抗、方向特性、增益、极化、以及天线的方向图特性。天线的这些特性参数决定了天线的品质以及天[39]线的应用场合和适用范围。卫星通信因其覆盖范围广，通信容量大，广播方式工作，不受距离限制，机动性强，安全可靠性高等优点，在军事通信，广播电视转播，应急通信，遥感遥测，定位导航等领域发挥着重要作用。卫星通信地球站是卫星通信的终端，常见的终端有地面固定站，背负式便携站，车载式通信站，船载式通信站以及手持式接收站。为了保证卫星通信的质量和可靠性，所有的卫星通信地球站在投入使用前都必须要提交入网申请，进行入网测试，提交测试报告。入网测试包括品质因素，天线方向图，天线的波束可控性，系统带宽，有效全向辐射功率，[1]载波频率容限，频带外辐射等参数的测试。天线参数的测试在入网测试中占有的比重十分大，可见天线测试在入网测试中的重要性。同时天线测试在天线设计中对理论分析和仿真计算的天线的验证，批量生产中对加工天线的[1]抽样检查，日常使用中对长期使用的天线的定期性能检查等场合都发挥着十分重要的作用。传统的天线测试系统因为协议标准不统一，接口多样化等原因，存在测试效率低，测试可靠性差，测试精度差，数据处理分析难度大，处理效率低，处理精度差等问题。1.2天线测试系统介绍天线测试系统如图1.1所示，通常由标准发射天线和待测天线组成，标准发射天线通过射频电缆连接信号发生器，信号发生器能够输出频率和功率稳定的单点频信号，待测天线架设在天线控制转台上，天线控制转台能够进行方位、俯仰两轴的匀速运动，同时天线控制器的转盘组件上安装有角度读取装置能够读取两轴运动的角度。待测天线通过射频电缆连接频1 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论谱分析仪，频谱分析仪记录测试数据。数据处理和分析软件对测试数据进行分析，以图表的格式生成测试结果，测试报告包括测试结果的图表以及测试结论。标准发射天线待测天线射频电缆射天线控制转台频电缆信号发生器频谱分析仪图1.1天线测试系统1.3国内外天线测试系统的发展状况天线测试方式经历了传统的人工测试阶段，本地测试系统测试阶段，以及现在的远程集成测试阶段。人工测试阶段，信号源和频谱分析仪都需要手动操作，测试效率低；天线控制转台和频谱仪分析仪不存在联动关系，测试效果差；没有集成的专用数据处理和分析软件，数据处理速度慢，处理质量差；没有测试报告生成系统，测试报告格式混乱。本地测试系统测试阶段，采用PC软件通过GPIB接口控制信号源和频谱分析仪，测试效率有所提高；通过串口控制天线转台，测试转台和频谱分析仪可以联动测试，测试质量有所提升；集成MATLAB进行数据处理和分析，数据处理的效率和质量有所提高，但是因为集成了MATLAB，软件的稳定性和可靠性变得很差，软件维护的成本变得很高。远程测试阶段的测试系统，采用基于局域网的模块化测试标准LXI通过LAN口来控制信号发生器和频谱分析仪以及天线控制转台，测试用计算机和测试设备可以处于同一局域网，也可分布在因特网的任何位置。测试过程可以根据程序设定自动进行，实时汇报测试结果，测试完成后自动进行数据处理和测试结果分析，生成测试报告。天线测试系统经过几十年的发展，国内外的公司都建成了成熟的自动化测试系统。测试2 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论系统的性能不断提升，功能不断增强。但是这些测试系统的开放性很差，比较适合在微波暗室近场测量。在特定的测试任务下，用户不能将测试系统和待测系统进行集成。当前国内外仪器制造行业和测试技术中虚拟仪器技术处于非常重要的地位。飞速更新的虚拟仪器技术改革了测试系统市场。目前，采用虚拟仪器技术设计的自动化测试系统设备占据了几乎全部的测试系统市场。所谓虚拟仪器是指用户使用计算机软件，根据实际需求设计仪器的各种功能，虚拟出需求的仪器。最终用户在操作虚拟仪器时，操作体验和操作一台实际的定制仪器相同。虚拟仪器技术基于通用计算机和专用数据采集硬件。所有的测量仪器都可以分解成数据采集、数据分析和结果输出这三大模块。数据采集模块需要提供专用的数据采集硬件，数据分析和结果数据可以由计算机软件实现。数据采集硬件结合通用计算机平台和计算机软件可[2]以构成完整的虚拟仪器测试系统。随着计算机技术和虚拟仪器技术的快速发展，测试系统也经历了很长的发展时期。从上世纪七十年代末出现的GPIB总线技术，到上世纪八十年代末流行的VXI总线技术，再到上世纪九十年代末年出现的PXI总线技术，直到本世纪初期崭露头角的LXI总线技术。LXI总线技术作为一种新技术采用了基于LAN技术的实现方案，使的搭建基于LXI协议的测试系[2]统更加方便和容易。1.4关键技术和应用前景本文的研究内容是一种基于MFC的卫星通信地球站测试系统，测试系统采用基于局域网的模块化测试标准LXI，重点解决了设备接口混乱，协议复杂的问题，实现了自动化远程测试和自动数据处理和分析生成测试报告的功能。该测试系统提高了测试效率，改善了测试效果，缩短了卫星通信地球站的设计和研发的周期，提高了卫星通信地球站入网测试过程的效率。1.5本文内容安排本文系统地介绍了卫星通信地球站天线测试系统的详细设计和实现方法。本文首先介绍了卫星通信地球站天线的测试基础，在此基础上分析了入网测试要求的参数，提出了基于局域网的模块化测试标准的测试系统方案，详细介绍了测试方案的具体组成，包括测试系统的硬件设计和软件设计，其后给出了对测试系统的测试和验证。最后总结全文，对基于矢量网络分析仪的测试系统做出展望。本文的主要内容安排如下：3 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论第一章，绪论，分析了卫星通信地球站天线测试系统的研究背景，介绍了地球站天线测试系统以及国内外地球站天线测试系统的发展状况以及本课题的关键技术和应用前景。第二章，首先讨论了卫星通信地球站天线的基本特性参数，包括卫星天线的增益，方向图，半功率波束宽度，旁瓣特性，极化以及交叉极化隔离度。第三章，卫星通信地球站天线基础，在讨论了传统的测试方案的基础上，给出了详细的基于局域网的模块化测试标准的测试方案和系统原理框图。第四章，测试系统硬件设计，首先介绍了天线转台的设计以及天线转台的控制方式。其次介绍了信号发生器和频谱分析仪，并在此基础上介绍了信号发生器和频谱分析仪组建基于局域网的模块化测试平台的方案。第五章，测试系统软件设计，着重介绍了测试软件的设计，主要包括对象化的类设计，数据库设计，测试数据的存储和分析，基于图形设备接口的测试结果显示，以及测试报告的自动生成过程。最后总结全文并展望基于矢量网络分析仪的扫频测试方式。第六章，系统测试和验证，详细介绍了软件测试，软硬件联调测试，系统级外场测试，并验证测试结果，验证本测试系统的可行性。第七章，总结与展望，对全文内容进行总结，分析了存在的问题，给出了关于基于矢量网络分析仪的扫频测试系统的设计方案的展望。4 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章天线基础第二章天线基础2.1天线的特性天线是传输波和辐射波之间的转换设备。如图2.1所示，在发射终端中，天线的主要功能是将发射器或者传输线输出的高频电流转变成无线电波并发射到空间；在接收终端中，天线将无线电路的能量转变为电流。天线可以根据其功能被分为发射天线和接收天线，虽然每个天线的功能和工作方式明显不同，但是单个天线通常可以而且经常同时用于发射和接收信号。根据互易性原理，同一天线在用于两种不同的工作方式时，其许多特性都是相同的。图2.1无线通信线路中的发射天线和接收天线卫星通信系统中，某些特定形式的干扰会产生其他无线系统中不会遇到的特殊的问题，想要最大限度地减少这些特定干扰带来的影响就需要特别注意天线设计中的相关特性来控制[27]干扰。2.1.1天线的互易性根据天线的互易性定理，如果有一电动势E激励工作在发射模式下的天线A，会使得工作在接受模式下的天线B获得感应电流I。此时，如果在天线B上加上相同的电动势E，那么天线A会获得同样的感应电流I。以上的两种方案下发射天线使用相同频率的电动势激励，并且传输介质是无源、线性且各项同性的是定理成立的前提条件。在以上假设条件下，同一副天处于发射模式和接收模式时，方向图相同。该推论是互易性定理的一个重要推论。如图2.2（a）所示，电动势Va加在工作于发射模式的天线A上，到达工作在接收模式的5 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章天线基础天线B处的电磁波会在天线馈电端口产生电流Ib。此处假设测量电流的安培计和产生电动势的发生器都具有相等的阻抗。如图2.2（b）所示，如果在工作于发射模式的天线B的馈电端口使用电动势Vb激励。那么到达接收天线A处的电磁波将在A的馈电端口上产生感应电流Ia。根据互易性定理，如果Va=Vb，那么有Ia=Ib。阻抗是电动势与电流之比。图2.1（a）中Va与Ib之比成为转移阻抗Zab，图2.1（b）中，Vb与Ia之比成为转移阻抗Zba。根据互易性定VVabZZ（2.1）abbaIIba[3]理，得到公式（2.1）。根据公式（2.1），天线处于发射模式和接收模式的阻抗相同。IbVa天线Ｂ天线Ａ(a)VbIa天线Ｂ天线Ａ(b)图2.2天线的互易性2.1.2天线的辐射场天线周围辐射的电磁场由三个部分组成：一个远场区和两个近场区。近场分量的辐射强6 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章天线基础度随着和天线距离的增长而快速衰减。辐射近场区的强度与距离的平方成反比，感应近场区的强度与距离的立方成反比。在相对较短的距离里，这些分量和用于无线通信的辐射分量相比可以忽略不计，远场区的场强与距离成反比。图2.3给出了划分场区的估计距离，其中D是天线的最大尺寸，是电磁波在自由空间的波长。但是对于卫星通信，远场区更值得关注，2远场区离天线的距离要求大于2D/。在远场区，辐射电磁波为电场和磁场呈现直角关系且都与传播方向成直角的横向电磁波（TEM）。如图2.4所示，E表示电场，H表示磁场，k表示传播方向，这些矢量构成了右手螺旋关系。远场区辐射波的波前可以认为是一个平面，电场Ｅ和磁场Ｈ位于同一平面上，而[3]ｋ是该平面的法线。3D22DR10.62R2图2.3天线辐射场EkH图2.4远场区的矢量图电场矢量在远场区可用分解为两个相互垂直的分量，如图2.5所示，分量E是点P在半径为r的圆弧上的切线，分量E点P在半径为rsin的圆上的切线。两种分量E,和7 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章天线基础E,都是和的函数。电场矢量的幅度可以表示如式2.222EEE（2.2）天线本身的主电场矢量是在坐标系原点的矢量E表示的，假设将矢量E与y轴对齐，这00样可以定义两个重要的平面：H平面，即xz平面，在该平面0；E平面，为yz平面，在[3]该平面90。zEEPrsinryx图2.5远场区的电场分量2.2天线的参数天线的特性可以通过一些参数来具体表示和衡量。比如天线的波瓣图可以通过半功率波束宽度，旁瓣特性参数，第一零点波束宽度等来描述。天线的极化可以通过轴比来衡量。天[4]线的方向性可以通过增益来衡量。所以天线的测试就是天线特性参数的测量。2.2.1天线的波瓣图描述天线辐射场功率作为球坐标系中和的函数的三维函数称为天线的辐射波瓣图或称天线的辐射空间方向图。波瓣图的表示需要两个互相垂直的包含主瓣轴的剖面表示，称为主平面波瓣图或称平面方向图。图2.6左边是极坐标系中电场功率的主平面波瓣图。为了能够更详细更明显地表示波瓣图中的功率关系，将同样的主平面波瓣图改用对数关系在直角坐8 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章天线基础[4]标系中表示如图2.6右边。图2.6中的波瓣图都为归一化后的波瓣图。半功率波束宽度（HPBW）也称3dB波束宽度，是功率为最大功率一半的电平点的夹角定义的波束宽度，即图2.6中的。同理，10dB波束宽度是功率为最大功率十分之一的32电平点的夹角定义的波束宽度，即图2.6中的。3dB波束宽度和10dB波束宽度是重要41[4]的波瓣图参量，可以用于计算天线的增益。0Pn1.00PE2-3dBnn-10dB0.5-20dB3dB-30dB0.110dB-40dB-180°-120°-60°1203460°120°180°图2.6天线二维波瓣图的球坐标和直角坐标表示2.2.2天线的旁瓣特性同步通信卫星只能工作在赤道上空大约3万6千公里的同步轨道环上。由于天线的收发波束具有一定的宽度，当轨道环上的卫星过于密集，而且相邻卫星的工作波段与服务区均相同时，地面天线既在轴偏方向上辐射出干扰邻近卫星的信号，也会接收到来自邻近卫星的干扰。为了避免相互干扰，地面服务区相同的通信卫星之间需要留有适当的轨道位置间隔，同[5]时要求卫星通信地球站天线的能量要尽可能集中在主瓣波束。除了主瓣之外的波瓣统称为旁瓣，卫星通信地球站天线的旁瓣特性是入网测试的关键指标，卫星组织对地球站天线旁瓣特性的要求如下：地球站天线波瓣图的旁瓣峰值增益应该满足：G()2925lg120（2.3）[5]式（2.3）表现在图2.6中即为包络线。要求天线的旁瓣均处于包络线之下。9 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章天线基础2.2.3天线的方向性和增益在各个方向上的辐射特性都相同的天线称为各项同性天线。各项同性天线的通量密度不随着方向的变化而变化。但是对于实际天线，随着方向的变化通量密度是变化的，即实际天线有方向性。在相同半径r的球面上，天线辐射最大方向上的通量密度与各向同性辐射体的[4]通量密度之比定义为天线的增益G。2.2.4天线的极化在z轴上确定点处的电场矢量随时间变化所描绘的椭圆称为极化椭圆。极化椭圆的长轴和短轴之比称为轴比AR。当AR0或者AR时，极化椭圆退化为线极化；当0AR时，[4]极化椭圆为椭圆极化；当AR1时，极化椭圆为圆极化。发射天线所发射的电磁波的极化方式定义为发射天线的极化方式。为了达到最大的接收功率，接收天线的极化需要与电磁波的极化方式相同。而在接收天线的极化与电磁波的极化相互垂直时，接收天线获得的能量为零。接收天线接收交叉极化时接收的功率与接收主极化[4]时接收的功率之比定义为交叉极化隔离度。2.3本章小结本章讨论了卫星通信地球站天线的基本特性和参数，包括天线的互易性，天线的辐射场，卫星天线的增益，方向图，半功率波束宽度，旁瓣特性，极化以及交叉极化隔离度。10 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计第三章测试系统方案设计卫星通信地球站天线测试系统经历多年的发展，如今已经形成了比较成熟的方案。本章将先介绍卫星通信地球站的测试方法。在此基础上，介绍现存的卫星通信地球站天线测试系统，并提出改进的测试系统方案，详细介绍方案的设计。3.1卫星通信地球站天线测试方法根据天线辐射场的划分，卫星通信过程中地球站天线处于空间天线的远场区。测试过程中，待测地球站天线同样应该处于发射天线的远场区。发射天线发射的电磁波到达待测天线时应该是均匀平面电磁波。一般的微波暗室的室内距离远小于远场测试的距离要求，所以一[24]般会采用自由空间测试法。一般的自由空间测试法有，信标塔测试法和卫星信标测试法。[6]根据远场区的要求，发射天线和待测天线之间的距离R需要满足式（3.1）。22DR（3.1）式（3.1）中，R代表发射天线和接收天线之间的距离（m）；D代表待测天线的最大口径（m）；代表测试频率的对应波长（m）。卫星通信通常采用Ku波段，所以测试频率也为Ku波段。根据式（3.1）计算出的常见口径的卫星通信地球站天线的远场区测试最小距离如表3.1。表3.1常见口径的地球站天线在Ku波段的远场区最小距离（m）天线口径Ku波段的典型频点（GHz）（m）12.2512.512.7514.014.2514.50.629.43030.633.634.234.81.081.783.38593.39596.71.2117.6120122.4134.4136.8139.21.8264.6270275.4302.4307.8313.22.4470.4480489.6537.6547.2556.83.07357507658408558705.02041.72083.321252333.323752416.7分析表3.1可以发现地球站天线的远场区最小距离随着天线的口径的增大迅速地增大。11 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计[7]但是为了保证测试的俯仰角度范围大于5°，从而接收天线的最小仰角要求大于5°。如图3.1所示，信标塔的高度HRsin，其中R为收发天线之间的距离，即表3.1中的地球[8]站天线的远场区最小距离。图3.1塔高和收发天线距离关系图根据表3.1中求得的地球站天线在Ku波段的远场测试最小天线距离，结合图3.1中的信标塔高和收发天线距离的关系，计算得到表3.2。从表3.2可以看出，为了保证信标塔的高度处于能够实现的合理范围。对于中小口径的地球站天线，通常采用信标塔测试法。而对于大[5]口径和超大口径的地球站天线，通常采用卫星信标测试法。表3.2常见口径的地球站天线在不同仰角下的最小测试塔高度（m）待测天线天线口径（m）仰角（°）0.61.01.21.82.43.05.053.038.4312.1327.3048.5375.83210.6384.8413.4619.3743.5977.49121.08336.34106.0416.7924.1754.3996.69151.07419.662011.9033.0747.61107.12190.44297.56826.563.1.1信标塔测试法信标塔测试法又可以斜天线测试法，该测试方法通常选址在空旷的地方。图3.2是信标塔测试法的示意图。发射天线采用标准喇叭天线，发射天线架设在高塔或者高楼上。适当调整发射天线的倾角角度，使得发射天线的最大辐射方向对准待测天线的天线面中心，零辐射方向对准地面。这样到达镜像天线的电磁波基本为零，远小于主辐射路径。能够有效抑制电磁波的地面反射，[5]减少多径干扰带来的影响。12 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计发射天线待测天线镜像天线图3.2信标塔测试法示意图信标塔测试法的优点有两点。第一，待测频点和测试时间可以自由调节，不受其他条件影响。第二，发射天线辐射的电磁波信号到达待测天线时的信号强度可调，可以在没有功率放大器件的情况下准确完成测试。3.1.2卫星信标测试法卫星信标测试法使用通信卫星的信标信号作为发射信号进行地球站天线测试。信标信号测试法的示意图如图3.3所示。图3.3信标塔测试法示意图卫星信标测试法的测试频点受到限制，正常情况下仅能够测试接收频段的一个或几个频点，无法测试发射频段。同时小口径地球站天线会在测试时出现接收电平动态范围小于频谱分析仪灵敏度的问题。所以卫星信标测试法只有在没有合适的信标塔测试场地的时候才会选[5]用。13 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计3.2测试系统方案设计本课题涉及的地球站天线都小于2.4m，属于中小口径天线。所以，测试系统方案采用信标塔法进行进一步设计。本节首先介绍原先的基于GPIB的测试系统方案，随后介绍本课题设计的基于LXI的测试系统方案。3.2.1基于GPIB的测试系统方案[8]基于GPIB的测试系统示意图如图3.3所示，信号发生器产生单频信号，该信号通过射频电缆馈送至发射天线，发射天线将单频电信号转换为电磁波发射到自由空间。待测天线接收到自由空间辐射的电磁波后转换成窄带信号，窄带信号经过射频电缆传输至频谱分析仪。图3.4基于GPIB的测试系统示意图天线测试的过程中，频谱分析仪记录天线在不同轴偏角上的发射频率点处的电平值随着时间变化的值。时间值可以根据天线的角速度换算成轴偏角的角度值。经过一系列的计算，可以描绘出天线的方向图，计算出天线的3dB波束宽度，10dB宽度，第一旁瓣电平，旁瓣不对称性，天线的增益，天线的包络线和旁瓣特性。基于GPIB的卫星通信地球站天线测试系统相对于原始测试系统，改进了数据采集和分14 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计析系统，测试数据可以通过频谱分析仪的GPIB接口导入计算机，使用数值分析软件MATLAB对数据进行分析和处理，并以图片的格式显示和保存测试数据相关的方向图。但是基于GPIB的测试系统还存在一些问题。首先，信号发生器需要手动修改参数。其次，测试软件联合MATLAB进行开发，软件兼容性存在问题。此外，系统不能统一连接的接口。3.2.2基于LXI的测试系统方案在详细分析了基于GPIB的测试系统方案后，本文设计了基于LXI的测试系统方案，系统示意图如图3.5所示。基于LXI的测试系统采用基于局域网的模块化测试平台标准。图3.5基于LXI的测试系统示意图测试系统采用统一的接口，采用TCP连接进行通信。交换机将天线控制器，信号发生器，频谱分析仪和计算机连接形成局域网。天线控制器也在原有的串口基础上新增了基于TCP的网络控制卡，并对接口协议进行了更新。频谱分析仪和信号发生器通过基于TCP连接的SCPI命令进行控制和读写数据。基于MFC的测试系统软件采用Socket实现对天线控制器、信号发生器和频谱分析仪的控制和数据的读写。采用基于C++的类对数据进行计算和分析，采用GDI进行测试数据的处理和显示。采用Office接口实现测试报告的自动生成。15 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计3.3测试系统组成部分具体的测试系统组成部分包括：（1）待测天线待测天线架设于天线测试转台之上，方位与俯仰由天线转台的方位和俯仰电机控制，极化通过极化电机控制或者通过人工方式控制。（2）发射天线发射天线一般架设于信标塔上，发射天线的方位和俯仰角度固定使得天线的最大辐射方向对准待测天线。（3）信号发生器信号发生器用于产生单频信号，信号发生器与发射天线之间通过射频电缆馈电。测试系统软件通过基于TCP的SCPI命令设置信号发生器的频率、功率。（4）频谱分析仪频谱分析仪通过射频电缆连接待测天线，通过频谱分析仪可以观察和记录待测天线接收到的信号的电平变化。测试系统软件同样采用基于TCP的SCPI命令设置频谱分析仪的中心频率、带宽、分辨率带宽、视频带宽、扫描时间、参考电平、度量值以及读取测试数据。（5）天线控制器和天线转台天线转台用于固定待测天线，天线控制器用于将测试系统软件发送的控制命令进行解析并执行。同时天线控制器返回天线转台的当前状态给测试系统软件。此外，天线控制器提供手动控制天线转台的界面。（6）测试系统软件测试系统软件运行于Windows平台，基于MFC开发，通过基于TCP的SCPI命令控制信号发生器以及频谱分析仪，并通过基于TCP的SCPI命令读取测试数据。同时，测试软件通过基于TCP的接口控制天线转台。测试系统软件分析处理测试数据，并通过基于GDI的图形界面显示测试方向图并标注包括天线的主瓣电平、3dB波束宽度，10dB宽度，第一旁瓣电平，旁瓣不对称性，天线的增益，天线的包络线和旁瓣特性等心能参数。另外，测试系统软件通过Office接口实现测试报告的自动生成。3.4测试系统参数设计卫星通信地球站天线测试系统的测试参数根据测试数据分析和计算。具体的参数包括，16 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计角度定义，天线增益计算，包络线计算。3.4.1测试角度定义以待测天线为空间坐标原点，待测天线对准发射天线最大辐射方向的方位角度和俯仰角度设为零度位置。根据约定，方位平面上零度位置左方为负方位角度，右方为正方位角度；俯仰平面上零度位置下方为负俯仰角度，上方为俯仰角度。天线控制器的方位和俯仰电机的绕轴运动速度均匀，可以认为天线在俯仰和方位平面上的做均匀角速度绕轴运动。所以根据天线运动的时间可以换算出天线的轴偏角。假设待测天线在方位平面上的绕轴运动角速度为，待测天线的方位测试角度范围设AZ为，天线从位置匀速运动至位置处所需的时间T可以根据式（3.2）求得。AZAZAZAZ2AZT（3.2）AZAZ同时设置频谱分析仪的扫描时间为T，假设频谱分析仪的扫描点数设置为N，可以算AZ的方向图上的点i处对应的轴偏角，如式（3.3）所示。ii2（3.3）iAzAZN如图3.6所示，天线转台处于坐标系的原点O处，天线的俯仰角为，天线的方位角测EL[5]试要求范围为2，天线的方位角实际转动的角度范围为2。AZAZOCD2AZOEL2AZAB图3.6方位角修正示意图角度和之间的关系推到如下。假设半球O的半径为R。根据正弦定理，在空间三AZAZ17 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计角形OCD中，线段CD的长度为：CD2sinR（3.4）AZ同理，在三角形OAB中，线段AB的长度为：AB2sinR。（3.5）AZ线段CO和BO垂直于线段OO，所以根据平行线性质：OCOCOB（3.6）EL因此有：COCOcosRcosOBcos（3.7）ELELEL同样，线段DO和AO垂直于线段OO，根据相似三角形定理，得出：OAB∽ODC（3.8）CDCO=（3.9）BABO将式（3.4）、式（3.5）和式（3.7）带入式（3.9）得到式（3.10）：arcsin(sincos)（3.10）AZAZEL3.4.2天线增益测量天线增益的测量需要标准天线或者是两个相同的待测天线，测试过程比较复杂，测试条件比较苛刻。所以，我们通常采用估算法测得天线的增益，通过波束宽度计算天线的增益。通过分别计算天线在方位平面和俯仰平面上的3dB波束宽度和10dB波束宽度，同时考虑到[5]馈源和馈线的插入损耗以及天线的表面精度，计算得到天线的增益G如式（3.11）。3100091000G10*lg2FlossRloss（3.11）3AZ3EL10AZ10EL式（3.11）中的和是待测天线在方位平面上方向图的3dB波束带宽（°）和10dB3AZ10AZ波束宽度（°），同样和是待测天线在俯仰平面上方向图的3dB波束带宽（°）和3EL10EL10dB波束宽度（°）。Floss为馈线的插入损耗（dB）；Rloss为待测天线表面加工公差导致[5]的损耗（dB）。Floss所代表的馈线的插入损耗可以通过使用适量网络分析仪测试馈电电缆在测试频段的插入损耗得到。通过式（3.12）所示的Ruze公式，可以计算出Rloss所代表的待测天线表[5]面加工精度引起的损耗。18 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章测试系统方案设计222Rloss685.81()0.00762f（3.12）式（3.12）中的代表待测天线的加工精度（mm）；代表测试频段的波长（mm）；f代表待测天线的工作频率（GHz）。3.4.3包络线计算根据2.2.2节的介绍，卫星组织对卫星通信地球站天线的旁边特性要求十分严格。式（2.3）中的G()是归一化后的衰减，实际方向图中绘制的包络线时需要考虑待测天线的增益和当前[5]方向图的最大接收电平功率，由此得到绘制包络线是的公式，如式（3.13）所示。G()2925lgGP（3.13）max式（3.13）中的G()为实际绘制的包络线的作为轴偏角函数的衰减（dBm），为轴偏角（°），G为待测天线的增益（dBi），Pmax为测试方向图中的主瓣最大值（dBm）。3.5本章小结本章首先介绍了常见的地球站天线测试法，分析了每种测试法的优缺点和适用场景。其后，介绍了现存的测试系统方案，分析了现存的测试系统的局限性，并据此设计了本课题的基于LXI的地球站天线测试系统。接下来下的章节详细介绍了本方案的具体组成和一些参数的设计原理和计算推导。为下一步具体实现测试系统做好理论基础。19 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件第四章测试系统硬件第三章详细介绍了基于LXI的地球站天线测试系统方案的设计，本章将介绍系统的硬件设备。地球站天线测试系统的硬件包括，信号发生器、频谱分析仪、天线转台和转台控制器。传统的自动化地球站天线测试系统采用的接口复杂，功能各异。需要在测试系统软件中添加各种驱动程序，导致测试系统软件的开发周期变长，开发效率降低。本课题的测试系统采用统一的基于LAN的接口，简化了测试软件的开发过程。4.1天线转台和天线控制器的设计在地球站天线测试系统中，待测天线的伺服系统主要用于待测天线在方位和俯仰平面上的绕轴运动，测试待测天线在不同轴偏角上接收到信号电平的变化。本测试系统采用本实验室自主研发的高精度二维转台。该转台采用步进电机作为驱动电机，从而具有速度选择多，定位精度高等特点。4.1.1天线转台天线转台主要由主控板、步进电机、限位器、电机驱动器、光电编码器、倾斜仪等组成。天线转台的电路框图如图4.1所示。图4.1天线转台电路框图其中主控板采用Cygnal公司生产的C8051F020微处理器。步进电机根据功能分为方位电机和俯仰电机。方位平面采用光电编码器采集角度值，俯仰平面采用倾斜仪采集角度值。限位器采用软件的方式防止天线转台的机械伤害。以太网接口用于连接计算机进行监控。20 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件4.1.2天线控制器本课题采用的天线控制器与天线转台集中在同一块主控制板上，以太网模块用于连接计算机。计算机运行测试系统软件，测试系统软件和天线控制器之间的通信采用基于TCP的自定义协议，协议说明如表4.1。表4.1天线控制器通信协议协议命令描述M_M计算机设置天线转台的工作模式为远程控制模式。A表示控制天线转台在方位平面进行微调；“1”代表1，“2”代表0.3，“3”A1/2/3+/-代表0.1；“+”表示顺时针转动，“-”表示逆时针转动。AZ表示控制天线转台在方位平面转动任意的角度，“XXXY”表示天线转台转AZ+/-XXXYV200/400/600/800动的角度为XXX.Y°；“V”代表电机转速，有四种选择：200、400、600和800；“+”表示顺时针转动，“-”表示逆时针转动。P表示控制天线转台在俯仰平面进行微调；“1”代表1，“2”代表0.3，“3”P1/2/3+/-代表0.1；“+”表示俯仰角增大方向转动，“-”表示俯仰角减小方向转动。PZ表示控制天线转台在俯仰平面转动任意的角度，“XXXY”表示天线转台转PZ+/-XXXYV200/400/600/800动的角度为XXX.Y°；“V”代表电机转速，有四种选择：200、400、600和800；“+”表示俯仰角增大方向转动，“-”表示俯仰角减小方向转动。M_N计算机请求天线控制器返回当前的方位，俯仰角度值。天线控制器向计算机返回目前天线转台的方位俯仰角度，“A”表示方位角，AXXXYEXXY“XXXY”表示天线转台当前方位角的角度为XXX.Y°；“E”表示俯仰角，“XXY”表示天线转台当前俯仰角的角度为XX.Y°。4.2基于LXI标准的测量仪器LXI是基于局域网的模块化测试标准。LXI采用LAN作为接口，相对于采用GPIB接口[6]的测试平台，系统尺寸更小，构建成本更低，通用性更好。4.2.1LXI标准及其特性[13]LAN是LXI的核心，LXI采用以太网IEEE802.3网络标准定义有关的配置和默认条件。主要包括连接相关的协议、地址分配协议、速度控制协议等。LXI采用标准的RJ-45连接器件，兼容直通和交叉极性的电缆。支持TCP和UDP协议。兼容1Gb和100Mb速度，使用自动协商协议保证设备使用最佳速度。支持DHCP协议和自动IP获取协议以及固定IP协议，每台符合LXI的标准的设备都有唯一的MAC地址。同时，21 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件要求设备支持主机名设置。另外，可以通过手动域名服务器设置或者动态DNS方式获得设备的实际IP地址。LXI标准要求所有设备都有可换虚拟仪器（IVI）驱动程序，方便使用计算机编程控制符合LXI标准的仪器设备。LXI标准根据仪器的触发和同步能力将LXI设备分为三种类型：C类、B类、A类，递增地实现融合LAN和IEEE1588时间同步协议。LXI标准仪器使得远程测试变得有可能，通过LAN接口，仪器和PC可以分别放在远处，实现远程测试和远程分析。4.2.2频谱分析仪[42]频谱分析仪是分析输入信号频域分量的仪器，频谱分析仪的主要用途是测量信号的谱密度。同时可以测量谱纯度、调制度、频率稳定度、信号失真度和交调失真等信号参数，是一种常用的电子测量仪器。频谱分析仪的输入通常是电信号，然而通过使用其他信号的传感器，比如声学压力波和光学光波通过合适的传感器后都能够被测量。光学频谱分析仪同样存在，其直接使用光学技术，比如单色进行测量。通过分析电信号的频谱可以观察到主频、功率、失真、谐波、带宽和其他频谱分量。这些参数在时域波形中不容易被观察到。而这些参数在判断电子设备的特性时十分有用，比如无线发射器。频谱分析仪的水平轴上显示信号的频率，垂直轴上显示信号的幅度。频谱分析仪采用数字电路和微处理器实现其功能，具有存储和运算能力。配置丰富的标准接口，容易构建自动测试系统。图4.2扫频式频谱分析仪原理图频谱分析仪可以根据其获取信号频谱的方式分为扫频式频谱分析仪和基于FFT（快速傅22 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件立叶变化）的频谱分析仪。扫频式频谱分析仪使用超外差接收机将输入信号的频谱（使用压控振荡器和混频器）下变频至带通滤波器的中心频率处，频谱分析仪的设备频率范围取决于压控振荡器的频率范围。扫频式频谱分析仪的原理图如图4.2所示。在混频器内输入信号中的各个频率分量与本地振荡器的输出信号依次进行差频变换，所产生的中频信号通过中频滤波器后经过对数放大器和检波器，为了使得屏幕上的垂直分量正比于各频率分量的幅值，检波后的信号经过视频滤波器后用作示波管的垂直偏转信号。本地振荡器的扫频由锯齿波扫描控制器所产生的锯齿波信号控制，为了使屏幕上的水平坐标系正比于输入信号的频率，扫描控制器输出的锯齿波信号同时还用作示波管的水平扫描信号。基于FFT（快速傅立叶变化）的频谱分析仪计算输入信号的离散傅立叶变换。该变换过程将输入信号变换成其频谱分量。本课题采用的频谱分析仪是安捷伦公司生产的扫频式频谱分析仪E4447A，其频率范围为[15]3Hz42.98GHz。频谱分析仪的一些典型设置参数如下。中心频率和扫频带宽，频谱分析仪通常有设置起始，终止和中心频率的选项，频谱分析仪显示的起始频率和终止频率的中间值就是中心频率。中心频率也就是频率轴中间位置的频率点。扫频带宽就是起始频率和终止频率的跨度。为了提高频谱的可见度，起始频率和终止频率可以设置为设备允许的频率范围内的任何频率。分辨率带宽，分辨率带宽是中频电路上的带通滤波器的带宽，该参数决定了频谱分析仪的最小带宽分辨率，分辨率带宽越小，频谱的分辨率越高。分辨率带宽是射频电路上检波器（功率计）之前的带宽，分辨率带宽决定了射频信号的噪声基底和仍可以被分辨为两个单独波峰的临近信号之间的最小距离。通过调整分辨率带宽使得两个在频率域靠的很近的信号可以被分辨同时该操作还影响测量的基底噪声。分辨率带宽的减小必将导致测量噪声基底的减小，反之亦然。这是因为，更高的分辨率带宽的滤波器会使得更多的频率分量通过然后到达包络检波器。因此，分辨率带宽增大会导致测量噪声基底增大。视频带宽，视频带宽是包络检波器后的低通滤波器的带宽。视频带宽是检波器后的信号电路的带宽。平均检测还是峰值检测取决于设备样本存储的数字存储部分，检波器单位时间内取多个样本，但是只存储一个样本，平均样本或者最大样本。平均样本采用平均检测，最大样本采用峰值检测。视频带宽决定了分辨两个不同功率电平的能力。更窄的视频带宽会将检波器输出的噪声去除掉。视频滤波器通过去除包络线的噪声来平滑显示的信号。类似于分辨率带宽，视频带宽影响着频谱的扫描时间。如果视频带宽小于分辨率带宽，那么扫描时间[14]将如式（4.1）所示。23 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件kf(f)21t（4.1）sweepRBWVBW式（4.1）中的t代表扫描时间，k是一个无量纲的比例常数，ff表示扫描的频率sweep21范围，RBW是分辨率带宽，VBW是视频带宽。4.2.3信号发生器[43]射频和微波信号发生器通常在包括蜂窝通信、无线网络、全球微波接入系统、全球定位系统，音频和视频广播，卫星通信，雷达和电子战等应用场景下用于测试各种各样的组件、接收机和测试系统。射频和微波信号发生器通常具有相似的特征和功能，但各自的频率范围是有区别的。射频信号发生器的频率范围通常从几KHz到6GHz，而微波信号发生器覆盖一个宽得多的频率范围，从不到1MHz到至少20GHz。有些型号通过同轴电缆直接输出甚至频率高达70GHz的信号，当使用外置波导源模块时输出信号的频率高达数百GHz。射频和微波信号发生器可以进一步分类为模拟或矢量信号发生器。在数字电路流行之前，基于正弦波振荡器的模拟信号发生器是常见的产品，如今模拟信号发生器仍在使用。射频信号发生器能够产生连续波。输出频率通常可以调整为其频率范围内的任意频率。许多模型提供不同类型的模拟调制，无论是作为标准设备或作为可选功能的基本单元。这可能包括调幅、调频、相位调制和脉冲调制。另一共同特征是通过一个内置的衰减器，可以使得它能够改变信号的输出功率。根据制造商和型号，输出功率范围从135dBm至30dBm。宽的输出功率范围是有必要的，因为不同的应用需要不同量的信号功率。例如，一个天线通过一根很长的电缆馈电，那么一个高电平输出的信号可以克服电缆馈线损耗，保证到达天线时仍然有足够的功率去激励天线。但是，当检测接收机灵敏度是，低电平信号才能看到接收机在低信号高噪声环境下的表现。射频信号发生器可作为台式仪器，机柜式仪表，嵌入式模块和芯片级模块。移动，实地测试和机载的应用得益于更轻并且通过电池供电的平台。在自动化和生产测试，网页浏览器访问，允许多源控制，以及更快的频率切换速度提高了测试效率和吞吐量。射频信号发生器所通常用于维修和配置模拟无线电接收机，并用于更多的专业射频应用。该课题设计的地球站天线测试系统采用的信号发生器为射频模拟信号发生器，该发生器的参数设置比较简单，主要包括，是否对信号进行调制，是否自动电平控制，以及发射频率和发射功率等参数。由于天线测试过程中需要的是单点频信号，所以不需要调制。同时由于负载为发射喇叭，负载保持不变不需要自动电平控制。该设置模式下发射的射频信号为单点频连续波。24 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件4.3硬件设备驱动本课题采用的基于LXI的程控测量仪器需要通过驱动程序实现应用程序对测量仪器硬件[9]的控制和读写。不同于传统测量仪器，随着技术的发展现代测量仪器都采用虚拟仪器技术，采用该技术的测量仪器组成自动测试系统可以提高测试效率和测试精度。虚拟仪器的控制命令在数据格式、编码方式和通信方式上都采用了统一的程控仪器标准命令。4.3.1虚拟仪器软件结构体系[11]虚拟仪器软件结构是标准化I/O函数库以及其相关规范的总称。该函数库主要提供计算机与仪器之间的数据和命令传输操作的标准化驱动程序。该函数库与硬件接口无关，独立[12]于硬件设备、操作系统和编程语言。虚拟仪器软件结构体系的典型应用如图4.3所示。支持VISA协议的硬件设备可以通过GPIB接口、LAN接口以及USB接口等常见接口连接计算机，计算机系统将硬件设备虚拟成为支持标准操作的虚拟仪器，计算机与虚拟仪器设备的通信采用统一的程控仪器标准命令，无需为不同接口的测量仪器开发不同的驱动程序。测试软件可以运行于任何VISA标准支持的开发环境，与开发平台、开发语言等无关，通过驱动程序对虚拟仪器进行标准化操作。虚拟仪器软件结构体系表现为对硬件设备的无关性和对开发环境的无关性，作为标准设备存在，采用标准的程控仪器标准命令，实现程序的可扩充性，提高了测试系统软件的开发效率，缩短了开发周期。测试软件驱动程序VISA标准库GPIB协议LXI协议USB协议GPIB接口LAN接口USB接口硬件设备图4.3虚拟仪器软件结构体系典型应用虚拟仪器软件结构体系的结构模型如图4.4所示，在该图中虚拟仪器软件结构体系被分25 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件为五层，从下至上依次为资源管理层、I/O资源层、仪器资源层、用户定义资源层、用户接口。图4.4虚拟仪器软件结构体系的结构模型资源管理层主要实现了对各种虚拟资源的分配、管理和控制，主要包括资源的创建、删除、寻址、属性的读取和修改、激活操作、报告事件等。I/O资源层主要提供对GPIB、VXI、[11]RS232C、LAN和USB等硬件设备的底层控制功能。仪器资源层将底层资源分装成虚拟仪器，用户看可以对虚拟仪器进行与传统仪器同样的操作。用户定义资源层作为传统仪器的扩展，用户可以在仪器资源层和I/O资源层的基础上通过增加数据的处理和分析功能来实现物理上并不存在的仪器。用户接口层作为应用程序与虚拟仪器之间的接口。4.3.2程控仪器标准命令[9]程控仪器标准命令（SCPI）是一种标准化仪器命令。SCPI规定了控制器和测量仪器之间的信息交换的协议结构，为虚拟仪器软件结构体系提供了统一的标准命令。SCPI为仪器控制和数据交换提供了广泛兼容的开发环境，简化了自动测试系统软件的开发过程，降低了开发难度。所以的采用SCPI标准的仪器都使用标准化的消息格式和数据格式。SCPI使用面向测试功能的虚拟仪器设备而不是具体的描述仪器操作的程控命令，在不同的开发环境下使用相同的抽象命令和参数来操作具有相同或相似功能的测量仪器。SCPI的兼容性主要表现在，同类仪器具有相同的控制命令，即纵向兼容；不同类别的仪器的类似测试[25]功能使用同样的命令，即横向兼容；不同仪器的同样功能采用同样的命令，即功能兼容。程控仪器标准命令与具体仪器的无关性通过程控仪器模型描述，如图4.5描述了SCPI仪器的功能逻辑和分类，信号路由选择为仪器的信号处理机制，通过可选的触发器触发测量功能或者信号发生功能，从存储器读入测量参数，测量产生数据存储在存储器中，从存储器读26 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件取信号发生的参数，将设备状态写回存储器。测量的数据和用于信号产生的参数以及配置参数统一经过格式化消息处理模块处理为程控仪器标准命令。图4.5SCPI标准程控仪器模型SCPI命令可以分为四个部分，分别为语法和风格、标准命令、数据交换格式、仪器类别。（1）语法和风格程控仪器标准命令都有长型和短型格式的助记符，一般情况下短型助记符是长型助记符的缩写，程控仪器只接受精确的长型或者对应的短型助记符。但是每个助记符的长度不能超过12个字符。长型助记符通常由单词或者短语构成。对于单词，整个单词作为助记符；对于短语，一般取每个单词的第一个字符和整个最后一个单词作为助记符。短型助记符由长型助记符的前4个字符构成。程控仪器标准命令主要由程控题头、参数和注释三个主要部分组成。（2）标准命令标准命令可以分为通用命令和仪器特定控制命令。通用命令包括IEEE488.2标准所要求的通用功能的命令。这些通用命令适用于符合IEEE488.2标准的测量仪器。通用命令主要包[22]括一些仪器查询、仪器自检、仪器复位等命令。具体的通用命令如表4.2所示。表4.2通用命令表命令功能描述命令功能描述*OPC操作完成*OPC?操作完成查询*ESE标准事件状态使能*ESE?标准事件状态使能查询*SRE服务请求使能*SRE？服务请求使能查询*ESR?标准事件状态寄存器查询*CLS清除状态*IDN?仪器标识查询*RST复位*STB?读取状态字节查询*WAI等待操作完成*TST?自检查询*TRG仪器触发*CAL?仪器校准*SAV将仪器状态写入寄存器*LRN?仪器状态查询*RCL从寄存器读取仪器状态通用命令句法流程图如图4.6所示。通用命令以星号开始，命令助记符为长型助记符或27 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件[22]者短型助记符，以问号结尾的命令为查询命令，没有问号结尾的命令为设置命令。图4.6通用命令句法流程图仪器特定控制命令的句法流程图如图4.7所示。仪器特定命令以冒号开始，命令助记符和数值后缀都是多个可选的，冒号同样用于不同层次命令助记符之间的分隔，令助记符同样可以为长型助记符或者短型助记符。同样，以问号结尾的命令为查询命令，没有问号结尾的[22]命令为设置命令。::<命令助记符><数值后缀>?图4.7仪器特定命令句法流程图（3）频谱分析仪的命令树频谱分析仪的采用树状分层结构的命令集，命令仍是由关键字、参数和注释组成。频谱[42]分析仪的命令很多，我们只是将该测试系统使用的命令树列在表4.3中。表4.3频谱分析仪命令树关键字参数格式注释[:SENSe]:BANDwidth[:RESolution]分辨率带宽[:SENSe]:BANDwidth:VIDeo视频带宽[:SENSe]:FREQuency:CENTer中心频率[:SENSe]:FREQuency:SPAN显示带宽[:SENSe]:POWer[:RF]:ATTenuation输入衰减:POINts[:SENSe]:SWEep:TIME扫描时间:DISPlay:WINDow:TRACe:Y[:SCALe]:RLEVel设置Y轴参考电平:DISPlay:WINDow:TRACe:Y[:SCALe]:PDIVision设置Y轴分辨率:TRACe[:DATA]读取测试数据28 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章测试系统硬件表4.3中的方括号内是可以省略的部分，尖括号表示必填部分。分号表示命令之间的层次关系。（4）信号发生器的命令树[43]信号发生器采用同样的命令结构，信号发生器的命令树列在表4.4中。表4.4信号发生器命令树关键字参数格式注释[:SOURce]:FREQuency:FIXed发射频率[:SOURce]:POWer[:LEVel][:IMMediate][:AMPLitude]发射功率:OUTPut:MODulation[:STATe]ON|OFF|1|0调制开关[:SOURce]:POWer:ALC[:STATe]ON|OFF|1|0自动电平控制开关:OUTPut[:STATe]ON|OFF|1|0射频开关表4.4中的方括号内是可以省略的部分，尖括号表示必填部分。分号表示命令之间的层次关系。4.4本章小结本章首先介绍了第三章设计的基于LXI的卫星通信地球站天线测试系统方案中涉及的硬件设备，并对天线控制器的协议命令进行了介绍。其后，介绍了LXI标准及其特性，并介绍了符合LXI标准的信号发生器和频谱分析仪的工作原理和基本情况，最后介绍了硬件设备的驱动程序，介绍了虚拟仪器软件结构体系和程控仪器标准命令。为下一章的测试系统软件开发做好准备。29 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件第五章测试系统软件测试系统软件作为整个测试系统的控制中心和数据处理中心是测试系统的关键组成部分。基于MFC的测试系统软件采用Socket实现对天线控制器、信号发生器和频谱分析仪的控制和数据的读写。采用基于C++的类对数据进行计算和分析，采用GDI进行测试数据的处理和显示。采用Office接口实现测试报告的自动生成。5.1开发环境介绍本测试系统软件采用的集成开发环境为MicrosoftVisualC++2013。MicrosoftVisualC++作为微软公司开发的C++开发环境集成了Windows系统平台的许多标准库和系统函数。MicrosoftVisualC++包括一个支持智能提示和代码重构的代码编辑器以及一个既可以运行于源代码级调试又可以运行于机器级别调试的集成调试器。VC++集成了强大的排错工具，集成了微软Windows视窗操作系统应用程序接口（WindowsAPI），拥有语法高亮、智能提示以及[26]高级调试功能。编辑器源文件Makefile文件头文件hello.ciostream.h预处理程序编译器目标文件hello.obj目标文件链接器库文件Debug版本可执行文件Release版本可执行文件hello.exehello.exe图5.1开发过程示意图如图5.1所示，另外大型软件项目中无需重新启动正在调试的程序，允许调试期间重新编译修改的代码，提高了程序开发的效率。MicrosoftVisualC++一般包含在VisualStudio中。30 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件MicrosoftVisualStudio（简称VS）是由美国微软公司开发的集成开发环境。VS是一个十分完[30]善的集成开发环境。该集成开发环境包括许多实用的开发工具。MFC（MicrosoftFoundationClasses）译为微软基础类库，是由微软公司向开发人员提供[31]的一个标准类库，该类库采用C++类封装了许多WindowsAPI。5.2测试软件设计根据软件生命周期的定义，通常把一个软件的生存周期划分为，可行性分析、需求分析、开发阶段和维护阶段等。本课题的测试系统软件同样按照软件生命周期进行分析和开发。其中可行性分析已经在第三章完成，剩下的需求分析和开发阶段在本章完成。其中开发阶段分为设计、编码和测试阶段。测试阶段在第六章完成。5.2.1需求分析在创建一个新的软件产品时，确定新系统的目的、定义、范围和功能时所做的所有工作[40]称为需求分析。需求分析是软件生命周期中软件工程师确定用户的需要的一个关键过程。根据实际的测试需要，图5.2给出了本测试系统软件的用例图。图5.2测试系统软件用例图测试系统软件通过VISA（虚拟仪器软件结构）的C++库文件实现的操作接口函数实现对信号发生器和频谱分析仪的操作。对信号发生器的操作包括设置参数和状态返回，对频谱分析仪的操作包括参数设置、状态返回和数据传输。测试系统软件通过ODBC（开放数据库互连）接口访问Access数据库文件和Excel文件，读写测试系统参数和方向图数据。测试系统软件通过基于TCP协议的Socket接口发送和接收自定义的天线控制协议，完成对天线转台的监控。测试系统软件通过写入GDI（图形设备接口），将方向图显示在测试系统窗口，可以选31 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件[34]择以图片的方式保存方向图。5.2.2模块功能设计本课题实现的卫星通信地球站天线测试系统软件分为六个功能模块：信号发生器配置模块、频谱分析仪配置模块、天线测试模块、数据处理模块、数据分析模块以及人机交互模块。（5）信号发生器配置模块信号发生器配置模块主要实现的功能包括，根据输入框中的IP地址连接信号发生器，连接成功后，连接按钮变为断开连接，设置按钮由不可用状态变为可用状态。设置包括是否打开MOD（信号调制），是否打开ALC（自动电平控制），是否打开RF（射频）开关。另外还有参数设置，包括发射信号的中心频率，发射信号的功率。信号发射器配置模块的流程图如图5.3所示。开始根据IP地址连接信号发生器是否关闭MOD连接成功修改IP地址否是设置成功打开ALC否是设置成功否根据中心频率和发射功设置成功率设置信号发射器是否打开RF设置成功是结束图5.3信号发生器配置模块流程图IP地址输入框处已经设置了过滤去非数字字符，但是中心频率和发射功率的输入框处没有设置过滤去非数字字符，所以需要在程序中实现对非数字字符的过滤，同时对输入的数值32 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件的范围进行判读，超过信号发生器正常功能范围的数值输入应该弹出窗口提醒。（6）频谱分析仪配置模块频谱分析仪配置模块主要实现的功能包括，根据单选框的选择，如果选中GPIB选项，则根据输入框中GPIB地址通过GPIB连接线连接频谱分析仪；如果选中IP选项，则根据输入框中的IP地址连接频谱分析仪，连接成功后，连接按钮变为断开连接，设置按钮由不可用状态变为可用状态。频谱分析仪的参数，包括信号的衰减、中心频率、分辨率带宽、视频带宽、扫频带宽、扫描时间、参考电平、幅度分辨率、扫描点数等。另外频谱分析仪还需要提供一些快捷按钮用于切换寻找信号最大位置和测试时的参数快速切换。频谱分析仪配置模块的流程图如图5.4所示。图5.4频谱分析仪配置模块流程图IP地址输入框处已经设置了过滤去非数字字符，但是其他的输入框处没有设置过滤去非数字字符，所以需要在程序中实现对非数字字符的过滤，同时对输入的数值的范围进行判读，超过频谱分析仪正常功能范围的数值输入应该弹出窗口提醒。另外GPIB地址只支持0到31，所以在该范围以外的输入应该同样给以弹出窗口的提醒。（7）天线测试模块天线测试模块要求实现包括手动调整天线、自动对准最大信号点和自动测试三个过程。根据输入框中的IP地址连接信号发生器，连接成功后，连接按钮变为断开连接。手动调整阶段根据选择的角度范围和速度，在按下不同方向的按钮后天线按照指定的速度运动到指定的33 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件位置。角度范围包括0.1°、0.3°、1°和自定义角度，自定义角度为只有一位小数位的有理数。速度根据步进电机的转速分为四档，2.5s、1.25s、0.88s以及0.63s。方向分为方位平面上的顺时针转动和逆时针运动以及俯仰平面上的上升运动和下降运动。手动调整天线[20]的流程图如图5.5所示。开始连接天线是否连接成功选择运动角度选择运动速度否命令发送选择运动方向成功是结束图5.5天线手动调整模块流程图图5.6天线自动调整模块流程图34 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件经过手动调整阶段的调整以后，天线大致对准发射喇叭，能够接收到发射信号，但是没有精确对准发射信号。此时，进入自动对准阶段，测试系统软件根据从频谱分析仪读取到的接收信号的最大值来判断天线的对准情况，天线的搜索方式采用画框搜索算法进行最大信号点的对准。天线运动过程中的角度根据天线运动后天线控制器返回的角度值和运动前返回的[35]角度值的进行对比得出。自动对准天线的流程图如图5.6所示。天线自动对准时采用的画框算法是一种闭环的步进跟踪算法，这个算法运行过程中天线的运动方式为画框运动，所以被称为画框算法。画框跟踪算法的过程可以描述为天线的俯仰保持不变，方位首先向左移动一步，然后测试软件读取当前的频谱分析仪的信号最大值，通过与上一次的信号最大值的比较决定下一步天线的运动方向。开始读取天线的测试平面、测试速度Speed、测试角度范围CusAng将待测天线在测试平面向负方向运动CusAng角度根据测试平面将天线向正方向运动在测试平面将天线向正方运动2*CusAng角度同时设置频谱分析仪记录测试数据测试软件从频谱分析仪读取测试数据并存入数据库将待测天线在测试平面向负方向运动CusAng角度结束图5.7天线自动测试模块流程图完成自动对准信号最大点后就可以开始天线的测试过程。天线在开始测试之前将天线从对准最大信号状态根据测试所在的平面，向负方向运动测量角度的一半。比如测试方位平面的天线方向图，测试的角度范围为40°，那么天线首先需要在方位平面往左运动20°。同理，如果测试的是俯仰平面的天线方向图，测试角度范围为40°，那么天线首先需要在俯仰平面35 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件放下运动20°。接下来，天线根据测试所在的平面，向正方向运动测试角度。在天线运动开始的同时，测试软件设置频谱分析仪在测试频点上记录天线接收到的信号电平值。天线运动到达测试结束位置时，测试软件读取频谱分析仪记录的测试数据并将其存储值数据库。最后天线在测试平面上向负方向运动回对准最大点的状态。天线自动测试的流程图如图5.7所示。（8）数据处理模块数据处理模块包括将测试数据以角度为横轴、幅度为纵轴显示在绘图窗口。测试系统软件的数据处理模块首先读取数据库中存储的测试数据，示波器存储的测试数据为不同扫描点的幅度。所以需要对测试数据进行处理得到角度与幅度的关系，假设测试点数为SweepPoint，频谱分析的扫描时间设置为SweepTime，待测天线的测试范围为从CusAngCusAng，那么测试角度和扫描点n之间的关系如式（5.1）所示，CusAngSweepTimeCusAng2***nCusAng*(2*n1)式（5.1）SweepTimeSweepPonitSweepPonit测试数据转换角度与信号电平幅度之间的关系之后还需要转换为窗口的横轴像素和纵轴像素之间的关系。同时将横轴的像素点数和扫描点数对应，将纵轴的像素点数和幅度值对应，[34]这样就可以将测试角度和幅度关系的天线方向图显示在窗口中。开始从数据库读取测试数据将横轴像素与扫描点数对应、纵轴像素与信号幅度对应，描绘天线的方向图根据方向图数据计算3dB带宽、10dB带宽、第一旁瓣电平和旁瓣不对称性保存测试图片结束图5.8数据处理模块流程图测试系统除了将待测天线的方向图显示在窗口，还需要分析待测天线的其他参数，这些参数根据天线的方向图的数据进行处理后获得。这些参数包括3dB带宽，10dB带宽，包络线，第一旁瓣电平，以及旁瓣不对称性。由于测试过程中的一些误差，待测天线方向图的主瓣最36 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件大点不一定对应着扫描点数的一边，也就是零度角度或者说天线方向图的正中间。所以，在参数计算之前，测试软件需要找到方向图主瓣最大点对应的扫描点。3dB带宽的计算方法需要计算从最大电平点向左和向右的两个方向上寻找电平幅度比最大电平幅度小3dB的扫描点，计算两个扫描点之间的差值后换算成角度值即为3dB带宽。同理可以得到10dB带宽。[37]包络线的实现方法与方向图的实现方式相同。待测天线方向图的第一旁瓣的确定需要首先确定主瓣和第一旁瓣之间的极小值，左边的极小值往左的最大值即为天线的左边第一旁瓣。同理可得天线的右边第一旁瓣。左边的第一旁瓣和右边的第一旁瓣中的较大者即为待测天线的第一旁瓣电平值，第一旁瓣不对称性定义为左边的第一旁瓣与右边的第一旁瓣的幅度值之差的绝对值。数据处理模块的流程图如图5.8所示。（9）数据分析模块数据处理模块处理的对象是测试时的一个极化上的待测天线的方向图数据，然而更多时候我们需要的是同一个测试平面上主极化和交叉极化的方向图之间的比较和参数的计算。这些参数主要为极化隔离度。不同测试平面的主极化的方向图的3dB带宽和10dB带宽用于计算天线的增益，天线的增益又用于计算天线的包络线。（10）人机交互模块交互模块主要设计测试系统窗口的控件和交互逻辑以及窗口的布局和菜单树。交互模块至少包括按钮控件，单选框控件，输入框控件，下拉框控件，IP地址控件等。5.2.3测试系统软件的关键技术在进行过需求分析后，我们需要考虑到测试系统软件的实现所需要的关键技术。主要包括Socket通信编程，数据库编程以及多线程编程。（1）Socket通信编程本课题实现的测试系统软件需要实现与信号发生器、频谱分析仪和天线控制器之间的通信。这些通信采用的方式均为客户端/服务器模式的Socket通信。信号发生器、频谱分析仪和天线控制器作为服务器端，测试系统软件作为客户端。Socket通信可以分为基于TCP和UDP的方式。基于TCP的Socket通信采用基于连接的方式，实现可靠的数据传输；基于UDP的Socket通信采用基于用户数据报的方式实现数据的传输，该方式传输延时小、可靠性不高。由于测试系统需要实现高可靠性的传输，所以本系统采用面向连接的Socket通信方式。面向[26]连接的Socket通信的编程模型如图5.9所示。37 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件服务器调用创建套接字函数socket()、绑定地址和端口函数bind()、侦听函数listen()完成初始化后，调用等待客户端连接函数accept()阻塞等待，应用程序处于监听端口的状态，客户端调用套接字函数socket()初始化后，调用连接函数connect()发出SYN字段段并阻塞等待服务器应答，服务器应答一个SYN-ACK段，客户端收到后从connect()返回，同时应答一个ACK[26]段给服务器，服务器收到后从accept()返回继续运行程序进入数据传输阶段。连接建立后，TCP协议提供全双工的通信服务。服务器从accept()返回后立刻调用数据接收函数recv()接收来自客户端的数据，如果没有数据到达就阻塞等待，客户端调用数据发送函数send()向服务器发送数据，服务器收到后从数据接收函数recv()返回，对客户端的数据进行处理，客户端调用recv()阻塞等待服务器的应答，服务器调用send()将处理结果发回给客户端，再次调用recv()阻塞等待下一段数据，客户端收到后从recv()返回，发送下一段数据，如此循环直到客户端没有更多的请求了，就调用关闭套接字函数close()关闭连接。任何一方调用关[26]闭套接字函数close()后，连接的两个传输方向都关闭，不能再发送数据了。图5.9面向连接的Socket编程模型（2）数据库编程众多的厂商推出了各自的数据库系统，这些数据库各有特色。一个项目往往会存在多种数据库，它们之间的互连访问，特别是当用户需要访问不同的数据库时。ODBC（开放数据库连接）是一种标准的访问数据库管理系统（DBMS）的中间编程语言API（应用程序编程接口），ODBC的设计旨在独立于数据库系统和操作系统。一个使用ODBC应用程序在客户38 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件端和服务器端都可以移植到其他平台。ODBC通过ODBC驱动程序作为应用程序和数据库系统之间的翻译层独立的访问数据库系统。应用程序使用ODBC函数查询数据库。ODBC驱动程序可以提供一组标准的函数给客户应用程序使用。使用ODBC的应用程序称为ODBC兼容的，ODBC兼容的应用程序能够访问安装过驱动的数据库。主流的数据库系统都存在ODBC驱动程序，许多其他的数据源文件，比如Excel文件，甚至文本文件均可以驱动。ODBC的[26]体系架构如图5.10所示。图5.10ODBC体系结构OLEDB（对象链接与嵌入数据库）对ODBC进行了扩展。OLEDB提供了可以用于非关系型的数据源的接口，同时OLEDB提供了一个数据库编程的COM接口。在OLEDB的基础上又建立了ADO，ADO作为OLEDB的一个用户程序。使用ADO的应用程序都间接的使用了OLEDB。OLEDB的体系结构如图5.11所示。使用ADO的客户程序使用OLEDB访问数据库的应用程序ADOOLEDB提供程序ODBCODBCODBC非关系型电子表格数据库数据库数据库图5.11OLEDB体系结构39 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件（3）多线程编程在计算机科学中，线程通常作为操作系统的一部分，执行的是可以由调度程序独立管理的最小程序指令序列。虽然不同的操作系统的线程和进程的实现方式不同，但在大多数情况下，线程是进程的一个组成部分。同一进程可以存在多个线程，这些线程共享内存等资源，而不同的进程不共享这些资源。特别是一个进程的线程共享指令和它的上下文，即在任何给[26]定时刻的变量的值。在单处理器系统中，多线程通常是通过时分复用实现的，处理器在不同的软件线程之间切换。此上下文切换一般发生得足够频繁，让用户觉得线程或任务同时运行。在多处理器或多核系统，线程可以真正并行，每个处理器核心同时执行一个单独的线程。采用多处理器实现的硬件线程，它不同于前面提到的软件线程。软件线程是一种纯软件架构，处理器没有软[30]件线程的概念，并不可能意识到软件线程的存在。许多现代操作系统的进程调度程序直接支持时间片和多处理器线程。操作系统内核允许程序员通过系统调用接口操作线程。一些线程的实现称为内核线程，而轻量级进程是一种特[30]定类型的内核线程，其共享同一个状态和信息。用户程序可以有用户空间的线程。5.3模块功能实现根据5.2.2节设计的模块功能的需求和流程图，给出了各模块功能的实现方法，主要包括各模块的数据字典、类图、界面以及详细的使用说明。5.3.1数据库字典设计本课题设计的测试系统软件需要数据库存储测试数据和配置参数。主要涉及信号发生器的配置参数的存储、频谱分析仪的配置参数的存储和天线测试配置参数。测试数据主要包括从频谱分析仪读取的信号电平值。为了配置和使用的方便，我们采用的数据库为轻型数据库，数据库可以嵌入到软件内部。我们采用了微软的Access数据库，该数据库采用文件存储数据库内容，数据库管理软件不需要搭建外部数据库服务器。Access数据库属于关系型数据库，支持标准的SQL操作。该测试系统使用ADO方式连接Access数据库，测试系统软件对数据库进行创建表、添加记录、修改记录和清空表操作。数据库的表结构设计如表5.1所示。Access数据库文件名为AntTest.mdb，该数据库由两个表组成。配置参数保存在Config表中，测试数据保存在Data表中。40 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件表5.1Access数据库数据字典数据库名称AntTest.mdb数据表名称Config（配置信息）Data（测试数据）字段名数据类型描述字段数据类型描述IP文本天线IP地址times文本时间SGIP文本信号源IP地址trace文本电平值SourFreq文本发射频率frequency文本中心频率SourFreqUnit文本发射频率单位anglerange文本角度范围TPower文本发射功率polarizat文本极化SAIP文本频谱仪IP地址ref_level文本参考电平SAGPIB文本频谱仪GPIB地址Sca_div文本幅度分辨率Att文本输入衰减direction文本测试平面Freq文本中心频率FreqUnit文本中心频率单位Span文本频率跨度数据库SpanUnit文本频率跨度单位表结构RBW文本分辨率带宽RBWUnit文本分辨率带宽单位VBW文本视频带宽VBWUnit文本视频带宽单位SweepTime文本扫描时间SweepTimeUnit文本扫描时间单位RefLevel文本参考电平ScaleDiv文本幅度分辨率SweepPoints文本扫描点数Angele文本角度范围Gain文本天线增益EditAngle文本方位修正角为了保留测试数据，每次测试完成后需要保存该次的测试数据。如果每个待测天线的测试数据都存储在Access数据库会导致数据库文件AntTest.mdb变得很大，不方便测试数据的存档和分类存储。所以我们设计将每次测试数据存储到Excel文件，方便对不同的待测天线的测试数据进行分类和整理，方便日后需要改测试数据时调用。由于ADO支持直接操作Excel文件，所以针对Excel的操作和Access的操作使用同一个类的方法。Excel文件的列和数据库的字段对应，Excel文件的行对应数据库的一个记录集，Excel41 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件文件的表单对应着数据库的表。Excel表格结构如表5.2所示。表5.2Excel表格结构列数据类型描述times浮点数时间trace浮点数信号电平值frequency文本中心频率anglerange浮点数测试角度范围direction文本测试平面polarization文本接收天线极化polardire文本发射天线极化5.3.2类设计相对于面向过程的编程语言，面向对象的编程语言需要设计对象的基本单元类。图5.12测试系统软件类关系图图5.12给出了本课题设计的测试系统软件的类图之间的关系。VirtualInstrument是虚拟仪器类，该类为纯虚类。其作为信号发生器类SignalGenerator和频谱分析仪类SpectrumAnalyzer的父类。天线控制类Antenna是天线控制类，包括天线控制相关的成员和方法。数据库操作类CADCon是关于数据库操作相关的成员和方法。测试系统类CAntTestDlg作为人机交互和操作逻辑的类，该类组合了信号发生器类SignalGenerator、频谱分析仪类SpectrumAnalyzer、天线控制类Antenna、数据库操作类CADCon和画图类DrawFigure。画图类DrawFigure同样42 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件组合了数据库操作类CADCon。5.3.3操作界面设计软件界面是人机交互的重要部分，是软件设计的重要组成部分。用户界面是指用户和系统进行交互方法的集合，是应用程序和用户之间进行互动的媒介。本课题设计的卫星通信地球站天线测试系统软件的操作界面由信号源设置、频谱仪设置、转台控制、天线测试和数据处理五部分组成。（1）信号源配置信号源配置的操作界面如图5.13所示。从图5.13可以看出，信号源的设置包括MOD、ALC和RF的开关，以及发射频率和发射幅度的设置。开关按钮和设置按钮在测试软件连接信号发生器之前处于不可用状态。信号发生器的IP地址可以通过IP输入框输入，输入正确的信号发射器IP地址后，点击“Connect”按钮连接信号发生器，连接成功后开关按钮和设置按钮变为可用状态，同时“Connect”按钮显示为“Disconnect”；如果连接失败，会弹窗提示。开关按钮在按下后处于不可用状态，并会改变按钮显示内容。如“TURNONMOD”按钮被按下后变为不可用状态，同时按钮显示内容变为“MODON”。其他开关按钮原理相同。发射频率的数值由文本框输入，频率单位由下拉框选择。发射功率数值由文本框输入，单位固定为dBm。图5.13信号源配置操作界面（2）频谱仪设置频谱仪配置的操作界面如图5.14所示。从图5.14可以看出，频谱仪的设置主要包括输入衰减、中心频率、分辨率带宽、视频带宽、频率跨度、扫描时间、参考电平、幅度分辨率以及扫描点数。测试系统软件连接频谱仪有两种方式。IP方式连接频谱分析仪的过程与信号发生器相同，输入IP地址后，点击“Connect”按钮连接信号发生器，连接成功后设置按钮变43 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件为可用状态，同时“Connect”按钮显示为“Disconnect”；如果连接失败，会弹窗提示。GPIB方式的连接主要用于一台没有网口的频谱分析仪的连接。“一键取图”按钮的功能实现无法组建测试系统的成品天线手动测试数据的读取。“PeakSearch”按钮和“Marker->CF”按钮用于解决一台有频偏的频谱分析仪测得的信号最大值频率不是中心频率的问题。“PeakSearch”按钮将信号最大值的频点找到，“Marker->CF”按钮将该频点设为中心频点，解频偏问题。频谱仪的参数设置分为两种模式。寻找最大值的模式的典型值为：Attenuation为0dB、CenterFrequence为与信号发生器发射频率相同的数值、ResBW为3KHz、VideoBW为100Hz、Span为200KHz、SweepTime为0.5s、Reflevel和Scale/Div根据实际情况调整使得频谱适合频谱分析仪窗口、SweepTime为1001；测试模式的典型值为：Attenuation为0dB、CenterFrequence为信号最大值对应的频点、ResBW为3KHz、VideoBW为100Hz、Span为0Hz、SweepTime为天线转动完成测试角度范围所需的时间、Reflevel和Scale/Div根据实际情况调整使得方向图适合频谱分析仪窗口、SweepTime为1001。图5.14频谱仪配置操作界面（3）转台控制转台控制的操作界面如图5.15所示。从图5.15可以看出，转台通过转台IP地址连接，44 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件输入IP地址后，点击“Connect”按钮连接天线转台，连接成功后按钮变为可用状态，同时“Connect”按钮显示为“Disconnect”；如果连接失败，会弹窗提示。天线转台的控制涉及的操作包括，转动角度、转动速度和转动方向。转动角度范围由单选框选择，有固定角度和自定义角度。转动速度通过下拉框选择。转动方向通过按钮选择。图5.15转台控制操作界面（4）天线测试转台控制的操作界面如图5.16所示。在开始测试天线之前，我们需要将待测天线的接收方向大致对准发射天线。在完成大致对准之后，需要按下“一键对准”按钮，完成待测天线的精确对准。在完成对准步骤之后，我们通过选择测试方向确定天线运动的方向，根据收发天线之间的极化关系确定测试极化。最后填入理论测试角度范围，点击“开始测试”按钮进行测试。理论增益用于计算理论包络线，用于预判待测天线的方向图能否符合入网测试的包络线要求。“显示测试数据和图片”用于显示前几次测试的方向图的数据和图片。图5.16天线测试操作界面（5）数据分析数据分析的操作界面如图5.17所示。数据处理需要加载测试的方向图数据，如果有测试交叉极化数据那么交叉极化前的复选框需要勾选上；如果没有测试交叉极化的数据，则交叉极化前的复选框不需要勾选。点击相应的按钮加载相应的测试数据文件，只有正确的文件才45 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章测试系统软件会被加载。加载错误的文件会弹窗提示数据格式错误。图5.17数据分析操作界面5.4本章小结本章详细介绍了测试系统软件的设计和实现过程。该测试系统软件的软件设计部分主要包括实际需求设计、模块功能的设计、数据库字典的设计、类的设计以及操作界面的设计。此外本章介绍了该测试系统软件涉及的关键技术。最后，在完成一系列的设计后进行了代码编写和软件的测试，限于文章篇幅，关键代码摘录于附录，测试过程采用黑盒测试。整体系统测试将于下一章进行。46 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第六章系统测试与验证第六章系统测试与验证6.1实际测试本课题设计的卫星通信地球站天线测试系统软件进行过常规的软件测试后，仍需要进行[38]实际场地测试。实际场地测试的目的是验证该测试系统的可行性和可靠性。本次实际场地测试选取的场地为南京邮电大学的综合科研楼，发射天线和信号发生器架设于南京邮电大学综合科研楼20楼的阳台，发射天线距离地面的高度约为80米，待测天线架设于南京邮电大学科学报告厅顶楼，待测天线距离地面约为10米。待测天线和发射天线的高度差为h70米。待测天线和发射天线的水平距离为m100米。实际测试场地示意图如图6.1所示。根据三角形关系，可以计算出发射天线和待测天线的距离为d122米。待测天线的仰角为35。发射天线通过射频电缆连接信号发射，信号发生器通过网线连接一个带有无线天线的路由器。待测天线和频谱分析仪通过射频电缆连接，频谱分析仪、天线控制器和运行测试系统软件的计算机通过网线连接同样带有无线天线的路由器。待测天线处的无线路由器通过无线路由器的桥接功能连接发射天线处的。经过这样的连接，信号发生器、频谱分析仪、天线控制器和运行测试系统软的计算机处于同一局域网，符合LXI标准。dhm图6.1实际测试场地示意图47 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第六章系统测试与验证待测天线为南京中网卫星通信股份有限公司生产的便携式卫星通信地球站天线，天线的尺寸为直径1米。测试频率范围为12.25GHz12.75GHz和14GHz14.5GHz两个频段。根据表3.1的数据，收发天线之间的距离符合远场测试的条件。根据表3.2的数据，信号塔高符合俯仰角测试范围的要求。测试前，需要设置信号发生器和频谱分析仪的IP地址，将信号发生器、频谱分析仪、天线控制器和运行测试软件的计算机的IP都设为同一局域网网段。6.2测试结果在测试结果中，我们选取其中发射天线为水平极化，发射信号中心频率为14GHz时，测试得到的待测天线的方位和俯仰的方向图，每个测试平面内的方向图都包括主极化和交叉极化的方向图。图6.2为实测天线的方位方向图，图6.3为实测天线的俯仰方向图。图中横轴为测试平面的角度值，横轴测量范围为2020。纵轴为频谱分析仪接收到的功率电平。图6.2水平发射14.0GHz天线方位方向图从图6.2中可以看出，该方向图为14.0GHz的方位方向图，图中蓝色曲线为主极化方向图，红色曲线为交叉极化方向图。主极化方向图和交叉极化方向图的最大值为极化隔离度，48 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第六章系统测试与验证为27.627dB。红色虚线表示的是3dB带宽，3dB带宽为1.359；绿色虚线表示的是10dB带宽，10dB带宽为2.358。主极化方向图的第一旁瓣电平为27.58dB，左右旁瓣的不对称性为1.59dB。图6.3水平发射14.0GHz天线俯仰方向图图6.3为14.0GHz的俯仰方向图。与方位方向图类似，图中蓝色曲线为主极化方向图，红色曲线为交叉极化方向图。主极化方向图和交叉极化方向图的最大值为极化隔离度，为25.09dB。红色虚线表示的是3dB带宽，3dB带宽为1.399；绿色虚线表示的是10dB带宽，10dB带宽为2.358。主极化方向图的第一旁瓣电平为20.73dB，左右旁瓣的不对称性为0.07dB。根据式（3.11），由方位平面的3dB带宽和10dB带宽以及俯仰平面的3dB带宽和10dB带宽，天线的馈源网络的插入损耗Floss和天线表面引起的增益损耗Rloss，计算得到待测天线在14GHz频点上的增益G41.433dB。其中，根据测量天线接收支路的Floss0.35dB,发射天线支路的Floss0.3dB。待测天线的表面公差为0.5mm。根据式（3.12），可以计算得到Rloss0.3734dB。根据式（3.13），可以描绘出该频点的包络线。由图6.2可以观察出，待测天线在方位平49 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第六章系统测试与验证面，天线主极化的方向图曲线完全处于包络线之下；同样，由图6.3可以观察出，待测天线在俯仰平面，天线的主极化方向图曲线基本处于包络线之下。6.3本章小结本章将本课题设计和实现的卫星通信地球站天线测试系统用于实际的便携式卫星通信地球站天线的实际测试中。本章介绍了实际测试的场地，测试仪器以及发射天线和待测天线。随后，分析了测试数据中的一个样本，根据方向图数据处理得到的待测天线的特性参数。所测得的数据表明该待测天线符合入网要求。同时，说明本课题设计和实现的卫星通信地球站天线测试系统符合设计要求。50 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第七章总结与展望第七章总结与展望7.1总结天线测量是天线设计、生产和验证中必不可少的关键环节。随着计算机技术的不断发展和测量仪器的不断更新，天线测量技术得到了快速的发展。天线测试系统从人工测量时代迈向自动化测试系统时代，自动化测试系统又经历了GPIB时代、PXI时代、VXI时代和LXI时代。自动化测试系统越来越小型化、智能化和集成化。自动化测试系统提高了测试的效率和精度。本课题设计的卫星通信地球站天线测试系统在信标塔测试法的基础上根据实际条件设计了基于LXI的自动化测试系统，本文首先分析了卫星通信地球站天线测试系统的研究背景，介绍了地球站天线测试系统以及国内外地球站天线测试系统的发展状况以及本课题的关键技术和应用前景，系统地介绍了卫星通信地球站天线的辐射参数和入网验证指标。其次介绍了天线转台以及天线控制器的控制方式。另外本文详细地介绍了LXI标准及其特性，同时介绍了符合LXI标准的测量仪器信号发生器和频谱分析仪。介绍了虚拟仪器软件体系结构以及程控仪器标准命令。在此基础之上介绍了测试系统软件的设计过程和实现方法，主要包括对象化的类设计，数据库设计，测试数据的存储和分析，基于图形设备接口的测试结果显示。最后，本文对测试系统进行了测试和验证详细介绍了软件测试，软硬件联调测试，系统级外场测试，并验证测试结果，验证本测试系统的可靠性。本文设计的卫星通信地球站天线测试系统经过测试和验证符合设计要求，可以用于实际测试和入网测试。7.2展望本课题设计的卫星通信地球站天线测试系统采用单点频测试法，每次只能测试某一点频的方位或者俯仰方向图。为了测试某一天线的性能，我们需要在天线的工作频段选取几个具有代表性的频率点进行测试。选取的频率点太少，会导致不能测试结果代表该天线的具体性能。如果选取的频率点太多，会显著增加工作量，每个频点需要分别测试方位和俯仰两个平面的主极化和交叉极化。可以通过扫频方式解决该问题，将信号发生器和频谱分析仪设置为扫频模式。在天线扫描过程中，天线测试范围内的在每个位置都会等待信号发生器和频谱分51 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第七章总结与展望析仪扫过扫频范围内的每个频点。这样的测试方法需要解决许多问题。首先，信号发生器和频谱分析仪扫频的同步问题。其次，天线测试的速度问题。扫频同步问题可以通过将信号发生器和频谱分析仪的触发端口相互连接，信号发生器在变换发射频率时会通过触发输出端口输出触发信号，信号发生器的触发输出端口连接着频谱分析仪的触发输入端口，频谱分析仪接收到触发信号后更改中心频率，实现与信号发生器的同步。天线测试速度慢的问题需要通过减小扫频的范围，减少频点的数量来解决。另一种实现扫频测试的方法是使用矢量网络分析仪作为测量仪器。矢量网络分析仪的一个端口作为发射天线的输入信号，矢量网络分析仪的另一个端口连接待测天线作为采集接收信号的输入端口。由于采用信标塔测试法时，发射天线和待测天线之间的距离必须要满足远场测试的要求。根据表3.1的数据可知，发射天线和待测天线之间的距离会导致矢量网络分析仪和收发天线之间的射频电缆的损耗比较大，所以需要变频和放大。另外，使用矢量网络分析仪测试时，数据的记录同样是比较复杂的过程。天线在转动过程中的每个位置需要停留至少扫描时间的时长，在这段时间内矢量网络分析仪的发射和接收频率扫过测量范围，得到关于频率和幅度的关系曲线。将天线在需要测试的角度范围内的每个位置的频率和幅度曲线根据频率分类重新组成角度和幅度关系曲线即为天线在各频率上的方向图曲线。最后，该天线测试系统的报告生成功能还不够完善，没有实现通过选取Excel文件的方法自动生成方向图和参数数据的测试报告的功能。此外，由于卫星通信地球站天线的特殊性，待测天线的极化角度仍需要手动调整。52 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文参考文献参考文献[1]陈辉,王同锁,秦顺友.频谱仪测量方向图的机理及相关问题的分析[J].无线电通信技术,2002,28(1):33-35.[2]刘万富,郭振永,戴明宇,张平.基于VI的机载SAR天线稳定平台ATS[J].电子与信息学报,2005,11(27):1786-1789[3]DennisRoddy.SatelliteCommunications[M].NewYork:McGraw-HillCompanies,Inc,2006.[4]JohnD.Kraus,RonaldJ.Marhefka.Antennas:ForAllApplications[M].NewYork:NewMcGraw-Hill,2001.[5]INTELSATSSOG210.EarthStationVerificationTests[S],2000.[6]陈长龄.自动测试系统出现了新一代成员[J].信息与电子工程,2008,2,6(1):1-5.[7]林昌禄.天线测量技术[M].成都:成都电讯工程学院出版社,1987.[8]秦顺友,许德森.卫星通信地面站天线工程测量技术[M].北京:人民邮电出版社,2006.[9]秦凡,韦高.基于VISA库与SCPI命令的仪器程控测量[J].现代电子技术,2011,6,34(11):118-120,123.[10]秦顺友,潘晓元,刘阿翔.计算机及软件在地球站天线方向图测量中的应用.电子测量与仪器学报,1997,12,11(4):5-8.[11]张磊.利用VISA控制仪器设备各种接口[J].电子测试,2008,10(10):58-61.[12]潘德祥.VISA在LabVIEW中的灵活应用[J].仪器仪表标准化与计量,2007,6:43-45.[13]张卫国.利用VISA通过LAN接口程控Agilent34410A[J].计量技术,2008,8:37-39.[14]夏雁冰.频谱分析仪中扫描时间和相关参数的解析[J].应用天地,2008,3,27(3):73-75.[15]吴曙光.浅谈正确合理设置频谱分析仪的主要参数[J].湖南大学学报,2003,6,30(3):71-73.[16]徐飞,利用VB通过LAN实现对TDS3032B编程控制[J].仪器与计量技术,2008,4:39-41.[17]吴杲,USB-GPIB控制器设计[J].测控技术,2004,23(3):59-61.[18]吴杲.基于USB总线的GPIB控制线设计[D].电子科技大学硕士学位论文,2004.[19]王学伟,张未未.USB-GPIB控制器VISA函数库的开发及在VisualC++中的应用[J].电测与仪表,2006,11,43(491):50-53,49.[20]周峰.便携式卫星通信地球站电磁辐射环境影响分析研究[D].南京邮电大学硕士学位论文,2011.[21]徐珍.卫星地球站统一管理软件的设计与实现[D].南京邮电大学硕士学位论文,2011.[22]AgilentTechnologies.User’s/Programmer’sReference[M].2006,12.USA:Agilent.[23]AgilentTechnologies.AgilentVISAUser’sGuideforIOLibrariesSuite15[M].2006,12.USA:Agilent.[24]H.Brueckmann.AntennaPatternMeasurementbySatellite[J].IEEETransactionsonAntennasandPropagation,1963,3:143-147[25]Bode,Fred.Introduction&UPDATEtoanopenstandardforinstrumentcontrol:SCPIstandardcommandsforprogrammableinstruments[J].WesconConferenceRecord,1992,11:600-604[26]孙鑫、余安萍.VC++深入详解[M].北京:电子工业出版社,2006.[27]卢万铮.天线理论与技术[M].西安电子科技大学出版社,2004.53 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南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单附录1程序清单（1）天线控制程序CStringAntenna::Move(CStringm_Deg,CStringc_Speed,CStringc_CusAng,CStringDirec){if(m_Deg=="Z"){intdot=c_CusAng.Find(".",0);switch(dot){case-1:{intlen=c_CusAng.GetLength();switch(len){case1:{m_CusAng="00"+c_CusAng+"0";break;}case2:{m_CusAng="0"+c_CusAng+"0";break;}case3:{m_CusAng=c_CusAng+"0";break;}55 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单default:{break;}}break;}case0:{m_CusAng="000"+c_CusAng.GetAt(1);break;}case1:{m_CusAng="00"+c_CusAng.Left(1)+c_CusAng.GetAt(2);break;}case2:{m_CusAng="0"+c_CusAng.Left(2)+c_CusAng.GetAt(3);break;}case3:{m_CusAng=c_CusAng.Left(3)+c_CusAng.GetAt(4);break;}default:{break;}56 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单}//方位底层驱动命令字if(Direc=="Left"||Direc=="Right"){if(c_Speed=="0.63"){m_CusAng=m_CusAng+"V200r";}elseif(c_Speed=="0.88"){m_CusAng=m_CusAng+"V400r";}elseif(c_Speed=="1.25"){m_CusAng=m_CusAng+"V600r";}elseif(c_Speed=="2.5"){m_CusAng=m_CusAng+"V800r";}}elseif(Direc=="Up"||Direc=="Down")//俯仰底层驱动命令{if(c_Speed=="0.63"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V200r";}elseif(c_Speed=="0.88"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V400r";}57 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单elseif(c_Speed=="1.25"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V600r";}elseif(c_Speed=="2.5"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V800r";}}//根据不同的方向生成不同的底层驱动命令if(Direc=="Right"){sen_data="AZ+"+m_CusAng;}elseif(Direc=="Left"){sen_data="AZ-"+m_CusAng;}elseif(Direc=="Up"){sen_data="PZ+"+m_CusAng;}elseif(Direc=="Down"){sen_data="PZ-"+m_CusAng;}}else{if(Direc=="Right"){58 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单sen_data="A"+m_Deg+"+r";}elseif(Direc=="Left"){sen_data="A"+m_Deg+"-r";}elseif(Direc=="Up"){sen_data="P"+m_Deg+"+r";}elseif(Direc=="Down"){sen_data="P"+m_Deg+"-r";}}returnsen_data;}CStringAntenna::Test(CStringm_Dire,CStringc_Speed,CStringc_CusAng,CStringDirec){intdot;dot=c_CusAng.Find(".",0);switch(dot){case-1:{intlen=c_CusAng.GetLength();switch(len){case1:{59 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单m_CusAng="00"+c_CusAng+"0";break;}case2:{m_CusAng="0"+c_CusAng+"0";break;}case3:{m_CusAng=c_CusAng+"0";break;}default:{break;}}break;}case0:{m_CusAng="000"+c_CusAng.GetAt(1);break;}case1:{m_CusAng="00"+c_CusAng.Left(1)+c_CusAng.GetAt(2);break;}case2:60 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单{m_CusAng="0"+c_CusAng.Left(2)+c_CusAng.GetAt(3);break;}case3:{m_CusAng=c_CusAng.Left(3)+c_CusAng.GetAt(4);break;}default:{break;}}if(m_Dire=="AzimuthCut"){if(c_Speed=="0.63"){m_CusAng=m_CusAng+"V200r";}elseif(c_Speed=="0.88"){m_CusAng=m_CusAng+"V400r";}elseif(c_Speed=="1.25"){m_CusAng=m_CusAng+"V600r";}elseif(c_Speed=="2.5"){m_CusAng=m_CusAng+"V800r";61 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单}if(Direc=="Left"){sen_data="AZ-"+m_CusAng;}elseif(Direc=="Right"){sen_data="AZ+"+m_CusAng;}}elseif(m_Dire=="ElevationCut"){if(c_Speed=="0.63"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V200r";}elseif(c_Speed=="0.88"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V400r";}elseif(c_Speed=="1.25"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V600r";}elseif(c_Speed=="2.5"){m_CusAng=m_CusAng.Mid(1,3)+"V800r";}if(Direc=="Down"){sen_data="PZ-"+m_CusAng;62 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单}elseif(Direc=="Up"){sen_data="PZ+"+m_CusAng;}}returnsen_data;}CStringAntenna::Status(){sen_data="Sta?";returnsen_data;}（2）数据处理程序voidDrawFigure::DrawTestFig(CPaintDC&dc){//填充背景CRectrect;GetClientRect(&rect);CBrushbrush(RGB(255,255,255));dc.FillRect(&rect,&brush);dc.SetBkMode(TRANSPARENT);//画坐标轴CPenpen(PS_DASHDOTDOT,1,RGB(200,200,200));dc.SelectObject(&pen);left=370;top=40;right=rect.right-50;bottom=rect.bottom-85;//换虚线笔，画刻度inttempx=(right-left)/10;63 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单inttempy=(bottom-top)/10;//x轴for(inti=0;i!=11;++i){dc.MoveTo(left+tempx*i,bottom);dc.LineTo(left+tempx*i,top);CStringtemp;temp.Format(_T("%d"),-AR+m_AR*i);dc.TextOut(left-4+tempx*i,bottom+10,temp);}dc.TextOut(left+480,bottom+25,"Angle[°]");//y轴for(inti=0;i!=11;++i){dc.MoveTo(left,top+tempy*i);dc.LineTo(right,top+tempy*i);CStringtemp;temp.Format(_T("%d"),Ref-Sca*i);dc.TextOut(rect.left+325,top-6+tempy*i,temp);}dc.TextOut(rect.left+325,top-25,_T("dBm"));//画实线边框pen.DeleteObject();pen.CreatePen(PS_SOLID,1,RGB(0,0,0));dc.SelectObject(&pen);dc.MoveTo(left,top);dc.LineTo(left,bottom);dc.LineTo(right,bottom);dc.LineTo(right,top);dc.LineTo(left,top);//画图64 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单pen.DeleteObject();pen.CreatePen(PS_SOLID,1,RGB(0,0,255));dc.SelectObject(&pen);BOOLflag=TRUE;CPointdata;for(unsignedinti=0;iRef-10*Sca){data.x=left+(right-left)*i/SweDot;data.y=(int)(top+(bottom-top)*(Ref-Trace[i])/(10*Sca));if(flag){dc.MoveTo(data);flag=FALSE;}elsedc.LineTo(data);//找出最大值if(Trace[i]>=max_value){max_value=Trace[i];max_index=i;}}}CRectrect_com;rect_com.left=right-185;rect_com.top=top+5;rect_com.bottom=top+130;rect_com.right=right-5;65 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单dc.TextOut(right-480,top+10,_T("频率:")+Freq);dc.TextOut(right-480,top+30,"方向:"+Dire);if(isTestFig){CStringc_max_value;c_max_value.Format("%.3f",max_value);dc.TextOut(right-480,top+50,"极化:"+Polar);if(Polar=="Co-polar"){dc.TextOut(right-480,top+70,"最大值:"+c_max_value+"dB");}}}//画3dB带宽线voidDrawFigure::Draw3dBLine(CPaintDC&dc){for(inti=max_index;i>0;i--){if(Trace[i]<=max_value-3){left_3db_index=i;break;}}for(unsignedinti=max_index;i0;i--){if(Trace[i]<=max_value-10){left_10db_index=i;break;}}for(unsignedinti=max_index;i2){doubleenv=29-25*log10(abs(Angle[i]))-m_Gain+max_value;data.x=left+(right-left)*i/SweDot;data.y=(int)(top+(bottom-top)*(Ref-env)/(10*Sca));if(flag){dc.MoveTo(data);flag=FALSE;}elsedc.LineTo(data);}elsebreak;}flag=TRUE;for(unsignedinti=SweDot/2;i2){doubleenv=29-25*log10(abs(Angle[i]))-m_Gain+max_value;data.x=left+(right-left)*i/SweDot;data.y=(int)(top+(bottom-top)*(Ref-env)/(10*Sca));if(flag){dc.MoveTo(data);flag=FALSE;}else69 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文附录1程序清单dc.LineTo(data);}}s_Gain.Format("%.3f",m_Gain);dc.TextOut(right-140,top+90,"增益："+s_Gain+"dB");}}70 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文致谢致谢近三年的研究生学习生活即将结束。在这难忘的三年里，我学习到了很多知识，得到了很多的锻炼。课题的进行和论文的完成都离不开朝夕相伴的老师和同学们。在此论文即将完成之际，衷心感谢你们给予我的生活上和学习上的帮助。首先，感谢我的导师谢继东教授。谢老师几十年如一日，辛勤工作在卫星通信领域，是卫星通信领域的专家。谢老师坚定的科学信念、一丝不苟的科学态度和坚忍不拔的科学精神影响了我对待科研任务的态度。这将是我今后学习、工作和生活中的一笔宝贵的精神财富。课题的顺利完成更是离不开谢老师不遗余力的帮助和不厌其烦的悉心指导。其次，感谢周月臣老师、赵来定老师、王年树老师、胡正飞老师，感谢他们在我的研究生阶段对我的指导和帮助。在此向他们表示衷心的感谢，希望他们在今后的工作和生活中身体健康、工作顺利。同时，感谢同样给予我帮助的师兄们和师姐，以及同在卫星通信实验室的贾平平同学、袁略略同学、甘强同学、万冰同学、余亚飞同学、杨阳同学、樊娜同学。和他们在一起度过的三年短暂而美好的科研和学习生活是我值得珍藏和回味的人生经历，祝他们在今后的生活和工作中一帆风顺。此外，感谢南京中网卫星通信股份有限公司的陈立松工程师。本课题关于天线和电磁场相关的部分均得到了陈立松工程师的指导。同时，本课题设计的卫星通信地球站天线测试系统的测试和验证阶段均获得其帮助。测试天线的测试过程在其指导和帮助下完成，测试数据在我们的共同努力下获得。最后，感谢我的家人，感谢他们对我的默默支持和无私的关怀，是他们的支持使得我能够勇敢面对学习和生活中的一切挑战，坚持完成了二十多年的求学生活。最后的最后，感谢在百忙之中抽出时间审阅我的论文，参加论文答辩并给予我批评和指导的各位专家和教授。71