侯志林鄒 毅陳 飛陸祖亮

（1.信號盲處理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.成都前鋒電子儀器有限責(zé)任公司，成都 611731）

1 引 言

無線電測量用接收機(jī)異地協(xié)同工作時(shí)需要獲取時(shí)統(tǒng)設(shè)備提供的授時(shí)基準(zhǔn)，接收機(jī)時(shí)間戳一旦錯(cuò)誤將導(dǎo)致接收數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)間差錯(cuò)而影響接收數(shù)據(jù)的有效性。 目前，在接收機(jī)的研制生產(chǎn)以及設(shè)備驗(yàn)收中對該類產(chǎn)品的授時(shí)接口測試一般采用直接接入授時(shí)系統(tǒng)，通過檢查接收機(jī)是否能實(shí)現(xiàn)與時(shí)統(tǒng)設(shè)備的同步來驗(yàn)證接收機(jī)的授時(shí)接口是否符合。 經(jīng)過長期的應(yīng)用，由于較短時(shí)間的功能性測試無法驗(yàn)證接收機(jī)授時(shí)接口容錯(cuò)性和工作穩(wěn)定性，直接接入授時(shí)系統(tǒng)的測試方法檢測不到接收機(jī)產(chǎn)品在長時(shí)間應(yīng)用背景下可能存在時(shí)間戳上的漏秒、跳秒、授時(shí)信號異常控制等隱蔽性缺陷，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用效果。

考慮到接收機(jī)授時(shí)接口測試的完備性，本文針對接收機(jī)產(chǎn)品在長時(shí)間應(yīng)用背景下存在的隱蔽性質(zhì)量缺陷，研究提出了一種基于模擬場景的接收機(jī)授時(shí)接口測試方法，通過設(shè)置特定授時(shí)信號序列對被測接收機(jī)進(jìn)行激勵(lì)或響應(yīng)測試，實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)在授時(shí)信號的同步能力、授時(shí)信號抖動(dòng)的處理能力、授時(shí)信號異?？刂频确矫娴娜轿粶y試。

2 接收機(jī)授時(shí)接口工作原理

接收機(jī)授時(shí)接口主要由授時(shí)信號接收處理和數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)記兩部分功能組成，如圖1所示。 其中授時(shí)信號接收處理根據(jù)其授時(shí)機(jī)制可分為硬件授時(shí)和軟件授時(shí)兩類，數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)記是基于當(dāng)前設(shè)備時(shí)刻對接收數(shù)據(jù)包打上時(shí)間戳，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)記。

圖1 接收機(jī)授時(shí)接口組成圖Fig.1 The composition of receiver timing interface

2.1 硬件授時(shí)接口

硬件授時(shí)原理如圖2所示，接收機(jī)接收授時(shí)系統(tǒng)發(fā)出的時(shí)碼信號和秒脈沖，由秒脈沖馴服本地鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘與全局秒同步，同時(shí)將本地頻率基準(zhǔn)統(tǒng)一到全局頻率基準(zhǔn)；本地基準(zhǔn)頻率信號通過計(jì)數(shù)器獲取對應(yīng)采樣時(shí)鐘的準(zhǔn)確時(shí)刻信息；最后將當(dāng)前準(zhǔn)確時(shí)刻信息附加到采集輸出數(shù)據(jù)包中，即為輸出數(shù)據(jù)打時(shí)間戳。

圖2 接收機(jī)硬件授時(shí)接口框圖Fig.2 Block diagram of receiver hardware timing interface

硬件授時(shí)具有固定的線路時(shí)延，授時(shí)精度可達(dá)到微秒甚至納秒級。 目前接收機(jī)硬件時(shí)碼主要是采用IRIG-B 時(shí)間碼，國軍標(biāo)定義了等效時(shí)間碼標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 軟件授時(shí)接口

信息系統(tǒng)對時(shí)間戳的精度需求在秒以下，要求較低，因此軟件系統(tǒng)一般采用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議或簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP／SNTP）進(jìn)行軟件授時(shí)，接收機(jī)一般也支持NTP／SNTP 授時(shí)，用于為接收機(jī)提供年月日精度的時(shí)刻同步，而硬件時(shí)碼一般不包含年度信息。

2.3 數(shù)據(jù)時(shí)間戳

接收機(jī)維護(hù)一個(gè)本地時(shí)刻計(jì)數(shù)器，采用與采集卡時(shí)鐘同步的方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)這一計(jì)數(shù)器由硬件電路控制實(shí)現(xiàn)與輸入秒脈沖或時(shí)碼完全對齊。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，接收機(jī)將采集時(shí)刻對應(yīng)的時(shí)碼以及對應(yīng)計(jì)數(shù)器值直接寫入數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳進(jìn)行記錄。

3 接收機(jī)授時(shí)接口測試方法

接收機(jī)授時(shí)接口測試系統(tǒng)原理如圖3所示，通過專用的程控IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器輸出特定IRIG-B 時(shí)間碼序列給接收機(jī)授時(shí)接口，接收機(jī)輸出含時(shí)間戳的數(shù)據(jù)，通過提取該數(shù)據(jù)的時(shí)間戳與設(shè)置的特定時(shí)間戳比對實(shí)現(xiàn)測試。

圖3 接收機(jī)授時(shí)接口測試原理圖Fig.3 Working principle of the receiver timing interface

3.1 程控IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器

程控IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器工作原理如圖4所示，由嵌入式控制器、策略控制器、時(shí)刻計(jì)數(shù)器以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)碼發(fā)生器組成。 嵌入式控制器接收網(wǎng)絡(luò)控制指令，設(shè)置策略控制器生成時(shí)刻控制策略，完成時(shí)刻計(jì)數(shù)器最新時(shí)刻參數(shù)的設(shè)置；策略控制器按設(shè)置的運(yùn)算策略控制時(shí)刻計(jì)數(shù)器的工作模式，以秒為單位實(shí)時(shí)更新時(shí)碼發(fā)生器的當(dāng)前時(shí)間，最后由時(shí)碼發(fā)生器輸出時(shí)碼到被測接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)各種測試場景所需要的激勵(lì)時(shí)碼信號序列。

圖4 IRIG-B 碼發(fā)生器工作原理圖Fig.4 Working principle of IRIG-B generator

3.2 測試場景

在某系列接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)間戳亂序、長期工作中時(shí)間戳跳變、接收機(jī)控制異?；蛩罊C(jī)等偶發(fā)現(xiàn)象，懷疑存在接收機(jī)對授時(shí)設(shè)備的瞬時(shí)異常數(shù)據(jù)無法處理或接收機(jī)長期工作中內(nèi)部授時(shí)機(jī)制出現(xiàn)紊亂的可能性。 通過時(shí)碼異常注入或接收機(jī)長期工作場景對接收機(jī)進(jìn)行模擬測試以實(shí)現(xiàn)快速測試和故障重現(xiàn)。

時(shí)碼異常跳變場景用于測試接收機(jī)對時(shí)碼瞬時(shí)異常跳變的響應(yīng)情況，研究是否存在時(shí)碼瞬時(shí)跳動(dòng)、時(shí)碼停止更新、時(shí)碼格式錯(cuò)誤等時(shí)碼異常場景導(dǎo)致接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)時(shí)刻亂序，甚至接收機(jī)出現(xiàn)控制異?；蛩罊C(jī)情況。

時(shí)碼異常跳變場景測試步驟：

1）控制IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器正常輸出時(shí)碼序列，檢查接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)時(shí)間戳，驗(yàn)證接收機(jī)授時(shí)接口工作正常；

2）控制IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器輸出一個(gè)異常跳變信號，并在下一秒立即跳回，期間持續(xù)采集接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)；

3）由程序分析接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)序列，檢查數(shù)據(jù)時(shí)間戳受授時(shí)碼異常影響情況并統(tǒng)計(jì)輸出測試結(jié)果；

4）上述測試過程中如果出現(xiàn)接收機(jī)數(shù)據(jù)輸出停止或停止數(shù)據(jù)刷新，停止測試并上報(bào)接收機(jī)異常狀態(tài)。

5）在上述步驟2）測試時(shí)，控制IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器將時(shí)碼異常設(shè)置調(diào)整為停止更新時(shí)碼、輸出錯(cuò)誤格式時(shí)碼等，即可實(shí)現(xiàn)時(shí)碼停止更新和時(shí)碼格式錯(cuò)誤場景情況下的測試。

長期授時(shí)測試場景用于測試接收機(jī)授時(shí)接口長期工作的穩(wěn)定性，檢查是否存在長時(shí)間工作后接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)時(shí)刻亂序甚至接收機(jī)出現(xiàn)控制異?；蛩罊C(jī)情況。

長期授時(shí)測試場景測試步驟：

1）控制IRIG-B 時(shí)間碼正常輸出時(shí)碼序列，檢查接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)時(shí)間戳，驗(yàn)證接收機(jī)授時(shí)接口工作正常；

2）持續(xù)測量接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間戳，并監(jiān)測接收機(jī)工作狀態(tài)；

3）同步由程序分析接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)序列，檢查數(shù)據(jù)時(shí)間戳有無異常情況并統(tǒng)計(jì)輸出測試結(jié)果；

4）上述測試過程中如果出現(xiàn)接收機(jī)數(shù)據(jù)輸出停止或停止數(shù)據(jù)刷新，停止測試并上報(bào)接收機(jī)異常狀態(tài)。

3.3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

由于接收機(jī)授時(shí)接口狀態(tài)異常為小概率事件，接收機(jī)接口測試需要長時(shí)間自動(dòng)化執(zhí)行測試場景用例。 這種工作模式無法由傳統(tǒng)的單一流程同步測試系統(tǒng)執(zhí)行。

基于場景的多流程異步測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長期的用例測試，測試系統(tǒng)工作原理如圖5所示。 設(shè)計(jì)通過Xml 格式的測試場景配置文件定義多種測試場景，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由定時(shí)器或設(shè)備事件觸發(fā)執(zhí)行場景測試工作流。

圖5 測試系統(tǒng)工作原理圖Fig.5 Working principle of the test system

以數(shù)據(jù)長時(shí)間戳測試場景為例，測試場景以Xml 格式的場景配置文件進(jìn)行描述，測試場景的測試任務(wù)異步執(zhí)行由場景文件中的工作流配置環(huán)節(jié)來描述。 數(shù)據(jù)長期時(shí)間戳測試場景的工作流由初始化流（Init）、時(shí)差測試工作流（CheckTime）以及退出處理工作流（Exit）組成。

初始化工作流執(zhí)行接收機(jī)申請并獲取測試計(jì)算機(jī)本地時(shí)間與接收機(jī)時(shí)間的系統(tǒng)時(shí)差，用于修正后期時(shí)差判決的誤差。 具體初始化工作流代碼如下所示：

時(shí)差測試工作流以兩秒為周期定時(shí)檢測本地系統(tǒng)與接收機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)間戳的時(shí)差，執(zhí)行時(shí)差判斷并統(tǒng)計(jì)測試異常情況。 具體時(shí)差測試工作流代碼如下所示：

3.4 測試應(yīng)用

采用該測試系統(tǒng)實(shí)際開展某系列接收機(jī)授時(shí)接口測試，先后復(fù)現(xiàn)了接收機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)間戳亂序、長期工作中時(shí)間戳跳變以及接收機(jī)授時(shí)信號控制異常等直接接入授時(shí)系統(tǒng)測試方法難以發(fā)現(xiàn)的問題。通過深入研究現(xiàn)場應(yīng)用的異?，F(xiàn)象并擴(kuò)展場景測試用例，可進(jìn)一步拓展裝備接口測試應(yīng)用空間，提高對裝備應(yīng)用改進(jìn)的支撐力度。

4 結(jié)束語

裝備在實(shí)際使用環(huán)境下出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室條件下難以出現(xiàn)的異常故障是裝備應(yīng)用中的常見問題。這類異常出現(xiàn)概率小，故障現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)和捕獲較為困難，是裝備測試評估和故障歸零等工作中較為麻煩的問題。 本文介紹的接收機(jī)授時(shí)接口測試方法是通過場景文件描述構(gòu)造接近裝備實(shí)際應(yīng)用場景的測試環(huán)境，并可通過長期測試自動(dòng)捕獲裝備的異常狀態(tài)，是一種極具潛力的關(guān)于裝備質(zhì)量穩(wěn)定性的新型測試方法。

場景測試的故障捕獲一方面依賴場景描述的準(zhǔn)確性，另一方面也受實(shí)際執(zhí)行測試的硬件設(shè)備條件限制，特定測試場景的構(gòu)造很多時(shí)候需要定制化設(shè)備實(shí)現(xiàn)特殊的信號環(huán)境，本次應(yīng)用的授時(shí)接口測試就依賴于為模擬時(shí)碼序列定制開發(fā)了程控IRIG-B 時(shí)間碼發(fā)生器。 由于軟件定義無線電、FPGA等技術(shù)的發(fā)展已大大降低了定制開發(fā)硬件的門檻，相信未來可發(fā)展更多可重構(gòu)配置化測試設(shè)備以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的場景測試需求。