基于NI PXI技術(shù)的無線電接收機(jī)技術(shù)

　　概述

　　無線射頻接收機(jī)是一個監(jiān)測系統(tǒng)，它負(fù)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(jìn)行采集，隨后就可以對信號進(jìn)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。此文將詳細(xì)介紹基于NI PXI技術(shù)的無線電接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)。

　　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)工具包等附加工具包來開發(fā)不同的應(yīng)用程序。


圖1 NI的射頻架構(gòu)

　　為了滿足日益變化的測試需求，這個架構(gòu)是最適合的。

　　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(jìn)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20 MHz的實時帶寬，可以把信號頻率下變頻到以15 MHz為中心頻率，范圍在5~25 MHz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 MS/s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(jìn)行實時批處理，并將任何20 MHz帶寬的信號降頻到基帶信號，這對于捕捉無線通訊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專利的高速MiniMITE 集成電路。MiniMITE通過DMA方式將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)街鳈C(jī)的內(nèi)存上，從而釋放主機(jī)CPU以進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、顯示和通訊任務(wù)(見圖2)。


圖2 PXI-5660 硬件架構(gòu)

　　下變頻模塊首先對任何一個3 GHz范圍內(nèi)的信號進(jìn)行用戶可選擇的衰減，然后進(jìn)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(jìn)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 MHz_25 MHz的中頻信號輸出。下變換器使用一個高穩(wěn)定度、高精度的恒溫晶體振蕩器來驅(qū)動其它的系統(tǒng)時鐘并提供±50 ppb 的頻率精度。


表1是對頻譜分析儀和矢量分析儀的詳細(xì)比較

　　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晶體振蕩器可以產(chǎn)生非常純的高頻信號。YIG代表了釔鐵石榴石材料，它是組成晶體振蕩器中諧振腔的基礎(chǔ)。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)去。

　　PXI-5660精妙的頻率調(diào)節(jié)和多級的架構(gòu)保證了其寄生響應(yīng)(spurious response)遠(yuǎn)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)，它是根據(jù)用戶的要求通過軟件來定制測量硬件的功能。因此，NI PXI-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(jìn)行混頻。混頻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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行捕獲，然后進(jìn)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(jìn)行捕獲。

　　NI PXI-5660和大多數(shù)頻譜分析儀最大的區(qū)別之一就是PXI-5660可以是一個矢量信號分析儀。這意味著我們可以同時采集大量的20 MHz帶寬的頻譜信號。矢量信號分析儀的優(yōu)勢在于：

　　(1)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。

　　(2)在很寬的帶寬下數(shù)字化的信號包含頻率信息。

　　(3)對數(shù)字化的信號(幅度和相位)進(jìn)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)。

　　GPIB、VXI、PCI和PXI總線的比較

　　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(jìn)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。

　　PXI和VXI的市場占有率

　　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)專家預(yù)測這樣的增長將繼續(xù)維持下去。

　　眾多知名企業(yè)放棄VXI而采用PXI

　　1987年7月，五家企業(yè)于創(chuàng)建了VXI聯(lián)盟并舉辦了第一次例會，這五家企業(yè)是：Colorado Data Systems、Hewlett-Packard、Racal-Dana Instruments(現(xiàn)在是 Racal Instruments, Inc.)、Tektronix和Wavetek。如今，Colorado Data Systems、Tektronix和Wavetek都已經(jīng)退出了VXI聯(lián)盟；Hewlett-Packard(現(xiàn)在是Agilent) 也已經(jīng)將它們的VXI產(chǎn)品線賣給了VXI Technology公司，并已經(jīng)發(fā)布了它們第一款基于PXI的模塊化儀器；Racal Instruments于2002年成為PXISA(PXI系統(tǒng)聯(lián)盟)的發(fā)起成員并大量銷售PXI產(chǎn)品；Tektronix也將虛擬儀器技術(shù)用于它們的Open Windows示波器；PXI系統(tǒng)聯(lián)盟持續(xù)擴(kuò)大其成員隊伍，目前已有超過70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)界最先進(jìn)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。最后，得益于NI軟件的靈活性和不斷更新的模塊化硬件，用戶可以最少的投資隨時升級整個測試系統(tǒng)。如此優(yōu)良的擴(kuò)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)的最新總線標(biāo)準(zhǔn)。


  表2 GPIB、VXI、PCI和PXI總線的比較

　　結(jié)語

　　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(jī)、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(jī)相比，NI基于PXI的射頻系統(tǒng)具有更好的可擴(kuò)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(jī)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。