电子计量测试的发展动向和趋势(二)

电子计量测试的发展动向和趋势(二)


6 时域和脉冲波形的计量测试
  在今天的时域测量领域中,脉冲测量是非常重要的项目。电信、电视、雷达中一直使用脉冲。自由空间雷达可用遥感来确定目标位置和速度。闭路雷达或时域反射计(TDR)用于遥测波导信号传输系统。另一主要用途是在快速处理信息计算机中。计算机技术的发展是时钟速率越来越高的大规模集成电路发展的主要动力。这种高速时钟速率对集成电路的测试者的脉冲波形测量能力提出了严格要求。
  应用最广泛的通用脉冲波形测量仪器称为实时示波器。近代通用示波器都具有双线和双时基能力。为了在高能物理实验室中将高电平信号直接加到阴极射线管中,甚至使用2~7GHz带宽的专用示波器。
  由于通用实时示波器的带宽受到电子电路及示波管的限制,为了测量射频信号而发展了取样技术。它将射频重复信号经过取样,变换成低频重复信号而形成一种取样示波器。
  除示波器外,出现了一种不用阴极射线管(CRT)亦可测量实时波形的新型商品仪器。通常称此种仪器为波形记录仪(分析仪)或数字示波器,它由后接数字存储器的A/D变换器组成。存储器的内容显示在CRT上或用一台计算机进一步处理。波形记录仪胜过普通示波器的一个优点是,在触发脉冲到来之前能记录和观察数据,这是通过应用自激型记录器连续取样和存储数据,以及在发生触发时或触发后停止其记录来实现的。波形记录技术已发展到这种程度,人们可以用一台个人计算机插人件而将波形记录仪改装成波形数字转换仪,快速数字转换器伴随电荷藕合器(CCD)、砷化镓器件、SQUID、光A/D变换器的研究而迅速发展。目前世界上最快的时域测量仪器就是波形记录仪,这是美国Hypers、Inc生产的PSP-1000型皮秒信号处理装置。该仪器与低温控制和超导电子学相结合,获得70GHz带宽和5ps上升时间。如前所述,传统的室温电子学获得的带宽为18GHz和上升时间为2Ops。
  波形标准的研究亦取得了进展。参考波形的概念同其他标准的概念是一样的,就波形而言,标准是一台信号发生器的输出,其波形根据基本原理来确定,与任何给定的脉冲测量系统无关。NIST研制了一组转换时间50,100和2OOps的参考波形标准。它们是由超低通滤波器作用的损耗液体介质同轴线组成,并用20ps的隧道二极管阶跃发生器激励。NIST后来还研制了标准波形发生器,这种发生器是在一个微带传输线中配置一个麦氏华根电容器(双层介质)取代具有损耗液体介质同轴线。
  众所周知,将频域数据变换为时域数据的测量比直接的频域测量有更多的优点。因为是窄带测量,从而有更高的信噪比;其次是有可能通过测量已知标准来修正误差;再则没有时间颤动和零电平漂移。所以将频域数据变换为时域数据的方法得到广泛应用。

   7 现代通信中的电子计量测试
  近代通信网与有线电视网和计算机网通过通用接人网(UAN)构成国家信息基础结构(NII)。NII对一个国家的经济发展、科技进步、国防实力、人民椿神文化生活和综合国力有重大影响。各种通信网,诸如交换公用数据网(PSPDN)、数字数据网(DDN)、综合业务数字网(ISDM)、智能网(IN)和个人通信网等有力地支持了通信业务的发展。21世纪的通信网将向宽带综合业务数字网(B-ISDM)方向发展。
  微波、光纤、卫星和移动通信被称为现代通信的四大支柱。以通信数字化、宽带化、通信业务多媒体化、通信个人化、网络智能化、国际网络标准化为特征的现代通信发展,已成为世界新技术革命的主要内容之一。现代通信主要包括4个方面:(1)微波通信;(2)光纤通信;(3)卫星通信和(4)移动通信。
  随着传统的模拟通信技术的发展,特别是数字通信技术的发展,对电子计量测试提出了新的需求。现以数字通信为例说明有关测量技术和测量仪器的概况。
  数字通信系统的技术标准和测试方法同模拟系统差别很大。模拟载波通信系统采用频分复用多路技术(FDM),而数字通信系统则采用时分复用多路技术(TDM)、在各种时分复用多路技术中,脉码调制系统(PCM)是目前应用最广的一种。因为PCM不仅能传输话音,而且能以综合的方式传输数据信号、图象信号,故适用于将来的综合业务数字网和信息网。
  根据国际电报电话咨询委员会(CCITT)有关建议,PCM数字通信测量仪器主要有三类:(1)PCM终端分析仪,用于测量PCM编码器和解码器的性能;(2)误码性能分析仪,用于测量数字系统误码性能;(3)抖动分析仪,用于测量数字设备相位抖动的仪器。
  终端分析仪通常包括模拟信号发生器和分析器,数字信号发生器和分析器。测试功能包括增益、增益随频率和输入电平的变化、量化失真和互调、回波损耗、串音等。
  误码率是数字传输系统的重要技术指标;它定义为在特定的一段时间内所接收到的比特误差数与同一时间内所接收到的比特总数之比。定时抖动是数字传输设备的一项主技术指标,定义为数字信号的各个有效瞬间在时间上对其理想位置之短期的非积累性的偏离。
  由此可见,数字通信测量仪器的性能指标既有模拟部分,又有数字部分。因此,其技术标准和测试方法与模拟系统有很大差异。例如,在评价移动通信中收信机性能时,人们采用数据误差率代替用于模拟通信设备中的信噪比和失真比(SINAD)指标。为测量接收机灵敏度,研究人员既要采用具有良好的频率、输出电平及调制特性的数字调制信号发生器,同时还需要测试误差率的测量仪器。
  随着数字通信技术的发展,研制开发了各种数字调制及矢量调制的信号发生器。此外,为易于实现数字传输,并提高信号传输质量和抗扰度,涌现出许多调制方式。常用的调制方式有:相移键控(PSK)、频移键控(FSK)、最小频移键控(MSK)、正交相移键控(QPSK)、正交调幅(QAN)、高斯最小频移键控(GMSK)等等.为测量数字调制参数的性能,出现了所谓调制域测量。
  数字通信计量测试的内容亦更加丰富。例如,数字无线电发射机是利用TDMA格式和数字调制以脉冲串信号波进行发射。因此,测量仪器既必须配置数字信号处理技术(DSP)及相应的测试方法,同时还应装备有宽带(频率到8.5GHz或更高)测量所需的测试程序。测量特性包括频率、天线功率、调制特性、占用频率带宽,相邻信道功率泄漏以及寄生信号等。又如数字通信的数字格式可简化电路控制和交换控制。移动通信的控制功能都是在移动终端和基站间使用控制信道实现的。该信道为呼叫处理发送控制信号,与发送用户信息的信道分开,可处理呼叫等待、收费通知、三方会话这样的服务。由于信道的这种变化,要求测量仪器必须提供各种各样的功能。
  我国目前发展最为迅速的是数字移动通信。数字蜂窝移动通信制式主要有:GSM900(DCS1800欧洲制式;CDMA码分多址美国制式;PDC日本制式。由于GSM制式标准的技术成熟,并已实用化,我国已大量采用,是我国目前移动通信的主流制式。CDMA技术系统容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点而具有潜在应用前景,但目前标准不够完善、正在试验中。中国计量院已研制GSM制式数字移动通信综合测试仪校准系统:频率范围为10Hz~2.65GHz,测量不确定度为(2~5)(10-8(k=2);电平范围为((130~13)dBm,测量不确定度为(0.2~0.5)dB(k=2);高斯最小频移键控调制精度(0.3GMSK调制)均方相位误差≤0.5°(rms),峰值相位误差≤1°,调制幅度误差≤0.ldB。该标准可用于校准HP 8960,HP 8922P,HP 6392E,R/S CMD系列,R/S CMU200,Wavetek 4400,IFR 2935,Wavetek 4201,Recal 6113等通信测试仪器。中国计量院还开展CDMA制式综合测试仪器的校准。GSM制式数字移动通信综合测试仪校准系统和CDNA校准装置的量值,分别溯源到国家频率基准、国家RF和微波功率基准、国家RF电压标准、国家RF衰减基准、国家失真度标准和标准数字调制信号发生器等。
  信息产业部通信计量中心建立了误码率和光纤通信有关参量的标准。
  现代通信所需的主要电子计量标准和装置主要有:误码率测试仪检定装置;数字通信信号抖动计量标准;通信协议分析仪校验装置;信令测试仪校验装置;移动通信电台综合测试仪校验装置;PCM终端分析仪与编码解码器校验装置;星座分析仪校准装置;微波线路分析仪校准装置;传输损耗测试仪校准装置;通信信号干扰计量标准;帧信号分析仪校准装置;卫星通信地球站设备校准系统;卫星通信地球站天线校准系统;图象信号测试仪校准系统等。所需测量频率达50GHz以上,功率电平达10OW。

  8 法制计量
  法制计量又称法制计量学,是计量的一部分,即与法定计量机构所执行的工作有关的部分,涉及到对计量单位、测量方法、测量设备和测量实验室的法定要求。
  计量工作的根本目的是保障计量单位制度的统一和量值的准确可靠。计量工作具有广泛的社会性和统一性,从而决定了计量工作必须具有法制性。计量工作的重要特征是受国家计量法律的控制和政府行为的介入。中国的计量法律体系是以《中华人民共和国计量法》为基本法,以及与其配套的计量行政法规、规范、规章所组成的法规体系。依据计量法,我国制定了一整套计量技术法规。计量技术法规包括国家计量检定系统表、计量检定规程和计量技术规范。它们是正确进行量值传递、确保测量数据可靠,以及实施计量法制管理的重要依据。计量栓定系统表过去曾称为国家量值传递系统,是用图文的形式,将实际用于测量工作的计量器具的量值与国家基标准所复现单位量值联系起来,用以保证工作计量器具的测量准确度和溯源性。其中涉及各级计量标准和测量器具的测量范围、误差或不确定度和检定方法等。目前,电子计量的栓定系统表有9项,其中时间频率1项。电子计量国家基准(标准)的不确定度大都在0.1%~1.0%量级,所以在电子计量检定系统表中,传递等级比其他专业计量的传递等级少,一般只有三级,少数参量只有两级,即工作计量器具直接溯源到国家标准。计量检定规程是从事计量检定的法律依据,是对计量器具的计量性能、检定项目、检定条件、检定方法、检定数据处理、检定周期等所作的技术规定。目前,电子计量的检定规程有123项,其中时间频率26项。计量技术规范是为实施计量法进行计量技术管理的依据和行为准则,是综合性、基础性的技术法规。与电子计量有关的计量技术规范主要有:《JJF 1001-1998通用计量术语及定义》;《JJG1015-90计量器具定型通用规范》;《JJG 1021-90产品质量检验机构计量认证技术考核规范》;《JJG 1022-91计量标准的命名技术规范》;《JJG 1027-91测量误差及数据处理(试行)》;《JJG l033-92计量标准考核规范(试行)》;《JJG 1039-93同轴功率计量保证方案术规范(试行)》;《JJG 1040-93射频衰减计量保证方案技术规范(试行)》;《JJF l059-1999测量不确定度评定与表示》;《JJF 1069-2000法定计量检定机构考核规范》等;此外还制定了14项电子计量的国家计量基准操作技术规范。
  法定计量机构包括计量行政机构和计量技术机构。计量行政机构是代表国家贯彻实施计量法律、法规,并对实施情况依法进行监督的计量行政执法的机构。中华人民共和国成立后,中国政府始终重视法制计量建设。1950年设立度量衡处。1955年成立国家计量局,统一管理全国的计量工作。1988年成立国家技术监督局,1998年改名为国家质量技术监督局,2001年又改名为国家质量监督检验检疫总局(属于国务院直属的部级局),负责统一监督管理全国计量工作。根据《中华人民共和国计量法》的规定,中国计量行政机构分为四级:国务院计量行政部门;省、自治州、直辖市计量行政部门;市(地、盟、州)计量行政部门和县(区、旗)计量行政部门。县级以上地方计量行政部门对本行政区域内的计量工作实施监督管理。
  计量技术机构是从事计量检定、校准、测试(检测)及计量科学研究工作的机构。计量技术机构分为法定计量技术机构和一般计量技术机构。前者是指各级计量主管部门依法设置的计量检定机构;后者是部门和企业事业单位为进行量值传递或量值溯源所设立的计量技术机构。法定计量技术机构的任务主要是:负责建立计量基准、标准;进行量值传递,执行强制栓定和其他栓定测试任务;起草计量技术法规,并承办有关计量监督的技术性工作等。中国计量科学研究院(NIM)和国家标准物质研究中心(NRCCRM)是国家法制计量技术机构,此外还建立了华北、华南、西南、西北、东北、华东和中南国家计量测试中心和18个国家专业计量站。各省、自治州、直辖市、市(地、盟、州)和县(区、旗)都建立了相应的法制计量技术机构。中央各部委、国防科工委系统、总装备部系统,以及其所属部门亦相应设立了(一般)计量技术机构。电子计量的国家法定计量技术机构是中国计量科学研究院,省、自治州、直辖市,以及一些市(地、盟、州)的计量技术机构都设立有电子计量专业。国防计量管理条例规定,国防系统计 量机构分为三级管理。国防科工委系统第二计量研究中心是国防系统电子计量的一级计量站,二级站有60余个。原电子工业部在全国各大区设立的5个区域计量站和一些电子专业计量站,属于国防系统二级电子计量站。信息产业部通信计量中心是我国通信部门一级计量站,下设7个大区二级站,各省市设有三级站,国家广电总局也设立了广播电视计量检测中心。目前我国已形成比较完整的电子计量技术机构体系。
  国务院1959年发布的《关于统一计量制度的命令》,确定国际公(米)制为我国的基本计量单位制,逐步废除了旧杂制,使我国的计量单位制基本统一。国务院1984年发布的《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》规定,我国的计量单位一律采用《中华人民共和国法定计量单位》,亦即采用国际单位制(SI)和国家选定的有关单位。
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国务院1959年发布的《关于统一计量制度的命令》,确定国际公(米)制为我国的基本计量单位制,逐步废除了旧杂制,使我国的计量单位制基本统一。国务院1984年发布的《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》规定,我国的计量单位一律采用《中华人民共和国法定计量单位》,亦即采用国际单位制(SI)和国家选定的有关单位。SI以7个物理量为单位基础,用这7个基本物理量单位和两个辅助单位组成的导出单位,几乎包括了所有领域的计量单位。迄今,除质量单位千克(公斤,kg)外,长度单位米(m)、时间单位秒(s)、电流单位安(A)、热力学温度单位开(K)物质的量单位摩(mol)和发光强度单位坎(cd)都实现了自然基准。因此我国采用的单位制是比较科学、完善和准确的单位制。
用于计量检定/校准和检测的测量方法除了计量检定规程外,必须是国际标准、我国国家标准、地方、部门和行业标准,以及相应的技术规范、规程、规章中规定的测量方法。
测量设备在计量工作中是指计量器具,包括国家基准、副基准、工作基准;计量标准(含标准物质)和工作计量器具。国家基准在我国计量法中又称计量基准,是指用于复现和保存计量单位量值,经国务院计量行政部门批准,作为统一全国量值最高依据的计量器具;国家副基准是通过直接或间接与国家基准比较定值,经国务院计量行政部门批准的计量器具;工作基准是通过直接或间接与国家基准或副基准比较定值,经国务院计量行政部门批准,实际用于栓定计量标准的计量器具。我国电子计量现有时间频率、射频电压、射频和微波功率、衰减、阻抗、相移、噪声、场强等近30项国家基准和4项国家工作基准。计量基准具有最高的计量学特性(准确度、复现性、稳定性等),是一个国家计量科学技术水平的体现,有完善的管理制度,包括保存、维护、使用制度和操作规范。1987年7月我国发布了《计量基准管理办法》。计量标准是将计量基准量值逐级传递到工作计量器具的一类计量器具。计量标准可以根据需要按不同准确度分为若干等级,用于检定较低准确度的计量标准和检定工作计量器具。我国电子计量现有140多项各种计量标准器具,其中时间频率近30项。计量标准是量值传递的中心环节,具有完善的管理制度,1987年7月我国发布了《计量标准考核办法》,1992年制定了《JJG 1033-92计量标准考核规范(试行)》。工作计量器具是指不用于检定工作的计器具。其含义是,凡能用以直接或间接测出被测对象量值的器具、测量仪器和测量装置。从法制计量管理角度可将其分为强制栓定工作计量器具和非强制检定计量工作器具两类。1987年7月我国发布了《中华人民共和国依法管理的计量器具目录》(包括计量标准和工作计量器具)。根据计量法,对用于贸易结算、安全防护、医疗卫生和环境监测方面的列入强制检定目录的工作计量器具,实行强制检定,1987年4月我国发布了《中华人民共和国强制检定的工作计量器具检定管理办法》。我国电子计量依法管理的计量器具有100多种。
我国对计量技术机构(测量实验室)有明确的法定要求。计量检定/校准机构的考核制度就是依据《计量基准管理办法》、《计量标准考核办法》、《计量授权管理办法》、《专业计量站管理办法》和JJF 1069-2000的要求和程序,对从事计量检定/校准的实验室基准、标准、设施、人员、环境及管理制度等40项内容进行考核并授权,旨在保证我国单位量值的准确一致。产品质检机构的计量认证制度是依据JJG 1021分两级对从事产品质量检验的实验室进行计量认证并授权。计量认证的认可准则JJG 1021是等效采用《ISO/IEC导则25:1990校准和检验实验室能力的通用要求》,并充分结合我国国情制定的。考核评审内容为组织机构、仪器设备、检测工作、人员、环境和工作制度六个方面,计50项。其突出的特点是,从计量溯源性的角度,保证测量结果能够与计量溯源体系衔接。产品质检机构的审查认可制度是根据我国标准化法和质量法,按照《国家产品质量监督检验中心审查认可细则》、《产品质检所验收细则》或《产品质量监督检验站审查认可细则》对国家质检中心或产品质检所进行评审,并明确授权监督检验范围。《国家产品质量监督检验中心审查认可细则》的主要内容涉及组织机构、人员素质、仪器设备、环境条件、管理手册和检验工作等六个方面,计39项。这些认可细则也是等效采用ISO/IEC导则25,结合我国国情制定的。
计量认证是我国政府计量行政主管部门对向社会提供公证数据的技术机构的计量检定与测试能力、可靠性和公正性所进行的考核和证明。经计量认证考核合格的技术机构,证明其具有为社会提供公证数据的资格,由该机构提供的数据具有法律效力。计量法实施细则规定,为社会提供公证数据的产品质量检验机构,必须经省级以上政府计量行政部门计量认证。计量认证分强制认证和非强制认证,我国的计量认证是强制性的。随着计量认证的开展,在其他测量领域中,提高测量结果的可靠性和权威性,我国许多计量测试机构自愿要求计量认证。随着自愿认证工作的开展,计量认证己扩展到国防科研计量技术机构、能源监测、环境监测、地质分析、电子和通信等领域的计量技术机构。
我国l994年10月成立中国实验室国家认可委员会(CNACL),并由国家质量技术监督局授权实施实验室自愿认可计划。认可委员会遵循开放性、自愿性、非歧视性的工作方针。其工作目标是:按国际实验室认可通用准则(即ISO/IEC导则58),建立适合社会主义市场经济需要的完善的中国实验室国家认可体系。通过认可委员会的有效活动,提高中国实验室的管理水平和技术能力,建立良好信誉并不断提高在国际、国内检测市场上的竞争能力;参与国际间的实验室认可的交流和合作活动,逐步实现实验室认可机构国际间双边和多边的相互认可;逐步实现我国实验室测量数据、测量结果和校准/检测证书/报告的国际互认。中国计量科学研究院1999年10签署了由BIPM(国际计量局)组织的由四十多个国家签发的《国家计量基(标)准互认和国家计量院签发校准与测试证书互认协议(MRA)》,根据该互认协议,在双边或多边贸易中,计量院出具的产品校准或测试证书,不必在出口国和进口国分别进行重复校准或测试.中国实验室国家认可委员会制定的《CNACL 201-99实验室认可准则》等同采用ISO/IEC导则25。同时,ISO/IEC导则25也被等同转化为我国标准《GB/T 15481-1995校准和检测实验室能力的通用要求》。ISO/IEC 17025是不断发展的,随着IS09000质量体系和质量保证迅速发展,也促进了ISO/IEC导则25的改进。1999年由ISO合格评定委员会(CASCO)制订的国际标准《ISO/IEC 170252:1999检测和校准实验室能力的通用要求》取代了ISO/IEC导则25。随着国际标准ISO/IEC l7025的实施,中国实验室国家认可委员会正在制定新的实验室认可准则。在技术要求方面,ISO/IEC l7025与ISO/IEC 17025相比,更加强调测量溯源性和对测量结果的不确定度评定。

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