基于NI PXI技術(shù)的無線電接收機技術(shù)簡介

NI中國分公司技術(shù)市場工程師 徐

NI射頻信號分析儀PXI 5660并非傳統(tǒng)的頻譜分析儀，而是一個高性能的軟件無線電平臺,基于NI PXI技術(shù)的無線射頻接收監(jiān)測系統(tǒng)具有更好的可擴展性和靈活性

概述

無線射頻接收機是一個監(jiān)測系統(tǒng)，它負責(zé)從天線上接收射頻能量，然后把信號頻率降到數(shù)字化儀可接收的范圍內(nèi)進行采集，隨后就可以對信號進行諸如掃頻、頻譜分析、功率計算、調(diào)制和解調(diào)參數(shù)分析的操作。一個無線監(jiān)測接收系統(tǒng)的主要指標(biāo)應(yīng)該包括：動態(tài)范圍、靈敏度、本底噪聲、解調(diào)模式等。本文將詳細介紹NI RF產(chǎn)品的功能及特點。

NI射頻架構(gòu)綜述

NI的射頻架構(gòu)基于虛擬儀器技術(shù)的概念，它包括：高性能的模塊化硬件（射頻信號分析儀PXI 5660、射頻信號發(fā)生器PXI 5670）以及高靈活性的軟件架構(gòu)（LabVIEW、頻譜分析工具包、信號調(diào)制解調(diào)工具包）（見圖1）。由于PXI平臺是基于PC技術(shù)的，用戶完全可以利用PC技術(shù)的高速發(fā)展，例如高速的CPU、大容量的內(nèi)存、高分辨率的顯示器等。除此之外，PXI平臺還增加了專為測試測量應(yīng)用定制的定時和觸發(fā)總線，并具備堅固性、低功耗、電磁兼容性等特性。PC技術(shù)允許用戶使用通用的操作系統(tǒng)和靈活的軟件架構(gòu)。用戶可以使用LabVIEW圖形化編程環(huán)境和調(diào)制解調(diào)工具等附加工具包來開發(fā)不同的應(yīng)用程序。

PXI 5660的架構(gòu)

PXI 5660 是一個基于PXI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的射頻信號分析儀。它具有模塊化儀器的架構(gòu)，其中包括一個寬帶射頻的下變頻器、一個高純度的中頻數(shù)字化儀和進行頻譜測量和調(diào)制解調(diào)的軟件工具包。

采集一個射頻信號包括兩個步驟：下變頻和數(shù)字化。

下變頻模塊PXI 5600擁有20MHz的實時帶寬，可以把信號頻率下變頻到以15MHz為中心頻率、范圍在5～25MHz之間。

數(shù)字化儀模塊PXI 5620擁有一個高速的ADC和板上的硬件處理能力。它由一個14位的64 MSPS的ADC和一個數(shù)字下變頻集成電路組成。這個數(shù)字下變頻芯片可以進行實時批處理，并將任何20MHz帶寬的信號降頻到基帶信號，這對于捕捉無線通信的信號來說是非常理想的。同時，下變頻集成電路也可以從頻譜中產(chǎn)生復(fù)雜的I/Q數(shù)據(jù)。數(shù)字化儀模塊包括了專為數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計的具有NI的高速MiniMITE 集成電路。MiniMITE通過DMA方式將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街鳈C的內(nèi)存上，從而釋放主機CPU以進行數(shù)據(jù)的分析、顯示和通信任務(wù)（見圖2）。

下變頻模塊首先對任何一個3GHz范圍內(nèi)的信號進行用戶可選擇的衰減，然后進入升頻階段。得到的信號再經(jīng)過一個諧振濾波器，這是為了在信號進入多級的降頻模塊前濾去鏡像抑制。經(jīng)過降頻的信號以5～25 MHz的中頻信號輸出。下變換器使用一個高穩(wěn)定度、高的恒溫晶體振蕩器來驅(qū)動其他的系統(tǒng)時鐘并提供±50 ppb 的頻率。

為了能夠用在PXI中，NI使用了一個微型高性能的、基于YIG的晶體振蕩器為高頻的升頻階段產(chǎn)生本振信號。YIG代表釔鐵石榴石材料，它是組成晶體振蕩器中諧振腔的基礎(chǔ)，YIG晶體振蕩器可以產(chǎn)生非常純的高頻信號。雖然YIG晶體振蕩器在尺寸上可以改變，但往往還是占很大面積，而NI 5600在這個領(lǐng)域使用了突破性的技術(shù)，設(shè)計使用了非常小的YIG晶體振蕩器。YIG的頻率帶寬也是可調(diào)的，允許用戶調(diào)節(jié)到他們想要的頻率范圍內(nèi)。

PXI 5660的頻率調(diào)節(jié)和多級的架構(gòu)保證了其寄生響應(yīng)（spurious response）遠低于傳統(tǒng)儀器的動態(tài)范圍。

NI RF解決方案的優(yōu)勢

頻譜分析儀 Vs 矢量信號分析儀

NI定義的RF解決方案是一個軟件定義的系統(tǒng)，它可以根據(jù)用戶的要求通過軟件來定制測量硬件的功能，因此，NI 5660就是我們熟知的軟件無線電平臺。它既可以作為一個高性能無線接收器（正如用于射頻監(jiān)測的儀器），也可以作為一個矢量信號分析儀（如用于射頻信號測量應(yīng)用的儀器）。 傳統(tǒng)的頻譜分析儀使用一種叫做“掃頻調(diào)諧”的方法。RF前端有一個混頻器，把RF輸入和一個頻率十分接近所需RF頻率的可調(diào)振蕩器進行混頻?；祛l器是一個模擬乘法器，在輸出端產(chǎn)生和頻和差頻信號。頻率較高的和頻信號由檢波器輸出端的一個濾波器進行濾波；頻率較低的差頻信號則輸出給檢波電路。檢波器的輸出由一個低速的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。混頻器和低通濾波器由可調(diào)振蕩器驅(qū)動組成一個可調(diào)濾波器?；祛l器輸出端的低通濾波器的帶寬決定頻譜顯示時頻率軸的頻譜分辨率。

矢量信號分析儀是一個寬頻的儀器。它不需要對一個模擬濾波器進行掃頻用來顯示頻譜，而是對所選擇的頻譜塊對應(yīng)的時域信號進行數(shù)字化，因此得出的頻譜會包含相位信息。所有的頻率同時被一個寬頻的濾波器進行捕獲，然后進行復(fù)雜的FFT運算，而不是像頻譜分析儀用窄帶濾波器和電壓計對它們依次進行捕獲。
NI PXI 5660和大多數(shù)頻譜分析儀的區(qū)別之一就是PXI 5660可以是一個矢量信號分析儀。這意味著用戶可以同時采集大量的20MHz帶寬的頻譜信號。矢量信號分析儀的優(yōu)勢在于：

在相同時間內(nèi)采集更多的數(shù)據(jù)，使得基礎(chǔ)測量要快很多；

在很寬的帶寬下數(shù)字化的信號包含頻率信息； 對數(shù)字化的信號（幅度和相位）進行FFT計算。
PXI平臺的優(yōu)勢

PXI是PCI eXtensions for Instrumentation的縮寫。PXI的主要優(yōu)勢在于它利用了已經(jīng)驗證的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。PXI建立在高速的CompactPCI總線基礎(chǔ)之上，并加入了類似VXI所具有的定時、觸發(fā)和同步功能。為了便于集成，PXI采用了開放的軟件標(biāo)準(zhǔn)，其中包括通用的操作系統(tǒng)，即插即用的驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

表2對當(dāng)今主要的測試平臺GPIB、VXI、PCI和PXI 的一些重要參數(shù)進行了比較。PXI利用了PC平臺的尺寸、價格和總線速率的優(yōu)勢，并配之以GPIB和VXI作為儀器規(guī)范的特性，使得用戶能夠同時擁有這兩方面的強大優(yōu)勢。
回首過去幾年P(guān)XI和VXI的市場占有率，VXI幾乎一直維持相同的市場占有率，而PXI則增長迅猛，并于2002年超過VXI的市場占有率。行業(yè)預(yù)測這樣的增長將繼續(xù)維持下去。PXI系統(tǒng)聯(lián)盟持續(xù)擴大其成員隊伍，目前已有68家成員公司。

綜上所述，和VXI相比，PXI具有更快的總線傳輸速率（132MB/s vs 40MB/s）、更小的體積以及更好的性能價格比。此外，因為借助于PC技術(shù)，PXI將會根據(jù)業(yè)界的技術(shù)（如PCI Express）來不斷更新其產(chǎn)品，相反，VXI則已經(jīng)停止了其主要技術(shù)的更新。而且，得益于NI軟件的靈活性和不斷更新的模塊化硬件，用戶可以少的投資隨時升級整個測試系統(tǒng)。如此優(yōu)良的擴展性，靈活的軟件架構(gòu)使得基于PXI的系統(tǒng)集成變得更加容易。因此，PXI總線正在逐步取代VXI總線成為測試測量行業(yè)的總線標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

NI射頻信號分析儀—PXI 5660并非傳統(tǒng)的頻譜分析儀，而是一個高性能的軟件無線電平臺（同時可以實現(xiàn)無線電接收機、頻譜分析儀和矢量信號分析儀的功能）。和傳統(tǒng)的無線電監(jiān)測接收機相比，NI基于PXI的射頻系統(tǒng)具有更好的可擴展性和靈活性。利用強大的圖形化編程語言LabVIEW，無線射頻接收監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)從傳統(tǒng)上硬件定義系統(tǒng)功能的儀器跨入了一個新的時代：軟件無線電，它在高性能硬件保證信號低失真數(shù)字化的前提下，充分發(fā)揮軟件平臺和計算機處理器的強大優(yōu)勢，實現(xiàn)諸如解調(diào)、參數(shù)計算、閾值監(jiān)測等各種功能。

  

參考文獻:

[1]. 25MHz datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/25MHz_1136611.html.